JP2000056211A - Scanning type probe microscope - Google Patents

Scanning type probe microscope

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JP2000056211A
JP2000056211A JP10226448A JP22644898A JP2000056211A JP 2000056211 A JP2000056211 A JP 2000056211A JP 10226448 A JP10226448 A JP 10226448A JP 22644898 A JP22644898 A JP 22644898A JP 2000056211 A JP2000056211 A JP 2000056211A
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JP
Japan
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cantilever
light
sample
spot
sample surface
Prior art date
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Pending
Application number
JP10226448A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takuma Yamamoto
琢磨 山本
Katsushi Nakano
勝志 中野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP10226448A priority Critical patent/JP2000056211A/en
Publication of JP2000056211A publication Critical patent/JP2000056211A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a cantilever or probe and sample to quickly and automatically approach from separated state to close distance by calculating the quantity of deviation between a sample surface or cantilever back and focal position of an optical system. SOLUTION: In the state of separating the probe from the sample, the sample is driven toward the cantilever by a three-dimensional(3D) stage, and the next measuring point is moved to just under the probe (S73). Two peaks of light intensity are detected, a distance (x) between them is found and that distance is compared with a prescribed value (y) (S74 and S76). At such a time, on the condition of x>y, the cantilever is made close to the sample by a 3D scanner (S75) and the comparison between (x) and (y) is performed again. When the distance (x) gets smaller than (y) by the approach of the cantilever to the sample, namely, on the condition of x<=y, the approach of the probe to the sample due to an auto focus mechanism is finished and while monitoring the deflection of the cantilever as performed by an ordinary scanning type probe microscope, the probe automatically approaches by the 3D scanner (S77).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡におけるカンチレバーを試料面に対して接近させる
ためのオートフォーカス機構に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an autofocus mechanism for bringing a cantilever closer to a sample surface in a scanning probe microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の走査型プローブ顕微鏡において
は、走査型プローブ顕微鏡に付加された光学顕微鏡によ
り目視でモニターしながらカンチレバーおよび試料をあ
る程度の距離まで接近させていた。また、前記のような
プロセスを行わない場合には、カンチレバーの撓みをモ
ニターしながら時間をかけて長い距離を接近させてい
た。
2. Description of the Related Art In a conventional scanning probe microscope, the cantilever and the sample are approached to a certain distance while visually monitoring the optical microscope attached to the scanning probe microscope. When the above-described process is not performed, a long distance is approached over time while monitoring the bending of the cantilever.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、走査型プロ
ーブ顕微鏡において、カンチレバー或いは探針と試料と
を大きく離れた状態から非常に近い距離まで素早くかつ
自動で接近させることを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope in which a cantilever or a probe and a sample are quickly and automatically approached from a state of being far apart to a very short distance.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
発明は、「光源とスリットと光検出器と光学系からな
り、前記スリットから出た光を前記光学系により試料面
とカンチレバー背面に照射して反射させ、該反射光を前
記光検出器の位置に入射させてスポットを得るオートフ
ォーカス機構であって、試料面とカンチレバー背面から
の前記スポット形状が、試料面またはカンチレバー背面
