扫描型探针显微镜的制作方法

本发明涉及一种通过用探针对试样表面进行扫描来获得该试样表面的信息的扫描型探针显微镜(spm：scanningprobemicroscope)。

背景技术：

扫描型探针显微镜将微小的探针(probe)的前端接近试样表面，一边用该探针对试样表面进行扫描一边检测该探针与试样的力学/电磁的相互作用。由此获取到的数据被扫描型探针显微镜用的数据处理装置取入，以供试样表面的形状、物理属性的解析。

图1示出扫描型探针显微镜的主要部分结构。扫描型探针显微镜包括测定部101和控制处理部102。测定部101基于来自控制处理部102的控制信号进行动作，用测定部101获取到的测定数据依次被发送到控制处理部102以供分析。

关于测定部101，作为测定对象的试样110被载置在设置于扫描器112的上方的试样台111上。扫描器112包括：xy扫描器1121，其使试样台111沿着在水平面内彼此正交的x轴、y轴这两个方向移动；以及z扫描器1122，其使试样台111沿着与x轴及y轴正交的z轴方向(铅垂方向)移动。xy扫描器1121和z扫描器1122分别由基于来自控制处理部102的控制信号进行动作的压电元件(未图示)驱动。

前端(可动端)具有探针116且具有挠性的悬臂115的基端被固定在扫描器112的上方。为了检测悬臂115的挠曲，在悬臂115的可动端的探针116的背面形成有反射面，另外在其上方设置有包括激光光源1171、半透半反镜1172、反射镜1173以及光检测器1174的光学位移检测部117。在光学位移检测部117中，用半透半反镜1172使从激光光源1171射出的激光向大致垂直下方反射，来照射到悬臂115的反射面。在该反射面上反射的光经由反射镜1173入射到光检测器1174。光检测器1174是具有例如被分割为四份的受光面的四分割光检测器。当悬臂115挠曲时，所述反射面的角度发生变化，向四个分割受光面入射的光量的比例发生变化。来自光检测器1174的输出信号被发送到控制处理部102。控制处理部102对与光检测器1174的多个分割受光面上的受光光量的比例相应的检测信号进行运算处理，来计算悬臂115的挠曲量(即，前端部的位移量)。

作为扫描型探针显微镜的测定模式之一，存在一种接触模式。在该测定模式下，例如利用扫描器112使试样台111上升，一边使试样110表面靠近探针116一边测定悬臂115的挠曲量，由此获取表示试样110表面与悬臂115的基端之间的距离同悬臂115的挠曲量的关系的接近线，另外，一边使试样110表面远离探针116一边测定悬臂115的挠曲量，由此同样地获取释放线(例如专利文献1)。接近线与释放线的组合被称为力曲线。

另外，在扫描型探针显微镜的其它测定模式中存在一种动态模式。在动态模式下，例如一边使悬臂115以规定的频率振动一边以使探针接近试样110表面的状态对该表面进行扫描，由此测定悬臂115的由与试样110的相互作用引起的振动频率的变化(例如专利文献2)。

专利文献1：日本特开2005-283433号公报

专利文献2：日本特开2011-33482号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

如在专利文献2中记载的那样，在使用了扫描型探针显微镜的试样110的测定中，除了在探针与试样之间的距离接近几nm左右的状态下发挥作用的力学/电磁的相互作用(短距离力)以外，也存在对悬臂115的动作造成影响的因素。作为这样的因素，例如能够列举测定环境的温度变化、因向悬臂115的反射面照射激光而产生的发热、在探针与试样之间的距离间距为几μm左右的状态下发挥作用的静电力(长距离力)。在专利文献2中记载了以下内容：在动态模式下，通过每当悬臂115的振动频率的变化超过预先决定的阈值时对该阈值加上偏移量(频率)，来排除这些因素的影响。

