JPH09503305A - 検出プローブを備えた走査プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 物体（参照符号６）の表面構造を原子分解能まで検出する検出プローブ（３）を有する走査プローブ顕微鏡に対して、干渉計測によるデータ検出が提案されている。検出プローブはプローブホルダー（２）に固定され、物体の表面（７）に対して相対運動する。検出プローブから表面構造を特徴付ける構造信号が記録・表示装置（２０）に伝送される。その場合、プローブホルダーと物体の間の相対運動を再現する擾乱信号が干渉計測式に測定される。この擾乱信号は表示装置が構造信号のみを再現するように構造信号に導入される。擾乱信号を求めるため、構造信号に無関係な干渉計（12）が使用される。検出プローブとしての湾曲バネ（１）を備えた走査力顕微鏡では、二つのレーザービーム干渉計（１０，１２）が使用される。これ等の干渉計の一方（１０）は湾曲バネ（１）の傾きを、また他方（１２）は擾乱信号を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】 走査プローブ顕微鏡学のための処理方法 および検出プローブを備えた走査プローブ顕微鏡 この発明は、物体の表面構造を原子の分解能まで検出できるプローブを用いる 走査プローブ顕微鏡学のための処理方法に関する。このプローブはプローブ保持 部に固定され、検出すべき表面に対して相対的に移動する。その場合、表面構造 を特徴付ける構造信号が発生し、この信号は信号再現のため記録装置や表示装置 に伝送される。この発明は、検出プローブを備えた走査プローブ顕微鏡にも関す る。 走査プローブ顕微鏡学、特に走査トンネル顕微鏡学あるいは走査力顕微鏡学の ための処理方法は周知である。走査トンネル顕微鏡学では、原子的な表面構造を 認識するためトンネル効果を利用する。走査力顕微鏡学では、表面を検出するた めファンデヤワールス力あるいは磁力あるいは静電力の局部変化を利用する。両 方の場合、検出にはプローブチップ（走査針）を使用し、解析すべき物体表面を 検査（走査）する場合にチップの動きを測定する。 走査トンネル顕微鏡ではプローブチップと物体表面との間でトンネル電流を一 定に維持してプローブの動きが得られ、走査力顕微鏡ではプローブチップへ所定 のファンデヤワールス力あるいは磁力あるいは静電力を作用させることによりプ ローブの動きが生じる。 プローブチップの動きを調べるには、非常に敏感な検出器として、干渉レーザ ー光により0.01nm以下の間隔変化を測定できるガラス繊維干渉計（ファブリーペ ロー干渉計）が知られている。この場合、レーザービームの光導波路にガラス繊 維が使用されている。これ等のガラス繊維は、レーザー光をカプラーを介して物 体表面を走査するプローブチップに導くように、双方向性の単一モードガラスカ プラーに接続されている。この場合、光ビームはガラス繊維の端部でガラス繊維 と空気の境界部で反射する光成分と、ガラス繊維から出て、プローブ表面に向か い、そこで反射する光成分とに分離する。ガラス繊維の端部とプローブは、プロ ーブ表面で反射する光ビーム成分が再びガラス繊維に進入し、このガラス繊維 中でガラス繊維の端部で反射した光ビーム成分と干渉するように互いに配置され ている。この方法で発生した干渉信号はガラス繊維の端部と反射するプローブ表 面との間の所定の間隔の目安として利用される。 間隔変化やプローブチップの動きの干渉測定は高い分解能を示す。しかし、分 解能の良さは、プローブ保持部の機械的な振動や検査する物体に対する機械的な 振動に起因する擾乱振動が小さいため、あるいは温度ドリフトが異なるため著し く影響を受ける。このような擾乱の影響は今まで経費のかかる除振装置や走査プ ローブ顕微鏡のコンパクトな構造により抑制されていた。しかし、特に衝撃的に 発生する空気振動、例えば衝撃音による擾乱はこの方法では未だ十分抑制するこ とができない。 この発明の課題は、プローブと検査すべき物体表面との間で避けがたい擾乱振 動や温度ドリフトをなくする走査プローブ顕微鏡学のための測定方法を提供する ことにある。 上記の課題は、冒頭に述べた走査プローブ顕微鏡学のための処理方法の場合、 請求の範囲第１項に提示する構成により解決されている。