JPH07159418A

JPH07159418A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH07159418A
Application number: JP30285993A
Authority: JP
Inventors: Hideki Nagaoka; 秀樹長岡; Mitsuo Harada; 満雄原田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-12-02
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1995-06-23

Abstract

(57)【要約】【目的】カンチレバーの交換を再現性良く行なえ、その
変位検出系の光学調整も容易に行なえる走査型プローブ
顕微鏡を提供する。【構成】センサー本体４０には、レーザーダイオード１
２、コリメートレンズ１６、対物レンズ１８が取り付け
られている。その下方にはカンチレバー２０が配置され
ている。カンチレバー２０はカンチレバー支持台２６に
取り付けられている。カンチレバー支持体２６は二軸移
動可能な平行ばねを介してセンサー本体４０に固定され
ている。センサー本体４０にはカンチレバー２０をＸ方
向とＹ方向に移動させるｘねじとｙねじが設けられてい
る。集光レンズ３４と二分割受光素子３２が、センサー
本体４０に固定された受光素子二軸ステージ３８に取り
付けられている。試料２８は粗動アプローチ機構６４に
取り付けた圧電体６２の上に載置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、探針（プローブ）と試
料との間に作用する力を検出し、これに基づいて試料を
観察する走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】このように、探針と試料の間に作用する
力に基づいて試料を観察する走査型プローブ顕微鏡とし
ては、原子間力顕微鏡と磁気力顕微鏡がよく知られてい
る。この種の走査型プローブ顕微鏡では、探針と試料の
間に作用する力の検出は、通常、弾性変形する柔軟なカ
ンチレバーの自由端部に探針を設け、探針が力を受ける
ために生じるカンチレバーの自由端部の変位を調べるこ
とで行なっている。

【０００３】この変位を検出するカンチレバー変位検出
系としては、干渉法を利用したもの、合焦検出法を利用
したもの、角度検出法を利用したものがある。干渉法
は、探針の反対側のカンチレバーの自由端部の面に設け
たミラーにレーザービームを照射し、カンチレバーの変
位により生じる光路長の変化を干渉計を用いて干渉縞の
明暗強度の変化として検出し、その光路長変化に基づい
てカンチレバーの変位を求める方法である。合焦検出法
は、臨界角プリズムやシリンドリカルレンズやナイフエ
ッジなどの光学素子を介して、カンチレバーのミラーか
ら光受光器に投影されるビームの合焦状態を検出し、そ
の合焦状態に基づいてカンチレバーの変位を求める方法
である。角度検出法は、カンチレバーで反射されたビー
ムの角度変化を二分割受光素子で検出し、この角度変化
に基づいてカンチレバーの変位を求める方法である。

【０００４】これら、各種検出法の中で角度検出法の一
つである光てこ法は、構造が簡単な上に検出感度が高い
ことで一般によく利用されている。図５に、光てこ法を
利用したカンチレバー変位検出系の一例を示す。レーザ
ーダイオード１２からのレーザービーム１４は、コリメ
ータレンズ１６を通って平行光となり、対物レンズ１８
を通って集光され、その焦点位置で探針２２の反対側の
カンチレバー２０の自由端部に設けたミラー２４に照射
される。カンチレバー２０は、カンチレバー保持台２６
に例えば１０度程度傾けて取り付けられている。レーザ
ービーム１４は、ミラー２４で反射されたのち、固定鏡
３０で再度反射され、二分割受光素子３２に入射する。

【０００５】カンチレバー２０は、長さ１００〜２００
μｍ、幅５０μｍ、厚さ０．４〜４μｍといったＳｉ₃
Ｎ₄ 薄膜の微小部品であり、その自由端部の探針２２の
長さは６μｍと短い。レーザービーム１４は、レーザー
ダイオード１２の移動装置およびＺ移動装置等を駆使し
て、入射ビームがミラー２４に確実に照射し、反射ビー
ムが二分割受光素子３２の二分割線をまたぐように調整
される。

