JPH09251026A

JPH09251026A - 走査プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH09251026A
Application number: JP5972996A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; 博山口; Hideki Matsunaga; 秀樹松永; Masahiko Yoshiki; 昌彦吉木; Takeshi Suzuki; 健鈴木; Mitsuhiro Tomita; 充裕富田; Chie Takakuwa; 智恵高桑; Mamoru Takahashi; 護高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 1997-09-22

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】原子間力と摩擦力とを分離して効率よく検出
し、材料表面の形状や組成や構造の相違を解析評価で
き、原子・分子レベルでの加工・記録においても精密な
位置検出ができるようなプローブを有する装置を提供す
る。【解決手段】支持台７と、たわむように前記支持台に
両端を取り付けたレバー３，４と、このレバーの支持台
と反対の面に取り付けられた探針２と、前記探針を挟ん
で前記レバーの表面に形成され、前記レバーのたわみを
検出するための一対の歪ゲージａ，ｂ，ｃ，ｄとを有
し、また、前記歪ゲージをそれぞれレバーの表裏両面に
設け、個々にブリッジ回路を形成し、各ブリッジ回路の
出力電圧から摩擦力の大きさを求める。さらに、探針に
付着したゴミを除去するように、走査プローブ顕微鏡の
前記プローブに１００ＫＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内の
周波数を有する振動電圧を印加する手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面の原子
間力や摩擦力を検出することにより、表面の微細な形態
や構造の評価を行う原子間力顕微鏡や摩擦力顕微鏡など
の走査プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、尖鋭
化した探針を試料のごく近傍に近づけ、試料表面を走査
し、探針と試料との間に流れるトンネル電流や、探針と
試料との間に作用する原子間力、磁気力あるいは摩擦力
を検出することにより、試料表面の原子レベルでの微細
な形態や構造の違い、磁気特性、電子状態などの特性を
測定、解析することができるものであり、表面の計測手
段としては最も分解能が高い装置として、半導体材料や
半導体素子、高密度記録材料、有機単分子膜などの表
面、さらには、バクテリアや遺伝子などの生物・生化学
的なものの観察まで広い技術分野で用いれれている。ま
た、この走査プローブ顕微鏡をベースとして超高密度の
記録方法としての可能性や超高集積度の半導体メモリー
素子における原子・分子操作（アトムマニュピュレーシ
ョン）による素子形成技術などの検討が行われ、原子・
分子加工を行う超微細加工装置あるいは電荷や磁気記録
とその読み出しを行う超微細記録装置の研究も試みられ
ている。このように、走査プローブ顕微鏡に関連する技
術は今後半導体分野をはじめとするナノ領域の加工・検
査・記録技術として極めて有望な技術と考えられてい
る。

【０００３】このような走査プローブ顕微鏡では、加工
・検査・記録のいずれにおいても、プローブの位置検出
精度が顕微鏡が置かれた環境によらず高い信頼性を有し
ていることが必要である。現在用いられている位置検出
法は、カンチレバーに探針をつけたプローブ方式が主で
あり、図９に示すように、金属などの板の先端にレコー
ド針状の微細な探針を取り付け、試料表面を探針で走査
し、試料と探針間に流れるトンネル電流を検出するか、
試料と探針との間に働く原子間力や摩擦力を光検出法や
歪ゲージ検出法で検出することにより、ピエゾ素子にフ
ィードバックをかけ、試料表面の構造や電子状態の二次
元像を得ている。

【０００４】原子間力や摩擦力の測定では、探針の上下
方向の動きを高感度で検出しうる方法として、光てこ方
式や光干渉方式などの光検出法が用いられている。しか
し、これらの方法は、レーザ光をカンチレバーに照射し
て変位をとらえる方式であるため、光学軸の調整が必要
であり、真空装置などの装置内部にプローブを設置する
場合には、軸合わせ操作が困難であった。さらに、製膜
装置やドライエッチング装置などの内部にプローブを設
置する場合にあっては、種々の活性ガスに曝されること
になり、ミラーや検出器の汚染や腐食などが起こるとい
う問題があった。特に、半導体プロセスの場合には、微
細素子の形成、加工は大半が真空中で、かつ種々の活性
ガス中で行われるので、光による検出方式は適切なもの
とはいえなかった。また、振動などの影響により光学軸
のずれなどが生じ、長期間における信頼性にかけるとい
う問題もあった。

