JPH05141961A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】カンチレバーに遮られることなく励起光を試料
に照射できる原子間力顕微鏡を提供する。 【構成】探針１２はカンチレバー１４の自由端に設けら
れている。両者は光学的に透明な材料で作られている。
カンチレバー１４は、中央に開口を有する円盤状のガラ
ス板１６に、開口の中心に探針１２が来るように取り付
けられている。探針１２とカンチレバー１４とガラス板
１６の下面には光学的に透明な導電膜１８が設けられて
いる。カンチレバー１４の自由端部の上面（探針１２の
反対側の面）には干渉反射膜２０が設けられている。こ
の干渉反射膜２０は、光ファイバー３４から射出された
光のうち、光ファイバー干渉計からの変位検出光だけを
反射し、他の光は透過する。このガラス板１６は対物レ
ンズ２４と共に支持部材２２に取り付けられ、円筒型圧
電アクチュエーター２６により支持されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、柔軟なカンチレバーの
自由端に設けた探針を試料表面に沿って走査して試料表
面を観察する原子間力顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】柔軟なカンチレバーの自由端に設けた鋭
く尖った探針を試料表面に非常に接近させると、探針先
端の原子と試料表面の原子との間に微弱な引力や斥力
（原子間力）が生じ、この力によりカンチレバーの自由
端が僅かに変位する。

【０００３】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針を試料
表面に沿って走査しながら、このカンチレバーの変位量
を検出して探針先端の原子と試料表面の原子の間に作用
する原子間力を測定し、試料表面を原子レベルで観測す
る装置である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】カンチレバーの変位量
を検出する方法としては、光干渉や光てこ等を用いる光
学的方法やトンネル顕微鏡を用いる方法・静電容量法な
どがある。光学的方法では、カンチレバーの背面（探針
の反対側の面）に反射膜を設け、この反射膜に光を照射
して得られる反射光を利用して変位を検出する。トンネ
ル顕微鏡を用いる方法では、カンチレバーの背面に導電
膜を設けるとともに、その上方にトンネルチップを配置
し、トンネルチップと導電膜との間に電圧を印加して両
者間に流れるトンネル電流の変化から変位を検出する。
静電容量法は、カンチレバーの背面に導電膜を設け、こ
の導電膜を一方の極板とする平板コンデンサを構成し、
静電容量の変化から変位を検出する。

【０００５】ところで最近では、探針を走査して試料表
面の凹凸像を得ると同時に、試料に光を照射して試料表
面からの光励起や発光を検出したり試料表面を光学的に
観察したりするＡＦＭが提案されている。この場合、光
励起や発光を効率よく検出したり、試料表面のより良い
光学像を得るには、光を探針の中心軸に沿って試料に入
射させる必要がある。しかし、上述の変位検出方法で
は、いずれもカンチレバーの背面に金属膜（反射膜や導
電膜）を設ける必要があるため、探針の中心軸上から観
察領域を光励起したり、カンチレバーに遮られることな
く試料表面を光学的に観察することはできない。

【０００６】本発明は、カンチレバーに遮られることな
く探針の中心軸に沿って励起光を試料に照射できる原子
間力顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の原子間力顕微鏡
は、光学的に透明な探針と、この探針を自由端部に有す
る光学的に透明なカンチレバーと、探針と試料の間隔を
制御しながら探針を試料表面に沿って走査する走査手段
と、カンチレバーの自由端部の変位を検出する変位検出
光学系と、試料に光を照射して試料の諸特性を検出する
他の光学系とを備えている。変位検出光学系は、変位検
出光を射出する光源と、変位検出光を反射手段に照射す
る手段と、カンチレバーの自由端部に設けた変位検出光
のみを選択的に反射する反射手段と、反射手段からの反
射光を受光してカンチレバーの自由端部の変位を検出す
る手段とを備えている。

