JPH0843409A

JPH0843409A - 原子間力顕微鏡

Info

Publication number: JPH0843409A
Application number: JP6175563A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sato; 健一佐藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】試料表面と、カンチレバーの走査面とを互い
に平行にすることのできる機構を備えた原子間力顕微鏡
を提供することを目的とする。【構成】カンチレバー５等を支える架台１は、それぞ
れの上端面の高さ位置を独立的に調整可能な４本の軸ネ
ジ３２に載せられている。架台１に、予めカンチレバー
５の走査面と平行にされた基準面１０を設けておく。一
方、試料ｓの表面は、予め水平にしておく。傾斜計４に
よって、基準面１０の傾きを測定し、該基準面１０が水
平となるように、モータ３１を作動させて軸ネジ３２の
位置を調整する。

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】近年開発された原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ：Atomic Force Microscope）は、非導電物質である
生物、有機分子、絶縁物質（例えば、セラミックス）等
を、ナノメートルスケールで観察を行うことができるた
め、広範囲な応用が期待されている。

【０００３】ＡＦＭの原理および要部の構成を図５を用
いて説明する。

【０００４】ＡＦＭは、架台１、台座２、３軸上下微動
機構３、サンプルホルダ２０、カンチレバー５、スキャ
ナ６、光源７、ディテクタ８を含んで構成される。

【０００５】サンプルホルダ２０は、試料ｓを載せるた
めの台である。

【０００６】カンチレバー５は、試料表面との距離を、
カンチレバー５自身のたわみの量として検出するもので
ある。このカンチレバー５は、板バネ状に構成されてお
り、その先端部には、探針５０を備えている。カンチレ
バー５は、探針２０と、試料表面との間に作用する原子
間力によってたわみを生じる。

【０００７】スキャナ６は、試料表面上において、カン
チレバー５をＸＹ方向に走査するためのものである。カ
ンチレバー５は、探針５０を力学的に試料表面に接触さ
せられた状態で、スキャナ６によってＸＹ方向に走査さ
れる。

【０００８】光源７、ディテクタ８は、カンチレバー５
のたわみ量を検出するためのものである。光源７の発す
る光を、カンチレバー５に照射し、その反射光をディテ
クタ８によって検出する。この反射光を測定することに
よって、カンチレバーのたわみ量を測定することができ
る。

【０００９】試料表面と探針との間に作用する原子間力
の大きさは、両者の間隔によって変化する。一般に物質
表面では、遠距離では引力が働き、近距離では、斥力が
働く。従って、原子間力を一定に保ちつつ（すなわち、
カンチレバーのたわみ量を一定に保ちつつ）、試料表面
上、探針５０を移動させることによって、試料表面の凹
凸を観察することができる。

【００１０】このようにして得た測定データに対し適当
な処理を施すことで、ＡＦＭでは試料表面の凹凸を表し
た画像を得ることができる。

【００１１】上述のカンチレバー５、スキャナ６、光源
７、ディテクタ８は、架台１に設置されている。さら
に、該架台１自身は台座２に載せられている。従って、
３軸上下微動機構３を作動させることによって、カンチ
レバー５、スキャナ６、光源７、ディテクタ８等の相対
的位置関係を変えることなく、その傾きなどを調整可能
にされている。一方、サンプルホルダ２０は、台座２に
設置されているため、該３軸上下微動機構３の動作の影
響を受けることなく、常に一定の位置に保たれる。

【００１２】このような構成からなるＡＦＭにおいて
は、試料ｓの表面と、カンチレバー５の走査面とが、平
行になっているか否かが、凹凸像の検出精度に影響す
る。該傾きの影響の大きさを図６を用いて説明する。

【００１３】以下、カンチレバーの走査面と、試料表面
とが、平行になっていないことを、単に、"試料表面の
傾き"、"試料の傾き"と表現する(注:これは、あくまで
もカンチレバーの走査面を基準としてのものであり、水
平面に対する傾きではない)。

