JP2984154B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

原子間力顕微鏡

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JP2984154B2 JP4267059A JP26705992A JP2984154B2 JP 2984154 B2 JP2984154 B2 JP 2984154B2 JP 4267059 A JP4267059 A JP 4267059A JP 26705992 A JP26705992 A JP 26705992A JP 2984154 B2 JP2984154 B2 JP 2984154B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、バネ体で支持した探針
に試料を接近させた時の探針と試料との間に作用する原
子間力によるバネ体の変位を検出し試料の表面観察を行
う原子間力顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】探針をカンチレバーで支持してサンプル
に10Å〜5Å程度まで近づけてゆくと、探針とサンプ
ルとの間に作用する力が引力から斥力(反力)に変わ
る。原子間力顕微鏡は、この変化に基づくカンチレバー
のしなり角の変化を検出して、サンプルの表面を探針で
走査することによりサンプル表面の観察を行うものであ
り、従来は、カンチレバーと変調光テコ方式やカンチレ
バーと光干渉テコ方式、STMによるバネの変位量検出
方式等が提案されている。
【0003】カンチレバーと変調光テコ方式は、レーザ
光をカンチレバーの先端部に照射してその反射光を検出
することによってカンチレバーのしなり角の変化に対応
した光量変化を検出するものであり、カンチレバーと光
干渉テコ方式は、カンチレバーのしなり角の変化に伴う
干渉縞の変化を検出するものである。また、STMによ
るバネの変位量検出方式は、探針にバイアスを印加しカ
ンチレバーに10Å近くまで近づけてゆくと流れるトン
ネル電流を検出してカンチレバーの変位量を検出するも
のである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記レーザ光
を用いる従来の方式は、レーザ光照射装置や光テコ機
構、光検出器を試料台に直結或いは近傍に堅牢に装着さ
れなければならない。通常は数mm程度の大きさの試料
を0.数mmの探針で観察するが、カンチレバーの変位
をレーザで検出するには、Åオーダのストローク変化を
拡大しなければならない。そのため、光学系のため装置
が大きくなり小型化が難しく、電子顕微鏡に組み込まれ
るアタッチメントとして不適当であった。しかも、レー
ザ光照射装置や光テコ機構、光検出器の構成部品は、高
精度が要求されるため、価格も高くなるというのも問題
であった。
【0005】また、STMを用いる方式も、カンチレバ
ーの上にさらにトンネル顕微鏡を装着しなければならな
いため、同様に装置の小型化が難しく、電子顕微鏡に組
み込まれるアタッチメントとして不適当であった。
【0006】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、電子顕微鏡に容易にアタッチメントとして組み込
むことができ、安価で小型化が可能な原子間力顕微鏡を
提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】そのために本発明は、バ
ネ体で支持した探針に試料を接近させた時の探針と試料
との間に作用する原子間力によるバネ体の変位を検出し
試料の表面観察を行う原子間力顕微鏡において、バネ体
に取り付けられる受光部材、該受光部材に量子線を照射
する量子線照射手段、及び受光部材の量子線照射位置の
変化を検出する検出手段を備え、受光部材に量子線を照
射して量子線照射位置の変化をを検出するように構成し
たことを特徴とするものである。
【0008】
【作用】本発明の原子間力顕微鏡では、ピエゾを用いた
駆動部上に試料を取り付け、試料の上方で探針を支持す
るバネ体に小さな受光部材を取り付けるだけでよいの
で、装置の小型化が容易にできる。そして、その受光部
材に量子線を照射して受光部材からの量子線や吸収電流
の変化を検出するので、電子顕微鏡等のアタッチメント
として容易に組み込むことができ、電子顕微鏡の電子照
射機構と反射電子や二次電子、透過電子、回折電子等の
検出器をそのまま利用して変位を検出し原子間力顕微鏡
の試料像を観察することができる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図1は本発明に係る原子間力顕微鏡の1実施例
を示す図、図2はAFM装置の細部構成例及び動作を説
明するための図、図3はAFM装置の1実施例構成を示
す図である。図中、1は電子銃、2は電子線、3は反射
電子・2次電子検出器、4は反射電子・2次電子、5は
上磁極、5′は下磁極、6はAFM(原子間力顕微鏡)
装置、7は試料、8は探針、9は受光器、10は透過電
子検出器、11は鏡筒、12はOリング、13は取り付
けベース、14はピエゾ駆動部、15はカンチレバー、
16は試料ホルダを示す。