【０００５】これに対し、歪ゲージ方式はカンチレバー
に歪ゲージを張り付けて、カンチレバーのたわみを歪ゲ
ージの抵抗変化としてとらえる方法で、光検出法のよう
な光学軸の調整の必要はなく、真空装置内にも容易に組
み込んで測定することができる。さらに、歪ゲージの表
面を保護コーティングするなどの手段により活性ガスな
どの雰囲気中でも測定することが可能となり、光検出方
式の欠点を解消する検出方式として採用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の歪ゲージ方式の
カンチレバーは図１０に示すような構造を有しており、
カンチレバーで試料表面の走査を行い、試料表面と探針
との相互作用によるカンチレバーのたわみを測定するも
のである。従って、このような歪ゲージによる検出法で
は、試料表面の凹凸による上下方向の変位は検出できて
も、摩擦力などによるカンチレバーのねじれに対しては
効率よく検出することができない。つまり、原子・分子
レベルでの解析・加工・記録における位置検出手段とし
ては、試料表面の組成や構造の違いにより発生する摩擦
力によるプローブのずれと試料表面の凹凸によるずれと
を区別することができず、位置決めの精度、信頼性とい
う点で十分なのものではなかった。

【０００７】また、これらの走査プローブ顕微鏡や走査
プローブ顕微鏡をベースとする装置を用いて物質表面の
解析・加工・記録を行う際、探針にゴミなどが付着し、
物質表面の解析・加工・記録を困難にするという問題が
あった。すなわち、走査プローブ顕微鏡の探針は、通常
試料に接触させるか、あるいは試料表面からナノメータ
のオーダの極めて近い距離に間隔を保つように制御され
ながら試料表面の走査を行っている。従って、試料表面
に従来では問題にならなかったような極めて小さなゴミ
であっても、そのゴミが探針に静電気力や物理的または
化学的な力により付着し、探針の動作に影響を与え正確
な位置検出ができないということになる。

【０００８】このように探針にゴミが付着した場合に
は、従来は、その都度探針を交換していたが、探針をい
ちいち交換したのでは、手数がかかるとともに費用もか
かり、測定条件が異なってしまうという問題がある。

【０００９】従って、本発明は従来の歪ゲージ方式によ
る位置検出法の欠点を解消し、走査プローブ顕微鏡によ
る材料表面の計測評価において、原子間力と摩擦力とを
分離して効率よく検出し、材料表面の形状や組成や構造
の相違を解析評価でき、原子・分子レベルでの加工・記
録においても精密な位置検出ができるようなプローブを
有する装置を提供するとともに、測定や加工などの操作
に際して、探針に付着するゴミなどを除去し、操作を円
滑に行うことができるようにする方法をも提供すること
を課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の走査プローブ顕
微鏡は、支持台と、たわむように前記支持台に両端を取
り付けたレバーと、このレバーの支持台と反対の面に取
り付けられた探針と、前記探針を挟んで前記レバーの表
面に形成され、前記レバーのたわみを検出するための一
対の歪ゲージとを有することを特徴とする。さらに、前
記歪ゲージは、それぞれレバーの表裏両面に形成するこ
とで個々にブリッジ回路を形成し、各ブリッジ回路の出
力電圧から摩擦力の大きさを求めることを特徴とする。
すなわち、ブリッジ回路は探針の一方の側のレバーの裏
と表に設置してある歪ゲージでひとつのブリッジ回路を
作り、さらに、別の側のレバーの歪ゲージに対しても同
様にブリッジ回路を作成し、これらのブリッジ回路から
得られる個々の出力電圧の和および差を求めることによ
り原子間力と摩擦力とを分離して効率よく検出すること
を特徴とする。

【００１１】また、本発明は、試料表面を走査し、試料
表面の特性の変化を検出する探針を有するプローブを具
備する走査プローブ顕微鏡において、前記探針に付着し
たゴミを除去するように、前記プローブに１００ＫＨｚ
〜１００ＭＨｚの範囲内の周波数を有する振動電圧を印
加する手段を有することを特徴とした走査プローブ顕微
鏡である。

