JPH06258068A - Interatomic force microscope - Google Patents
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- JPH06258068A JPH06258068A JP4415493A JP4415493A JPH06258068A JP H06258068 A JPH06258068 A JP H06258068A JP 4415493 A JP4415493 A JP 4415493A JP 4415493 A JP4415493 A JP 4415493A JP H06258068 A JPH06258068 A JP H06258068A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、試料表面を高分解能で
観察できる原子間力顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atomic force microscope capable of observing a sample surface with high resolution.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年において、試料表面の原子構造を直
接観察できる走査型トンネル顕微鏡（以下、「ＳＴＭ」
という）が開発され（G.Binnigら、Physical Review Le
tters誌、第49巻57頁（1982年）参照）、単結晶、非結
晶を問わず実空間像を著しく高い分解能（ナノメートル
以下の分解能）で観察できるようになった。ＳＴＭは、
金属の探針と導電性物質との間に電圧を印加して両者を
１ｎｍ程度の距離まで近付けると、両者間にトンネル電
流が流れることを利用している。この電流は両者の距離
変化に非常に敏感で指数関数的に変化するので、トンネ
ル電流を一定に保つように探針を試料の表面上で走査さ
せると、実空間の表面構造を原子オーダーの分解能で観
察することができる。2. Description of the Related Art In recent years, a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as "STM") capable of directly observing the atomic structure of a sample surface.
Was developed (G. Binnig et al., Physical Review Le
TTers, Vol. 49, p. 57 (1982)), it has become possible to observe real-space images with extremely high resolution (resolution below nanometer) regardless of single crystal or non-crystal. STM is
It is utilized that when a voltage is applied between the metal probe and the conductive substance to bring them close to each other to a distance of about 1 nm, a tunnel current flows between them. This current is very sensitive to changes in the distance between the two and changes exponentially.Therefore, if the probe is scanned over the surface of the sample so as to keep the tunnel current constant, the surface structure in real space is resolved in atomic order. Can be observed at.
【０００３】しかし、ＳＴＭによる観察は試料が導電性
のものに限られ、絶縁性の試料を観察することは困難で
ある。そこで、二つの物質間に働く力を検出して、試料
表面を観察する原子間力顕微鏡（以下、「ＡＦＭ」とい
う）が開発された（G.Binnigら、Physical Review Lett
ers 誌、第56巻 930頁（1986年）参照）。ＡＦＭは、先
端径の小さな探針が一体的に設けられたカンチレバー
と、この探針を試料に近付けた際に探針と試料表面との
間に発生する原子間力によってもたらされるカンチレバ
ーのたわみを測定する手段とを有する。この探針は、カ
ンチレバーの自由端にカンチレバーとは別体で設けても
よいし、カンチレバー自体の自由端を探針として利用し
てもよい。However, observation by STM is limited to conductive samples, and it is difficult to observe insulating samples. Therefore, an atomic force microscope (hereinafter referred to as "AFM") that detects the force acting between two substances and observes the sample surface was developed (G. Binnig et al., Physical Review Lett.
ers, Vol. 56, p. 930 (1986)). The AFM is a cantilever integrally provided with a probe having a small tip diameter, and a deflection of the cantilever caused by an atomic force generated between the probe and the sample surface when the probe is brought close to the sample. And means for measuring. This probe may be provided separately from the cantilever at the free end of the cantilever, or the free end of the cantilever itself may be used as the probe.
【０００４】一般に物質表面間には、比較的遠距離にお
いては分散力による微弱な引力が働き、近距離では斥力
が働く。カンチレバーのたわみ量はその力に比例するの
で、カンチレバーのたわみ量を測定することによって、
探針先端とこれに数ｎｍ以内に近接する試料表面との間
に働く微弱で局所的な力を検出することが可能となる。
さらに探針と試料とを面方向に相対的に二次元走査せせ
ることで、試料表面の二次元情報が得られる。In general, a weak attractive force due to the dispersive force acts between the material surfaces at a relatively long distance, and a repulsive force acts at a short distance. The amount of deflection of the cantilever is proportional to its force, so by measuring the amount of deflection of the cantilever,
It is possible to detect a weak and local force acting between the tip of the probe and the surface of the sample that is close to the tip of the probe within a few nm.
Further, two-dimensional information on the sample surface can be obtained by relatively two-dimensionally scanning the probe and the sample in the surface direction.
【０００５】また、カンチレバーのたわみを一定にする
ようにフィードバックをかけながら走査することによ
り、試料表面の微小な凹凸形状を観察できる。カンチレ
バーのたわみを検出する方法としては、ＳＴＭ技術を応
用する方法、試料とカンチレバーとの間の静電容量を検
出する方法、光の干渉を用いる方法、カンチレバーに光
を入射し、その反射角の変化からカンチレバーのたわみ
を検出する方法（光てこ方式）等が挙げられる。その中
でも、操作性や検出感度等の観点から光てこ方式による
方法が一般的である。Further, by scanning while feeding back so that the deflection of the cantilever is constant, it is possible to observe minute irregularities on the sample surface. As a method of detecting the deflection of the cantilever, a method of applying the STM technique, a method of detecting a capacitance between the sample and the cantilever, a method of using light interference, and a method of injecting light into the cantilever and measuring its reflection angle A method of detecting the deflection of the cantilever from the change (optical lever method) and the like can be mentioned. Among them, the optical lever method is generally used from the viewpoint of operability and detection sensitivity.
【０００６】ＡＭＦによる分解能は試料面内方向で１ｎ
ｍ以下であるので、例えば、試料表面に１０ｎｍ程度の
間隔で微細な凹凸を形成し、それをＡＭＦを用いて読み
出すことによって、１０12ビット／ｃｍ2 に近い超高密
度のメモリを作成することも可能である。The resolution by AMF is 1n in the in-plane direction of the sample.
Since it is less than or equal to m, for example, by forming fine irregularities on the surface of the sample at intervals of about 10 nm and reading it using AMF, it is possible to create an ultra-high-density memory close to 10 12 bits / cm 2. Is also possible.
