JPH0961441A - スキャニングプローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大型の試料も測定できる良好な走査型プローブ
顕微鏡を実現するためのスキャニングプローブを提供す
る。 【解決手段】チューブスキャナー２は一端が支柱（図示
せず）に固定され、自由端にはハウジング１０１が取り
付けられている。ハウジング１０１には、ニュートラル
時のチューブスキャナー２の中心軸１０３に一致する光
軸１０４を持つ対物レンズ８と、光軸１０４に４５°の
角度で固定された反射ミラー１０２とが設けられてい
る。反射ミラー１０２と光軸１０４の交点は、対物レン
ズ８の後ろ側焦点面の近傍に位置している。対物レンズ
８の前側焦点面には、チップ７を先端に備えたカンチレ
バー６が紙面に垂直な向きでハウジング１０１に固定さ
れている。ハウジング１０１の外側には、対物レンズ８
と相俟って臨界角法合焦検出光学系を構成する部材が、
ベースに対して固定位置に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に用いられるスキャニングプローブ、すなわち、ト
ンネル電子や原子分子等の量子力学的要素と相互作用す
るチップを自由端に備えたカンチレバーと、カンチレバ
ーを走査する手段と、カンチレバーの上下動やねじれを
検出する検出光学系とから構成されるスキャニングプロ
ーブに関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、物
質の超微細構造を観察測定するための装置であり、走査
型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）、ラテラルフォース顕微鏡（ＬＦＭ）などの総称で
ある。

【０００３】ＳＰＭの一例として、図６に示す装置が知
られている。ベース１に固定されたチューブスキャナー
２の自由端にサンプルステージ４が固定されており、こ
のサンプルステージ４の上にサンプル５が載置される。
チューブスキャナー２は、円筒状の圧電体に対して、そ
の内側に一つの共通電極を設け、外側に四つの駆動電極
３を設けて構成されたアクチュエーターで、各駆動電極
に印加する電圧を独立に制御することにより、その自由
端を振り子状に任意の方向に移動させることができる。
これによりサンプル５は、検出光学系１００の光軸に対
してほぼ垂直な平面内でラスタースキャンされる。

【０００４】サンプル５の上方には、これと量子力学的
相互作用をする分子レベルの鋭利な先端を持つチップ７
が配置される。このチップ７はカンチレバー６の先端に
設けられており、片持ち梁状に支持される。また、カン
チレバー６の動きを検出するための臨界角法を用いた検
出光学系１００が設けられている。この検出光学系１０
０は、カンチレバー６の背面に対する合焦状態を調べる
ことにより、カンチレバー６の動きをとらえる。これら
のカンチレバー６と検出光学系１００は、前述の走査機
構とは独立に設けられている。

【０００５】サンプル５がラスタースキャンされる際、
サンプル５の表面の微小な凹凸（ミクロンオーダー〜オ
ングストロームオーダー）に応じて、チップ７の先端と
サンプル５の表面の間に生じる量子力学的相互作用力に
より、カンチレバー６の自由端が微小に変位する。

【０００６】このカンチレバー６の自由端の変位すなわ
ちチップ７の変位を調べることにより、例えば、ＣＤの
ピット形状のようなサブミクロンの表面構造から、グラ
ファイトやマイカの原子配列のようなオングストローム
以下の構造まで、画像化して観察することができる。

【０００７】ここで、検出光学系１００の動作について
説明する。レーザーダイオード（ＬＤ）９から射出され
たレーザー光は、コリメータレンズ１０で平行光束にさ
れ、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１１で反射さ
れ、λ／４板１２で円偏光にされ、対物レンズ８により
カンチレバー６の背面に集光される。カンチレバー６か
らの反射光は、対物レンズ８に入射し、λ／４板１２に
より最初とは直交する直線偏光にされ、今度はＰＢＳ１
１を透過し、ハーフミラー１３で二つに分割され、一方
は臨界角プリズム１４を経て二分割ディテクタ１５に入
射し、他方は臨界角プリズム１６を経て二分割ディテク
タ１７に入射する。

