JPH04330752A - 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、試料表面の形状を原子
レベルで測定する原子間力顕微鏡に係わり、特に探針と
試料間の走査系の改良をはかった原子間力顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、物質間に働く力により試料表面の
二次元的な形状を観察する原子間力顕微鏡（　Ａｔｏｍ
ｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）が
開発されている。この顕微鏡は、走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）とは異なり、電気伝導性のない材料表面や有
機分子がナノメートルスケールで観察できることから、
広範な応用が期待されている。

【０００３】ＡＦＭは、先端曲率半径の小さな探針をも
つ板ばね状のカンチレバー（力−変位トランスデューサ
系）と、このカンチレバーの曲がりを測定する変位測定
系とから構成される。一般に、無極性の物質表面間には
遠距離で分散力による微弱な引力（〜１０−９Ｎ；中性
原子間に働く引力の典型的な大きさ）が、近距離で斥力
が働く。カンチレバーの曲がりは作用する力に比例する
ため、この曲がりを測定することによって、探針先端と
これに数ｎｍ以内に近接する試料面間に働く微弱で局所
的な力を検出することが可能となる。

【０００４】さらに、試料を走査することにより、試料
面の力の二次元的情報が得られる。ＳＴＭと同様にして
、この力（即ちレバーの曲がり）を一定にするように試
料の位置を制御しながら、試料を走査することで、表面
の微視的形状もまた知ることができる。

【０００５】力の検出部には、微細な金属箱（線）やＳ
ｉＯ２　膜，Ｓｉ３　Ｎ４　膜を用いた薄膜状のカンチ
レバーが使用されている。変位の検出感度を０．１　ｎ
ｍとすると、１０−９Ｎの力を検出するためには、弾性
定数は１０Ｎ／ｍ以下の柔らかいばねでなければならな
い。また、走査系の掃引周波数と防振の点からカンチレ
バーの共振周波数を低くすることはできない。

【０００６】この一見相反する条件を満足させるには、
カンチレバーを極力小さく作る必要がある。現状では、
微細加工技術を用いて、Ｓｉ基板上に弾性定数＝０．１
〜１Ｎ／ｍ、共振周波数＝１０ｋ〜１００ｋＨｚ　のＳ
ｉＯ２　，Ｓｉ２　Ｎ４　，Ｓｉなどで作られたＶ字型
のＡＦＭ用レバーが開発されている。また、変位測定系
はサブノメートルの分解能をもつ必要があり、現状では
ＳＴＭ、レーザ干渉法、光てこ法などが用いられている
。

【０００７】しかしながら、この種のＡＦＭにあっては
次のような問題があった。即ち、ウェハ上に形成された
ＳｉＯ２　などの酸化膜面形状を観察する際には、装置
構成上の問題から必ずウェハから切り出された試料片が
使われ、ウェハを非破壊で観察することはできない。こ
れは、例えば６インチウェハを載置してそれを走査する
ＸＹＺ駆動系は、小試料片を走査するＸＹＺ駆動系に比
べて質量が極めて増大してしまうため、原子レベルの測
定分解能を保証するだけの剛性（固有振動数）が確保で
きないためである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、ＡＦ
Ｍを用いて試料の表面形状を観察するには、試料を小片
に切り出す必要があり、試料の非破壊検査は困難であっ
た。

【０００９】本発明は、上記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、試料を破壊して小さな
試料片を作る必要はなく、試料そのままを原子レベルで
表面観察することのできる原子間力顕微鏡を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、試料を
ＸＹ方向に駆動する代わりに、カンチレバーをＺ方向と
共にＸＹ方向に駆動することにある。

【００１１】即ち本発明は、先端曲率半径の小さな探針
を持つカンチレバーと、このカンチレバーに近接して設
置され該カンチレバーの変位を測定する変位測定機構と
、カンチレバーの探針を試料の表面に対して水平及び垂
直方向に変位させるＸＹＺ駆動機構とを具備した原子間
力顕微鏡であり、試料の表面に探針を接触又は近接させ
て該探針を走査することにより、試料の表面形状を原子
レベルで測定することを特徴としている。また、本発明
の望ましい実施態様としては、次のものがあげられる。 （１）　カンチレバー及び変位測定機構の最も低い固有
振動数を、ＸＹＺ駆動機構の探針走査周波数より高くす
ること。 （２）　探針と試料の接触の制御法として、探針が試料
から一定の力を受けるように制御すること。 （３）　カンチレバー及び変位測定機構を、マイクロフ
ァブリケーションプロセスを用いて作製すること。