【０００７】以下に、従来の光てこ方式のＡＦＭについ
て説明する。A conventional optical lever type AFM will be described below.
【０００８】図３は、従来の光てこ方式のＡＦＭのカン
チレバー近傍の概略斜視図である。図３に示すように、
支持体となる基板１０１にはカンチレバー１０２が突設
されており、このカンチレバー１０２の自由端に先端が
尖鋭な探針１０３が設けられている。探針１０３を原子
間力が発生する程度まで試料１３０の表面に近付けた状
態で、探針１０３と試料１３０とを相対的に二次元走査
させれば、カンチレバーは試料１３０の表面の凹凸１３
０ａに沿ってたわむ。FIG. 3 is a schematic perspective view in the vicinity of a cantilever of a conventional optical lever type AFM. As shown in FIG.
A cantilever 102 is provided in a protruding manner on a substrate 101 that serves as a support, and a probe 103 having a sharp tip is provided at a free end of the cantilever 102. If the probe 103 and the sample 130 are relatively two-dimensionally scanned in a state where the probe 103 is brought close to the surface of the sample 130 to the extent that an atomic force is generated, the cantilever causes the unevenness 13 of the surface of the sample 130.
Bend along 0a.
【０００９】一方、カンチレバー１０２には光源（不図
示）から光ビーム１２０が投射され、投射された光ビー
ム１２０はカンチレバー１０２で反射して光検出器１０
７に入射する構成となっている。ここで、カンチレバー
１０２の固定端から探針１０３までの長さをＡ、試料１
３０の表面の凹凸１３０ａの高さをｈとすると、カンチ
レバー１０２がたわんだときのカンチレバー１０２のた
わみ角Δθは光ビーム１２０の反射角の変化に等しく、 Δθ＝２ｈ／Ａ （１） で与えられる。また、カンチレバー１０２の光ビーム１
２０の反射面から光検出器１０７までの距離をＤとする
と、光ビーム１２０の反射角の変化に伴って、光検出器
１０７に入射する光ビーム１２０の位置ｄは、 ｄ＝ＤΔθ＝２Ｄｈ／Ａ （２） だけずれる。このずれ量は、光検出器１０７として例え
ば、２分割光検出器を用いて検出することができる。以
下に、ずれ量からカンチレバー１０２のたわみ角を求め
る原理について図４および図５を参照して説明する。On the other hand, a light beam 120 is projected from a light source (not shown) onto the cantilever 102, and the projected light beam 120 is reflected by the cantilever 102 and is detected by the photodetector 10.
It is configured to be incident on 7. Here, the length from the fixed end of the cantilever 102 to the probe 103 is A, and the sample 1
Assuming that the height of the unevenness 130a on the surface of 30 is h, the deflection angle Δθ of the cantilever 102 when the cantilever 102 is deflected is equal to the change in the reflection angle of the light beam 120, and is given by Δθ = 2h / A (1) . Also, the light beam 1 of the cantilever 102
Assuming that the distance from the reflecting surface of 20 to the photodetector 107 is D, the position d of the light beam 120 incident on the photodetector 107 according to the change of the reflection angle of the light beam 120 is d = DΔθ = 2Dh / A (2) It shifts. This shift amount can be detected by using, for example, a two-divided photodetector as the photodetector 107. The principle of obtaining the deflection angle of the cantilever 102 from the displacement amount will be described below with reference to FIGS. 4 and 5.
【００１０】図４に示すように、２分割光検出器１０７
は、カンチレバー１０２がたわんでいない状態ではカン
チレバー１０２で反射した光ビーム１２０は２分割光検
出器１０７の検出面１０７ａの分割線１０７ｂ上の点Ｂ
に入射するように配置されているとすると、カンチレバ
ー１０２で反射した光ビーム１２０は図５の（ｂ）に示
すようにスポット１２０’となって検出面１０７ａに入
射される。このとき、スポット１２０’の、分割線１０
７ｂを境界として分けられる２つのスポット面積ＳA 、
ＳB は互いに等しい。また、図４においてカンチレバー
１０２が図示上方にたわんだときには光ビーム１２０は
検出面１０７ａの点Ａに入射し、そのときの検出面１０
７ａ上での光ビーム１２０のスポット１２０’の位置は
図５の（ａ）に示すように図示左方にずれる。逆に、図
４においてカンチレバー１０２が図示下方にたわんだと
きには光ビーム１２０は検出面１０７ａの点Ｃに入射
し、そのときの検出面１０７ａ上での光ビーム１２０の
スポット１２０’の位置は図５の（ｃ）に示すように図
示右方にずれる。すなわち、カンチレバー１０２のたわ
みに応じて、２つのスポット面積ＳA 、ＳB の比率が変
化する。検出面１０７ａでの、分割線１０７ｂを境界と
して分けられる２つの領域でそれぞれ検出される光強度
の比は上述したスポット面積比に比例するので、２つの
領域の光強度を測定、比較することによって、カンチレ
バー１０２のたわみ角が求められる。カンチレバー１０
２のたわみ角は、カンチレバー１０２のたわみ量すなわ
ち試料１３０の表面の凹凸１３０ａの高さに比例するの
で、探針１０３試料１３０との面方向への相対的な二次
元走査を行ないながらカンチレバー１０２のたわみ角を
求めることにより、試料１３０の表面状態を測定するこ
とができる。As shown in FIG. 4, the two-part photodetector 107 is used.
Is a point B on the dividing line 107b of the detection surface 107a of the two-split photodetector 107 when the cantilever 102 is not deflected.
5B, the light beam 120 reflected by the cantilever 102 is incident on the detection surface 107a as a spot 120 ′ as shown in FIG. 5B. At this time, the dividing line 10 of the spot 120 '
Two spot areas S A divided by 7b as a boundary,
S B are equal to each other. Further, in FIG. 4, when the cantilever 102 is bent upward in the drawing, the light beam 120 is incident on the point A on the detection surface 107a, and the detection surface 10 at that time is detected.
