JPH08240601A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板端部に形成された２種類のカンチレバー
の何れを選択しても、探針先端を中心にカンチレバーを
回転させる事を可能にする。 【構成】 端部に大小２種類のカンチレバー１ａ，１ｂ
が形成された基板受け５３の上に基板Ｋ´をセットし、
押さえ５４により固定する。この状態で、使用すべきカ
ンチレバーの位置合わせを行う。例えば、長い方のカン
チレバー１ａを使用する場合、微調捩子５２を回して前
記基板受け５３を移動させ、前記カンチレバー１ａの先
端をレバーホルダー５０の中心に持って来る。この時、
若し、短い方のカンチレバー１ｂを使用する場合には、
同じ様に微調捩子５２を回して前記基板受け５３を移動
させ、前記カンチレバー１ｂの先端をレバーホルダー５
０の中心に持って来る

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 本発明は原子間力顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】 図１は従来の原子間力顕微鏡の機械的
構成を示すものである。図中１はカンチレバーで、その
先端部には探針２が形成されている。該カンチレバー１
は基板Ｋを介して矩形枠状のレバーホルダー３に取付け
られており、該レバーホルダー３はヘッド４のガイド４
Ｇに嵌挿されている。該ヘッド４の上部の中心部にはレ
ーザー光源５が固定されており、同上部の中心から外れ
た所にフォトディテクター体６が取付けられている。該
フォトディテクター体６は、固定台、移動台、及び、光
検出部から構成され、該光検出部は多分割されたセンサ
ーから成り、各センサーに入射する光量のバランスから
受光位置の変化を認識出来る、いわゆるＰＳＤを構成し
ている。該フォトディテクター体６の光検出部は、駆動
機構（図示せず）により移動台を固定台上で移動させる
事により、固定台が取付けられているヘッドの面に平行
な面に沿って二次元方向に移動可能に成されている。図
中７は試料で、試料取付け台５０を介して圧電走査素子
８の上面に載置され、該圧電走査素子中に設けた磁石Ｍ
の磁気により固定される。該圧電走査素子８は走査電源
からの信号によりＸ，Ｙ及びＺ方向に夫々微動する３つ
の圧電素子からなり、ベース９の底部９Ｂに固定されて
いる。該ベースの上縁部９Ｅには空間を介して該上縁部
と底部に螺合された昇降捩子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
（図示せず）………が設けられており、該昇降捩子の中
間部に設けられている枝１０Ｂを前記空間部において回
すことにより該昇降捩子は上下移動する。該昇降捩子１
０ａ，１０ｂ，１０ｃ（図示せず）………の先端部には
鋼球１１が嵌め込まれており、該鋼球上にステージ底板
１２が載置されている。該ステージ底板上に、Ｘ，Ｙス
テージ１３Ｘ，１３Ｙが載置され、該Ｙステージ１３Ｙ
の上に前記ヘッド４が載置されている。該各Ｘ，Ｙステ
ージは夫々の駆動機構（図示せず）により、前記ステー
ジ底板１２上をＸ，Ｙ方向に移動するように構成されて
いる。該Ｘ，Ｙステージ１３Ｘ，１３Ｙと前記昇降捩子
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ（図示せず）………は、粗動機
構であり、その中で、前記昇降捩子は前記カンチレバー
１に形成された探針２を前記試料７表面の原子間力の作
用する領域に近付けるためのものである。尚、Ｓは、例
えば、バネの如き弾性体で、その一端はベースの上縁部
９Ｅに、他端は前記ステージ底板１１間に取付けられて
いる。この様な構成の原子間力顕微鏡は次の様に動作す
る。

【０００３】図１に示す状態から、昇降捩子１０を回す
ことによりステージ底板１２、Ｘ，Ｙステージ１３Ｘ，
１３Ｙ及びヘッド４を一体的に試料側に降下させ、カン
チレバー１の先端に形成された探針２を試料７に対して
１ナノメータ以下の距離まで近付ける。すると、前記探
針先端の原子と試料の表面原子との間に原子間力が作用
し、カンチレバー１が撓む。この時、レーザー光源５か
ら該カンチレバー１の背面（探針２が形成されている面
に対し反対の面）にレーザー光が照射されており、レー
ザー反射光の入射位置の変化がフォトディテクター６に
より検出される。原子間力顕微鏡においては、この検出
された反射光の入射位置の変化が前記カンチレバー１が
撓みに相当し、この撓みが一定、即ち、前記探針２と試
料７の間の距離の一定に保たれる様に前記圧電走査素子
８をＺ方向に伸縮させながら、前記試料７に対し前記カ
ンチレバー１の探針２をＸ，Ｙ方向に走査させることに
より、試料表面の凹凸を画像として得ている。

