JPH10104245A - 微小変位測定装置 - Google Patents
微小変位測定装置Info
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- JPH10104245A JPH10104245A JP8255679A JP25567996A JPH10104245A JP H10104245 A JPH10104245 A JP H10104245A JP 8255679 A JP8255679 A JP 8255679A JP 25567996 A JP25567996 A JP 25567996A JP H10104245 A JPH10104245 A JP H10104245A
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- Japan
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- laser beam
- cantilever
- scanning
- measuring device
- displacement measuring
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光テコ式のカンチレバー変位検出手段のレー
ザーアライメントを自動的に調節できるよう改善した微
小変位測定装置を提供する。 【解決手段】 本発明の微小変位測定装置１（ＡＦＭ）
は、試料１１の表面を探触する探針９を有するカンチレ
バー７と、このカンチレバー７の変位を検出する光テコ
式の変位検出手段を有する。この光テコ式変位検出手段
に、レーザービーム２３を走査するレーザービーム走査
手段（ＡＯＭ２４）が設けられていることを特徴とす
る。そして、ＰＤ３５で検出する反射光の強度が最大と
なるように、入射レーザービーム３１がカンチレバー７
に当たる位置の調節を行う。
ザーアライメントを自動的に調節できるよう改善した微
小変位測定装置を提供する。 【解決手段】 本発明の微小変位測定装置１（ＡＦＭ）
は、試料１１の表面を探触する探針９を有するカンチレ
バー７と、このカンチレバー７の変位を検出する光テコ
式の変位検出手段を有する。この光テコ式変位検出手段
に、レーザービーム２３を走査するレーザービーム走査
手段（ＡＯＭ２４）が設けられていることを特徴とす
る。そして、ＰＤ３５で検出する反射光の強度が最大と
なるように、入射レーザービーム３１がカンチレバー７
に当たる位置の調節を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面の情報を
高い分解能で測定することのできる走査型プローブ顕微
鏡等に用いる微小変位測定装置に関するものである。特
には、光テコ式のカンチレバー変位検出手段を有し、該
手段の入射レーザー光のアライメントを自動的に調節で
きるように改良を加えた微小変位測定装置に関する。
高い分解能で測定することのできる走査型プローブ顕微
鏡等に用いる微小変位測定装置に関するものである。特
には、光テコ式のカンチレバー変位検出手段を有し、該
手段の入射レーザー光のアライメントを自動的に調節で
きるように改良を加えた微小変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡の１つに原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）がある。これは微細加工によって作ら
れたカンチレバーを試料に接触（又は近接）させ、カン
チレバーの先端につけられた探針と試料間に働く原子間
力によるカンチレバーのたわみを検出することにより、
試料表面の性状を測定するものである。カンチレバーの
たわみを測定する手段としては、光テコ法、光干渉計、
ピエゾ抵抗等があげられるが、最も簡便な手段である光
テコ法が最も多く用いられている。
顕微鏡（ＡＦＭ）がある。これは微細加工によって作ら
れたカンチレバーを試料に接触（又は近接）させ、カン
チレバーの先端につけられた探針と試料間に働く原子間
力によるカンチレバーのたわみを検出することにより、
試料表面の性状を測定するものである。カンチレバーの
たわみを測定する手段としては、光テコ法、光干渉計、
ピエゾ抵抗等があげられるが、最も簡便な手段である光
テコ法が最も多く用いられている。
【０００３】従来のＡＦＭの装置の典型的な構成例を説
明する。図５は、従来の典型的なＡＦＭの全体構成を示
す模式図である。この図のＡＦＭ２０１は、試料２１１
を載せる試料台２１２を有する。試料台２１２は、その
下に存在するＸＹＺスキャナ（サンプルスキャナ）２１
３に支持されており、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に走査される。な
お、本明細書中においては、カンチレバー２０７の曲げ
変位方向（通常地球鉛直方向）をＺ方向といい、Ｚ方向
に垂直な方向をＸ−Ｙ方向という。スキャナ２１３は、
通常は、ピエゾアクチュエータ式である。スキャナ２１
３は、台２１５上に固定されている。
明する。図５は、従来の典型的なＡＦＭの全体構成を示
す模式図である。この図のＡＦＭ２０１は、試料２１１