【０００６】カンチレバー２０が長方形の薄板の時、そ
の長さをＬ、厚さをａ、幅をｂとし、また弾性係数をＥ
とすると、力ｆと変位ΔＺの関係は次式で与えられる。 ΔＺ＝４Ｌ³ ｆ／ａ³ ｂＥ …（１）作用する力ｆは、探針２２の先端の原子構造と試料２８
の表面の原子的構造の組み合わせ、およびその接近距離
により決まる物理・化学的力（摩擦力、吸着力、凝着
力、静電気力、クーロン力、ファンデルワールス力な
ど）で、その大きさは１０^-5Ｎ／ｍから１０^-12 Ｎ／ｍ
と広範囲にわたり、カンチレバー２０およびその変位検
出系には様々な対応が求められる。このように、広い範
囲の力に対応するために、カンチレバー２０の寸法が選
択される。

【０００７】図６は、図５の探針２２を試料２８の表面
に接近および退避させたときの両者間の距離Ｚとカンチ
レバーの自由端部の変位（両者間に作用する力ｆ）の関
係を示すｆ−Ｚ曲線（フォースカーブ、移動サイクル
図）を示すもので、同図では縦軸に変位（力ｆ）をと
り、横軸に距離Ｚをとっている。

【０００８】図６において、両者間に力が作用していな
い（すなわちｆ＝０の）一点、たとえばＺ＝１μｍの点
を点Ｏとし、この点Ｏから探針１２を試料２８に近づけ
ていくと、点Ａを過ぎたところから力ｆを受けるように
なり、カンチレバー２０が変位し始める。最初に受ける
力ｆは引力で、ｆは負の符号で示される。

【０００９】さらに探針２２を試料２８に近づけていく
と、引力は負の方向に強まるが、偏極点Ｂを経て、点Ｃ
でピークに達する。このＡ→Ｂ→Ｃの領域を第一引力領
域ＦＳ１と呼ぶ。点Ｂを過ぎた辺りから、探針２２が斥
力の影響を受け始め、引力の増加勾配が弱まると共に斥
力の増加勾配が強まる。点Ｃを過ぎると今度は斥力が支
配的となり、点Ｃ以降ではｆ−Ｚ曲線は急勾配な直線と
なる。引力と斥力が相殺する点Ｄまでを第二引力領域Ｆ
Ｓ２と呼び、点Ｄ以降を斥力領域ＦＲと呼ぶ。

【００１０】次に、斥力領域ＦＲ内の適当な点Ｅから探
針２２を試料２８から遠ざけていくと、最初は接近時の
直線を逆進するが、第二引力領域ＦＳ２に入った後から
は点Ｃに向かわず、探針２２の側面に沿う表面張力や分
極による吸着力による引力の支配による曲線Ｄ→Ｆ→Ｇ
を経て、カンチレバー２０は作用力から解放され、Ｈ点
でｆ＝０の線上に戻る。

【００１１】これらｆ−Ｚ曲線の特徴点のＡ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの値（ｆ、Ｚ）は、探針２２と試料
２８の組み合わせや物理・化学的条件によって種々の数
値をとる。原子間力顕微鏡による測定は、試料２８上の
一点において所定の物理・化学的条件のもとでフォース
カーブをとりそれを分析すること、さらにフォースカー
ブ上の所定の領域（第一引力領域ＦＳ１、第二引力領域
ＦＳ２、斥力領域ＦＲ）内に基準点を設定し、その領域
内においてこの基準点を維持するようにフィードバック
制御しつつ探針２２を試料２８の表面に沿って走査する
ことにより、表面の物理・化学的特性を得て多次元像を
得ることができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】光てこ法では、例えば
図５において、レーザーダイオード１２からのレーザー
ビーム１４をカンチレバー２０のミラー２４に入射さ
せ、その反射ビームを二分割受光素子３２の二分割線上
に入射させる必要があり、従来ではレーザーダイオード
１２をＸＹ方向に移動させると共に二分割受光素子３２
をＺ方向に移動させることで対処している。このような
手法による調整には以下に述べるようないくつかの問題
がある。

【００１３】カンチレバーとレーザーダイオードと受光
素子の三者は相関干渉が強いため、これらの各々を独立
に無造作に動かして調整することは容易でない。また、
レーザービームの位置が移動してしまうと、カンチレバ
ーを交換する度に走査の中心と探針の位置がずれてしま
う。

