| 【発明の名称】 |
走査型プローブ顕微鏡 |
| 【発明者】 |
【氏名】酒井 信明
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| 【要約】 |
【課題】カンチレバーから外れる光による光学的影響を受けること無く、カンチレバーからの反射光を安定して取り込むことによって、カンチレバーの変位を正確に検出することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】自由端に探針１３が形成されたカンチレバー１２と、このカンチレバーの変位状態を光学的に検出するように、カンチレバーに向けてレーザー光１７を出射可能なレーザーダイオード１４及びカンチレバーからの反射光を受光可能な２分割フォトディテクタ１８を有する変位センサと、レーザーダイオードからカンチレバーに向けて出射されたレーザー光のうち、カンチレバー以外の領域に拡がる光の反射方向を一定方向に規制するレバー構造体１２ａとを備える。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 カンチレバーと、このカンチレバーの変位状態を光学的に検出するように、カンチレバーに向けて変位検出光を出射可能な発光素子及びカンチレバーからの反射光を受光可能な受光素子を有する変位センサと、この変位センサの発光素子からカンチレバーに向けて出射された変位検出光のうち、カンチレバー以外の領域に拡がる光の反射方向を一定方向に規制する規制ユニットとを備え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】 前記規制ユニットは、カンチレバーの周囲に沿って延出したレバー構造体を備えていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】 前記規制ユニットは、カンチレバーの両側に夫々独立して延出したレバー構造体を備えていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば原子オーダーの分解能で試料の表面情報を測定するための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は、自由端に尖鋭化した探針を有するカンチレバーと、探針と試料とを相対的に移動させるスキャナとを備えている。そして、探針を試料に対向して近接させると、探針先端と試料表面との間に働く相互作用（原子間力、斥力、引力、粘性、磁気力など）によって、カンチレバーの自由端が変位する。この自由端に生じる変位量を電気的あるいは光学的に検出しながら、探針を試料表面に沿って相対的に走査することによって、試料の表面情報等（例えば、凹凸情報）を三次元的に測定している。
【０００３】このような走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーとしては、極めて微弱な相互作用を検出できるように、できるだけ柔軟である一方、共振周波数が高いことが望まれている。従って、このような相反する要求を満足するために、カンチレバーは、可能な限り小型化することが望まれている。実際には、幅４０μｍ、長さ１００〜２００μｍ程度のカンチレバーが多用されている。
【０００４】このような小型のカンチレバーの変位を検出するための装置としては、例えば特開平３−２９６６１２号公報に開示されたような光てこ方式の変位センサが一般的に用いられている。
【０００５】図３（ａ）には、特開平３−２９６６１２号公報に開示された変位センサの構成が示されており、この変位センサに対向配置されたカンチレバー２は、その基端がホルダ１に支持されており、その自由端が変位自在になっている。
【０００６】このような変位センサにおいて、光源４（レーザーダイオード）から出射したレーザー光７を絞り５から集光レンズ６を介してカンチレバー２の背面（探針３が形成された面とは反対側の面）に集光させると、カンチレバー２が変位していない場合には、カンチレバー２からの反射光は、２分割フォトディテクタ８の中心に入射する。
【０００７】これに対して、探針３先端と試料表面との間に働く相互作用によって、カンチレバー２の自由端が変位すると、その変位量に対応して、２分割フォトディテクタ８上のスポット位置が変動する。