を載せる試料台２１２を有する。試料台２１２は、その
下に存在するＸＹＺスキャナ（サンプルスキャナ）２１
３に支持されており、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に走査される。な
お、本明細書中においては、カンチレバー２０７の曲げ
変位方向（通常地球鉛直方向）をＺ方向といい、Ｚ方向
に垂直な方向をＸ−Ｙ方向という。スキャナ２１３は、
通常は、ピエゾアクチュエータ式である。スキャナ２１
３は、台２１５上に固定されている。
【０００４】試料２１１の表面には、カンチレバー２０
７先端の探針２０９が当てられている。カンチレバー２
０７は、剛性の高いアーム２０５を介して支柱２０３に
保持されている。支柱２０３と台２１５とは強固に連結
されている。カンチレバー２０７の先端部下面には、探
針２０９が下方に突出するように形成されている。
７先端の探針２０９が当てられている。カンチレバー２
０７は、剛性の高いアーム２０５を介して支柱２０３に
保持されている。支柱２０３と台２１５とは強固に連結
されている。カンチレバー２０７の先端部下面には、探
針２０９が下方に突出するように形成されている。
【０００５】カンチレバー２０７上面には、試料台２１
２の上方に設置されているレーザー発振器２２１からレ
ーザー光（入射光２３１）が当てられている。この入射
光２３１は、カンチレバー２０７上面で反射して（反射
光２３３）、試料台２１２の斜め上方に設置されている
フォトディテクタ（ＰＤ）２３５に当る。このＰＤ２３
５は上下（ＡＢ）２分割型であり（光センサが上下に２
分割されている）、入射光２３３の入射位置を検出する
ことができる。例えば、入射光２３３が上に当たると、
上側（Ａ）のセンサの光量の方が下側（Ｂ）のセンサの
光量よりも多くなる。入射光２３３が下に当たると逆と
なる。
２の上方に設置されているレーザー発振器２２１からレ
ーザー光（入射光２３１）が当てられている。この入射
光２３１は、カンチレバー２０７上面で反射して（反射
光２３３）、試料台２１２の斜め上方に設置されている
フォトディテクタ（ＰＤ）２３５に当る。このＰＤ２３
５は上下（ＡＢ）２分割型であり（光センサが上下に２
分割されている）、入射光２３３の入射位置を検出する
ことができる。例えば、入射光２３３が上に当たると、
上側（Ａ）のセンサの光量の方が下側（Ｂ）のセンサの
光量よりも多くなる。入射光２３３が下に当たると逆と
なる。
【０００６】ＰＤ２３５の信号は、Ｚフィードバック回
路２５１に送られる。Ｚフィードバック回路２５１の信
号はＸＹＺスキャナドライバー２５３及び表示部２５５
に送られる。制御部２５７は、ＸＹＺスキャナドライバ
ー及び表示部２５５をコントロールする。
路２５１に送られる。Ｚフィードバック回路２５１の信
号はＸＹＺスキャナドライバー２５３及び表示部２５５
に送られる。制御部２５７は、ＸＹＺスキャナドライバ
ー及び表示部２５５をコントロールする。
【０００７】図５のＡＦＭの動作について説明する。最
初２分割ＰＤ２３５の和信号（Ａ＋Ｂ）が最大になるよ
うにレーザー入射光２３１の位置を調節し、次に差信号
（Ａ−Ｂ）が最小になるようにＰＤ２３５の位置を調整
する。これらの調整が終わった後にカンチレバー２０７
を試料に接触させ、サンプルスキャンの場合は試料２１
１をカンチレバー２０７に対して走査する。このとき２
分割ＰＤ２３５の差信号をモニタすることによって、試
料２１１表面の形状を表示部２５５で画像化することが
できる。また、ＰＤ２３５の差信号が一定になるよう
に、すなわちカンチレバー２０７と試料２１１間に働く
力が一定になるようにフィードバックをかけながら（コ
ンスタントフォースモード）、試料表面の形状を画像化
することも可能である。
初２分割ＰＤ２３５の和信号（Ａ＋Ｂ）が最大になるよ
うにレーザー入射光２３１の位置を調節し、次に差信号
（Ａ−Ｂ）が最小になるようにＰＤ２３５の位置を調整
する。これらの調整が終わった後にカンチレバー２０７
を試料に接触させ、サンプルスキャンの場合は試料２１
１をカンチレバー２０７に対して走査する。このとき２
分割ＰＤ２３５の差信号をモニタすることによって、試
料２１１表面の形状を表示部２５５で画像化することが
できる。また、ＰＤ２３５の差信号が一定になるよう
に、すなわちカンチレバー２０７と試料２１１間に働く
力が一定になるようにフィードバックをかけながら（コ
ンスタントフォースモード）、試料表面の形状を画像化
することも可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来の光テコ法では、
光学的なアライメントをとるために、入射光及びディテ
クタの位置を調整する必要があり、様々なドリフト等に
よりスキャン中にアライメント位置が狂ってしまうこと
が多々あった。アライメントの位置がずれると、スキャ
ン中であってもカンチレバーがサンプルから離れてしま
ったり、取られた像に歪みが生じたりといった問題が発
生する。
光学的なアライメントをとるために、入射光及びディテ
クタの位置を調整する必要があり、様々なドリフト等に
よりスキャン中にアライメント位置が狂ってしまうこと
が多々あった。アライメントの位置がずれると、スキャ
ン中であってもカンチレバーがサンプルから離れてしま
