JPH06294638A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンパクトは構成で高速測定可能な表面観察
がおこなえる表面形状測定装置を得る。 【構成】 探針支持部材２には探針１を保持している面
の反対面に回折格子３が構成されている。探針支持部材
２を保持している駆動素子５は制御器２９に接続されて
いる。変位検出器８は、投射光６を投光するとともに、
回折光７の位置を検出する。変位検出器８は制御器９に
接続されている。

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
ＡＦＭと略称する）および磁気顕微鏡等の試料面に探針
を近づけて試料から受ける物理量から試料の表面を観察
する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、原子間力顕微鏡として、例えば特
開平３−２９６６１２号公報記載の発明がある。上記発
明を図１０に示す。探針支持部材５２は探針５１を保持
している。試料５３を探針５１に近づけることにより探
針支持部材５２が変位し、この変位量をレザー５４，光
ファイバー５５，レンズ５６，ミラー５７および光セン
サー５８により構成した光てこ方式の検出器で検出す
る。

【０００３】試料５３と探針５１との距離を一定の位置
に保つために、駆動素子５９で保持された光ファィバー
５５，レンズ５６，ミラー５７，光センサー５８，探針
支持部材５２および探針５１をＺ方向に制御しながら、
同時に試料５３表面をＸＹ方向に走査することにより試
料面の凹凸を観察する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記従来技
術においては、試料と探針との距離を一定の位置に保つ
ために、光ファィバー，レンズ，ミラー，光センサー，
探針支持部材および探針全体を駆動素子で制御しなけれ
ばならず、駆動質量が大きくなり、制御特性が低く測定
速度がおそくなる。さらに、レンズと光センサーと探針
支持部材との位置関係が光の反射の法則で規定されるた
め、小型化できない。

【０００５】因って、本発明は前記従来技術における欠
点に鑑みて開発されたもので、小型で駆動部質量の小さ
い構成にすることにより小型で高速制御が可能な表面形
状測定装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の表面
観察装置は、探針支持部材上に１方向以上の回折格子を
構成し、この格子の方向およびピッチにより光反射角を
設定するものである。

【０００７】図１は本発明の概念図、図２〜図５は回折
格子を示し、図２は斜視図、図３〜図５は回折格子の形
状例を示す概略平面図である。図１に示す様に、この装
置では探針１を試料４に対向して配置し、接近或いは接
触させることにより両者の間に物理量を作用させて探針
支持部材２を変位させる。この物理量は、具体的には、
ＡＦＭでは原子間力、磁気力顕微鏡では磁気力として作
用する。

【０００８】駆動素子５は、探針１で試料４の面上を２
次元に走査し、さらに探針支持部材２の変位量を変位検
出器８で検出し、制御器２９によりこの変位量を一定に
するようにＺ方向の制御動作をおこなう。この時、前記
Ｚ方向の制御動作をモニタする事により試料４の面形状
を測定できる。

【０００９】探針１を保持している探針支持部材２は、
板バネ等の弾性部材で構成され、図２に示す様に、探針
１が保持されている面の反対面に回折格子３を構成す
る。変位検出器８は、レーザー光を投光する機能および
投光した光が回折格子により回折した光の位置を検出す
る機能を有する。

【００１０】投射光６と回折光７の角度θは、前記回折
格子へのレーザー光入射角を１とし、反射角をθ、レー
ザー光の波長をλ、回折格子ピッチをＰとすると、Ｐ
（ｓｉｎＩ＋ｓｉｎθ）＝ｍλで表される。ｍは、ｍ次
回折光の次数。

【００１１】このように回折格子３の格子方向および格
子ピッチを変化させることにより、任意の方向に回折光
を出す事が出来る。回折光７は、探針支持部材２が変化
した時その回折角が変化し、これを変位検出器８により
検出してその変位量を知る事が出来る。

【００１２】

【実施例１】図６は本実施例を示す概略構成図である。
支持体１１は、レーザー光源１６，レンズ２２，センサ
１４，センサ１５，駆動素子５および粗動機構２６を保
持している。探針１は、図２に示す通り、探針支持部材
２の先端へ試料４に対向して配置され、回折格子２３は
探針１に裏面にあたる位置へ構成されている。探針支持
部材２は駆動素子５により保持されている。探針支持部
材２としては充分に薄い燐青銅の箔片または半導体作製
技術により作製されたＳｉ箔を用いる。

【００１３】レーザー光源１６およびレンズ２２は回折
格子２３に対向した位置に配置する。センサ１４および
センサ１５は回折格子２３の格子ピッチとレーザー光源
１６とで決まる回折角θに準じて配置する。回折角は、
例として波長０．８μｍのレーザー光源１６に対し、格
子ピッチ２μｍでは２３．６度の方向に１次回折光が発
生する。センサ１４およびセンサ１５は、ポジションセ
ンサまたは２分割センサ等の市販センサで構成されてい
る。