The position of the spot 120 'of the light beam 120 on 7a is shifted to the left in the figure as shown in FIG. On the contrary, in FIG. 4, when the cantilever 102 bends downward in the drawing, the light beam 120 is incident on the point C on the detection surface 107a, and the position of the spot 120 ′ of the light beam 120 on the detection surface 107a at that time is shown in FIG. As shown in (c) of FIG. That is, the ratio of the two spot areas S A and S B changes according to the deflection of the cantilever 102. Since the ratio of the light intensity detected in each of the two regions on the detection surface 107a divided by the dividing line 107b as a boundary is proportional to the above-mentioned spot area ratio, the light intensities of the two regions are measured and compared. , The deflection angle of the cantilever 102 is obtained. Cantilever 10
The deflection angle of 2 is proportional to the deflection amount of the cantilever 102, that is, the height of the irregularities 130a on the surface of the sample 130. Therefore, the probe 103 of the cantilever 102 is relatively scanned in the plane direction with the sample 130. By obtaining the deflection angle, the surface condition of the sample 130 can be measured.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の光てこ
方式のＡＦＭでは、２分割光検出器に入射する光ビーム
のスポット形状が常に一定であれば、分割線で分割され
る２つのスポット面積の比較によって一義的にカンチレ
バーのたわみ角が求められる。しかしながら、探針の走
査中に何等かの理由により光ビームの断面形状が変化す
ると、上記スポット形状も変化し、スポット面積の比較
だけではカンチレバーのたわみ角を一義的に決定できな
くなってしまう。以下に、この理由について図６を参照
して説明する。In the above-mentioned conventional optical lever type AFM, if the spot shape of the light beam incident on the two-division photodetector is always constant, the two spot areas divided by the division line will be used. The deflection angle of the cantilever can be uniquely obtained by comparing However, if the cross-sectional shape of the light beam changes for some reason during scanning of the probe, the spot shape also changes, and the deflection angle of the cantilever cannot be uniquely determined only by comparing the spot areas. The reason for this will be described below with reference to FIG.
【００１２】図６の（ａ）において、光ビーム１２０は
２分割光検出器の検出面１０７ａに対して略垂直に入射
するものとし、検出面１０７ａ上の光ビームのスポット
１２０’は、カンチレバーのたわみに伴ってｘ軸上に沿
って移動するものとする。また、検出面１０７ａの分割
線１０７ｂをｙ軸とする。さらに、説明を簡単にするた
めに、スポット１２０’の形状は、主軸がそれぞれｘ軸
およびｙ軸に平行で、その長さが各々ａおよびｂである
楕円を考える。In FIG. 6A, it is assumed that the light beam 120 is incident on the detection surface 107a of the two-divided photodetector substantially perpendicularly, and the spot 120 'of the light beam on the detection surface 107a is a cantilever. It shall move along the x-axis with the deflection. In addition, the dividing line 107b of the detection surface 107a is set as the y-axis. Further, for ease of explanation, consider the shape of the spot 120 'as an ellipse whose principal axes are parallel to the x and y axes, respectively, and whose lengths are a and b, respectively.
【００１３】いま、スポット１２０’の中心が、ｙ軸か
ら距離ｄ（−ａ≦ｄ≦ａ）だけ離れた点にあるとする。
このとき、スポット１２０’の面積比は次の（３）式で
表わすことができる。It is now assumed that the center of the spot 120 'is at a point separated from the y axis by a distance d (-a≤d≤a).
At this time, the area ratio of the spot 120 'can be expressed by the following equation (3).
【００１４】[0014]
【数１】 （３）式より、ｙ軸に平行な主軸の長さｂの変動は、ス
ポット１２０’の位置によらず上記面積比に無関係であ
ることがわかる。すなわち、測定中にｂの長さが変動し
ても、求められるカンチレバーのたわみ角への影響はな
い。[Equation 1] From the equation (3), it is understood that the variation of the length b of the main axis parallel to the y-axis is independent of the area ratio regardless of the position of the spot 120 ′. That is, even if the length of b changes during the measurement, it does not affect the required deflection angle of the cantilever.
【００１５】次に、ｄ＝０のとき、すなわちスポット１
２０’の中心が分割線１０７ｂ上にある場合には、
（３）式はNext, when d = 0, that is, spot 1
When the center of 20 'is on the dividing line 107b,
Equation (3) is
【００１６】[0016]
【数２】 となり、この場合も楕円の形状に左右されることなくカ
ンチレバーのたわみ角を決定できる。[Equation 2] Also in this case, the deflection angle of the cantilever can be determined without being influenced by the shape of the ellipse.
【００１７】しかしｄ≠０のときには、上記面積比はａ
とｄの両方に依存するので、ある面積比に対してａとｄ
を独立に求めることは不可能である。逆にいうと、図６
の（ｂ）からわかるとおり、楕円の中心位置が同一でも
ａの長さが変動すると、ＳAとＳB との比率は様々な値
に変化してしまう。すなわち、（２）式によりカンチレ
バーのたわみ角を一義的に求めることは不可能になる。However, when d ≠ 0, the area ratio is a
Since it depends on both a and d, a and d for a certain area ratio
It is impossible to seek independently. Conversely speaking, FIG.
As can be seen from (b), if the length of a fluctuates even if the center position of the ellipse is the same, the ratio between S A and S B changes to various values. That is, it becomes impossible to uniquely obtain the deflection angle of the cantilever by the equation (2).
【００１８】上述した問題点を引き起こす、探針の走査
中における光ビームの断面形状の変化は、様々な要因に
よって発生する。この例をいくつか挙げると、（１）カ
ンチレバーの光ビーム反射面の不均一性、（２）光ビー
ムのビーム径内でのカンチレバーの微小な曲がりや反り
がある場合に、カンチレバー上で反射された光ビームが
発散から集光まで様々な形態を撮り得ること、（３）探
針を往復走査させるときには、往路と復路とでカンチレ
バーの曲がり方や反りが異なってしまうこと、（４）走
査速度の変動、等がある。しかし、これらの要因を全て
排除することは、非常に高度な加工精度や超精密制御が
必要となり、現状では難しい。The change in the cross-sectional shape of the light beam during scanning of the probe, which causes the above-mentioned problems, is caused by various factors. Some examples of this are (1) non-uniformity of the light beam reflecting surface of the cantilever, (2) when the cantilever has a slight bend or warp within the beam diameter of the light beam, it is reflected on the cantilever. The light beam can take various forms from divergence to condensing. (3) When the probe is reciprocally scanned, the bending and warping of the cantilever are different between the forward path and the backward path. (4) Scanning speed Fluctuations, etc. However, it is difficult at present to eliminate all of these factors, because very high processing precision and ultra-precision control are required.