【０００８】ここで、カンチレバー６の位置と二分割デ
ィテクタの出力の関係について、図５を参照して説明す
る。まず、カンチレバー６の自由端は、水平状態を維持
したまま、上下方向に変位するものとして考える。カン
チレバー６が合焦位置にあるとき、二分割ディタクタ１
５に入射するビームは、図５（ａ）に示されるように、
その強度分布は均一で、二分割ディテクタ１５の各受光
部の出力Ａ、Ｂは等しい。一方、カンチレバー６が非合
焦位置にあるとき、臨界角プリズム１４に入射するビー
ムは平行光束ではなく、集束性光束または発散性光束と
なるため、光軸に対して左右いずれかは全反射条件から
はずれ、プリズム内部での反射に際して損失が生じ、図
５（ｂ）または図５（ｃ）に示されるように、その強度
分布は不均一となり、各受光部の出力Ａ、Ｂは等しくな
くなる。従って、Ａ−Ｂを調べることにより、カンチレ
バー６の上下方向の変位が求められる。この説明は二分
割ディテクタ１５に関するものであるが、二分割ディテ
クタ１７についても同様である。

【０００９】これまで、カンチレバー６の自由端は常に
水平であるとしたが、実際には、上下方向の変位に伴な
って、その傾きも変わる。カンチレバー６の自由端が傾
きがあると、カンチレバーの位置が合焦状態であって
も、反射光が光軸からずれるために、二分割ディテクタ
１５に入射するビームは、図５（ｄ）に示されるよう
に、中心位置からずれたものとなる。このため、カンチ
レバー６が合焦位置にあっても、Ａ−Ｂが０にならな
い。

【００１０】この傾きに対するビームの移動による誤差
を補正するために、検出光学系１００は、図６に示され
る位置関係で配置された二つの臨界角プリズム１４と１
６を有しており、カンチレバー６の自由端の変位は、二
分割ディテクタ１５と１７の各受光部の出力をそれぞれ
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとして、（Ａ−Ｂ）＋（Ｃ−Ｄ）で求め
られる。カンチレバー６が傾いた状態で合焦位置にある
ときの、二分割ディテクタ１５と１７に入射するビーム
は、図５（ｄ）と図５（ｅ）に示され、これから分かる
ように、カンチレバー６が傾いていても合焦位置にあれ
ば（Ａ−Ｂ）＋（Ｃ−Ｄ）は０になり、カンチレバー６
の傾きによるビームの移動に起因する誤差は自動的に補
正される。

【００１１】この傾き補正の説明からＬＦＭへの応用が
容易に考えられる。すなわち、カンチレバー６が図の様
に紙面内方向ではなく、紙面に対して垂直方向に延びる
ように配置されれば、ラテラルフォースによるカンチレ
バー６のねじれが、図５（ｄ）と図５（ｅ）のビームシ
フトとなって現れる。そこで（Ａ−Ｂ）＋（Ｃ−Ｄ）が
０になるように、チューブスキャナー２のＺ方向を制御
して常に合焦状態を維持しながら、（Ａ−Ｂ）＋（Ｄ−
Ｃ）を計算してやれば、カンチレバーのねじれ角が測定
できる。Ａ−ＢまたはＤ−Ｃのいずれか一方でもよい
が、両方を積算することで感度が向上する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した装置は、
チューブスキャナーと臨界角法による合焦検出光学系を
組み合わせることにより、カンチレバーの極めて微小な
上下変位とねじれ角を同時に測定でき、ＡＦＭやＬＦＭ
として利用でき、大変有用である。

