CN1150253A - 原子力显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种原子力显微镜，它包括：备有共焦透镜及探针的Z向扫描部；使该扫描部沿垂直试样表面的方向移动的Z向扫描器；包含上述两部分及镜子的X向扫描部；使X向扫描部沿与试样表面平行的平面内的第1轴向移动的X向扫描器；备有X向扫描部、X向扫描器、检测光放射系统及变位检测系统的Y向扫描部；使Y向扫描部沿与试样表面平行的平面内、垂直于第1轴向的第2轴向移动的Y向扫描器。具有能测定大型试样的优点。

Description

原子力显微镜
本发明涉及一种原子力显微镜，它用光学方式检测由作用于在悬臂梁的自由端部设置针状物而构成的探针的前端和试样表面间的原子力产生的探针变位；尤其涉及适合大型、大面积试样的原子力显微镜。
以纳米(毫微米)以下的精度测定试样表面凹凸的原子力显微镜，近年来，随着光盘、磁记录、半导体之类器件的高密度化、高集成化，其应用范围急速扩大。在原子力显微镜中，具有光杠杆方式、光干涉方式、临界角方式等种种方式。下面，采用图5，对能用极简单构成实现的光杠杆方式的原子力显微镜加以说明。
图5中，试样41固定在可沿X、Y、Z向移动的扫描器44上。一端支持在探针架43上的探针42位于试样41上方。
光源45经透镜47把光束46照射到探针42上、与试样41为相对侧的反射面。光检测器48设在获取自探针42上的所述反射面反射的光束46的位置。透镜47位于连接光源45和探针42的轴上，把光源45照射的光束46汇聚于光检测器48上或其附近的一点。
若使探针42充分接近试样41的表面，由于作用于探针42和试样41表面的原子力，在探针上产生挠曲。由此，由探针42的反射面所反射的光束46的反射角产生微量变化。该探针42的Z向的变位△Z，在获取由探针42的反射面所反射的光束的光检测器48上放大后检出。边检出该Z向的变位，边如图6所示在X、Y向光栅状地扫描固定试样41的扫描器44，且使在Z向振动，由此测定试样41的表面形状。
但是，示于图5的以往例子中，由于光栅状扫描试样41时，使固定试样的扫描器44沿X、Y、Z向移动，在观察大面积、大型试样表面时，试样本身的重量会产生不小的惯性力。因此，控制固定试样41的扫描器变得困难。
又，虽然原子力显微镜适合以纳米以下的精度测定小于数十μm见方的细微区域，但观察更大范围，则原子力显微镜自身倍率过高而变得困难。例如，测定用光学显微镜可观察的试料表面的缺陷之类的凹痕时，存在实际上想要观察的区域和实际上正观察区域间偏差修正的问题。
最近，原子力显微镜用于直径30cm的光盘的凹痕形状、带鼓录像磁头磁隙长度及电子零件的评价。在这些测定中，为了在制造流水线上抽样检查，生产现场希望非破坏地测定试样的要求增大了。然而，至今的原子力显微镜中，不把试样切削至厘米见方的程度是困难的。本发明为了解决上述现有技术的问题，其目的在于提供一种不必切削大面积、大型样品以试样原来大小即可测定的原子力显微镜。
本申请的第1发明的原子力显微镜，该显微镜把由检测光放射系统放射的大致平行的变位检测光，通过镜子使其方向变为大致成直角的方向然后导向共焦透镜、由该共焦透镜把变位检测光汇聚于探针的反射面附近、把相应于用作用于探针与试样表面间的原子力，由于变位探针的所述反射面反射的变位，而反射角不同的反射光导向所述共焦透镜，然后，由所述镜子使其方向变换为大致成直角的方向，导向变位检测系统、在检测系统中放大探针的变位后检出；其特征在于，该原子力显微镜包括：备有所述共焦透镜及探针的Z向扫描部；使Z向扫描部沿试样表面垂直方向移动的Z向扫描器；备有所述Z向扫描部、Z向扫描器及镜子的X向扫描部；使X向扫描部沿与试样表面平行的面内的第1轴方向移动的X向扫描器；备有所述X向扫描部、X向扫描器、所述光放射系统及所述变位检测系统的Y向扫描部；使所述Y向扫描部沿在与试样表面平行面内的、与第1轴垂直的第2轴方向移动的Y向扫描器。