【００１４】センサ１４およびセンサ１５の出力はそれ
ぞれ増幅器１７および増幅器１８にはいり、加算器１９
および制御回路２０で処理されて駆動素子５のＺ方向制
御信号となる。さらに、制御回路２０の出力と駆動素子
５とで生成されるＸＹ走査信号はモニタ部２１に入力す
る。制御回路２０は一般的はＰＩＤ（比例・積分・微
分）制御回路で構成されている。

【００１５】駆動素子５は、圧電素子と簡単な走査信号
発生回路とで構成された微動機構であり、紙面に垂直な
方向をＹ方向とするＸＹＺの直交３方向へ動作可能に構
成されている。粗動機構２６はＸＹＺ方向に動作するス
テージ等で構成されている。

【００１６】以上の構成から成る装置は、探針１と試料
４との位置を粗調整する粗動機構２６を動作させて試料
４を探針１に近づけることにより、探針１と試料４との
間に力が働き、探針支持部材２が変位する。この変位量
を検出するためのレーザー光源１６から出射した光はレ
ンズ２２で集光されて回折格子２３に投光する。

【００１７】この結果得られる回折光をセンサ１４とセ
ンサ１５とで受光し、探針支持部材２の変位にともなう
角度変化を光てこ検出法の原理に基づき、位置変化とし
て検出する。センサ１４，１５からの出力を、増幅器１
７，１８により位置信号となるように演算し、両信号を
加算器１９で加算する。試料４の表面の凹凸変化による
探針支持部材２の変位を一定に制御するため、探針支持
部材２を駆動素子５によりＺ方向に作動させる。

【００１８】この時センサ１４とセンサ１５上の光は、
駆動素子５による動き量に従い互いに逆方向に推移し、
両者の出力を加算器１９で加算する事により推移した量
は打ち消し合い加算器１９の出力変化はない。この事
は、制御動作による探針支持部材２の変位感度を無く
し、試料４の凹凸による変位変化のみを検出できる作用
をする。

【００１９】探針支持部材２のＺ方向作動は駆動素子５
により行い、加算器１９の出力を一定にするように制御
回路２０の出力をフィードバック制御する。さらに、駆
動素子５は試料４をＸＹ方向に走査する。この時のＸＹ
方向走査信号と制御回路２０の制御信号とによりモニタ
部２１で試料表面形状を表示する。

【００２０】本実施例によれば、高速制御が可能とな
る。

【００２１】

【実施例２】図７および図８は本実施例を示し、図７は
概略構成図、図８は投光配置図である。本実施例では、
前記実施例１と同様な構成部分には同一番号を付してそ
の説明を省略する。支持体２４は、前記実施例１の他に
センサ２７およびセンサ２８を保持する。探針支持部材
２は、図４或いは図５に示す様な回折格子を構成する。

【００２２】図８の投光配置図に図示する様に、センサ
２７およびセンサ２８は前記実施例１で示した図３の格
子方向に直角な方向へ回折する回折角に準じて配置す
る。センサ２７およびセンサ２８は、ポジションセンサ
および２分割センサ等のセンサで構成する。

【００２３】センサ２７およびセンサ２８の出力は、そ
れぞれ増幅器３１および増幅器３２に入り、これらを加
算器３３に入力する。加算器３３の出力は、駆動素子５
で生成されるＸＹ走査信号と同時に表示器３４に入力す
る。

【００２４】本実施例では、粗動機構２６，探針１，探
針支持部材３，駆動素子５，センサ１４，センサ１５，
レーザー光源１６，レンズ２２，増幅器１７，増幅器１
８，加算器１９，制御回路２０およびモニタ部２１は前
記実施例１と同様に動作し、探針支持部材２の変位を一
定に制御する。

【００２５】この時、試料面の摩擦等による探針支持部
材２の撓み変位量を検出するため、前記実施例１の回折
格子２３に垂直方向な格子要素を付加した回折格子２５
を構成し、紙面に垂直なＹ方向に探針支持部材２を走査
する。このため、レーザー光はセンサ１４および１５に
回折するとともに、センサ２７およびセンサ２８に回折
する。

【００２６】センサ２７とセンサ２８上での光位置変化
は、前記実施例１の増幅器１７，増幅器１８および加算
器１９と同等に作用する増幅器３１，増幅器３２および
加算器３３で演算し、撓み変位量として表示器３４に表
示する。表示器３４は、駆動素子５で生成されるＸＹ走
査信号と前記加算器３３の出力である撓み変位量とを同
期して表示することにより、試料４の表面特性を測定で
きる。

【００２７】本実施例によれば、試料の表面特性を高精
度で測定できる。

【００２８】

【実施例３】図９は本実施例を示す概略構成図である。
本実施例における粗動機構２６，探針１，探針支持部材
２，回折格子２３，センサ１４，センサ１５，増幅器，
増幅器１８，加算器１９，制御回路２０およびモニタ部
２１の構成は前記実施例１と同様である。