【００１２】本願発明に用いるプローブは、中央部に探
針を備えた帯状のレバーの両端を支持台に固定し、中央
の探針部分が最下部となり探針と試料表面とが向かい合
うように配置し、この探針を取り付けたレバーの探針部
分が試料表面から受ける力により自由に動くことができ
るようにしたものである。すなわち、上記レバーは、探
針と試料表面との間に働く斥力または引力によって、レ
バー最下部の探針部分が支持台に対して接近離反する方
向に弾性変形が可能となるように、また探針と試料表面
との間に働く摩擦力のような力によりレバー最下部の探
針部分が支持台に対して左右方向にも弾性変形が可能と
なるように設けてある。これによりレバーは試料に対し
て垂直方向のみならず、水平方向にもたわむことにな
り、このたわみによるレバーの微小変形を、左右のレバ
ーに設置した歪ゲージを用いて検出する。すなわち、探
針部分が垂直方向のみ上下している場合には、左右のレ
バーの変形は対称な形となるが、摩擦力のような力が作
用することにより水平方向にもたわみが加わると左右の
レバーは非対称な変形を示し、一方のレバーは伸長する
のに対し、他方のレバーは収縮するようになる。従っ
て、このレバーの微少な変形をレバーに取り付けた歪ゲ
ージの抵抗変化を検知することにより水平方向の力を測
定することができ、たとえば、試料基板に吸着した分子
の部位による吸着力の違いや試料表面の分子構造の違い
などを測定することができる。

【００１３】湾曲形成はレバーに曲率を付与することに
より水平垂直両方にたわみやすくするためのものであ
り、湾曲形成には、探針部分を下方に突出した凸円弧状
または放物線状、または探針部分を下方向に突出した両
側が凹円弧状または放物線状のような形状に成形するこ
とができる。従って、レバーを湾曲させず「Ｖ」字形の
ようなプローブの場合、レバー自体が変形できるような
材質で構成されていればよいが、一般にレバーを湾曲形
成し、曲率を与えた場合に比べて、探針部分の自由度は
減少し、たわみが生じにくいものとなるため、原子間力
のうち斥力の測定に関しては問題はないが、原子間力の
うち引力および摩擦力など水平方向の力の検出能は低下
する傾向がある。従って、探針部分をたわみやすくする
ため、レバーに曲率を与えるように湾曲させることが好
ましい。

【００１４】本発明に用いる歪ゲージはレバーの微少な
たわみ、すなわち微少な変形が検知できるものであれば
よく、このような歪ゲージとしては、例えば、シリコン
などの半導体材料からなる抵抗線などがあげられ、歪ゲ
ージの抵抗値の変化を測定することによりレバーのたわ
みを検知することができる。

【００１５】また、本発明はこれらの歪ゲージを湾曲形
成したレバーの表裏両面に取り付けることにより、レバ
ーの伸びと縮みとを同時に検出することにより検出感度
を上げ、さらに、このレバー表裏両面に設置した歪ゲー
ジにより、左右の各レバーごとにブリッジ回路を形成し
ている。

【００１６】従って、垂直方向の変位により左右のレバ
ーが同じようにたわんだ場合には、左右のブリッジ回路
からの出力電圧は同一の値を示すが、水平方向の力も受
けレバーが左右いずれかの方向に変位した場合には、左
右のレバーのたわみは異なる状態となり、左右のブリッ
ジ回路からの出力電圧も異なる値を示すようになる。従
って、左右のブリッジ回路からの出力電圧の差は水平方
向の変位量を示し、この値を測定することにより摩擦力
など水平方向の力を評価、解析することができる。

【００１７】このような見地から、探針をはさむ左右の
レバーはできるだけ対称な形状に構成し、歪ゲージも対
称の位置に配置することが好ましい。また、本発明のプ
ローブは上記の帯状のレバーをクロスさせ、クロスした
部分に取り付けた探針により生じる各レバーのたわみを
測定することにより、左右方向に作用する力ばかりでな
く、前後方向に作用する水平方向の力をも求めることが
できる。

【００１８】探針の材質は、測定対象や目的によって種
々のものを用いることができるが、例えば、本発明のプ
ローブに磁性体をコートした探針を用いることにより、
試料表面の磁界によるレバーのたわみを測定できるよう
になり、磁気力顕微鏡としての応用や、導電性の探針を
用いることにより導電性試料表面の誘電率や、電荷また
は分極の分布に応じて生じるマクスウェル応力などを検
知するマクスウェル応力顕微鏡など他の型の走査プロー
ブ顕微鏡として使用することができる。