【００１３】しかし、図６の装置には、以下のような問
題点がある。こうした極微細構造の検討に対するニーズ
は、半導体や液晶パネルの製造分野にまで広がりつつあ
り、必然的に大きなサンプルの観察測定が望まれてい
る。これに対して、図１の装置では、サンプルの走査機
構は極めて小規模であり、８インチウェハーや大型液晶
パネルを搭載する能力がない。

【００１４】チューブスキャナーに代えて、大型の走査
ステージを用いてサンプルを走査しようとすると、ステ
ージ移動の分解能がけた違いに不足する。すなわち、こ
の手の装置の目的は、前述したように、ミクロンオーダ
ーからオングストロームオーダーまでの微細構造の測定
を行なうことにあり、測定のための横分解能も同等のレ
ベルを必要とするので、ウェハーや液晶パネルを搭載し
得るようなステージでは、この精度を実現することは難
しい上に、走査速度も激減する。

【００１５】また、検出光学系１００の方をチューブス
キャナーで支持して、これを走査させようとすると、圧
電素子の力学的能力に対し、検出系１００の荷重が過大
となり、チューブスキャナーの振動特性が劣化し、高速
走査には堪えられない。

【００１６】さらに、カンチレバー６のみを走査させよ
うとすると、走査範囲は最大１００μｍ×１００μｍ程
度が望まれるので、測定ビームがカンチレバー６から外
れてしまったり、カンチレバー６上でのビーム位置の移
動量が大きくなることで、致命的な測定誤差が生じるお
それがある。本発明は、大型の試料にも対応し得る走査
型プローブ顕微鏡を実現するためのスキャニングプロー
ブを提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のスキャニングプ
ローブは、尖鋭なチップを先端に備えるカンチレバー
と、その前側焦点面にカンチレバーが位置するように配
置された対物レンズと、対物レンズの光軸に対して傾け
て配置された平面ミラーであって、対物レンズの光軸と
の交点が対物レンズの後ろ側焦点面近傍に位置する平面
ミラーと、カンチレバーと対物レンズと平面ミラーを収
容し、これらを所定の位置関係に保持するハウジング
と、ハウジングを移動可能に支持するスキャナーと、ハ
ウジングとは独立に設けられた、カンチレバーの変位と
ねじれを光学的に検出する検出光学系とを有している。
検出光学系は平面ミラーに向けて平行光束を射出し、平
行光束は平面ミラーで反射されて対物レンズによりカン
チレバーに集光される。カンチレバーで反射された光は
対物レンズを通って平面ミラーにより検出光学系に向け
て反射され、検出光学系はこの反射光を受け、これに基
づきカンチレバーの変位とねじれを検出する。

【００１８】例えば、検出光学系は、反射光のビームの
位置を検出する手段と、臨界角法により合焦状態を検出
する手段とを有している。あるいは、検出光学系は、反
射光のビームの位置を検出する手段と、共焦点法により
合焦状態を検出する手段とを有している。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。第一の実施の形態につ
いて図１を用いて説明する。図中、従来例と同じ部材
は、同じ参照符号で示してある。

【００２０】サンプル５はＸＹステージ（図示せず）の
上に載置され、ＸＹステージを用いて比較的大型なサン
プル５の中の測定箇所が、チューブスキャナー２の中心
軸１０３の近辺に配置される。

【００２１】チューブスキャナー２は一端が支柱（図示
せず）に固定されており、自由端にはハウジング１０１
が取り付けられている。ハウジング１０１の中には、チ
ューブスキャナー２がニュートラルな状態のときに、中
心軸１０３に一致する光軸１０４を有する対物レンズ８
と、光軸１０４に４５°の角度で固定された反射ミラー
１０２とが設けられている。反射ミラー１０２と光軸１
０４の交点は、対物レンズ８の後ろ側焦点面の近傍に位
置している。