【００１４】ＡＦＭにおいて検出可能な最小の凹凸は、
カンチレバー５の検出した試料表面の高低差ΔＨ（＝Ｈ
max − Ｈmin）の大きさによって決まってくる。

【００１５】例えば、データのサンプリングを８ビット
（つまり、２５６段階）で行っている場合を考える。こ
の場合には、観察可能な凹凸の最小高さｈ_minは、下記
数１で決定される。

【００１６】

【数１】ｈ_min＝（Ｈmax − Ｈmin）／２５６Ｈmax：走査範囲内において、カンチレバー５の検出し
た高さの最大値Ｈmin：走査範囲内において、カンチレバー５の検出し
た高さの最小値カンチレバー５の検出した高低差ΔＨが大きい場合、例
えば、ΔＨ＝５０００ｎｍである場合には、ｈ_min＝２
０ｎｍとなる。つまり、試料表面にある２０ｎｍ以下の
凹凸は検出できないことになる。仮に、試料の表面に高
さｈ＝１０ｎｍの凹凸があってもこれを凹凸として観察
することができない。一方、カンチレバー５の検出した
高低差ΔＨが小さい場合、例えば、ΔＨ＝１００ｎｍで
ある場合には、ｈ_min＝０．４ｎｍとなり、高さｈ＝１
０ｎｍの凹凸を観察することができる。なお、試料表面
が傾いていると、高さ位置Ｈ測定の軸方向と、凹凸の高
さｈの測定の方向がずれるため、厳密にはこの方向のず
れを考慮する必要がある。

【００１７】ところで、カンチレバー５自身は、観察に
よって得られた高低差が、試料表面の凹凸に起因したも
のか、あるいは、試料表面全体の傾きに起因したものか
を区別することはできない。従って、試料表面の傾きが
大きい場合には、上述の高低差ΔＨが試料表面の傾きに
起因して決定されてしまう。そして、これでは、顕微鏡
は本来の性能を発揮することができない。最悪の場合に
は、カンチレバー５が試料表面に達かなくなり、途中か
ら、観察できないようなことも考えられる。理想的に
は、上述のＨmax，Ｈminが、試料表面の凹凸自身によっ
て決定されているような状態（すなわち、傾きが全くな
い状態あるいは、極めて小さい状態）が好ましい。

【００１８】そのため、この傾きを修正するための各種
機構が従来から提案されている。

【００１９】例えば、上述した例（図５）と同様の機構
（それぞれ独立に上下させることのできる３軸を備えた
上下微動機構３によって、架台１を支えた機構）を備え
たＡＦＭは、例えば、米国特許（ＵＳＰ）．ＵＳ５１５
７２５１（１９９１．３．１３：ＰａｒｋＳｃｉｅｎｔ
ｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）公報に開示されて
いる（以下”従来技術Ａ”という）。

【００２０】また、特開平４−２１２００１号公報に
は、試料を観察する前に試料の表面における測定領域で
探針を走査させて試料面の傾きを計算で求め、その求め
た傾きに基づいて支持機構を駆動する機能（補正プログ
ラム）を備えた走査型トンネル顕微鏡が記載されている
（以下”従来技術Ｂ”という）。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来から
提案されている傾き修正、補正の技術には以下のような
問題があった。

【００２２】上述の従来技術Ａは、３軸上下微動機構を
手動で作動させているため操作性が悪かった。特に、水
平になっているか否かの基準あるいは目安がないため、
正確な設定が困難であった。

【００２３】従来技術Ｂにおいてもやはり、観察を開始
するまでに試料の表面を走査しなければならず、余計な
時間、操作が必要であった。

【００２４】本発明は、カンチレバーの走査面と試料表
面とを、迅速かつ容易に平行にすることのできる機構を
備えた、走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的と
する。