【００１９】また、本願のプローブを用いる走査プロー
ブ顕微鏡では、レバーのたわみを直接歪ゲージで測定す
るものであり、動作方式としてはコンタクトモードをは
じめノンコンタクトモードまたタッピングモードのいず
れの場合であっても適用することができる。

【００２０】なお、以上のようなプローブは、走査プロ
ーブ顕微鏡ばかりでなく、これらの走査プローブ顕微鏡
をベースとした原子・分子加工を行う超微細加工装置や
電荷や磁気記録とその読み出しを行う超微細記録装置に
おいても同様に位置を検出する手段として使用すること
ができ、これらの装置にも適用することができる。

【００２１】一方、本願発明は、走査プローブ顕微鏡を
用いて測定する場合に、探針にゴミが付着し、測定が困
難になるという障害を防止するため、探針からゴミを除
去する方法も提供する。

【００２２】一般に、探針に付着するゴミは１μｍ以下
の極めて微少な大きさのものであり絶縁物が多く、電荷
を帯びることにより試料に、そして試料から探針に付着
する。そこで、探針に電圧を与えれば、電気的な力によ
り微少なゴミは探針から飛散するが、単に電圧を印加し
ただけではゴミは試料または探針に再び付着してしまう
可能性が高い。すなわち、例えば探針に負の電位を与え
ると、負に帯電した絶縁物は探針より脱離するが、試料
は正の電位にあるので脱離したゴミは試料に付着してし
まうことになる。

【００２３】かかる弊害は探針と試料に振動電圧を印加
することによって防止することができる。振動電圧を印
加したとき、探針に付着したゴミは一部交番電場によっ
て振動し、振動が発散するときゴミは探針より外に飛散
する。発散する条件は振動するゴミの質量と加える電気
力の大きさによって異なる。従って、交番電場の周波数
をゴミの質量数と電荷に合わせて変えることによってゴ
ミを探針から除去することができる。

【００２４】通常問題となる大きさのゴミは質量数がナ
ノグラム以下で、電荷は１０^-12クーロン以下のもので
ある。このようなゴミが振動するとき、外場として１０
Ｖの電場にあるものとすると、

【数１】より、ゴミの共振周波数は上記の式から計算できる。

【００２５】最も小さいゴミは１０^-18ｇの大きさで、
電荷は１０^-13クーロンとすると、共振周波数は約１０
０ＭＨｚとなる。また、最も大きなゴミは１０^-12ｇの
大きさで、電荷は１０^-13クーロンとすると、共振周波
数は１００ＫＨｚとなる。従って、１００ＫＨｚ〜１０
０ＭＨｚの周波数の振動電圧を加えれば問題となるゴミ
を除去できることになる。

【００２６】プローブに振動電圧を加えるには、例えば
ＲＦオシレータなどの高周波発生回路を用いて、試料と
探針との間に振動電圧を印加することにより行うことが
できる。

【００２７】電圧印加のタイミングは、Ｘ軸方向の走査
が終了した時点でも、プローブを走査している最中であ
ってもよい。走査している最中の場合、Ｚ軸方向のフィ
ードバック回路を短時間切って、探針の位置をホールド
してトンネル電流や原子間力の測定を一時中止して、そ
の間にすばやく探針と試料との間に高周波電圧を印加す
るようにする。印加する時間はμ秒のオーダでよく、測
定系に影響を与えることなく電圧を印加し、ゴミを除去
することができる。

【００２８】用いる周波数は、前述のように１００ＫＨ
ｚ〜１００ＭＨｚまで全域をスキャンしても、この範囲
の周波数のうち例えば、１００ＫＨｚ、５０ＭＨｚ、１
００ＭＨｚのような特定の周波数を逐次印加するように
周波数に幅をもたせてもよい。また、最も大きなゴミに
合わせた低い周波数を用いても同じ結果を得ることがで
きる。これは、小さなゴミは大きなゴミに比べ大きな速
度が得られるので、低い周波数により大きなゴミが飛散
する際に、小さなゴミは大きなゴミとともに探針−試料
系の外に飛散するようになるからである。