【００２２】対物レンズ８の前側焦点面には、チップ７
を先端に備えたカンチレバー６が、紙面に垂直な方向に
延びる向きで、ハウジング１０１の壁面に固定されてい
る。チューブスキャナー２は、従来例と同様に、外側に
四つの駆動電極（図示せず）を持ち、これに印加する電
圧を制御することにより、自由端を任意の方向に振り子
状に移動できる。これにより、チップ７はサンプル５の
表面をラスター走査される。

【００２３】ハウジング１０１の外側には、従来例と同
じ臨界角法合焦検出光学系１００を構成する対物レンズ
８以外の部材が、ベースに対して固定位置に配置されて
いる。

【００２４】ＬＤ９からの入射光（その主光線を符号１
０５で示してある）は、コリメートレンズ１０で平行光
束にされ、偏光ビームスプリッター１１で反射され、λ
／４板１２を通過し、反射ミラー１０２に入射する。入
射光１０５は、チューブスキャナー２がニュートラルの
位置にある場合、対物レンズ８の光軸１０４と反射ミラ
ー１０２の交点に入射する。しかし、図１に示されるよ
うに、チューブスキャナー２が移動した状態では、入射
光１０５は前述の交点よりわずか下方に入射する。反射
ミラー１０２で反射された入射光１０５が光軸１０４に
対して成す角度は、光軸１０４と中心軸１０３が成す角
度θに等しくθである。従って、入射光１０５は、対物
レンズ８の焦点距離をｆとして、カンチレバー６の背面
に対して、光軸１０４からｆｔａｎθだけ離れた点に集
光する。

【００２５】カンチレバー６で反射された検出光１０６
は、対物レンズ８を通って、反射ミラー１０２に入射す
る。その入射位置は、反射ミラー１０２と光軸１０４の
交点よりもわずか上方に位置する。従って、反射ミラー
１０２で反射された検出光１０６は、入射光１０５に対
して上方にδｙずれ、λ／４板１２に向かう。λ／４板
１２を通過した検出光１０６は、偏光ビームスプリッタ
ー１１を透過し、ハーフミラー１３で二分され、それぞ
れ臨界角プリズム１４と１６を経て、二分割ディテクタ
ー１５と１７に入射する。

【００２６】このスキャニングプローブをラテラルフォ
ース顕微鏡（ＬＦＭ）に用いる場合には、入射光１０５
に対する検出光１０６のずれδｙは、従来例の説明から
容易に理解できるように、カンチレバー６のねじれ角に
対して測定誤差となって重畳される。（なお、このスキ
ャニングプローブをＡＦＭに用いる場合には、単にチッ
プ７の上下動を測定するので、前述したように傾きによ
る誤差は二個の臨界角プリズムによって補正されるので
問題はない）。従って、入射光１０５と検出光１０６の
ずれδｙが、ＬＦＭにとって無視できるほど微小であれ
ば、ＬＦＭの検出信号に対し、何等補正を加えることな
く、全走査領域でカンチレバー６のねじれ角を正確に測
定することができる。

【００２７】この条件を満足させることができるかどう
かを検討するため、図２の光路図を用いて、δｙの計算
式を導いた。チューブスキャナー２の支点から、対物レ
ンズ８の光軸１０４と反射ミラー１０２の交点１０２ｃ
までの長さをｌ、チューブスキャナー２が走査されるこ
とにより、光軸１０４が中心軸１０３に対して成す角を
θ、交点１０２ｃの振れ幅をｗとすると、交点１０２ｃ
の上昇量Δは、次式で与えられる。

【００２８】

【数１】

【００２９】反射ミラー１０２と光軸１０４の交点１０
２ｃから対物レンズ８の後ろ側焦点までの距離をｚ、対
物レンズ８の焦点距離をｆとすると、入射光１０５がカ
ンチレバー６に入射する角度Φは次式となる。

【００３０】

【数２】

【００３１】以後、適当なｘｙ座標軸に対する反射ミラ
ー１０２の式と、対物レンズ８から反射ミラー１０２ま
での検出光１０６の式を導き、その交点座標（ｘ，ｙ）
を求める作業を経て、最終的に、ずれδｙが次式で得ら
れる。

