JPH06201370A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

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Publication number
JPH06201370A
JPH06201370A JP34381792A JP34381792A JPH06201370A JP H06201370 A JPH06201370 A JP H06201370A JP 34381792 A JP34381792 A JP 34381792A JP 34381792 A JP34381792 A JP 34381792A JP H06201370 A JPH06201370 A JP H06201370A
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JP
Japan
Prior art keywords
probe
laser beam
optical system
mounting portion
displacement
Prior art date
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Pending
Application number
JP34381792A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoaki Nanko
智昭 南光
Takeo Tanaami
健雄 田名網
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Yokogawa Electric Corp filed Critical Yokogawa Electric Corp
Priority to JP34381792A priority Critical patent/JPH06201370A/en
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 探針をアクチュエータに取り付けて動かすよ
うにした探針走査型顕微鏡の探針変位検出方式として光
てこ方式を提供し、高分解能で測定領域の広い探針走査
型顕微鏡を実現する。 【構成】 カンチレバー状の探針を試料に対して微少距
離まで近づけ、両者の間に作用する原子間力などの微小
な力を探針の変位として検出し、探針を試料表面上を走
査させ、試料の形状や表面の物性を測定するようにした
探針走査型顕微鏡であって、探針の変位を検出する光学
系の他に、探針を走査することによる探針の取付け部の
位置や角度の変化に起因する探針変位信号の誤差を探針
取付け部にレーザ光を照射して検出する光学系と、この
検出光学系により検出された探針の取付け部の位置また
は角度またはその両者の変化により、探針変位検出光学
系により検出される探針変位信号を補正する手段とを備
えたことを特徴とする。
(57) [Summary] (Modified) [Purpose] Providing an optical lever method as a probe displacement detection method for a probe scanning microscope in which the probe is attached to an actuator and moved, providing high resolution and a wide measurement area. Realize a scanning probe microscope. [Configuration] A cantilever-shaped probe is brought close to the sample up to a minute distance, and minute forces such as atomic force acting between the two are detected as the displacement of the probe, and the probe is scanned over the sample surface. The probe scanning microscope is designed to measure the shape of the sample and the physical properties of the surface, and in addition to the optical system that detects the displacement of the probe, the position of the mounting part of the probe by scanning the probe. Of the probe displacement signal caused by the change of the angle and the angle, the optical system that irradiates the probe mounting part with laser light to detect it, and the position or angle of the mounting part of the probe detected by this detection optical system or its And a means for correcting the probe displacement signal detected by the probe displacement detection optical system according to changes in both.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、原子間力顕微鏡(以
下、単にAFMという)など、カンチレバー状の探針を
試料に対して微小距離まで近づけて、探針と試料の間に
作用する原子間力などの微小な力を探針の変位として検
出し、探針を試料表面上を走査させることにより、試料
の形状や表面の物性などを測定するようにした探針走査
型顕微鏡に関し、特に、その測定精度、並びに測定性能
を向上させるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atom acting between a probe and a sample, such as an atomic force microscope (hereinafter simply referred to as AFM), in which a cantilever-shaped probe is brought close to a sample to a minute distance. A probe scanning microscope that detects micro force such as inter-force as displacement of the probe and scans the probe over the sample surface to measure the shape and physical properties of the sample. , To improve its measurement accuracy and measurement performance.

【0002】[0002]

【従来の技術】AFMを用いて測定を行う場合、カンチ
レバー状の探針の変位を検出する方法としては図10に
示す光てこ方式が一般的である。この光てこ方式は、試
料に微小距離まで接近して配置された探針の背面のミラ
ー面にレ−ザ光源から出射されたレ−ザ光が照射され、
探針の背面で反射された反射光を2分割フォトダイオ−
ドで受光して、その2つの素子が受光する光量の差をと
ることにより、探針の変位を検出し、探針と試料の間に
働く力を検出するものである。
2. Description of the Related Art When measuring using an AFM, an optical lever method shown in FIG. 10 is generally used as a method for detecting the displacement of a cantilever-shaped probe. In this optical lever method, the laser light emitted from the laser light source is applied to the mirror surface on the back surface of the probe that is arranged close to the sample up to a minute distance,
The split light reflected from the back of the probe is divided into two parts.
This is to detect the displacement of the probe and to detect the force acting between the probe and the sample by detecting the difference between the amounts of light received by the two elements and the light received by the two elements.

【0003】しかし、この光てこ方式では、探針と光て
この光学系との相対位置を変えることができないため、
探針を走査することができず、試料を圧電アクチュエー
タなどの微動機構に付けて走査することになる。そのた
め、扱える試料の大きさには限度があり、特にニーズの
高い半導体関係の試料においてもウェハサイズのままで
は扱えず、試料を所定の大きさに切断する必要があっ
た。
However, in this optical lever system, the relative position between the probe and the optical lever cannot be changed, so that
The probe cannot be scanned, and the sample is attached to a fine movement mechanism such as a piezoelectric actuator and scanned. Therefore, there is a limit to the size of the sample that can be handled, and it is necessary to cut the sample into a predetermined size even if a semiconductor-related sample that has a particularly high need is not handled as it is in the wafer size.

