JPH06117818A - 走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー変位計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型かつ構成の簡単なカンチレバー変位計測装
置を提供する。 【構成】カンチレバー変位計測装置は、原子間力や磁気
力を検出するためのカンチレバーチップ１０と、変位計
測光学系とを備えている。カンチレバーチップ１０は、
自由端に探針２１を持つカンチレバー部２０と、その固
定端近傍を通り、その部分にグレーティングエタロン２
４が設けられている光導波路２２とを有している。半導
体レーザー２６は光アイソレーター２８と結合用レンズ
３０、光ファイバー３２を介して集光用ロッドレンズ３
４に結合されている。集光用ロッドレンズ３４は、光導
波路２２の入力端２２ａの近くに対向して配置され、光
導波路２２に光学的に結合されている。光導波路２２の
出力端２２ｂの近くに対向して配置されている集光用ロ
ッドレンズ３６は、光ファイバー３８を介して光検出器
４０に光学的に結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料表面の極微細構造
を観察するための走査型プローブ顕微鏡に関する。特に
原子間力や磁気力などの近距離力を利用した走査型プロ
ーブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子オーダーの精度で絶縁性試料を観察
可能な走査型プローブ顕微鏡として、原子間力顕微鏡(A
tomic Force Microscope;AFM) と磁気力顕微鏡(Magnet
ForceMicroscope;MFM) が知られている。

【０００３】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、検出ヘッド
として、自由端にプローブを設けたカンチレバーを備え
ている。この検出ヘッドは、観察すべき試料表面にプロ
ーブを近接させた状態で、試料表面に沿ってプローブを
走査させるように、微動素子により駆動される。この場
合、プローブの尖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
ブと試料との間に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、両者の間にパウリの禁制原理による斥力が生
じる。これら引力及び斥力（原子間力）は１０^-19 〜１
０^-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。ＡＦＭでは、この
カンチレバーの変位を検出し、この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。即ち、試料表面と
プローブ尖端との間の距離が一定になるように制御す
る。従って、この距離一定制御の下に試料表面を走査す
るプローブ尖端の軌跡は、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。
この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．ビニッヒ(Binnig)、ＣＦ．クェイト(Quate) の論文
(Atomic Force Microscope) に詳細に記載されている。
また、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）は、

【０００４】プローブが磁性体材料で形成されている他
は、基本的に前述のＡＦＭと同様な構造である。このＭ
ＦＭでは、プローブ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として検出する。この反りを
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。これらのＡＦＭや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、次のような２
種類の光学的測定系が公知である。

【０００５】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
ルビー固体レーザやアルゴン気体レーザのレーザ光を入
射させて反射させる。この反射光を反射光側に設けたＰ
ＤＳ（光位置検出器）で検出することにより、カンチレ
バーの反射角の変化が検出される。

【０００６】第２の測定系では、第１の測定系と同様な
レーザ光源からの出射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上
記参照光を干渉させる。その干渉出力を光電検出するこ
とにより、カンチレバーの変位が検出される。

【０００７】しかしながら、これらの光学的なカンチレ
バーの変位測定系においては、空間伝搬光を充分に細径
のビームに絞ってカンチレバーに照射させているため
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。

【０００８】また、光学系のアライメントが測定精度に
大きな影響を及ぼすので、カンチレバーやカンチレバー
先端のプローブの破損により変位検出ヘッドを交換する
際の光学系アライメントの微妙な再調整には、極めて熟
練を要する。よって、このような場合には非熟練者によ
る簡便な測定はほぼ不可能と言える。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このような不都合を解
消するものとして、本発明者らは特開平４−１６２３４
０と特願平４−３３５９１において、少なくともカンチ
レバーの近傍を通る光導波路を設けたカンチレバー変位
計測装置を提案している。このカンチレバー変位計測装
置では、カンチレバーの自由端の変位に伴って光導波路
の光路長が変化することに注目し、この光路長の変化を
検出することによりカンチレバーの自由端の変位を求め
ている。

