JPH04319607A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光てこ方式の変位検出
器を備えた原子間力顕微鏡に係わり、特に光ビームとカ
ンチレバーとの位置合わせ手段を改良した原子間力顕微
鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、絶縁物質の表面形状を原子レベル
の分解能で観察できる装置として、原子間力顕微鏡が開
発されている。この原子間力顕微鏡は、試料を３次元的
に動かすアクチュエータと、カンチレバーの上下動を検
知する変位検出機構とから構成される。

【０００３】カンチレバーの先端部には試料側に先端の
鋭利な小さな探針が付いており、カンチレバーと試料表
面を接近させると、探針の先端の原子と試料表面の原子
との間に交換斥力が働き、この力より剛性の低いカンチ
レバーは湾曲する。アクチュエータで試料を面内方向に
動かすと、カンチレバーの曲りは試料表面の斥力分布に
応じて変化することになる。

【０００４】従って、カンチレバーの曲りを変位検出機
構で読み取ることにより、試料表面の形状を高分解能で
知ることができる。実際には、カンチレバーと試料表面
の間に働く交換斥力が常に一定の値になるように、試料
側をアクチュエータで上下動させ、試料表面の２次元微
視的形状を調べることが多い。

【０００５】変位検出機構としては、走査型トンネル顕
微鏡を用いる場合もあるが、設計，操作及び試料やカン
チレバーの交換等の点から、レーザダイオードと位置敏
感検出器（ＰＳＤ）を用いた光てこ方式が有利である。 この光てこ方式は、レーザ光をカンチレバーの先端部（
但し、試料側と反対側）に当て、反射光の検出器上での
位置変化を検知するものである。

【０００６】しかしながら、この種の原子間力顕微鏡に
あっては次のような問題があった。即ち、光てこ方式の
変位検出機構を用いた場合、装置の信頼性や安定性を確
保するために、細く絞られた光ビームをカンチレバーの
先端部、即ち探針の背面にだけ当てなければならない。 カンチレバーの先端の大きさ（〜数十μｍ）以下に絞ら
れたビームを、カンチレバー先端にだけ当てるように位
置合わせすることは、光学顕微鏡を使った操作でも極め
て難しく、カンチレバー交換の際の操作性を向上させる
ためにも、より簡易な方法が求められる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、光て
こ方式の変位検出機構を用いた場合、装置の信頼性を確
保するために、細く絞ったビームをカンチレバーの先端
に確実に位置合わせする必要がある。そして、この位置
合わせのために光学顕微鏡が必要となり、これがカンチ
レバー交換の際の操作性を悪化させる要因となっていた
。

【０００８】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたもので、その目的とするところは、光学顕微鏡等を
使用せずに細く絞られた光ビームをカンチレバーの先端
に容易に位置合わせすることができ、装置の信頼性及び
操作性の向上をはかり得る原子間力顕微鏡を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、カンチ
レバーに照射する光ビームのスポット像をスクリーン上
に拡大投影することにより、光学顕微鏡などの他の拡大
装置を使わずに、光ビームとカンチレバーとの位置合わ
せを行うことにある。

【００１０】即ち本発明は、ばね状の薄膜からなり、基
端部が固定端に固定されたカンチレバーと、このカンチ
レバーの先端部に取り付けられた探針と、この探針に試
料を近接させ該試料を３次元的に移動する３次元アクチ
ュエータと、光を微小スポットに集光する投光器により
カンチレバーの先端部に光を照射し、その反射光を受光
素子で検出して該カンチレバーの曲りを測定する光てこ
方式の変位検出機構とを備えた原子間力顕微鏡において
、投光器を光の投光方向に対して進退可能に設置すると
共に、カンチレバーを試料表面と水平方向に対して変位
可能に設置し、且つカンチレバーに関して投光器と反対
側に、光のスポット像及びカンチレバーの影を写すため
のスクリーンを設けたことを特徴としている。また本発
明は、望ましくは上記スクリーンを装置本体から取り外
し可能にしたことを特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明によれば、スクリーンに拡大投影された
光ビームのスポット像と、カンチレバーの影とを比較す
ることにより、光学顕微鏡等を要することなく、これら
の位置関係を目視確認することができる。そして、両者
が完全に位置合わせされた場合には、スクリーン上には
光ビームの拡大スポットが写し出されないことを利用す
ることにより、カンチレバーと光ビームとを容易に位置
合わせすることが可能となる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施例に係わる原子間
力顕微鏡の概略構成を示す斜視図である。図中１０はユ
ニットハウジングであり、このハウジング１０内にはカ
ンチレバー１１，探針１２，レーザ光投光器１３，位置
敏感検出器（ＰＳＤ）１４，固定端１５及びレシービン
グレンズ１６（図示せず）等が収容されている。２０は
ケースであり、このケース２０内には試料３０を載置す
る３次元アクチュエータ２１，インチワームモータ２２
及び磁石２３等が収容されている。