【0004】また、ウェハサイズに対応するため、探針
の変位検出系を小型化し、アクチュエータに探針と変位
検出系を付け、両者を一緒に動かす方式も開発されてい
る。これは、スクープ方式で探針の背面で反射するレー
ザダイオードへの戻り光によりレーザダイオードの発振
状態が変化する自己結合効果を利用したものである(図
11)が、図10に示した光てこ方式ほどの分解能は得
られていない。
Further, in order to cope with the wafer size, a system has been developed in which the displacement detection system of the probe is downsized, the probe and the displacement detection system are attached to the actuator, and both are moved together. This utilizes the self-coupling effect in which the oscillation state of the laser diode is changed by the return light to the laser diode reflected on the back surface of the probe by the scoop method (FIG. 11). The resolution is not as good as the method.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の課題を踏まえて成されたものであり、探針をアクチ
ュエータに取り付けて動かすようにした探針走査型顕微
鏡の探針変位検出方式として光てこ方式を提供し、ウェ
ハなど大きな試料を扱える高分解能で測定領域の広い探
針走査型顕微鏡を提供することを目的としたものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and is a method for detecting the displacement of a probe in a probe scanning microscope in which the probe is attached to an actuator and moved. The present invention aims to provide a probe scanning type microscope having a high resolution and a wide measurement area, which is capable of handling a large sample such as a wafer.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、カンチレバー状の探針を試料に対し
て微少距離まで近づけ、両者の間に作用する原子間力な
どの微小な力を前記探針の変位として検出し、前記探針
を前記試料表面上を走査させることにより、前記試料の
形状や表面の物性などを測定するようにした探針走査型
顕微鏡であって、前記探針はアクチュエータに取り付け
て動かすと共に、前記探針の変位を検出する方式として
光てこ方式を用いた前記探針走査型顕微鏡において、前
記探針の変位を検出する光学系の他に、前記探針を走査
することによる前記探針の取付け部の位置や角度の変化
に起因する探針変位信号の誤差を前記探針取付け部にレ
ーザ光を照射して検出する光学系と、この検出光学系に
より検出された前記探針の取付け部の位置または角度ま
たはその両者の変化により、前記探針変位検出光学系に
より検出される前記探針変位信号を補正する手段とを備
えたことを特徴とする。また、両検出光学系の検出素子
として、2分割フォトダイオードなどの分割されたフォ
トダイオードを用い、このフォトダイオードに入射する
全光量でそれぞれの検出素子の光量の差信号を除算する
構成としたことを特徴とする。また、前記探針の取り付
けられたアクチュエータに加えられる探針移動信号を基
にして、前記探針変位検出光学系のレーザ光、またはこ
の探針変位検出光学系のレーザ光と探針を走査すること
による角度や位置の変化に起因する探針変位信号の誤差
を探針取付け部にレーザ光を当て検出する前記光学系の
レーザ光を移動する機構を備えたことを特徴とする。ま
た、前記レーザ光移動機構として、レーザ照射光学系内
にミラーを配置し、このミラーの角度を変えて前記レー
ザ光を移動するようにしたことを特徴とする。また、前
記レーザ光移動機構として、レーザ照射光学系内に光音
響素子を配置し、この光音響素子により前記レーザ光の
回折角度を変えて前記レーザ光を移動するようにしたこ
とを特徴とする。また、前記レーザ光移動機構として、
レーザ照射光学系内の中間像面にピンホールを配置し、
このピンホールを動かすことにより前記レーザ光を移動
するようにしたことを特徴とする。また、前記レーザ光
移動機構として、レーザ出射用レンズを動かすことによ
り前記レーザ光を移動するようにしたことを特徴とす
る。また、前記レーザ光移動機構として、出射するレー
ザ光をピンホールによりビーム形状を制限する光学系を
用い、前記ピンホールを移動することにより前記レーザ
光を移動するようにしたことを特徴とする。また、前記
探針取付け部の位置変化を検出する光学系を有し、この
光学系において検出した前記探針取付け部の位置変化を
基にして、前記探針変位検出光学系のレーザ光またはこ
の探針変位検出光学系のレーザ光と前記探針を走査する
ことによる前記探針の取付け部の位置や角度の変化に起
因する探針変位信号の誤差を前記探針取付け部にレーザ
光を照射して検出する光学系のレーザ光を移動するよう
にしたことを特徴とする。また、前記探針取付け部の位
置変化検出系として、前記探針取付け部上に探針取付け
部位置検出用レーザ光を照射、集光し、その焦点位置に
レーザ光が移動する各方向に直角をなす方向にそれぞれ
溝を付けられた位置検出用反射面を形成し、前記それぞ
れの溝の中央に前記レーザ光を照射し、その反射光の強
度パターンより前記探針取付け部の位置の変化を検出す
る、またはレーザが移動する各方向に直角をなす方向に
沿って十字状の溝を付けられた位置検出用反射面を形成
し、前記十字状の溝の中央に前記レーザ光を照射し、そ
の反射光の強度パターンより前記探針取付け部の位置の
変化を検出するようにしたことを特徴とする。また、前
記探針取付け部の位置変化検出系として、前記探針取付
け部にレーザ光が移動する各方向に直角をなす方向に対
し軸対称な反射パターンを形成し、そのパターンの像を
結像させる結像光学系を構成し、前記像の位置の変化か
ら前記探針取付け部の位置の変化を検出するようにした
ことを特徴とする。
The structure of the present invention for solving the above-mentioned problems is such that a cantilever-shaped probe is brought close to a sample up to a minute distance, and a minute force such as an atomic force acting between the two is used. A probe scanning microscope that detects force as displacement of the probe and scans the probe on the surface of the sample to measure the shape of the sample, the physical properties of the surface, and the like. The probe is attached to an actuator and moved, and in the probe scanning microscope using an optical lever method as a system for detecting the displacement of the probe, in addition to the optical system for detecting the displacement of the probe, An optical system for irradiating the probe mounting portion with a laser beam to detect an error in the probe displacement signal due to a change in the position or angle of the mounting portion of the probe caused by scanning the needle, and this detection optical system. Before detected by The position or angle or the change in both the mounting portion of the probe, characterized in that a means for correcting the probe displacement signal detected by the probe displacement detection optical system. Further, a divided photodiode such as a two-divided photodiode is used as the detection element of both detection optical systems, and the difference signal of the light amount of each detection element is divided by the total light amount incident on this photodiode. Is characterized by. The laser beam of the probe displacement detection optical system or the laser beam of the probe displacement detection optical system and the probe are scanned based on the probe movement signal applied to the actuator to which the probe is attached. It is characterized by comprising a mechanism for moving the laser beam of the optical system for detecting the error of the probe displacement signal caused by the change of the angle and the position by applying the laser beam to the probe mounting portion. Further, as the laser beam moving mechanism, a mirror is arranged in a laser irradiation optical system, and the laser beam is moved by changing an angle of the mirror. Further, as the laser beam moving mechanism, a photoacoustic element is arranged in a laser irradiation optical system, and the diffraction angle of the laser beam is changed by the photoacoustic element to move the laser beam. . Further, as the laser light moving mechanism,
Place a pinhole on the intermediate image plane in the laser irradiation optical system,
It is characterized in that the laser beam is moved by moving the pinhole. Further, the laser beam moving mechanism is characterized in that the laser beam is moved by moving a laser emitting lens. Further, as the laser beam moving mechanism, an optical system for limiting the beam shape of the emitted laser beam by a pinhole is used, and the laser beam is moved by moving the pinhole. Further, an optical system for detecting a position change of the probe mounting portion is provided, and based on the position change of the probe mounting portion detected by this optical system, a laser beam of the probe displacement detection optical system or this Laser beam of the probe displacement detection optical system and the laser beam of the probe displacement signal caused by the change of the position and angle of the probe mounting part by scanning the probe are irradiated with the laser beam. It is characterized in that the laser light of the optical system to be detected is moved. Further, as a position change detection system of the probe mounting portion, a laser beam for detecting the probe mounting portion position is irradiated onto the probe mounting portion and is condensed, and the laser beam moves to the focal position at right angles to each direction. Forming a position detection reflection surface each grooved in the direction forming the, and irradiating the laser light at the center of each groove, the change of the position of the probe mounting portion from the intensity pattern of the reflected light. Detecting, or forming a position detection reflective surface provided with a cross-shaped groove along a direction perpendicular to each direction in which the laser moves, irradiating the laser light to the center of the cross-shaped groove, The change in the position of the probe mounting portion is detected from the intensity pattern of the reflected light. Further, as a position change detection system of the probe mounting portion, a reflection pattern which is axisymmetric with respect to a direction perpendicular to each direction in which the laser beam moves is formed on the probe mounting portion, and an image of the pattern is formed. The image forming optical system is configured to detect the change in the position of the probe mounting portion from the change in the position of the image.

【0007】[0007]

【作用】探針の変位を検出する光学系の他に、探針を走
査することによる角度や位置の変化に起因する探針変位
信号の誤差を探針取付け部にレーザ光を照射して検出す
る光学系を備えたことにより、探針を走査した場合でも
上記誤差成分を検出して、補正することができるので、
試料をアクチュエータにより動かす必要がなく、ウェハ
サイズの試料をそのまま扱うことができる。
[Function] In addition to the optical system for detecting the displacement of the probe, the error of the probe displacement signal caused by the change in the angle or position caused by scanning the probe is detected by irradiating the probe mounting portion with laser light. By providing the optical system that does, it is possible to detect and correct the above error component even when the probe is scanned.
It is not necessary to move the sample by the actuator, and the wafer size sample can be handled as it is.

【0008】[0008]

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
1は本発明の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構成図
である。図1において、レーザ光源7からは、探針変位
検出用の第1のレーザ光71と、探針取付け部の角度や
位置の変化検出用の第2のレーザ光72が出射される。
第1のレーザ光71はカンチレバー状の探針1に、第2
のレーザ光72は探針取付け部3に設けられた反射面に
照射される。第1のレーザ光71の反射光は、第1のフ
ォトダイオード8に、第2のレーザ光72の反射光は第
2のフォトダイオード9に入射される。第1,第2のフ
ォトダイオード8,9は、それぞれ上下に2分割されて
いる。第1,第2のフォトダイオード8,9の出力は、
第1,第2の変位検出回路10,11内の第1,第2の
減算器101,111と第1,第2の加算器102,1
12に入力され、それぞれの出力が第1,第2の割り算
器103,113に入力される。第1、第2の割り算器
103,113の出力が変位信号補正回路12に入力さ
れる。変位信号補正回路12の出力は、サーボ回路13
に入力され、サーボ回路13の出力は高圧増幅回路14
を介し、Zアクチュエータ6に入力される。また、サー
ボ回路13の出力は、コンピュータ15に取り付けられ
たA/D変換器152によりA/D変換され、コンピュ
ータ15に取り込まれる。コンピュータ15に取り付け
られたD/A変換器151により、コンピュータ15か
らのX,Y方向の走査信号が高圧増幅回路14を介し
て、X,Yアクチュエータ4,5に入力される。なお、
2は形状などを測定するための試料である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the probe scanning microscope of the present invention. In FIG. 1, the laser light source 7 emits a first laser beam 71 for detecting the displacement of the probe and a second laser beam 72 for detecting a change in the angle or position of the probe mounting portion.
The first laser beam 71 irradiates the cantilever-shaped probe 1 with the second laser beam 71.
The laser light 72 is applied to the reflecting surface provided on the probe mounting portion 3. The reflected light of the first laser light 71 is incident on the first photodiode 8, and the reflected light of the second laser light 72 is incident on the second photodiode 9. Each of the first and second photodiodes 8 and 9 is vertically divided into two. The outputs of the first and second photodiodes 8 and 9 are
The first and second subtractors 101 and 111 and the first and second adders 102 and 1 in the first and second displacement detection circuits 10 and 11, respectively.
12 and the respective outputs are input to the first and second dividers 103 and 113. The outputs of the first and second dividers 103 and 113 are input to the displacement signal correction circuit 12. The output of the displacement signal correction circuit 12 is the servo circuit 13
To the high voltage amplifier circuit 14
Is input to the Z actuator 6. Further, the output of the servo circuit 13 is A / D converted by the A / D converter 152 attached to the computer 15, and is taken into the computer 15. The D / A converter 151 attached to the computer 15 inputs the scanning signals in the X and Y directions from the computer 15 to the X, Y actuators 4 and 5 via the high voltage amplifier circuit 14. In addition,
Reference numeral 2 is a sample for measuring the shape and the like.