【０００８】

【作用】変位検出光学系は、カンチレバーの自由端部に
設けた反射手段に変位検出光を照射し、その反射光を受
光して自由端部すなわち探針の変位を測定する。これと
同時に他の光学系は、励起光を試料に照射し、光励起や
発光を検出したり試料表面の光学像を得たりする。この
とき、探針とカンチレバーは光学的に透明であり、また
カンチレバーの自由端部に設けた反射手段たとえば干渉
反射膜は変位検出光だけを反射するので、励起光はカン
チレバーやその自由端部に設けた反射手段などにより遮
られることなく試料に照射される。

【０００９】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。

【００１０】図２に示すように、探針１２はカンチレバ
ー１４の自由端に設けられている。探針１２とカンチレ
バー１４は光学的に透明な材料たとえば二酸化珪素で作
られている。カンチレバー１４は、中央に開口を有する
円盤状の光学的に透明なガラス板１６に、開口の中心に
探針１２が来るように取り付けられている。探針１２と
カンチレバー１４とガラス板１６の下面には光学的に透
明な導電膜１８が設けられていて、これは試料３０にバ
イアス電圧を印加した際に流れるトンネル電流を検出す
るための電極として使用される。カンチレバー１４の自
由端部の上面（探針１２の反対側の面）には干渉反射膜
２０が設けられている。この干渉反射膜２０は、後述す
る光ファイバー干渉計からの変位検出光だけを反射し、
他の光は透過する。このガラス板１６は対物レンズ２４
と共に支持部材２２に取り付けられ、円筒型圧電アクチ
ュエーター２６により支持される。この対物レンズ２４
は、図示していない機構によりカンチレバー１４に対し
て上下に移動できるように設けられている。

【００１１】圧電アクチュエーター２６は図１に示すよ
うに固定部材２８に支持されていて、ＸＹステージ３２
の上に載置した試料３０の表面に沿って探針１２を走査
する。対物レンズ２４は中央に貫通孔を有している。光
ファイバー３４は、この貫通孔の内側を通って、その一
端がカンチレバー１４の自由端部の上方に導かれてい
る。位置するように配置されている。この光ファイバー
３４には、他端から光ファイバー干渉計３８からの変位
検出光と励起光源３６からの励起光とが入射される。光
ファイバー干渉３８から射出された変位検出光はハーフ
ミラー４０を透過して光ファイバー３４に入射し、その
先端から射出される。光ファイバー３４の先端から射出
された変位検出光は干渉反射膜２０で反射され、再び光
ファイバー３４に入射して光ファイバー干渉計３８に戻
る。光ファイバー干渉計３８は、射出光と戻り光とを干
渉させて、カンチレバー１４の変位を検出する。一方、
励起光源３６から射出された励起光はハーフミラー４０
で反射されて光ファイバー３４に入射する。光ファイバ
ー３４の先端から射出された励起光は、干渉反射膜２０
とカンチレバー１４と探針１２と導電膜１８を透過して
試料３０に達する。励起光が試料３０に照射されたと
き、表面で反射された光（観察光）や表面から放射され
る蛍光などの発光は対物レンズ２４で集められ、反射ミ
ラー４２で反射された後、カンチレバー１４やガラス板
１６などを透過し集光レンズ４４で集光され、ＣＣＤを
含む光学像検出系４６または光電子増倍管を含む発光検
出系４８に入射する。光学像検出系４６と発光検出系４
８は、その位置を替えることにより選択的に切り替えら
れる。

【００１２】次に観察手順について説明する。まず、対
物レンズ２４のＺ方向（試料表面に垂直な方向）の位置
を調整して焦点を試料３０の表面に合わせる。この状態
で励起光を試料表面に照射し光学像検出系を用いて試料
表面の光学像を観察しながら、ＸＹステージ３２を操作
して試料３０を動かして観察領域を決める。このとき探
針１２は、試料３０を移動させたときに衝突しないよう
に、試料３０から十分に離しておく。その後、光ファイ
バー干渉計３８を用いてカンチレバー１４の変位をモニ
ターしながら図示しないステッピングモーターを用いて
探針１２を試料３０に近づけ、カンチレバー１４の変位
が検出された時点でステッピングモーターを停止して探
針１２の接近を停止させる。このとき光ファイバー３４
は、その先端から射出される変位検出光が干渉反射膜２
０上に焦点を結ぶようにＺ方向位置を随時調整する。