【００１４】その移動調整機構は、その測定を実現する
ために剛性が高くなければならない。従来、この移動調
整機構は、二段のスライダーを持ったステージであった
り、磁石で固定したり、三点支持のねじ止めであったり
する。二段のスライダーを持つステージは、その剛性を
高くすることが難しく、それ自体大きなものとなる。磁
石で固定する場合、カンチレバーの向きが回転してしま
ったり、調整方向を規定する面を設けるなど、その構成
が大きくなる。また調整方向を規定する面がない場合、
カンチレバーを交換するときに以前にカンチレバーがあ
った位置がずれてしまいその位置を探すのが困難とな
る。三点支持のねじ止めの場合も同様でカンチレバーの
向きが回転してしまい、さらにその移動方向を把握して
調整することは非常に困難である。

【００１５】また、カンチレバーにレーザービームを照
射する光学系のＮＡが大きいほど、カンチレバー上での
レーザービームのスポットは小さくなり、スポットがカ
ンチレバーの背面からはみ出してしまうといった事態は
避け易くなるが、その反面、カンチレバーからの反射レ
ーザービームの広がり角も大きくなり、受光素子にその
受光面が大きなものを使用しなければならなくなる。

【００１６】さらに、カンチレバーの加工の誤差のそり
による反射位置の補正量は、反射ビームを受光素子に直
接入射させる構成では受光素子の必要な調整移動量が大
きくなり構成全体が大きくなる。その調整移動量が大き
いと、その移動調整機構の剛性を上げることは難しい。
本発明は、カンチレバーの交換を再現性良く行なえ、そ
の変位検出系の光学調整も容易に行なえる走査型プロー
ブ顕微鏡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】本発明は、カンチレバー
の自由端に支持された探針を用いて試料を観察する走査
型プローブ顕微鏡において、探針を有する側と反対側の
カンチレバーの自由端部に設けた反射面と、レーザービ
ームを射出する光源を含み、レーザービームをカンチレ
バーの反射面に所定の角度で入射させるビーム照射手段
と、反射面で反射された反射レーザービームを受ける受
光素子を含み、反射レーザービームの角度変化を検出し
これに基づいて探針の変位を検出する検出手段とを有す
る光てこセンサーを備え、光源が固定されていて、受光
素子とカンチレバーが光学調整のために移動可能に支持
されている。

【００１８】

【作用】レーザービームを射出する光源たとえばレーザ
ーダイオードが固定されているため、高い剛性が確保さ
れる。カンチレバーは、その耐久性の低さから頻繁に交
換され、交換の度にカンチレバー、レーザーダイオー
ド、受光素子の相対位置を調整する必要がある。このた
め、レーザーダイオードと受光素子を移動させて光学調
整を行なう従来の手法では、カンチレバーの位置および
加工精度に準じて交換の度にレーザーダイオードと受光
素子の両方を動かして調整しなければならない。本発明
では、レーザーダイオードは固定されており、光てこセ
ンサーの光学調整は、カンチレバーと受光素子の位置を
調節することで行なっているので、カンチレバーは交換
の前後の間のカンチレバーの取付誤差と加工誤差の違い
の分だけ移動させるだけで済み、受光素子は交換の前後
のカンチレバーのそりの加工誤差の違いの分だけ移動さ
せるだけで済む。

【００１９】また、レーザービームのスポットの落ちる
位置が一定となり、カンチレバーの探針の位置を常に一
定に保つことができ、走査の中心と探針の位置を一定に
することができる。

【００２０】カンチレバーは二軸移動可能なカンチレバ
ー取り付けのあてつけ面を持った平行ばねによって支持
されているとより好ましい。このように、平行ばね上の
カンチレバー取付位置にあてつけ面があると、交換前の
カンチレバーの取付位置と交換後のカンチレバーの取付
位置とがほぼ一致するようになる。このためカンチレバ
ーとレーザービームの位置調整は少なくて済み、カンチ
レバーの必要な移動量は平行ばねの移動量程度で十分で
ある。平行ばねはストロークは小さいが、剛性が高くコ
ンパクトに作ることができる。また、このカンチレバー
の位置決め機構は回転などによる軸ずれなどは無視でき
るほど小さい。特にカンチレバーの周辺はコンパクトに
剛性高く作ることが肝要であり、この構成によって安定
した原子間力顕微鏡の測定が可能となる。