【０００８】２分割フォトディテクタ８は、スポット位置の変化に対応した電気信号を出力することができるようになっているため、この電気信号に基づいて差動アンプ９から出力される変位信号を計測することによって、カンチレバー２の変位を検出することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、カンチレバー２の背面に集光させるレーザー光７のスポット径は、一般的に、大きければ大きい程良いとされている。なぜなら、大きなスポットをカンチレバー２の背面に集光させた場合には、カンチレバー２の背面の粗さに対応した反射光の光学的変化が平均化されるため、カンチレバー２からの反射光の反射方向が一方向に規制されるからである。
【００１０】現状において、幅４０μｍ程度のカンチレバー２に対して、実際のスポット径は、約４０μｍ程度に設定されている。なぜなら、スポット径を４０μｍ以上にすると、レーザー光７の一部が漏れ光となって、カンチレバー２から外れて試料に照射されてしまう。そして、漏れ光が試料表面に照射されると、試料表面の凹凸形状や反射率の相違等に対応した反射光や散乱光が試料から発生して、２分割フォトディテクタ８に入射してしまう。このような反射光や散乱光が２分割フォトディテクタ８に入射すると、その反射光や散乱光の光量変化に対応した電気信号が、ノイズとなって上記の変位信号に重畳され、カンチレバー２の変位を正確に検出できなくなってしまうからである。
【００１１】しかしながら、カンチレバー２に集光させるレーザー光７のスポットは、実際には、図３（ｂ），（ｃ）に示すような強度分布を有している。即ち、全光量の約９７％以上を占めるエアリーディスク、約２％程度の１次回折光、約０．５％程度の２次回折光、そして、３次以上の回折光（図示しない）となっている。
【００１２】このため、図４（ａ），（ｂ）に示すように、レーザー光７のスポット径（一般的に、スポット径とは、エアリーディスク径を示す）を約４０μｍ程度に設定した場合でも、全光量に対して約２％以上の光（１次回折光以上の光）がカンチレバー２からはみ出して試料１０に照射されてしまう。
【００１３】そして、カンチレバー２からはみ出した光が試料１０表面に照射されると、試料１０表面の凹凸形状や反射率の相違等に対応した反射光や散乱光が試料１０から発生して、２分割フォトディテクタ８に入射してしまう。このような反射光や散乱光が２分割フォトディテクタ８に入射すると、その反射光や散乱光の光量変化に対応した電気信号が、ノイズとなって上記の変位信号に重畳され、カンチレバー２の変位を正確に検出できなくなってしまう。
【００１４】本発明は、上述の問題を解決するために成されており、その目的は、カンチレバーから外れる光による光学的影響を受けること無く、カンチレバーからの反射光を安定して取り込むことによって、カンチレバーの変位を正確に検出することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するために、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、このカンチレバーの変位状態を光学的に検出するように、カンチレバーに向けて変位検出光を出射可能な発光素子及びカンチレバーからの反射光を受光可能な受光素子を有する変位センサと、この変位センサの発光素子からカンチレバーに向けて出射された変位検出光のうち、カンチレバー以外の領域に拡がる光の反射方向を一定方向に規制する規制ユニットとを備えている。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡について、図１及び図２を参照して説明する。本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡に適用可能な測定法としては、探針接触圧設定時のカンチレバーの撓み状態を一定に維持しながら、カンチレバーを励振させること無く探針を試料に沿って走査することによって、試料の表面情報を測定するスタティックモード測定法と、所定の共振周波数でカンチレバーを励振させた状態において、例えば振動中心と試料表面との間の距離を一定に維持しながら、探針を試料に沿って走査することによって、試料の表面情報を測定するダイナミックモード測定法とが知られているが、以下の説明では、両測定法を総称して単にＳＰＭ測定ということとする。
【００１７】また、走査型プローブ顕微鏡は、固定した試料に対して探針を所定方向に移動させることによって、試料の表面情報をＳＰＭ測定する探針走査型と、固定した探針に対して試料を所定方向に移動させることによって、試料の表面情報をＳＰＭ測定する試料走査型とに大別されるが、いずれにも本実施の形態に適用することができる。
