JPH041517A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

原子間力顕微鏡

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JPH041517A
JPH041517A JP10090890A JP10090890A JPH041517A JP H041517 A JPH041517 A JP H041517A JP 10090890 A JP10090890 A JP 10090890A JP 10090890 A JP10090890 A JP 10090890A JP H041517 A JPH041517 A JP H041517A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物質量に働く原子間力を微小なばね要素で変位
に変換し、その変位をレーザー光をばね要素に照射しそ
の反射光の位置すれとして光検出素子で検出して制御信
号とする方式の原子間力顕微鏡に関する。
〔発明の概要〕
本発明は物質量に働く原子間力を微小なばね要素で変位
に変換し、その変位をレーザー光をばね要素に照射しそ
の反射光の位置すれとして光検出素子で検出して制御信
号とする方式の原子間力顕微鏡において、微小ばね要素
及び集光レンズを微動素子に取り付ける構成とし、試料
の大きさに対する制限を緩和し、使い勝手の良い原子間
力顕微鏡を提供するものである。
〔従来の技術〕
原子間力顕微鏡(Atomic  ForceMicr
oscope)はSTMの発明者であるG、B1nn1
gらによって考案(Physical  Review
  Letters  vol。
56  p930 1986)されて以来、新規な絶縁
性物質の表面形状観察手段として期待され、研究が進め
られている。その原理は先端を充分に鋭くした検出チッ
プと試料間に働く原子間力を、前記検出チップが取り付
けられているばね要素の変位として測定し、前記ばね要
素の変位量を一定に保ちながら前記試料表面を走査し、
前記ばね要素の変位量を一定に保つための制御信号を形
状情報として、前記試料表面の形状を測定するものであ
る。
ばね要素の変位検出手段としてはトンネル電流を用いる
STM方式と光学的方式に大別される。
STM方式は二つの導体を数ナノメ数オングストローム
ロームの距離に近付は電圧を印加すると電流が流れ始め
るいわゆるトンネル現象を利用するものである。ばね要
素に導電性を付与しておき、鋭利な金属針をばね要素に
1ナノメ一タ程度まで接近させてトンネルを流を流し、
その電流値をばね要素の変位信号として制御を行う。
光学的方式にはいわゆる干渉法そのものを使った例(J
ournal  of  Vacuum  5cien
ce  Technology  A6(2)p266
  Mar/Apr  198B)や、レーザー光をば
ね要素に照射しその反射光の位置ずれを光検出素子で検
出して変位信号とする、光でこ方式と呼ばれる例(Jo
urnal  ofApplied  Physics
  65 (1)、1  p164  January
  1989)が報告されている。
第3図に原子間力顕微鏡の動作原理を示す、第3図(a
)は原子間距離に対する原子間力の関係を示す概念図で
ある。二つの原子を数ナノメーターないし数オングスト
ロームの距離に近付けていくと、まず原子間距離のマイ
ナス7乗に比例したいわゆるファンデルワールス力が互
いに引き付は合う力として発生する。更に近付けるとい
わゆる交換斥力が急激に立ち上がる。第3図(b)はば
ね要素3の変位している様子を示す概念図である。
原子間力顕微鏡は図中の変位量Xが一定となるように試
料1をZ方向に調整しつつ、試料面内方向の走査を行い
、試料表面の形状データを得る。いわゆる触針式粗さ針
との違いとしては、測定中のセンサの圧力が粗さ計の場
合数ミリグラムであるのに対し、原子間力ali徽鏡の
場合マイクログラム以下と小さいこと、原子間力顕微鏡
は粗さ針よりも観察範囲は狭いが分解能が非常に高いこ
となどが挙げられる。
第2図は従来の光てこ方式の原子間力顕微鏡の構成を示
す概略図である。ばね要素3には試料1との相互作用を
