JPH0743144A - ３次元表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】変位検出手段の感度をカンチレバーの傾きや光
源のスポット位置に関係なく一定に保つことができる３
次元表面形状測定装置を得る。 【構成】サンプル９をＸ−Ｙ方向に走査でき、かつＺ方
向に移動可能なアクチュエータ１０と、１０にＸ−Ｙ方
向に走査させる信号を発生する走査信号発生器１１と、
１１をＺ方向に一定量動かす信号を発生する基準信号発
生器１３と、サンプル９の表面の凹凸形状をトレースさ
せる探針１４と、１４を支持し１４の動きに合わせて変
位するカンチレバー６と、６または探針１４の変位を測
定する変位計１５と、１５からの変位測定信号をサンプ
ルの凹凸と前記基準信号による変位を分離するフィルタ
１７，１８と、基準信号による変位から１５の感度を調
整するゲイン調整器２２と、走査信号と１５からの信号
により３次元画像を表示する表示装置２８を具備したも
の。

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の原理を
応用したもので、カンチレバーの変位（たわみ）を変位
検出手段で検出し、この変位量に基づき変位検出手段の
感度を較正可能な３次元表面形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物質表面の粗さ等の微細な形状を
測定するため、レーザスポットを使用した非接触式の微
細形状測定装置が使用されている。この微細形状測定装
置においては、被測定面間での距離を測定する方法とし
て、臨界角法、非点収差法、ナイフエッジ法の焦点式検
出法が一般的に使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、焦点式検出法
では、レーザスポット径が２μｍ程度までしか焦光でき
ず、そのため横方向の分解能がＺ方向と比較して非常に
悪かった。これを解決するために、従来特開平２ー２８
１１０３号公報に記載のように、レーザとサンプルの間
に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）用のカンチレバーを配置
し、このカンチレバーでサンプル表面をなぞり、その時
のカンチレバーのたわみを臨界角法で検出する方法が使
用されている。

【０００４】このような構成において、サンプルの表面
形状を測定する上で問題となるのは、垂直方向の感度の
較正である。このことについて、図５および図６を参照
して説明する。図中、６１はカンチレバー、１４１は探
針、９１は段差９１ａを有するサンプル、Ｌ，Ｒはレー
ザスポットである。

【０００５】図５（ａ）はカンチレバー６１がたわんで
いない状態を示すものであり、図５（ｂ）はカンチレバ
ー６１がサンプル９１の段差９１ａに応答してたわんだ
状態を示している。この場合、レーザスポットがＬ点に
あるときの方が、Ｒ点あるときより感度が高くなる。

【０００６】また、図６（ａ）に示すようにカンチレバ
ー６１がレーザ光１ｒｆに対して垂直なときは、均等に
反射光が戻ってくるが、図６（ｂ）に示すようにカンチ
レバー６１がレーザ光１ｒｆに対して傾いているとき
は、レーザ光１ｒｆの一部しか戻らず、感度が低下して
しまう。このように、感度はレーザスポットの位置やカ
ンチレバー６１の傾きにより大きく変化する。さらに、
カンチレバー６１の傾きは、カンチレバー６１のたわみ
量の増大に伴い、大きくなるので、現実的には正確な感
度較正を行うことが困難であった。

【０００７】本発明は、変位検出手段の感度をカンチレ
バーの傾きや光源のスポット位置に関係なく一定に保つ
ことができ、また変位検出手段の感度の非直線性の領域
であっても垂直方向の感度を一定に保つことができる３
次元表面形状測定装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、サンプルをＸ−Ｙ方向
に走査することが可能で、かつＺ方向に移動可能な３次
元アクチュエータと、このアクチュエータに対してＸ−
Ｙ方向に走査させる信号を与える走査信号発生手段と、
前記アクチュエータをＺ方向に一定量動かす基準信号を
発生する基準信号発生手段と、前記サンプル表面の凹凸
形状をトレースさせる探針と、この探針を支持し該探針
の動きに合わせて変位するカンチレバーと、このカンチ
レバーまたは前記探針の変位を測定する変位検出手段
と、この変位検出手段からの変位測定信号を前記サンプ
ルの凹凸と前記基準信号による変位を分離する分離手段
と、前記基準信号による変位から前記変位検出手段の感
度を調整する感度調整手段と、前記走査信号と前記変位
検出手段からの信号により３次元画像を表示する画像表
示手段と、を具備した３次元表面形状測定装置である。