本申请第2发明的原子力显微镜，其特征在于包括：备有所述共焦透镜及探针的Z向扫描部；使Z向扫描部沿试样表面垂直方向移动的Z向扫描器；备有所述Z向扫描部、Z向扫描器、镜子、所述检测光放射系统和变位检测系统的X-Y向扫描部；使X-Y向扫描部沿与试样表面平行的面内移动的X-Y向扫描器。
本申请的第3发明的原子力显微镜，其特征在于，在第1或第2发明中，所述镜子仅反射变位检测光而透过此外其它波长的光；所述原子力显微镜还包括：利用透过所述镜子的光，取入探针及其附近的试样表面图像并对此加以显示的图像显示手段。
在后述的实施例中，半导体激光光源101、准直透镜102、偏转分束镜(ビ-ㄙスプリッタ-)104及1/4波长板105相当于上述检测光放射系统；二向色镜(ダイクロイックミラ)106相当于上述镜子；1/4波长板105、偏转分束镜104、反射镜111及光电双二极管112相当于上述变位检测系统。又，在后述的实施例中，CCD摄象机113相当于上述图像显示手段。
根据本申请的第1及第2发明，能把Z向扫描部制得非常轻，能圆满地进行由响应频率需要几千Hz的Z向扫描器所作的扫描。另一方面，X向扫描部及Y向扫描部或X-Y向扫描部具有相当重量，与此相对应，响应频率低达几Hz至几百分之一Hz，因此在X向扫描器及Y向扫描器或X-Y向扫描器所进行的扫描中，不会产生故障。且Z向扫描部相对于X向扫描部或X-Y向扫描部，在Z向移动，Z向扫描部的共焦透镜和X向扫描部或X-Y向扫描部的镜子的X向位置始终保持一致，由镜子入射至共焦透镜的变位检测光是平行光，所以探针变位量测定时不会产生误差。因而，可固定试样侧，扫描探针侧，进行圆满且正确的测定。
根据本申请的第3发明，除上述第1发明或第2发明的作用外，还能同时在大范围内获取探针正下方的像。
图1是表示本发明的实施例1的原子力显微镜构成的原理图。
图2是表示原子力显微镜测定头构成的原理图。
图3是在光学显微镜头上安装了测定头的斜视图。
图4是表示本发明的实施例2的原子力显微镜的测定头构成的原理图。
图5是表示以往的原子力显微镜构成的原理图。
图6是表示原子力显微镜的试样表面扫描方法的斜视图。
图中：21是X向扫描部，22是Y向扫描部，23是Z向扫描部，24是X向扫描器，25是Y向扫描器，26是Z向扫描器，29是X-Y向扫描器，30是X-Y向扫描部，41是试样，103是变位检测光，106是镜子，107是共焦透镜，110是探针，113是图像显示手段，101、102、104、105是检出光放射系统，105、104、111、112是变位检测系统。
实施例1
下面，参照附图说明本发明的实施例1。图1表示本实施例的原子力显微镜的基本构成。
探针110备有悬臂梁109及安装在其自由端部下面的针状物100，它在悬壁梁109的自由端部上面具有反射面并在悬臂梁109的基端支持于探针架108上。半导体激光光源101向下方或上方的准直透镜102(图1表示下方、图2表示上方场合)发射激光光束(变位检测光)103。准直透镜102使上述激光光束103变为平行光。偏转分束镜104在直角方向反射自激光光源101射出的激光光束103，该激光束103导向1/4波长板105、二向色镜106。该二向色镜在直角方向反射激光光束103，经在其下方的共焦透镜107而导向上述悬臂梁109的自由端部的反射面。在该处被反射的激光光束103经共焦透镜107、二向色镜106、1/4波长板105返回上述偏转分束镜104，该偏转分束镜104透过反射的激光光束，把它导向反射镜111。该反射的激光光束103由反射镜111作直角反射，导向位于其下方的光电双二极管112。
上述二向色镜106只反射具有特定波长的上述激光光束103，经共焦透镜109把上述激光光束103导至上述悬臂梁109的自由端部的反射面，同时，透过具有特定波长的上述激光光束103以外的波长的光。上述共焦透镜107是在光路上来去两个方向各自具有焦距f的透镜，它把导自二向色镜106的激光光束103汇聚于支持在探针架108的悬壁梁109的自由端部反射面附近，且把来自上述自由部反射面的反射激光光束103经二向色镜106、1/4波长板105、偏转分束镜104、反射镜111而汇聚于光电双二极管112上。悬臂梁109的自由端部反射面与共焦透镜107的下端部的间距为自共焦透镜107的焦距f起再离开△f(即f+△f)，使由二向色镜106经共焦透镜107入射的激光光束103，从上述悬臂梁109的自由端部的反射面散焦△f，因而自悬臂梁109的自由端部反射面反射的激光光束103能汇聚于光电双二极管112上。