【００１４】上記装置の要部構成を、図２を参照して詳
しく説明する。カンチレバー１１は剛性の低い片持ち梁
となっており、このカンチレバー１１の先端部には試料
３０側に先端の鋭利な小さな探針１２が取り付けられて
いる。カンチレバー１１の形状は、図３に示すように剛
性を低くするためにＶ字型となっており、各部の寸法は
図示の通りである。

【００１５】カンチレバー１１の基端部は固定端１５に
固定されており、固定端１５は試料３０の表面と水平方
向に移動自在となっている。具体的には、固定端１５は
すべり軸受け又は転がり軸受けにより水平方向に変位可
能となっており、所定の位置でねじ止め等によりハウジ
ング１０に固定されるものとなっている。

【００１６】カンチレバー１１の斜め上方には、カンチ
レバー１１の先端部にレーザ光を照射するレーザ光投光
器１３が、レーザ光の投光方向に対し進退可能に設置さ
れている。この投光器１３は、レーザダイオード１３ａ
とフォーカシングレンズ（又はレンズ群）１３ｂからな
り、投光方向の移動によりスポットビームの結像位置が
可変される。レーザ光照射によるカンチレバー１１から
の反射光はレシービングレンズ１６を通してＰＳＤ１４
で検出される。ここで、図中一点鎖線で囲った部分、即
ち投光器１３，カンチレバー１１，ＰＳＤ１４は、光て
こ方式の検出機構を構成している。

【００１７】投光器１３によるレーザ光の投光方向に対
してカンチレバー１１より前方、即ちカンチレバー１１
の斜め下方には、スクリーン４０が着脱自在に設けられ
ている。スクリーン４０は、例えば紙のようにレーザ光
を乱反射させる表面を持つものであればよく、その材料
には何等限定されない。このスクリーン４０上には、カ
ンチレバー１１に照射されるレーザ光のスポット像とカ
ンチレバー１１の影が写される。そして、レーザ光のス
ポット像とカンチレバー１１の影が目視確認されるもの
となっている。

【００１８】３次元アクチュエータ２１は、例えば円筒
型圧電素子の内周面に共通電極を形成し、外周面に分割
電極を形成してなるもので、各電極間に印加する電圧に
よりＸ，Ｙ方向（水平方向）及びＺ方向（垂直方向）に
駆動される。従って、このアクチュエータ２１上に載置
された試料３０は、３次元方向に移動可能となっている
。

【００１９】また、ユニットハウジング１０はケース２
０に設けられた磁石２３（２箇所）とモータ２２により
進退移動される軸との３箇所に接触し、いわゆる３点支
持で固定される。そして、モータ２２の駆動によりハウ
ジング１０とケース２０との距離が微小に変化、即ち試
料３０と探針１２との間隔が微小に可変できるものとな
っている。次に、上記装置を用いた光ビームとカンチレ
バー１１との位置合わせの調整方法について、図４を参
照して説明する。

【００２０】投光器１３のレーザダイオード１３ａとし
て可視光レーザを用い、投光器１３のワーキングディス
タンスは１０ｍｍ，最小スポット径は３０μｍφとした
。これに対してカンチレバー１１の寸法は、図３に示す
通りである。

【００２１】まず、投光器１３をカンチレバー１１の先
端部からほぼ１０ｍｍ離れたところに固定する。このと
き、光ビームとカンチレバー１１とが位置合わせされて
いないとすると、図４（ａ）に示すように、スクリーン
４０上には拡大投影されたスポット光４１のみが写し出
される。この状態は、ハウジング１０に設けられた開口
部（図示せず）を用いて目視確認する。

