JPH04337403A - 光集積型変位センサー - Google Patents
光集積型変位センサーInfo
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- JPH04337403A JPH04337403A JP3109103A JP10910391A JPH04337403A JP H04337403 A JPH04337403 A JP H04337403A JP 3109103 A JP3109103 A JP 3109103A JP 10910391 A JP10910391 A JP 10910391A JP H04337403 A JPH04337403 A JP H04337403A
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- Japan
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- optical
- displacement
- displacement sensor
- detector
- Prior art date
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
- G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/28—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with deflection of beams of light, e.g. for direct optical indication
- G01D5/30—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with deflection of beams of light, e.g. for direct optical indication the beams of light being detected by photocells
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/95—Circuit arrangements
- H10F77/953—Circuit arrangements for devices having potential barriers
- H10F77/957—Circuit arrangements for devices having potential barriers for position-sensitive photodetectors, e.g. lateral-effect photodiodes or quadrant photodiodes
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- Analytical Chemistry (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の微小な変位
を測定する装置、特にレーザ光を使った光集積型変位セ
ンサーに関する。
を測定する装置、特にレーザ光を使った光集積型変位セ
ンサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、被測定物に照射する測定レーザ
光と、変位の基準となる面に照射する参照レーザ光とを
干渉させて、測定物の凹凸に従う変位を測定する光干渉
方式を利用したセンサーは、光の波長を基準として使用
できるので最も広く用いられている。また、その他の方
式として、光干渉を利用しない、光てこ方式や光ファイ
バーの開口角を利用した方式などが知られている。
光と、変位の基準となる面に照射する参照レーザ光とを
干渉させて、測定物の凹凸に従う変位を測定する光干渉
方式を利用したセンサーは、光の波長を基準として使用
できるので最も広く用いられている。また、その他の方
式として、光干渉を利用しない、光てこ方式や光ファイ
バーの開口角を利用した方式などが知られている。
【０００３】例えば、光てこ方式では、レーザからでた
レーザ光を被測定物に対して斜めに入射させ、その反射
光を２分割光センサーなどの光ディテクターで受光する
ようにしている。このため、被測定物の面法線方向の変
位あるいは入射光に対する傾き角の変化に応じて、反射
光の光ディテクターでの光入射スポットの位置が移動し
、その出力に変化が生じて、結果的に被測定物の変位量
を知ることができる。
レーザ光を被測定物に対して斜めに入射させ、その反射
光を２分割光センサーなどの光ディテクターで受光する
ようにしている。このため、被測定物の面法線方向の変
位あるいは入射光に対する傾き角の変化に応じて、反射
光の光ディテクターでの光入射スポットの位置が移動し
、その出力に変化が生じて、結果的に被測定物の変位量
を知ることができる。
【０００４】例えば、光ディテクターとして、２分割の
フォトディテクターを用いた場合、それぞれのセンサー
に入射する光量に応じて出力される電圧をＡ、Ｂボルト
とすると、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算式により得ら