【００１９】そこで本発明は、光検出器に入射する光ビ
ームのスポット形状が変化しても、それに影響されるこ
となく精度よく安定してカンチレバーの曲がり角を検出
することができる原子間力顕微鏡を提供することを目的
とする。Therefore, the present invention provides an atomic force microscope capable of detecting the bending angle of the cantilever accurately and stably without being affected by the change in the spot shape of the light beam incident on the photodetector. The purpose is to provide.
【００２０】[0020]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の原子間力顕微鏡は、先端が尖鋭な探針が試料に
対向して一体的に設けられたカンチレバーと、前記探針
と前記試料とを面方向に相対的に二次元走査させる走査
手段と、前記探針と前記試料表面との間に発生する原子
間力により生じる前記探針の上下動に伴う前記カンチレ
バーのたわみ角を検出するための光学系とを有する、光
てこ方式の原子間力顕微鏡において、前記光学系は、前
記カンチレバーに向けて光ビームを発する光源と、前記
カンチレバーで反射された光ビームの光量および位置を
検出する光検出器とを備え、前記光検出器を移動させる
光検出器移動機構と、前記光検出器駆動機構を駆動させ
て前記光検出器の位置を制御し、前記カンチレバーで反
射された光ビームが前記光検出器の所定の位置に入射し
たときに、前記カンチレバーのたわみ角を検出する制御
手段とを有することを特徴とする。In order to achieve the above object, an atomic force microscope of the present invention comprises a cantilever integrally provided with a probe having a sharp tip facing a sample, the probe and the probe. A scanning unit that relatively two-dimensionally scans the sample in the plane direction, and detects the deflection angle of the cantilever that accompanies the vertical movement of the probe caused by the atomic force generated between the probe and the sample surface. In the optical lever type atomic force microscope, the optical system detects a light amount and a position of a light beam reflected by the cantilever, and a light source that emits a light beam toward the cantilever. A photodetector moving mechanism for moving the photodetector and a photodetector driving mechanism for controlling the position of the photodetector, and a light beam reflected by the cantilever. When incident on a predetermined position of the light detector, characterized in that a control means for detecting the deflection angle of the cantilever.
【００２１】また、前記制御手段は、前記探針と前記試
料との二次元走査中に、前記カンチレバーで反射された
光ビームの前記光検出器への入射位置が変動した際に、
前記入射位置の変動を打ち消す方向に前記光検出器を移
動させるように前記光検出器移動機構を制御し、前記カ
ンチレバーで反射された光ビームが前記光検出器の所定
の位置に入射したときの前記光検出器移動機構への制御
信号に基づいて前記カンチレバーのたわみ角を検出する
ものであってもよい。Further, the control means, when the incident position of the light beam reflected by the cantilever on the photodetector changes during two-dimensional scanning of the probe and the sample,
When the photodetector moving mechanism is controlled so as to move the photodetector in a direction in which the fluctuation of the incident position is canceled, the light beam reflected by the cantilever is incident on a predetermined position of the photodetector. The deflection angle of the cantilever may be detected based on a control signal to the photodetector moving mechanism.
【００２２】さらに、前記光検出器移動機構は、前記光
検出器を連続周期的に変位可能なウォブリング機能を有
する機構であってもよく、この場合には、前記制御手段
は、前記探針と前記試料との二次元走査中に前記光検出
器移動機構により前記光検出器をウォブリングさせなが
ら、前記カンチレバーで反射された光ビームが前記光検
出器の所定の位置に入射したときの前記光検出器移動機
構への制御信号に基づいて前記カンチレバーのたわみ角
を検出するものであってもよい。Further, the photodetector moving mechanism may be a mechanism having a wobbling function capable of displacing the photodetector continuously and cyclically, and in this case, the control means is arranged to move the probe and the probe. The light detection when the light beam reflected by the cantilever enters a predetermined position of the photodetector while wobbling the photodetector by the photodetector moving mechanism during two-dimensional scanning with the sample. The deflection angle of the cantilever may be detected based on a control signal to the device moving mechanism.
【００２３】そして、前記光検出器を分割光検出器と
し、前記分割光検出器の所定の位置が、前記分割光検出
器の分割線上にあってもよい。The photodetector may be a split photodetector, and a predetermined position of the split photodetector may be on a dividing line of the split photodetector.
【００２４】また、前記分割光検出器を２分割光検出器
としたり、４分割光検出器とすることもできる。Further, the split photodetector may be a 2-split photodetector or a 4-split photodetector.
【００２５】[0025]
【作用】上記のとおり構成された本発明の原子間力顕微
鏡では、光源から発せられた光ビームは、カンチレバー
で反射されて光検出器に入射する。ここで、カンチレバ
ーが試料表面の凹凸によりたわむと、カンチレバーで反
射した光ビームの到達点がずれる。カンチレバーのたわ
み角と光ビームのずれ量との間には比例関係が成立する
ので、光検出器移動機構により光検出器を移動させ、光
ビームが光検出器の所定の位置に入射したときの光検出
器の位置からカンチレバーのたわみ角を求めることによ
り、光ビームの断面形状の変化によらずにカンチレバー
のたわみ角が一義的に求められる。In the atomic force microscope of the present invention constructed as described above, the light beam emitted from the light source is reflected by the cantilever and enters the photodetector. Here, when the cantilever bends due to the unevenness of the sample surface, the arrival point of the light beam reflected by the cantilever shifts. Since the proportional relationship is established between the deflection angle of the cantilever and the shift amount of the light beam, the photodetector moving mechanism moves the photodetector, and when the light beam is incident on the predetermined position of the photodetector. By obtaining the deflection angle of the cantilever from the position of the photodetector, the deflection angle of the cantilever can be uniquely obtained without changing the cross-sectional shape of the light beam.