【００２２】次いで、カンチレバー１１の固定端１５を
水平方向に動かして、図４（ｂ）に示すように、カンチ
レバー１１の先端の影４２が拡大スポット４１内に入る
ようにする。次いで、投光器１３を動かして、図４（ｃ
）に示すように、カンチレバー１１の先端の影４２が最
大の大きさとなるように調整する。これにより、ワーキ
ングディスタンス１０ｍｍの位置に投光器１３が位置す
ることになる。

【００２３】この状態で投光器１３を固定した後、再び
カンチレバー１１を水平方向に、且つ投光器１３側に僅
かに移動し、カンチレバー１１の先端部の中央に光ビー
ムが照射されるようにする。このとき、図４（ｄ）に示
すように、スクリーン４０上には光ビームの拡大スポッ
ト４１は写し出されない。

【００２４】この状態で固定端１５を固定することによ
り、光ビームとカンチレバー１１とは正確に位置合わせ
され、細く絞られた光ビームがカンチレバー１１の先端
部、即ち探針１２の背面にだけ当てられることになり、
試料表面の測定に関して、光ビームが試料側に照射され
ることはない。なお、試料表面の測定の際にスクリーン
４０が邪魔になる場合は、スクリーン４０を取り外せば
よい。

【００２５】このように本実施例では、カンチレバー１
１の斜め下方にスクリーン４０を設け、このスクリーン
４０に光ビームのスポット像４１及びカンチレバー１１
の先端の影４２を写すことにより、カンチレバー１１と
光ビームとの位置合わせを容易に行うことができる。即
ち、カンチレバー１１の影４２がスポット像４１に比べ
て最大になるように投光器１３と固定端１５を適当に移
動させ、スポット像４１がスクリーン４０上から消える
位置で両者１３，１５を固定することで両者の位置合わ
せを行うことができる。

【００２６】従って本実施例によれば、カンチレバー１
１と光ビームとの位置合わせに光学顕微鏡を使用する必
要がなくなり、操作性の向上をはかることができる。こ
の効果は、特にカンチレバー１１を交換する際に大であ
る。また、装置構成として、従来装置にスクリーン４０
を設けるのみの極めて簡易な構成で実現し得る利点もあ
る。

【００２７】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。図２では、投光器１３と固定端１５の
移動をころがり軸受けを介して行うように示してあるが
、滑り軸受け方式で行ってもよいことは勿論である。 さらに、これらの移動は移動装置を用いても手動でもよ
い。また、光てこ方式の変位検出機構と試料の走査機構
とが分離できる構成であれば、スクリーンを装置内に設
ける必要はなく、変位検出機構の調整の際にだけスクリ
ーンを使用してもよい。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、カ
ンチレバーに照射する光ビームのスポット像をスクリー
ン上に拡大投影することにより、光学顕微鏡等を使用せ
ずに細く絞られた光ビームをカンチレバーの先端に容易
に位置合わせすることができ、信頼性及び操作性の向上
をはかり得る原子間力顕微鏡を実現することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる原子間力顕微鏡の概
略構成を示す斜視図、

【図２】上記実施例の要部構成を示す断面図、

【図３】
上記実施例に用いたカンチレバーの具体的構成を示す平
面図、

【図４】光ビームスポットとカンチレバーの影との関係
を示す模式図。

【符号の説明】

１０…ユニットハウジング、 １１…カンチレバー、 １２…探針、 １３…レーザ光投光器、 １４…位置敏感検出器（ＰＳＤ）、 １５…固定端、 １６…レシービングレンズ、 ２０…ケース、 ２１…３次元アクチュエータ、 ２２…インチワームモータ、 ２３…磁石、 ３０…試料、 ４０…スクリーン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ばね状の薄膜からなり、基端部が固定端に
   固定されたカンチレバーと、このカンチレバーの先端部
   に取り付けられた探針と、この探針に試料を近接させ該
   試料を３次元的に移動する３次元アクチュエータと、光
   を微小スポットに集光する投光器により前記カンチレバ
   ーの先端部に光を照射し、その反射光を受光素子で検出
   して該カンチレバーの曲りを測定する光てこ方式の変位
   検出機構とを備えた原子間力顕微鏡において、前記投光
   器を光の投光方向に対して進退可能に設置し、前記カン
   チレバーを前記試料の表面と水平方向に対して変位可能
   に設置し、前記カンチレバーに関して前記投光器と反対
   側に、前記光のスポット像及び前記カンチレバーの影を
   写すためのスクリーンを設けてなることを特徴とする原
   子間力顕微鏡。