【0009】このような構成において、探針1と試料2
は原子間力などの力が働く微小な距離まで近づけられ
る。この探針1と試料2との間に働く力によりカンチレ
バー状の探針が変形する。その変形を第1のレーザ光7
1の探針1からの反射光を第1のフォトダイオード8で
受光し、その2分割されている上下の検出素子それぞれ
に入射する光量の差を第1の変位検出回路10内の第1
の減算器101により求める。また、上下の検出素子に
入射する光量の和を第1の変位検出回路10内の第1の
加算器102により求める。第1の減算器101の差信
号と第1の加算器102の和信号は第1の変位検出回路
10内の第1の割り算器103に入力され、差信号を和
信号で除算し正規化する。
In such a structure, the probe 1 and the sample 2
Can be brought close to a minute distance where a force such as an atomic force works. The force acting between the probe 1 and the sample 2 deforms the cantilever probe. The deformation is the first laser beam 7
The reflected light from the first probe 1 is received by the first photodiode 8 and the difference in the amount of light incident on each of the two upper and lower detection elements is detected by the first photodiode in the first displacement detection circuit 10.
Subtractor 101 of In addition, the sum of the amounts of light incident on the upper and lower detection elements is obtained by the first adder 102 in the first displacement detection circuit 10. The difference signal of the first subtractor 101 and the sum signal of the first adder 102 are input to the first divider 103 in the first displacement detection circuit 10, and the difference signal is divided by the sum signal for normalization. .

【0010】探針取付け部3の角度や位置の変化は、第
2のレーザ光72の探針取付け部3の反射面からの反射
光により、第2のフォトダイオード9で受光し、上記と
同様に、上下の検出素子に入射する光量の差と和をそれ
ぞれ第2の変位検出回路11内の第2の減算器111,
第2の加算器112により求める。その差信号と和信号
は第2の変位検出回路11内の第2の割り算器113に
入力され、そこで、差信号を和信号で除算し正規化す
る。
The change in the angle and position of the probe mounting portion 3 is received by the second photodiode 9 by the reflected light of the second laser light 72 from the reflecting surface of the probe mounting portion 3, and the same as above. In addition, the difference and the sum of the amounts of light incident on the upper and lower detection elements are respectively calculated by the second subtractor 111 in the second displacement detection circuit 11,
It is calculated by the second adder 112. The difference signal and the sum signal are input to the second divider 113 in the second displacement detection circuit 11, where the difference signal is divided by the sum signal for normalization.

【0011】変位信号補正回路12により、第1の変位
検出回路10の出力と第2の変位検出回路11の出力の
差を求めることにより、探針1の変位信号に含まれる探
針取付け部3の角度や位置が変わることにより生じる成
分を取り除き、変位信号を補正する。
The displacement signal correction circuit 12 obtains the difference between the output of the first displacement detection circuit 10 and the output of the second displacement detection circuit 11 to obtain the probe attachment portion 3 included in the displacement signal of the probe 1. The displacement signal is corrected by removing the component caused by the change of the angle and position of the.

【0012】サーボ回路13により、変位信号補正回路
12の出力が一定になるようにZアクチュエータ6を制
御する。この状態で、コンピュータ15よりD/A変換
器151を介して、X,Y方向の走査信号を出力し、高
圧増幅回路14を介してX,Yアクチュエータ4,5を
駆動し、探針1を試料2上を走査し、その時のZアクチ
ュエータ6の制御信号であるサーボ回路13の出力をA
/D変換器152によりコンピュータ15に取り込むこ
とにより、試料2の形状を測定する。
The servo circuit 13 controls the Z actuator 6 so that the output of the displacement signal correction circuit 12 becomes constant. In this state, the computer 15 outputs scanning signals in the X and Y directions through the D / A converter 151, drives the X and Y actuators 4 and 5 through the high voltage amplifier circuit 14, and drives the probe 1 The sample 2 is scanned, and the output of the servo circuit 13 which is the control signal of the Z actuator 6 at that time is A
The shape of the sample 2 is measured by loading it into the computer 15 by the / D converter 152.

【0013】なお、探針取付け部3の位置の変化を正確
に補正するためには、探針1が変形する面内の探針1お
よび探針取付け部3のレーザ光反射面の角度、およびレ
ーザ光の入射角度を等しくする必要がある。また、光学
部品の大きさなどで制限を受ける場合は、その面に対し
垂直方向に両光学系の位置や角度をずらして配置する。
In order to accurately correct the change in the position of the probe mounting portion 3, the angle of the laser beam reflecting surface of the probe 1 and the probe mounting portion 3 in the plane where the probe 1 is deformed, and It is necessary to make the incident angles of the laser light equal. When the size of the optical component is limited, the positions and angles of both optical systems are shifted in the direction perpendicular to the plane.

【0014】このように、上記実施例によれば、探針の
変位を検出する光学系の他に、探針を走査することによ
る角度や位置の変化に起因する探針変位信号の誤差を探
針取付け部にレーザ光を当て検出する光学系を有するよ
う構成したので、探針を走査した場合でも、上記誤差成
分を検出し探針変位信号を補正することができるので、
試料をアクチュエータにより動かす必要がなく、ウェハ
サイズの試料をそのまま扱うことができる。また、探針
の変位検出方式として、光てこ方式を用いているので、
高分解能な測定ができる。さらに、検出素子として2分
割など分割されたフォトダイオードを用いた場合、探針
の変位信号、探針取付け部の角度や位置の変化の信号を
それぞれの検出素子に入射される全光量で割り、正規化
する構成としたので、レーザの光量、反射面の反射率な
どに起因するそれぞれの光学系間に生ずる光量の差やレ
ーザの出射光量の変動などの影響を受けず、正確な測定
ができる。
As described above, according to the above-described embodiment, in addition to the optical system for detecting the displacement of the probe, the error of the probe displacement signal caused by the change in the angle or position caused by scanning the probe is detected. Since it is configured to have an optical system that applies a laser beam to the needle mounting portion to detect it, even when the probe is scanned, it is possible to detect the error component and correct the probe displacement signal.
It is not necessary to move the sample by the actuator, and the wafer size sample can be handled as it is. Moreover, since the optical lever method is used as the displacement detection method of the probe,
High-resolution measurement is possible. Furthermore, when a photodiode such as a two-divided photodiode is used as the detection element, the displacement signal of the probe and the signal of the change in the angle or position of the probe attachment portion are divided by the total light amount incident on each detection element, Since it is configured to be normalized, accurate measurement can be performed without being affected by the difference in the amount of light generated between the optical systems due to the amount of light of the laser, the reflectance of the reflecting surface, etc., and the change in the amount of light emitted from the laser. .

