JPH0868800A - 力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静電容量型の変位検出を行う力顕微鏡におい
て、検出動作を安定に行い、かつプローブ周辺部を外側
から視認しやすくする。 【構成】 プローブ１１を先端部に設けたカンチレバー
３７を備え、プローブの位置変化に伴うカンチレバーの
変位に基づいて力を検出する力顕微鏡であり、カンチレ
バーは中間部両側に捩じれ変形部３８を介して本体部３
６に設けられ、カンチレバーの後部側の一面に可動電極
３９を設け、かつこの可動電極３９に対向する固定電極
３３ａを固定部側に設け、可動電極と固定電極の間の静
電容量の変化に基づいてカンチレバーの変位を検出す
る。捩じれ変形部はカンチレバーの中央部よりも先部側
に設けられることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力顕微鏡に関し、特に、
試料表面からの微弱な原子間力や磁気力等を利用して試
料表面の微細な凹凸形状等を計測する力顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】力顕微鏡とは、原子レベルの微細な測定
対象物から作用する力を検出し、測定対象物の表面形状
等を計測する顕微鏡である。この力顕微鏡の一般的な構
造としては、先部の自由端にプローブ（探針ともいう）
を設けたカンチレバーを備え、プローブが測定対象物に
原子レベルの距離で接近したとき、プローブが測定対象
物の表面に存在する原子から例えば原子間力や磁気力の
作用を受け、プローブが原子間力等の作用を受けてその
位置を変化させることによりカンチレバーがその弾性に
基づいて変位するように構成される。カンチレバーの変
位は、例えばトンネル顕微鏡を利用した変位計または光
学式の変位計を用いて検出される。

【０００３】特開平４−３６９４１８号公報は力顕微鏡
の一つである原子間力顕微鏡の従来例を示す。この文献
に記載された原子間力顕微鏡は、片持ち梁の構造を有す
るカンチレバーを備え、カンチレバーの一面に電極を設
け、この電極に対向する支持台の面に他の電極を設け、
対向する電極同士によってコンデンサを形成する。カン
チレバーの先端に設けたプローブと試料表面の原子との
間で原子間力が作用し、それによってカンチレバーが変
位すると、電極間の距離が変化して電極間の距離で決ま
る静電容量が変化するという構造を有している。従っ
て、電極間の静電容量を検出することによってプローブ
を備えたカンチレバーの変位を計測することができ、こ
れによって原子間力を計測することができる。このよう
にして、カンチレバーの変位を計測とサーボ制御を組合
せることによって試料表面の微細な凹凸形状等を計測す
ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】カンチレバーに設けた
電極と支持台に設けた電極との間の静電容量の変化を利
用してカンチレバーの変位を検出する方式の従来の力顕
微鏡では、カンチレバーの変位量が微小な場合には、外
乱等の影響が大きくなり、安定して測定動作を行うこと
ができないという問題を有する。また従来の力顕微鏡で
は、カンチレバー先端のプローブ周辺部を外部から見る
ことが困難であるという構造上の不具合を有し、力顕微
鏡を操作する上で取扱いにくいという問題を有する。

【０００５】本発明の目的は、静電容量型の検出で安定
して動作し、かつプローブ周辺部が外側から視認しやす
い構造を有した力顕微鏡を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の本発明に係る力顕
微鏡は、力の作用を受けるプローブを先端部に設けたカ
ンチレバーを備え、プローブの位置変化に伴う前記カン
チレバーの変位に基づいて力を検出する力顕微鏡であ
り、カンチレバーは中間部両側に捩じれ変形部を介して
本体部に設けられ、カンチレバーの後部側の一面に第１
電極を設け、かつこの第１電極に対向する第２電極を固
定部側に設け、第１電極と第２電極の間の静電容量の変
化に基づいてカンチレバーの変位を検出するように構成
される。