【００１０】特開平４−１６２３４０では、カンチレバ
ー上に往路と帰路の２本の光導波路を有する変位計測装
置を提案した。しかし、ＡＦＭ等に用いられるカンチレ
バーは、長さが約１００μｍ、幅が約４０μｍ、厚さが
１μｍ程度と微少な構造体であるため、カンチレバー上
に光導波路を２本配置することはかなり困難である。さ
らに、感度を向上させるためにカンチレバーの幅を更に
細くしようとした場合、２本の光導波路をカンチレバー
上に設けることはほとんど不可能に近い。

【００１１】このような事情を考慮し、特願平０４−３
３５９１では、カンチレバー上に設ける光導波路が１本
で済むカンチレバー変位計測装置を提案した。しかし、
基板上にはやはり複数本の光導波路を配置する必要があ
り、その構成は依然として複雑である。本発明は、構成
が非常に簡単かつ小型なカンチレバー変位計測装置を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、カンチレバー
の自由端に設けた探針を試料の表面に沿って走査した際
に探針と試料との間に発生する近距離力により生じるカ
ンチレバーの自由端の変位に基づいて試料の表面を調べ
る走査型プローブ顕微鏡に用いるカンチレバー変位計測
装置であって、光入力端と光出力端とを有する光導波路
と、カンチレバーの自由端の変位に伴って光学的特性が
変化する、光導波路上に設けたグレーティングエタロン
と、カンチレバーの変位を計測のための計測光を射出す
る光源と、光源の射出する計測光を光入力端から光導波
路内に導入する手段と、

【００１３】光出力端から射出された計測光を受光して
グレーティングエタロンの光学的特性の変化を検出し、
これに基づいてカンチレバーの自由端の変位を計測する
手段とを備えている。

【００１４】

【作用】カンチレバーの自由端が変位すると、カンチレ
バーの内部に応力が発生する。光導波路上のグレーティ
ングエタロンは、カンチレバーの内部に発生する応力の
大きさすなわちカンチレバーの自由端の変位に応じて、
その光学的特性（透過率や反射率）が変化する。このよ
うな光学的特性の変化は、光導波路の出力端から射出さ
れる光に基づいて求められる。すなわち、カンチレバー
の自由端の変位が計測される。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。まず本発明のカンチレバー変位計測装
置の第一実施例について図１〜図４を参照しながら説明
する。

【００１６】図１に示すように、本実施例のカンチレバ
ー変位計測装置は、原子間力や磁気力などの近距離力を
検出するためのカンチレバーチップ１０を有している。
このカンチレバーチップ１０は柔軟なカンチレバー部２
０を有し、その自由端には鋭く尖った先端を持つ探針２
１が設けられている。カンチレバーチップ１０はカンチ
レバー部２０の固定端を支持するシリコン基板１２を有
し、その上にはシリコン基板１２から延出しているカン
チレバー部２０と共に一体に形成されたｐ型シリコン層
１４が設けられている。このｐ型シリコン層１４はカン
チレバー部２０を作製する際のエッチング工程時のスト
ップ層として設けられたものである。ｐ型シリコン層１
４の上には、光の伝送損失を低く抑えるための二酸化シ
リコンからなるバッファー層１６が設けられている。こ
のバッファー層１６の上には、リッジ型の光導波路２２
を有しているガラス層１８が設けられている。光導波路
２２はガラス層１８の上を横切って延び、その中央部分
はカンチレバー部２０の固定端近傍を通っている。この
光導波路２２の中央部分には、一組の導波型グレーティ
ング反射器で構成されているグレーティングエタロン２
４が設けられている。このグレーティングエタロン２４
はカンチレバー部２０の自由端の変位に応じて透過率が
変化する。