ったり、取られた像に歪みが生じたりといった問題が発
生する。
【０００９】また、レーザー光、カンチレバー、ＰＤが
一定の位置関係になる必要があり、このため試料に対し
カンチレバーを相対的にスキャンさせるためには、光学
系全体を動かすか試料を動かす必要があり、装置構成が
大型になるという欠点があった。
一定の位置関係になる必要があり、このため試料に対し
カンチレバーを相対的にスキャンさせるためには、光学
系全体を動かすか試料を動かす必要があり、装置構成が
大型になるという欠点があった。
【００１０】本発明は、光テコ式カンチレバー変位検出
手段のレーザーアライメントを自動的に調節できるよう
改善された微小変位測定装置を提供することを目的とす
る。さらには、高周波数走査に適した微小変位測定装置
を提供することを目的とする。
手段のレーザーアライメントを自動的に調節できるよう
改善された微小変位測定装置を提供することを目的とす
る。さらには、高周波数走査に適した微小変位測定装置
を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の微小変位測定装置は、試料表面を探触する
探針を有するカンチレバーと、このカンチレバーの変位
を検出する光テコ式の変位検出手段と、試料及び／又は
カンチレバーを走査する基本走査手段と、変位検出手段
及び走査手段の制御部と、を含む微小変位測定装置であ
って； 上記光テコ式変位検出手段が、レーザービーム
を上記カンチレバー表面に当てるレーザービーム射出手
段と、 カンチレバー表面から反射してくるレーザービ
ームを受光して該レーザービームの強度を検出する反射
光強度検出手段とを備え、 該光テコ式変位検出手段
が、さらに、上記レーザービームを走査するレーザービ
ーム走査手段を具備することを特徴とする。すなわち、
レーザービームを走査する手段を有するため、測定中に
レーザービームアライメントを調節することができる。
また、カンチレバーを追跡しながらレーザービームを当
てることができるので、光合系全体を動かす必要はな
く、小形かつ高周波走査にも適した微小変位測定装置が
得られる。
め、本発明の微小変位測定装置は、試料表面を探触する
探針を有するカンチレバーと、このカンチレバーの変位
を検出する光テコ式の変位検出手段と、試料及び／又は
カンチレバーを走査する基本走査手段と、変位検出手段
及び走査手段の制御部と、を含む微小変位測定装置であ
って； 上記光テコ式変位検出手段が、レーザービーム
を上記カンチレバー表面に当てるレーザービーム射出手
段と、 カンチレバー表面から反射してくるレーザービ
ームを受光して該レーザービームの強度を検出する反射
光強度検出手段とを備え、 該光テコ式変位検出手段
が、さらに、上記レーザービームを走査するレーザービ
ーム走査手段を具備することを特徴とする。すなわち、
レーザービームを走査する手段を有するため、測定中に
レーザービームアライメントを調節することができる。
また、カンチレバーを追跡しながらレーザービームを当
てることができるので、光合系全体を動かす必要はな
く、小形かつ高周波走査にも適した微小変位測定装置が
得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の微小変位測定装置におい
ては、上記制御部が、上記レーザービーム走査手段をコ
ントロールし、 上記反射光強度検出手段で検出する反
射光の強度が最大となるように、入射レーザービームが
カンチレバーに当たる位置の調節を行うことが好まし
い。これにより、レーザーのアライメントずれによる画
像の歪みや、スキャン中にカンチレバーが試料から離れ
るといった問題点を解消できる。
ては、上記制御部が、上記レーザービーム走査手段をコ
ントロールし、 上記反射光強度検出手段で検出する反
射光の強度が最大となるように、入射レーザービームが
カンチレバーに当たる位置の調節を行うことが好まし
い。これにより、レーザーのアライメントずれによる画
像の歪みや、スキャン中にカンチレバーが試料から離れ
るといった問題点を解消できる。
【００１３】本発明の微小変位測定装置においては、上
記基本走査手段が、カンチレバーをＸ−Ｙ方向及びＺ方
向で走査するとともに、上記レーザービーム走査手段が
レーザービームをＸ−Ｙ方向で走査することが好まし
い。すなわち、カンチレバースキャンとし、かつカンチ
レバー変位検出手段のレーザービームをＸ−Ｙ方向で走
査し、カンチレバーを追跡しながらレーザービームを当
てることができるようにするのである。したがって、光
合系全体を動かすことはなく、小形かつ高周波走査にも
適した微小変位測定装置が得られる。
記基本走査手段が、カンチレバーをＸ−Ｙ方向及びＺ方
向で走査するとともに、上記レーザービーム走査手段が
レーザービームをＸ−Ｙ方向で走査することが好まし
い。すなわち、カンチレバースキャンとし、かつカンチ
レバー変位検出手段のレーザービームをＸ−Ｙ方向で走
査し、カンチレバーを追跡しながらレーザービームを当
てることができるようにするのである。したがって、光
合系全体を動かすことはなく、小形かつ高周波走査にも
適した微小変位測定装置が得られる。
【００１４】本発明の微小変位測定装置においては、上
記レーザービーム走査手段が音響光学変調器（ＡＯＭ）