【００２６】[0026]
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.
【００２７】図１は、本発明の原子間力顕微鏡の一実施
例の概略構成図である。図１に示すように本原子間力顕
微鏡は、光源４から発せられる光ビーム２０をカンチレ
バー２に反射させ、その反射角の変化からカンチレバー
２のたわみ角を求める光てこ方式の原子間力顕微鏡であ
り、カンチレバー２の自由端には、先端が尖鋭な探針３
が一体的に設けられている。カンチレバー２の支持構造
については図３に示した従来の原子間力顕微鏡と同様で
あり、探針３と試料３０との距離を変位させたり探針２
と試料３とを相対的に二次元走査させる手段についても
従来公知の手段と同様のものでよいので、図１において
は省略している。FIG. 1 is a schematic diagram of an embodiment of the atomic force microscope of the present invention. As shown in FIG. 1, the present atomic force microscope is an optical lever type atomic force microscope that reflects a light beam 20 emitted from a light source 4 on a cantilever 2 and obtains the deflection angle of the cantilever 2 from the change in the reflection angle. Yes, the free end of the cantilever 2 has a sharp tip 3
Are provided integrally. The support structure of the cantilever 2 is similar to that of the conventional atomic force microscope shown in FIG. 3, and the distance between the probe 3 and the sample 30 is displaced or the probe 2 is used.
Since the means for relatively two-dimensionally scanning the sample 3 and the sample 3 may be the same as the conventionally known means, they are omitted in FIG.
【００２８】本原子間力顕微鏡においては、光検出器で
ある２分割光検出器７が、光検出器移動機構６により検
出面７ａに平行に移動可能に支持されている。２分割光
検出器７は、その検出面７ａが分割線７ｂによって２つ
の領域に分割されており、２分割光検出器７にはそれぞ
れの領域に入射された光ビーム２０の強度に応じて発生
する光電流Ｉ1 、Ｉ2 を、各々電流／電圧変換するプリ
アンプ８、および各プリアンプ８から出力される電圧Ｖ
1 、Ｖ2 を比較する差動アンプ９を順次介して位置制御
回路１０に接続されている。制御手段としての位置制御
回路１０は、光検出器移動機構６に制御信号を出力する
ことで光検出器移動機構６を駆動させて２分割光検出器
７の位置を制御するためのものであり、差動アンプ９か
らの差動出力（Ｖ1 −Ｖ2 ）がゼロとなるように光検出
器移動機構６を駆動させる。そして、このときの電圧が
画像処理回路１１に出力され、試料３０の表面の形状変
化として取り出される。In this atomic force microscope, a two-divided photodetector 7, which is a photodetector, is supported by a photodetector moving mechanism 6 so as to be movable parallel to the detection surface 7a. The detection surface 7a of the two-division photodetector 7 is divided into two regions by a division line 7b, and the two-division photodetector 7 is generated according to the intensity of the light beam 20 incident on each region. A preamplifier 8 for converting each of the photocurrents I 1 and I 2 into a current / voltage, and a voltage V output from each preamplifier 8.
The position control circuit 10 is connected via a differential amplifier 9 for comparing 1 and V 2 . The position control circuit 10 as a control means is for outputting a control signal to the photodetector moving mechanism 6 to drive the photodetector moving mechanism 6 to control the position of the two-divided photodetector 7. , The photodetector moving mechanism 6 is driven so that the differential output (V 1 −V 2 ) from the differential amplifier 9 becomes zero. Then, the voltage at this time is output to the image processing circuit 11 and taken out as a shape change of the surface of the sample 30.
【００２９】ここで、本原子間力顕微鏡によりカンチレ
バー２のたわみ角を求める原理について図２を参照して
説明する。Here, the principle of obtaining the deflection angle of the cantilever 2 by the present atomic force microscope will be described with reference to FIG.
【００３０】図２において、カンチレバー２がたわんで
いない状態での、光源４と２分割光検出器７とで構成さ
れる光学系は、カンチレバー２で反射された光ビーム２
０のスポットの中心が２分割光検出器７の検出面７ａの
分割線７ｂ上に入射される、すなわち検出面７ａの２つ
の領域で測定された光強度が各々等しくなるように配置
されているものとする。また、このときの光ビーム２０
の、カンチレバー２から２分割光検出器７までの光路長
をＬとする。In FIG. 2, the optical system composed of the light source 4 and the two-divided photodetector 7 in the state where the cantilever 2 is not bent is the light beam 2 reflected by the cantilever 2.
The center of the spot of 0 is incident on the dividing line 7b of the detection surface 7a of the two-division photodetector 7, that is, the light intensity measured in the two areas of the detection surface 7a is equal. I shall. In addition, the light beam 20 at this time
Let L be the optical path length from the cantilever 2 to the two-division photodetector 7.
【００３１】この状態から、試料３０の表面の凹凸によ
ってカンチレバー２がΔθの角度だけたわみ、カンチレ
バー２上での光ビーム２０の反射角がΔθだけ変化する
と、前述した（２）式に従って、光ビーム２０の位置も
ｄ＝ＬΔθだけずれ、光ビーム２０は２分割光検出器７
の検出面７ａの分割線７ｂ上には入射されなくなる。そ
こで、光検出器移動機構６により２分割光検出器７を図
示矢印方向にｄだけ移動させることによって、光ビーム
２０を２分割光検出器７の検出面７ａの分割線７ｂ上に
入射させることができる。From this state, the cantilever 2 is deflected by an angle of Δθ due to the unevenness of the surface of the sample 30, and the reflection angle of the light beam 20 on the cantilever 2 is changed by Δθ. The position of 20 is also shifted by d = LΔθ, and the light beam 20 is divided into two photodetectors 7.