【００１２】

【作用】本発明によれば、カンチレバー及び変位測定機
構を互いに各々の支持部で相対変位を生じることなく両
者を固定し、これをＸＹＺ駆動系の一部に取付けること
により、カンチレバー及び変位測定機構は、これらの固
有振動数よりも十分低い走査周波数を持つＸＹＺ駆動系
により駆動される。そして、試料面上でカンチレバーを
走査しても表面の微視的形状を知ることができるように
なる。

【００１３】また、ＸＹＺ駆動系の剛性（固有振動数）
は、カンチレバー及び変位測定機構の大きさにより決ま
るため、試料の大きさには関係がない。従って、大きな
試料でも原子レベルの測定分解能を保証するに十分な剛
性を確保することができる。即ち、従来のように試料を
小片に切り出す必要はなく、非破壊で試料面の微視的形
状を観察することが可能となる。

【００１４】

【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。

【００１５】図１は本発明の第１の実施例に係わる原子
間力顕微鏡を示す概略構成図、図２はその要部構成を拡
大して示す図である。図中３は円筒型の圧電素子からな
るＸＹＺ駆動機構であり、３方向への変位が可能になっ
ている。２は変位測定機構としてのＳＴＭ用の変位発生
素子で、その先端にＳＴＭ探針２ａが取付けられている
。また、１はＡＦＭカンチレバーで、その先端にＡＦＭ
探針１ａが取付けられている。

【００１６】ＳＴＭ用変位発生素子２とＡＦＭカンチレ
バー１は、ＳＴＭ探針２ａがＡＦＭ探針１ａの真上に来
るようにして、その支持部が相対変位することのないよ
うに強固に固定されており、さらにこれら全体がＸＹＺ
駆動機構３の先端で電極が設けられていない部分１０に
強固に固定されている。ＸＹＺ駆動機構３の他端は、取
付板４に接着などで固定され、取付板４の一方に設けら
れたネジ５とナット６によりハウジング７に固定されて
いる。

【００１７】ハウジング７の下端には足８が３個取付け
られ、これによってハウジング７が試料１１上に支持さ
れる。３個の足８のうち一つは、例えば積層圧電素子か
らなる調整機構９に取付けられており、ＡＦＭ探針１ａ
とウェハ等の試料１１の表面との間隔を調整できるよう
になっている。また、試料１１は、ステージ１２上に載
置されている。

【００１８】なお、図中１３はＸＹＺ駆動機構３に駆動
電圧を印加するための高圧アンプ、１４はＳＴＭ用変位
発生素子２を駆動するためのコントローラ、１５はＳＴ
Ｍのトンネル電流を検出する検出器、１６は検出器出力
が一定となるようにＸＹＺ駆動機構３のＺ駆動電圧を制
御するフィードバックコントローラ、２０はコンピュー
タ、２１はＡ／Ｄ変換器、２２，２３はＤ／Ａ変換器を
示している。

【００１９】ＸＹＺ駆動機構３は、図３に示すように、
円筒型の圧電素子からなるもので、その外側にＸＹＺの
３電極（３ｘ，３ｙ，３ｚ）が設けられ、内側に接地電
極３ｇが設けられている。そして、これらの電極に電圧
を印加することによって、ＸＹ方向（水平方向）及びＺ
方向（垂直方向）への変位が可能になっている。

【００２０】ＡＦＭカンチレバー１及びＳＴＭ用変位発
生素子２は、ＸＹＺ駆動機構３の走査周波数よりも各々
の固有振動数が十分に高くなければならないので、半導
体素子製造プロセスを使ったいわゆる“マイクロファブ
リケーション”によって極めて小型に一体構造で作られ
る。

【００２１】例えば、ＡＦＭカンチレバー１に関しては
、文献（Ｔ．Ｒ．　Ａｌｂｒｅｃｈｔ　ｅｔａｌ，スタ
ンフォード大レポート，Ａｕｇｕｓｔ　１９８９　）に
あるように、ＳｉＯ２　，Ｓｉ２　Ｎ４　，Ｓｉなどを
用いてＶ字型に形成する。トンネル電流検出のためには
、カンチレバー１に導電性を持たせる必要があり、この
ためにはＳｉに不純物をドーピングしたり、導電膜を薄
く蒸着すればよい。また、カンチレバー１を導電膜で形
成してもよい。