を備えることが好ましい。ＡＯＭは、レーザー顕微鏡等
でも使用されており、レーザービームをＸ−Ｙ方向で高
速精密スキャンするのに適している。
記レーザービーム走査手段が音響光学変調器（ＡＯＭ）
を備えることが好ましい。ＡＯＭは、レーザー顕微鏡等
でも使用されており、レーザービームをＸ−Ｙ方向で高
速精密スキャンするのに適している。
【００１５】本発明の微小変位測定装置においては、上
記反射光強度検出手段が分割型フォトディテクタであ
り、反射光の強度を該フォトディテクタの和信号として
検出することが好ましい。また、この分割を４分割とす
ることが好ましい。カンチレバーの曲げ変位の他にねじ
れ変位（倒れ）をも検出できるからである。
記反射光強度検出手段が分割型フォトディテクタであ
り、反射光の強度を該フォトディテクタの和信号として
検出することが好ましい。また、この分割を４分割とす
ることが好ましい。カンチレバーの曲げ変位の他にねじ
れ変位（倒れ）をも検出できるからである。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は、
本発明の第１実施例（サンプルスキャン型）に係るＡＦ
Ｍの全体構成を模式的に示す図である。この図のＡＦＭ
１は、試料１１を載せる試料台１２を有する。試料台１
２は、その下に存在するＸＹＺスキャナ（基本走査手
段）１３に支持されており、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に走査され
る。なお、本明細書中においては、カンチレバー７の曲
げ変位方向（通常地球鉛直方向）をＺ方向といい、Ｚ方
向に垂直な方向をＸ−Ｙ方向という。スキャナ１３は、
通常は、ピエゾアクチュエータ式であり、nmオーダーの
微細な位置決め精度で約１００μm に渡る走査を行うこ
とができる。スキャナ１３は、台１５上に固定されてい
る。
本発明の第１実施例（サンプルスキャン型）に係るＡＦ
Ｍの全体構成を模式的に示す図である。この図のＡＦＭ
１は、試料１１を載せる試料台１２を有する。試料台１
２は、その下に存在するＸＹＺスキャナ（基本走査手
段）１３に支持されており、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に走査され
る。なお、本明細書中においては、カンチレバー７の曲
げ変位方向（通常地球鉛直方向）をＺ方向といい、Ｚ方
向に垂直な方向をＸ−Ｙ方向という。スキャナ１３は、
通常は、ピエゾアクチュエータ式であり、nmオーダーの
微細な位置決め精度で約１００μm に渡る走査を行うこ
とができる。スキャナ１３は、台１５上に固定されてい
る。
【００１７】試料１１の表面には、カンチレバー７先端
の探針９が当てられている。カンチレバー７は、剛性の
高いアーム５を介して支柱３に保持されている。支柱３
と台１５とは強固に連結されている。図３は、図１のＡ
ＦＭのカンチレバーを拡大して示す斜視図である。三角
形の薄い板であるカンチレバー７の根元部（アーム５と
の接続部）には、抜き穴７ｂが形成されている。カンチ
レバー７の先端部下面には、探針９が下方に突出するよ
うに形成されている。カンチレバー７の上面の先端寄り
には、光の反射率を高くするコーティング７ａが形成さ
れている。このコーティングは、カンチレバーの他の部
分からの反射光を区別するためのものである。このカン
チレバーは、一般的には、半導体素子の製造に用いられ
る微細加工技術により製作される。
の探針９が当てられている。カンチレバー７は、剛性の
高いアーム５を介して支柱３に保持されている。支柱３
と台１５とは強固に連結されている。図３は、図１のＡ
ＦＭのカンチレバーを拡大して示す斜視図である。三角
形の薄い板であるカンチレバー７の根元部（アーム５と
の接続部）には、抜き穴７ｂが形成されている。カンチ
レバー７の先端部下面には、探針９が下方に突出するよ
うに形成されている。カンチレバー７の上面の先端寄り
には、光の反射率を高くするコーティング７ａが形成さ
れている。このコーティングは、カンチレバーの他の部
分からの反射光を区別するためのものである。このカン
チレバーは、一般的には、半導体素子の製造に用いられ
る微細加工技術により製作される。
【００１８】カンチレバー７の上面（反射コーティング
部）には、試料台１２の上方に設置されているレーザー
発振器（レーザービーム射出手段）２１からのレーザー
ビーム２３（入射光３１）が当たっている。ただし、図
５の従来のＡＦＭと異なり、レーザー発振器２１とカン
チレバー７との間には、レーザービーム走査手段２４で
あるＸ方向ＡＯＭ２５とＹ方向ＡＯＭ２７とが設置され
ている。この両ＡＯＭ２５、２７によってレーザービー
ム２３がＸ−Ｙ方向に偏向され、任意の位置に向けて走
査される。
部）には、試料台１２の上方に設置されているレーザー
発振器（レーザービーム射出手段）２１からのレーザー
ビーム２３（入射光３１）が当たっている。ただし、図
５の従来のＡＦＭと異なり、レーザー発振器２１とカン
チレバー７との間には、レーザービーム走査手段２４で
あるＸ方向ＡＯＭ２５とＹ方向ＡＯＭ２７とが設置され
ている。この両ＡＯＭ２５、２７によってレーザービー
ム２３がＸ−Ｙ方向に偏向され、任意の位置に向けて走
査される。
【００１９】カンチレバー７上面の反射コーティング部