【００１８】なお、探針走査型の走査型プローブ顕微鏡は、スキャナ（例えば、チューブ型圧電体スキャナ）の可動端にカンチレバーが取り付けられており、スキャナに印加する電圧を制御することによって、探針を試料に沿って所定方向に所定量だけ移動させることができるように構成されている。一方、試料走査型の走査型プローブ顕微鏡は、スキャナの可動端に試料を載置することができるようになっており、スキャナに印加する電圧を制御することによって、試料を探針に対して所定方向に移動させることができるように構成されている。
【００１９】図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡は、自由端に探針１３が形成されたカンチレバー１２と、このカンチレバー１２の変位状態を光学的に検出するように、カンチレバー１２に向けて変位検出光を出射可能な発光素子及びカンチレバー１２からの反射光を受光可能な受光素子を有する変位センサと、この変位センサの発光素子からカンチレバー１２に向けて出射された変位検出光のうち、カンチレバー１２以外の領域に拡がる光の反射方向を一定方向に規制する規制ユニットとを備えている。
【００２０】なお、カンチレバー１２及び後述するレバー構造体１２ａは、共に、半導体プロセスに基づいてシリコンウエハを加工することによって、容易に一体で製造することができる。例えば、シリコンウエハ上にシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜で図１（ｂ）に示される形状のマスクを施した後、このマスク部分を残すようにエッチング処理を行うことによって、容易にカンチレバー１２及びレバー構造体１２ａを一体成形することができる。
【００２１】本実施の形態の変位センサにおいて、発光素子としては、レーザーダイオード１４を適用しており、受光素子としては、２分割フォトディテクタ１８（４分割フォトディテクタでも良い）を適用している。
【００２２】変位センサには、レーザーダイオード１４から出射されたレーザー光のうち、全光量の約９７％以上を占めるエアリーディスクをカンチレバー１２の背面（探針１３が形成された面とは反対側の面）に集光させるための絞り１５及び集光レンズ１６が設けられている。
【００２３】また、カンチレバー１２は、その基端がホルダ１１に支持されており、その自由端が変位自在になっている。なお、このカンチレバー１２の背面は、反射率を上げるためのコーティングが施されている。
【００２４】本実施の形態の規制ユニットは、カンチレバー１２の周囲に沿って延出したレバー構造体１２ａを備えている。このレバー構造体１２ａは、ホルダ１１に支持されており、カンチレバー１２の変位状態に影響されること無く、常時、一定の姿勢を維持し続けることができるように構成されている。
【００２５】また、レバー構造体１２ａは、レーザーダイオード１４から絞り１５及び集光レンズ１６を介してカンチレバー１２の背面に向けて集光したレーザー光１７のうち、エアリーディスク以外の回折光を一定方向に反射させることが可能な形状寸法を有している。例えば、レバー構造体１２ａの反射面には、反射率及び反射方向が一定となるようなコーティングを施すことが好ましい。
【００２６】本実施の形態では、その一例として、レバー構造体１２ａは、少なくとも１次回折光を一定方向に反射させることが可能な形状寸法を有しており（図１（ｂ）参照）、具体的には、幅寸法が４０μｍのカンチレバー１２に対して径寸法が４０μｍのエアリーディスクを集光させた場合を想定すると、レバー構造体１２ａの幅寸法は、少なくとも１次回折光を一定方向に反射させることが可能な７０μｍ以上に設定されている。
【００２７】なお、このレバー構造体１２ａの幅寸法は、その一例であって、これ以外に、２次回折光以上の光をも同時に一定方向に反射させる必要がある場合には、これに対応してレバー構造体１２ａの幅寸法を大きくすれば良い。
【００２８】このような構成において、レーザーダイオード１４から絞り１５及び集光レンズ１６を介してカンチレバー１２の背面にレーザー光（エアリーディスク）１７を集光させると、カンチレバー１２が変位していない場合には、カンチレバー１２からの反射光は、２分割フォトディテクタ１８の中心に入射する。
【００２９】これに対して、探針１３先端と試料２０表面との間に働く相互作用によって、カンチレバー１２の自由端が変位すると、その変位量に対応して、２分割フォトディテクタ１８上のスポット位置が変動する。
【００３０】２分割フォトディテクタ１８は、スポット位置の変化に対応した電気信号を出力することができるようになっているため、この電気信号に基づいて差動アンプ１９から出力される変位信号を計測することによって、カンチレバー１２の変位を検出することができる。