【０００７】第２の本発明は、第１の発明において、捩
じれ変形部がカンチレバーの中央部よりも先部側に設け
られる。

【０００８】

【作用】本発明では、中間部両側に設けた捩じれ変形部
でカンチレバーを支持することによりカンチレバーをシ
ーソ状に回転させるようにし、プローブで生じた位置変
化を、後部側の第１電極と第２電極が設けられた箇所で
拡大し、大きな静電容量の変化を生じさせる。静電容量
を検出するための電極の構造部を、カンチレバーの後部
側に設けることにより、カンチレバーの前部側の構造を
簡素にした。また捩じれ変形部を、カンチレバーの中央
部よりも先部側の位置に設けることにより、てこの原理
を利用して、プローブの位置変化を電極間の距離変化に
変換するときにプローブの位置変化を拡大することがで
き、静電容量の変化を大きくすることができる。またプ
ローブの上側には他の部材を設けないので、プローブを
上側から観察することができる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１０】図１を参照して本発明に係る力顕微鏡の全
体構成を説明する。先端部にプローブ１１を備えたカン
チレバーユニット１２は３次元走査装置１３に固定さ
れ、３次元走査装置１３はフレーム１４の上部に固定さ
れる。試料１５は、フレーム１４の下部に固定された試
料台１６の上に載置される。プローブ１１の先端は試料
１５の表面に対して原子レベルの距離で接近した状態で
臨んでいる。静電容量式の変位検出機構を備えたカンチ
レバーユニットの詳細な構造は、後述される。３次元走
査装置１３は、カンチレバーユニット１２の位置をＸ，
Ｙ，Ｚの各軸方向に微動させる装置であり、一般に圧電
素子を利用して構成される。３次元走査装置１３は、Ｘ
Ｙ走査装置とＺ微動装置を含む。ＸＹ走査装置は試料１
５の表面上でプローブ１１を微細な距離でＸＹ走査させ
るための装置であり、Ｚ微動装置はプローブ１１をＺ軸
方向に微動させ、プローブ１１と試料１５の間の距離を
調整するための装置である。

【００１１】ＸＹ走査制御部１７はＸＹ走査装置に対し
制御信号を与え、プローブ１１が試料１５の表面をＸＹ
走査するようにＸＹ走査装置を駆動する。Ｚ方向サーボ
制御部１８はＺ微動装置に対して制御信号を与え、プロ
ーブ１１と試料１５の表面との間の距離が一定になるよ
うにＺ微動装置を駆動する。

【００１２】カンチレバーユニット１２における可動部
側の電極と固定部側の電極の間の静電容量は、静電容量
検出回路１９で検出される。上記のＺ方向サーボ制御部
１８は、静電容量検出回路１９で検出される静電容量値
が一定になるようにサーボ用制御信号を生成する。

【００１３】演算・制御装置２０は、Ｚ方向サーボ制御
部１８からサーボ用制御信号に関するデータを入力する
と共に、ＸＹ走査制御部１７に対して走査用制御信号を
生成するためのデータを供給する。演算・制御装置２０
では、走査用データとサーボ用制御データを利用して演
算処理を行い、試料１２の測定表面の凹凸形状を算出
し、表示装置２１に表示する。

【００１４】図２〜図４を参照してカンチレバーユニッ
ト１２の構造を説明する。カンチレバーユニット１２
は、最下層の基板３１とスペーサ部材３２と固定電極板
３３と上部部材３４を積層させた構造により作られる。
基板３１は所要の剛性を有する絶縁性板材である。基板
３１にはコ字型の開口部３５が形成され、この加工によ
って基板本体部３６と、カンチレバー３７と、基板本体
部３６とカンチレバー３７を繋ぐ２箇所の捩じれ変形部
３８が形成される。捩じれ変形部３８は、カンチレバー
３７の中間部両側に位置し、望ましくはその中央部より
も先部側に位置する。基板３１と同じ剛性を有するカン
チレバー３７は、捩じれ変形部３８を中心としてシーソ
状に回転する。カンチレバー３７の前部３７ａは先端が
尖った三角形状を有し、その先端部にプローブ１１が設
けられる。カンチレバー３７の後部３７ｂの上面には相
対的に広い面積の電極３９が設けられる。カンチレバー
３７の変位と共に位置が変化するという意味で、電極３
９を以下「可動電極３９」という。可動電極３９の前部
は配線部３９ａとして捩じれ変形部３８の上面および基
板本体部３６の上面へ延設され、その延設された配線部
３９ａの端部にボンディングパッド４０が形成される。

【００１５】固定電極板３３はスペーサ部材３２と上部
部材３４の間にあって、固定部側に固定される。スペー
サ部材３２は、絶縁体であって、上記開口部３５の後部
側形状に一致する形状の切欠き部３２ａが形成される。
その結果、固定電極板３３の一部３３ａ（以下「固定電
極３３ａ」という）は、スペーサ部材３２の切欠き部３
２ａのスペースを通して下方に臨み、可動電極３９に対
向する。固定電極板３３の後端部にはボンディングパッ
ド３３ｂが形成される。

【００１６】可動電極３９のボンディングパッド４０、
固定電極３３のボンディングパッド３３ｂには、前述の
静電容量検出回路１９の入力部に接続された信号線が接
続される。対向する可動電極３９と固定電極３３ａによ
ってコンデンサが形成され、この可動電極３９と固定電
極３３ａの間の静電容量が静電容量検出回路１９によっ
て検出される。可動電極３９の位置変化によって可動電
極３９と固定電極３３ａの距離が変化するので、上記静
電容量は変化する。