【0010】図1に示す実施例は、透過型電子顕微鏡を
基本構成としその鏡筒11内にAFM装置6を導入した
ものであり、電子銃1からの電子線2は、所定の径に絞
られてAFM装置6の受光器9に照射される。AFM装
置6は、鏡筒11の外側からOリング12でシールして
透過型電子顕微鏡等の試料部空間(ポールピースギャッ
プ)に装着したものであり、電子線2の照射によって受
光器9から発生する反射電子・2次電子4が反射電子・
2次電子検出器3で検出され、透過電子が透過電子検出
器10で検出される。
【0011】AFM装置6の試料7、探針8、受光器9
からなる部分の詳細は、例えば図2に示すように取り付
けベース13のピエゾ駆動部14に試料7を固定し、バ
ネ体を構成するカンチレバー15の自由端側に探針8と
受光器9を固定して探針8を試料7と対向させると共に
カンチレバー15の他端を取り付けベース13に固定し
たものである。受光器9は、(ハ)に示すように中心部
より金Auと炭素Cからなる異種材料で2分して中心部
の境界を基準ラインとして構成したものであり、
(ロ)、(ハ)に示すように上方から所定の径に絞られ
た電子線2が照射される。このような受光器9を用いる
と、AuはCに比べ二次電子が出やすいため、(ハ)に
示すように電子線2に対して受光器9が矢印A方向に変
位すると、受光器9に対する電子線2の照射面積は同じ
であっても、Auに対する電子線2の照射面積とCに対
する電子線2の照射面積の割合が変化する。その結果、
Au側から発生する二次電子の量とC側から発生する二
次電子の量とが変化するため、これらの二次電子の量の
変化から受光器9の変位を検出することができる。図2
に示すユニットは、図3(イ)に示すように試料ホルダ
16の先端に取り付けられ、(イ)のA方向からの正面
図(ロ)に示すように上磁極5、下磁極5′との間のポ
ールピースギャップに装着される。
【0012】上記構成により、ピエゾ駆動部14のXY
ピエゾ素子を駆動して試料をXY走査しながら二次電子
を検出することによって受光器9の変位を検出し、その
変位検出信号による試料表面の観察像を出力することが
できる。また、ピエゾ駆動部14のXY方向のピエゾ素
子を駆動して試料をXY走査しながら二次電子を検出
し、この二次電子が一定になるようにピエゾ駆動部14
のZピエゾ素子を駆動することによって、Zピエゾ素子
の駆動信号による試料表面の観察像を出力することがで
きる。
【0013】図4は走査型電子顕微鏡にAFM装置を組
み込んだ本発明に係る原子間力顕微鏡の他の実施例を示
す図、図5はAFM装置の他の実施例構成を示す図であ
る。図において、21は試料室、22は電子銃、23は
電子線、24は磁極、25はAFMユニット、26は試
料キャリア、27は試料ステージ、28は反射電子・2
次電子、29は検出手段、30は表示手段、31は予備
排気室、32は仕切弁、33は試料交換棒、34はユニ
ットホルダを示す。
【0014】図4に示す実施例は、試料ステージ27の
上方に反射電子・二次電子28を検出するための検出手
段28を有する走査型電子顕微鏡に試料キャリア26と
共にAFMユニット25を装着し、電子線23の照射に
よって受光器から検出される反射電子・二次電子28を
検出手段29で検出して表示手段30に表示するように
構成したものである。
【0015】AFMユニット25は、図5に示したよう
に試料の代わりにユニットホルダ34を試料キャリア2
6に装着し、そのユニットホルダ34に取り付けられ
る。このAFMユニット25を試料ステージ27にセッ
トする場合には、試料交換棒33を試料キャリア26に
螺合させて、図4に示すようにまず予備排気室31に導
入する。そして、予備排気室31を排気した後に仕切弁
32を開けて試料室21の試料ステージ27にセット
し、試料交換棒26の螺合を外して予備排気室31まで
試料交換棒26を引き抜いて仕切弁32を閉じる。
【0016】図6は受光器の吸収電流を検出する本発明
に係る原子間力顕微鏡の他の実施例を示す図、図7はA
FMユニットの他の実施例構成を示す図である。図にお
いて、41は試料室、42は電子銃、43は電子線、4
4はレンズ、45はAFMユニット、46は電流取り出
し線、47は電流検出端子、48は電流検出手段、49
は表示手段、51は反射電子・二次電子、52は透過電
子・反射電子(回折)、53は受光器、54はカンチレ
バー、55は探針、56はサンプル、57はピエゾ素
子、58は取り付けベース、59はインシュレータを示
す。
【0017】図6に示す実施例は、電子銃42からの電
子線43をレンズ44で制御してAFMユニット45の
受光器に照射し、その受光器の吸収電流を電流取り出し
線46から電流検出端子47を通して電流検出手段48
で検出し、表示手段49に吸収電流による試料表面の観
察像を表示できるように構成したものである。そのため
に、図7に示すように取り付けベース58は、インシュ
レータ59でカンチレバー54の取り付け側を電気的に
絶縁して浮かし、カンチレバー54に電流取り出し線4
6を接続している。したがって、受光器53が振れて変
位すると、その変位に伴って受光器53のAuとCに対
する電子線の照射量が変化して受光器53のAu側の吸
収電流とC側の吸収電流が変化するので、この変化量か
ら受光器53の変位量を検出することができる。