【００１７】また、カンチレバー変位計測装置はカンチ
レバー部２０の変位を計測するための光学系を備えてい
る。この光学系の光源である半導体レーザー２６は光ア
イソレーター２８と結合用レンズ３０を介して光ファイ
バー３２に結合されている。この光ファイバー３２の他
端は集光用ロッドレンズ３４に結合されている。集光用
ロッドレンズ３４は、光導波路２２の入力端２２ａの近
くに対向して配置され、光導波路２２に光学的に結合さ
れている。入力端２２ａの他端である出力端２２ｂに
は、その近くに集光用ロッドレンズ３６が対向して配置
されている。この集光用ロッドレンズ３６は光ファイバ
ー３８を介して光検出器４０に光学的に結合されてい
る。次に作用について説明する。

【００１８】半導体レーザー２６から射出された光は、
光アイソレーター２８と結合用レンズ３０、光ファイバ
ー３２、集光用ロッドレンズ３４を介して、入力端２２
ａから光導波路２２に導入される。光導波路２２に入射
した光はグレーティングエタロン２４を通過し、出力端
２２ｂから射出される。出力端２２ｂから射出された光
は、集光用ロッドレンズ３６と光ファイバー３８を介し
て光検出器４０に入射する。光検出器４０で測定される
光の強度はグレーティングエタロン２４の透過率に依存
し、このグレーティングエタロン２４の透過率はカンチ
レバー部２０の自由端の変位により決まる。次にグレー
ティングエタロン２４の光学特性について説明する。

【００１９】自由端の変位によりカンチレバー部２０が
変形すると、その変位に応じた大きさの応力がカンチレ
バー部２０の内部とその周辺に発生する。このため、光
弾性定数と応力の積で表されるような誘電率の変化が生
じる。つまりグレーティングエタロン２４を設けた部分
の光導波路２２の屈折率が変化する。グレーティングエ
タロン２４の光パワー透過率（Ｉ_t ／Ｉ_i ）は、これを
構成している導波型グレーティング反射器の光パワー反
射率をＲ、導波型グレーティング反射器の間隔をｄ、光
導波路の実効屈折率をｎとすると次式で表され、図２に
示すような透過特性が得られる。

【００２０】

【数１】 ここにδは、グレーティングエタロンをそのまま通過し
た光と、グレーティングエタロンの反射器の間を一往復
して通過した光の位相差を示している。

【００２１】このようにグレーティングエタロン２４の
透過率はカンチレバー部２０の自由端の変位に応じて変
化するため、光導波路２２の出力端２２ｂから出力され
る光の強度はカンチレバー部２０の自由端の変位に応じ
た変化を受ける。光検出器４０は、この光強度の変化を
検出してこれに応じた信号を出力する。これにより、カ
ンチレバー部２０の自由端の変位が計測される。

【００２２】上述の実施例において、半導体レーザー２
６と集光ロッドレンズ３４の間に、図３に示すように、
ビームスプリッター４２と二つの光検出器４４と４６を
設けてもよい。光検出器４４は半導体レーザーの射出す
る光の強度を検出し、光検出器４６はグレーティングエ
タロン２４からの反射光の強度を検出する。光検出器４
４の出力信号は、半導体レーザー２６の出力を一定に保
つためのフィードバック制御やグレーティングエタロン
２４の光パワー透過率の補正に利用できる。また、光検
出器４６の出力信号からはグレーティングエタロン２４
の反射特性が得られ、上述の透過特性と組み合わせるこ
とにより検出感度を向上させることができるとともに、
透過特性と比較することにより各光学要素の結合状態を
調べることもできる。

【００２３】ところで、原子間力や磁気力を検出するた
めのカンチレバーチップ１０は、測定時等に探針が破損
することが多々あるため消耗部品として考えられてお
り、カンチレバー変位計測装置には交換可能に設けられ
ている。カンチレバーチップ１０の支持機構としては、
カンチレバーチップ１０を容易に交換できると共に、交
換による探針の位置のばらつきの少ないものが望まれて
いる。以下、このような要求に応えるカンチレバーチッ
プの支持機構について図４を参照しながら説明する。