【００３２】

【数３】

【００３３】（３）式に基づくシミュレーション結果を
図３に示す。横軸は走査幅ｗに対する光軸１０４の傾き
θ（ｗ）、縦軸がδｙである。反射ミラー１０２の位置
によるδｙの変化の様子がよく理解できる。

【００３４】数値の一例をあげると、ｌ＝８０ｍｍ、ｆ
＝５ｍｍ、θ＝０．０３５８°、ｗ＝５０μｍ、ｚ＝０
の場合、δｙ＝０．０２８７μｍとなる。ＬＦＭとし
て、カンチレバー６のねじれ角に対するδｙも式（３）
を用いて計算することができる。ただし、ねじれ角をφ
とすると、式（３）のΦの代わりにΦ＋２φを用いなけ
ればならない。

【００３５】φに対するδｙの数値例として、θ＝０、
φ＝２°、その他の条件は上記数値例と同じとすると、
δｙ＝３４９．６３４μｍとなる。従って、Ｓ／Ｎは、
０．８×１０-4となり、補正を必要としないレベルと考
えてよい。

【００３６】カンチレバー６上の集光点と光軸１０４の
ずれ量は前述したようにｆｔａｎθなので、±３．１μ
ｍであり、測定ビームがカンチレバー６から外れたり、
カンチレバー６の上下動の測定に多大の誤差を生じさせ
ることはない。

【００３７】さらに副次的利点として、カンチレバー６
が傾いた状態でデフォーカスした場合、二分割ディテク
ター１５と１７に入射するビームは、図５（ｆ）と図５
（ｇ）に示されるように、強度分布の暗部（点々で示し
た部分）と明部の境界がディテクターの分割線からずれ
てしまうのが一般的である。従って、従来例で説明した
傾き補正は、合焦点を誤ることはないが、非合焦量に対
する信号の直線性が微妙に変化する。しかし、本発明に
おいては、ｚがゼロまたは極微小なので、前述のずれは
ほぼΔと考えてよい。なぜなら、強度分布変化の境界線
は図２の対物レンズ８に垂直に戻る一点鎖線に対応し、
これは必ず光軸１０４とＦＢで交わる。従って、ここに
反射ミラー１０２の光軸１０４の交点１０２ｃがあれ
ば、その入射光１０５とのずれはΔとなる。

【００３８】ちなみに、前述の数値例における条件での
Δは、ｚ＝０ならば１５．６ｎｍでしかない。従って、
二分割ディテクター１５と１７上でのビームは図５
（ｈ）と図５（ｉ）のようになり、傾き補正がほぼ理想
的に効果を発揮する。

【００３９】これまで、カンチレバーの動きを検出する
光学系としては、臨界角法を用いたものを例にあげて説
明してきたが、検出光学系はこれに限るものではない。
次に、検出光学系の別の例について、図４を参照して説
明する。

【００４０】この検出光学系は、ハーフミラー１３まで
は図１の光学系と同じであり、それ以降の部分におい
て、ビームの位置を検出する手段と、共焦点法により合
焦状態を検出する手段とを有している。

【００４１】具体的には、検出光学系は、図４に示すよ
うに、ハーフミラー１３で反射されたビームの位置を調
べるポジションセンサー１８、ハーフミラー１３を透過
したビームを集光するレンズ１９、レンズ１９を通過し
たビームを二つに分けるハーフミラー２０、ハーフミラ
ー２０を透過したビームの集光点よりも後方に配置され
たピンホール２１、ピンホール２１を通過した光の強度
を検出する光検出器２２、ハーフミラー２０で反射され
たビームの集光点よりも前方に配置されたピンホール２
３、ピンホール２３を通過した光の強度を検出する光検
出器２４とを有している。

