(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、前記筐体内に配置され、固定端および自由端を有し、前記自由端近傍に被測定試料に間隙を持って配置される探針を保持し、前記被測定試料の表面状態に応じて前記自由端側が変位するカンチレバーと、前記カンチレバー上に固定された発光素子と、前記筐体に固定され、前記発光素子からの光を直接受光する受光装置とを有し、前記受光装置は、複数個の受光素子を並べたものであり、前記カンチレバーの傾き角に応じて、各々の受光素子が検知する、前記発光素子から発せられた光の受光量が変化するように前記複数個の受光素子が配置されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
筐体と、前記筐体内に配置され、固定端および自由端を有し、前記自由端近傍に被測定試料に間隙を持って配置される探針を保持し、前記被測定試料の表面状態に応じて前記自由端側が変位するカンチレバーと、前記カンチレバー上に固定された発光素子と、前記発光素子から発せられた光を所定の方向に反射する反射板と、前記筐体に固定され、前記反射板からの反射光を受光する受光装置とを有し、前記受光装置は、複数個の受光素子を並べたものであり、前記カンチレバーの傾き角に応じて、各々の受光素子が検知する、前記発光素子から発せられた光の受光量が変化するように前記複数個の受光素子が配置されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記発光素子は、前記カンチレバーの前記探針を固定する面の裏面側に固定されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記発光素子からの光を前記検出器に向けて集光する集光装置を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に係わり、特に光てこ方式を採用した走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡(ＳＰＭ)は、被測定物質のミクロンオーダーの領域における表面の構造や物性をナノオーダーの空間分解能で知ることができる装置である。ＳＰＭは各種の顕微鏡やそれらの関連技術まで含む総称であり、その原理や検出する情報などによって多くの種類に分類されているが、いずれも探針を用いているという共通点がある。
【０００３】
つまり、ＳＰＭでは微細加工によって先端がナノオーダーまで先鋭化された探針を被測定物質の表面近傍で走査させて、この探針を介して表面に関する様々な情報を得ることになる。具体的には、被測定物質と探針の間の相互作用による各種信号、被測定物質との相互作用によって探針が受ける力、力を受けることに伴う探針の変位などを利用して、間接的に表面に関する情報を得る装置がある。
【０００４】
例えば、探針を表面近傍に配置したときに被測定物質表面と探針との間に生じる原子間力を利用し、探針を走査させたときの原子間力の増減を被測定物質と探針の間の距離情報に変換することで表面構造を得る原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)などは、ＳＰＭの中で多く用いられる装置である。
【０００５】
ＡＦＭにおいて被測定物質表面と探針との間に生じる原子間力を検出する方法として、探針が原子間力を受けることに伴う探針の変位を利用している。ＡＦＭに限らず、他のＳＰＭ各種においても、被測定物質との相互作用によって探針が受ける力を利用する際には、探針が力を受けることによる探針の変位を検出する必要がある。探針の変位を検出する方法はいくつかあるが、現在のＳＰＭには装置構成が簡単な光てこ方式が最も多く用いられている。
【０００６】
従来用いられている光てこ方式では、レーザーダイオード(半導体レーザー)などの発光素子を用いて探針を保持するカンチレバーの背面にレーザー光を照射し、検出部が複数に分割されたフォトダイオードなどの受光装置を用いてカンチレバー背面からの反射光の角度変化を検出する。実際の装置では、このようにして得られた探針の変位をもとにして、被測定物質と探針の間の距離が一定になるように(つまり原子間力が一定になるように)位置制御が行われ、この際の移動距離から表面構造が得られる。
