JPH05231861A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 カンチレバー変位測定系の構成をより単純化
し、組み立て後は光学系のアラインメントを要しない走
査型プローブ顕微鏡の提供である。 【構造】 自由端に探針６があるカンチレバー５の固定
端を支持する基板１上に入力用１３，参照光用１５，信
号検出光用１６，出力用１７の４本の光導波路と、これ
ら４本の光導波路が分岐・接続する非対称なＸ形状の分
岐結合部１４で導波型干渉計部分を構成し、入力用光導
波路１３とレーザー光源７を光ファイバー９，１１等を
介して接続。また、出力用光導波路１７と光検出器２３
も光ファイバー２０，２２等を介して接続してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料表面の極微細構造
を観察するための、特に、原子間力や磁力のような近距
離力を検出する形式の走査型プローブ顕微鏡に関するも
のである。更に詳しくは、近距離力検出用に設けられた
探針の変位測定を行う光学系に、導波型マイケルソン干
渉計を採用した走査型プローブ顕微鏡に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】絶縁性試料を、原子オーダーの精度で観
察できる走査型プローブ顕微鏡として、原子間力顕微鏡
（Ａtomic Force Microscope;AFM）、磁気力顕微鏡（Ma
gneticForce Microscope;MFM）が公知である。

【０００３】原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと略記）
は、検出ヘッドとして、自由端にプローブ（探針）を固
定したカンチレバーを備えている。そうして、プローブ
（探針）を観察すべき試料表面に接近し、試料表面に沿
って走査させるように、検出ヘッドを微動素子により駆
動する。この場合、プローブ（探針）先端の原子と試料
表面の原子との間の距離（原子間距離）が１ｎｍ程度に
小さくなると、プローブ（探針）と試料との間にはファ
ン・デル・ワールス相互作用による引力が働き、更に、
原子間距離が原子の結合距離程度に小さくなると、両原
子の間にパウリの禁制原理による斥力が生じる。これら
の引力及び斥力（原子間力）は、１０^-9〜１０^-12 Ｎの
オーダーの微小な力であるが、この力の大きさに応じ
て、カンチレバーが変位する。

【０００４】ＡＦＭでは、このカンチレバーの変位を検
出し、変位が一定になるように、微動素子の印加電圧を
制御する。すなわち、試料表面とプローブ（探針）先端
との間の距離が、一定になるように制御する。したがっ
て、この距離一定制御の下に試料表面を走査するプロー
ブ（探針）先端の軌跡は、試料表面の凹凸形状に対応し
た曲面を描くことになる。この試料表面の像に相当する
曲面は、微動素子の印加電圧を、走査位置に応じてプロ
ットすることにより、モニター画面上に拡大表示でき
る。ＡＦＭの原理は、例えば、フィジカル・レビュー・
レターズ第５６巻（１９８６年）、第９３０頁に所載の
Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ，ＣＦ．Ｑｕａｔｅの論文「Ａｔｏｍ
ｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」で、詳細に
述べられている。

【０００５】また、磁気力顕微鏡（以下、ＭＦＭと略
記）は、プローブ（探針）が磁性体材料で形成されてい
るほかは、基本的に前述のＡＦＭと同様な構造である。
ＭＦＭでは、プローブ（探針）と試料の磁性粒子との間
に存在する磁力を、カンチレバーの変位、反りとして検
出する。反りを復帰させるように微動素子の印加電圧を
制御すれば、この印加電圧に基づいて、ＡＦＭと同様に
試料表面の像を形成できる。これらＡＦＭ，ＭＦＭにお
いて、カンチレバーの変位を検出する測定系としては、
次の２種類の光学的測定系が公知である。

【０００６】第１の測定系では、カンチレバー自由端に
光学反射面を形成し、この反射面にファイバーを介して
ルビー固体レーザーやアルゴン気体レーザーのレーザー
光を入射し反射させる。反射光側に設けたＰＳＤ（光位
置検出器）で、反射光を検出することにより、カンチレ
バーの反射角の変化を測定できる。第２の測定系では、
第１の測定系と同様なレーザー光源からのレーザー光
を、参照光とカンチレバー反射面への入射光とに分割
し、カンチレバーからの反射光に参照光を干渉させる。
その干渉出力を光電検出することより、カンチレバーの
変位が検出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のカンチ
レバーの変位に対する光学的測定系は、空間伝搬光を十
分に細径のビームに絞ってカンチレバーに照射させるた
めに、比較的大型の光学素子が多数必要となり、測定系
全体が大きく複雑になるという問題がある。また、光学
系のアラインメントが測定精度に大きく影響を及ぼすの
で、カンチレバーやカンチレバー先端のプローブ（探
針）破損などによる検出ヘッドの交換時に必要な光学系
のアラインメントの微妙な再調整には、非常に熟練を要
する。したがって、このような場合には、非熟練者によ
る測定は困難となる。