この構成により、プロ ーブから出力される測定信号には、表面構造を特徴付ける構造信号のみが表示部 に達するように、プローブ保持部と検査すべき物体との間の相対運動を記録する 擾乱信号が接続されている。この方法は、特に走査プローブ顕微鏡のプローブと 検査すべき物体が互いに無関係に支承されるところに有利に採用される。その場 合、プローブと物体が擾乱振動あるいは温度ドリフトで相対的に互いに動く。擾 乱信号として測定すべき表面構造を分解しない信号を使用し、構造信号に無関係 な測定量として使用すると効果的である、請求の範囲第２項。この種の擾乱信号 は、構造信号が測定すべき物体の表面状況を特徴付ける測定量として顕著になる ように、プローブから出力された信号に簡単に重畳させることができる。 請求の範囲第３項によれば、プローブと検査すべき物体の間の相対運動をレー ザービームの干渉強度変化により求めると好ましい。物体の表面構造が既に干渉 測定されているなら、プローブと物体の間の相対運動を干渉測定することはそれ とば別に行うことができる、請求の範囲第４項。両方の光信号を電子信号に変換 でき、構造信号を処理して表示する記録装置に導入することができる。しかし、 光信号に対して干渉処理もできるので、構造信号のみを電子的に変換することが できる。 以下では、この発明による方法を実施するのに適している、請求の範囲第５〜 ７項の内容でもある走査プローブ顕微鏡に基づき、この発明およびこの発明の他 の構成をより詳しく説明する。図面は走査プローブ顕微鏡の実施例を模式図にし て示す。ここで、 第１図に、干渉測定式の走査プローブ顕微鏡、 第２図に、第１図の走査プローブ顕微鏡の干渉計、 第３図に、光導波路（ガラス繊維）と検査すべき物体の表面との間の間隔に依 存する光強度の変化、 が示してある。 第１図は走査プローブ顕微鏡として模式的に湾曲バネ１を有する走査力顕微鏡 を示し、このバネはその端部で試料ホルダー２に固定連結し、接続されている。 そして、接続されていない他端で図に模式的に示す検出プローブ３としてのプロ ーブチップを担持している。この試料ホルダー２は測定ヘッド４に固定され、こ のヘッドは顕微鏡ブリッジ５により検出すべき物体６に対して相対的に移動する 。この場合、検出プローブ３は、湾曲バネ１が物体の表面７で検出プローブ３に 作用する力（ファンデルワールス力、磁力あるいは静電力）に応じて傾くように 、この物体の表面７上を物体６に接触することなく移動する。 この実施例では、湾曲バネ１の傾きと顕微鏡ブリッジ５の位置は物体６に対し て干渉測定される。このため、ガラス繊維８が測定ヘッド４を貫通し、測定ヘッ ド４と同じように顕微鏡ブリッジ５に位置固定された測定ヘッド４ａをレーザー 光ビーム用の光導体としてのガラス繊維９が貫通している。 この実施例では、ガラス繊維８を通過するレーザー光は検出プローブ３が物体 表面７上を移動（走査）する間に所定の湾曲バネの傾きを決めるために使用さえ っる。それ故、ガラス繊維８はガラス繊維８から出るレーザー光ビーム成分が鏡 面仕上げされた表面領域で湾曲バネの裏側に入射して、反射し、ガラス繊維８に 再び入射するように、湾曲バネ１から一定の距離に離してある。入射した光ビー ム成分はガラス繊維８内で、ガラス繊維端部と空気の境界層のガラス繊維８の端 部で反射されるレーザー光ビーム成分と干渉する。両方の光ビーム成分の干渉で 生じる干渉値はガラス繊維の端部と湾曲バネの表面との間の間隔の目安であり、 干渉の変化は湾曲バネ１の傾きの変化に相当する。この実施例では、ガラス繊維 ８は、干渉値を測定する干渉計１０に接続している。 この実施例で測定ヘッド４aを貫通するガラス繊維９を経由して、顕微鏡ブリ ッジ５あるいは測定ヘッド４aと物体の表面７との間の位置を測定するためにレ ーザー光が導入される。このため、ガラス繊維９はガラス繊維の端部から出たレ ーザー光ビーム成分が物体の表面７で反射し、ガラス繊維９に戻されるように、 物体の表面７の上に所定の間隔で終わる。ガラス繊維９に入射する光ビーム成分 がここでガラス繊維９のガラス繊維の端部と空気の境界で反射する光ビーム成分 と干渉する。この場合、生じた干渉値は顕微鏡ブリッジ５に固定された測定ヘッ ド４aの位置と物体の表面７に対する間隔１１を表す。