【００２２】また、ＳＴＭ用変位発生素子２に関しては
、例えば文献（Ｓ．Ａｋａｗｉｎｅ　ｅｔａｌ，スタン
フォード大レポート，Ｊｕｎｅ　１９８９）にあるよう
に、図４に示すように、共通電極４３を挟んで圧電板４
１，４２を接着し、さらに圧電板４１の表面側にストラ
イプ状に分割された３つの電極４４をそれぞれ設け、同
様に圧電板４２の表面側に同様に電極４５を設けて構成
する。この場合、電圧を印加する電極を選択することに
より、ＸＹＺ方向の駆動が可能となる。なお、図中４６
はＳｉ基板、４７はパッド、４８はリード線を示してい
る。

【００２３】このように小型のカンチレバー１、ＳＴＭ
用変位発生素子２を使用すると、これらの固有振動数は
ＸＹＺ駆動機構３の走査周波数（通常は１ＫＨｚ　以下
）に比べて１０ＫＨｚ　以上と大幅に高くすることがで
きる。従って、ＸＹＺ駆動機構３の走査によってＡＦＭ
カンチレバー１やＳＴＭ用変位発生素子２が振動される
ことはない。

【００２４】また、ＸＹＺ駆動機構３は、試料１１より
も十分に小さいＡＦＭカンチレバー１，ＳＴＭ用変位発
生素子２を駆動するものであることから、試料１１を駆
動するものと比べてその剛性（固有振動数）を十分大き
くすることができる。即ち、本実施例のＸＹＺ駆動機構
３は、試料１１の大きさに関係なく、原子レベルの測定
分解能を保証するに十分な剛性を確保することができる
。次に、このように構成された原子間力顕微鏡の動作に
ついて説明する。

【００２５】まず、ハウジング７を試料１１面上に載置
する。次いで、図４に示すようなＳＴＭ用変位発生素子
２の各電極にコントローラ１４を使って電圧を印加し、
探針先端の位置を制御してＳＴＭ探針２ａをカンチレバ
ー裏面に近接させトンネル領域に入れる。この状態を保
持して調整機構９を使って、ＡＦＭ探針１ａが斥力を受
けて変形するまで試料１１に近づける。カンチレバー１
の変位は検出器１５によって検出される。検出器１５か
らの出力信号はフィードバックコントローラ１６に入り
、フィードバックコントローラ１６はカンチレバー１の
変位が常に一定になる様に圧電素子３のＺ方向の動きを
制御する。

【００２６】この状態でコンピュータ２０はＸＹＺ駆動
機構３を駆動して、カンチレバー１をＸ，Ｙ方向に走査
させる。このとき、ＡＦＭ探針１ａは試料１１から一定
の斥力を受ける様な軌跡に沿って（要するに試料１１表
面に接触しながら）動いてゆく。ＡＦＭカンチレバー１
の走査と同時にＸＹＺ駆動機構３のＺ方向電極への印加
電圧の大きさがＡ／Ｄ変換器２１によって測定され、コ
ンピュータ２０によってモニターされる。そして、この
電圧の分布をコンピュータ２０によって表示することに
より、試料１１表面の形状を調べることができる。

【００２７】このように本実施例によれば、試料１１側
をＸＹ方向に走査するのではなく、ＡＦＭカンチレバー
１及びＳＴＭ用変位発生機構２をＸＹＺ駆動機構３によ
りＸＹ方向に走査しているので、試料１１の大きさに関
係なしに駆動系の剛性を十分に大きくすることができる
。また、カンチレバー１及びＳＴＭ用変位発生機構２は
ＸＹＺ駆動機構３に比して十分小さいものであり、これ
らの固有振動数をＸＹＺ駆動機構３の走査周波数よりも
十分高くすることができる。このため、ＸＹＺ駆動機構
３の走査によって、カンチレバー１やＳＴＭ用変位発生
機構２が励振されることはない。従って、試料１１の表
面形状を原子レベルで測定することができ、またウェハ
等の試料１１を小片に切り出す必要はなく、試料１１を
非破壊で検査することができる。図５は、本発明の第２
の実施例の要部構成を示す斜視図である。なお、図３と
同一部分には同一符号を付して、その詳しいは説明は省
略する。