但是，在接触模式下，当由于上述因素导致悬臂115的挠曲量变化时，在光检测器1174的受光面上从悬臂115的反射面反射的反射光的受光位置变化。如果该变化持续，则例如成为以下状态：在初始状态下如图2的(a)所示那样入射到受光面的中央的反射光如图2的(b)所示那样仅入射到1个分割受光面。如上所述，该光检测器1174通过对与多个分割受光面上的受光光量的比例相应的检测信号进行运算处理来计算悬臂115的挠曲量，因此存在以下问题：如果反射光仅入射到1个分割受光面，则无法求出悬臂115的挠曲量。

本发明要解决的问题在于提供如下一种扫描型探针显微镜：即使在试样的测定中由于测定环境的温度变化等不期望的因素导致悬臂发生挠曲的情况下，也能够准确地测定探针与试样的力学/电磁的相互作用(短距离力)。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本发明是一种扫描型探针显微镜，使用具有挠性且两端为基端和可动端的悬臂来通过设置于该可动端的探针对试样表面进行扫描，该扫描型探针显微镜具备：

a)测定光照射部，其向设置于所述可动端的反射面照射光；

b)光检测部，其通过比从所述反射面反射的反射光的入射区域大且被分割成多个区域的受光面来检测该反射光；

c)挠曲量计算部，其基于向所述多个区域入射的光量的比例来求出所述悬臂的挠曲量；

d)判定部，其判定所述悬臂的挠曲的针对所述悬臂的基端与所述试样之间的距离的变化量是否为预先决定的阈值以上；以及

e)入射位置移动部，其在所述变化量比所述阈值小的情况下，使所述反射光的向所述受光面入射的入射位置移动使得抵消该变化量。

所述入射位置移动部例如是使所述受光面的位置移动的受光面移动部或者使配置在所述反射面与所述受光面之间的光学元件的位置移动的光学元件移动部。

扫描型探针显微镜测定设置于悬臂的可动端的探针与试样的力学/电磁的相互作用(短距离力)。这种短距离力是在悬臂的基端与试样表面的距离远的期间不起作用、当该距离接近到几nm左右时急剧地发挥作用的力，另外，使悬臂的挠曲的针对悬臂的基端与试样表面之间的距离的变化量大。另一方面，由测定环境的温度变化、因向悬臂的反射面照射激光而产生的发热之类的因素引起的挠曲的变化量同悬臂的基端与试样之间的距离无关。另外，由在试样与悬臂之间起作用的静电力等(长距离力)引起的挠曲的针对悬臂的基端与试样之间的距离的变化量比由短距离力引起的挠曲的针对悬臂的基端与试样之间的距离的变化量小。因而，事先以仅使基于短距离力的挠曲的变化量有效的方式决定所述阈值，在悬臂的挠曲的变化量比该阈值小的情况下使受光面移动使得抵消该变化量，由此能够排除由不期望的因素引起的悬臂的挠曲的变化量，从而能够准确地测定悬臂的探针与试样的力学/电磁的相互作用(短距离力)。

本发明所涉及的扫描型探针显微镜例如能够构成为：

所述挠曲量计算部按第一周期求出所述悬臂的挠曲量，

所述判定部按第二周期判定所述悬臂的挠曲的针对所述悬臂与所述试样之间的距离的变化量是否为预先决定的阈值以上，其中，所述第二周期比所述第一周期长。

发明的效果

通过使用本发明所涉及的扫描型探针显微镜，即使在试样的测定中由于测定环境的温度变化等不期望的因素导致悬臂发生挠曲的情况下，也能够准确地测定探针与试样的力学/电磁的相互作用(短距离力)。

附图说明

图1是以往的扫描型探针显微镜的主要部分结构图。

图2是说明从悬臂的反射面向光检测器的受光面入射的光的入射位置的图。

图3是本发明所涉及的扫描型探针显微镜的一个实施例的主要部分结构图。

图4是说明悬臂的挠曲的一例的图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明所涉及的扫描型探针显微镜的实施例。

