JPH06221845A - 原子間力顕微鏡等のカンチレバーの変形検出装置 - Google Patents

原子間力顕微鏡等のカンチレバーの変形検出装置

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JPH06221845A
JPH06221845A JP1075693A JP1075693A JPH06221845A JP H06221845 A JPH06221845 A JP H06221845A JP 1075693 A JP1075693 A JP 1075693A JP 1075693 A JP1075693 A JP 1075693A JP H06221845 A JPH06221845 A JP H06221845A
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JP
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cantilever
electron
electron beam
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detecting
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JP1075693A
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Masashi Iwatsuki
岩槻正志
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Jeol Ltd
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Jeol Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 超高真空AFM等においてカンチレバーの原
子レベルでの変位、捩じれ等の変形量を反射高速電子回
折法を利用して高精度、高感度で検出する。 【構成】 試料3表面とカンチレバー2先端の探針との
間の相対位置を3次元的に駆動して両者間に作用する力
等をカンチレバー2の変形として検出するAFM等のカ
ンチレバー2の変形検出装置において、電子線を発生す
るための電子銃11と、電子線9をカンチレバー2の背
面上に収束するための電子レンズ6と、電子線を精度良
くカンチレバー2の背面上に照射するための電子線偏向
器7とを備え、さらに、カンチレバー2の背面から反射
回折された反射回折電子線10の像位置を検出するため
の蛍光スクリーン8を備え、検出された反射回折電子線
像の位置からカンチレバー2の変形を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、原子間力顕微鏡等のカ
ンチレバーの変形検出装置に関し、特に、セラミックス
や高分子材料等の絶縁性試料の高分解能表面像を観察す
るために、原子間力によって生ずる表面変位信号を検出
するためのカンチレバーを近づけてカンチレバー又は試
料を3次元的に駆動することにより、表面の凹凸を検出
する原子間力顕微鏡等において、カンチレバーの変形を
ナノメータスケールで検出するカンチレバーの変形検出
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】試料表面の凹凸を検出する方式として
は、先端を鋭利に研磨した探針先端の原子と試料表面の
原子の電子雲が重なり合うナノメータオーダまで探針の
先端を試料表面に近づけ、この状態で探針と試料との間
に電圧をかけると、両者間にトンネル電流が流れる。こ
のトンネル電流は、特に、探針と試料との間の距離(探
針の高さ)に敏感であるため、トンネル電流の大きさを
測定することにより、試料と探針との間の距離を超精密
に測定することができる。
【0003】走査トンネル顕微鏡(STM)は、上記ト
ンネル電流が一定になるように、探針の高さを制御しな
がら探針を水平方向に走査した時の探針の高さ軌跡によ
り試料表面の凹凸形状を観察するものであり、表面原子
配列を解析する上で注目されている装置である。また、
STMは、表面分析の手段として定着しつつあり、さら
にその応用分野も、表面の原子位置を調べる顕微鏡法の
みならず、表面の電子状態を局所的に調べる分光法の分
野にも広がってきている。しかも、STMは、その原
理、機構の簡便さ、さらに、装置サイズも小さいことか
ら、短期間に各種の分野に普及してきている。
【0004】しかしながら、STMの基本的な欠陥とし
て、量子効果によるトンネル現象をその原理に使用して
いることである。そのため、導電性の探針と導電性の試
料についてのみ適用できることである。このため、絶縁
物には応用できないという大きな制約があった。この問
題を解決するため考案された原理が、原子間力顕微鏡
(AFM)の手法である。この方式は、鋭利に研磨した
探針をバネ定数の小さな片持ちバネ(カンチレバー)の
先端に取り付け、試料に数オングストロームまで近づけ
たときに生ずる原子間力を利用するものであり、基本的
にはSTM技術の変形である。しかし、この方法は、生
体高分子を含む多くの絶縁材料に適応可能なため、ST
Mの応用分野が大幅に拡大することになった。
【0005】従来、このAFMで問題となったのは、そ
のカンチレバーの位置の検出方式と検出感度に関するも
のである。この検出方式としては、光テコ方式、光干渉
方式、また、キャパシタンス方式等が考案されている。
光テコ方式は、半導体レーザー光を原子間力を検出する
カンチレバーの背面に当てて、その反射光を半導体検出