The light will not be incident on the division line 7b of the detection surface 7a. Therefore, the photodetector moving mechanism 6 moves the two-divided photodetector 7 by d in the direction of the arrow in the figure, so that the light beam 20 is incident on the division line 7b of the detection surface 7a of the two-divided photodetector 7. You can
【００３２】以上の操作によって２分割光検出器７の検
出面７ａの分割線７ｂと光ビーム２０のスポットの中心
位置とを一致させた時点で、光検出器移動機構６に加え
られた制御信号を利用して、カンチレバー２のたわみ角
を精度よく安定して求めることができる。この他、２分
割光検出器７を連続周期的に移動（ウォブリング）させ
ておき、光ビーム２０のスポットの中心が分割線７ｂ上
に来たときのタイミングから、カンチレバー２のたわみ
角を求めてもよい。By the above operation, when the dividing line 7b of the detection surface 7a of the two-division photodetector 7 and the center position of the spot of the light beam 20 are made to coincide with each other, the control signal applied to the photodetector moving mechanism 6 is applied. Can be used to accurately and stably obtain the deflection angle of the cantilever 2. In addition, the two-division photodetector 7 is moved (wobbling) continuously and periodically, and the deflection angle of the cantilever 2 is obtained from the timing when the center of the spot of the light beam 20 comes on the division line 7b. Good.
【００３３】以上説明したように、光ビーム２０の中心
が常に２分割光検出器７の検出面７ａの分割線７ｂ上に
入射する条件下でカンチレバー２のたわみ角を求めるこ
とにより、光ビーム２０の断面形状や検出面７ａ上での
スポット形状の変動によらずにカンチレバー２のたわみ
角を正確に求めることができる。その結果、試料３０の
表面を精度よく安定に測定することができる。As described above, by obtaining the deflection angle of the cantilever 2 under the condition that the center of the light beam 20 is always incident on the dividing line 7b of the detection surface 7a of the two-division photodetector 7, the light beam 20 is obtained. The deflection angle of the cantilever 2 can be accurately obtained without depending on the change in the cross-sectional shape and the spot shape on the detection surface 7a. As a result, the surface of the sample 30 can be measured accurately and stably.
【００３４】さらには、原子間力顕微鏡の原理を応用し
た情報処理装置においても、上述した構成を適用するこ
とによって、情報の記録、再生の精度を向上させること
ができるようになる。Furthermore, even in an information processing apparatus to which the principle of the atomic force microscope is applied, by applying the above-mentioned configuration, it becomes possible to improve the accuracy of recording and reproducing information.
【００３５】本実施例では、光検出器として２分割光検
出器７を用いた例を示したが、それに限らず、４分割光
検出器等の他の分割光検出器を始め、入射光の強度およ
び検出面上での入射位置が検出可能なものであれば、ど
のようなものを用いてもかまわない。また、光検出器移
動機構６としては、精度よく繰り返し動作できるもので
あればどのようなものを用いてもかまわないが、例えば
試料３０の表面の凹凸を０．１ｎｍオーダーで測定する
場合、用いるカンチレバー２の長さや光ビーム２０の光
路長にもよるが、２分割光検出器７の移動量はサブミク
ロン・オーダーの精度で精密に制御できなければならな
い。従って、光検出器移動機構６のアクチュエータとし
ては、減速ギヤを有するステッピングモータや圧電素子
等を利用することが望ましい。さらに制御手段は、光検
出器移動機構６に加える制御信号を利用してカンチレバ
ー２のたわみ角を求めるものに限らず、光検出器の位置
を検出するためのエンコーダあるいは位置センサを備え
たものとし、光検出器の位置をエンコーダあるいは位置
センサにより直接検出してその値からカンチレバー２の
たわみ角を求めてもよい。In this embodiment, the example in which the two-split photodetector 7 is used as the photodetector is shown, but the present invention is not limited to this, and other split photodetectors such as the four-split photodetector can be used to detect incident light. As long as the intensity and the incident position on the detection surface can be detected, any one may be used. Further, as the photodetector moving mechanism 6, any device may be used as long as it can be repeatedly operated with high accuracy. For example, when the unevenness of the surface of the sample 30 is measured on the order of 0.1 nm, it is used. Although it depends on the length of the cantilever 2 and the optical path length of the light beam 20, the movement amount of the two-divided photodetector 7 must be precisely controllable with an accuracy of the submicron order. Therefore, it is desirable to use a stepping motor having a reduction gear, a piezoelectric element, or the like as the actuator of the photodetector moving mechanism 6. Further, the control means is not limited to the one that obtains the deflection angle of the cantilever 2 using the control signal applied to the photodetector moving mechanism 6, and it is assumed that the control means includes an encoder or a position sensor for detecting the position of the photodetector. Alternatively, the deflection angle of the cantilever 2 may be obtained by directly detecting the position of the photodetector with an encoder or a position sensor.
【００３６】なお、光学系の配置も図１に示した配置に
限定されるものではなく、基本的な動作が同じであれ
ば、これ以外の幾何学的配置を選んでもよいことはいう
までもない。The arrangement of the optical system is not limited to the arrangement shown in FIG. 1, and other geometrical arrangements may be selected as long as the basic operation is the same. Absent.
【００３７】次に、本発明の実験例について述べる。本
実験例では、図１に示したカンチレバー２として、長さ
が１００μｍのＳｉ製のものを用い、光源４にはビーム
径が３０μｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光を発するものを用
いた。また、カンチレバー２から２分割光検出器７まで
の光路長を２ｃｍとした。さらに、光検出器移動機構６
には、アクチュエータとして圧電素子を備えたものを用
い、位置制御回路１０により差動アンプ９からの差動出
力（Ｖ1 ーＶ2 ）がゼロとなるように２分割光検出器７
の位置を制御し、このとき圧電素子に加えられた電圧
を、画像処理装置１１を用いて試料３０の表面の形状変
化として取り出すようにした。そして、試料３０として
高配向グラファイトおよびマイカの表面を観察した結
果、ノイズの少ない良好な原子配列像を安定に得ること
ができた。Next, an experimental example of the present invention will be described. In the present experimental example, the cantilever 2 shown in FIG. 1 was made of Si having a length of 100 μm, and the light source 4 was used to emit a He—Ne laser beam having a beam diameter of 30 μm. Further, the optical path length from the cantilever 2 to the two-divided photodetector 7 was set to 2 cm. Further, the photodetector moving mechanism 6
A piezoelectric actuator is used as the actuator, and the position control circuit 10 divides the two-part photodetector 7 so that the differential output (V 1 −V 2 ) from the differential amplifier 9 becomes zero.