【００２５】

【課題を解決するための手段】一般に、ＡＦＭ等の高分
解能の顕微鏡では、サンプルホルダ２０に入れて台座２
に置かれた試料の表面が水平となるように、予め十分な
注意を払って台座２が設置されている。また、観察に供
される試料ｓも、サンプルホルダ２０に入れて台座２に
置いた状態で、その表面が水平となるように十分な注意
を払って作成されている。そこで、本発明では、サンプ
ルホルダ２０に入れて台座２に載せ置かれた試料ｓの表
面は、水平になっているとの仮定のもとになされたもの
である。

【００２６】本発明は前記目的を達成するためになされ
たものでその一態様としては、試料表面との間において
生じる原子間力によって変形可能に構成されたカンチレ
バーと、前記カンチレバーの変形量を検出する検出手段
と、前記カンチレバーを走査させる走査手段と、前記カ
ンチレバーを取り付けられたフレームと、前記カンチレ
バーの走査される面（以下”走査面”という）の傾きを
検出する傾斜角度検出手段と、前記走査面の傾きを調整
する角度調整手段と、前記傾斜角度検出手段の検出結果
に基づいて、前記角度調整手段を作動させ、前記走査面
を予め定められた角度に保つ制御手段と、を有すること
を特徴とする原子間力顕微鏡が提供される。

【００２７】前記走査面と平行な基準面を備え、前記傾
斜角度検出手段は、前記基準面の傾きを検出するもので
あってもよい。

【００２８】前記基準面は、前記フレームに設定された
ものであり、前記角度調整手段は、前記フレーム全体の
傾きを変更することによって、前記走査面の傾きを調整
するものであってもよい。

【００２９】前記予め定められた角度は水平であること
が好ましい。

【００３０】

【作用】傾斜角度検出手段は、走査面の傾きを検出す
る。この傾きの検出は、例えば、走査面と平行に設定さ
れているフレームの基準面の傾きを検出することによっ
てなされる。

【００３１】制御手段は、この傾斜角度検出手段の検出
結果に基づき、走査面が予め定められた角度（例えば、
水平）となるように、角度調整手段を作動させる。角度
調整手段は、例えば、フレーム全体の傾きを変更するこ
とによって、走査面の傾きを調整する。

【００３２】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

【００３３】本実施例のＡＦＭは、図１に示すとおり、
架台１と、台座２と、４軸上下微動機構３と、角度検出
器４と、カンチレバー５と、スキャナ６と、光源７と、
ディテクタ８と、制御部９（図２参照）と、を含んで構
成される。

【００３４】架台１は、カンチレバー５、スキャナ６、
光源７、ディテクタ８等を、互いの位置関係が変化しな
いように保持するためのものである。該架台１の上に設
けられた基準面１０には、角度検出器４が設置されてい
る。該基準面１０は、カンチレバー５の走査されるＸ−
Ｙ面と平行にされている。また、該架台１は、カンチレ
バー５の走査方向Ｘ，Ｙと、軸ネジ３２の構成する四角
形の辺の方向とが一致するような向きで、軸ネジ３２の
上に置かれている（図３参照）。

【００３５】角度検出器（傾斜計）４は、架台１の基準
面１０の傾き角度およびその向きを検出するためのもの
である。上述したとおり、本発明では、試料ｓの表面は
水平にされているとの前提をおいている。従って、該基
準面１０が水平となるように架台１の傾きを調整すれ
ば、カンチレバー５の走査面と、試料ｓの表面とは、互
いに平行にできる。角度検出器４は、検出結果を制御部
９（図２参照）に出力している。本実施例では、角度検
出器４として、傾きを０．１゜の精度で検出できる、株
式会社ケミカライジング製のデジタル傾斜計（商品名”
ＴＤ−２Ｂ）を２つ使用している。この２つの傾斜計を
互いに直交して配置することで、４軸上下微動機構３に
より傾き調整を行なう方向（Ｘ方向，Ｙ方向）それぞれ
についての傾きを検出できる。但し、使用する傾斜計は
これに限定されるものではない。

【００３６】カンチレバー５は、試料表面との距離を、
カンチレバー５自身のたわみの量として検出するもので
ある。このカンチレバー５は、板バネ状に構成されてお
り、その先端部には、探針５０を備えている。カンチレ
バー５は、探針５０と、試料表面との間に作用する原子
間力によってたわみを生じる。