【０００７】
しかしながら、このような従来の光てこ方式では、カンチレバー背面へのレーザー光照射が適切でない時にカンチレバーからレーザー光が漏れたり、あるいは、カンチレバー背面へのレーザー光照射が適切な場合でもプローブをレーザー光が透過したりしてしまうことがある。カンチレバーから漏れた、もしくは、透過した光は被測定物質表面に到達し、表面の反射率が高い場合には反射して受光装置に戻ることになる。このとき、プローブ背面で反射した光と被測定物質表面で反射した光とが干渉を起こすことがある。このような光が受光装置で検出されると、光干渉による周期的な光の強弱が生じていることから、検出位置によって強度の異なる光を検出することになる。カンチレバー背面からの反射光を検出する際、光干渉の影響を受けて探針変位の情報が埋もれてしまうことがあり、その結果、表面構造を正確に観測することができなくなるという問題が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の光てこ方式を採用した走査型プローブ顕微鏡においては、受光装置で正確な反射光を検出できず、したがって探針の変位量を正確に検出できなくなる場合があった。その結果被測定試料の正確な表面構造を観測できなくなる。
【０００９】
本発明は、探針の変位量を正確に検出し、ひいては被測定試料の正確な表面構造を観測できる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、筐体と、前記筐体内に配置され、固定端および自由端を有し、前記自由端近傍に被測定試料に間隙を持って配置される探針を保持し、前記被測定試料の表面状態に応じて前記自由端側が変位するカンチレバーと、前記カンチレバー上に固定された発光素子と、前記筐体に固定され、前記発光素子からの光を直接受光する受光装置とを有し、前記受光装置は、複数個の受光素子を並べたものであり、前記カンチレバーの傾き角に応じて、各々の受光素子が検知する、前記発光素子から発せられた光の受光量が変化するように前記複数個の受光素子が配置されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、筐体と、前記筐体内に配置され、固定端および自由端を有し、前記自由端近傍に被測定試料に間隙を持って配置される探針を保持し、前記被測定試料の表面状態に応じて前記自由端側が変位するカンチレバーと、前記カンチレバー上に固定された発光素子と、前記発光素子から発せられた光を所定の方向に反射する反射板と、前記筐体に固定され、前記反射板からの反射光を受光する受光装置とを有し、前記受光装置は、複数個の受光素子を並べたものであり、前記カンチレバーの傾き角に応じて、各々の受光素子が検知する、前記発光素子から発せられた光の受光量が変化するように前記複数個の受光素子が配置されていることを特徴とする。
【００１４】
前記発光素子は、前記カンチレバーの前記探針が発光素子を固定する面の裏面側に固定されることが好ましい。
【００１５】
前記発光素子からの光を前記検出器に向けて集光する集光装置を有することが好ましい。
【００１６】
すなわち、従来の光てこ方式を採用した走査型プローブ顕微鏡では、発光素子からカンチレバーに照射光を当て、カンチレバーからの反射光を受光装置で検出しようとしていたため、受光装置で受ける光には、カンチレバーからの反射光と、カンチレバー以外の場所で反射した反射光とが干渉してしまうため、カンチレバーの位置（反射位置）を正確に検出することができなかった。
【００１７】
これに対し、本発明では、カンチレバーに発光素子を設けたため、受光装置は発光素子からの照射光を直接受ける、あるいは任意のサイズの反射板による反射光を受けるため、意図しない場所で生じた反射光との干渉が無くなり、カンチレバーの位置（発光素子の位置）を正確に検出することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、原子間力顕微鏡の概念図であり、この図面を用いて、以下に本発明の第１の実施形態を説明する。
【００１９】
試料台１の水平は上面を有しており、この水平な上面には例えば半導体ウエハや、ハードディスク記録媒体のような薄板状の被測定試料２が、観測しようとする面を上面になるようにして載置されている。