【００１３】その後、圧電アクチュエーター２６を用い
て、カンチレバー１４の変位量を一定に保つように探針
１２のＺ方向位置のサーボ制御を行ないながら、探針１
２をＸＹ方向に走査して、試料表面の凹凸形状の測定を
行なう（ＡＦＭ測定モード）。この間の制御は、図３に
示すように、光ファイバー干渉計３８から出力されるカ
ンチレバー１４の変位の情報がＡＦＭ−ＳＴＭコントロ
ールボックス５０に入力され、ＡＦＭ−ＳＴＭコントロ
ールボックス５０がこれを打ち消すように圧電アクチュ
エーター２６を駆動させる制御信号を圧電アクチュエー
ター２６に供給して行なわれる。

【００１４】このように探針１２を走査する間すなわち
探針試料間距離を一定に保った状態で探針１２を走査す
る間、トンネルバイアス電圧発生装置５２を用いて探針
１２と試料３０との間にバイアス電圧を印加し、両者間
に流れるトンネル電流をトンネル電流検出用プリアンプ
５４を用いて検出することにより、トンネル電流のＸＹ
面内変化を測定することができる（トンネル電流像測定
モード）。

【００１５】また、探針試料間距離を一定に保った状態
で、トンネルパイアス電圧に対するトンネル電流の依存
性や微分コンダクタンスの測定を行なうこともできる
（トンネルスペクトル測定モード）。

【００１６】上述したように、探針試料間距離を一定に
保った状態で探針１２と試料３０の間に流れるトンネル
電流を検出するとき、励起光を断続的に試料に照射し、
光電導性のＸＹ面内分布、光励起トンネル電流のバイア
ス電圧依存性、光励起トンネル電流の励起スペクトル
（アクションスペクトル）の測定を行なう。

【００１７】探針試料間距離を一定に保った状態で探針
１２と試料３０の間に流れるトンネル電流を検出しなが
ら、試料３０からのトンネル発光の面内分布や発光の波
長依存性、バイアス電圧と発光強度の関係などの測定を
行なう。

【００１８】本実施例の変形例を図４に示す。図中、上
述の実施例と同じ部材は同一の符号で示し、その説明は
省略する。この例では、先端を除く探針表面に光学的に
黒い膜６０が設けてある。試料を光励起した際に試料表
面から放射される蛍光などの発光を観察する場合、励起
光のまわりこみを除去する必要がある。本例の光学的に
黒い膜６０は、励起光が探針１２の表面で散乱され、試
料観察光学系にまわり込むのを防いでいる。なお、光フ
ァイバー端部の屈折率分布をイオン交換法による処理に
よって変化させることにより、ファイバー３４の先端を
凸レンズ形状にするのと同じ効果が得られる。このよう
にすればカンチレバーの幅（２０μｍ）以上の径の光フ
ァイバーが使用でき、ファイバー支持部より下方の共振
周波数が向上する。

【００１９】本実施例の別の変形例を図５に示す。図
中、上述の実施例と同じ部材は同一の符号で示し、その
説明は省略する。この例では、探針１２の先端が丸めて
あり、光学的に凸レンズと同等の機能を有するようにな
っている。これにより励起光が試料３０によく集束され
る。また、探針１２の先端を丸める代わりに、前述した
ように先端部に屈折率分布を変化させ、形状を変更する
ことなくレンズ効果を持たせることもできる。