【0015】図2は本発明の探針走査型顕微鏡の第2の
実施例を示す構成図である。なお、図2において図1と
同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略す
る。図2において、レーザ光源7からは、探針変位検出
用の第1のレーザ光71と探針取付け部3の角度や位置
の変化検出用の第2のレーザ光72が出射される。出射
されたレーザ光は、レーザ光移動装置16を介して、探
針1と探針取付け部3の反射面に照射される。また、コ
ンピュータ15より出力されたX,Y方向の走査信号
は、レーザ光移動装置制御回路17に入力され、その出
力がレーザ光移動装置16に入力される。
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the probe scanning microscope of the present invention. In FIG. 2, the same elements as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and duplicate description will be omitted. In FIG. 2, the laser light source 7 emits a first laser light 71 for detecting the displacement of the probe and a second laser light 72 for detecting a change in the angle or position of the probe mounting portion 3. The emitted laser light is applied to the reflecting surfaces of the probe 1 and the probe mounting portion 3 via the laser beam moving device 16. Further, the scanning signals in the X and Y directions output from the computer 15 are input to the laser light moving device control circuit 17, and the output thereof is input to the laser light moving device 16.

【0016】このような構成において、探針1と試料2
は原子間力などの力が働く微小な距離まで近づけられ
る。この探針1と試料2との間に働く力によりカンチレ
バー状の探針が変形する。その変形を第1のレーザ光7
1の探針1からの反射光を第1のフォトダイオード8で
受光し、その2分割されている上下の検出素子それぞれ
に入射する光量の差を第1の変位検出回路10内の第1
の減算器101により求める。また、上下の検出素子に
入射する光量の和を第1の変位検出回路10内の第1の
加算器102により求める。第1の減算器101の差信
号と第1の加算器102の和信号は第1の変位検出回路
10内の第1の割り算器103に入力され、差信号を和
信号で除算し正規化する。
In such a structure, the probe 1 and the sample 2
Can be brought close to a minute distance where a force such as an atomic force works. The force acting between the probe 1 and the sample 2 deforms the cantilever probe. The deformation is the first laser beam 7
The reflected light from the first probe 1 is received by the first photodiode 8 and the difference in the amount of light incident on each of the two upper and lower detection elements is detected by the first photodiode in the first displacement detection circuit 10.
Subtractor 101 of In addition, the sum of the amounts of light incident on the upper and lower detection elements is obtained by the first adder 102 in the first displacement detection circuit 10. The difference signal of the first subtractor 101 and the sum signal of the first adder 102 are input to the first divider 103 in the first displacement detection circuit 10, and the difference signal is divided by the sum signal for normalization. .

【0017】探針取付け部3の角度や位置の変化は、第
2のレーザ光72の探針取付け部3の反射面からの反射
光により、第2のフォトダイオード9で受光し、上記と
同様に、上下の検出素子に入射する光量の差と和をそれ
ぞれ第2の変位検出回路11内の第2の減算器111,
第2の加算器112により求める。その差信号と和信号
は第2の変位検出回路11内の第2の割り算器113に
入力され、そこで、差信号を和信号で除算し正規化す
る。
The change in the angle and position of the probe mounting portion 3 is received by the second photodiode 9 by the reflected light of the second laser light 72 from the reflecting surface of the probe mounting portion 3, and the same as above. In addition, the difference and the sum of the amounts of light incident on the upper and lower detection elements are respectively calculated by the second subtractor 111 in the second displacement detection circuit 11,
It is calculated by the second adder 112. The difference signal and the sum signal are input to the second divider 113 in the second displacement detection circuit 11, where the difference signal is divided by the sum signal for normalization.

【0018】変位信号補正回路12により、第1の変位
検出回路10の出力と第2の変位検出回路11の出力の
差を求めることにより、探針1の変位信号に含まれる探
針取付け部3の角度や位置が変わることにより生じる成
分を取り除き、変位信号を補正する。
The displacement signal correction circuit 12 obtains the difference between the output of the first displacement detection circuit 10 and the output of the second displacement detection circuit 11 to obtain the probe attachment portion 3 included in the displacement signal of the probe 1. The displacement signal is corrected by removing the component caused by the change of the angle and position of the.

【0019】サーボ回路13により、変位信号補正回路
12の出力が一定になるようにZアクチュエータ6を制
御する。この状態で、コンピュータ15よりD/A変換
器151を介して、X,Y方向の走査信号を出力し、高
圧増幅回路14を介してX,Yアクチュエータを駆動
し、探針1を試料2上を走査し、その時のZアクチュエ
ータ6の制御信号であるサーボ回路13の出力をA/D
変換器152によりコンピュータ15に取り込むことに
より、試料2の形状を測定する。
The servo circuit 13 controls the Z actuator 6 so that the output of the displacement signal correction circuit 12 becomes constant. In this state, the computer 15 outputs scanning signals in the X and Y directions through the D / A converter 151, drives the X and Y actuators through the high voltage amplifier circuit 14, and moves the probe 1 onto the sample 2. Scan, and the output of the servo circuit 13 which is the control signal of the Z actuator 6 at that time is A / D
The shape of the sample 2 is measured by loading it into the computer 15 by the converter 152.

【0020】また、コンピュータ15より、D/A変換
器151を介して出力されたX,Y方向の走査信号は、
レーザ光移動装置制御回路17に入力され、その信号に
応じて、レーザ光移動装置16が駆動され、第1,第2
のレーザ光71,72は走査される探針1に追従するよ
うに移動する。
The scanning signals in the X and Y directions output from the computer 15 via the D / A converter 151 are
It is input to the laser light moving device control circuit 17, and the laser light moving device 16 is driven according to the signal, and the first and second laser light moving devices are driven.
The laser beams 71 and 72 of 1 move so as to follow the probe 1 to be scanned.

【0021】ここで、図2装置にて用いるレーザ光移動
装置の具体例を図3〜図7に示す。図3に示すものは、
レーザ照射光学系内にミラーを配置し、このミラーの角
度を変えて、レーザ光を移動するようにしたものであ
る。図3において、レーザ光源7から出射された第1,
第2のレーザ光71,72は、レーザ光移動装置16内
のX,Y用ガルバノメータ・スキャナミラー161,1
62で反射する。レーザ光移動装置制御回路17より探
針1の走査信号に応じた制御信号がX,Y用ガルバノメ
ータ・スキャナミラー161,162にそれぞれ入力さ
れ、ミラーの角度が変えられる。それにより、第1,第
2のレーザ光71,72はレンズ163への入射角度が
変化し、探針1の動きに追従するよう移動する。
Here, specific examples of the laser beam moving device used in the device of FIG. 2 are shown in FIGS. What is shown in FIG.
A mirror is arranged in the laser irradiation optical system, and the angle of the mirror is changed to move the laser light. In FIG. 3, the first and the first emitted from the laser light source 7
The second laser beams 71 and 72 are used as X and Y galvanometer scanner mirrors 161 and 1 in the laser beam moving device 16.
It reflects at 62. A control signal corresponding to the scanning signal of the probe 1 is input from the laser light moving device control circuit 17 to the X and Y galvanometer / scanner mirrors 161 and 162, respectively, and the angle of the mirror is changed. As a result, the incident angles of the first and second laser beams 71 and 72 on the lens 163 change, and the first and second laser beams 71 and 72 move so as to follow the movement of the probe 1.

【0022】図4に示すものは、レーザ照射光学系内に
光音響素子を配置し、この光音響素子によりレーザ光の
回折角度を変えて、レーザ光を移動するようにしたもの
である。図4において、レーザ光源7から出射された第
1,第2のレーザ光71,72は、レーザ光移動装置1
6内の第1のレンズ163で平行光とされる。次に、
X,Y用光音響素子165,166において、内部を伝
搬する横波超音波により回折させ、その内、1次回折光
のみを透過させる。レーザ光移動装置制御回路17よ
り、探針1の走査信号に応じた制御信号がX,Y用光音
響素子165,166に入力され、それぞれの内部を伝
搬する横波超音波の周波数を変化させることで、第1,
第2のレーザ光71,72の回折角度を変化させ、第2
のレンズ164への入射角度を変化させる。それによ
り、第1,第2のレーザ光71,72は探針1の動きに
追従するよう移動する。
In FIG. 4, a photoacoustic element is arranged in the laser irradiation optical system, and the diffraction angle of the laser beam is changed by this photoacoustic element to move the laser beam. In FIG. 4, the first and second laser beams 71 and 72 emitted from the laser light source 7 are the laser beam moving device 1
The first lens 163 in 6 collimates the light. next,
In the X and Y photoacoustic elements 165 and 166, the transverse ultrasonic waves propagating inside are diffracted, and only the first-order diffracted light is transmitted therethrough. A control signal corresponding to the scanning signal of the probe 1 is input to the X and Y photoacoustic elements 165 and 166 from the laser light moving device control circuit 17, and the frequency of the transverse ultrasonic wave propagating inside each is changed. Then the first
By changing the diffraction angle of the second laser light 71, 72,
The angle of incidence on the lens 164 is changed. As a result, the first and second laser beams 71 and 72 move so as to follow the movement of the probe 1.