【００２８】円筒型圧電素子からなるＸＹＺ駆動機構３
の一端には、先の実施例と同様に、ＡＦＭカンチレバー
１が取付けられている。カンチレバー１の探針１ａの裏
面真上には、２本の細い（直径約１０μｍ）光ファイバ
ー５０がその先端付近を固定板５１によって固定され、
その一端がＸＹＺ駆動機構３の電極のない部分１０に強
固に、例えば接着固定されている。これによって、カン
チレバー支持部と光ファイバー端部とは相対変位が起き
ないようになっている。

【００２９】ＸＹＺ駆動機構３の他の一端では、光ファ
イバー５０が固定板５２によって同様に固定され、固定
板５２はばね状の連結体５３によってＸＹＺ駆動機構３
に固定されている。この部分が自由に動くことによって
、ＸＹＺ駆動機構３が変位してもファイバー５０に無理
な力が働かないようになっている。

【００３０】この方式によるカンチレバー１の変位の測
定は以下のように行われる。図６に示すように、２本の
光ファイバー５０のうち１本の光ファイバー５０ａから
カンチレバー１に背面に光を放射する。放射された光が
カンチレバー１背面で反射すると、その一部は他の光フ
ァイバー５０ｂに入射する。この際に入射する光の量は
、光ファイバー５０の前面とカンチレバー１との間隔に
よって変化する。カンチレバー１の変位が微小であれば
光量と前記間隔は比例するため、この光量を測定するこ
とによってカンチレバー１の変位を測定することができ
る。

【００３１】本実施例では、変位測定機構を極めて剛性
高く構成できるので、この測定機構の固有振動数をＸＹ
Ｚ駆動機構３の走査周波数に比べて十分に高くすること
ができる。従って、ＸＹＺ駆動機構３が変位しても（走
査されても）、カンチレバー１と光ファイバー５０の端
部の固定板５１との間で相対振動を起こさずに、カンチ
レバー１の変位を測定することができる。

【００３２】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、マイクロファブリケー
ションにより作成したカンチレバーを使用し、ＳＴＭや
光ファイバーにより変位測定を行っているが、他のタイ
プのカンチレバー（力／変位変換器）、さらには他の方
式の変位測定機構を採用してもよい。即ち、カンチレバ
ーは１０−８〜１０−９Ｎ程度の測定分解能を持ち、し
かもその固有振動数がＸＹＺ駆動機構の走査周波数より
も十分に高ければよい。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。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、試
料をＸＹ方向に駆動する代わりに、ＸＹＺ駆動機構によ
りカンチレバーをＺ方向と共にＸＹ方向に駆動している
ので、試料の大きさに係わらずＸＹＺ駆動機構の剛性を
十分大きくすることができる。従って、試料を破壊して
小さな試料片を作る必要はなく、ウェハ等の大きな試料
でも非破壊でその表面形状を測定することが可能となる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる原子間力顕微鏡
を示す概略構成図、

【図２】第１の実施例のＳＴＭ部及びＡＦＭ部を拡大し
て示す図、

【図３】第１の実施例のＸＹＺ駆動機構を拡大して示す
斜視図、

【図４】第１の実施例のＳＴＭ用変位発生素子を拡大し
て示す斜視図、

【図５】本発明の第２の実施例の要部構成を示す斜視図
、

【図６】第２の実施例における変位測定方法を説明する
ための模式図。

【符号の説明】

１…ＡＦＭカンチレバー、 １ａ…ＡＦＭ探針、 ２…ＳＴＭ用変位発生機構、 ２ａ…ＳＴＭ探針、 ３…ＸＹＺ駆動機構、 ３ｘ，３ｙ，３ｚ，３ｇ…電極、 ７…ハウジング、 ９…調整機構、 １１…試料、 １３…高圧アンプ、 １４…コントローラ、 １５…検出器、 １６…フィードバックコントローラ、 ２０…コンピュータ、 ５０…光ファイバー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端曲率半径の小さな探針を持つカンチレ
   バーと、このカンチレバーに近接して設置され該カンチ
   レバーの変位を測定する変位測定機構と、前記カンチレ
   バーの探針を試料の表面に対して水平及び垂直方向に変
   位させるＸＹＺ駆動機構とを具備してなり、前記試料の
   表面に探針を接触又は近接させて該探針を走査すること
   により、試料の表面形状を測定することを特徴とする原
   子間力顕微鏡。