JPH06137846A - 原子間力顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ノイズレベルが低くて検出感度が高く、分解
能が良好な原子間力顕微鏡装置を得る。 【構成】 カンチレバー３に、レーザ光発振源７から発
振されて入射するレーザ光のスポット径よりも大きな反
射鏡３ｂを設ける。するとレーザ光は反射部３ｂで大部
分が反射されるとともに、試料表面の凹凸に応じてカン
チレバー３がたわんで反射部３ｂにおけるレーザ光の反
射位置と反射角が変化してレーザ光の光路が変化し、フ
ォトセンサ８で検知される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、原子間力を利用して
試料表面の凹凸を拡大認識する原子間力顕微鏡装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１４は例えばＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ５５（１９８９），のｐａｇ
ｅ ２４９１，にＦｉｇ．１として示された従来の原子
間力顕微鏡装置を示す主要部構成図である。図において
１は試料２を固定する試料台、３は上記試料２と原子間
力を介して接触する探針４が先端部分に設けられ、先端
部分が上下動可能に支持板５に両端部分が固定された底
辺約１００μｍ、高さ約２００μｍのＶ字形のカンチレ
バー、６はレーザ光発振源７から発振されたレーザ光を
カンチレバー３の先端部分における反射部に導く光学系
で、例えば凸レンズである。８は上記カンチレバー３の
反射部にて反射されたレーザ光を受けるフォトセンサ、
９は上記カンチレバー３とフォトセンサ８の間に有り、
上記カンチレバー３の反射部にて反射されレーザ光の光
路を上記フォトセンサ８へ変更する反射鏡、１０は上記
フォトセンサ８からの信号を受けてＺ駆動系１１により
試料台１を上下動する制御回路、１２は試料２の各点の
凹凸を順次検知するために試料台１をＸＹ方向に動かす
ＸＹ駆動系である。

【０００３】次にこの様に構成された原子間力顕微鏡装
置の動作について図１４と図１５を参照しながら説明す
る。まず、レーザ光発振源７から発振され光学系６を通
ってカンチレバー３の反射部に入射するレーザ光は、試
料台１上に固定された試料２に原子間力を介して接触す
る探針４を有するカンチレバー３の反射部にて反射鏡９
の方向へ反射する。そこで試料２表面に凹凸があるとそ
の凹凸に応じて試料２と探針４間に働く原子間力が変化
して、カンチレバー３が支持板５との接合部を支点とし
てこの原理でたわむ。例えば、試料２表面に凹部がある
と、図１５の実線で示す位置から点線で示す位置に変化
する。すると、カンチレバー３の反射部におけるレーザ
光の反射位置と反射角が変化することにより、レーザ光
の光路１６ａから１６ｂへが変化する。

【０００４】このレーザ光は反射鏡９で光路変更してフ
ォトセンサ８で検知される。フォトセンサ８においては
図１６に示す様にａからａ１へ、あるいはａからａ２へ
のレーザ光の焦点位置の変化が認識されるものである。
このフォトセンサ８からの焦点の移動量の信号を受けた
制御回路１０によりＺ駆動系１１が働いて試料台１を上
下し、フォトセンサ８上におけるレーザ光の焦点位置を
ａ１またはａ２からａまで復帰する。すると、カンチレ
バー３のたわみが回復して試料２と探針４間の原子間力
が一定に保たれる。従って、ＸＹ駆動系１２により探針
４に対して試料２を水平にラスタスキャン方式で移動す
れば、この試料台１の位置座標を知ることによって、試
料の所望の領域の凹凸を拡大認識することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の原子間力顕微鏡
装置は以上の様に構成されているので、検出感度が低く
て分解能が悪くなる問題点があった。その要因として次
のようなものが考えられる。 図１７に示す様に、カンチレバー３の反射部に入射し
たレーザ光の約５０μｍのスポット径がカンチレバーの
先端部に設けられた反射部よりも大きいことから、レー
ザ光が試料上にもれて試料からの反射光も反射鏡９を介
してフォトセンサ８に入力される。 カンチレバーのてこ作用が不十分なので、試料２の凹
凸に応じたレーザ光の光路偏倚量が不十分である。 光学系６によってレーザ光の光束を絞りきれてないの
で、フォトセンサに達するまでにレーザ光の光束が広が
る。

【０００６】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、検出感度が高くて分解能が良好
な原子間力顕微鏡装置を得ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明に
係る原子間力顕微鏡装置は、カンチレバーに入射するレ
ーザ光のスポット径よりも大きな反射部を、カンチレバ
ーに設けたものである。

【０００８】この発明の第２の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、カンチレバーに入射するレーザ光を反射する
凸面鏡をカンチレバーに設けたものである。