れる値（エラー信号）をモニターしていれば、被測定物
の変位量を知ることができる。光てこの名前は、例えば
、被測定物に片もち梁を考えたとき、片もち梁の長さ１
に対し、片もち梁と光ディテクターとの間の距離をＬと
すると、変位測定の感度の指標となる変位倍率ｍはＬ／
１に比例する。ｍ∞Ｌ／１……（１）式
フォトディテクターを用いた場合、それぞれのセンサー
に入射する光量に応じて出力される電圧をＡ、Ｂボルト
とすると、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算式により得ら
れる値（エラー信号）をモニターしていれば、被測定物
の変位量を知ることができる。光てこの名前は、例えば
、被測定物に片もち梁を考えたとき、片もち梁の長さ１
に対し、片もち梁と光ディテクターとの間の距離をＬと
すると、変位測定の感度の指標となる変位倍率ｍはＬ／
１に比例する。ｍ∞Ｌ／１……（１）式
【０００５】従
来、このような光変位測定方式においては、被測定物と
光ディテクターとの距離Ｄが長いほど、前述のように変
位倍率ｍが大きくなることから、Ｌが長いほど微小な変
位が測定できるとされており、その結果、変位測定器の
サイズは自然と大きくなるのはしかたないとされていた
。
来、このような光変位測定方式においては、被測定物と
光ディテクターとの距離Ｄが長いほど、前述のように変
位倍率ｍが大きくなることから、Ｌが長いほど微小な変
位が測定できるとされており、その結果、変位測定器の
サイズは自然と大きくなるのはしかたないとされていた
。
【０００６】また光変位センサーは、原子間力顕微鏡（
ＡＦＭ）などの測定装置にも応用されている。この装置
においては、被測定物の変位に応じて変位するカンチレ
バーの変位を光変位センサーで測定して、間接的に被測
定物の変位を捕らえる試みがされている。
ＡＦＭ）などの測定装置にも応用されている。この装置
においては、被測定物の変位に応じて変位するカンチレ
バーの変位を光変位センサーで測定して、間接的に被測
定物の変位を捕らえる試みがされている。
【０００７】ＡＦＭは、ｂｉｎｎｉｎｇ とＲｏｈｒｅ
ｅらにより発明された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Ｓ
ｃｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏ
ｐｅ）におけるサーボ技術を始めとする要素技術を利用
しながら、ＳＴＭでは測定し難かった絶縁性の試料を原
子オーダーの精度で観察することのできる顕微鏡として
提案されている（特開昭６２−１３０３０２：ＩＢＭ、
Ｇ．ビニッヒ、サンプル表面の像を形成する方法及び装
置）。
ｅらにより発明された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Ｓ
ｃｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏ
ｐｅ）におけるサーボ技術を始めとする要素技術を利用
しながら、ＳＴＭでは測定し難かった絶縁性の試料を原
子オーダーの精度で観察することのできる顕微鏡として
提案されている（特開昭６２−１３０３０２：ＩＢＭ、
Ｇ．ビニッヒ、サンプル表面の像を形成する方法及び装
置）。
【０００８】ＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置づけられている。 ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針）を持つカン
チレバーを、試料に対向・近接して配置し、探針の先端
の原子と試料原子との間に働く相互作用力により、変位
するカンチレバーの動きを電気的あるいは光学的にとら
えて測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査し、カンチレバ
ーの探針部との位置関係を相対的に変化させることによ
って、試料の凹突情報などを三次元的にとらえることが
できる。
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置づけられている。 ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針）を持つカン
チレバーを、試料に対向・近接して配置し、探針の先端
の原子と試料原子との間に働く相互作用力により、変位
するカンチレバーの動きを電気的あるいは光学的にとら
えて測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査し、カンチレバ
ーの探針部との位置関係を相対的に変化させることによ
って、試料の凹突情報などを三次元的にとらえることが
できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このような高分解能の
測定装置においては、高分解能を実現するために、非常
に、感度の高い変位センサーが必要であると同時に、測
定装置の機械的振動を抑えるように装置の大きさを小さ
くすることが求められている。しかし、従来の技術では
、この要求を充分に満足させるものが得られなかった。 従って、本発明の目的は、高い測定感度を有しながらも
、全体の小型化の可能な光集積型変位センサーを提供す