【０００４】さて、前記した様に、レバー１の撓みの検
出は光てこの原理に基づきレーザー反射光の入射位置の
変化をフォトディテクタ６により検出することにより行
っていることから、レーザー光源５，カンチレバー１及
びフォトディテクタ６から成る光学系は、通常、ヘッド
内部に固定されている。この光学系の構成要素であるカ
ンチレバーは、図２に示す様に、ガラス基板とか半導体
基板の如き基板Ｋの端部に形成されており、この基板Ｋ
は、矩形枠状のレバーホルダー３に取り付けられ、光路
内に挿入されるわけであるが、この際、光てこ方式を利
用するので、カンチレバー１は試料表面に対し或る角度
を持つように取り付けられる。そして、前記探針２と試
料７のアプローチはヘッド４を試料側に降下させること
により行うが、図２に示す様に、試料７の観察位置（カ
ンチレバー１先端の探針２が試料７にアプローチする位
置）の周辺部に大きな凸部Ｄ（障害物）があると、前記
基板Ｋの方が先に該凸部Ｄに接触し、探針２を試料表面
にアプローチすることが出来ない。この際、前記基板Ｋ
のレバーホルダー３に対する固定角度を大きくすると、
探針先端が試料に対向しなくなり、得られる原子間力像
の分解能が著しく低下してしまう。又、前記ヘッド４を
外し、試料７をアプローチに支障のない向きに取付け直
すことも考えられるが、前記凸部Ｄは観察位置の周囲１
００μｍ程度の所にある、高さ凡そ５０μｍ〜１００μ
ｍ程度の肉眼では確認しにくいものであることから、た
とえ、光学顕微鏡を使用しながらであっても該取付け修
正操作は極めて厄介なものとならざるを得ない。

【０００５】そこで、図３に示す如き構成の原子間力顕
微鏡が考えられている。該図３中、前記図１と同じ番
号，記号の付されたもの同一構成要素である。図中１４
はＹステージ１３Ｙ上に載置された回転ステージで、該
回転ステージの上にヘッド４が載置されている。該回転
ステージは回転駆動機構（図示せず）により、前記Ｙス
テージ１３Ｙ上を回転するように構成されている。

【０００６】この様な構成の原子間力顕微鏡において、
カンチレバー１を組み込んだヘッド４を回転ステージ１
４上に載置した後、昇降捩子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
（図示せず）……を回すことによりステージ底板１２、
Ｘ，Ｙステージ１３Ｘ，１３Ｙ、回転テージ１４及びヘ
ッド４を一体的に試料側に降下させる。この際、例え
ば、光学顕微鏡により試料表面に凸部Ｄ（障害物）を発
見し、このまま前記ヘッド４を降下させると、カンチレ
バー１の基板Ｋが該凸部に接触する恐れがある場合、予
め、回転駆動機構（図示せず）により、前記回転ステー
ジ１４をＹステージ１３Ｙの上で回転させ、一体化して
ヘッド４もレーザー光軸Ｏを中心に回転させる。該回転
により、前記基板Ｋが前記凸部Ｄに接触しない位置へ持
って行く。例えば、図３（Ｂ）に示す様に、回転ステー
ジ１４を回転させ、ヘッド４を破線から実線に示す様に
回転移動させる。この様な動作により、光学系（レーザ
ー光源５，カンチレバー１及びフォトディテクタ６から
成る）の位置関係を維持したまま、探針２の先端を中心
にしてヘッド４が回転するので、観察位置を変えずに障
害物 （凸部Ｄ）への接触を回避することが出来る。
尚、原子間力顕微鏡の走査範囲は極めて狭いので、その
走査範囲において、基板が一度避けた障害物に当たる事
はない。この状態で、前記昇降捩子１０ａ，１０ｂ，１
０ｃ（図示せず）……を回し、カンチレバー１の先端に
形成された探針２を試料７に対して１ナノメータ以下の
距離まで近付け、前記図１にて説明した様に試料表面の
凹凸を画像として得る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】さて、前記図３に示す
如き構成の原子間力顕微鏡で使用されるカンチレバー１
は、前記した様に、ガラス基板とか半導体基板の如き基
板の端部に形成されるが、通常、図４に示す様に、ハン
ドリングを考慮したサイズ（幅２ｍｍ、長さ３〜４ｍｍ
程度）の基板Ｋ´の端部にバネ定数（長さ）の異なる２
種類のカンチレバー１ａ，１ｂが形成されたものが市販
されている。この基板Ｋ´は、図５に示す様に、矩形枠
状のレバーホルダー３０の溝３１内に押さえ３２で支持
される様に収められる。該押さえは、前記レバーホルダ
ー３０の裏面側からバネ３３により引っ張られているの
で、前記基板Ｋ´は前記溝３１内に固定される。そし
て、使用しない方のカンチレバーを取り除く（破壊す
る）。尚、前記溝３１は、大略、基板Ｋ´が丁度嵌ま
り、該丁度嵌まった時にレーザー光源５の光軸Ｏ上に２
つのカンチレバー１ａ，１ｂを結ぶラインＰと基板Ｋ´
の中心線Ｌの交点が位置する様な形状に作られている。