The position of was controlled, and the voltage applied to the piezoelectric element at this time was taken out as a shape change of the surface of the sample 30 using the image processing device 11. As a result of observing the surfaces of highly oriented graphite and mica as the sample 30, it was possible to stably obtain a good atomic array image with little noise.
【００３８】また、上記実験例において、探針３の走査
中に、２分割光検出器７を周波数２ｋＨｚ、振幅±２μ
ｍでウォブリングさせ、差動アンプ９からの差動出力
（Ｖ1−Ｖ2 ）がゼロになったときのタイミングを、位
置制御回路１０を介して取り出して、これを画像出力回
路１１を用いて試料３０の表面の形状変化に変換するよ
うにした。そして、試料３０として高配向グラファイト
およびマイカの表面を観察した結果、上記実験例と同
様、ノイズの少ない良好な原子配列像を安定に得ること
ができた。Further, in the above experimental example, during scanning of the probe 3, the two-division photodetector 7 is set to a frequency of 2 kHz and an amplitude of ± 2 μ.
The timing when the differential output (V 1 -V 2 ) from the differential amplifier 9 becomes zero is taken out via the position control circuit 10, and this is output using the image output circuit 11. The shape of the surface of the sample 30 was changed. Then, as a result of observing the surfaces of highly oriented graphite and mica as the sample 30, it was possible to stably obtain a good atomic arrangement image with less noise, as in the above-mentioned experimental example.
【００３９】一方、比較のために、２分割光検出器７の
位置を完全に固定したままで、差動アンプ９の出力を直
接、画像処理回路１１を用いて試料３０の表面の形状変
化として取り出すようにし、試料３０として高配向グラ
ファイトおよびマイカの表面を観察した結果、上記各実
験例と比較して画像出力時にやや不安定性が見られ、繰
り返し走査時における出力像の再現性に若干の低下が認
められた。On the other hand, for comparison, the output of the differential amplifier 9 is directly used as the shape change of the surface of the sample 30 by using the image processing circuit 11 while the position of the two-division photodetector 7 is completely fixed. As a result of observing the surface of highly oriented graphite and mica as sample 30 after taking out, a little instability was observed at the time of image output as compared with the above experimental examples, and the reproducibility of the output image at the time of repeated scanning was slightly reduced. Was recognized.
【００４０】[0040]
【発明の効果】本発明は以上説明したとおり構成されて
いるので、以下に記載する効果を奏する。Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.
【００４１】光ビームを発する光源と、カンチレバーで
反射された光ビームの光量および位置を検出する光検出
器とを備える光学系を有し、制御手段により光検出器を
移動させ、カンチレバーで反射された光ビームを光検出
器の所定の位置に入射させることで、光ビームの断面形
状等、光ビームに含まれる非本質的な変動成分に影響さ
れることなく、カンチレバーのたわみ角を光検出器の位
置から一義的に求めることができる。その結果、試料表
面状態の検出精度、および検出感度を向上させることが
できる。An optical system having a light source for emitting a light beam and a photodetector for detecting the light quantity and position of the light beam reflected by the cantilever is provided, and the photodetector is moved by the control means to be reflected by the cantilever. By injecting the light beam into a predetermined position of the photodetector, the deflection angle of the cantilever can be detected without being affected by non-essential fluctuation components included in the light beam, such as the cross-sectional shape of the light beam. Can be uniquely obtained from the position. As a result, the detection accuracy and detection sensitivity of the sample surface state can be improved.
【００４２】カンチレバーのたわみ角は、カンチレバー
で反射された光ビームの光検出器への入射位置が変動し
た際に、入射位置の変動を打ち消す方向に光検出器を移
動させるように光検出器移動機構を制御し、カンチレバ
ーで反射された光ビームが光検出器の所定の位置に入射
したときの光検出器移動機構への制御信号に基づいて求
めたり、光検出器をウォブリングさせながら、カンチレ
バーで反射された光ビームが光検出器の所定の位置に入
射したときの光検出器移動機構への制御信号に基づいて
求めても、同様の効果が得られる。The deflection angle of the cantilever is such that when the incident position of the light beam reflected by the cantilever on the photodetector changes, the photodetector moves so as to move the photodetector in a direction that cancels the change in the incident position. The cantilever is controlled by controlling the mechanism and determining based on the control signal to the photodetector moving mechanism when the light beam reflected by the cantilever is incident on the predetermined position of the photodetector, or wobbling the photodetector. The same effect can be obtained even if it is obtained based on the control signal to the photodetector moving mechanism when the reflected light beam is incident on the predetermined position of the photodetector.
【図１】本発明の原子間力顕微鏡の一実施例の概略構成
図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of an atomic force microscope of the present invention.
【図２】図１に示した原子間力顕微鏡によりカンチレバ
ーの曲がり角を求める原理を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a principle of obtaining a bending angle of a cantilever by the atomic force microscope shown in FIG.
【図３】従来の光てこ方式の原子間力顕微鏡のカンチレ
バー近傍の概略斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view in the vicinity of a cantilever of a conventional optical lever type atomic force microscope.
【図４】図３に示した原子間力顕微鏡において、カンチ
レバーのたわみ量を求める原理を説明するための図であ
る。FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of obtaining the amount of deflection of the cantilever in the atomic force microscope shown in FIG.
【図５】カンチレバーのたわみの変化に応じた、２分割
光検出器の検出面への光ビームの入射位置を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing an incident position of a light beam on a detection surface of a two-divided photodetector according to a change in deflection of a cantilever.
【図６】２分割光検出器の検出面へ入射する光ビームの
スポット形状が変化したときの、スポット面積比への影
響を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the influence on the spot area ratio when the spot shape of the light beam incident on the detection surface of the two-split photodetector is changed.