ることである。
測定装置においては、高分解能を実現するために、非常
に、感度の高い変位センサーが必要であると同時に、測
定装置の機械的振動を抑えるように装置の大きさを小さ
くすることが求められている。しかし、従来の技術では
、この要求を充分に満足させるものが得られなかった。 従って、本発明の目的は、高い測定感度を有しながらも
、全体の小型化の可能な光集積型変位センサーを提供す
ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の光集積型変位セ
ンサーは、レーザとマイクロレンズと光ディテクターと
を同一基板上に集積化して形成し、レーザより発したレ
ーザ光をマイクロレンズを通して被測定物表面に照射し
、その反射光を光ディテクターで受け、被測定物の変位
に応じて変化する光ディテクターの出力をモニターする
ことにより被測定物の変位を測定することを特徴とする
。
ンサーは、レーザとマイクロレンズと光ディテクターと
を同一基板上に集積化して形成し、レーザより発したレ
ーザ光をマイクロレンズを通して被測定物表面に照射し
、その反射光を光ディテクターで受け、被測定物の変位
に応じて変化する光ディテクターの出力をモニターする
ことにより被測定物の変位を測定することを特徴とする
。
【００１１】
【作用】光ディテクターには、被測定物の変位に対応し
た光量の反射光が入射する。従って、このセンサーから
の出力を例えば演算することにより、被測定物の変位が
測定される。
た光量の反射光が入射する。従って、このセンサーから
の出力を例えば演算することにより、被測定物の変位が
測定される。
【００１２】
【実施例】図１を参照して、本発明の一実施例の光集積
型変位センサーを説明する。
型変位センサーを説明する。
【００１３】図中、符号１０は半導体基板を示し、この
半導体基板１０の一面にはセンサーを構成する部材であ
る、半導体レーザ１１と、２枚のマイクロレンズ１２，
１３と、第１並びに第２の光ディテクター１４、１５と
が全体が小型化するように、以下に説明するような関係
で一体的に集積技術により形成されている。前記半導体
レーザ１１の一方の光射出口より射出されたレーザ光は
第１並びに第２のマイクロレンズ１２、１３により、半
導体基板１０と少し離間するようにして設けられた被測
定物１６の測定面上に集光される。この測定面にて反射
されたレーザ光は所定の開口角で広がりながら第１の光
ディテクター１４に入射する。この光ディテクター１４
は、反射光軸を中心として、所定幅ｄの不感部分１４ｃ
を間に挟んで離間され、正方形もしくは長方形の１並び
に第２のディテクター部１４ａ，１４ｂにより構成され
ている。これらディテクター部１４ａ、１４ｂは入射光
量に応じた電圧（Ａ，Ｂ）の電気信号を夫々出力するも
ので、この出力側は図示しない演算回路に接続されてい
る。この演算回路は、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算を
して、この演算結果である変位信号を出力する。
半導体基板１０の一面にはセンサーを構成する部材であ
る、半導体レーザ１１と、２枚のマイクロレンズ１２，
１３と、第１並びに第２の光ディテクター１４、１５と
が全体が小型化するように、以下に説明するような関係
で一体的に集積技術により形成されている。前記半導体
レーザ１１の一方の光射出口より射出されたレーザ光は
第１並びに第２のマイクロレンズ１２、１３により、半
導体基板１０と少し離間するようにして設けられた被測
定物１６の測定面上に集光される。この測定面にて反射
されたレーザ光は所定の開口角で広がりながら第１の光
ディテクター１４に入射する。この光ディテクター１４
は、反射光軸を中心として、所定幅ｄの不感部分１４ｃ
を間に挟んで離間され、正方形もしくは長方形の１並び
に第２のディテクター部１４ａ，１４ｂにより構成され
ている。これらディテクター部１４ａ、１４ｂは入射光
量に応じた電圧（Ａ，Ｂ）の電気信号を夫々出力するも
ので、この出力側は図示しない演算回路に接続されてい
る。この演算回路は、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算を
して、この演算結果である変位信号を出力する。
【００１４】前記第２の光ディテクター１５は、半導体
レーザ１１の他方の光射出口より射に応じた信号を供給
し、半導体レーザ１１からの射出レーザ光の光量が常時
一定となるようにする。即ち、駆動回路にフィードバッ
クをかけるためのモニターとして機能する。
レーザ１１の他方の光射出口より射に応じた信号を供給
し、半導体レーザ１１からの射出レーザ光の光量が常時
一定となるようにする。即ち、駆動回路にフィードバッ
クをかけるためのモニターとして機能する。
【００１５】上記構成の光集積型変位センサーにおいて
、被測定物１６が距離ａだけ破線で示すように基準位置
より変位したとすると、この被測定物１６からの反射光
は、入射スポットＳが図２に示すように第２のディテク
ター部１４ｂ側に変位するように光ディテクター１４に
入射する。この結果、第２のディテクター部１４ｂから
の出力信号の電圧（Ｂ）が第１のディテクター部１４ａ
の出力信号の電圧（Ａ）よりも高くなり、上記演算回路
で演算されて、被測定物１６の変位距離ａが検出される
。上述したように、装置全体が小型で、かつ両ディテク