【０００９】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、サンプルをＸ−Ｙ方向に走査することが可
能なアクチュエータと、このアクチュエータに対してＸ
−Ｙ方向に走査させる信号を与える走査信号発生手段
と、前記サンプル表面の凹凸形状をトレースさせる探針
と、この探針を支持し該探針の動きに合わせて変位する
カンチレバーと、このカンチレバーを前記サンプルに押
し付けた状態で前記カンチレバーに光を集光させるため
の光学系可動用アクチュエータに対してＺ方向に一定量
動かす基準信号を与える基準信号発生手段と、前記カン
チレバーの変位を測定する変位検出手段と、この変位検
出手段からの変位測定信号を前記サンプルの凹凸と前記
基準信号による変位を分離する分離手段と、前記基準信
号による変位に基づき前記変位検出手段の感度を一定と
なるように調整する感度調整手段と、前記走査信号と前
記変位検出手段からの信号により３次元画像を表示する
画像表示手段と、を具備した３次元表面形状測定装置で
ある。

【００１０】

【作用】請求項１または請求項２に対応する発明によれ
ば、カンチレバーに有する探針をサンプルに押し付けた
状態で、アクチュエータに対してＺ方向に一定量の変位
を与え、変位検出手段の垂直方向の出力感度が一定とな
るようにしたので、従来困難であったｎｍオーダの３次
元形状測定を精度よく行なえ、また従来の原子間力顕微
鏡と比較しても構成が簡単で安価となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明による３次元表面形状測定
装置の第１実施例を示す概略構成図であり、これは以下
のように構成されている。すなわち、レーザ光を射出す
るレーザダイオード１と、レーザ光を平行光にするコリ
メータレンズ２と、レーザ光を分割する偏光ビームスプ
リッター３と、ビームスプリッター３で反射されたレー
ザ光を１／４波長板４を介して集光する対物レンズ５
と、対物レンズ５で集光された光をその上面に照射して
光を反射させるカンチレバー６と、カンチレバー６によ
り反射した光を対物レンズ５、１／４波長板４、ビーム
スプリッター３を介して導き光を反射する臨界角プリズ
ム７と、臨界角プリズム７で反射された反射光が入力さ
れ、その差（臨界角プリズム７からの臨海角より小さい
角度で入射した光と、臨界角以上の角度で入射した光の
差）に対応した信号を検出する２分割フォトディテクタ
ー８と、２分割フォトディテクター８からの信号からカ
ンチレバー６の変位を検出する変位検出器１５を備えて
いる。

【００１２】一方、サンプル９をＸ−Ｙ方向に走査する
ことが可能で、かつＺ方向に移動可能な３次元円筒アク
チュエータ１０と、このアクチュエータ１０にＸ−Ｙ方
向に走査させる信号を発生する走査信号発生器１１と、
アクチュエータ１０をＺ方向に一定量動かす基準信号を
発生する基準信号発生器１３と、サンプル９の表面の凹
凸形状をトレースさせる探針１４と、この探針１４を支
持し該探針１４の動きに合わせて変位するカンチレバー
６と、このカンチレバー６または探針１４の変位を測定
する変位検出器１５と、この変位検出器１５からの変位
測定信号１６をサンプル９の凹凸信号２０と基準信号１
９による変位を分離するハイパスフィルター１７および
ローパスフィルター１８と、基準信号２０による変位か
ら変位検出器１５の感度を調整するゲインコントロール
２２および絶対値回路２１と、走査信号発生器１１から
の走査信号と変位検出器１５からの信号により３次元画
像を表示する画像表示装置２８を備えている。

【００１３】なお、走査信号発生器１１は走査信号発生
手段を構成し、基準信号発生器１３は基準信号発生手段
を構成し、２分割フォトディテクター８と変位検出器１
５は変位検出手段を構成し、ハイパイフィルター１７と
ローパスフィルター１８は分離手段を構成し、絶対値回
路２１と出力ゲイン調整器２２は感度調整手段を構成
し、画像表示装置２８は画像表示手段を構成している。

【００１４】次に、このように構成された３次元表面形
状測定装置の動作について説明する。ここでは、臨界角
法を用いた変位検出法について説明する。レーザダイオ
ード１より射出されたレーザ光は、コリメータレンズ２
により平行光にされる。この平行光は、偏光ビームスプ
リッター３で反射された後、１／４波長板４を介して対
物レンズ５に入射し、集光される。この集光された光
は、カンチレバー６の上面で反射され、この反射光は対
物レンズ５、１／４波長板４、ビームスプリッター３を
通り、臨界角プリズム７に入射される。臨界角プリズム
７に反射される反射光は、臨海角より小さい角度で入射
した光と、臨界角以上の角度で入射した光であり、これ
が２分割フォトディテクター８に導かれ、該光の差に応
じた信号が変位検出器１５に導かれ、ここでカンチレバ
ー６の変位が検出される。