に当たった入射光３１は、カンチレバー７上面で反射し
て（反射光３３）、試料台１２の斜め上方に設置されて
いるフォトディテクタ（ＰＤ）３５に入射する。
に当たった入射光３１は、カンチレバー７上面で反射し
て（反射光３３）、試料台１２の斜め上方に設置されて
いるフォトディテクタ（ＰＤ）３５に入射する。
【００２０】図４は、図１のＡＦＭのＰＤの分割構成を
示す図である。この図に示すように、ＰＤ３５は、上下
左右に４分割されている。すなわち、上左のＡブロッ
ク、上右のＢブロック、下左のＣブロック、及び下右の
Ｄブロックに４分割されている。各ブロックの信号をＩ
A 、ＩB 、ＩC 、ＩD とすると、後述する演算回路３７
等において以下の信号処理がなされる。すなわち、ＩA
＋ＩB ＋ＩC ＋ＩD は和信号となる。差信号１は、ＩA
＋ＩB−（ＩC ＋ＩD ）であり、カンチレバー７からの
反射光３３が上下いずれにズレているかを示す。差信号
２は、ＩA ＋ＩC −（ＩB ＋ＩD ）であり、カンチレバ
ー７からの反射光３３が左右のいずれにズレているかを
示す。なお、差信号１は処理された後に、後述する表示
部において表面形状（トポグラフィー）として画像表示
される。
示す図である。この図に示すように、ＰＤ３５は、上下
左右に４分割されている。すなわち、上左のＡブロッ
ク、上右のＢブロック、下左のＣブロック、及び下右の
Ｄブロックに４分割されている。各ブロックの信号をＩ
A 、ＩB 、ＩC 、ＩD とすると、後述する演算回路３７
等において以下の信号処理がなされる。すなわち、ＩA
＋ＩB ＋ＩC ＋ＩD は和信号となる。差信号１は、ＩA
＋ＩB−（ＩC ＋ＩD ）であり、カンチレバー７からの
反射光３３が上下いずれにズレているかを示す。差信号
２は、ＩA ＋ＩC −（ＩB ＋ＩD ）であり、カンチレバ
ー７からの反射光３３が左右のいずれにズレているかを
示す。なお、差信号１は処理された後に、後述する表示
部において表面形状（トポグラフィー）として画像表示
される。
【００２１】再び図１に戻って説明する。ＰＤ３５の信
号は演算回路３７に送られ、同回路３７は上述の和信号
及び差信号を演算する。このうち和信号は、ピーク検出
回路３９に送られ、レーザーフィードバック回路４１を
通ってＡＯＭドライバー４３に送られる。差信号は、Ｚ
フィードバック回路５１においてスキャナのＺ軸の上げ
下げに対応する信号に変換され、ＸＹＺスキャナドライ
バー５３及び表示部５５に送られる。ＸＹＺスキャナド
ライバー５７及び表示部５５は制御部５７にコントロー
ルされる。
号は演算回路３７に送られ、同回路３７は上述の和信号
及び差信号を演算する。このうち和信号は、ピーク検出
回路３９に送られ、レーザーフィードバック回路４１を
通ってＡＯＭドライバー４３に送られる。差信号は、Ｚ
フィードバック回路５１においてスキャナのＺ軸の上げ
下げに対応する信号に変換され、ＸＹＺスキャナドライ
バー５３及び表示部５５に送られる。ＸＹＺスキャナド
ライバー５７及び表示部５５は制御部５７にコントロー
ルされる。
【００２２】図１の実施例のＡＦＭの動作を説明する。
まず、ＰＤの和信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が最大に、差信
号（（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ））が最小になるように、Ｐ
Ｄ３５の位置を調節する。この調整が終了したら、カン
チレバー７を試料表面に接触させ、スキャナ１３を駆動
させて測定を開始する。それと同時に、ＡＯＭドライバ
ー４３を使って、レーザー光をＸ及びＹ方向にスキャン
させる。レーザー光のスキャン速度は測定のスキャン速
度より速くなければならず、４分割ＰＤの和信号（Ａ＋
Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が最大になるように、Ｘ及びＹのＡＯＭド
ライバー４３にフィードバックをかける。また、差信号
（（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ））をＺフィードバック回路に
通すことによって、試料表面の形状を測定する（コンス
タントフォースモード）ことができる。入射レーザー光
をスキャンさせると、４分割ＰＤの和信号にレーザー光
の周期と同じ周期でピークが現れる。このピークのとき
の差信号のみをフィードバック及び画像作成に使用す
る。また、この際、ロックインアンプ等を用いて同期検
出をしてもよい。さらに、４分割ＰＤの差信号（（Ａ＋
Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ））を検出、画像化することにより、試
料のＬＦＭ（Lateral Force Microscope）像を測定する
ことが可能である。
まず、ＰＤの和信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が最大に、差信
号（（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ））が最小になるように、Ｐ
Ｄ３５の位置を調節する。この調整が終了したら、カン
