JPH06201370A

JPH06201370A - 探針走査型顕微鏡

Info

Publication number: JPH06201370A
Application number: JP34381792A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Nanko; 智昭南光; Takeo Tanaami; 健雄田名網
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1992-11-11
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-07-19

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図１０】光てこ方式の探針走査型顕微鏡の従来例であ
る。

【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。

【符号の説明】

１探針２試料３探針取付け部４Ｘアクチュエータ５Ｙアクチュエータ６Ｚ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１５１Ｄ／Ａ変換器１５２Ａ／Ｄ変換器１８１４分割フォトダイオード１８２探針取付け部位置検出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。