ガラス繊維９は、この実 施例の場合、第二の干渉計１２に接続し、この干渉計で発生した干渉が間隔値と して測定される。 検出プローブ３の走査運動で測定ヘッド４と物体の表面７の間の間隔１１が一 定に維持されていると、干渉計１２で測定された干渉値も変化しない。この場合 、干渉計１０で測定された干渉値は、物体の表面７で検出プローブ３に作用する 力のため、湾曲バネ１の傾きに正確に一致する。干渉の各変化は物体の表面の形 態的な変化、あるいは磁気あるいは静電的な領域の変化を再現する。 走査運動で、測定ヘッド４と４aを有する顕微鏡ブリッジ５と物体の表面７と の間の相対運動による乱れが生じると、干渉計１２により干渉の変化が確認され る。この変化は干渉計１０により同時に測定される干渉値に導入され、湾曲バネ の運動と試料表面の状況とに対応する測定値のみが新たに表示部に達する。測定 ヘッド４aと物体の表面７との間の間隔の増大が干渉計１２により確認されると 、干渉計１０で測定された物体の表面の検出の値が間隔増大の値ほど小さくなり 、干渉計１２により測定ヘッド４aと物体の表面７との間の間隔減少が確認され ると、干渉計１０により測定された物体の表面を検出する値が増大する。 第２図には、干渉計１０，１２の一方、この実施例の場合、干渉計１０が模式 的に示してある。この干渉計の構造はファブリーペロー式干渉計に相当し、この 干渉計で0.01nm以下の間隔変化を測定できる。 レーザーダイオード１３中で発生したレーザー光ビームを分岐させるため、こ の干渉計１０では、双方向2×1単一モード繊維カプラー１４が使用される。この カプラーによりレーザーダイオード１３中で発生したレーザー光がガラス繊維１ ５を経由して湾曲バネ１の鏡面仕上げされた裏側に導入される。このレーザー光 はここで反射され、ガラス繊維８に再入射した後、ガラス繊維の端部のガラス繊 維端部と空気の境界部で反射したレーザー光ビーム成分と干渉する。ガラス繊維 ８に戻った干渉ビームは単一モード繊維カプラー１４により取り出され、ガラス 繊維１６を介してＰＩＮダイオード１７に導入される。 ＰＩＮダイオード１７では、レーザー光ビーム信号が電気信号に変換され、電 子スイッチング素子１８（割算器と演算増幅器を有する）中で規格化され増幅さ れる。干渉計１０によりこのように得られた電気信号は、ガラス繊維８の端部と 湾曲バネ１の鏡面仕上げされた裏面との間の間隔の目安となる。 湾曲バネ１がガラス繊維８の端部に対して相対的に移動すると、光強度は周期 λ/2で振動するので、干渉の変化２１が直線信号領域２２内で最も敏感に検出さ れる、第３図参照。それ故、干渉計１０に付属する制御器１９（ＰＩＤ制御器） は、干渉の変化が直線信号範囲２２内で測定できるように、湾曲バネ１の検出プ ローブ３と検出すべき物体の表面７との間の平均間隔を調整する。 測定ヘッド４aと物体の表面７との間の間隔を測定するために使用される干渉 計１２は、第２図に示す干渉計１０と同じように形成されている。今度はガラス 繊維８の代わりに、ガラス繊維９が干渉計に接続している。 干渉計１２から出力する干渉信号は、物体の表面７に同等な信号のみが第１図 に模式的に示す表示装置２０に表示されるように、干渉計１０の干渉信号に導入 される（加算あるいは減算される）。 こうして、走査プローブ顕微鏡の特別な防振や温度補償を省くことができる。 この発明による顕微鏡法により、より広い面積の試料を調べるために大きな構造 の顕微鏡も使用できる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１２月１９日 【補正内容】 明細書 検出プローブを備えた走査プローブ顕微鏡 この発明は、物体の表面構造を原子の分解能まで検出できるプローブを備えた 走査プローブ顕微鏡に関する。このプローブはプローブ保持部に固定され、検出 すべき表面に対して相対的に移動する。その場合、表面構造を特徴付ける構造信 号が発生し、この信号が信号を再現するため記録・表示装置に伝送される。 走査プローブ顕微鏡、特に走査トンネル顕微鏡あるいは走査力顕微鏡は周知で ある。走査トンネル顕微鏡では、原子的な表面構造を認識するためトンネル効果 を利用し、走査力顕微鏡では、表面を検出するためファンデヤワールス力あるい は磁力あるいは静電力の局部変化を求める。