【０００８】なお先に、本発明者は、カンチレバーの変
位に応じて光路長が変化することを利用して、カンチレ
バー上に光導波路を配置したカンチレバーの変位検出装
置を、特願平２ー２８６９８１号で出願している。特願
平２ー２８６９８１号では、カンチレバー内に往路と復
路の２本の光導波路を設けてある。しかし、ＡＦＭ等に
用いられるカンチレバーは、長さ約１００μｍ，幅約４
０μｍ，厚さ約１μｍと微小な構造体であり、カンチレ
バー幅を更に細くしようとする場合には、光導波路を２
本配置するのは困難となる。

【０００９】本発明は、上記の事情に鑑み、カンチレバ
ー変位測定系の構成がより単純で、組み立て後は光学系
アラインメントを必要としない走査型プローブ顕微鏡の
提供を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、自由端に探針
を固定したカンチレバーを備え、測定試料面に対して該
探針を所定距離以内に接近させることにより、該探針の
先端と該測定試料面上の微視的粒子との間に発生する近
距離力によって該カンチレバーの自由端を変位させる走
査型プローブ顕微鏡において、該カンチレバーの固定端
を支持する基板と、該基板上に設けられた最も幅広な入
力用の第１光導波路と、該基板上に設けられ、非対称な
Ｘ形状の光導波路分岐結合部を介して該第１光導波路と
結合され、該第１光導波路より幅の狭い参照光用の第３
光導波路と、該基板上に設けられ、該光導波路分岐結合
部を介して該第１及び第３光導波路と結合され、該第３
光導波路と同じ幅を持ち、該カンチレバー上まで延在す
る第４光導波路と、該基板上に設けられ、該光導波路分
岐結合部を介して該第１，第３及び第４光導波路と結合
され、該第３光導波路より幅の狭い第２光導波路と、該
第３及び第４光導波路の終端に設けた導波路ミラーと、
該第１光導波路の入力端に光を入射する光源部と、該第
２光導波路の出力側に設けた信号検出手段とを、備えた
ことを特徴としている。

【００１１】

【作用】第１，第２，第３及び第４光導波路の幅を、そ
れぞれａ，ｂ，ｃ及びｄとすると、ｂ＜ｃ＝ｄ＜ａの関
係がある（後述の図１参照）。第１光導波路から入射し
た光は、非対称なＸ形状の光導波路分岐結合部で均等に
分かれて第３，第４光導波路に伝搬するが、第３，第４
光導波路の端部のミラーによる反射戻り光は、光導波路
分岐結合部で合波干渉する。そうして、相互の位相が１
８０度ずれた逆相の関係の場合は、第１光導波路を伝搬
し、同相の関係の場合は、第２光導波路を伝搬する。相
互の位相差がこれ以外の場合は、その位相差に応じた割
合の干渉出力が、第１及び第２光導波路を伝搬する。し
たがって、第１光導波路から光を入射し、第２光導波路
で反射光を検出すれば、第３，第４光導波路からの反射
光の位相差が検出できる。

【００１２】一方、カンチレバー上に設けた第４光導波
路は、カンチレバー自由端の変位による変形の結果、そ
の光学的光路長が変化するが、基板上に設けた第３光導
波路は、カンチレバー自由端の変位では変形せず、その
光学的光路長は変化しない。したがって、第３，第４光
導波路からの反射光は、カンチレバー自由端の変位によ
って、その位相差が変化する。すなわち、第２光導波路
の端部に設けた検出手段により、カンチレバー自由端の
変位を検出することが可能となる。

【００１３】

【実施例】図１及び図２により、本発明の１実施例につ
いて説明する。図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡
における変位測定光学系の平面図、図２は、図１におけ
るＩ−Ｉ線断面図である。

【００１４】１はシリコン製の基板であり、基板１の上
には、カンチレバーを形成する際のエッチング加工に必
要となるＰ型シリコンのストップ層２がある。ストップ
層２の上層は、光の伝搬損失を低く抑えるための二酸化
シリコンのバッファ層３であり、更にその上に、リッジ
型のガラス光導波路を作り込むガラス層４を積層した構
成になっている。５はマイクロマシニングの技術で製作
されたカンチレバー、６はカンチレバー５の自由端に設
けたプローブ（探針）である。プローブ（探針）６の先
端は、先鋭化されている。