【００３７】スキャナ６は、カンチレバー５をＸ方向、
Ｙ方向に走査するためのものである。本実施例では、ピ
エゾ素子を用いて構成している。カンチレバー５は、探
針５０を力学的に試料ｓの表面に接触させられた状態
で、該スキャナ６０によってＸ方向およびＹ方向に走査
される。既に述べたとおり、この走査面（ＸＹ面）は、
架台１の基準面１０と平行とされている。この走査面の
傾きは、該架台１全体の傾きを後述の４軸上下微動機構
３によって調整される。

【００３８】スキャナ６は、さらに、カンチレバー５に
検知される原子間力が一定となるように（すなわち、カ
ンチレバー５のたわみが一定となるように）、カンチレ
バー５全体をＺ軸方向にも移動可能に構成されている。

【００３９】光源７、ディテクタ８は、カンチレバー５
のたわみ量を検出するためのものである。光源７の発す
る光を、カンチレバー５に照射し、その反射光をディテ
クタ９によって検出する。この反射光を測定することに
よって、カンチレバーのたわみ量を測定することができ
る。本実施例では光源７として、半導体レーザを使用し
ている。

【００４０】台座２は、顕微鏡全体を支えるためのもの
であり、容易には動かないように重くかつ硬い材質の材
料を用いて構成されている。該台座２の上面中央には、
試料ｓを載せるためのサンプルホルダ２０が設置されて
いる。該台座２の４隅には、上下を貫通した穴２２が設
けられ、後述するモータ３１の軸ネジ３２が通されてい
る。

【００４１】４軸上下微動機構３は、架台１の傾きを調
整するためのものである。該４軸上下微動機構３は、図
２に示すとおり、モータ３１ａ，ｂ，ｃ，ｄ、ドライバ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを含んで構成される。
以下、モータ３１ａ，モータ３１ｂ，モータ３１ｃ，モ
ータ３１ｄを総称して、単に、”モータ３１”という。
同様に”ドライバ３０”という。モータ３１の軸ネジ３
２は、モータの回転にともなって、図１における上下方
向に移動可能に構成されている。モータ３１は、それぞ
れ、軸ネジ３２を上述の穴２２を通され、その先端で架
台１を支えている。図１の上側から見た場合の、軸ネジ
３２とカンチレバー５の走査方向との位置関係を図３に
示した。軸ネジ３２は、それぞれ正方形（図中、一点鎖
線で示す）の頂点位置に配置されている。そして、後述
するとおり、架台１はカンチレバー５が走査されるＸ方
向，Ｙ方向が、それぞれ該正方形の辺の方向と一致する
ような向きで、４本の軸ネジ３２の上に載せ置かれてい
る。従って、該モータ３１を、それぞれ互いに独立して
作動させることによって、架台１の傾きを、Ｘ方向およ
びＹ方向それぞれについて、独立的に調整することがで
きる。つまり、モータ３１ａ，３１ｂと、モータ３１
ｃ，３１ｄとの組合せに分けて作動させることによっ
て、Ｘ方向の傾きを調整可能になっている。同様に、モ
ータ３１ａ，３１ｃと、モータ３１ｂ，３１ｄとの組合
せに分けて作動させることによって、Ｙ方向の傾きを調
整可能にしている。

【００４２】本実施例では、微調整を可能とするため、
モータ３１としてステップモータを使用している。

【００４３】ドライバ３０は、制御部９からの信号にし
たがって、実際にモータ３１を作動させるための制御回
路である。

【００４４】本実施例の制御上の構成を図２を用いて説
明する。

【００４５】図２は、主に、カンチレバー５の走査面を
水平に調整するための制御構成について示し、他の構成
部分については省略している。

【００４６】制御部９は、角度検出器４から入力される
検出結果に従って、モータ３１を作動させ、架台１を水
平にするためのものである。

【００４７】制御部９は、プリアンプ９０と、演算処理
部９１、分配器９２と、を備えている。プリアンプ９０
は、角度検出器４の出力信号を、増幅するとともに、演
算処理部９１で処理可能な信号に変換する処理（例え
ば、Ａ／Ｄ変換）を行うためのものである。