また、試料台１は、ＣＰＵ３からの駆動信号に応じて駆動する駆動装置３によって水平面（Ｘ−Ｙ平面）での移動も、垂直方向（Ｚ軸方向）の移動も可能であり、前記被測定試料を所望の位置に移動させることができる。
【００２０】
被測定試料２の上面を観測するためのプローブがその上側に配置されている。プローブは、カンチレバー５、探針６およびカンチレバー支持部材１２とを具備している。
【００２１】
カンチレバー５は所定のばね係数を持った弾性板であり、その一端はカンチレバー支持部材１２によって固定されている。また、カンチレバー５の他端は自由端になっており、この自由端近傍には、探針６が設けられている。
【００２２】
この探針６は、その先端が被測定試料２に向くように、さらに探針６の先端と被測定試料２との間に所定の間隙が形成されるように配置されている。以降、この時のカンチレバーの状態を「初期のカンチレバーの状態」と呼ぶ。
【００２３】
カンチレバーとしては、例えば長さ（自由端から固定端までの長さ）１００μｍ〜５００μｍ、幅（探針が形成される面の幅）２０μｍ〜１００μｍ、厚さ１μｍ〜１０μｍ程度のシリコンなどが使用できる。探針は、通常先端極率が１ｎｍ〜１０ｎｍ程度で長さ１０μｍ〜２０μｍ程度の形状で針状あるいは錐状のものが使用され、例えばシリコンや、シリコン表面に耐磨耗性のためにダイヤモンドコートを施したものが使用できる。
【００２４】
また、カンチレバー５、探針６およびカンチレバー支持部材１２は、それぞれを接合したものであっても良いし、一体成形したものであっても良い。
【００２５】
試料台１がＸ−Ｙ面で移動することで被測定試料２の上面を探針６で走査すると、探針６は被測定試料２の表面状態に応じた力を受ける。
【００２６】
例えば原子間力顕微鏡では、被測定試料２表面に凹凸が存在すると、探針６と被測定試料２との距離が変化して両者間の原子間力が変化し、探針６は力を受ける。そして、探針６が受けた力に応じてカンチレバー５の自由端が上下方向にＺ軸方向に変位する。その結果、自由端近傍においてカンチレバー５の傾き角が初期のカンチレバーの状態から変化する。具体的には、被測定試料表面高さが大きくなると探針と被測定試料との原子間力が大きくなりカンチレバー５の傾き角は大きくなり、逆に被測定試料表面高さが小さくなると探針と被測定試料との原子間力が小さくなり、カンチレバー５の傾きは小さくなる。
【００２７】
ここで、原子間力顕微鏡での測定に適した試料表面凹凸は１ｎｍ〜１０μｍ程度である。
【００２８】
なお、「自由端近傍」とは、このカンチレバー５の傾き角の変化を後述する受光装置によって認識できる程度の範囲を指すが、自由端に近いほど、力による傾き角の変化量が大きくなるので、より自由端側に近い領域と設定することが好ましい。
【００２９】
一方、カンチレバー５の自由端の近傍上面には、レーザーダイオードなどの発光素子８が固定されており、発光素子８から発せられた光は、筐体７に固定された受光装置９によって直接受光される。
【００３０】
この時、発光素子８から発せられた光が複数の受光素子に照射されるような場合には、図示するように発光素子８から受光装置９までの光路に光学レンズなど集光手段１０を配置して、所望の範囲に光を照射させることで、カンチレバー５のより正確な傾き角を得ることができる。ここで「直接受光する」とは、反射させずに受光することであり、単に光学レンズを通過した光の受光は、「直接受光する」の表現に含まれるものである。
【００３１】
この発光素子８は、カンチレバー５の長さ方向と発光素子８の発光方向との為す角が一定となるように固定されていれば、カンチレバー５に造りこまれたものであっても良いし、カンチレバー５の表面に別途配置したものであっても良い。
【００３２】
受光装置９は、フォトダイオードなどの受光素子を複数個並べたものであり、発光素子８から発せられた光が、カンチレバー５の傾き角に応じてそれぞれの受光素子が検知する受光量が変化するように配置されている。また、複数の受光素子が検知結果は個別にＣＰＵ３に送られる。
【００３３】
ＣＰＵ３では受光装置の受光状態から、初期のカンチレバーの状態に対して、カンチレバー５が被測定試料から近づいたのか、遠のいたのかを判断する。そして、カンチレバーの初期の状態に近づくように、すなわち探針６とカンチレバー５との距離が前述した初期の間隔になるように、試料台１をＺ軸方向に移動させる。