ター部１４ａ、１４ｂ間に所定の幅の不感部分１４ｃが
存在することにより、この変位検出時に、図２中、破線
で示す部分が光ディテクター１４にて受光されなくなり
、第１並びに第２のディテクター部１４ａ，１４ｂ間の
受光光量の相違が大きくなり、感度良く変位が検出でき
る。次ぎに、上記不感部分１４ｃと感度の向上との関係
を説明する。
、被測定物１６が距離ａだけ破線で示すように基準位置
より変位したとすると、この被測定物１６からの反射光
は、入射スポットＳが図２に示すように第２のディテク
ター部１４ｂ側に変位するように光ディテクター１４に
入射する。この結果、第２のディテクター部１４ｂから
の出力信号の電圧（Ｂ）が第１のディテクター部１４ａ
の出力信号の電圧（Ａ）よりも高くなり、上記演算回路
で演算されて、被測定物１６の変位距離ａが検出される
。上述したように、装置全体が小型で、かつ両ディテク
ター部１４ａ、１４ｂ間に所定の幅の不感部分１４ｃが
存在することにより、この変位検出時に、図２中、破線
で示す部分が光ディテクター１４にて受光されなくなり
、第１並びに第２のディテクター部１４ａ，１４ｂ間の
受光光量の相違が大きくなり、感度良く変位が検出でき
る。次ぎに、上記不感部分１４ｃと感度の向上との関係
を説明する。
【００１６】集光されたレーザ光を被測定物１６に照射
した場合、これの反射光は拡散光となるので、光ディテ
クター１４上の入射スポットＳの面積に対する不感部分
１４ｃの面積の比は、被測定物１６の測定面と光ディテ
クター１４の受光面との間の距離Ｌに応じて変化する。 即ち、光ディテクター１４を被測定物１６に近づけるの
に従って上記面積比は大きくなる。装置全体を小形にす
るのは、前記距離Ｌも短くするということであり、この
距離Ｌを短くすることにより上記面積比が増し、入射ス
ポットＳの変位よるディテクター部１４ａと１４ｂとの
受光量の比が増し、この結果、感度が向上する。図３は
、不感部分１４ｃの幅並びに光ディテクター１４への入
射光の開口角が同じ場合で、前記距離Ｌを変化させたと
きの入射スポットＳと光ディテクター１４との関係を示
す。図示のように、距離Ｌが短い場合（Ａ）の方が長い
場合（Ｂ）よりも、入射スポットＳの面積に対する不感
部分１４ｃの面積の割合が大きくなる。しかし、距離Ｌ
が短か過ぎて、（Ｃ）に示すように不感部分１４ｃの幅
より入射スポットＳの径が小さくなると、不感部分１４
ｃの所を入射スポットＳが移動する間、光ディテクター
１４からの出力信号が得られなくなり、演算処理できな
くなる。このために距離Ｌは入射スポットＳの径が不感
部分１４ｃの幅よりも短くならない範囲で短くすること
が望ましい。
した場合、これの反射光は拡散光となるので、光ディテ
クター１４上の入射スポットＳの面積に対する不感部分
１４ｃの面積の比は、被測定物１６の測定面と光ディテ
クター１４の受光面との間の距離Ｌに応じて変化する。 即ち、光ディテクター１４を被測定物１６に近づけるの
に従って上記面積比は大きくなる。装置全体を小形にす
るのは、前記距離Ｌも短くするということであり、この
距離Ｌを短くすることにより上記面積比が増し、入射ス
ポットＳの変位よるディテクター部１４ａと１４ｂとの
受光量の比が増し、この結果、感度が向上する。図３は
、不感部分１４ｃの幅並びに光ディテクター１４への入
射光の開口角が同じ場合で、前記距離Ｌを変化させたと
きの入射スポットＳと光ディテクター１４との関係を示
す。図示のように、距離Ｌが短い場合（Ａ）の方が長い
場合（Ｂ）よりも、入射スポットＳの面積に対する不感
部分１４ｃの面積の割合が大きくなる。しかし、距離Ｌ
が短か過ぎて、（Ｃ）に示すように不感部分１４ｃの幅
より入射スポットＳの径が小さくなると、不感部分１４
ｃの所を入射スポットＳが移動する間、光ディテクター
１４からの出力信号が得られなくなり、演算処理できな
くなる。このために距離Ｌは入射スポットＳの径が不感
部分１４ｃの幅よりも短くならない範囲で短くすること
が望ましい。
【００１７】次ぎに、上記構成の光集積型変位センサー
の製造方法の一例を図４ないし図５を参照して説明する
。この方法では、半導体基板１０上に、半導体レーザ１
１と、２個の光ディテクター１４、１５とを、同一の工
程で形成できるので、半導体レーザ１１の形成を代表的
に図４（Ａ）ないし（Ｅ）を参照して説明する。また同
半導体基板１０上にマイクロレンズ１２，１３を形成す
る工程を図５（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。
の製造方法の一例を図４ないし図５を参照して説明する
。この方法では、半導体基板１０上に、半導体レーザ１
１と、２個の光ディテクター１４、１５とを、同一の工
程で形成できるので、半導体レーザ１１の形成を代表的
に図４（Ａ）ないし（Ｅ）を参照して説明する。また同
半導体基板１０上にマイクロレンズ１２，１３を形成す
る工程を図５（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。
【００１８】まず、ｎ＋ 導電型のＧａＡｓ基板を半導
体基板１０として準備し、この上面に、ｎ導電型のＡｌ
ＧａＡｓ層２１と、活性層２２と、ｐ導電型のＡｌＧａ
Ａｓ層２３と、ｐ＋ 導電型のＡｌＧａＡｓ層２４とを
図４（Ａ）に示すように、分子ビームエビタキシヤル法