图2是本实施例的扫描型探针显微镜的主要部分结构图。该扫描型探针显微镜包括测定部1和控制处理部2，控制处理部2具备测定控制部3和数据处理部4。控制处理部2的实体是具备后述的结构及功能块的个人计算机，连接有输入部5和显示部6。

关于测定部1，作为测定对象的试样10被载置在设置于扫描器12的上方的试样台11上。扫描器12包括：xy扫描器121，其使试样台11沿着在水平面内彼此正交的x轴、y轴这两个轴向移动；以及z扫描器122，其使试样台11沿着与x轴及y轴正交的z轴方向(铅垂方向)移动。xy扫描器121和z扫描器122分别由基于来自测定控制部3的控制信号进行动作的压电元件(未图示)驱动。

在试样10的上方(在此是在z轴方向上远离的位置)配置有前端具有探针16且具有挠性的悬臂15。为了检测悬臂15的在z轴方向上的位移，在该悬臂15的上方设置有包括激光光源171、半透半反镜172、反射镜173以及光检测器174的光学位移检测部17。另外，构成为能够利用具有压电元件(未图示)来作为驱动源的受光面移动机构18使光检测器174的受光面移动。

在光学位移检测部17中，用半透半反镜172使从激光光源171射出的激光向大致垂直下方反射，从而照射到设置于悬臂15的前端背面的反射面。在该反射面上反射的光经由反射镜173入射到光检测器174。光检测器174是具有沿z轴方向和y轴方向被分割为四份的受光面的四分割光检测器，该光检测器174的输出信号被发送到后述的挠曲量计算部41。

测定控制部3主要控制测定部1的测定动作，基于由使用者输入的各种测定条件驱动扫描器12来用悬臂15对试样10的表面进行扫描，获取试样10表面的各测定点处的由接近线和释放线形成的力曲线的数据。通过测定得到的数据被保存到数据处理部4的存储部40中。

数据处理部4除了具备存储部40以外，还具备挠曲量计算部41、判定部42以及受光面移动控制部43来作为功能块。此外，本实施例的受光面移动机构18和受光面移动控制部43相当于本发明的入射位置移动部。这些功能块通过由构成控制处理部2的计算机的cpu执行数据处理用程序来具体实现。在存储部40中预先保存有在后述的动作中使用的悬臂15的挠曲量的最大值kmax以及悬臂15的挠曲的针对悬臂15的基端与试样10之间的距离的变化量的阈值kth。

下面，说明本实施例的扫描型探针显微镜的测定动作。在此，对在接触模式下使用扫描型探针显微镜来获取构成力曲线的接近线数据的例子进行说明。

当由使用者指示测定开始时，测定控制部3向x-y方向驱动部13发送控制信号来使探针16向试样10的表面的测定位置的上方移动，接着向z方向驱动部14发送电信号来使试样台11以预先决定的固定速度向上方移动。由此，悬臂15的基端与试样10之间的距离逐渐接近，设置于悬臂15的探针16逐渐接近试样10的表面。

在使试样台11向上方移动的期间，挠曲量计算部41按第一周期(200khz)基于来自光检测器174的输出信号、具体地说根据4个分割受光面上的受光光量的比例，来求出悬臂15的挠曲量和挠曲的方向。判定部42每当由挠曲量计算部41求出悬臂15的挠曲量时(即按第一周期)，判定该挠曲量是否达到存储部40中保存的最大值kmax。该最大值kmax是用于确认探针16的前端到达试样表面的值。具体地说，在探针16的前端到达试样10的表面后该前端被按压于试样10的表面而悬臂15略微弯成弓形的状态下的悬臂15的挠曲量被设定为最大值kmax。

如果悬臂15的挠曲量没有达到最大值kmax，则测定控制部3继续使试样台11向上方移动。如果悬臂15的挠曲量达到最大值kmax，则测定控制部3使试样台11停止向上方移动并结束接近线数据的获取。