【００４８】演算処理部９１は、プリアンプ９０を通じ
て入力される角度情報に基づいて、モータ３１の操作量
を求める機能を有している。本実施例では演算処理部９
１は、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、また、こ
れらのメモリに格納されたプログラム、データを含んで
構成している。演算処理により演算の詳細については、
後ほど動作説明において行う。

【００４９】分配器９２は、演算処理部９１から出力さ
れる信号を、当該信号の対応するドライバ３０に振り分
けて出力するためのものである。

【００５０】なお、特許請求の範囲においていう”フレ
ーム”は、本実施例においては、架台１に相当する。”
傾斜角度検出手段”とは、角度検出器４に相当する。”
角度調整手段”とは、４軸上下微動機構３に相当する。
制御手段とは、制御部９に相当する。

【００５１】次に、架台１（すなわち、カンチレバー５
の走査面）を水平に調整する動作を、図４のフローチャ
ートを用いて説明する。

【００５２】動作開始後、制御部９は、角度検出器４の
検出する角度信号に基づいて、Ｘ方向、Ｙ方向、それぞ
れについての傾斜角度を検出する。そして、それぞれの
傾斜角度が、０．５°以上であるか否かを判定する（ス
テップ７１）。その結果、いずれか一方でも、０．５°
以上であった場合には、傾きの粗調整を行う（ステップ
７２）。該粗調整においては、ステップモータ３１の作
動量をある程度大きくしている。Ｘ方向の傾きが０．５
°以上であった場合には、モータ３１ａ，ｂ（あるい
は、モータ３１ｃ，ｄ）を同量だけ作動させる。上述の
説明では、特に述べなかったが、軸ネジ３２ａ，３２
ｂ，３２ｃ，３２ｄのねじのピッチは、同じとされてい
る。そのため、Ｙ方向の傾きに影響を与えることなく、
Ｘ方向の傾きのみを減少させることができる。

【００５３】Ｙ方向の傾きが０．５°以上であった場合
には、モータ３１ａ，ｃ（あるいは、モータ３１ｂ，
ｄ）を同量だけ作動させる。これにより、Ｘ方向の傾き
に影響を与えることなく、Ｙ方向の傾きのみを減少させ
ることができる。Ｘ，Ｙ両方向について、傾きが０．５
°以上あった場合は、両方向についてそれぞれ行う。

【００５４】該ステップ７２の後は、再びステップ７１
に戻り、Ｘ，Ｙ両方向について傾きが０．５°未満にな
るまで同様の処理を繰り返す。

【００５５】Ｘ，Ｙ両方向について傾きが０．５°未満
になると、続いて、ステップ７３，７４に進み、今度は
傾きが０．１度未満になるまで、傾き調整を繰り返す。
傾き調整の手法は基本的には、ステップ７７２と同様で
ある。但し、より微調整を可能とするため、ステップ７
４ではステップ７２よりもモータ３１の１回の作動量を
小さくしている。

【００５６】ステップ７３において、Ｘ，Ｙ両方向につ
いて傾きが０．１°未満になっていた場合には、傾き調
整を終え、ステップ７５に進む。ステップ７５では、架
台１全体を水平を保ちつつ、カンチレバー５による観察
が可能な範囲まで、降下させる。そして、試料の観察を
行う（ステップ７６）。

【００５７】最後に、本実施例において傾き調整を行っ
た場合の凹凸の検出精度について述べる。試料面の傾き
具合を、角度をパラメータとして議論する場合には、検
出可能な試料表面の凹凸高さは、下記数２で定義され
る。数２では、上述の例と同様に、データのサンプリン
グを８ビット（２５６段階）で行っているものとしてい
る。