により、順次堆積し、多層体を形成する。尚、この活性
層２２は、図４（Ｂ）に示すように、ＡｌＧａＡｓ２１
上にＡｌＧａＡｓ層２２ａ、ＧａＡｓ層２２ｂ、ＡｌＧ
ａＡｓ層２２ｃ、ＧａＡｓ層２２ｄ、ＡｌＧａＡｓ層２
２ｅを順次積層することにより形成されている。前記Ａ
ｌＧａＡｓ層２２ａ、２２ｅは、他のＡｌＧａＡｓ層よ
りもＡｌの成分比が少なく形成されている。例えば、Ａ
ｌｘＧａ１−ｘＡｓとした場合に、活性層２２の両側の
ＡｌＧａＡｓ層２１，ＡｌＧａＡｓ２３はｘ〜０．４５
に、そして活性層２２のＡｌＧａＡｓ層２２ａ、２２ｅ
はｘ〜０．３０に設定され得る。次ぎに、イオンビーム
エッチングにより、ＡｌＧａＡｓ２４並びにＡｌＧａＡ
ｓ２３の上部を選択的にエッチングし、ＡｌＧａＡｓ２
４を図４（Ｃ）に示すように、島状にする。そして、Ｇ
ａＡｓ基板１０の上面、もしくは上部まで多層体をエッ
チングして複数（この実施例では半導体レーザ１１，デ
ィテクター部１４ａ，１４ｂ，光ディテクター１５に相
当する４つであるが、半導体レーザ１１に対応する１個
のみを図４（Ｄ）に示す）に分割し、上面にＳｉＯ２膜
２５を形成する。そして、このＳｉＯ２膜２５にスリッ
ト状の開口を形成し、図４（Ｅ）に示すように、この開
口により露出されたＡｌＧａＡｓ２４の上面にＡｕＳｎ
とＡｕとを蒸着してＰ−電極２６を形成すると共に、半
導体基板１０の下面にＴｉＰｔＡｕとＡｕとを蒸着して
ｎ−電極２７を形成し、半導体レーザ１１を完成する。 なお、説明は省略したが、前述したように、この半導体
レーザ１１の形成と同時にディテクター部１４ａ，１４
ｂ並びに光ディテクター１５も形成される。
体基板１０として準備し、この上面に、ｎ導電型のＡｌ
ＧａＡｓ層２１と、活性層２２と、ｐ導電型のＡｌＧａ
Ａｓ層２３と、ｐ＋ 導電型のＡｌＧａＡｓ層２４とを
図４（Ａ）に示すように、分子ビームエビタキシヤル法
により、順次堆積し、多層体を形成する。尚、この活性
層２２は、図４（Ｂ）に示すように、ＡｌＧａＡｓ２１
上にＡｌＧａＡｓ層２２ａ、ＧａＡｓ層２２ｂ、ＡｌＧ
ａＡｓ層２２ｃ、ＧａＡｓ層２２ｄ、ＡｌＧａＡｓ層２
２ｅを順次積層することにより形成されている。前記Ａ
ｌＧａＡｓ層２２ａ、２２ｅは、他のＡｌＧａＡｓ層よ
りもＡｌの成分比が少なく形成されている。例えば、Ａ
ｌｘＧａ１−ｘＡｓとした場合に、活性層２２の両側の
ＡｌＧａＡｓ層２１，ＡｌＧａＡｓ２３はｘ〜０．４５
に、そして活性層２２のＡｌＧａＡｓ層２２ａ、２２ｅ
はｘ〜０．３０に設定され得る。次ぎに、イオンビーム
エッチングにより、ＡｌＧａＡｓ２４並びにＡｌＧａＡ
ｓ２３の上部を選択的にエッチングし、ＡｌＧａＡｓ２
４を図４（Ｃ）に示すように、島状にする。そして、Ｇ
ａＡｓ基板１０の上面、もしくは上部まで多層体をエッ
チングして複数（この実施例では半導体レーザ１１，デ
ィテクター部１４ａ，１４ｂ，光ディテクター１５に相
当する４つであるが、半導体レーザ１１に対応する１個
のみを図４（Ｄ）に示す）に分割し、上面にＳｉＯ２膜
２５を形成する。そして、このＳｉＯ２膜２５にスリッ
ト状の開口を形成し、図４（Ｅ）に示すように、この開
口により露出されたＡｌＧａＡｓ２４の上面にＡｕＳｎ
とＡｕとを蒸着してＰ−電極２６を形成すると共に、半
導体基板１０の下面にＴｉＰｔＡｕとＡｕとを蒸着して
ｎ−電極２７を形成し、半導体レーザ１１を完成する。 なお、説明は省略したが、前述したように、この半導体
レーザ１１の形成と同時にディテクター部１４ａ，１４
ｂ並びに光ディテクター１５も形成される。
【００１９】次ぎに、半導体基板１０の露出面に厚さ方
向に屈折率の異なるレンズ素材層２８を形成する。この
レンズ素材層２８は、図５（Ａ）に示すように、ＳｉＯ
２ 材と、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ材とからなるターゲット２９を
準備し、イオン源３０より射出されたイオンの照射をま
ず最初にＳｉ−Ｏ−Ｎ材にし、次ぎにＳｉＯ２ にし、
そして最後にＳｉ−Ｏ−Ｎ材にするスパッタリングによ
り形成できる。そして、このレンズ素材層２８を、反応
性イオンビームによりエッチングして、マイクロレンズ
１２，１３を形成する、対向する側面が湾曲したシリン
ドリカル状の２つの部分を残して、図５（Ｂ）に示すよ
うに選択的に除去する。この様にして形成されたマイク
ロレンズ１２，１３は、垂直方向が、前記屈折率の変化
で、そして水平方向が曲面により収束機能を果たす。次
ぎに、上記構成の光集積型変位センサーを原子間力顕微
鏡（ＡＦＭ）の変位センサーとして組み込んだ例を図６
を参照して説明する。
向に屈折率の異なるレンズ素材層２８を形成する。この
レンズ素材層２８は、図５（Ａ）に示すように、ＳｉＯ
２ 材と、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ材とからなるターゲット２９を
準備し、イオン源３０より射出されたイオンの照射をま
ず最初にＳｉ−Ｏ−Ｎ材にし、次ぎにＳｉＯ２ にし、
そして最後にＳｉ−Ｏ−Ｎ材にするスパッタリングによ
り形成できる。そして、このレンズ素材層２８を、反応
性イオンビームによりエッチングして、マイクロレンズ
１２，１３を形成する、対向する側面が湾曲したシリン
ドリカル状の２つの部分を残して、図５（Ｂ）に示すよ