【００１７】次に上記構造を有するカンチレバーユニッ
ト１２の動作について説明する。このカンチレバーユニ
ット１２は静電容量型の変位計を構成する。図３に示す
ように、カンチレバー３７は捩じれ変形部３８を中心に
回転する。カンチレバー３８の先端部に設けられたプロ
ーブ１１が、試料１５の表面からの原子間力の作用を受
けてその位置を変化すると、可動電極３９と固定電極３
３ａとの間の距離が変換する。可動電極３９と固定電極
３３ａに基づく静電容量は、両者の距離が変化すると変
化する。このような静電容量の変化は、静電容量検出回
路１９によって検出される。Ｚ方向サーボ制御部１８
は、静電容量検出回路１９で検出される静電容量が所定
の一定値に保持されるように、３次元走査装置１３のＺ
微動機構を制御し、プローブ１１と試料１５の表面との
距離を所定の一定距離に保持するようにサーボ制御を行
う。試料１５の表面をＸＹ走査を行いながら、Ｚ軸方向
について上記サーボ制御を行うことによって試料１５の
表面形状の情報を得ることができる。

【００１８】カンチレバー３７の上記動作において、図
４に示すように、プローブ１１側の先端部が例えばｄ１
の距離だけ上方に移動すると、後端側の可動電極３９に
おける対向領域の中心部は下方に距離ｄ２だけ移動す
る。この場合に、カンチレバー３７における捩じれ変形
部３８の位置は、前述の通りカンチレバー３７の中央部
から先部側に設定されているために、図４に示すように
距離Ｌ１，Ｌ２（Ｌ１＜Ｌ２）すると、距離ｄ２はｄ１
・（Ｌ２／Ｌ１）として拡大した移動距離となり、プロ
ーブ１１の変位が拡大される。従って、距離Ｌ１，Ｌ２
を上記のように選択することにより、プローブ１１の位
置変化による距離は拡大され、可動電極と固定電極の間
に生じる静電容量の変化が大きくなるので、カンチレバ
ー３７の変位の検出が容易になり、かつ検出感度が高く
なる。静電容量の変化を大きくすることができるので、
検出出力を大きくすることができ、安定した検出動作を
行うことができる。なお倍率（Ｌ２／Ｌ１）としては、
例えば２倍程度である。

【００１９】また図１〜図３に示されるように、カンチ
レバーユニット１２においてプローブ１１の上側等の周
辺部にはプローブ１１を視認するのに障害となる部材が
設けられていないため、上側から試料１５とプローブ１
１を同時に観察することができ、互いの位置関係を容易
に把握することができる。

【００２０】上記実施例によれば、カンチレバーユニッ
ト１２を小型化することができる。また、小型化によっ
て、カンチレバーユニット１２に直接に走査動作を行わ
せることができる。

【００２１】なお、捩じれ変形部３８に関してカンチレ
バー３７の形状を非対称な形状とすることによってプロ
ーブ１１を試料１５の方向に振動させ、これにより力の
勾配を検出する形式の力顕微鏡に利用することができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、カンチレバーの中央部よりも前側に設けた捩じれ
変形部でカンチレバーを支持してカンチレバーをシーソ
状に回転させるようにし、カンチレバー前部側のプロー
ブで生じた位置変化を、カンチレバー後部側の電極間の
距離の変化で拡大し、大きな静電容量変化を生じさせる
ようにしたため、安定して変位検出動作を行うことがで
きる。また静電容量を作る電極部分の構造をカンチレバ
ー後部側に設けたため、プローブ周辺部を上側から視認
しやすくなり、力顕微鏡の操作性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る力顕微鏡の全体の装置構成を示す
図である。

【図２】カンチレバーユニットの外観斜視図である。

【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図４】カンチレバーの形態における距離関係を示した
側面図である。

【符号の説明】

１１ プローブ １２ カンチレバーユニット １３ ３次元走査装置 １４ フレーム １５ 試料 ３１ 基板 ３２ スペーサ部材 ３３ 固定電極板 ３３ａ 固定電極 ３４ 上部部材 ３５ 開口部 ３６ 基板本体部 ３７ カンチレバー ３８ 捩じれ変形部 ３９ 可動電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力の作用を受けるプローブを先端部に設
   けたカンチレバーを備え、前記プローブの位置変化に伴
   う前記カンチレバーの変位に基づいて前記力を検出する
   力顕微鏡において、 前記カンチレバーは中間部両側に位置する捩じれ変形部
   を介して本体部に設けられ、前記カンチレバーの後部側
   の一面に第１電極を設け、かつこの第１電極に対向する
   第２電極を固定部側に設け、前記第１電極と前記第２電
   極の間の静電容量の変化に基づいて前記カンチレバーの
   変位を検出することを特徴とする力顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載の力顕微鏡において、前記
   捩じれ変形部は前記カンチレバーの中央部よりも先部側
   に位置することを特徴とする力顕微鏡。