チレバー７を試料表面に接触させ、スキャナ１３を駆動
させて測定を開始する。それと同時に、ＡＯＭドライバ
ー４３を使って、レーザー光をＸ及びＹ方向にスキャン
させる。レーザー光のスキャン速度は測定のスキャン速
度より速くなければならず、４分割ＰＤの和信号（Ａ＋
Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が最大になるように、Ｘ及びＹのＡＯＭド
ライバー４３にフィードバックをかける。また、差信号
（（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ））をＺフィードバック回路に
通すことによって、試料表面の形状を測定する（コンス
タントフォースモード）ことができる。入射レーザー光
をスキャンさせると、４分割ＰＤの和信号にレーザー光
の周期と同じ周期でピークが現れる。このピークのとき
の差信号のみをフィードバック及び画像作成に使用す
る。また、この際、ロックインアンプ等を用いて同期検
出をしてもよい。さらに、４分割ＰＤの差信号（（Ａ＋
Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ））を検出、画像化することにより、試
料のＬＦＭ（Lateral Force Microscope）像を測定する
ことが可能である。
【００２３】図２は、本発明の第２実施例（カンチレバ
ースキャン式）に係るＡＦＭの全体構成を模式的に示す
図である。図２と図１において、下２桁が同じ符号（例
えば１２１と２１）は、以下に特記するものを除いて同
じ名称のものである。
ースキャン式）に係るＡＦＭの全体構成を模式的に示す
図である。図２と図１において、下２桁が同じ符号（例
えば１２１と２１）は、以下に特記するものを除いて同
じ名称のものである。
【００２４】図２のＡＦＭが図１のＡＦＭと異なる点
は、カンチレバー１０７をＸ、Ｙ、Ｚ方向にスキャンし
ている（レバースキャン）ことである。すなわち、支柱
１０３の上端に、台１１５の方向に突出する突出部１０
３ａを設け、この突出部１０３ａの下面にスキャナ１０
４を垂下させている。そして、スキャナ１０４の下端
に、アーム１０５を介してカンチレバー１０７を接続し
ている。カンチレバー変位検出手段用のレーザービーム
１３１も、図１の実施例の場合と同様にＸ−Ｙ方向にス
キャンして、カンチレバー１０７のスキャンを追跡す
る。この際、制御部１５７からコントロール信号がＡＯ
Ｍドライバー１４３に送られる。
は、カンチレバー１０７をＸ、Ｙ、Ｚ方向にスキャンし
ている（レバースキャン）ことである。すなわち、支柱
１０３の上端に、台１１５の方向に突出する突出部１０
３ａを設け、この突出部１０３ａの下面にスキャナ１０
４を垂下させている。そして、スキャナ１０４の下端
に、アーム１０５を介してカンチレバー１０７を接続し
ている。カンチレバー変位検出手段用のレーザービーム
１３１も、図１の実施例の場合と同様にＸ−Ｙ方向にス
キャンして、カンチレバー１０７のスキャンを追跡す
る。この際、制御部１５７からコントロール信号がＡＯ
Ｍドライバー１４３に送られる。
【００２５】このレバースキャンの場合、図１のサンプ
ルスキャンよりも、スキャンする構造物の重量が大きく
低下する。したがって、スキャンの共振周波数も数kHz
以上とすることができ、スキャン周波数（スピード）を
高くして単位時間当りの観察面積を広くすることができ
る。
ルスキャンよりも、スキャンする構造物の重量が大きく
低下する。したがって、スキャンの共振周波数も数kHz
以上とすることができ、スキャン周波数（スピード）を
高くして単位時間当りの観察面積を広くすることができ
る。
【００２６】レバースキャンを行なうため、ＡＯＭはカ
ンチレバーの動きに同期した低速スキャナと、その付近
だけをスキャンする高速スキャナを組み合わせる。ある
いは、ＡＯＭドライバーに低速スキャン信号と高速スキ
ャン信号を加え合わせた信号を加えることで低速、高速
スキャナを単一のＡＯＭで構成することもできる。また
この時、レーザー、カンチレバー、ＰＤの位置関係が変
化することから、ＰＤからの信号にはカンチレバーの試
料面上での位置に比例したオフセットがのってしまう
が、これはレバーのＸＹ値から確定できる後段の演算回
路で処理してからＺフィードバック回路に通せばよい。
この場合、ＰＤの受光部から光がはずれないようにする
ためには、（カンチレバー〜ＰＤ間距離）／（ＡＯＭ〜
カンチレバー間距離）×（カンチレバースキャン範囲）
よりも十分大きな受光面積をもったＰＤを用いればよ
い。
ンチレバーの動きに同期した低速スキャナと、その付近
だけをスキャンする高速スキャナを組み合わせる。ある
いは、ＡＯＭドライバーに低速スキャン信号と高速スキ
ャン信号を加え合わせた信号を加えることで低速、高速
スキャナを単一のＡＯＭで構成することもできる。また
この時、レーザー、カンチレバー、ＰＤの位置関係が変
化することから、ＰＤからの信号にはカンチレバーの試
料面上での位置に比例したオフセットがのってしまう
が、これはレバーのＸＹ値から確定できる後段の演算回
路で処理してからＺフィードバック回路に通せばよい。
この場合、ＰＤの受光部から光がはずれないようにする
ためには、（カンチレバー〜ＰＤ間距離）／（ＡＯＭ〜