【0023】図5に示すものは、レーザ照射光学系内の
中間像面にピンホールを配置し、このピンホールを動か
すことにより、レーザ光を移動するようにしたものであ
る。図5において、レーザ光源7から出射されたレーザ
光70は、レーザ光移動装置16内において、第1のレ
ンズ163により第2のレンズ164の焦点位置に設け
られたピンホール板169上に集光する。ピンホール板
169には、2つのピンホールが設けられており、その
ピンホールより、第1,第2のレーザ光71,72が出
射し、第2のレンズ164を透過し、出射する。ピンホ
ール板169はX,Yアクチュエータ167,168に
取り付けられており、レーザ光移動装置制御回路17よ
り入力される探針1の走査信号に応じた制御信号によ
り、X,Yアクチュエータ167,168が駆動される
ことで移動する。それにより、第1,第2のレーザ光7
1,72は探針1の動きに追従するよう移動する。
In FIG. 5, a pinhole is arranged on the intermediate image plane in the laser irradiation optical system, and the laser beam is moved by moving the pinhole. In FIG. 5, the laser light 70 emitted from the laser light source 7 is condensed by the first lens 163 on the pinhole plate 169 provided at the focal position of the second lens 164 in the laser light moving device 16. To do. The pinhole plate 169 is provided with two pinholes, and the first and second laser beams 71 and 72 are emitted from the pinholes, transmitted through the second lens 164, and emitted. The pinhole plate 169 is attached to the X, Y actuators 167, 168, and the X, Y actuators 167, 168 are driven by a control signal according to the scanning signal of the probe 1 input from the laser light moving device control circuit 17. It moves by being driven. Thereby, the first and second laser beams 7
1, 72 move so as to follow the movement of the probe 1.

【0024】図6に示すものは、レーザ出射用レンズを
動かすことにより、レーザ光を移動するようにしたもの
である。図6において、レーザ光源7から出射された第
1,第2のレーザ光71,72は、レーザ光移動装置1
6内のレンズ163を介して出射される。レンズ163
はX,Yアクチュエータ167,168に取り付けられ
ており、レーザ光移動装置制御回路17より入力される
探針1の走査信号に応じた制御信号により、X,Yアク
チュエータ167,168が駆動されることで移動す
る。それにより、第1,第2のレーザ光71,72は探
針1の動きに追従するよう移動する。
In FIG. 6, the laser light is moved by moving the laser emitting lens. In FIG. 6, the first and second laser lights 71 and 72 emitted from the laser light source 7 are the laser light moving device 1
The light is emitted through the lens 163 in the lens 6. Lens 163
Is attached to the X, Y actuators 167, 168, and the X, Y actuators 167, 168 are driven by a control signal according to the scanning signal of the probe 1 input from the laser light moving device control circuit 17. To move. As a result, the first and second laser beams 71 and 72 move so as to follow the movement of the probe 1.

【0025】図7に示すものは、レーザ光の形状をピン
ホールにより制限する光学系において、そのピンホール
を移動することにより、レーザ光を移動するようにした
ものである。図7において、レーザ光源7から出射され
たレーザ光70は、レーザ光移動装置16内のピンホー
ル板169に照射される。ピンホール板169には2つ
のピンホールが設けてあり、それより第1,第2のレー
ザ光71,72が出射される。ピンホール板169は、
X,Yアクチュエータ167,168に取り付けられて
おり、レーザ光移動装置制御回路17より入力される探
針1の走査信号に応じた制御信号により、X,Yアクチ
ュエータ167,168が駆動されることで移動する。
それにより、第1,第2のレーザ光71,72は探針1
の動きに追従するよう移動する。
FIG. 7 shows an optical system in which the shape of laser light is restricted by a pinhole so that the laser light is moved by moving the pinhole. In FIG. 7, the laser light 70 emitted from the laser light source 7 is applied to the pinhole plate 169 in the laser light moving device 16. The pinhole plate 169 is provided with two pinholes from which the first and second laser beams 71 and 72 are emitted. The pinhole plate 169 is
The X, Y actuators 167, 168 are attached to the X, Y actuators 167, 168, and the X, Y actuators 167, 168 are driven by a control signal according to the scanning signal of the probe 1 input from the laser light moving device control circuit 17. Moving.
As a result, the first and second laser beams 71, 72 are emitted from the probe 1
Move to follow the movement of.

【0026】このように、上記実施例によれば、探針の
変位を検出する光学系の他に、探針を走査することによ
る角度や位置の変化に起因する探針変位信号の誤差を探
針取付け部にレーザ光を当て検出する光学系を有するよ
う構成すると共に、探針の動きに応じ、レーザ光の当た
る位置を移動するよう構成したので、上記第1の実施例
の効果を有すると共に、探針を広範囲に移動してもレー
ザ光が追従し動くため、従来より広範囲な測定が可能に
なるという効果を有する。
As described above, according to the above-described embodiment, in addition to the optical system for detecting the displacement of the probe, the error of the probe displacement signal caused by the change in the angle or position caused by scanning the probe is detected. In addition to having the effect of the first embodiment, it is configured to have an optical system that applies laser light to the needle mounting portion for detection, and to move the position where the laser light strikes according to the movement of the probe. Even if the probe is moved over a wide range, the laser light follows and moves, which has the effect of enabling measurement over a wider range than in the past.

【0027】次に、図8は本発明の探針走査型顕微鏡の
第3の実施例を示す構成図である。ここで、上記第1,
第2の実施例においては、探針変位検出光学系の他に、
探針取付け部分の位置や角度が変わることに起因する誤
差を探針取付け部にレーザ光をあて、その反射光より検
出する。また、探針の走査信号を基にレーザ光を移動
し、探針を大きく走査してもレーザ光が探針上に当たる
ようにしている。しかし、探針を走査するために用いら
れるアクチュエータは、圧電素子を用いたものが大半で
あり、走査信号と実際の移動距離の間には非線形性があ
り、正確にレーザ光を探針上に当てることは困難であっ
た。第3の実施例では、この点も解決するものである。
なお、図8において、同一要素は同一符号を付して重複
する説明は省略する。
Next, FIG. 8 is a constitutional view showing a third embodiment of the probe scanning microscope of the present invention. Here, the first,
In the second embodiment, in addition to the probe displacement detection optical system,
An error caused by a change in the position or angle of the probe mounting portion is detected by applying a laser beam to the probe mounting portion and reflecting the light. Further, the laser beam is moved based on the scanning signal of the probe so that the laser beam may strike the probe even when the probe is scanned greatly. However, most of the actuators used to scan the probe use a piezoelectric element, and there is nonlinearity between the scanning signal and the actual travel distance, so that the laser beam can be accurately projected onto the probe. It was difficult to guess. The third embodiment also solves this problem.
Note that, in FIG. 8, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.