【００２９】以上のような方法により探針からゴミを除
去する方法は、探針を有するすべての走査プローブ顕微
鏡およびこれらをベースとする原子・分子加工を行う超
微細加工装置や電荷や磁気記録とその読み出しを行う超
微細記録装置などにも適用することが可能であり、操作
の障害となる探針に付着したゴミを除去することができ
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の具体的な実施の態
様について、図を用いて説明する。

【００３１】図１のＡはプローブ全体の構造を示してお
り、レバー３、４はバネ鋼などの剛性の高い材料を用
い、図のような形状に加工する。すなわち、レバーの先
端には探針２を固定する台座５を接着し、台座５に探針
２を接着または挟み込みなどの手段により取り付ける。
歪ゲージａ〜ｄは０．８ｍｍ×１ｍｍ、厚さ１０μｍの
シリコン半導体ゲージの抵抗線歪ゲージを用い、インバ
ー合金からなるレバー（厚さ０．１ｍｍ、幅１ｍｍ、長
さ５ｍｍ）３、４にアロイイングにより所定の位置に張
り付ける。また、レバーの両端には支持台７に固定する
ための留め金６を取り付け、留め金はネジ穴を設け、支
持台７に固定できるようにする。図１のＢはレバーの両
端の間隔を狭くしてレバーを湾曲させた状態であり、支
持台７にはこの状態で固定する。このようにして取り付
けられたプローブの状態を図１のＤに示す。なお、図１
のＣはプローブ全体を斜めからみた状態を示している。

【００３２】図２は制御系を含めた走査プローブ顕微鏡
全体の構成を示し、参照符号１０はプローブをＸ、Ｙ、
Ｚ軸方向にそれぞれ駆動するピエゾ素子、参照符号１
１、１２はそれぞれ抵抗線歪ゲージａ、ｂによるブリッ
ジ回路、抵抗線歪ゲージｃ、ｄによるブリッジ回路、参
照符号１３はブリッジ回路１１、１２の出力電圧を検出
するための電圧計測回路、参照符号１４は電圧計測回路
の出力電圧を受けてピエゾ素子のＺ軸方向の動きを制御
するためのサーボ回路である。探針のＸおよびＹ軸方向
への駆動、Ｚ軸方向のサーボおよび電圧の比較と変位量
への変換は制御装置１５によりコントロールされ、試料
表面の二次元での凹凸像および摩擦力の像が表示装置１
６に表示される。

【００３３】なお、半導体ゲージの抵抗値とブリッジ回
路を構成する抵抗値はそれぞれ僅かに違ってくるので、
変位の大きさを測定するには予め凹凸のわかった標準試
料により校正する。また、探針負荷を与えない、すなわ
ち、たわませない状態の出力電圧を測定前にチェック
し、これを０点としコンピュータでサーボ回路を制御し
た。

【００３４】次に、図１のＤように取り付けたプローブ
１を用いて試料表面を走査する場合の各レバーのたわみ
とたわみの検出について図３、図４を用いて説明する。

【００３５】図３のＡにおいて、参照符号２は走査プロ
ーブ顕微鏡の探針、参照符号３および４は同一の材質で
構成された探針を支えるレバーで、探針をはさんで対称
に湾曲させられた構造を有している。レバー３、４には
いずれも表面および裏面の両面に抵抗線歪ゲージａ、
ｂ、ｃおよびｄを取り付ける。参照符号７は探針２とレ
バー３、４を支える支持台であり、ピエゾ素子により
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に駆動されるように構成されている。
参照符号８は測定対象の個体試料である。

【００３６】図４は歪ゲージで構成する抵抗線歪計のブ
リッジ回路１１、１２で、図中、抵抗Ｒ1 〜Ｒ4 は抵抗
線歪ゲージａ、ｂ、ｃおよびｄの抵抗値Ｒa 、Ｒb 、Ｒ
c およびＲd とほほ同じ抵抗値を有するものであり、そ
の抵抗値をＲとすると、Ｒ1＝Ｒ2 ＝Ｒ3 ＝Ｒ4 ＝Ｒa
＝Ｒb ＝Ｒc ＝Ｒd ＝Ｒとなる。レバーが曲げられてい
ない状態（図１のＡ）では、抵抗線歪ゲージａ、ｂ、ｃ
およびｄの抵抗値Ｒa、Ｒb 、Ｒc およびＲd は同じ値
Ｒであるので、ブリッジ回路に電圧Ｅを与えてもＶ1 ＝
Ｖ2 ＝０であって、電圧は発生しない。