【００２４】この支持機構は、カンチレバーチップ１０
を交換可能に保持すると共に、二つの集光用ロッドレン
ズ３４と３６を所定位置に固定するベース部材５０を有
している。ベース部材５０は、カンチレバーチップ１０
を載せる載置台６０を中央部に有している。載置台６０
の上には、その上を縦横に延びた断面が三角形の複数の
レール６２が設けられている。一方、カンチレバーチッ
プ１０の基板の下面にはレール６２に係合する案内溝６
４がエッチングにより形成されている。従って、カンチ
レバーチップ１０は、案内溝６４にレール６２が丁度納
まった状態で載置台６０の上に配置される。カンチレバ
ーチップ１０の案内溝６４はエッチングにより形成され
ているため加工精度が高く、従ってカンチレバーチップ
１０を交換した際のチップの位置のばらつきは少ない。

【００２５】また、ベース部材５０はその両端に他の部
分より厚くなった角柱部５２と５６を有している。この
角柱部５２と５６にはその中央部にＶ溝５４と５８がそ
れぞれ形成されており、このＶ溝５４と５８に集光用ロ
ッドレンズ３４と３６がそれぞれ設置され、紫外線硬化
樹脂等により固定されている。このとき集光用ロッドレ
ンズ３４と３６は、カンチレバーチップ１０の端から数
ｍｍ程度離れた位置で固定されている。集光用ロッドレ
ンズ３４と３６とカンチレバーチップ１０との間に数ｍ
ｍ程度の隙間があれば、カンチレバーチップ１０の交換
は何ら支障なく容易に行なえる。

【００２６】なお、レール６２と案内溝６４は断面が三
角形である必然性はなく、適切な位置合わせが行なえる
ものであれば、どのような形状のものでもよい。また、
案内溝６４の形成方法としては、エッチング以外にダイ
ヤモンド砥石を用いた切削法などを用いてもよい。

【００２７】上述したように本実施例によれば、カンチ
レバーチップ１０に設ける光導波路２２は一本で済むの
で、交換部品であるカンチレバーチップ１０の製造コス
トを低減できる。

【００２８】続いて、本発明のカンチレバー変位計測装
置の第二実施例について図５と図６を参照しながら説明
する。なお、図５において第一実施例の部材と同等の部
材は同一の符号で示し、その詳細な説明は省略する。

【００２９】本実施例のカンチレバー変位計測装置にお
いて使用するカンチレバーチップ１０は、図５に示すよ
うに、ガラス層１８の上に直線状の光導波路７２を設け
られている。光導波路７２は、一端はカンチレバーチッ
プ１０の端に位置している入出力端７２ａで、他端はカ
ンチレバー部２０の中程まで延びている。光導波路７２
のカンチレバー部２０の上に位置している部分には、一
組の導波型グレーティング反射器で構成されているグレ
ーティングエタロン７４が設けられている。このグレー
ティングエタロン７４はカンチレバー部２０の自由端の
変位に応じて反射率が変化する。また、さらにその先の
光導波路７２の先端部には、グレーティングエタロン７
４を透過した光が先端で反射され逆行するのを防止する
ための反射防止体７６が設けられている。反射防止体７
６は、例えば斜めにカットした端面やグレーティング放
射器等の放射構造、あるいはエッチングと蒸着により設
けられた吸収体などで構成されている。

【００３０】また、計測光を射出する半導体レーザー２
６は、光アイソレーター２８と結合用レンズ３０、光フ
ァイバー３２を介して集光用ロッドレンズ３４に結合さ
れている。集光用ロッドレンズ３４は、光導波路７２の
入出力端７２ａの近くに対向して配置され、光導波路７
２に光学的に結合されている。光ファイバー３２の途中
には、グレーティングエタロン７４からの反射光を分離
するビームスプリッター４２が設けられている。反射光
を受ける光検出器４６は光ファイバー４５を介してビー
ムスプリッター４２に結合されている。