【0028】図8において、レーザ光源7からは、探針
変位検出用の第1のレーザ光71と、探針取付け部3の
角度や位置の変化検出用の第2のレーザ光72と、探針
取付け部3の位置変化検出用の第3のレーザ光73が出
射される。出射されたレーザ光は、ハーフミラー19、
レーザ光移動装置16、レンズ20を介して、それぞれ
第1のレーザ光71はカンチレバー状の探針1に、第2
のレーザ光72は探針取付け部3に設けられた反射面
(探針変位補正用)に、第3のレーザ光73は探針取付
け部3に設けられた反射面(探針取付け部位置検出用)
に照射される。第1,第2のレーザ光71,72の反射
光は、第1,第2のフォトダイオード8,9に入射さ
れ、上記実施例と同様の動作となる。また、第3のレー
ザ光73の反射光は、レンズ20、レーザ光移動装置1
6、ハーフミラー19を介して、探針取付け部位置検出
装置18に入射される。探針取付け部位置検出装置18
で検出された探針取付け部3の位置は、レーザ光移動装
置制御回路17に入力され、その出力がレーザ光移動装
置16に入力される。
In FIG. 8, the laser light source 7 emits a first laser beam 71 for detecting the displacement of the probe, a second laser beam 72 for detecting the change in the angle and position of the probe mounting portion 3, and a probe 72. The third laser light 73 for detecting the position change of the needle mounting portion 3 is emitted. The emitted laser light is reflected by the half mirror 19,
The first laser light 71 is passed through the laser light moving device 16 and the lens 20 to the cantilever-shaped probe 1 and the second laser light 71, respectively.
Laser beam 72 is on the reflection surface (for correcting the probe displacement) provided on the probe mounting portion 3, and the third laser light 73 is on the reflection surface (the probe mounting portion position detection) provided on the probe mounting portion 3. for)
Is irradiated. The reflected light of the first and second laser lights 71 and 72 is incident on the first and second photodiodes 8 and 9, and the same operation as that of the above-described embodiment is performed. Further, the reflected light of the third laser light 73 is reflected by the lens 20 and the laser light moving device 1.
6, incident on the probe attachment part position detection device 18 via the half mirror 19. Probe attachment part position detector 18
The position of the probe mounting portion 3 detected in step 3 is input to the laser beam moving device control circuit 17, and its output is input to the laser beam moving device 16.

【0029】このような構成において、第3のレーザ光
73は、探針取付け部3に設けられた探針位置検出用反
射面において反射し、その反射光より探針取付け部位置
検出装置18において、探針取付け部3の位置と第3の
レーザ光73の位置のずれを検出する。レーザ光移動装
置制御回路17では、探針取付け部位置検出装置18で
検出された探針取付け部3の位置と第3のレーザ光73
の位置のずれを基に、第3のレーザ光73が常に探針取
付け部3の所定の位置に照射されるように、レーザ光移
動装置16を駆動する。
In such a structure, the third laser beam 73 is reflected by the reflecting surface for detecting the probe position provided in the probe mounting portion 3, and the reflected light causes the probe mounting portion position detecting device 18 to reflect the reflected light. A deviation between the position of the probe mounting portion 3 and the position of the third laser light 73 is detected. In the laser beam moving device control circuit 17, the position of the probe attachment part 3 detected by the probe attachment part position detection device 18 and the third laser beam 73 are detected.
The laser beam moving device 16 is driven so that the third laser beam 73 is always radiated to a predetermined position of the probe mounting portion 3 based on the displacement of the position.

【0030】ここで、図8装置にて用いる探針取付け部
位置検出装置の具体例を図9に示す。なお、図9におい
ては、探針取付け部位置検出に用いられる第3のレーザ
光73と探針取付け部位置検出装置18の関係を示すた
め、第1のレーザ光71、第2のレーザ光72などの探
針取付け部位置検出装置18の動作に関係ないものは省
略する。
Here, a concrete example of the probe attachment portion position detecting device used in the device of FIG. 8 is shown in FIG. Note that, in FIG. 9, a first laser beam 71 and a second laser beam 72 are shown in order to show the relationship between the third laser beam 73 used for detecting the probe attachment portion position and the probe attachment portion position detection device 18. Those not related to the operation of the probe attachment portion position detection device 18, such as, will be omitted.

【0031】図9(イ)に示すものは、探針取付け部3
の位置変化検出系として、探針取付け部3上に探針取付
け部位置検出用レーザ光73を照射、集光し、その焦点
位置にレーザが移動する各方向に直角をなす方向に沿っ
て十字状の溝を付けられた位置検出用反射面を形成し、
十字状の溝の中央にレーザ光を照射し、その反射光の強
度パターンより探針取付け部3の位置の変化を検出する
ようにしている。図9(イ)において、レーザ光源より
出射された第3のレーザ光73は、ハーフミラー19、
レーザ光移動装置16を経て、レンズ20により探針取
付け部3の位置検出用反射面に集光される。この探針取
付け部3の位置検出用反射面には、幅が第3のレーザ光
73の探針取付け部3の位置検出用反射面上でのスポッ
ト径程度で、深さが第3のレーザ光73の波長の1/8
程度の十字の溝が形成されている。この反射面(十字の
溝)からの反射光は、レンズ20、レーザ光移動装置1
6を経て、ハーフミラー19で反射し、直角に曲げら
れ、4分割フォトダイオード181に入射する。第3の
レーザ光73が十字の溝の中心よりずれると、入射光軸
に非対称の回折をうけ、反射光のファーフィールド像の
強度パターンも変化する。その変化を4分割フォトダイ
オード181の各検出素子に入射する光量の差を探針取
付け部位置検出回路182で演算し求める。演算として
は、各光量をa,b,c,dとして、 ((a+b)−(c+d))/(a+b+c+d) ((a+d)−(b+c))/(a+b+c+d) により直交する2方向の成分を求めることができる。レ
ーザ光移動装置制御回路17では、この値が最小になる
ように、レーザ光移動装置16を駆動する。
The one shown in FIG. 9 (a) is the probe mounting portion 3
As a position change detection system of No. 3, a laser beam 73 for detecting the position of the probe mounting portion is radiated onto the probe mounting portion 3 and condensed, and a cross is formed along the direction perpendicular to each direction in which the laser moves to the focal position. Forming a position detection reflective surface with a groove
Laser light is applied to the center of the cross-shaped groove, and a change in the position of the probe mounting portion 3 is detected from the intensity pattern of the reflected light. In FIG. 9A, the third laser light 73 emitted from the laser light source is the half mirror 19,
After passing through the laser beam moving device 16, the light is focused on the position detecting reflection surface of the probe mounting portion 3 by the lens 20. The position detecting reflection surface of the probe mounting portion 3 has a width of about the spot diameter of the third laser beam 73 on the position detecting reflection surface of the probe mounting portion 3 and a depth of the third laser beam. 1/8 of the wavelength of light 73
A cross groove of about a degree is formed. The reflected light from the reflecting surface (cross groove) is reflected by the lens 20 and the laser beam moving device 1.
After passing through 6, the light is reflected by the half mirror 19, bent at a right angle, and enters the four-divided photodiode 181. When the third laser light 73 deviates from the center of the cross groove, it undergoes asymmetric diffraction on the incident optical axis, and the intensity pattern of the far-field image of the reflected light also changes. The change is calculated by the probe attachment portion position detection circuit 182 by calculating the difference in the amount of light incident on each detection element of the four-division photodiode 181. As the calculation, assuming that the respective light amounts are a, b, c, and d, the components in the two directions orthogonal to each other by ((a + b)-(c + d)) / (a + b + c + d) ((a + d)-(b + c)) / (a + b + c + d) are calculated. You can ask. The laser beam moving device control circuit 17 drives the laser beam moving device 16 so that this value becomes the minimum.