器で検出するものであり、カンチレバーのわずかな変位
を光のズレ(強度の変化)として検出するものであり、
大気圧AFMにおいて実用化されている。この光テコ方
式を図5を用いて簡単に説明する。同図において、1は
レーザー光を発する半導体レーザー、2は原子間力を検
出するカンチレバー、3は試料、4は3次元圧電駆動素
子、5は半導体光検出器を示す。この方式いおいては、
半導体レーザー1から放射されたレーザー光は、カンチ
レバー2の背面に照射され、カンチレバー2の背面にて
反射された光aは、予め位置調整された半導体光検出器
5に入射される。3次元圧電駆動素子4に固定された試
料3はカンチレバー2に対向しており、この間の距離は
数オングストロームに調整されながら2次元平面内で走
査される。半導体光検出器5はその検出面が二分割又は
四分割されており、例えばカンチレバー2が原子間力の
変化(表面の凹凸)により動くと、反射光が変位角θだ
け動き、反射光がbになったとすると、半導体光検出器
5での検出量が変化する。この変化をz軸変化として換
算することにより、試料3表面の凹凸形状を観察するこ
とができる。
【0006】また、光干渉方式は、カンチレバーの背面
に入射光を垂直に照射し、反射光と入射光を干渉させて
その干渉縞の移動からカンチレバーの変位を検出するも
のである。また、キャパシタンス方式は、カンチレバー
とその背後に配置された電極の間のキャパシタンスの変
化からカンチレバーの変位を検出するものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光テコ
方式は、半導体光検出器が100℃以下の温度でしか使
用できず、その耐熱性に限界があり、超高真空装置のよ
うに超高真空を得るために高温で加熱しなければならな
いような装置には適応できない。また、半導体レーザー
からの光を小さなカンチレバーの背面に照射しなければ
ならず、その調節が難しく、振動の多い装置においては
適用できないといった問題もある。さらに、AFMの一
種であるラテラル・フォース顕微鏡(LFM)において
問題となるカンチレバーの捩じれを検出することも困難
である。
【0008】また、光干渉方式、キャパシタンス方式
は、現在種々の方法が試みられているが、安定性等の問
題により、未だ実用化できる段階までは達していない。
【0009】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的は、例えば超高真空走査型
原子間力顕微鏡において問題となるカンチレバーの原子
レベルでの変位、捩じれ等の変形量を反射高速電子回折
(RHEED)法を利用して高精度、高感度で検出する
全く新しい方式を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の原子間力顕微鏡等のカンチレバーの変形検出装置
は、試料表面とカンチレバー先端の探針との間の相対位
置を3次元的に駆動して両者間に作用する力等をカンチ
レバーの変形として検出する原子間力顕微鏡等のカンチ
レバーの変形検出装置において、電子線を発生するため
の電子銃と、電子線を前記カンチレバーの何れかの変形
位置上に収束するための電子レンズと、電子線を精度良
く前記変形位置上に照射するための電子線偏向手段とを
備え、さらに、前記変形位置から反射回折された反射回
折電子線像の位置を検出するための手段を備え、検出さ
れた反射回折電子線像の位置から前記カンチレバーの変
形を検出することを特徴とするものである。
【0011】
【作用】本発明においては、電子線を発生するための電
子銃と、電子線をカンチレバーの何れかの変形位置上に
収束するための電子レンズと、電子線を精度良く変形位
置上に照射するための電子線偏向手段とを備え、さら
に、変形位置から反射回折された反射回折電子線像の位
置を検出するための手段を備え、検出された反射回折電
子線像の位置からカンチレバーの変形を検出するので、
反射回折電子線像の原子レベルでの高感応性により、カ
ンチレバーの変形を高精度、高感度で検出することがで
きる。また、高温に加熱する超高真空装置内でも検出可
能になり、入射電子線の位置調節が容易になる。さら
に、電子線を試料位置から離れた位置から入射でき、ま
た、検出手段を遠隔の位置に設置可能であるので、より
高感度で検出でき、また、装置の配置の自由度も大きく
なる。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の原子間力顕
微鏡等のカンチレバーの変形検出装置の実施例について
説明する。図4は、反射高速電子回折(RHEED)法
で得られる時間に対する検出強度の振動を示すグラフで
ある。この振動の強弱1個は、試料表面に蒸着を行った
ときの原子層の1層に対応する。このように、RHEE
Dや反射電子顕微鏡(REM)法においては、電子線の
反射回折の表面層の変化に対する感度は、原子レベルで
高いことが分かる。本発明は、この電子線の反射回折の
高感度性を利用して、AFM等のカンチレバーの変形を
高感度、高精度で検出しようとするものである。
【0013】図1に本発明の1実施例の構成を示す。同
図において、11は電子線を発する電子銃、6は電子線
を絞るための電子レンズ、7は電子線を精度良くカンチ
レバー2に照射するための偏向コイル、2は原子間力を
検出するカンチレバー、3は試料、4は3次元圧電駆動
素子、8は蛍光スクリーン、チャンネルプレート等の電
子線検出器、9は入射電子線、10はカンチレバー2か
ら反射回折電子線である。
【0014】このような配置において、偏向コイル7を
調節することにより、電子銃11から出て電子レンズ6