カンチレバー間距離）×（カンチレバースキャン範囲）
よりも十分大きな受光面積をもったＰＤを用いればよ
い。
【００２７】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
により、レーザー光のアライメントを気にしなくても微
小変位測定を行えるようになる。また、レバースキャン
やＡＯＭによるレーザービームスキャンを行った場合に
は、１０数MHz 程度の高速でスキャンすることが可能で
あるので、高速スキャンが可能となる。
により、レーザー光のアライメントを気にしなくても微
小変位測定を行えるようになる。また、レバースキャン
やＡＯＭによるレーザービームスキャンを行った場合に
は、１０数MHz 程度の高速でスキャンすることが可能で
あるので、高速スキャンが可能となる。
【図１】本発明の第１実施例（サンプルスキャン型）に
係るＡＦＭの全体構成を模式的に示す図である。
係るＡＦＭの全体構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第２実施例（カンチレバースキャン
式）に係るＡＦＭの全体構成を模式的に示す図である。
式）に係るＡＦＭの全体構成を模式的に示す図である。
【図３】図１のＡＦＭのカンチレバーを拡大して示す斜
視図である。
視図である。
【図４】図１のＡＦＭのＰＤの分割構成を示す図であ
る。
る。
【図５】従来の典型的なＡＦＭの全体構成を示す模式図
である。
である。
１ 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、微小変位測定装置） ３ コラム ５ アーム ７ カンチレバー ７ａ 反射コーティ
ング部 ７ｂ 抜き穴 ９ 探針 １１ 試料 １２ 試料台 １３ ＸＹＺスキャナ（基本走査手段） １５ ベース ２１ レーザー発振器（レーザービーム射出手段） ２３ レーザービーム ２４ 音響光学変調器期（ＡＯＭ、レーザービーム走査
手段） ２５ Ｘ方向ＡＯＭ ２７ Ｙ方向ＡＯＭ ３１ 入射光 ３３ 反射光 ３５ ４分割フォトディテクタ（反射光強度検出手段） ３７ 演算回路 ３９ ピーク検出回
路 ４１ レーザーフィードバック回路 ４３ ＡＯＭドライバー ５１ Ｚフィードバ
ック回路 ５３ ＸＹＺスキャナドライバー ５５ 表示部 ５７ 制御部 １０３ａ 突出部 １０４ ＸＹＺスキ
ャナ
ング部 ７ｂ 抜き穴 ９ 探針 １１ 試料 １２ 試料台 １３ ＸＹＺスキャナ（基本走査手段） １５ ベース ２１ レーザー発振器（レーザービーム射出手段） ２３ レーザービーム ２４ 音響光学変調器期（ＡＯＭ、レーザービーム走査
手段） ２５ Ｘ方向ＡＯＭ ２７ Ｙ方向ＡＯＭ ３１ 入射光 ３３ 反射光 ３５ ４分割フォトディテクタ（反射光強度検出手段） ３７ 演算回路 ３９ ピーク検出回
路 ４１ レーザーフィードバック回路 ４３ ＡＯＭドライバー ５１ Ｚフィードバ
ック回路 ５３ ＸＹＺスキャナドライバー ５５ 表示部 ５７ 制御部 １０３ａ 突出部 １０４ ＸＹＺスキ
ャナ
Claims (7)
- 【請求項１】 試料表面を探触する探針を有するカンチ
レバーと、このカンチレバーの変位を検出する光テコ式
の変位検出手段と、試料及び／又はカンチレバーを走査
する基本走査手段と、変位検出手段及び走査手段の制御
部と、を含む微小変位測定装置であって；上記光テコ式
変位検出手段が、レーザービームを上記カンチレバー表
面に当てるレーザービーム射出手段と、 カンチレバー表面から反射してくるレーザービームを受
光して該レーザービームの強度を検出する反射光強度検
出手段とを備え、 該光テコ式変位検出手段が、さらに、上記レーザービー
ムを走査するレーザービーム走査手段を具備することを
特徴とする微小変位測定装置。 - 【請求項２】 上記制御部が上記レーザービーム走査手
段をコントロールし、 上記反射光強度検出手段で検出する反射光の強度が最大
となるように、入射レーザービームがカンチレバーに当
たる位置の調節を行うことを特徴とする請求項１記載の
微小変位測定装置。 - 【請求項３】 上記レーザービーム走査手段が、カンチ
レバーの曲げ変位方向（Ｚ方向）に垂直の平面内（Ｘ−
Ｙ方向）でレーザービームを走査することを特徴とする
請求項１又は２記載の微小変位測定装置。 - 【請求項４】 上記基本走査手段が、カンチレバーをＸ
−Ｙ方向及びＺ方向で走査するとともに、 上記レーザービーム走査手段が、レーザービームをＸ−
Ｙ方向で走査することを特徴とする請求項１又は２記載
の微小変位測定装置。 - 【請求項５】 上記レーザービーム走査手段が音響光学
変調器（ＡＯＭ）を備えることを特徴とする請求項１〜
４いずれか１項記載の微小変位測定装置。 - 【請求項６】 上記反射光強度検出手段が分割型フォト
ディテクタであり、反射光の強度を該フォトディテクタ
の和信号として検出することを特徴とする請求項１〜５
いずれか１項記載の微小変位測定装置。 - 【請求項７】 上記請求項１〜６いずれか１項記載の微
小変位測定装置を備えることを特徴とする原子間力顕微
鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8255679A JPH10104245A (ja) | 1996-09-27 | 1996-09-27 | 微小変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8255679A JPH10104245A (ja) | 1996-09-27 | 1996-09-27 | 微小変位測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10104245A true JPH10104245A (ja) | 1998-04-24 |
Family
ID=17282127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8255679A Pending JPH10104245A (ja) | 1996-09-27 | 1996-09-27 | 微小変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10104245A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005010502A1 (ja) * | 2003-07-23 | 2005-02-03 | Hitachi Kenki Finetech Co., Ltd. | 走査型プローブ顕微鏡の深針交換方法 |
| WO2009093284A1 (ja) * | 2008-01-24 | 2009-07-30 | Shimadzu Corporation | 走査型プローブ顕微鏡 |
| US7787133B2 (en) | 2006-08-22 | 2010-08-31 | Sii Nanotechnology Inc. | Optical displacement-detecting mechanism and probe microscope using the same |
| US7973942B2 (en) | 2006-08-22 | 2011-07-05 | Sii Nano Technology Inc. | Optical displacement detection mechanism and surface information measurement device using the same |
| CN105953905A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-09-21 | 大连理工大学 | 一种基于棱镜折射信号放大的瞬态微振量测装置与方法 |
| JP2019117111A (ja) * | 2017-12-27 | 2019-07-18 | 株式会社生体分子計測研究所 | 原子間力顕微鏡及び原子間力顕微鏡の位置設定方法 |
-
1996
- 1996-09-27 JP JP8255679A patent/JPH10104245A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005010502A1 (ja) * | 2003-07-23 | 2005-02-03 | Hitachi Kenki Finetech Co., Ltd. | 走査型プローブ顕微鏡の深針交換方法 |
| KR100841031B1 (ko) | 2003-07-23 | 2008-06-24 | 히다치 겡키 파인테크 가부시키가이샤 | 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법 |
| US7787133B2 (en) | 2006-08-22 | 2010-08-31 | Sii Nanotechnology Inc. | Optical displacement-detecting mechanism and probe microscope using the same |
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| WO2009093284A1 (ja) * | 2008-01-24 | 2009-07-30 | Shimadzu Corporation | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP4873081B2 (ja) * | 2008-01-24 | 2012-02-08 | 株式会社島津製作所 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| CN105953905A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-09-21 | 大连理工大学 | 一种基于棱镜折射信号放大的瞬态微振量测装置与方法 |
| CN105953905B (zh) * | 2016-04-21 | 2019-01-08 | 大连理工大学 | 一种基于棱镜折射信号放大的瞬态微振量测装置与方法 |
| JP2019117111A (ja) * | 2017-12-27 | 2019-07-18 | 株式会社生体分子計測研究所 | 原子間力顕微鏡及び原子間力顕微鏡の位置設定方法 |
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