うに選択的に除去する。この様にして形成されたマイク
ロレンズ１２，１３は、垂直方向が、前記屈折率の変化
で、そして水平方向が曲面により収束機能を果たす。次
ぎに、上記構成の光集積型変位センサーを原子間力顕微
鏡（ＡＦＭ）の変位センサーとして組み込んだ例を図６
を参照して説明する。
【００２０】この例では、被測定物１６として、基端が
固定され、自由端に下方に延出した探針４０を有するカ
ンチレバーが使用され、このカンチレバーのＺ方向の変
位が光集積型変位センサーにより検出される。この探針
４０の下方には、微小間隔を有して、被測定試料４１が
配置されている。この被測定試料４１は、この被測定試
料４１をＸＹＺ方向に移動可能なピエゾチューブスキャ
ンナー４２上に固定されている。
固定され、自由端に下方に延出した探針４０を有するカ
ンチレバーが使用され、このカンチレバーのＺ方向の変
位が光集積型変位センサーにより検出される。この探針
４０の下方には、微小間隔を有して、被測定試料４１が
配置されている。この被測定試料４１は、この被測定試
料４１をＸＹＺ方向に移動可能なピエゾチューブスキャ
ンナー４２上に固定されている。
【００２１】かくして、ピエゾチューブスキャンナー４
２により被測定試料４１がＸＹ方向に走査されたときに
、被測定試料４１の原子と探針４０の先端の原子との間
で働く原子間力の変化により、カンチレバーはＺ方向に
変位する。この変位は、このカンチレバーの上面に半導
体レーザ１１からレーザ光を照射し反射光を光ディテク
ター１４で受光することにより検出される。
２により被測定試料４１がＸＹ方向に走査されたときに
、被測定試料４１の原子と探針４０の先端の原子との間
で働く原子間力の変化により、カンチレバーはＺ方向に
変位する。この変位は、このカンチレバーの上面に半導
体レーザ１１からレーザ光を照射し反射光を光ディテク
ター１４で受光することにより検出される。
【００２２】一般に、ＡＭＦ装置においては装置の機械
的共振周波数を下げ、振動に対して強くするためには、
装置を小型化することが有効である。この点、上記光集
積型変位センサーを応用したＡＭＦ装置は、従来の装置
に比べ非常に小型にすることが可能であり、上記要求を
満たすことができる。
的共振周波数を下げ、振動に対して強くするためには、
装置を小型化することが有効である。この点、上記光集
積型変位センサーを応用したＡＭＦ装置は、従来の装置
に比べ非常に小型にすることが可能であり、上記要求を
満たすことができる。
【００２３】また、ＡＦＭ用のカンチレバーは、Ｔ．Ｒ
．Ａｌｂｒｅｃｈｔらが半導体プロセスを応用して作製
するＳｉＯ２ カンチレバーチップを提案して以来（Ｔ
．Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔ Ｃａｌｖｉｎ Ｆ．Ｑｕａｔ
ｅ：Ａｔｏｍｉｃ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｉｍａｇｉ
ｎｇ ｏｆ ａ ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｙ Ａ
ｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｙｓ，６２（１９８７）２５９９）， μ
ｍの高精度で非常に再現性良く製作でき、バッチプロセ
スで製作することにより、コスト的にも優れたものを作
製できる。このため、この半導体ＩＣプロセスを応用し
て作製するカンチレバーチップの使用が現在では主流と
なっている。
．Ａｌｂｒｅｃｈｔらが半導体プロセスを応用して作製
するＳｉＯ２ カンチレバーチップを提案して以来（Ｔ
．Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔ Ｃａｌｖｉｎ Ｆ．Ｑｕａｔ
ｅ：Ａｔｏｍｉｃ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｉｍａｇｉ
ｎｇ ｏｆ ａ ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｙ Ａ
ｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｙｓ，６２（１９８７）２５９９）， μ
ｍの高精度で非常に再現性良く製作でき、バッチプロセ
スで製作することにより、コスト的にも優れたものを作
製できる。このため、この半導体ＩＣプロセスを応用し
て作製するカンチレバーチップの使用が現在では主流と
なっている。
【００２４】このカンチレバーは、カンチレバー長が数
十μｍから数百μｍと、アルミフォイルを利用した従来
のカンチレバーに比べて短いことから、被測定物である
カンチレバーの傾きの変化が大きく成り、光てこ方式の
変位センサーによる測定がしやすくなる。このようなカ
ンチレバーを使用したＡＦＭ装置において、本発明の光
集積型変位センサーはさらに有効となる。
十μｍから数百μｍと、アルミフォイルを利用した従来
のカンチレバーに比べて短いことから、被測定物である
カンチレバーの傾きの変化が大きく成り、光てこ方式の
変位センサーによる測定がしやすくなる。このようなカ
ンチレバーを使用したＡＦＭ装置において、本発明の光
集積型変位センサーはさらに有効となる。
【００２５】さらに、半導体プロセスを用いて作製する