【０００８】所で、前記の如き基板端部に形成された２
種類のカンチレバーの何れかを選択して使用するタイプ
の基板においては、該基板Ｋ´の中心線Ｌ上にはカンチ
レバー先端の探針が位置しないので、この様なタイプの
基板を、前記図３に示す如き、障害物への接触を回避す
る為に探針の先端を中心にしてヘッド４を回転させる原
子間力顕微鏡に使用するには、カンチレバーホルダーの
基板取付け溝を、選択されるカンチレバーに応じて反長
手方向にずらして形成しなければならない。しかし、前
記カンチレバーホルダーの基板取付け溝は最初に形成し
たらそのままの固定溝なので、前記２種類のカンチレバ
ーの何れかを選択して使用するタイプの基板は使用困難
となる。又、カンチレバーの長さが２種類あるために基
板の長手方向のずれも発生する。

【０００９】本発明は、この様な問題に解決する為に成
されたもので、基板端部に形成された２種類のカンチレ
バーの何れを選択しても、探針先端を中心にカンチレバ
ーを回転させることの出来る新規な原子間力顕微鏡を提
供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 その為に、本発明は、
その先端に探針が形成された夫々互いに長さの異なる複
数のカンチレバーを設けた基板と、前記カンチレバーに
光を照射するための光源と、前記カンチレバーで反射し
た光の位置ずれを検出する光検出器とを設けたヘッド、
及び、試料を載置し前記探針を前記試料表面の原子間力
の作用する領域内で３次元的に運動させるための微動機
構を設けたベースを具備しており、前記基板をホルダー
に取付け、該ホルダーを前記ヘッドに組込む様に成した
原子間力顕微鏡であって、前記ホルダーに、前記基板が
前記複数のカンチレバーの先端を結ぶラインに平行に滑
動可能な基板保持用の溝を設けた。

【００１１】

【作用】 レバーホルダーに、基板が、該基板に形成さ
れた複数のカンチレバーの先端を結ぶラインに平行に滑
動可能な基板保持用の溝を設ける様に成したので、基板
端部に形成された２種類のカンチレバーの何れを選択し
ても、選択されたカンチレバーの先端がレバーホルダー
の中心に来る様に前記溝内において前記基板を滑動させ
る。この結果、探針先端を中心に選択されたカンチレバ
ーを回転させることが出来る

【００１２】

【実施例】 図６は本発明の一実施例を示したもので、
主要部（レバーホルダー部分）のみ示している。図中前
記各図で使用された番号，符号と同一の番号，符号の付
されたものは同一構成要素である。図中６０はレバーホ
ルダーで、その中心（レーザー光源５の光軸Ｏと一致す
る）の左部分には孔Ｈが開けられており、右の部分には
レバーホルダーすべり溝６１が設けられている。該すべ
り溝６１内には、自分自身及び前記すべり溝を形成して
いる壁内部に螺合された微調捩子６２によりスライド可
能な基板受け６３が設けられている。該基板受けの反カ
ンチレバー側端面６３Ｔ及び該基板受けの反カンチレバ
ー側端面が当接する前記すべり溝の端部６１Ｔは、前記
基板受けに取付けられる基板Ｋ´に形成された長短２つ
のカンチレバー１ａ，１ｂの先端を結ぶラインと平行に
なるようにカットされている。尚、前記微調捩子６２の
螺合も該ラインと平行に成されている。図中６４は基板
Ｋ´を固定するための押さえで、前記レバーホルダー６
０の裏面側からバネ（図示せず）により引っ張られてい
るので、該バネを緩めて前記基板Ｋ´を前記基板受け６
３上に置き、再びバネを強くすることにより前記すべり
溝６１内に該基板を固定することが出来る。

【００１３】さて、先ず、端部に大小２種類のカンチレ
バー１ａ，１ｂが形成された基板受け６３の上に基板Ｋ
´をセットし、押さえ６４により固定する。この状態
で、使用すべきカンチレバーの位置合わせを次の様に行
う。例えば、長い方のカンチレバー１ａを使用する場
合、微調捩子６２を回して前記基板受け６３を移動さ
せ、前記カンチレバー１ａの先端をレバーホルダー６０
の中心に持って来る。この時、若し、短い方のカンチレ
バー１ｂを使用する場合には、同じ様に微調捩子６２を
回して前記基板受け６３を移動させ、前記カンチレバー
１ｂの先端をレバーホルダー６０の中心に持って来る。
この様な操作は、例えば、光学顕微鏡が備えられ、前記
レバーホルダー６０をセットすることにより該レバーホ
ルダーの中心が明示される操作台を使用し、前記光学顕
微鏡で観察しながら行われる。