【００５８】

【数２】ｈ_min＝（Ｌ・ｔａｎθ）／２５６ θ：試料表面に対するカンチレバーの走査面の傾斜角度ｈ_min：観察可能な凹凸の高さの最小値Ｌ：走査距離本実施例では、傾きθを０．１゜の精度で設定可能であ
る。また、ここではＬ＝２０μｍ＝２００００ｎｍとす
ると、ｈ_min≒０．１ｎｍとなり、実用上十分な検出精
度を得ることができる。

【００５９】以上説明したとおり、本実施例では、容易
かつ正確に、カンチレバー５の走査面と、試料ｓの表面
とを平行にすることができる。従って、ＡＦＭ本来の機
能を十分に発揮させることができる。

【００６０】上記実施例では、４軸の上下微動機構を採
用していたが、３軸の上下微動機構でも傾きの調整は可
能である。但し、その場合には、Ｘ方向、Ｙ方向それぞ
れの傾きに基づいて、いずれの軸ネジ３２（モータ３
１）をどの程度作動させれば良いのかを、演算する処理
を行う必要がある。あるいは、角度検出器４を、軸ネジ
３２それぞれに対応した３方向についての傾斜角度を検
出できるように、構成する必要がある。

【００６１】上記実施例では操作を容易とするため、角
度の調整を自動化していた。しかし、軸ネジ３２を手動
で動かすようにしても良い。この場合には、制御部９は
角度調整のための構成が不要となり、低コスト化を図る
ことができる。この場合であっても、角度検出器４を見
ながら調整することで、従来に比べ、正確な角度調整が
可能である。

【００６２】上記実施例では、台座２自体は水平である
との前提のもとに構成されていた。しかし、場合によっ
ては、必ずしも台座２が傾いていることもありうる。従
って、この場合には、台座２の傾きを検出する角度検出
器を別途備えるようにしてもよい。この場合には、制御
部９は、架台１の傾きと、を台座２の傾きとが、一致す
るように４軸上下微動機構を作動させる。但し、この場
合にも、試料ｓの表面は、台座２と平行にされているこ
とを前提とする。

【００６３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、試料の表
面と、カンチレバーの走査面と、を平行にすることがで
きるため、顕微鏡が本来有する能力（分解能）を最大限
発揮させることができる。また、自動化を図ったことに
より、操作は容易で、初心者にも調整できる。また、調
整に要する時間も短い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成を示す模式図であ
る。

【図２】制御上の構成を示すブロック図である。

【図３】軸ネジ３２相互の位置関係と、カンチレバー５
の走査方向と、の関係を示す図である。

【図４】制御動作を示すフローチャートである。

【図５】従来のＡＦＭの要部構成を示す模式図である。

【図６】試料表面が傾斜している様子を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１…架台、２…台座、３…４軸上下微動機構、４…角度
検出器、５…カンチレバー、６…スキャナ、７…光源、
８…ディテクタ、９…制御部、２０…サンプルホルダ、
３０…ドライバ、３１…モータ、３２…軸ネジ、５０…
探針、９０…プリアンプ、９１…演算処理部、９２…分
配器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料表面との間において生じる原子間力に
よって変形可能に構成されたカンチレバーと、前記カンチレバーの変形量を検出する検出手段と、前記カンチレバーを走査させる走査手段と、前記カンチレバーを取り付けられたフレームと、前記走査において前記カンチレバーが作動される面（以
下”走査面”という）の傾きを検出する傾斜角度検出手
段と、前記走査面の傾きを調整する角度調整手段と、前記傾斜角度検出手段の検出結果に基づいて、前記角度
調整手段を作動させ、前記走査面を予め定められた角度
に保つ制御手段と、を有することを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項２】前記走査面と平行な基準面を備え、前記傾斜角度検出手段は、前記基準面の傾きを検出する
ものであること、を特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３】前記基準面は、前記フレームに設定された
ものであり、前記角度調整手段は、前記フレーム全体の傾きを変更す
ることによって、前記走査面の傾きを調整するものであ
ること、を特徴とする請求項２記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４】前記予め定められた角度は水平であるこ
と、を特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。