【００３７】図３のＡのようにレバーを湾曲させた状態
では、抵抗線歪ゲージａおよびｃは伸び、ｂおよびｄは
縮むことになるが、レバー２、３の曲率が同じであるの
で、抵抗線歪ゲージａおよびｃの抵抗の増加は同じ量と
なり、また抵抗線歪ゲージｂおよびｄの抵抗の減少量も
同じものになる。この抵抗値の変化量をΔＲとすると、

【数２】となり、Ｖ1 およびＶ2 には、

【数３】の出力電圧が発生する。探針になにも力が働かない場合
には、この状態で保持されている。

【００３８】次に、試料表面の凹凸により探針が上下方
向に移動した場合には、レバーは上下方向の変動量に応
じてレバーの湾曲の曲率が変化し、レバーの表裏に張り
付けた抵抗線歪ゲージの伸び、縮み量に変化が現れる。
すなわち、図３のＢのように試料表面の凸部により原子
間力の反発力を受け探針が押し上げられた場合には、レ
バー２、３はさらに曲げられ曲率も増大する。これによ
って、レバーに張り付けられた抵抗線歪ゲージａおよび
ｃはさらに伸ばされ抵抗値は増大し、抵抗線歪ゲージｂ
およびｃはさらに縮み抵抗値は減少する。レバーの変位
量は小さいので、この変化した抵抗値をΔｒとすると、
Ｒa ＝Ｒc ＝Ｒ＋ΔＲ＋ΔｒおよびＲb＝Ｒd ＝Ｒ−Δ
Ｒ−Δｒとなり、ブリッジ回路に電圧Ｅを与えた場合、
Ｖ1 およびＶ2 には同じ出力電圧

【数４】が発生する。従って、式（２）および式（３）との出力
電圧の差は

【数５】となり、これを測定することによって、変位の量を求め
ることができる。

【００３９】一方、図３のＣのように試料表面の凹部に
より原子間の吸引力を受け探針が押し下げられた場合に
は、レバー２、３は引き伸ばされ曲率は減少する。従っ
て、レバーに張り付けられた抵抗線歪ゲージａおよびｃ
は図３のＡの状態よりさらに縮んで抵抗値は減少し、抵
抗線歪ゲージｂおよびｄは図３のＡの状態よりさらに伸
び抵抗値は増加する。レバーの変位量は小さいので、こ
の変化した抵抗値をΔｒ’とすると、Ｒa ＝Ｒc ＝Ｒ＋
ΔＲ−Δｒ’およびＲb ＝Ｒd ＝Ｒ−ΔＲ＋Δｒ’とな
り、ブリッジ回路に電圧Ｅを与えた場合、Ｖ1 およびＶ
2 には同じ出力電圧

【数６】が発生する。従って、式（２）および式（４）との電圧
の差は

【数７】となり、これを測定することによって、逆の変位の量を
求めることができる。

【００４０】次に、探針が試料の組成の変化や試料に付
着した物質により摩擦力を受けた場合を考えると次のよ
うになる。このとき、レバーは図３のＤのように変形
し、レバーの一方は曲げられ、他方のレバーは伸ばされ
るように変形する。すなわち、この場合も変位量は小さ
いので、曲げられたレバーの方に張り付けた抵抗線歪ゲ
ージａおよびｂの抵抗の変化量をΔｒ1 、他方の伸ばさ
れたレバーの抵抗線歪ゲージｃおよびｄの抵抗の変化量
をΔｒ2 とすると、抵抗線歪ゲージの抵抗はそれぞれ、
Ｒa ＝Ｒ＋ΔＲ＋Δｒ1 、Ｒb ＝Ｒ−ΔＲ−Δｒ1 、Ｒ
c ＝Ｒ＋ΔＲ−Δｒ2 およびＲd ＝Ｒ−ΔＲ＋Δｒ2 と
なり、ブリッジ回路に電圧Ｅを与えた場合、Ｖ1 および
Ｖ2 には次に示す出力電圧が発生する。