【０００９】この発明の第３の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、カンチレバーとフォトセンサの間に、レーザ
光の光路を変更する凸面鏡を設けたものである。

【００１０】この発明の第４の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、レーザ光を試料外で受ける反射部をカンチレ
バーに設けたものである。

【００１１】この発明の第５の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、カンチレバーとフォトセンサの間にレーザ光
を収束するための光学系を設けたものである。

【００１２】

【作用】この発明の第１の発明においては、カンチレバ
ーに設けられた反射部が、試料上へのレーザ光のもれを
防止してセンサへ反射せしめる。

【００１３】この発明の第２の発明においては、カンチ
レバーに設けた凸面鏡が、試料の凹凸によるレーザ光の
光路偏倚量を拡大してセンサへ反射せしめる。

【００１４】この発明の第３の発明においては、カンチ
レバーとセンサの間に設けた凸面鏡が、試料の凹凸によ
るレーザ光の光路偏倚量を拡大してセンサへ入射せしめ
る。

【００１５】この発明の第４の発明においては、カンチ
レバーに設けられたレーザ光を試料外で反射する反射部
が試料からのレーザ光の反射をとを含まずにセンサへ反
射せしめる。

【００１６】この発明の第５の発明においては、カンチ
レバーとセンサ間に設けられた光学系が、カンチレバー
にて反射されたレーザ光の光束を収束してセンサに反射
せしめる。

【００１７】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例１を図１について説
明する。図１において、図１４に示した従来例と同一の
符号は、同一又は相当部分を示すものであり、３ａは探
針４の上下動に追随して支持板５に固定された両端部を
支点として先端部が上下に動くＶ字形状のカンチレバー
３の本体、３ｂ光学系６を通って入射するレーザ光を反
射する、レーザ光のカンチレバー３先端におけるスポッ
ト径よりも大きな形状からなるカンチレバー３の反射部
で、上記本体３ｂの先端部分に一体に設けられている。
なお、探針４はこの反射部３ｂの下面に設けられてい
る。

【００１８】このように構成された実施例１における原
子間力顕微鏡装置の動作について、図１を参照しながら
説明する。まずレーザ光発振源７から発振されたレーザ
光は、探針４を有するカンチレバー３の先端部分に設け
た反射部３ｂによって反射される。そこで試料２表面の
凹凸に応じてカンチレバー３がたわみ、反射部３ｂにお
けるレーザ光の反射位置と反射角が変化することによ
り、レーザ光の光路が変化する。

【００１９】この反射部３ｂにて反射されたレーザ光は
反射鏡９で光路変更してフォトセンサ８で検知される
が、図２に示す様に反射部３ｂにおいてレーザ光の大部
分が反射されるので、フォトセンサ８に入射されるレー
ザ光は、図３に示す様に点線にて示す従来ｂの形状の光
量分布を持っていたものに対して実線で示すｂ１の様に
半値幅が小さくなるとともに最大強度が大きくなる。ま
たカンチレバー３がたわんだ時に、レーザ光の焦点がた
とえばｂ２の位置に移動する。この様に、フォトセンサ
８への焦点の精度及び焦点の移動量の精度が向上する。
このフォトセンサ８からの信号を受けた制御回路１０に
よりＺ駆動系１１が働いて試料台を上下し、フォトセン
サ８におけるレーザ光の焦点位置をｂ２からｂ１へ復帰
する。これをＸＹ駆動系１２によりＸＹ方向にラスタス
キャンすれば、この試料台１の位置座標を知ることによ
り、試料の所望の領域の凹凸を良好に拡大認識すること
ができる。

【００２０】実施例２．図４はこの発明の実施例２を示
すものであり、上記実施例１のものに対してカンチレバ
ー３の反射部を、光学系６を通って入射するレーザ光に
向って凸状の円筒面などからなる凸面鏡３ｃにしたもの
である。このように構成された原子間力顕微鏡装置で
は、図５に示す様に試料２の凹凸に応じたレーザ光の光
路が実線にて示す１６ａからたとえば点線にて示す１６
ｂに変化する。フォトセンサ８入射されるレーザ光は、
図６に示す様に従来の光路偏倚量がｃからｃ１であった
ものに対して凸面鏡３ｃによってｃからｃ２へ拡大さ
れ、分解能が向上する。

【００２１】実施例３．図７はこの発明の実施例３を示
すものであり、図１４に示した従来例と同一の符号は、
同一又は相当部分を示すものである。図７において１４
はカンチレバー３とフォトセンサ８の間に設けられ、カ
ンチレバー３の先端部分における反射部から反射された
レーザ光の光路をフォトセンサ８へ変更する凸面鏡であ
る。図８はこの実施例３における光路説明図であるが、
図８においてカンチレバーが実線にて示す３から点線に
て示す１３へたわんだ場合、光路１６ａは従来の平面鏡
９を用いた場合に点線にて示す光路１６ｂへ偏倚するの
に対して、この実施例３における凸面鏡１４を用いると
光路１６ｃにまで光路偏倚量が拡大してフォトセンサ８
に入射するので、分解能が向上する。