【００２１】また、受光素子とカンチレバーの間に凸レ
ンズを配置するとなお好ましい。カンチレバーで反射さ
れたレーザービームは凸レンズで集光されて受光素子に
入射するため、カンチレバーからの反射光の反射角度が
小さくなるので、カンチレバーのそりの加工誤差があっ
ても調整量が少なくて済む。

【００２２】受光素子の受光面積も小さくて済み、受光
素子自体も小さくすることができる。なお、凸レンズを
設けるによってカンチレバーからの反射光の反射角度は
小さくなるが、そのぶん受光素子上のレーザーの密度は
高くなるので、そのスポットの移動量に対するセンサー
の感度は上がる。このような構成にすることにより、全
体のレイアウトを小型化することができ、結果的に剛性
の高い安定した走査型プローブ顕微鏡が得られるように
なる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。図１と図２に本発明に係わる試料走査
型の原子間力顕微鏡の第一の実施例を示す。

【００２４】図１に示すように、センサー本体４０とス
キャナー本体６６は、センサー本体４０に固定されてい
る支柱４８と、スキャナー本体６６に設けた三つの溝６
８とによって、位置決めされている。

【００２５】センサー本体４０には、レーザーダイオー
ド１２、コリメートレンズ１６、対物レンズ１８が、そ
の光軸が鉛直となるように取り付けられている。これら
の光学素子の下方にはカンチレバー２０が配置されてい
る。カンチレバー２０は、水平面に対して１０度傾けた
状態で、カンチレバー支持台２６に取り付けられてい
る。

【００２６】カンチレバー支持体２６は、図２に示すよ
うに、二軸移動可能な平行ばね４２を介してセンサー本
体４０に固定されている。センサー本体４０には、回転
操作に伴なうそれ自体の進退によって、カンチレバー支
持体２６すなわちカンチレバー２０をＸ方向とＹ方向に
移動させるｘねじ４４とｙねじ４６が設けられている。

【００２７】再び図１に戻り、レーザーダイオード１２
からのレーザービームをカンチレバー２０が反射する方
向には、集光レンズ３４と二分割受光素子３２が配置さ
れている。集光レンズ３４と二分割受光素子３２は、セ
ンサー本体４０に固定された受光素子二軸ステージ３８
に取り付けられている。

【００２８】カンチレバー２０の下方には試料２８が配
置される。試料２８は、微動走査を行なうための圧電体
６２の上に載置される。圧電体６２は、粗動を行なうた
めの粗動アプローチ機構６４に取り付けられている。

【００２９】次に、カンチレバーの変位を検出するため
の光てこセンサーについて説明する。レーザーダイオー
ド１２からのレーザービーム１４は、コリメートレンズ
１６によって平行光になり、対物レンズ１８により絞ら
れ、その焦点位置でカンチレバー２０の背面に照射され
る。カンチレバー２０はカンチレバー保持台２６に１０
度傾けて取り付けられており、レーザービーム１４は反
射後、集光レンズ３４に入射し絞られ二分割受光素子３
２にその焦点位置より手前で受光面３６に到達する。

【００３０】カンチレバー２０は、長さ１００〜２００
μｍ、幅５０μｍ、厚さ０．４〜４μｍの微小部品であ
り、カンチレバー交換の度にレーザービームのスポット
がカンチレバーの背面に乗るように、その位置が調整さ
れる。ここで、カンチレバーの位置決めするためにカン
チレバー２０は二軸のばね要素を持つ平行ばね４２とそ
の二軸を平行移動させるようｘねじ４４およびｙねじ４
６がセンサー本体４０に取り付けられている。ｘねじ４
４およびｙねじ４６はそれぞれ平行ばねの移動点４５、
４７に接しているだけであり、この二本のねじを回すこ
とによりカンチレバーを位置決めする。

【００３１】カンチレバーはその加工精度によって２０
０μｍのもので先端部が根元よりも最大±１０μｍそ
る。そこでそのそり及びカンチレバーの取り付け誤差に
より生じる二分割受光素子３２上のレーザービーム１４
の中心からのずれを受光素子二軸ステージ３８によって
移動調整する。カンチレバー２０から反射されたレーザ
ービームは集光レンズ３４で集光されているので、調整
の際の移動量は少なくて済む。