【0018】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記
の実施例では、受光器をカンチレバーに取り付けてその
受光器に電子線を照射し、二次電子、反射電子、透過電
子、回折電子の検出、吸収電流の検出を行うようにした
が、散乱電子や特性X線等の他の量子線の検出を行うよ
うにしてもよいし、電子線に代えてX線や他の量子線を
照射してもよい。探針と受光器は、カンチレバーに取り
付けるようにしたが、一端を固定したスプリングの他端
に探針及び受光器を取り付けたり、その他のバネ体によ
る取り付け機構を採用してもよいことはいうまでもな
い。
【0019】また、受光部材は、AuとCを組み合わせ
たものを用いたが、量子線の照射領域が変化した場合に
量子線の検出量が異なるものであれば、他の異種材料の
組み合わせたり異種材料の繰り返しパターンにしてもよ
いし、特殊形状にしたり孔を設けたり模様を設けて、受
光部材の変位を検出するように構成してもよい。さらに
この場合、所定の径に絞ったプローブを照射したが、細
いビームにより一定領域の受光材料面を走査して基準ラ
インの変位を検出するように構成してもよいし、受光部
材の変位を電子顕微鏡の走査像や透過像で観るようにし
てもよい。
【0020】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ピエゾを用いた駆動部上に試料を取り付け、
試料の上方で探針を支持するバネ体に小さな受光器を取
り付けるだけでよいので、従来例のような変調光テコ部
が不要となり、装置が小型化でき、電子顕微鏡等にAF
M装置をアタッチメントとして組み込む場合にも、ポー
ルピースギャップの中にも組み込むことができ、コスト
の低減を図ることができる。また、電子顕微鏡等にアタ
ッチメントとして組み込み、受光器に量子線を照射して
受光器からの量子線や吸収電流の変化を検出することが
できるので、電子顕微鏡の電子照射機構と反射電子や二
次電子、透過電子、回折電子等の検出器をそのまま使っ
て変位を検出し原子間力顕微鏡を観察することができ
る。さらには、電子ビームの偏向装置を使用することが
できるので、広領域でカバーでき、電子ビームのコント
ロールにより画質の加工を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る原間力顕微鏡の1実施例を示す
図である。
【図2】 AFM装置の細部構成例及び動作を説明する
ための図である。
【図3】 AFM装置の1実施例構成を示す図である。
【図4】 走査型電子顕微鏡にAFM装置を組み込んだ
本発明に係る原子間力顕微鏡の他の実施例を示す図であ
る。
【図5】 AFM装置の他の実施例構成を示す図であ
る。
【図6】 受光器の吸収電流を検出する本発明に係る原
子間力顕微鏡の他の実施例を示す図である。
【図7】 AFMユニットの他の実施例構成を示す図で
ある。
【符号の説明】
1…電子銃、2…電子線、3…反射電子・2次電子検出
器、4…反射電子・2次電子、5…上磁極、5′…下磁
極、6…AFM(原子間力顕微鏡)装置、7…試料、8
…探針、9…受光器、10…透過電子検出器、11…鏡
筒、12…Oリング、13…取り付けベース、14…ピ
エゾ駆動部、15…カンチレバー、16は試料ホルダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 21/00 - 21/32

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バネ体で支持した探針に試料を接近させ
    た時の探針と試料との間に作用する原子間力によるバネ
    体の変位を検出し試料の表面観察を行う原子間力顕微鏡
    において、バネ体に取り付けられる受光部材、該受光部
    材に量子線を照射する量子線照射手段、及び受光部材の
    量子線照射位置の変化を検出する検出手段を備え、受光
    部材に量子線を照射して量子線照射位置の変化をを検出
    するように構成したことを特徴とする原子間力顕微鏡。
  2. 【請求項2】 量子線照射手段は、量子線として電子線
    を照射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。
  3. 【請求項3】 量子線照射手段は、量子線としてX線を
    照射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。
  4. 【請求項4】 受光部材は、中心部より異種材料で2分
    して構成した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。
  5. 【請求項5】 検出手段は、受光部材からの量子線を検
    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。
  6. 【請求項6】 検出手段は、受光部材における吸収電流
    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。
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