【００２２】実施例４．図９はこの発明の実施例４を示
すものであり、図１４に示した従来例と同一の符号は、
同一又は相当部分を示すものである。図９において３ｂ
はカンチレバー（３）のＶ字形状の本体３ａ先端部分か
ら延在して一体形成され、試料２の垂直方向投影領域外
にてレーザ光発振源７からのレーザ光を受けて反射する
反射部である。図１０はこの実施例４における光路説明
図であるが、図１０においてカンチレバーが実線にて示
す３から点線にて示す１３へたわんだ場合、実線にて示
す光路１６ａは点線にて示す光路１６ｂへ偏倚する。こ
の実施例４におけるカンチレバー３は、その先端部にお
いて試料の凹凸に応じた探針４の移動量を拡大すること
になるため、より、反射部３ｂにて反射されるレーザ光
の光路偏倚量は、探針４の位置で反射するものに対して
拡大するので、分解能を向上する。

【００２３】実施例５．図１１はこの発明の実施例５を
示すものであり、図１４に示した従来例と同一の符号
は、同一又は相当部分を示すものである。図１１におい
て１５はカンチレバー３とフォトセンサ８の間に設けら
れ、カンチレバー３の先端部分における反射部から反射
され、反射鏡９にて光路変更されたレーザ光の光束を収
束する光学系で、この実施例５においては凸レンズにて
構成している。この実施例５において、光束の絞られる
様子を図１２に示すが、この光学系１５によりフォトセ
ンサ８上における光量分布が光学系を用いていない従来
例のもの（図１３のｄにて示す）に対して、半値幅が小
さくなるとともに最大強度が大きくなってｄｄの様にな
り、検出感度が向上する。この光学系１５は反射鏡９と
フォトセンサ８の間にあっても、カンチレバー３と反射
鏡９の間にあっても、またその両方にあっても良い。ま
たこの光学系は複数個であっても良い。

【００２４】なお上記実施例１〜５では、探針４として
カンチレバー３下表面から突出したものを示したが、試
料との間に原子間力を介して接触するものであればその
形状は何でも良い。

【００２５】また上記実施例１〜５では、カンチレバー
３に対してレーザ光が重力の方向に入射する例を示した
が、各構成要素の相対的な位置関係さえ満足しておれ
ば、重力の方向に対してどこを向いていてもよい。

【００２６】また上記実施例１〜５では、カンチレバー
３としててこ式のものを示したがこれに限るものではな
く、試料の凹凸に応じて変位するものであれば何でも良
い。

【００２７】また上記実施例１〜５では、カンチレバー
３とフォトセンサ８間のレーザ光の進路を変更する反射
鏡９として鏡を示したが、これはレーザ光の光路を変更
できるものなら何でも良く、プリズムであっても良い。

【００２８】また上記実施例１〜５では探針４又は反射
部又は凸面鏡がカンチレバー３に一体形成された例を示
したが、探針４又は反射部又は凸面鏡は、カンチレバー
に対して着脱可能に取り付けられていても良い。

【００２９】また上記実施例では、 カンチレバーに入射するレーザ光のカンチレバー先端
におけるスポット径よりも大きな反射部をカンチレバー
に設けた場合。 カンチレバーに入射するレーザ光を反射する凸面鏡を
カンチレバーに設けた場合。 カンチレバーとフォトセンサの間に、レーザ光の光路
を変更する凸面鏡を設けた場合。 レーザ光を試料外で反射する形状のカンチレバーを用
いた場合。 カンチレバーとフォトセンサの間に、レーザ光を収束
するための光学系を設けた場合。 のそれぞれの場合を個別に実施した例を示したが、各実
施例を複数個組み合わせれば感度及び分解能を更に向上
できることは言うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】この発明は以上説明した様に構成されて
いるので、以下に記載される様な効果を奏する。

【００３１】この発明の第１の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、カンチレバーに、入射するレーザ光のスポッ
ト径よりも大きな反射部を設けたので、試料面から反射
するノイズを低減し検出感度の高いものが得られる効果
がある。

【００３２】この発明の第２の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、カンチレバーに、入射するレーザ光を反射す
る凸面鏡を設けたので、試料の凹凸に応じたレーザ光の
光路偏倚量が拡大し、分解能が向上するという効果があ
る。