カンチレバーと本発明の光集積型変位センサーとは、製
造プロセスが似ているので、両者を組み合わせて一体化
することが可能である。このようにすることにより、Ａ
ＦＭ装置をさらに小型化できる。この例を図７に示す。 この例では、光集積型変位センサーとカンチレバー１６
とを別々のプロセスもしくは別々の材料で製作し、前者
の基板１０と後者の支持体１６ａとを貼り合わせて一体
化することにより製作している。即ち、基板１０を構成
するＧａＡｓと、支持体１６ａを構成するＳｉとを接着
剤により接着している。
カンチレバーと本発明の光集積型変位センサーとは、製
造プロセスが似ているので、両者を組み合わせて一体化
することが可能である。このようにすることにより、Ａ
ＦＭ装置をさらに小型化できる。この例を図７に示す。 この例では、光集積型変位センサーとカンチレバー１６
とを別々のプロセスもしくは別々の材料で製作し、前者
の基板１０と後者の支持体１６ａとを貼り合わせて一体
化することにより製作している。即ち、基板１０を構成
するＧａＡｓと、支持体１６ａを構成するＳｉとを接着
剤により接着している。
【００２６】図８に示す例は、２個の光集積型変位セン
サーを準備し、これらの基板１０，１０相互を端部で互
いに直角となるように貼り合わせたものである。このよ
うに構成された装置では、被測定物１６の異なる２点で
の変位を同時に検出することができ、例えば被測定物１
６のねじれ、傾きが測定できる。本発明の光集積型変位
センサーでは、全体が小型化できるので、このような複
数個の組み合わせの使用が可能となる。
サーを準備し、これらの基板１０，１０相互を端部で互
いに直角となるように貼り合わせたものである。このよ
うに構成された装置では、被測定物１６の異なる２点で
の変位を同時に検出することができ、例えば被測定物１
６のねじれ、傾きが測定できる。本発明の光集積型変位
センサーでは、全体が小型化できるので、このような複
数個の組み合わせの使用が可能となる。
【００２７】前記実施例では、ディテクター部１４ａ，
１４ｂを長方形に形成したが、本発明では、このような
形状に限定されることはない。例えば、図９に示すよう
に、受光面側の方が大きいデイメンションとなった台形
としても良い。このような構造とすることにより、ディ
テクター部１４ａ，１４ｂの側面１４ａ１，１４ｂ１に
入射するディテクター部１４ａ，１４ｂのエッチからの
回折光などの迷光の影響を少なくすることができ、Ｓ／
Ｎ比の高い光集積型変位センサーとなる。
１４ｂを長方形に形成したが、本発明では、このような
形状に限定されることはない。例えば、図９に示すよう
に、受光面側の方が大きいデイメンションとなった台形
としても良い。このような構造とすることにより、ディ
テクター部１４ａ，１４ｂの側面１４ａ１，１４ｂ１に
入射するディテクター部１４ａ，１４ｂのエッチからの
回折光などの迷光の影響を少なくすることができ、Ｓ／
Ｎ比の高い光集積型変位センサーとなる。
【００２８】本発明の光集積型変位センサーは、上述し
た実施例の構成並びに製造方法に限定されるものではな
い。例えば、基板はＧａＡｓではなく、他の半導体や絶
縁体などの材料により形成しても良い。また、マイクロ
レンズも、他の材料並びに製造方法により形成しても良
い。
た実施例の構成並びに製造方法に限定されるものではな
い。例えば、基板はＧａＡｓではなく、他の半導体や絶
縁体などの材料により形成しても良い。また、マイクロ
レンズも、他の材料並びに製造方法により形成しても良
い。
【００２９】
【発明の効果】レーザとマイクロレンズと光ディテクタ
ーとを同一基板上に集積化しているので、装置全体の小
型化を計ることができる。このために外部振動の影響が
少なくなり、高精度の測定が可能となる。また、光ディ
テクターと被測定物との間の距離を短くしても、感度の
低下がないように設計できる。そして、部品間の光軸合
わせの必要がない。
ーとを同一基板上に集積化しているので、装置全体の小
型化を計ることができる。このために外部振動の影響が
少なくなり、高精度の測定が可能となる。また、光ディ
テクターと被測定物との間の距離を短くしても、感度の
低下がないように設計できる。そして、部品間の光軸合
わせの必要がない。
【図１】本発明の一実施例に係わる光集積型変位センサ
ーを示す側面図である。
ーを示す側面図である。
【図２】上記光集積型変位センサーの光デイテクターと
入射レーザ光との関係を示す図である。
入射レーザ光との関係を示す図である。
【図３】上記光集積型変位センサーの光ディテクターの
不感部分と入射レーザスポットとの関係を示す図である
。
不感部分と入射レーザスポットとの関係を示す図である
。
【図４】上記光集積型変位センサーの製造方法の一例を
説明するための図である。
説明するための図である。
【図５】上記光集積型変位センサーのマイクロレンズの
形成方法の一例を説明するための図である。
形成方法の一例を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施例に係わる光集積型変位センサ
ーをＡＦＭに使用した例を説明するための側面図である
。
ーをＡＦＭに使用した例を説明するための側面図である
。
【図７】本発明の一実施例に係わる光集積型変位センサ
ーをＡＦＭのカンチレバーと一体にして使用する例を説
明するための斜視図である。