【００２０】本発明の別の実施例について図６と図７を
参照して説明する。図６は試料表面を光学的に観察する
場合の装置構成を示し、図７は試料表面からの発光を検
出する場合の装置構成を示している。図中、上述の実施
例と同じ部材は同一の符号で示し、その説明は省略す
る。本実施例では、上述した実施例と同様に光ファイバ
ー３４を介して変位検出光がカンチレバー１４に照射さ
れ、探針１２の変位が検出される。また、励起光源８４
から射出された励起光は励起光用フィルター８２を介し
てレンズ８０に入射し、ダイクロイックハーフミラー７
８で反射された後に対物レンズ２４により集光され、カ
ンチレバー１４やガラス板１６を透過して試料３０に照
射される。試料３０からの反射光すなわち試料表面の光
学情報を含んでいる観察光は、図６に示すように、ダイ
クロイックハーフミラー７８を透過し、レンズ８６によ
りＣＣＤ８８に集光され、試料表面の光学像が観察され
る。一方、試料表面からの発光を検出する際には、図６
のレンズ８６とＣＣＤ８８に替えて、図７に示すように
フィルター９０とレンズ９０と光電子増倍管９４とを配
置する。試料表面からの発光は対物レンズ２４で集めら
れ、ダイクロイックハーフミラー７８を透過し、フィル
ター９０を介してレンズ９２に入射し、光電子増倍管９
４に集光され発光が検出される。本実施例の構成では、
励起光の位置分解能は低下するが、上述の実施例に比べ
て、励起光強度を大きくすることができる。

【００２１】この実施例の変形例を図８に示す。この例
では、カンチレバー１４の自由端部に設けた干渉反射膜
が励起光を吸収する性質を利用して、反射膜内に励起光
の光強度をモニターするためのボロメーター９６を設け
た。このボロメーター９６をガラス板１６と共に上方か
ら見た図を（Ａ）に、その側断面図を（Ｂ）に示してあ
る。ボロメーター９６の出力に基づいて励起光源の駆動
回路をフィードバック制御することにより、励起光強度
を一定に保つことができる。

【００２２】本発明によれば、励起光と変位検出光を同
一の光ファイバーを用いて導いているので、観察領域を
局所的に光励起できるとともに、変位検出光がまわり込
んだり、変位検出系の光学部材が観察光学系の視野を遮
ったりするといった影響が軽減される。

【００２３】

【発明の効果】本発明よれば、カンチレバーで遮られる
ことなく探針の中心軸に沿って励起光が試料に照射され
るので、試料表面からの光励起や発光を効率よく検出で
きるようになり、また試料表面のより良い光学像が得ら
れるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の原子間力顕微鏡の構成を示
す。

【図２】図１の探針付近を拡大して示す図である。

【図３】図１の構成に制御系を加えて示した図である。

【図４】図１に示した装置の変形例を示す。

【図５】図１に示した装置の別の変形例を示す。

【図６】本発明の別の実施例であって、試料表面の光学
像を観察するときの構成を示す。

【図７】本発明の別の実施例であって、試料表面からの
発光を検出するときの構成を示す。

【図８】図６と図７に示した装置の変形例を示す。

【符号の説明】

１２…探針、１４…カンチレバー、２０…干渉反射膜、
２６…圧電アクチュエーター、３６…励起光源、３８…
光ファイバー干渉計、４６…光学像検出系、４８…発光
検出系。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学的に透明な探針と、 この探針を自由端部に有する光学的に透明なカンチレバ
   ーと、 探針と試料の間隔を制御しながら、探針を試料表面に沿
   って走査する走査手段と、 カンチレバーの自由端部の変位を検出する変位検出光学
   系であって、変位検出光を射出する光源と、変位検出光
   を反射手段に照射する手段と、カンチレバーの自由端部
   に設けた変位検出光のみを選択的に反射する反射手段
   と、反射手段からの反射光を受光してカンチレバーの自
   由端部の変位を検出する手段とを有している変位検出光
   学系と、 試料に光を照射して試料の諸特性を検出する他の光学系
   とを備えている原子間力顕微鏡。
2. 【請求項２】 探針を覆う光学的に透明な導電膜と、 導電膜と試料との間に電圧を印加し両者間に流れるトン
   ネル電流を検出する手段とを更に備えている請求項１記
   載の原子間力顕微鏡。