【００３４】
さらに、ＣＰＵでは移動中も受光装置８の受光状態を観測し、カンチレバーの初期の状態での受光状態と同じ受光状態になったところで、Ｚ軸方向の移動を止める。すなわち、探針６と被測定試料２表面との距離が前述した「所定の間隙」になる。
【００３５】
このＺ軸方向の移動量が、被測定試料２表面の高さ変動であり、ＣＰＵ３では、被測定試料表面の位置（ｘ、ｙ）に移動したときの、Ｚ軸方向の変動量ｚを対応させて記憶することで、被測定試料２表面の凹凸状態を表すことが可能になる。
【００３６】
上述したように、第１の実施形態においては、カンチレバーからの反射光を受光せず、発光素子から発せられた光を直接受光装置で受光するため、被測定試料表面など意図しない場所での反射光によって受光に悪影響を及ばすことが無くなり、被測定試料表面の凹凸状態を測定することが可能になる。
【００３７】
次に第２の実施形態について、図２を用いて説明する。
【００３８】
図２は、原子間力顕微鏡の概念図であり、第１の実施形態で述べたのと同じものについては同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３９】
本実施形態においては、発光素子８から発せられた光を受光装置９で直接受光せず、一度ミラーなどの反射板１１に反射させた反射光を受光装置９で受光する点で第１の実施形態と異なっている。このように反射板を設けることで、受光装置９の配置場所を任意の位置に設定することが可能である。
【００４０】
従来の光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡では、重量や形状に制限があるカンチレバー５に光を反射させていたが、この反射板１１はこれらの制限が無いため、発光素子８から発せられる光を確実に反射できる程度の大きさ、厚さに設定できるため、意図しない場所で生じる反射光が受光装置９に入射することを防ぐことができる。
【００４１】
第１の実施形態および第２の実施形態における、集光装置の変形例について図３を用いて説明する。
【００４２】
図３は、カンチレバーの自由端側の概略斜視図であり、前述したように、カンチレバー５の片面には探針６が、背面には発光素子８が配置されている。さらに、カンチレバー５の背面には、半球形の殻１０’が発光素子８を覆うように固定されており、殻１０’の天井にレンズ１０が形成されている。
【００４３】
レンズ１０が筐体などに固定されていると、カンチレバー５が変位した時に発光素子８とレンズ１０の相対位置が変わるため、発光素子８から発した光の集束点が光軸からずれてしまう恐れがあるが、このようにカンチレバー５にレンズ１０を固定することで、光の集束点が光軸と常に一致するため、受光装置９によっる受光状態を正確に検出することが可能になる。
【００４４】
上述したように、各実施形態においては、カンチレバーからの反射光を受光せず、発光素子から発せられた光を直接受光装置で受光するため、意図しない場所での反射光によって受光に悪影響を及ばすことが無くなり、被測定試料表面の凹凸状態を測定することが可能になる。
【００４５】
また、本発明は、原子間力顕微鏡に限らず、光てこ方式を採用した走査型プローブ顕微鏡であれば、磁気力顕微鏡、電気力顕微鏡、あるいは水平力顕微鏡などにも適応することができる。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針の変位量を正確に検出し、ひいては被測定試料の正確な表面構造を観測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の原子間力顕微鏡を示す概略図。
【図２】  本発明の第２の実施形態の原子間力顕微鏡を示す概念図。
【図３】  集光装置の変形例を示す斜視図。
【符号の説明】
１…試料台
２…被測定試料
３…ＣＰＵ
４…駆動装置
５…カンチレバー
６…探針
７…筐体
８…発光素子
９…受光装置
１０…レンズ
１１…ミラー
【図１】
0003874685.tif 000002
【図２】
0003874685.tif 000003
【図３】
0003874685.tif 000004