【００１５】一方、サンプル９が以下のようにしてＸー
Ｙ走査される。すなわち、走査信号発生器１１からＸ信
号、Ｙ信号が生じ、この信号が高圧回路１２で増幅され
て３次元円筒アクチュエータ１０に印加され、これによ
りＸーＹに走査される。この場合、基準信号発生器１３
から、アクチュエータ１０がＺ方向に一定量、例えば
０．１μｍで動くような高周波変位基準信号がアクチュ
エータ１０に与えられる。

【００１６】そして、サンプル９にカンチレバー６の先
端部近くにある探針を１４を押付けた状態で、サンプル
９をＸーＹ方向に走査したときの変位検出器１５の出力
は、凹凸信号１６のような凹凸信号と基準変位信号がた
し合されたものとなっている。このため、変位検出器１
５の出力は、ハイパスフィルター１７とローパスフィル
ター１８により基準変位信号１９と凹凸信号２０に分離
される。基準変位信号１９の振幅を絶対値回路２１で取
り出し、その値により出力ゲイン調整器２２のゲインが
調整される。この場合、カンチレバー６の基準信号１９
によるたわみが大きいとき、つまり感度が高いときゲイ
ンを下げ、カンチレバー６の基準信号１９によるたわみ
が小さいとき、つまり感度が低いときゲインを上げるよ
うに調整される。

【００１７】そして、出力ゲイン調整器２２から出力さ
れたＺ変位信号と走査信号発生器１１から出力されたＸ
ーＹ座標位置が画像表示装置２８に入力され、ここでサ
ンプル９の表面の３次元凹凸形状が正確に表示される。

【００１８】以上述べた実施例によれば、探針１４をサ
ンプル９に押し付けた状態で、基準信号発生器１３から
アクチュエータ１０を垂直方向に一定量の変位を与え、
この変位によるカンチレバー６のたわみを変位検出器１
５で取り出し、サンプル９がどのくらい動いたら、変位
検出器１５の信号レベルがどのくらい変化するか、つま
り変位検出器１５の垂直方向の感度が較正される。これ
は該較正値により、出力ゲイン調整器２２の出力ゲイン
を変化させ、常に変位検出器１５の出力感度が一定とな
るように制御される。

【００１９】これにより、従来困難であったｎｍオーダ
ーの３次元形状測定が精度よく行なうことが可能とな
る。この場合、従来の原子間力顕微鏡と比較しても、装
置構成、回路等も比較的シンプルで安価に得ることがで
きる。従来の原子間力顕微鏡は、通常サンプルの凹凸に
合せ、カンチレバーのたわみが一定になるように、サン
プルをＺ方向に動かして（サーボをかけて）測定してい
るものに比べて、本実施例ではサーボをかけずに、サン
プル９をＸーＹ方向に走査し、そのときのカンチレバー
６のたわみ（ＺＰ信号）によりサンプル９の凹凸を測定
するモードであるため、構成が簡単である。また変位検
出器１５の感度の非直線性の領域であっても垂直方向の
感度を一定に保つことができる。

【００２０】さらに、サーボをかけないので、発振せず
に高速スキャンが可能であり、しかもアクチュエータ２
４をＺ方向に駆動するための電圧を印加しないので、Ｘ
ーＹ方向の駆動信号とＺ方向駆動信号の干渉がなく、そ
のためＸーＹ駆動信号の較正が正確に行なえる。また、
Ｚ方向のクリープ及びヒステリシスの影響がない。

【００２１】次に、本発明の第２実施例について、図２
を参照して説明する。図２は変位検出器１５の感度を較
正するための構成を示すものであり、基準信号発生器１
３から出力された基準信号を、対物レンズ５の上部に配
置した対物レンズ可動用アクチュエータ２３に印加し、
対物レンズ５を上下させるように構成したものである。
これ以外の構成は、図１の構成と同一である。

【００２２】このような構成とすることにより、サンプ
ル９の移動は、ＸーＹに走査可能なアクチュエータ２４
のみで行なえ、構造が簡単になり、サンプル９が大形に
なったときでも対応ができる。

【００２３】さらに、本発明の第３実施例について、図
３および図４を参照して説明する。図３はその概略構成
を示すもので、外側に４電極Ｘ，−Ｘ，Ｙ，−Ｙを有す
る円筒型アクチュエータ２５の上に、サンプル９を載置
し、さらにその上に探針１４を有するカンチレバー６を
介して変位計２６でカンチレバー６の変位を読み取り、
これをコンピュータ２７に入力するようになっている。
円筒型アクチュエータ２５の４電極には、コンピュータ
２７から電極Ｘ，−Ｘ，Ｙ，−Ｙへ電圧を印加するよう
に構成されている。この構成は、図１の変位検出器１５
を変位計２６に置き換え、図１のハイパスフィルター１
７とローパスフィルター１８と絶対値回路２１と出力ゲ
イン調整器２２をコンピュータ２７に置き換えたものと
同じである。