配置在二向色镜106上方的CCD摄像机113经二向色镜106、共焦透镜107获取自悬臂梁109的自由端部反射面及试样表面等反射的试样观察用的照明光114，从而得到探针110的针状物100及其附近的图像信息。
下面，采用图1对变位检测原理进行说明。如图1所示，若设共焦透镜107的焦距为f，自悬臂梁109的固定端部至针状物100的距离为L，由试样表面和针状物100间产生的原子力而引起的悬臂梁109的Z向变位为△Z，光电双二极管112上的激光光束103的X向的变位为△X，则△X＝(3f/L)·△Z。这里，设f＝8mm，L＝0.1mm，则△X＝240·△Z。即在光电双二极管112上，悬臂梁109的Z向变位△Z，扩大为240倍加以检测。由此，设光电双二极管112的检测灵敏度为0.025μm，则Z向的分辨率为约0.1nm。
在上述构成中，使作为变位检测光的激光光束103聚光在光电双二极管上，因此该二极管112上的激光光束103光斑的直径变小。因此，能提高光电双二极管112对于悬臂梁109的变位量△Z的检测灵敏度，即使让测定头扫描试样表面，也可实现埃以下的分辨率。
然后，采用图2说明本实施例的扫描系统。通常，原子力显微镜的扫描如图6所示，使探针110一面跟踪试样41表面，一面在X方向上扫描1行，按行52、53、54…取入图像信息，同时又顺次在与X方向成直角的Y方向移动，从而得到试样41表面的形状信息。在示于图6的扫描场合，为了跟踪试样表面，Z向的响应频率需要数KHz。又，为了作上述说明的光栅状扫描，X向响应频率需要约数Hz，Y向响应频率需要几百分之一Hz。
在表示测定头的图2中，以标号26表示的Z向扫描器使由共焦透镜107、探针架108及探针110构成的Z向扫描部23沿与试样41表面垂直的Z向移动。上述Z向扫描部23由于其构成要素由共焦透镜107、探针110等构成，因而能制得非常轻，能使Z向高速响应。图2中的标号24表示的X向扫描器使X向扫描部21沿X向移动，X向扫描部是在上述Z向扫描部23、Z向扫描器26上，增加二向色镜106及其摆动调整机构27构成的。由X向扫描器24移动的X向扫描部21，由于X向所需响应频率低至约数Hz，所以即使比Z向扫描部26重得多，也能在X向进行充分控制。又，由于入射至共焦透镜107的激光光束103是平行光，因此即使让Z向扫描部23在X向扫描部21内沿Z向移动，因两者一直取同一X向位置，故在探针110的变位量△Z的测定中，不会产生误差。图2中标号25表示的Y向扫描器使Y向扫描部22沿Y向移动，Y向扫描部是在上述X向扫描部21及X向扫描器24上，增加半导体激光光源101、准直透镜102、偏转分束镜104、1/4波长板105、反射镜111、摆动调整机构28及光电双二极管112而构成的。由Y向扫描器25移动的Y向扫描部22，由于Y向所需响应频率非常低(几百分之一Hz)，因而即使相当大型的部件(几百克)也能在Y向作充分控制。
再者，在上述二向色镜106中备有摆动调整机构27，因而可调整激光光束103汇聚在悬臂梁109的自由端部反射面的位置。同样地，在反射镜111上备有摆动调整机构28，可调整把激光光束103聚集在光电双二极管112上的位置。
上述Z向扫描器26可用压电体等来实现。X向扫描器24及Y向扫描器25也同样可用压电体构成，但由于与光栅扫描时，由测定头本身自重产生的蠕动现象相对应，最好以平行板弹簧和压电体组合构成，以实现稳定的试样表面的扫描。
图3表示把上述原子力显微镜的测定头33安装在支持于主体37的旋转转换器36上的状态。以这样构成，测定头33可足够小得能安装在旋转转换器36上。旋转转换器36上备有几个物镜安装口35，在该物镜安装口35上安装倍率不同的物镜34，可用光学方式观察试样41表面。用本装置测定时，使旋转转换器36转动，测定头33固定于图3所示位置。粗调台38，其上装载试样41，可上下方向移动。安装在测定头33上的探针110足够近地接近试样41，测定试样41表面，根据来自上述光电双二极管112、X向扫描器24及Y向扫描器25的信号，作成图像。实施例2