により絞られた電子線9は、カンチレバー2の背面に小
さい角度で入射され、カンチレバー2背面の結晶で反射
回折した反射回折電子線10は、その結晶構造を反映し
た回折像を蛍光スクリーン8上に投影する。したがっ
て、この回折像の注目のスポットの強度を測定すると、
図5の光テコ方式の場合と同じように、カンチレバー2
の変位量を反映する。カンチレバー2背面の結晶性が良
くないと、回折像は、中心スポットの周りに半円リング
状に広がるラウエリングになるので、図2に示すよう
に、カンチレバー2背面の電子線入射面に結晶12を貼
り付けるとよい。この場合、結晶12を特定のものに選
択すると、回折像もそれ特有なものとなるので、回折像
から容易にカンチレバー2位置が検出でき、入射電子線
9の位置が容易に調節でき、そのため、カンチレバー2
と電子銃11の間の距離を離すことができ、配置の自由
度等の上で望ましい。カンチレバー2背面の結晶性が良
い場合の蛍光スクリーン8上の回折像の1例を図3に示
す。このように、カンチレバー2背面の結晶性が良い場
合には、回折像は規則的な回折スポットとなるので、カ
ンチレバー2の変位量の測定は、中心のダイレクトスポ
ットのみならず、高次の回折スポットの移動に注目して
測定することもできる。また、回折スポットのズレは、
カンチレバーの上下方向のみならず、捩じれの動作も反
映している。したがって、ラテラル・フォース顕微鏡
(LFM)のように、カンチレバーの捩じれの検出が重
要なものにおいても使用できる。この場合は、例えばダ
イレクトスポットと高次スポットの信号を同時にモニタ
ーし、その強度比をとることによってカンチレバーの捩
じれが検出できる。
【0015】なお、回折スポットの強度の測定は、蛍光
スクリーン8に投影された輝度を真空外からTV等の手
段で測定してもよいし、真空内にチャンネルプレート等
を8の位置に設置して直接測定することも可能である。
【0016】以上は、カンチレバーの変形を利用する顕
微鏡としてAFMを想定していたが、本発明のカンチレ
バーの変形検出装置はこれに限らず、磁気力顕微鏡(M
FM)、スキャンニング・サーマル・プロファイラー
(STP)等のカンチレバーの変形を利用する他の顕微
鏡においても使用可能である。ここで、MFMとは探針
と試料表面の間の磁気力によるカンチレバーの変形を測
定して磁力分布を観察するものであり、STPは、バイ
メタル等を用い、試料表面の温度に応じて探針と試料表
面の間の距離を制御して温度分布を観察するものであ
る。
【0017】以上、本発明の原子間力顕微鏡等のカンチ
レバーの変形検出装置をいくつかの実施例について説明
してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の
変形が可能である。
【0018】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の原子間力顕微鏡等のカンチレバーの変形検出装置によ
ると、例えば原子間力顕微鏡において、 超高真空原子間力顕微鏡を開発するに当たり、高感
度、高精度な変位検出技術開発が図られた。 回折スポットの位置の測定により、高さ方向に変位の
みならず、カンチレバーの捩じれの測定が可能になっ
た。 電子線の位置を調整するだけで、同一電子銃を用い
て、試料への蒸着過程のモニターと原子間力顕微鏡の検
出手段とに兼用することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のカンチレバーの変形検出装置を原子間
力顕微鏡に適用した場合の1実施例の構成を示す図であ
る。
【図2】変形例のカンチレバー先端形状を示す図であ
る。
【図3】蛍光スクリーン上の回折像の1例を示す図であ
る。
【図4】電子線を使用したRHEEDの強度モジュレー
ションを示す図である。
【図5】従来の光テコ方式を説明するための図である。
【符号の説明】
2…カンチレバー 3…試料 4…3次元圧電駆動素子 6…電子レンズ 7…偏向コイル 8…蛍光スクリーン又はチャンネルプレート(電子線検
出器) 9…入射電子線 10…反射回折電子線 11…電子銃 12…結晶

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料表面とカンチレバー先端の探針との
    間の相対位置を3次元的に駆動して両者間に作用する力
    等をカンチレバーの変形として検出する原子間力顕微鏡
    等のカンチレバーの変形検出装置において、電子線を発
    生するための電子銃と、電子線を前記カンチレバーの何
    れかの変形位置上に収束するための電子レンズと、電子
    線を精度良く前記変形位置上に照射するための電子線偏
    向手段とを備え、さらに、前記変形位置から反射回折さ
    れた反射回折電子線像の位置を検出するための手段を備
    え、検出された反射回折電子線像の位置から前記カンチ
    レバーの変形を検出することを特徴とする原子間力顕微
    鏡等のカンチレバーの変形検出装置。
JP1075693A 1993-01-26 1993-01-26 原子間力顕微鏡等のカンチレバーの変形検出装置 Withdrawn JPH06221845A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007212182A (ja) * 2006-02-07 2007-08-23 Kagawa Univ プローブ装置、プローブ装置の製造方法および触針式表面測定装置

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Effective date: 20000404