【0032】図9(ロ)に示すものは、探針取付け部3
の位置変化検出系として、探針取付け部3にレーザが移
動する各方向に直角をなす方向に対し軸対称な反射パタ
ーンを形成し、そのパターンの像を結像させる結像光学
系を構成し、像の位置の変化から探針取付け部3の位置
の変化を検出するようにしている。図9(ロ)におい
て、レーザ光源より出射された第3のレーザ光73は、
ハーフミラー19、レーザ光移動装置16、レンズ20
を経て、探針取付け部3に照射される。探針取付け部3
にはプリズムが取り付けられており、その上面に円形の
反射パターンが形成されている。なお、その反対の面は
探針変位補正用反射面となっている。この反射パターン
で、照射された光の一部が反射し、その反射光は、レン
ズ20、レーザ光移動装置16を経て、ハーフミラー1
9で反射し、直角に曲げられ、第2のレンズ183によ
り、4分割フォトダイオード181上に集光される。第
3のレーザ光73の中心が、この円形の反射パターンよ
りずれると、第2のレンズ183により、4分割フォト
ダイオード182上に結像された反射パターンの像の位
置もずれる。そのずれを4分割フォトダイオード181
の各検出素子に入射する光量の差を探針取付け部位置検
出回路182で演算し求める。演算としては、各光量を
a,b,c,dとして、 ((a+b)−(c+d))/(a+b+c+d) ((a+d)−(b+c))/(a+b+c+d) により直交する2方向の成分を求めることができる。レ
ーザ光移動装置制御回路17では、この値が最小になる
ように、レーザ光移動装置16を駆動する。また、探針
取付け部3のプリズムの反射パターンの反対の面に形成
された探針変位補正用反射面からの反射光は、図8中の
第2のレーザ光72の反射光として用いられる。
The one shown in FIG. 9B is the probe mounting portion 3
As a position change detection system of the above, an imaging optical system is formed on the probe mounting portion 3 to form a reflection pattern axially symmetric with respect to a direction perpendicular to each direction in which the laser moves and form an image of the pattern. The change in the position of the probe mounting portion 3 is detected from the change in the image position. In FIG. 9B, the third laser light 73 emitted from the laser light source is
Half mirror 19, laser beam moving device 16, lens 20
After that, the probe mounting portion 3 is irradiated. Tip attachment part 3
Is attached with a prism, and a circular reflection pattern is formed on the upper surface of the prism. The opposite surface is a reflecting surface for correcting the probe displacement. A part of the irradiated light is reflected by this reflection pattern, and the reflected light passes through the lens 20 and the laser light moving device 16 and then passes through the half mirror 1.
The light is reflected at 9, is bent at a right angle, and is condensed on the 4-division photodiode 181 by the second lens 183. When the center of the third laser light 73 deviates from this circular reflection pattern, the position of the reflection pattern image formed on the four-division photodiode 182 is also displaced by the second lens 183. The shift is taken as the four-division photodiode 181
The difference in the amount of light incident on each of the detection elements is calculated and calculated by the probe attachment portion position detection circuit 182. As the calculation, assuming that the respective light amounts are a, b, c, and d, the components in the two directions orthogonal to each other by ((a + b)-(c + d)) / (a + b + c + d) ((a + d)-(b + c)) / (a + b + c + d) are calculated. You can ask. The laser beam moving device control circuit 17 drives the laser beam moving device 16 so that this value becomes the minimum. The reflected light from the reflecting surface for correcting the probe displacement formed on the surface of the probe mounting portion 3 opposite to the reflection pattern of the prism is used as the reflected light of the second laser beam 72 in FIG.

【0033】なお、図9の構成において、ハーフミラー
19のみにより、探針取付け部位置検出装置18にレー
ザ光を取り込んだが、偏光ビームスプリッタと波長板な
どを組み合わせることにより、高効率でレーザ光源への
戻り光の少ない光学系を構成できる。また、アクチュエ
ータにヒステリシスなどの非線形性があり、探針の正確
な位置が検出できない場合には、レーザ光移動装置16
への駆動信号からその位置を検出することができる。
In the configuration of FIG. 9, the laser beam is taken into the probe attachment portion position detecting device 18 only by the half mirror 19, but by combining the polarization beam splitter and the wave plate, etc., a laser light source can be obtained with high efficiency. It is possible to construct an optical system with little returning light. Further, when the actuator has non-linearity such as hysteresis and the accurate position of the probe cannot be detected, the laser beam moving device 16
The position can be detected from the drive signal to the.

【0034】このように、上記実施例によれば、探針取
付け部位置検出用レーザ光73と探針取付け部3との位
置のずれを検出し、ずれが最小になるようにレーザ光を
移動するように構成したので、正確にレーザ光が探針の
走査に追従するよう動くため、非線形性の強いアクチュ
エータなどを用いた場合においても精度の高い測定が可
能になる。
As described above, according to the above embodiment, the positional deviation between the probe mounting portion position detecting laser beam 73 and the probe mounting portion 3 is detected, and the laser beam is moved so as to minimize the displacement. Since the laser beam moves so as to accurately follow the scanning of the probe, it is possible to perform highly accurate measurement even when an actuator having strong nonlinearity is used.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、探針をアクチュエータに取り付
けて動かすようにした探針走査型顕微鏡の探針変位検出
方式として光てこ方式を提供し、ウェハなど大きな試料
を扱える高分解能で測定領域の広い探針走査型顕微鏡を
実現できる。
As described above in detail with reference to the embodiments, according to the present invention, an optical lever system is used as a probe displacement detection system of a probe scanning microscope in which a probe is attached to an actuator and moved. It is possible to realize a probe scanning microscope with high resolution and a wide measurement area that can handle a large sample such as a wafer.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構
成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a probe scanning microscope of the present invention.

【図2】本発明の探針走査型顕微鏡の第2の実施例を示
す構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the probe scanning microscope of the present invention.

【図3】図2装置に用いるレーザ光移動装置の具体例の
構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram of a specific example of a laser beam moving device used in the device shown in FIG.

【図4】図2装置に用いるレーザ光移動装置の具体例の
構成図である。
4 is a configuration diagram of a specific example of a laser beam moving device used in the device of FIG.

【図5】図2装置に用いるレーザ光移動装置の具体例の
構成図である。
5 is a configuration diagram of a specific example of a laser beam moving device used in the device shown in FIG.

【図6】図2装置に用いるレーザ光移動装置の具体例の
構成図である。
6 is a configuration diagram of a specific example of a laser beam moving device used in the device of FIG.

【図7】図2装置に用いるレーザ光移動装置の具体例の
構成図である。
7 is a configuration diagram of a specific example of a laser beam moving device used in the device of FIG.

【図8】本発明の探針走査型顕微鏡の第3の実施例を示
す構成図である。
FIG. 8 is a configuration diagram showing a third embodiment of the probe scanning microscope of the present invention.

【図9】図8装置に用いる探針取付け部位置検出装置の
具体例の構成図である。
9 is a configuration diagram of a specific example of a probe attachment portion position detection device used in the device of FIG.

【図10】光てこ方式の探針走査型顕微鏡の従来例であ
る。
FIG. 10 is a conventional example of an optical lever type probe scanning microscope.

【図11】探針と変位検出系を同時に動かすようにした
装置の従来例である。
FIG. 11 is a conventional example of a device in which a probe and a displacement detection system are simultaneously moved.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 探針 2 試料 3 探針取付け部 4 Xアクチュエータ 5 Yアクチュエータ 6 Zアクチュエータ 7 レーザ光源 8、9 フォトダイオード 10、11 変位検出回路 12 変位信号補正回路 13 サーボ回路 14 高圧増幅回路 15 コンピュータ 16 レーザ光移動装置 17 レーザ光移動装置制御回路 18 探針取付け部位置検出装置 19 ハーフミラー 20、183 レンズ 71、72、73 レーザ光 101、111 減算器 102、112 加算器 103、113 割り算器 151 D/A変換器 152 A/D変換器 181 4分割フォトダイオード 182 探針取付け部位置検出回路 1 probe 2 sample 3 probe attachment part 4 X actuator 5 Y actuator 6 Z actuator 7 laser light source 8, 9 photo diode 10, 11 displacement detection circuit 12 displacement signal correction circuit 13 servo circuit 14 high voltage amplification circuit 15 computer 16 laser light Moving device 17 Laser beam moving device control circuit 18 Probe attachment position detecting device 19 Half mirror 20,183 Lens 71, 72, 73 Laser light 101, 111 Subtractor 102, 112 Adder 103, 113 Divider 151 D / A Converter 152 A / D converter 181 Quadrant photodiode 182 Probe position detection circuit