【００２９】ＸＹ微動機構４５は、粗動機構２６で固定
されて試料４を保持し、紙面に垂直な面と左右平行な面
Ｘ・Ｙ方向に動作する。Ｚ微動機構３５は、探針支持部
材２を保持し、粗動機構２９に保持されてＺ方向に動
く。ＸＹ微動機構４５およびＺ微動機構３５は、円筒型
圧電素子等の圧電アクチュエータで構成する。

【００３０】レーザー光源１６，レンズ２２，光アイソ
レータ４２は同軸上に配置され、ダイクロックミラー４
３により偏光された光を回折格子２３に対向した位置に
配置された対物レンズ４４を通して回折格子２３に投射
できるよう配置する。角度微動機構４６はダイクロック
ミラー４３を保持し、光学的中心軸を中心に回転機構を
構成する。

【００３１】対物レンズ４４，プリズム３８，接眼レン
ズ３６，ハーフミラー３９，照明レンズ４０および光源
４１は通常の顕微鏡の構成である。カメラ３７は、対物
レンズ４４の結像位置に配置し、その出力をビデオモニ
ター４８に接続する。赤外カットフィルタ４７は、ハー
フミラー３９とダイクロックミラー４３との間に配置す
る。

【００３２】本実施例では、粗動機構２６，探針１，探
針支持部材２，駆動素子５，センサ１４，センサ１５，
増幅器１７，増幅器１８，加算器１９，制御回路２０お
よびモニタ部２１は前記実施例１と同様に動作する。レ
ーザー光源１６から出射されるレーザー光は、レンズ２
２，光アイソレータ４２，ダイクロックミラー４３およ
び対物レンズ４４を通り、回折格子２３上に投射され
る。

【００３３】光アイソレータ４２は、回折格子２３上で
反射した０次回折光がレーザー光源１６に戻るのを防ぐ
働きをする。ダイクロックミラー４３は、顕微鏡構成部
の光学系光軸と前記レーザー光源１６の光学軸を合わせ
る働きをし、レーザー光源１６で出射される赤外光を反
射し、可視光を透過する働きをする。このように構成す
ることにより探針支持部材２および試料４表面上を顕微
鏡観察出来ると同時に、レーザー光を回折格子２３上に
投射できる。

【００３４】光源４１，照明レンズ４０およびハーフミ
ラー３９は顕微鏡用落射照明として試料面を照明作用す
る。プリズム３８は観察像を接眼レンズ３６とカメラ３
７に分配する働きをする。ビデオモニター４８は、カメ
ラで捕らえた観察像をモニタする。赤外カットフィルタ
４７は、観察時に有害となる回折格子２３で反射した赤
外光がダイクロックミラー４３で完全に反射されずに透
過してしまった光が、目４９或いはカメラ３７に入射し
ないよう赤外線をカットする機能を持つ。

【００３５】角度微動機構４６は、ダイクロックミラー
４３の角度補正調整機構であり、探針支持部材２が傾い
て取り付けられた場合、レーザー光の回折角がセンサ１
４，１５に対してずれてしまうため、レーザー光源１６
の光学軸をダイクロックミラー４３で回転して投射角を
変えることにより、回折角を変えてセンサ１４，１５上
にレーザー光が入射するように調整する。粗動機構２９
は、探針支持部材２を対物レンズ４４に対して調整し、
レーザー光の投射位置を変える機能を持つ。

【００３６】本実施例によれば、試料の表面を光学的に
観察できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る表面
形状測定装置によれば、コンパクトな構成で高速測定可
能な表面観察がおこなえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念図である。

【図２】回折格子を示す斜視図である。

【図３】回折格子の形状例を示す概略平面図である。

【図４】回折格子の形状例を示す概略平面図である。

【図５】回折格子の形状例を示す概略平面図である。

【図６】実施例１を示す概略構成図である。

【図７】実施例２を示す概略構成図である。

【図８】実施例２を示す投光配置図である。

【図９】実施例３を示す概略構成図である。

【図１０】従来例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ 探針 ２ 探針支持部材 ３ 回折格子 ４ 試料 ５ 駆動素子 ６ 投射光 ７ 回折光 ８ 変位検出器 ２９ 制御器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料面との間に作用する力を検出する探
   針と、これを支持する探針支持部材と、前記探針の変位
   を検出する変位検出器と、前記試料面と前記探針とを３
   次元的に相対運動させる駆動素子と、前記変位検出器の
   出力に基づき前記探針と前記試料面とを一定の位置に保
   つ制御器とを有した試料表面を観察する表面形状測定装
   置において、前記探針支持部材の変位検出面を１方向以
   上の回折格子で構成したことを特徴とする表面形状測定
   装置。