２ カンチレバー ３ 探針 ４ 光源 ６ 光検出器移動機構 ７ ２分割光検出器 ７ａ 検出面 ７ｂ 分割線 ８ プリアンプ ９ 差動アンプ １０ 位置制御回路 １１ 画像処理回路 ２０ 光ビーム ３０ 試料 2 cantilever 3 probe 4 light source 6 photodetector moving mechanism 7 2 split photodetector 7a detection surface 7b split line 8 preamplifier 9 differential amplifier 10 position control circuit 11 image processing circuit 20 light beam 30 sample
Claims (8)
的に設けられたカンチレバーと、前記探針と前記試料と
を面方向に相対的に二次元走査させる走査手段と、前記
探針と前記試料表面との間に発生する原子間力により生
じる前記探針の上下動に伴う前記カンチレバーのたわみ
角を検出するための光学系とを有する、光てこ方式の原
子間力顕微鏡において、 前記光学系は、前記カンチレバーに向けて光ビームを発
する光源と、前記カンチレバーで反射された光ビームの
光量および位置を検出する光検出器とを備え、 前記光検出器を移動させる光検出器移動機構と、 前記光検出器駆動機構を駆動させて前記光検出器の位置
を制御し、前記カンチレバーで反射された光ビームが前
記光検出器の所定の位置に入射したときに、前記カンチ
レバーのたわみ角を検出する制御手段とを有することを
特徴とする原子間力顕微鏡。1. A cantilever integrally provided with a probe having a sharp tip facing a sample, a scanning means for relatively two-dimensionally scanning the probe and the sample in a plane direction, and the probe. An optical lever type atomic force microscope having an optical system for detecting the deflection angle of the cantilever accompanying the vertical movement of the probe caused by the atomic force generated between the needle and the sample surface, The optical system includes a light source that emits a light beam toward the cantilever, and a photodetector that detects the light amount and position of the light beam reflected by the cantilever, and a photodetector movement that moves the photodetector. Mechanism, and controlling the position of the photodetector by driving the photodetector drive mechanism, when the light beam reflected by the cantilever enters a predetermined position of the photodetector, An atomic force microscope, comprising: a control means for detecting a deflection angle.
の二次元走査中に、前記カンチレバーで反射された光ビ
ームの前記光検出器への入射位置が変動した際に、前記
入射位置の変動を打ち消す方向に前記光検出器を移動さ
せるように前記光検出器移動機構を制御し、前記カンチ
レバーで反射された光ビームが前記光検出器の所定の位
置に入射したときの前記光検出器移動機構への制御信号
に基づいて前記カンチレバーのたわみ角を検出するもの
である請求項１に記載の原子間力顕微鏡。2. The incident position of the light beam reflected by the cantilever when the incident position on the photodetector fluctuates during two-dimensional scanning between the probe and the sample. The photodetector moving mechanism is controlled so as to move the photodetector in a direction to cancel the fluctuation of the photodetector, and the photodetection is performed when the light beam reflected by the cantilever enters a predetermined position of the photodetector. The atomic force microscope according to claim 1, wherein the deflection angle of the cantilever is detected on the basis of a control signal to a device moving mechanism.
器ーを連続周期的に変位可能なウォブリング機能を有す
る機構である請求項１に記載の原子間力顕微鏡。3. The atomic force microscope according to claim 1, wherein the photodetector-moving mechanism is a mechanism having a wobbling function capable of displacing the photodetector continuously and cyclically.
の二次元走査中に前記光検出器移動機構により前記光検
出器をウォブリングさせながら、前記カンチレバーで反
射された光ビームが前記光検出器の所定の位置に入射し
たときの前記光検出器移動機構への制御信号に基づいて
前記カンチレバーのたわみ角を検出するものである請求
項３に記載の原子間力顕微鏡。4. The control means wobbling the photodetector by the photodetector moving mechanism during two-dimensional scanning between the probe and the sample, while the light beam reflected by the cantilever is the light beam. The atomic force microscope according to claim 3, wherein the deflection angle of the cantilever is detected based on a control signal to the photodetector moving mechanism when the light is incident on a predetermined position of the detector.
項１、２、３または４に記載の原子間力顕微鏡。5. The atomic force microscope according to claim 1, wherein the photodetector is a split photodetector.
分割光検出器の分割線上にある請求項５に記載の原子間
力顕微鏡。6. The atomic force microscope according to claim 5, wherein the predetermined position of the divided photodetector is on a dividing line of the divided photodetector.
る請求項５または６に記載の原子間力顕微鏡。7. The atomic force microscope according to claim 5, wherein the split photodetector is a split photodetector.
る請求項５または６に記載の原子間力顕微鏡。8. The atomic force microscope according to claim 5, wherein the split photodetector is a 4-split photodetector.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4415493A JPH06258068A (en) | 1993-03-04 | 1993-03-04 | Interatomic force microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4415493A JPH06258068A (en) | 1993-03-04 | 1993-03-04 | Interatomic force microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06258068A true JPH06258068A (en) | 1994-09-16 |
Family
ID=12683711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4415493A Pending JPH06258068A (en) | 1993-03-04 | 1993-03-04 | Interatomic force microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06258068A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1300564C (en) * | 2004-12-28 | 2007-02-14 | 天津大学 | Atomic force microscope measuring method based on angular measurement |
| CN1300565C (en) * | 2004-12-28 | 2007-02-14 | 天津大学 | Atomic force microscope measuring device based on angular measurement |
| US9118331B2 (en) | 2013-01-18 | 2015-08-25 | National University Corporation Shizuoka University | Contact state detection apparatus |
-
1993
- 1993-03-04 JP JP4415493A patent/JPH06258068A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1300564C (en) * | 2004-12-28 | 2007-02-14 | 天津大学 | Atomic force microscope measuring method based on angular measurement |
| CN1300565C (en) * | 2004-12-28 | 2007-02-14 | 天津大学 | Atomic force microscope measuring device based on angular measurement |
| US9118331B2 (en) | 2013-01-18 | 2015-08-25 | National University Corporation Shizuoka University | Contact state detection apparatus |
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