【００４１】

【数８】

【数９】従って、Ｖ1 およびＶ2 は異なる電圧を示し、この差

【数１０】を測定することにより、摩擦力の大きさを求めることが
できる。

【００４２】従って、摩擦力と原子間力が同時に働いた
場合には、原子間力をＶ1 ＋Ｖ2 で、摩擦力をＶ1 −Ｖ
2 で検出することができ両者の力を分離してそれぞれ求
めることができる。

【００４３】なお、レバーを曲げて曲率を付与する場合
には、図３のＡで示したように外に凸となるように曲げ
ず、図５に示すように内に凸となるように湾曲させても
よい。この場合、レバーに張り付けた各々の抵抗線歪ゲ
ージの伸びおよび縮みの関係が上述の説明とは逆の関係
となり、符号は逆となるが同様に原子間力および摩擦力
をそれぞれ求めることができる。

【００４４】このように、本発明は４個の歪ゲージを探
針の左右両側のレバーの表と裏の両面に取り付けること
により感度が２〜４倍に増加し、また摩擦力と原子間力
とを分離して求めることができるようになる。

【００４５】図６は本装置によって合成ゴムの表面を測
定した結果である。図中Ａは表面の凹凸の状態を示すイ
メージ（トポグラフ）であり、Ｂは摩擦力によって示し
たイメージである。摩擦力のイメージでは合成ゴムが異
なる成分から成り立っていることが明瞭に示されてお
り、摩擦力情報と凹凸情報とは互いに影響されることな
く、それぞれ独立に入手することができることがわか
る。

【００４６】次に、測定中に問題となる探針に付着した
ゴミの除去方法について、走査プローブ顕微鏡のひとつ
である光検出方式を用いた原子間力顕微鏡を例として、
図７により説明する。なお、この例では図２の場合と異
なり試料を載置した試料載置台をピエゾ素子により動か
し走査を行う方式を採用している。

【００４７】図７は本発明の探針からのゴミ除去方法を
実施するための走査プローブ顕微鏡の主要部の構成を示
したものである。装置本体は試料８を載置する試料載置
台１７、試料載置台１７をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に動かすス
テッピングモータと微細な調節を行うためのピエゾ素子
１０、探針２を含むプローブ１、プローブの位置を検出
するための光干渉計１８、探針２と試料８との間に高周
波電圧を印加する回路、例えばＲＦオシレータ１９とを
備えており、プローブの走査、レーザ干渉計による位置
検出およびそのフィードバックは制御装置１５によって
行われている。また、探針と試料との間に印加する高周
波電圧の印加は、測定系の制御とは別に任意の位置およ
び時間に印加できるように制御装置１５により制御され
ている。

【００４８】高周波電圧はＲＦオシレータにより、周波
数を４０μ秒の間に１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚまで４段階
に、すなわち、１、２０、５０および１００ＭＨｚを１
０μ秒ずつ断続的に発生させて、探針−試料間に印加し
た。回路には１Ｍオームの高抵抗を直列に組み込み、探
針と試料との間に電流が流れないようにした。高周波電
圧の印加はＸ軸方向の１スキャンの間に１〜５回挿入し
て行った。

【００４９】図８は、このようにして高周波電圧を印加
した場合と、印加しなかった場合のトポグラフイメージ
を比較したものであり、図中Ａは印加しなかった場合
で、Ｂは印加した場合を示している。高周波電圧を印加
しなかった場合はゴミの付着によりノイズが見られる
が、電圧印加によりノイズのないイメージが得られてい
る。

【００５０】このように探針と試料との間に高周波電圧
を印加するための回路を設け、探針に電圧を印加するこ
とにより探針に付着したゴミを除去することは、上述の
例で示した光干渉計を用いた原子間力顕微鏡ばかりでな
く、本願明細書において説明した歪ゲージに位置検出方
法を用いる他の原子間力顕微鏡をはじめ走査トンネル顕
微鏡などすべての探針を用いる走査プローブ顕微鏡に適
用できる。

【００５１】

【発明の効果】本発明の走査プローブ顕微鏡によれば、
従来困難であった真空中や各種ガス中などの装置内に走
査プローブ顕微鏡を設置して試料表面の凹凸と摩擦力を
容易に分離して測定することができ、半導体基板や有機
薄膜、生体試料などの評価解析および半導体の微細加工
における原子・分子操作、超高密度記録技術における読
み出し・書き込み技術に極めて有効なものとなる。具体
的には、次にような効果が得られる。