【００３１】半導体レーザー２６の射出した光は、光ア
イソレーター２８と結合用レンズ３０、ビームスプリッ
ター４２、集光用ロッドレンズ３４を通過し、入出力端
７２ａから光導波路７２に入射する。入射光はグレーテ
ィングエタロン７４で反射され、入出力端７２ａから射
出され集光用ロッドレンズ３４に入射する。集光用ロッ
ドレンズ３４に入射した光はビームスプリッター４２で
反射され、光検出器４６に入射する。光検出器４６は入
射した光の強度を検出し、グレーティングエタロン７４
の反射率が求められる。グレーティングエタロン７４の
透過率は、第一実施例で説明した透過率と同様に、カン
チレバー部２０の自由端の変位に応じて変化する。

【００３２】グレーティングエタロン７４の光パワー透
過率（Ｉ_r ／Ｉ_i ）は、これを構成している導波型グレ
ーティング反射器の光パワー反射率をＲ、導波型グレー
ティング反射器の間隔をｄ、光導波路の屈折率をｎとす
ると次式で表され、図６に示すような反射特性が得られ
る。

【００３３】

【数２】 ここにδは、手前の導波型グレーティング反射器で反射
された光と、奥の導波型グレーティング反射器で反射さ
れた光の位相差を示している。

【００３４】このようにグレーティングエタロン７４の
反射率はカンチレバー部２０の自由端の変位に応じて変
化するため、光導波路７２の入出力端７２ａから出力さ
れる光の強度はカンチレバー部２０の自由端の変位に応
じて変化する。光検出４６は受光した光の強度の信号を
出力するので、光検出器４６の出力信号からカンチレバ
ー部２０の自由端の変位が計測される。

【００３５】本実施例によれば、光導波路７２の入出力
端７２が入力端と出力端を兼ねているので、光学系の構
成が上述の第一実施例に比べて簡単になり、実装用の部
品点数も少なくなる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーの変位を
検出するために設ける光導波路が一本で済むので、より
構成が簡単でより小型のカンチレバー変位計測装置が提
供されるようになる。小型かつ簡単な装置構成は、製造
コストの低減にとって有益であると共に、試料周辺に空
間的余裕を与え、付加的な装置の配置を可能とするた
め、走査型プローブ顕微鏡の応用範囲の拡張という面で
も有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例のカンチレバー変位計測装
置の構成を示す。

【図２】図１に示したグレーティングエタロンの透過特
性を示すグラフである。

【図３】図１に示した光学系にいくつかの光学要素を付
加した構成を示す。

【図４】カンチレバーチップとその周辺の光学要素の支
持機構の構成を示す。

【図５】本発明の第二実施例のカンチレバー変位計測装
置の構成を示す。

【図６】図５に図示したグレーティングエタロンの反射
特性を示すグラフである。

【符号の説明】

２２…光導波路、２４…グレーティングエタロン、２６
…半導体レーザー、４０…光検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カンチレバーの自由端に設けた探針を試
   料の表面に沿って走査した際に探針と試料との間に発生
   する近距離力により生じるカンチレバーの自由端の変位
   に基づいて試料の表面を調べる走査型プローブ顕微鏡に
   おいて、カンチレバーの自由端の変位を計測するために
   使用されるカンチレバー変位計測装置であって、 光入力端と光出力端とを有する光導波路と、 カンチレバーの自由端の変位に伴って光学的特性が変化
   する、光導波路上に設けたグレーティングエタロンと、 カンチレバーの変位を計測のための計測光を射出する光
   源と、 光源の射出する計測光を光入力端から光導波路内に導入
   する手段と、 光出力端から射出された計測光を受光してグレーティン
   グエタロンの光学的特性の変化を検出し、これに基づい
   てカンチレバーの自由端の変位を計測する手段とを備え
   ている走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー変位計測装
   置。