【００１４】次に、前記の如き位置合わせが済んだカン
チレバー１ａをセットしたレバーホルダー６０を前記図
３に示す如き原子間力顕微鏡のヘッド４のガイド４Ｇに
完全に嵌挿する。該嵌挿により、レーザー源５の光軸上
に前記カンチレバー１ａの先端部の探針２が一致する。
この状態の元で、前記した様に試料表面の凹凸を画像と
して得る動作が行われる。

【００１５】図７は本願発明の主要部の他の実施例を示
したものである。この実施例では、前記図６に示す実施
例と異なり、基板受けや微調捩子を使用せず、カンチレ
バーが形成された基板Ｋ´´の反カンチレバー端面ＫＴ
が前記基板Ｋ´´に形成された長短２つのカンチレバー
１ａ，１ｂの先端を結ぶラインと平行になるようにカッ
トしておく。そして、該基板Ｋ´´を、該基板の反カン
チレバー端面ＫＴが滑り溝６１の滑面６１Ｔに当接する
様に，滑り溝にセットし、押さえ６４により固定する。
この状態で、使用すべきカンチレバーの位置合わせを次
の様に行う。例えば、長い方のカンチレバー１ａを使用
する場合、基板Ｋ´´を直接前記ラインに沿って移動さ
せ、前記カンチレバー１ａの先端をレバーホルダー６０
の中心に持って来る。

【００１６】

【発明の効果】 本発明は、レバーホルダーに、基板
が、該基板に形成された複数のカンチレバーの先端を結
ぶラインに平行に滑動可能な基板保持用の溝を設ける様
に成したので、基板端部に形成された２種類のカンチレ
バーの何れを選択しても、探針先端を中心に選択された
カンチレバーを回転させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の原子間力顕微鏡の概略の一例を示した
ものである。

【図２】 従来の原子間力顕微鏡の一部概略の一例を示
したものである。

【図３】 従来の原子間力顕微鏡の問題を解決するため
に提案された原子間力顕微鏡一部概略の一例を示したも
のである。

【図４】 原子間力顕微鏡に使用されるカンチレバーが
形成された基板の一例を示したものである。

【図５】 カンチレバーが形成された基板をレバーホル
ダーにセットした様子を示したものである。

【図６】 本発明の主要部の一実施例を示したものであ
る。

【図７】 本発明の主要部の他の実施例を示したもので
ある。

【符号の説明】

１ カンチレバー ２ 探針 ３ レバーホルダー ４ ヘッド ４Ｇ ガイド ５ レーザー光源 ６ フォトディテクター体 ７ 試料 ８ 圧電走査素子 ９ ベース ９Ｂ 底部 ９Ｅ 上縁部 １０ａ，１０ｂ，……… 昇降捩子 １０Ｂ 枝 １１ 鋼球 １２ ステージ底板 １３Ｘ Ｘステージ １３Ｙ Ｙステージ １４ 回転ステージ ５０ 試料取付け台 Ｍ 磁石 Ｓ 弾性体 Ｋ 基板 Ｄ 障害物（凸部） Ｋ´ 基板 １ａ，１ｂ カンチレバー ３０ 矩形枠状のレバーホルダー ３１ 溝 ３２ 押さえ ３３ バネ Ｏ レーザ光源の光軸 ６０ レバーホルダー Ｈ 孔 ６１ すべり溝 ６２ 微調捩子 ６３ 基板受け ６４ 押さえ Ｋ´´ 基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その先端に探針が形成された夫々互いに
   長さの異なる複数のカンチレバーを設けた基板と、前記
   カンチレバーに光を照射するための光源と、前記カンチ
   レバーで反射した光の位置ずれを検出する光検出器とを
   設けたヘッド、及び、試料を載置し前記探針を前記試料
   表面の原子間力の作用する領域内で３次元的に運動させ
   るための微動機構を設けたベースを具備しており、前記
   基板をホルダーに取付け、該ホルダーを前記ヘッドに組
   込む様に成した原子間力顕微鏡であって、前記ホルダー
   に、前記基板が前記複数のカンチレバーの先端を結ぶラ
   インに平行に滑動可能な基板保持用の溝を設けた原子間
   力顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記基板と前記溝が当接する互いの面
   が、前記複数のカンチレバーの先端を結ぶラインに平行
   に切断されている前記請求項１記載の原子間力顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記複数のカンチレバーの先端を結ぶラ
   インに平行に切断された端面を有する基板受けに前記基
   板を載せる様に成し、該基板受けに当接する前記溝の面
   が前記複数のカンチレバーの先端を結ぶラインに平行に
   切断されており、前記基板受けを前記溝内で滑動させる
   ための調整捩子が設けられている請求項１記載の原子間
   力顕微鏡。