另外，判定部42按比第一周期长的第二周期(20khz)，判定悬臂15的挠曲的针对悬臂15的基端与试样10之间的距离的变化量是否为预先决定的阈值kth以上。在本实施例中，如上所述是使试样台11以固定速度向上方移动的结构，该阈值kth被预先设定为与在20khz的周期的期间(50μs)移动的试样台11的距离相应的变化量。因此，能够根据从上次判定时起的悬臂15的挠曲的变化量是否超过存储部40中保存的阈值kth来进行该判定。

预先基于预测定的结果等来决定用于上述判定的阈值kth，使得该阈值成为比由测定环境的温度变化、因向悬臂的反射面照射激光而产生的发热等因素引起的挠曲的变化量大、且比基于探针16与试样10之间的力学/电磁的相互作用(短距离力)的挠曲的变化量小的值。因而，能够通过上述判定来判定所求出的悬臂15的挠曲是否由试样10与探针16之间的短距离力引起。

在判定部42判定为悬臂15的挠曲量超过阈值kth的情况下，悬臂15的挠曲由探针16与试样10之间的短距离力引起，悬臂15的挠曲量的值作为构成接近线的有效的数据被保存到存储部40中。

另一方面，在判定部42判定为悬臂15的挠曲量没有超过阈值kth的情况下，认为悬臂15的挠曲由测定环境的温度变化、因向悬臂的反射面照射激光而产生的发热等(下面，也将这些因素统称为“外部因素”。)引起。在该情况下，受光面移动控制部43经由测定控制部3向受光面移动机构18发送控制信号，使受光面移动以使从悬臂15的反射面反射的反射光入射到光检测器174的分割受光面的中央。也就是说，使受光面移动使得消除悬臂15的挠曲量。

在此，考虑如在图4中用点划线表示的那样在测定中持续发生由外部因素引起的悬臂15的挠曲的情况。关于以往的扫描型探针显微镜，当由于外部因素导致悬臂15持续挠曲时，在探针16的前端到达试样10的表面之前(在悬臂15的基端与试样10表面之间的距离为d1的时间点)悬臂15的挠曲量达到最大值kmax，因此误判定为探针16的前端已到达试样10的表面，无法获得正确的接近线数据。

与此相对地，关于本实施例的扫描型探针显微镜，即使在测定中由于外部因素导致悬臂15发生挠曲的情况下，也能够如上所述那样使光检测器174的受光面移动来抵消该挠曲量，从而能够如在图4中用实线所示那样捕捉悬臂15的挠曲量。因而，能够准确地捕捉探针16的前端到达试样10的表面的时间点(悬臂15的基端与试样10表面之间的距离为d0的时间点)。

本实施例是一例，能够按照本发明的宗旨适当地进行变更。

在上述实施例中，通过使试样台11移动来使悬臂15的基端与试样10的表面之间的距离变化，但也可以构成为将试样台11固定而使悬臂15移动。另外，在上述实施例中，将第一周期设为200khz，将第二周期设为20khz，但只要根据试样台11(或悬臂15)的移动速度来适当地设定这些周期即可。其中，设定为第二周期比第一周期长。

另外，在上述实施例中，作为入射位置移动部，使用了受光面移动机构18和受光面移动控制部43，但也能够构成为通过使配置在悬臂15的反射面与光检测器174的受光面之间的光学元件的位置移动，来使该受光面上的反射光的入射位置移动。例如，能够利用使反射镜173旋转的反射镜驱动部和控制该反射镜驱动部的反射镜移动控制部构成入射位置移动部。

附图标记说明

10：试样；1：测定部；10：试样；11：试样台；12：扫描器；121：xy扫描器；122：z扫描器；13：y方向驱动部；14：z方向驱动部；15：悬臂；16：探针；17：光学位移检测部；171：激光光源；172：半透半反镜；173：反射镜；174：光检测器；18：受光面移动机构；2：控制处理部；3：测定控制部；4：数据处理部；40：存储部；41：挠曲量计算部；42：判定部；43：受光面移动控制部；5：输入部；6：显示部。