下面，参照图4，对本发明的实施例2作说明。图4中附加与图2相同标号的构成要素与实施例1中已说明的构成要素相同。且，由于变位检测原理相同，下面省略说明。
图4中，Z向扫描器26使由共焦透镜107、探针架108及探针110构成的Z向扫描部23沿Z向移动。由于上述Z向扫描部23非常轻，与实施例1同样，Z向可高速响应。对于X向及Y向，则X-Y向扫描器29使X-Y向扫描部30扫描与试样41表面平行的面，该X-Y向扫描部30的构成是在上述Z向扫描部23、Z向扫描器26上，增加二向色镜106及其摆动调整机构27、半导体激光光源101、准直透镜102、偏转分束镜104、1/4波长板105、反射镜111及其摆动调整机构28、光电双二极管112。如实施例1那样，在沿X向移动的扫描机构和沿Y向移动的扫描机构有各自独立的扫描机构的情况下，测定时往往会产生由相互扫描的干涉引起的非线性畸变，但如本实施例所示，通过使X、Y向一体移动，可防止上述干涉。由X-Y向扫描器29移动的X-Y向扫描部30其在X-Y向所需响应频率低达几Hz至几百分之一Hz，所以即使是相当大型的部件(几百克以内)也可控制其X-Y向扫描。
又，与实施例1同样，可用压电体实现Z向扫描器26。X-Y向扫描器29也同样可用压电体等构成。与实施例1同样，通过平行板弹簧和压电体组合构成，可实现稳定扫描。
在本实施例中，与实施例1同样，最好是在二向色镜106上方配置CCD摄像机这种构成，以得到探针110的针状物100及其附近的图像信息。
根据本申请第1发明及第2发明的原子力显微镜，以试样固定的状态，扫描探针测，能圆满且正确地进行测定，能以非破坏状态测定以往不可能测定的大型、大面积的试样。
又，根据本申请的第3发明，除上述效果外，还能同时在大范围内获取探针正下方的像，容易接近想要测定的区域。

Claims (3)

1.一种原子力显微镜，该显微镜把由检测光放射系统放射的大致平行的变位检测光，通过镜子使其方向变为大致成直角的方向后，导向共焦透镜，由该共焦透镜把变位检测光汇聚于探针的反射面附近，把根据因作用于探针与试样表面间的原子力而变位的所述探针反射面反射的所述变位，反射角产生差异的反射光导向所述共焦透镜，再由所述镜子变换方向为大致成直角的方向，导向变位检测系统，在该系统中放大探针的变位并检出；其特征在于，所述原子力显微镜包括：
备有所述共焦透镜及探针的Z向扫描部；
使Z向扫描部沿试样表面垂直方向移动的Z向扫描器；
备有所述Z向扫描部、Z向扫描器及镜子的X向扫描部；
使X向扫描部沿与试样表面平行的面内的第1轴方向移动的X向扫描器；
备有所述X向扫描部、X向扫描器、所述检测光放射系统及所述变位检测系统的Y向扫描部；
使所述Y向扫描部沿与试样表面平行面内的、与第1轴垂直的第2轴方向移动的Y向扫描器。
2.一种原子力显微镜，该显微镜把由检测光放射系统放射的大致平行的变位检测光通过镜子改变成大致成直角的方向后，导向共焦透镜，由该共焦透镜把变位检测光汇聚于探针反射面附近，把根据因作用于试样表面间的原子力而变位的所述探针反射面反射的所述变位，反射角产生差异的反射光导向所述共焦透镜上，再由所述镜子改变成大致成直角的方向，导向变位检测系统，在该系统中放大探针的变位并检出；其特征在于，所述显微镜包括：
备有所述共焦透镜及探针的Z向扫描部；
使Z向扫描部沿试样表面垂直方向移动的Z向扫描器；
备有所述Z向扫描部、Z向扫描器、镜子、所述检测光放射系统和变位检测系统的X-Y向扫描部；
使X-Y向扫描部沿与试样表面平行的面内移动的X-Y向扫描器。
3.如权利要求1或2所述的原子力显微镜，其特征在于，所述镜子仅反射变位检测光而透过其它波长的光；所述原子力显微镜还包括通过透过所述镜子的光，取入探针及其附近的试样表面图像并对此加以显示的图像显示手段。
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