両方の場合、検出にはプローブチッ プ（走査針）を使用し、解析すべき物体表面を検査（走査）する場合にチップの 動きを測定する。 走査トンネル顕微鏡ではプローブチップと物体表面との間でトンネル電流を一 定に維持してプローブの動きが得られ、走査力顕微鏡ではプローブチップへ所定 のファンデヤワールス力あるいは磁力あるいは静電力を作用させることによりプ ローブの動きが生じる。 プローブチップの動きを調べるには、非常に敏感な検出器として、干渉レーザ ー光により0.01nm以下の間隔変化を測定できるガラス繊維干渉計（ファブリーペ ロー干渉計）が知られている。この場合、レーザービームの光導波路にガラス繊 維が使用されている。これ等のガラス繊維は、レーザー光をカプラーを介して物 体表面を走査するプローブチップに導くように、双方向性の単一モードガラスカ プラーに接続されている。この場合、光ビームはガラス繊維の端部でガラス繊維 と空気の境界部で反射する光成分と、ガラス繊維から出て、プローブ表面に向か い、そこで反射する光成分とに分離する。ガラス繊維の端部とプローブは、プロ ーブ表面で反射する光ビーム成分が再びガラス繊維に進入し、このガラス繊維中 でガラス繊維の端部で反射した光ビーム成分と干渉するように互いに配置されて いる。この方法で発生した干渉信号はガラス繊維の端部と反射するプローブ表面 との間の所定の間隔の目安として利用される。 間隔変化やプローブチップの動きの干渉測定は高い分解能を示す。しかし、分 解能の良さは、プローブ保持部の機械的な振動や検査する物体に対する機械的な 振動に起因する擾乱振動が小さいため、あるいは温度ドリフトが異なるため、著 しく影響を受ける。このような擾乱の影響は今まで経費のかかる除振装置や走査 プローブ顕微鏡のコンパクトな構造により抑制されていた。しかし、特に衝撃的 に発生する空気振動、例えば衝撃音による擾乱はこの方法では未だ十分抑制する ことかできない。 このような擾乱を除去するため、“IBM Technical Disclosure Bulletin”，V ol.35，No．3，1992により、二ビーム干渉計を使用することが知られている。そ して、欧州特許第 A 0 361 932号明細書により、試料とホルダーの間の間隔を補 償する可能性を持って二つの走査電極を使用することが知られている。しかし、 このような構成は記録装置に導入する測定量を評価する時に大変な経費を必要と する。 この発明の課題は、プローブと検査すべき物体表面との間の避けがたい擾乱振 動や温度ドリフトを簡単に除去する走査プローブ顕微鏡を提供することにある。 上記の課題は、冒頭に述べた走査プローブ顕微鏡の場合、請求の範囲第１項に 提示する処置により解決されている。この構成により、プローブから出力された 測定信号に、プローブ保持部と検査すべき物体との間の相対運動を記録する擾乱 信号が導入される。この場合、擾乱信号を求めるため、測定量が構造信号に無関 係となる干渉計が使用される。表示部には、表面構造を特徴付ける構造信号のみ が到達する。この構成は、走査プローブ顕微鏡のプローブと検査すべき物体が互 いに無関係に支承されているところ、プローブと物体が擾乱振動あるいは温度ド リフトのある場合、必ず相対運動するところで特に有利である。擾乱信号として 測定すべき表面構造を分解しない信号を使用すると効果的である。この種の擾乱 信号は、構造信号が測定すべき物体の表面状況を特徴付ける測定量として明確に なるように、プローブから出力された構造信号と簡単に重ねることができる。 プローブと検査すべき物体の間の相対運動をレーザービームの干渉による強度 変化で測定すると効果的である。物体の表面構造が既に干渉により測定されてい るのであれば、プローブと物体の間の相対運動を干渉で求めることを表面構造と 別に行うと効果的である。構造信号を求めるため検出プローブを担持する湾曲バ ネを備えた走査力顕微鏡の場合、二つのレーザービーム干渉計を使用し、一方が 湾曲ビームの傾きを測定するために、また他方が擾乱信号を測定するために使用 されると有利である、請求の範囲第２項。両方の光信号を電子信号に変換するこ とができ、構造信号を処理して表示する記録装置に導入できる。