ーをＡＦＭのカンチレバーと一体にして使用する例を説
明するための斜視図である。
【図８】本発明の一実施例に係わる光集積型変位センサ
ーを２個組み合わせて使用する例を説明するための斜視
図である。
ーを２個組み合わせて使用する例を説明するための斜視
図である。
【図９】本発明の一実施例に係わる光集積型変位センサ
ーの変形例を示す側面図である。
ーの変形例を示す側面図である。
１０…半導体基板、１１…半導体レーザ、１２，１３…
第１並びに第２のマイクロレンズ、１４，１５…第１並
びに第２の光ディテクター、１６…被測定物，１４ａ，
１４ｂ…第１並びに第２のディテクター部、１４ｃ…不
感部分。
第１並びに第２のマイクロレンズ、１４，１５…第１並
びに第２の光ディテクター、１６…被測定物，１４ａ，
１４ｂ…第１並びに第２のディテクター部、１４ｃ…不
感部分。
Claims (1)
- 【請求項１】 レーザとマイクロレンズと光ディテク
ターとを同一基板上に集積化して形成し、レーザより発
したレーザ光をマイクロレンズを通して被測定物表面に
照射し、その反射光を光ディテクターで受け、被測定物
の変位に応じて変化する光ディテクターの出力をモニタ
ーすることにより被測定物の変位を測定することを特徴
とする光集積型変位センサー。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3109103A JPH04337403A (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 光集積型変位センサー |
| US07/875,348 US5247186A (en) | 1991-05-14 | 1992-04-29 | Integrated optical displacement sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3109103A JPH04337403A (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 光集積型変位センサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04337403A true JPH04337403A (ja) | 1992-11-25 |
Family
ID=14501654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3109103A Withdrawn JPH04337403A (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 光集積型変位センサー |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5247186A (ja) |
| JP (1) | JPH04337403A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022123705A1 (ja) * | 2020-12-09 | 2022-06-16 | 日本電信電話株式会社 | 光センサ |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE4310349C2 (de) * | 1993-03-30 | 2000-11-16 | Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh | Sensorkopf und Verfahren zu seiner Herstellung |
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| JP3258821B2 (ja) * | 1994-06-02 | 2002-02-18 | 三菱電機株式会社 | 微小異物の位置決め方法、分析方法、これに用いる分析装置およびこれを用いた半導体素子もしくは液晶表示素子の製法 |
| FI945124A0 (fi) * | 1994-10-31 | 1994-10-31 | Valtion Teknillinen | Spektrometer |
| US5621210A (en) * | 1995-02-10 | 1997-04-15 | Molecular Imaging Corporation | Microscope for force and tunneling microscopy in liquids |
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-
1991
- 1991-05-14 JP JP3109103A patent/JPH04337403A/ja not_active Withdrawn
-
1992
- 1992-04-29 US US07/875,348 patent/US5247186A/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5247186A (en) | 1993-09-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19980806 |