微小な範囲に限定するための検出チフブ2が取り付けら
れ、微小な力検出器を構成している。試料1は微動素子
4に固定され、3次元に駆動される。m動素子4により
試料1はばね要素3に対し、試料平面に垂直な方向の距
離を調整されつつ試料面内方向に高分解能で走査される
ナノメーター以下の微小な移動量が要求されるため、微
動素子として圧電素子が使われる例が多い。
微動素子4は試料1とばね要素3の粗い位置決めを行う
ための粗動機構5に固定される。
ばね要素3の裏面側にばばね要素3の変位量を検出する
ための変位検出系が設けられている。まず半導体レーザ
6から出射された光は集光レンズa8によりばね要素3
の裏面先端部に集光される。
ばね要素3は反射率を上げるためのコーティングが施さ
れている0反射された光はレンズb9によって集光され
、分割型の光検出素子11上に集光される。光検出素子
として例えば2分割型のフォトディテクター11−aを
使用した場合においては、あらかじめ分割された素子に
均等に光が入射する様に調整しておき、2分割素子の差
分信号を取る。ばね要素3が試料1に押されて傾くとき
、フォトディテクター11−aの受光面上の光スポット
もばね要素3の傾きに比例して移動し、分割素子の出力
は一方は増加しもう一つは減小する。
結果としてその差分出力はばね要素3の傾き、即ち変位
に比例したものとなる。この変位信号はサーボ系に取り
込まれ微動素子4及び粗動機構5への制御信号に変換さ
れ、試料1とばね要素3の距離が一定となるよう制御さ
れる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら従来の光てこ方式の原子間力顕微鏡では試
料を微動素子により駆動する方式を取っているため、大
きな試料を観察しようとすると微動素子の共振周波数の
低下を招き、観察が困難であった。また微動素子先端小
さいもの、例えば円筒型の圧電素子を使うときは直径が
最大でも30ミリ程度で物理的にも試料取り付けが困難
であり、例えば半導体のウェハーや光デイスク基板を観
察するためには試料を裁断する必要があった。そのため
原子間力顕微鏡の持つ非破壊観察という利点を生かすこ
とが出来ないという欠点があった。
また試料を微動素子により駆動する方式であるため、微
動素子の負荷質量が測定の度に変動することになり、制
御特性や測定スピードが一定しないという問題点があっ
た。
〔課題を解決するための手段〕
上記問題点を解決するため本発明では、ばね要素及び集
光レンズを微動素子に取り付ける構成とした。概略の構
成としてはまず光源は微動素子の外部に設け、光ファイ
バーによりレーザー光を誘導する。更に微動素子先端部
にはレンズ及びばね要素、微動素子に隣接する部材には
ミラー、光検出素子より成る検出系を配置し、光てこ方
式の変位検出系を構成することとした。
〔作 用〕
上記の構成とすることにより、試料を微動素子から切り
放すことが可能となる。試料を粗動機構上に配置する場
合、粗動機構は一般にパルスステージなどが用いられ、
微動素子として通常用いられる圧電素子よりも搭載でき
る重量が数桁大きいため、試料のサイズや重量に対する
制約は大きく軽減される。粗動・微動機構を一体の構成
とした場合においてもその効果は同様である。
更に試料周辺の構成の自由度が向上するため、例えば搬
送機構と組み合わせて試料の自動交換を行う等、設計自
由度が向上する。
また微動素子の負荷は常に一定となり、制御系の安定化
や装置全体の特性に対する保証が得られることになるの
である。
[実施例] 以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図(a)に本発明に係る原子間力顕微鏡の機構部の
1実施例を示す、電装系の構成は従来の原子間力顕微鏡
と同様である。ばね要素3、投光側集光レンズa8が微
動素子先端に取り付けられ、反射ミラー10およびフォ
トディテクター11の検出系と、半導体レーザ6は、微
動素子4とは別置して設けられ試料1は粗動機構5に固
定される。
微動素子4に対する負荷を軽減するため反射ミラー10
、フォトディテクター11、半導体レーザ6はフレーム
14側に設け、半導体レーザ6からのレーザ光は光ファ