【００１５】変位測定光学系では、７は半導体レーザー
光源、８は光アイソレータ、９は光ファイバー、１０は
光コネクタ、１１は光ファイバーである。後述するよう
に、光アイソレータ８は、戻り光の防止のために設けて
ある。１２は基板１に製作された変位検出ヘッド、１３
は入力用光導波路（第１光導波路）、１４は入力用光導
波路１３の延長上にあり、導波路幅の異なる４本の光導
波路の分岐・接続する非対称なＸ形状の光導波路分岐結
合部、１５は非対称なＸ形状の光導波路分岐結合部１４
で分岐された参照光用光導波路（第３光導波路）、１６
は非対称なＸ形状の光導波路分岐結合部１４で分岐さ
れ、カンチレバー５上に伸びた信号検出光用光導波路
（第４光導波路）、１７は出力用光導波路（第２光導波
路）である。なお、各光導波路の導波路幅を図のように
入力用光導波路（第１光導波路）１３がａ，参照光用光
導波路（第３光導波路）１５がｃ，信号検出光用光導波
路（第４光導波路）１６がｄ，出力用光導波路（第２光
導波路）１７がｂであれば、ｂ＜ｃ＝ｄ＜ａの大小関係
がある。

【００１６】１８は参照光用光導波路１５の端部で基板
１上に設けた導波路ミラー、１９は信号検出光用光導波
路１６の端部でカンチレバー５の自由端近傍に設けた導
波路ミラーである。導波路ミラー１８，１９は、ガラス
層４のエッチングとエッチング溝へのアルミニウム等の
金属蒸着により形成してある。検出系では、２０は光フ
ァイバー、２１は光コネクタ、２２は光ファイバー、２
３は光検出器である。以上の検出光学系ヘッドが、圧電
素子（図示せず）等より被測定試料面（図示せず）に沿
って走査される。

【００１７】動作について説明する。半導体レーザー光
源７からのレーザー光は、光アイソレータ８，光ファイ
バー９，光コネクタ１０及び光ファイバー１１を経由し
て、変位検出ヘッド１２上の最も幅のある入力用光導波
路１３に入射する。非対称なＸ形状の光導波路分岐結合
部１４において、入力用光導波路１３の入射光は、導波
路幅が入力用光導波路１３より狭く相等しい参照光用光
導波路１５と信号検出光用光導波路１６に向けて二分割
し、それぞれ参照光と信号検出光となる。

【００１８】信号検出光用光導波路１６を伝搬した信号
検出光は、カンチレバー５上を通り、導波路ミラー１９
で反射して、同一光路を復路とし非対称なＸ形状の光導
波路分岐結合部１４へ戻ってくる。このとき、カンチレ
バー５の先端に設けたプローブ（探針）６に、試料表面
との原子間力が作用し、カンチレバー５の自由端が上下
方向に変位すると、それに伴ってカンチレバー５上の信
号検出光用光導波路１６が変形する。したがって、信号
検出光用光導波路１６を伝搬する光は、変形した光路を
通過するために、変形によって生じた光弾性定数と応力
の積で表される誘電率の変化、すなわち、屈折率の変化
によって位相変化（光路長変化）を生じる。つまり、信
号検出光用光導波路１６の反射戻り光は、カンチレバー
５の変位に応じた位相変調を受けていることになる。

【００１９】一方、参照光用光導波路１５を伝搬する光
は、導波路ミラー１８で反射して、位相変調を受けずに
同一光路を復路とし非対称なＸ形状の光導波路分岐結合
部１４へ戻ってくる。 これらの位相変調を受けた伝搬
光と位相変調を受けない伝搬光が、非対称なＸ形状の光
導波路分岐結合部１４で合波干渉し、位相の変化が干渉
信号の強度変化に変換され、出力用光導波路１７、光フ
ァイバー２０，光コネクタ２１及び光ファイバー２２を
経て、光検出器２３で信号として検出される。

【００２０】上述のように、光検出器２３で得られた干
渉信号の強度変化に基づいて、原子間力によるカンチレ
バー５の変位量が検出され、この検出した変位量を利用
して試料表面の像を形成することができる。

【００２１】なお、本実施例における非対称なＸ形状の
光導波路分岐結合部１４での合波干渉光は、その干渉状
態（信号検出光用光導波路１６からの反射戻り光の位相
変化量）により、出力用光導波路１７を伝搬するだけで
はなく、入力用光導波路１３を伝搬して、半導体レーザ
ー光源７の方へ戻ることがある。半導体レーザー光源７
を入力用光導波路１３に直接接続すると、このように干
渉光が半導体レーザー光源７に注入されることになる。
一般的に、外部からの光入力があると、半導体レーザー
光源７の発振状態は変化していき、光源の動作が不安定
になる。その結果、干渉信号にノイズを含むような異常
を生じ、極端な場合は測定が不能になる。そこで、半導
体レーザー光源７への戻り光を防止するために、半導体
レーザー光源７と入力用光導波路１３との間に、光アイ
ソレータ８を設けてある。