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カンチレバー状の探針を試料に対して微
少距離まで近づけ、両者の間に作用する原子間力などの
微小な力を前記探針の変位として検出し、前記探針を前
記試料表面上を走査させることにより、前記試料の形状
や表面の物性などを測定するようにした探針走査型顕微
鏡であって、 前記探針はアクチュエータに取り付けて動かすと共に、
前記探針の変位を検出する方式として光てこ方式を用い
た前記探針走査型顕微鏡において、 前記探針の変位を検出する光学系の他に、前記探針を走
査することによる前記探針の取付け部の位置や角度の変
化に起因する探針変位信号の誤差を前記探針取付け部に
レーザ光を照射して検出する光学系と、 この検出光学系により検出された前記探針の取付け部の
位置または角度またはその両者の変化により、前記探針
変位検出光学系により検出される前記探針変位信号を補
正する手段とを備えたことを特徴とする探針走査型顕微
鏡。
1. A cantilever-shaped probe is brought close to a sample up to a minute distance, and a minute force such as an atomic force acting between the two is detected as a displacement of the probe, and the probe is sampled. By scanning on the surface, a probe scanning microscope for measuring the shape and physical properties of the surface of the sample, wherein the probe is attached to an actuator and moved,
In the probe scanning microscope using an optical lever method as a system for detecting the displacement of the probe, in addition to the optical system for detecting the displacement of the probe, the probe by scanning the probe An optical system for detecting an error of a probe displacement signal due to a change in the position or angle of the mounting portion by irradiating the probe mounting portion with a laser beam, and a mounting portion of the probe detected by the detection optical system. And a means for correcting the probe displacement signal detected by the probe displacement detection optical system according to a change in the position or the angle, or both, and a probe scanning microscope.
【請求項2】 請求項1記載の探針走査型顕微鏡におい
て、 両検出光学系の検出素子として、2分割フォトダイオー
ドなどの分割されたフォトダイオードを用い、このフォ
トダイオードに入射する全光量でそれぞれの検出素子の
光量の差信号を除算する構成としたことを特徴とする探
針走査型顕微鏡。
2. The probe scanning microscope according to claim 1, wherein a split photodiode such as a split photodiode is used as a detection element of both detection optical systems, and the total amount of light incident on the photodiode is used. 2. A probe scanning microscope, characterized in that it is configured to divide the difference signal of the light amount of the detection element.
【請求項3】 請求項1または2記載の探針走査型顕微
鏡において、 前記探針の取り付けられたアクチュエータに加えられる
探針移動信号を基にして、前記探針変位検出光学系のレ
ーザ光、またはこの探針変位検出光学系のレーザ光と探
針を走査することによる角度や位置の変化に起因する探
針変位信号の誤差を探針取付け部にレーザ光を当て検出
する前記光学系のレーザ光を移動する機構を備えたこと
を特徴とする探針走査型顕微鏡。
3. The probe scanning microscope according to claim 1, wherein a laser beam of the probe displacement detection optical system is based on a probe movement signal applied to an actuator to which the probe is attached, Alternatively, the laser beam of the optical system for detecting the error of the probe displacement signal caused by the change of the angle and the position by scanning the laser beam of the probe displacement detection optical system and the probe by applying the laser beam to the probe mounting portion. A probe scanning microscope characterized by having a mechanism for moving light.
【請求項4】 請求項3記載の探針走査型顕微鏡におい
て、 前記レーザ光移動機構として、レーザ照射光学系内にミ
ラーを配置し、このミラーの角度を変えて前記レーザ光
を移動するようにしたことを特徴とする探針走査型顕微
鏡。
4. The probe scanning microscope according to claim 3, wherein a mirror is arranged in the laser irradiation optical system as the laser beam moving mechanism, and the laser beam is moved by changing the angle of the mirror. A probe scanning microscope characterized in that
【請求項5】 請求項3記載の探針走査型顕微鏡におい
て、 前記レーザ光移動機構として、レーザ照射光学系内に光
音響素子を配置し、この光音響素子により前記レーザ光
の回折角度を変えて前記レーザ光を移動するようにした
ことを特徴とする探針走査型顕微鏡。
5. The probe scanning microscope according to claim 3, wherein as the laser beam moving mechanism, a photoacoustic element is arranged in a laser irradiation optical system, and the diffraction angle of the laser beam is changed by the photoacoustic element. The probe scanning microscope is characterized in that the laser light is moved.
【請求項6】 請求項3記載の探針走査型顕微鏡におい
て、 前記レーザ光移動機構として、レーザ照射光学系内の中
間像面にピンホールを配置し、このピンホールを動かす
ことにより前記レーザ光を移動するようにしたことを特
徴とする探針走査型顕微鏡。
6. The probe scanning microscope according to claim 3, wherein as the laser beam moving mechanism, a pinhole is arranged on an intermediate image plane in a laser irradiation optical system, and the laser beam is moved by moving the pinhole. A probe scanning microscope characterized in that the probe is moved.
【請求項7】 請求項3記載の探針走査型顕微鏡におい
て、 前記レーザ光移動機構として、レーザ出射用レンズを動
かすことにより前記レーザ光を移動するようにしたこと
を特徴とする探針走査型顕微鏡。
7. The probe scanning type microscope according to claim 3, wherein the laser beam moving mechanism moves the laser beam by moving a laser emitting lens. microscope.
【請求項8】 請求項3記載の探針走査型顕微鏡におい
て、 前記レーザ光移動機構として、出射するレーザ光をピン
ホールによりビーム形状を制限する光学系を用い、前記
ピンホールを移動することにより前記レーザ光を移動す
るようにしたことを特徴とする探針走査型顕微鏡。
8. The probe scanning microscope according to claim 3, wherein the laser beam moving mechanism uses an optical system for limiting the beam shape of the emitted laser beam by a pinhole, and moving the pinhole. A probe scanning microscope, wherein the laser beam is moved.
【請求項9】 請求項3記載の探針走査型顕微鏡におい
て、 前記探針取付け部の位置変化を検出する光学系を有し、
この光学系において検出した前記探針取付け部の位置変
化を基にして、前記探針変位検出光学系のレーザ光また
はこの探針変位検出光学系のレーザ光と前記探針を走査
することによる前記探針の取付け部の位置や角度の変化
に起因する探針変位信号の誤差を前記探針取付け部にレ
ーザ光を照射して検出する光学系のレーザ光を移動する
ようにしたことを特徴とする探針走査型顕微鏡。
9. The probe scanning microscope according to claim 3, further comprising an optical system for detecting a positional change of the probe mounting portion,
Based on the position change of the probe mounting portion detected in this optical system, the laser beam of the probe displacement detection optical system or the laser beam of the probe displacement detection optical system and the probe by scanning the probe It is characterized in that an error of a probe displacement signal caused by a change in a position or an angle of a mounting portion of the probe is moved by irradiating the probe mounting portion with a laser beam to move a laser beam of an optical system. A scanning probe microscope.
【請求項10】 請求項9記載の探針走査型顕微鏡にお
いて、 前記探針取付け部の位置変化検出系として、前記探針取
付け部上に探針取付け部位置検出用レーザ光を照射、集
光し、その焦点位置にレーザ光が移動する各方向に直角
をなす方向にそれぞれ溝を付けられた位置検出用反射面
を形成し、前記それぞれの溝の中央に前記レーザ光を照
射し、その反射光の強度パターンより前記探針取付け部
の位置の変化を検出する、またはレーザが移動する各方
向に直角をなす方向に沿って十字状の溝を付けられた位
置検出用反射面を形成し、前記十字状の溝の中央に前記
レーザ光を照射し、その反射光の強度パターンより前記
探針取付け部の位置の変化を検出するようにしたことを
特徴とする探針走査型顕微鏡。
10. The probe scanning microscope according to claim 9, wherein a laser beam for detecting the position of the probe mounting portion is irradiated and condensed on the probe mounting portion as a position change detection system of the probe mounting portion. Then, at the focal position, a reflecting surface for position detection is formed, which is grooved in each direction perpendicular to each direction in which the laser light moves, and the laser light is irradiated to the center of each groove and the reflection Detecting a change in the position of the probe mounting portion from a light intensity pattern, or forming a position detection reflective surface having a cross-shaped groove along a direction perpendicular to each direction in which the laser moves, The probe scanning microscope, wherein the center of the cross-shaped groove is irradiated with the laser light, and a change in the position of the probe mounting portion is detected from the intensity pattern of the reflected light.
【請求項11】 請求項9記載の探針走査型顕微鏡にお
いて、 前記探針取付け部の位置変化検出系として、前記探針取
付け部にレーザ光が移動する各方向に直角をなす方向に
対し軸対称な反射パターンを形成し、そのパターンの像
を結像させる結像光学系を構成し、前記像の位置の変化
から前記探針取付け部の位置の変化を検出するようにし
たことを特徴とする探針走査型顕微鏡。
11. The probe scanning microscope according to claim 9, wherein a position change detection system of the probe mounting portion is an axis with respect to a direction perpendicular to each direction in which the laser light moves to the probe mounting portion. An imaging optical system that forms a symmetrical reflection pattern and forms an image of the pattern is configured, and a change in the position of the probe mounting portion is detected from a change in the position of the image. A scanning probe microscope.
JP34381792A 1992-11-11 1992-12-24 Scanning probe microscope Pending JPH06201370A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105444676A (en) * 2014-09-30 2016-03-30 宝山钢铁股份有限公司 Measuring probe multi-directional positioning device applicable to online scanning
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