【００３２】所定の物理・化学的条件のもとで、試料２
８上の一点においてフォースカーブをとり、さらにフォ
ースカーブ上の領域で、測定点を設定し、それを基準と
して試料２８の表面を走査する。

【００３３】レーザーダイオード１２はレーザードライ
バー１０で駆動され、二分割受光素子３２で検出された
カンチレバー２０の変位信号５２はプリアンプ５０によ
って増幅されホストコンピューター５４に送られる。圧
電体駆動回路５６はホストコンピューター５４の指示に
より、カンチレバー２０の変位を一定に保つようなＺ駆
動信号６０を圧電体６２に供給する。これと同時に、圧
電体駆動回路５６は試料２８をＸＹ走査するためのＸＹ
駆動信号５８を圧電体６２に供給しており、ホストコン
ピューター５４は、このＸＹ駆動信号５８とＺ駆動信号
６０に基づいて試料２８の三次元凹凸像を構築し、これ
を記憶または表示する。

【００３４】このように、従来の原子間力顕微鏡よりも
コンパクトで剛性が高いセンサーを持ち、しかもカンチ
レバーの交換に伴なう調整も容易な原子間力顕微鏡を提
供することができる。

【００３５】図３と図４に本発明の第二の実施例を示
す。本実施例は、センサーとカンチレバーを走査するタ
イプの原子間力顕微鏡である。本実施例では、センサー
本体４０が圧電体６２と粗動アプローチ機構６４によっ
て支持されており、走査時にセンサー本体４０全体が移
動され、この点だけが第一の実施例と異なっている。他
の動作原理は全く同様なので説明は省略する。

【００３６】センサー及びカンチレバーの系は小型かつ
高剛性に構成されており、カンチレバー及びセンサーの
系を圧電体で駆動した際に系の大きさに起因して生じる
共振点低下や振動の問題など無視できるものとなってい
る。

【００３７】本実施例の原子間力顕微鏡は、走査の際に
センサー及びカンチレバーの系を駆動させているので、
試料の大きさに関する制約がなくなり、大きな試料も観
察できる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーを再現性
良く交換できるとともに交換時に必要な調整も容易に行
なえるカンチレバー変位検出系を備えた走査型プローブ
顕微鏡が提供されるようになる。従って、カンチレバー
の探針の位置を常に一定に保つことができ、走査の中心
と探針の位置を一定に保てることから、その測定データ
は再現性が良く信頼性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例である原子間力顕微鏡の
構成を示す図である。

【図２】図１の装置をII−II線で破断したときの断面図
である。

【図３】本発明の第二の実施例である原子間力顕微鏡の
構成を示す図である。

【図４】図３の装置を矢印IVの方向から見た図である。

【図５】光てこ法を利用したカンチレバー変位検出系の
従来例を示す。

【図６】探針を試料表面に接近および退避させた際に両
者間の距離Ｚと両者間に作用する力ｆの関係を示すｆ−
Ｚ曲線を示した図である。

【符号の説明】

１２…レーザーダイオード、２０…カンチレバー、３２
…二分割受光素子、３８…受光素子二軸ステージ、４４
…ｘねじ、４６…ｙねじ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバーの自由端に支持された探針
を用いて試料を観察する走査型プローブ顕微鏡におい
て、探針を有する側と反対側のカンチレバーの自由端部に設
けた反射面と、レーザービームを射出する光源を含み、レーザービーム
をカンチレバーの反射面に所定の角度で入射させるビー
ム照射手段と、反射面で反射された反射レーザービームを受ける受光素
子を含み、反射レーザービームの角度変化を検出しこれ
に基づいて探針の変位を検出する検出手段とを有する光
てこセンサーを備え、光源が固定されていて、受光素子とカンチレバーが光学
調整のために移動可能に支持されている走査型プローブ
顕微鏡。
【請求項２】前記カンチレバーが、二軸移動可能なカ
ンチレバー取り付けのあてつけ面を持った平行ばねによ
って支持されている請求項１に記載の走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項３】前記検出手段は、受光素子とカンチレバ
ーの間に配置された凸レンズを備えている請求項１に記
載の走査型プローブ顕微鏡。