【００５２】（１）従来のカンチレバー方式に代え、両
端を固定し、湾曲形成したレバーを用い、各々のレバー
のたわみを測定することにより、試料表面の原子レベル
での凹凸像の観察と共に、摩擦力の相違による組成・構
造の違いを容易に検出することができる。

【００５３】（２）位置検出にレーザを用いず、歪ゲー
ジを用いているので、光学軸の調整などの測定時におけ
る予備操作の必要がなく測定が簡便となる。

【００５４】（３）また、製膜装置やエッチング装置な
どの真空内および活性ガス中など雰囲気でも設置、測定
することができる。

【００５５】さらに、探針からゴミを除去する本発明に
よると、プローブを利用する走査トンネル顕微鏡や原子
間力顕微鏡、また、プローブを用いる超高密度記録装置
や超微細加工装置などで従来困難であった走査中の探針
へのゴミの付着による障害を防止でき、測定中にゴミを
除去することにより、ノイズや画像の歪曲の少ないイメ
ージが得られる。また、従来のように頻繁に探針を交換
する必要がなくなり、交換に要する手間と費用を大幅に
節減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に発明に用いるプローブの構成例を示
す図であり、図中、Ａはプローブ全体の構造を、Ｂはレ
バーの両端の間隔を狭くしてレバーを湾曲させた状態
を、Ｃはプローブ全体を斜めからみた状態を、Ｄは支持
台の取り付けられたプローブの状態を示している。

【図２】制御系を含めた走査プローブ顕微鏡全体の構成
を示す図である。

【図３】プローブ１を用いて試料表面を走査する場合の
各レバーのたわみとたわみの検出について説明する図で
あり、図中、Ａはレバーを曲げてプローブを構成した状
態を、Ｂは試料表面の凸部により原子間力の反発力を受
け探針が押し上げられた状態を、Ｃは試料表面の凹部に
より原子間の吸引力を受け探針が押し下げられた状態
を、Ｄは探針が試料の組成の変化や試料に付着した物質
により摩擦力を受け水平方向にたわんだ状態を示してい
る。

【図４】各レバーのたわみを検出するための歪ゲージで
構成するブリッジ回路を示す図である。

【図５】湾曲形成したレバーの別の例を示す図である。

【図６】合成ゴムの表面を測定した結果を示した図であ
り、図中、Ａは表面の凹凸の状態を示すイメージ（トポ
グラフ）であり、Ｂは摩擦力によって示したイメージで
ある。

【図７】探針に付着したゴミを除去する方法を行うため
の走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。

【図８】高周波電圧の印加によりゴミが除去されたこと
を示すトポグラフイメージであり、図中、Ａは高周波電
圧を印加しなかった場合であり、Ｂは高周波電圧を印加
した場合を示している。

【図９】現在用いられている、カンチレバーに探針をつ
けたプローブを示す図である。

【図１０】従来の歪ゲージ方式のプローブの構造を示す
図である。

【符号の説明】

１プローブ２探針３、４レバー５台座６留め金７支持台８試料１０ピエゾ素子１１歪ゲージａおよびｂによるブリッジ回路１２歪ゲージｃおよびｄによるブリッジ回路１３電圧計測回路１４サーボ回路１５制御装置１６表示装置１７試料載置台１８光干渉計１９ＲＦオシレータａ、ｂ、ｃ、ｄ歪ゲージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木健神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者富田充裕神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者高桑智恵神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者高橋護神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持台と、たわむように前記支持台に両
端を取り付けたレバーと、このレバーの支持台と反対の
面に取り付けられた探針と、前記探針を挟んで前記レバ
ーの表面に形成され、前記レバーのたわみを検出するた
めの一対の歪ゲージとを有することを特徴とする走査プ
ローブ顕微鏡。
【請求項２】前記歪ゲージは、それぞれレバーの表裏
両面に形成することで個々にブリッジ回路を形成し、各
ブリッジ回路の出力電圧から摩擦力の大きさを求めるこ
とを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】試料表面を走査し、試料表面の特性の変
化を検出する探針を有するプローブを具備する走査プロ
ーブ顕微鏡において、前記探針に付着したゴミを除去す
るように、前記プローブに１００ＫＨｚ〜１００ＭＨｚ
の範囲内の周波数を有する振動電圧を印加する手段を有
することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。