【００２４】このような構成のものにおいて、コンピュ
ータ２７から、図４に示すように電極Ｘ，−Ｘ，Ｙ，−
Ｙに電圧を印加し、そのとき変位計２６によりサンプル
９の変位信号を読み取り、これをコンピュータ２７に入
力することにより、サンプル９の凹凸形状を測定するこ
とができる。この場合、変位計２６の感度は、走査前に
各電極Ｘ，−Ｘ，Ｙ，−Ｙへ同位相で基準信号を入力し
たときの変位により較正する。この構成によれば、装置
の構成が簡略化され、安価となる。なお、図３のコンピ
ュータ２７に、図１の画像表示装置２８を含めても図３
の実施例と同様な効果が得られる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、変位検出手段の感度を
カンチレバーの傾きや光源のスポット位置に関係なく一
定に保つことができ、また変位検出手段の感度が非直線
性の領域であっても垂直方向の感度を一定に保つことが
できる３次元表面形状測定装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による３次元表面形状測定装置の第１実
施例を示す概略構成図。

【図２】本発明による３次元表面形状測定装置の第２実
施例を示す概略構成図。

【図３】本発明による３次元表面形状測定装置の第３実
施例を示す概略構成図。

【図４】図３の３次元表面形状測定装置の動作を説明す
るための図。

【図５】従来の原子間力顕微鏡の問題点を説明するため
の図。

【図６】従来の原子間力顕微鏡の問題点を説明するため
の図。

【符号の説明】

１…レーザダイオード、２…コリメータレンズ、３…偏
光ビームスプリッター、４…１／４波長板、５…対物レ
ンズ、６…カンチレバ、７…臨界角プリズム、８…ディ
テクター、９…サンプル、１０…３次元円筒アクチュエ
ータ、１１…走査信号発生器、１２…高圧回路、１３…
基準信号発生器、１４…探針、１５…変位検出器、１６
…凹凸信号、１７…ハイパスフィルター、１８…ローパ
スフィルター、１９…基準変位信号、２０…凹凸信号、
２１…絶対値回路、２２…出力ゲイン調整器、２３…対
物レンズ可動用アクチュエータ、２４…アクチュエー
タ、２５…円筒型アクチュエータ、２６…変位計、２７
…コンピュータ、２８…画像表示装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サンプルをＸ−Ｙ方向に走査することが
   可能で、かつＺ方向に移動可能な３次元アクチュエータ
   と、 このアクチュエータに対してＸ−Ｙ方向に走査させる信
   号を与える走査信号発生手段と、 前記アクチュエータをＺ方向に一定量動かす基準信号を
   発生する基準信号発生手段と、 前記サンプル表面の凹凸形状をトレースさせる探針と、 この探針を支持し該探針の動きに合わせて変位するカン
   チレバーと、 このカンチレバーまたは前記探針の変位を測定する変位
   検出手段と、 この変位検出手段からの変位測定信号を前記サンプルの
   凹凸と前記基準信号による変位を分離する分離手段と、 前記基準信号による変位から前記変位検出手段の感度を
   調整する感度調整手段と、 前記走査信号と前記変位検出手段からの信号により３次
   元画像を表示する画像表示手段と、 を具備した３次元表面形状測定装置。
2. 【請求項２】 サンプルをＸ−Ｙ方向に走査することが
   可能なアクチュエータと、 このアクチュエータに対してＸ−Ｙ方向に走査させる信
   号を与える走査信号発生手段と、 前記サンプル表面の凹凸形状をトレースさせる探針と、 この探針を支持し該探針の動きに合わせて変位するカン
   チレバーと、 このカンチレバーを前記サンプルに押し付けた状態で前
   記カンチレバーに光を集光させるための光学系可動用ア
   クチュエータに対してＺ方向に一定量動かす基準信号を
   与える基準信号発生手段と、 前記カンチレバーの変位を測定する変位検出手段と、 この変位検出手段からの変位測定信号を前記サンプルの
   凹凸と前記基準信号による変位を分離する分離手段と、 前記基準信号による変位に基づき前記変位検出手段の感
   度を一定となるように調整する感度調整手段と、 前記走査信号と前記変位検出手段からの信号により３次
   元画像を表示する画像表示手段と、 を具備した３次元表面形状測定装置。