【００３３】この発明の第３の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、カンチレバーとフォトセンサの間にレーザ光
の光路を変更する凸面鏡を設けたので、試料の凹凸に応
じたレーザ光の光路偏倚量が拡大し、分解能が向上する
という効果がある。

【００３４】この発明の第４の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、レーザ光を試料領域外で反射するカンチレバ
ーを用いたので、試料から反射するノイズを無くするこ
とができて検出感度が向上するという効果がある。

【００３５】この発明の第５の発明に係る原子間力顕微
鏡装置は、カンチレバーとフォトセンサ間に光学系を設
けてレーザ光の光束を収束させたので、検出感度が向上
するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す主要部構成図。

【図２】この発明の実施例１を示す反射部拡大図。

【図３】この発明の実施例１を示すフォトセンサ上の光
量分布図。

【図４】この発明の実施例２を示す主要部構成図。

【図５】この発明の実施例２を示す光路説明図。

【図６】この発明の実施例２を示すフォトセンサ上の光
量分布図。

【図７】この発明の実施例３を示す主要部構成図。

【図８】この発明の実施例３を示す光路説明図。

【図９】この発明の実施例４を示す主要部構成図。

【図１０】この発明の実施例４を示す光路説明図。

【図１１】この発明の実施例５を示す主要部構成図。

【図１２】この発明の実施例５を示す光束説明図。

【図１３】この発明の実施例５を示すフォトセンサ上の
光量分布図。

【図１４】従来の原子間力顕微鏡装置を示す主要部構成
図。

【図１５】従来の原子間力顕微鏡装置を示す光路説明
図。

【図１６】従来の原子間力顕微鏡装置を示すフォトセン
サ上の光量分布図。

【図１７】従来の原子間力顕微鏡装置を示す反射部拡大
図。

【符号の説明】

３ カンチレバー ３ａ カンチレバー本体 ３ｂ 反射部 ３ｃ 凸面鏡 ４ 探針 ７ レーザ光発振源 ８ フォトセンサ １４ 凸面鏡 １５ 光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 博之 伊丹市瑞原４丁目１番地 三菱電機株式会 社エル・エス・アイ研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の径を有するレーザ光を照射するレ
   ーザ光発振源、試料との間に原子間力を介して接触する
   探針と、この探針の上下動に追随して動く本体と、この
   本体に設けられ上記レーザ光発振源からのレーザ光を受
   けて反射する上記レーザ光の径より大きい反射部とを有
   するカンチレバー、このカンチレバーの反射部にて反射
   されたレーザ光を受けるセンサを備えた原子間力顕微鏡
   装置。
2. 【請求項２】 所定の径を有するレーザ光を照射するレ
   ーザ光発振源、試料との間に原子間力を介して接触する
   探針と、この探針の上下動に追随して動く本体と、この
   本体に設けられ上記レーザ光発振源からのレーザ光を受
   けて反射する、凸面鏡とを有するカンチレバー、このカ
   ンチレバーの反射部にて反射されたレーザ光を受けるセ
   ンサを備えた原子間力顕微鏡装置。
3. 【請求項３】 所定の径を有するレーザ光を照射するレ
   ーザ光発振源、試料との間に原子間力を介して接触する
   探針と、この探針の上下動に追随して動く本体と、この
   本体に設けられ上記レーザ光発振源からのレーザ光を受
   けて反射する反射部とを有するカンチレバー、このカン
   チレバーの反射部にて反射されたレーザ光を受けるセン
   サ、上記カンチレバーとこのセンサとの間に位置し、上
   記カンチレバーの反射部にて反射されたレーザ光の進路
   を上記センサの方向へ変更する凸面鏡を備えた原子間力
   顕微鏡装置。
4. 【請求項４】 所定の径を有するレーザ光を照射するレ
   ーザ光発振源、試料との間に原子間力を介して接触する
   探針と、この探針の上下動に追随して動く本体と、この
   本体に設けられ、上記試料の垂直方向投影領域外で上記
   レーザ光発振源からのレーザ光を受けて反射する反射部
   とを有するカンチレバー、このカンチレバーの反射部に
   て反射されたレーザ光を受けるセンサを備えた原子間力
   顕微鏡装置。
5. 【請求項５】 所定の径を有するレーザ光を照射するレ
   ーザ光発振源、試料との間に原子間力を介して接触する
   探針と、この探針の上下動に追随して動く本体と、この
   本体に設けられ上記レーザ光発振源からのレーザ光を受
   けて反射する反射部とを有するカンチレバー、このカン
   チレバーの反射部にて反射されたレーザ光を受けるセン
   サ、カンチレバーとこのセンサとの間に位置してカンチ
   レバーの反射部にて反射されたレーザ光の光束を収束し
   て上記センサに入射させる光学系を備えた原子間力顕微
   鏡装置。