【００４２】二つのピンホール２１と２３は、ビームの
集光点から等しい距離、前後にずらして配置されてい
る。従って、カンチレバー６が合焦位置にあるときに
は、二つの光検出器２２と２４で検出される光量は等し
く、二つの光検出器２２と２４の出力差は０を示す。

【００４３】カンチレバー６が上下に移動して合焦位置
からはずれると、それに応じてビームの集光点が光軸に
沿って前後に移動するため、二つの光検出器２２と２４
に入射する光の光量が等しくなくなる。従って、二つの
光検出器２２と２４の出力差を調べることにより、カン
チレバー６の上下方向の移動を測定できる。

【００４４】また、カンチレバー６がねじれると、ポジ
ションセンサー１８に入射するビームの位置が移動す
る。従って、ビームの入射位置を調べることにより、カ
ンチレバー６のねじれが求められる。

【００４５】

【発明の効果】本発明のスキャニングプローブによれ
ば、カンチレバーを走査するタイプの走査型プローブ顕
微鏡が構成でき、シリコンウェハーやＬＣＤ基板などの
大型サンプルにも対応できるようになる。

【００４６】検出光学系は、ハウジングとは独立に設け
られているので、スキャナーの負荷が著しく大きくなる
ことはなく、振動特性が著しく損なわれることもない。
平面ミラーは、対物レンズの光軸と交わる位置が、対物
レンズの後ろ側焦点面近傍に配置されているので、スキ
ャナーの走査に伴なって生じる光路のずれが最小に抑え
られ、測定精度が著しく損なわれることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のスキャニングプローブの
構成を示す図である。

【図２】図１のスキャニングプローブにおける光路を示
す図である。

【図３】角θとずれδｙの関係を示すグラフである。

【図４】図１の検出光学系に代わる別の検出光学系の構
成を示す図である。

【図５】図１または図６に示される臨界角法を用いた検
出光学系における二分割ディテクター上のビームのパタ
ーンを示す図である。

【図６】走査型プローブ顕微鏡の従来例を示す図であ
る。

【符号の説明】

２…チューブスキャナー、６…カンチレバー、７…チッ
プ、８…対物レンズ、９…レーザーダイオード、１０…
コリメータレンズ、１１…偏光ビームスプリッター、１
２…λ／４板、１３…ハーフミラー、１４…臨界角プリ
ズム、１５…二分割ディテクタ、１６…臨界角プリズ
ム、１７…二分割ディテクタ、１０１…ハウジング、１
０２…反射ミラー。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】尖鋭なチップを先端に備えるカンチレバー
   と、 その前側焦点面にカンチレバーが位置するように配置さ
   れた対物レンズと、 対物レンズの光軸に対して傾けて配置された平面ミラー
   であって、対物レンズの光軸との交点が対物レンズの後
   ろ側焦点面近傍に位置する平面ミラーと、 カンチレバーと対物レンズと平面ミラーを収容し、これ
   らを所定の位置関係に保持するハウジングと、 ハウジングを移動可能に支持するスキャナーと、 ハウジングとは独立に設けられた、カンチレバーの変位
   とねじれを光学的に検出する検出光学系とを有し、検出
   光学系は平面ミラーに向けて平行光束を射出し、平行光
   束は平面ミラーで反射されて対物レンズによりカンチレ
   バーに集光され、カンチレバーで反射された光は対物レ
   ンズを通って平面ミラーにより検出光学系に向けて反射
   され、検出光学系はこの反射光を受けてこれに基づきカ
   ンチレバーの変位とねじれを検出する、スキャニングプ
   ローブ。
2. 【請求項２】請求項１において、検出光学系は、反射光
   のビームの位置を検出する手段と、臨界角法により合焦
   状態を検出する手段とを有している、スキャニングプロ
   ーブ。
3. 【請求項３】請求項１において、検出光学系は、反射光
   のビームの位置を検出する手段と、共焦点法により合焦
   状態を検出する手段とを有している、スキャニングプロ
   ーブ。