しかし、光信号 に対して干渉による導入も可能であるので、構造信号のみを電子式に変換するこ とができる。 以下では、この発明およびこの発明の他の構成を実施例に基づきより詳しく説 明する。図面は走査プローブ顕微鏡の実施例を模式図にして示す。ここで、 第１図に、干渉測定式の走査プローブ顕微鏡、 第２図に、第１図の走査プローブ顕微鏡の干渉計、 第３図に、光導波路（ガラス繊維）と検査すべき物体の表面との間の間隔に依 存する光強度の変化、 が示してある。 第１図は走査プローブ顕微鏡として模式的に湾曲バネ１を有する走査力顕微鏡 を示し、このバネはその端部で試料ホルダー２に固定連結し、接続されている。 請求の範囲 １．物体の表面に対して相対運動するように、プローブ保持部（２）に固定され 、記録・表示装置に伝送する、表面構造を特徴付ける構造信号を発生する、物体 の表面構造を原子の分解能まで検出する検出プローブ（３）を備えた走査プロー ブ顕微鏡において、プローブ保持部と物体の間の相対運動を再現する擾乱信号を 干渉計で測定し、表示装置が構造信号のみを再現するように、この擾乱信号を構 造信号に導入し、擾乱信号を求めるため、その測定量が構造信号と無関係な干渉 計（１２）を使用することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 ２．構造信号を求めるため、検出プローブ（３）を担持する湾曲バネ（１）を有 する走査力顕微鏡では、一方が湾曲バネ（１）の傾きを測定するため、また他方 が擾乱信号を測定するために使用される二つのレーザービーム干渉計）１０，１ ２）が使用されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の走査プローブ顕微 鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プローブがプローブ保持部に固定され、物体の表面に対して相対運動し、表 面構造を特徴付ける構造信号を記録・表示装置に伝送し、物体の表面構造を原子 の分解能で検出するプローブを伴う走査プローブ顕微鏡学（走査トンネル顕微鏡 学、走査力顕微鏡学）を行う方法において、プローブから出力される測定信号に 、構造信号のみが表示部に達すように、プローブホルダーと物体の間の動きを記 録する擾乱信号が導入されることを特徴とする方法。 ２．擾乱信号として、表面構造を分解しない、構造信号とは無関係な測定量が使 用されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．擾乱信号として、レーザービームの干渉計測による強度変化が測定されてい ることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の方法。 ４．干渉式に構造信号を求めるブローブとしての湾曲バネを有する走査力顕微鏡 の場合、一方で湾曲バネの傾きを、他方で擾乱信号としてプローブ保持部あるい は湾曲バネ保持部と物体の間の相対運動を測定することを特徴とする請求の範囲 第１〜３項の何れか１項に記載の方法。 ５．プローブがプローブ保持部に固定され、物体の表面に対して相対運動し、表 面構造を特徴付ける構造信号を記録・表示装置に伝送し、物体の表面構造を原子 の分解能で検出するプローブを伴う走査プローブ顕微鏡において、プローブ（３ ）から出力される測定信号に、構造信号のみが表示部（２０）に達すように、プ ローブホルダー（２）と物体（６）の間の相対運動を記録する測定装置（１２） から出力された擾乱信号が導入されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 ６．擾乱信号を記録する測定装置として干渉計（１２）が使用されることを特徴 とする請求の範囲第５項に記載の走査プローブ顕微鏡。 ７．検出プローブ（３）を担持する湾曲バネ（１）を有する走査力顕微鏡の場合 、構造信号を測定するためレーザービーム干渉計（１０，１２）が使用され、こ れ等の干渉計は一方で湾曲バネ（１）の傾きが、また他方で擾乱信号として湾曲 バネ（１）を保持する測定ヘッド（４）と物体（６）の間に相対運動を干渉式に 測定することを特徴とする請求の範囲第５項または第６項に記載の走査プ ローブ顕微鏡。