イバー7によって微動素子先端に導く。ばね要素3は支
持部材12にばね13によって押圧され、集光レンズa
8からの出射光軸に対し傾いて固定される。ファイバー
7からの光は集光レンズa8によりばね要素先端部に集
光され、その反射光はフレーム14内に設けられた2分
割のフォトディテクター11にミラー10を介して入射
される。このように構成された変位検出系は試料面内方
向を走査する際に微動素子4に設けられた光源系とフレ
ームI4に設けられた受光系との位置間係が変化するた
め得られる画像データに歪みが発生するが、予め面内方
向の走査量と変位検出系の出力との関係を調べ、測定後
にソフトウェアにより補正することで充分に対応可能で
ある。これは微動素子として一般的に用いられる圧電素
子の非線形性の補正処理と同じである。
微動素子部に隣接して金属顕微鏡15が設けられている
。粗動機構5はxyz3軸方向のパルスステージで構成
され、試料1を金属顕微鏡15と原子間力顕微鏡との間
で搬送する。このような構成により金属顕微鏡で予め大
まかな観察をした後より詳細に観察したい部分を原子間
力顕微鏡で見るということが可能となる。
この例のように、反射ミラー10、フォトディテクター
11は微動素子4とは別置にして設けており、従って微
動素子4に対し多大な荷重負荷はかけず、しかもばね要
素2からの反射光を距離をおいて反射ミラー10に投射
でき、ばね要素2の微小変位による反射光路変化を大き
な光路変化でとらえることができる。
第1図(b)に本発明に係る原子間力顕微鏡の機構部の
別の実施例を示す、ばね要素3、投光側集光レンズa8
が微動素子先端に設けられ、更に微動素子4は粗動機構
5に取り付けられている。
試141は搬送機構16により試料スト7カー17から
自動供給され、連続測定が行われる。
〔発明の効果〕
上記のように本発明によれば、ばね要素と集光レンズを
微動素子側に配置することにより、試料の大きさに対す
る制限を緩和し、半導体のウェハーや光デイスク基板等
をそのまま観察できるようになり、原子間力顕微鏡の持
つ非破壊観察という利点を生かすことができ、試料準備
が容易となる。
また金属顕微鏡や搬送機構と組み合わせることが可能と
なり、機能の複合化された使い勝手の良い原子間力顕微
鏡が得られる。
更には微動素子に加えられる負荷が常に一定となるため
、制御系に対する悪影響を軽減することができるのであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)および第1図(blは本発明にかかる原子
間力顕微鏡のそれぞれ別の実施例を示す構成図、第2図
は従来の充てこ方式の原子間力顕微鏡の構成図、第3図
は原子間力顕微鏡の動作原理を示す概念図である。 1・・・試料 2・・・検出チップ 3・・・ばね要素 4・・・微動素子 5・・・粗動機構 6・・・半導体レーザ 7・・・光ファイバー 8 ・ 9 ・ ・ l O・ 11 ・ 1a ・集光レンズa ・レンズb 1染フー ・光検出素子 ・フォトディテクター 以上 出願人 セイコー電子工業株式会社 代理人 弁理士 林  敬 之 助 第1 図(a) 第 図(b) 躬 図(Q) 躬 図(b)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)試料表面より受ける原子間力を変位に変換するば
    ね要素と、レーザー光源と、ばね要素裏面にレーザー光
    を照射する集光レンズと、反射光を検出する検出系と、
    試料とばね要素を3次元的に相対運動させる粗動機構及
    び微動素子と、試料とばね要素間を一定の距離に保つ制
    御手段と、装置から振動を除去する除振機構と、装置全
    体を制御するコンピュータを有し、試料表面の形状を観
    察する原子間力顕微鏡において、 前記ばね要素と前記集光レンズを前記微動素子に配置し
    、検出系を微動素子外に配置したことを特徴とする原子
    間力顕微鏡。
  2. (2)第一項において、試料が粗動機構上に配置される
    構成であることを特徴とする原子間力顕微鏡。
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