【００２２】また、半導体レーザー光源７と入力用光導
波路１３との間に、光アイソレータ８のほかに、光ファ
イバー９，１１及び光コネクタ１０を用いて接続してい
る理由の一つは、現状では 光アイソレータ８が検出ヘ
ッド１２に比べて大きく、直接接続には不都合のためで
ある。そのほか、半導体レーザー光源７及び光アイソレ
ータ８を検出ヘッド１２から遠ざけ、熱や磁場の影響を
低減させること、検出ヘッド１２の破損時の交換に際し
て、着脱が容易で信頼性の高い光コネクタ１０の使用
で、比較的高価な光アイソレータを含む光源部分を継続
使用すること、などを図ったためである。出力用光導波
路１７と光検出器２３との間に光ファイバー２０，２２
及び光コネクタ２１を用いて接続しているのも、個別部
品としての光検出器２３が検出ヘッド１２に比べて大き
いからである。将来は、検出ヘッドの上に、光検出器を
直接設けることも考えられる。

【００２３】なお、本発明は上記実施例の構成に限定さ
れるものではなく、例えば、基板の材質はシリコンのほ
か、ＧａＡｓ等の加工性に優れ、光導波路を製作できる
ものであればよい。光導波路の構造も、リッジ型のほ
か、埋め込み型あるいは装荷型であってもよい。また、
本発明の拡張として、変位検出ヘッドのアレイ化が考え
られる。本発明の変位検出ヘッドにおいて、光の伝搬方
向である光導波路長手方向をヘッドの長さ、これに垂直
方向をヘッドの幅とすれば、本実施例の構造上、長さが
数１０ｍｍ必要であるのに対して、幅は数１００μｍ〜
数ｍｍと極めて小さくて済む。また、空間伝搬光を使わ
ないので、変位検出ヘッド全体のサイズが小型化されて
おり、変位検出ヘッド周辺の空間に十分な余裕がある。
したがって、個々にアクチュエーターを取り付けた変位
検出ヘッドを、幅方向に並列に並べてアレイ化すること
ができる。このようにすれば表面積の大きい試料も、短
時間で走査し検査することも可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡は、カンチレバーの変位測定光学系に光導波
路系を採用しているので、カンチレバーとカンチレバー
変位測定系が一体構造になっている。したがって、光
源、光検出手段を含めた変位測定光学系全体は、組立・
製作後のアライメントが全く不要となる。また、非熟練
者でも、変位検出ヘッドの交換が困難でなくなり、変位
測定光学系の取扱が容易となる。更に、空間伝搬光を用
いずに光導波路系を採用していることより、複雑で大き
な光学部品が不要となるので、変位測定光学系全体の構
造が極めて小さく、かつ、単純となる。その結果、試料
近傍の空間に大きな余裕が生じるので、他のオプション
を接続することなど、走査型プローブ顕微鏡の応用の可
能性が拡大された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例における変位測定光学系の平
面図である。

【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ５ カンチレバー ６ プローブ（探針） ７ 半導体レーザー光源 １３ 入力用光導波路（第１光導波路） １４ 非対称なＸ形状の光導波路分岐結合部 １５ 参照光用光導波路（第３光導波路） １６ 信号検出光用光導波路（第４光導波路） １７ 出力用光導波路（第２光導波路） １８ 導波路ミラー １９ 導波路ミラー ２３ 光検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自由端に探針を固定したカンチレバーを
   備え、測定試料面に対して該探針を所定距離以内に接近
   させることにより、該探針の先端と該測定試料面上の微
   視的粒子との間に発生する近距離力によって該カンチレ
   バーの自由端を変位させる走査型プローブ顕微鏡におい
   て、 該カンチレバーの固定端を支持する基板と、 該基板上に設けられた最も幅広な入力用の第１光導波路
   と、 該基板上に設けられ、非対称なＸ形状の光導波路分岐結
   合部を介して該第１光導波路と結合され、該第１光導波
   路より幅の狭い参照光用の第３光導波路と、 該基板上に設けられ、該光導波路分岐結合部を介して該
   第１及び第３光導波路と結合され、該第３光導波路と同
   じ幅を持ち、該カンチレバー上まで延在する第４光導波
   路と、 該基板上に設けられ、該光導波路分岐結合部を介して該
   第１，第３及び第４光導波路と結合され、該第３光導波
   路より幅の狭い第２光導波路と、 該第３及び第４光導波路の終端に設けた導波路ミラー
   と、 該第１光導波路の入力端に光を入射する光源部と、 該第２光導波路の出力側に設けた信号検出手段とを、備
   えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。