【００３１】本実施の形態によれば、レバー構造体１２ａに入射した１次回折光は、このレバー構造体１２ａから反射した後、２分割フォトディテクタ１８に入射するが、レバー構造体１２ａは、カンチレバー１２の変位状態に影響されること無く、常時、一定の姿勢を維持し続けるため、レバー構造体１２ａからの１次回折光は、ＳＰＭ測定中、常時、一定の角度で且つその光量が変化すること無く２分割フォトディテクタ１８に入射する。
【００３２】これに対して、カンチレバー１２から反射したエアリーディスクの反射光は、カンチレバー１２の変位状態に対応して、２分割フォトディテクタ１８上のスポット位置が変化する。
【００３３】つまり、２分割フォトディテクタ１８上において、レバー構造体１２ａからの１次回折光の照射位置は、常時、変化しないて一定位置に維持されるが、カンチレバー１２から反射したエアリーディスクのスポット位置は、カンチレバー１２の変位状態に対応して、１次回折光の照射位置に対して変動する。
【００３４】このため、２分割フォトディテクタ１８から出力される電気信号のうち、１次回折光の光量に対応した信号成分は、ＳＰＭ測定中、常時、一定の値に維持される。この結果、２分割フォトディテクタ１８から出力される電気信号は、カンチレバー１２からの反射光のスポット位置変化に対応した信号成分だけを反映したものとなる。
【００３５】この場合、１次回折光の光量に対応して２分割フォトディテクタ１８から出力される信号成分が、差動アンプ１９から出力される変位信号にノイズとなって重畳されることは無い。
【００３６】また、レーザーダイオード１４から絞り１５及び集光レンズ１６を介してカンチレバー１２の背面に向けて出射されたレーザー光１７のうち、上記ノイズの原因となり得るエアリーディスク以外の回折光は、レバー構造体１２ａによって全て一定方向（具体的には、試料２０を回避する方向）に反射されるため、試料２０表面からの反射光や散乱光が２分割フォトディテクタ１８に入射することを事前に防止することができる。
【００３７】ただし、レバー構造体１２ａの幅寸法以上の領域に広がる高次の回折光（本実施の形態では、例えば２次回折光以上の回折光）が試料２０に照射された場合でも、この試料２０からの反射光や散乱光の光量は、０．５％以下の極めて弱く且つ無視できる程度の光量であるため、カンチレバー１２の変位検出には、ほとんど影響しない。
【００３８】更に言えば、上述の通り、高次の回折光は、レバー構造体１２ａの幅寸法以上の領域に広がりを有しており、試料２０で反射された後に２分割フォトディテクタ１８に入射しない光が存在する。この点からも高次の回折光は、極めて弱く且つ無視できる程度の光量であるため、カンチレバー１２の変位検出には、ほとんど影響しない。
【００３９】従って、本実施の形態によれば、カンチレバー１２から外れる光による光学的影響を受けること無く、カンチレバー１２からの反射光を安定して取り込むことによって、カンチレバー１２の変位を正確に検出することが可能な走査型プローブ顕微鏡を実現することができる。
【００４０】なお、レバー構造体１２ａの形状は、図１（ｂ）に示すような一体構造を成す必要は無く、カンチレバー１２以外の領域に拡がる光の反射方向を一定方向に規制することが可能であれば、例えば図２（ｂ）に示すように、カンチレバー１２の両側に夫々独立して延出させても、上記同様の作用効果を実現することができる。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーから外れる光による光学的影響を受けること無く、カンチレバーからの反射光を安定して取り込むことによって、カンチレバーの変位を正確に検出することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００３７６
【氏名又は名称】オリンパス光学工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月２３日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外４名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２７１３４６ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月８日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−７４５０６ |
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