と前記光学系の焦点位置とのずれにより変化することを
利用して前記ずれ量を算出するオートフォーカス機構
と、前記ずれ量に基づいて前記カンチレバーと前記試料
面との間隔を接近させる駆動機構と、を備えた」走査型
プローブ顕微鏡である。上記ずれ量が所定値より小さく
なった段階で、カンチレバーの試料面への大まかな接近
動作が終了する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical system comprising a light source, a slit, a photodetector, and an optical system. Light emitted from the slit is transmitted to the sample surface and the back surface of the cantilever by the optical system. An autofocus mechanism for irradiating and reflecting the light, and making the reflected light incident on the position of the photodetector to obtain a spot, wherein the spot shape from the sample surface and the cantilever back surface, the sample surface or the cantilever back surface and the An autofocus mechanism that calculates the shift amount by utilizing the change due to a shift from the focal position of the optical system, and a drive mechanism that closes the gap between the cantilever and the sample surface based on the shift amount, Equipped "scanning probe microscope. When the displacement becomes smaller than the predetermined value, the rough approach operation of the cantilever to the sample surface is completed.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態に係る
オートフォーカス機構を有する走査型プローブ顕微鏡の
概略構成図である。この走査型プローブ顕微鏡は、撓み
検出機能を有するカンチレバー1と3次元スキャナー2
と支持体3とオートフォーカス光学系4と3次元ステー
ジ5とウェハローダ6とフレーム7と台8とからなる。
カンチレバー1は先端付近に探針を有しており、カンチ
レバー1の撓みはカンチレバー上のボロンドープ部分の
抵抗値が撓みにより変化することを利用して検出され
る。また、オートフォーカス光学系4は、図2に示され
る構造をしており、対物レンズからの光は薄型の3次元
スキャナー2の上の対物レンズ17からカンチレバーな
らびに試料に集光される。また、試料面およびカンチレ
バー背面で反射された光はシリンドリカルレンズ24に
よりラインセンサ25に集束される。3次元ステージ6
は、12インチウェハー対応のステージであり、本実施
形態の走査型プローブ顕微鏡により12インチウェハ全
面の観察が可能である。また、3次元ステージ5は、z
方向のストロークとして10mmを有しているが、z方
向のストロークはこれに限定されるものではなく、また
3次元スキャナー2及びカンチレバー1を粗動機構によ
りz方向に駆動する機構を有する走査型プローブ顕微鏡
としてもよい。ウェハローダ6は、ウェハのプリアライ
メント機能を有しており、約1μmの精度でウェハを3
次元ステージ5上にセットできる。以下、本発明のオー
トフォーカス機構を用いてカンチレバーを試料に接近さ
せる方法について説明する。図2は、オートフォーカス
光学系の概略構成図である。LED11からの光はレン
ズ12により集光され、その一部がスリット13を通過
する。スリット13を通過した光はレンズ14により平
行光となり、遮光板15により半分の光が遮光された
後、ハーフミラー16により反射され、さらに対物レン
ズ17により試料面18に集束される。試料面18で反
射された光は、対物レンズ17、ハーフミラー16を通
過した後、レンズ19により光検出器20上に集束され
る。21、22、23は、それぞれスリット13、試料
面18、光検出器20での光の形状を示している。試料
面18が対物レンズ17の焦点に一致する時(18b)
には、光検出器20にほぼスリット13の形状の光(2
3b)が照射される。一方、試料面18が焦点よりも対
物レンズ17に近いとき(18c)には、ぼけた形状の
光(23c)が光検出器20に照射される。ここで、遮
光板15が無い場合には、焦点からずれた試料面18か
らの反射光は光検出器20における光の形状において、
23bにたいして上下両方向にぼけた光形状になるが、
遮光板15があるために試料面18cで反射された光の
うち上側にぼける成分がカットされており23cの形状
になる。一方、試料面18aが対物レンズ17の焦点よ
りも遠くにある場合には、光形状は23aとなり上側に
ずれている。これにより、光検出器20の信号から試料
面18が対物レンズ17の焦点に対してどちらにずれて
いるのが知ることが出来る。また、ぼけの程度は、焦点
からずれるにしたがって大きくなるため、焦点からのず
れ量も同時に知ることが可能である。ここで、光検出器
20としてラインセンサー25を用い、ラインセンサー
25にたいしてシリンドリカルレンズ24により特定方
向に集束させた光を照射させる構造とすることも可能で
ある。この場合、光検出器20上での光の形状23a、
23b、23cは、それぞれ26a、26b、26cの
様に横方向が圧縮されてラインセンサー25に照射され
る。次に、図3及び図4により本発明の実施形態を説明
するが、図3及び図4では、試料面やカンチレバーにお
いてスリットからの光が照射される領域を「スリット光
領域」という。図3は、本発明のオートフォーカスの原
理を説明する模式図である。図3(a)は、カンチレバ
ー31と試料面18に対して照射されたスリット光領域
32を示す平面図である。カンチレバー31と試料面1
8とは同一面上にはない。スリット光領域32は、図3
(a)に示されるようにy方向が十分長く、x方向がカ
ンチレバーの幅よりもやや狭いものとする。図3(b)
は、試料面にオートフォーカス系の焦点が合っている時
に光検出器20に照射される光の形状を示している。ス
ポット33は試料面18での反射光に対応する光のスポ
ットであるが、焦点が合っているためにぼけずに光検出
器20に集光されている。一方、スポット34はカンチ
レバー31の背面での反射光に対応する光のスポットで
あるが、焦点に対してカンチレバー31が対物レンズ1
7側にあるため、スポットが右側にずれている。ここ
で、スポットが3角形の様な形をしているのは、カンチ
レバー31が試料面18に対し傾いているためであり、
カンチレバーの根本付近がよりデフォーカスするためス
ポットがより右側にずれるためである。ここで、図3に
おいては、反射面が焦点よりも対物レンズに近いときに
は右側に、反射面が対物レンズよりも遠いときには左側
に光のスポットが検出器位置においてずれるものとす
る。図3(c)は、レンズ19と光検出器20との間に
シリンドリカルレンズ24を挿入し、ラインセンサー2
5に光を集光した時の光のスポットである。シリンドリ
カルレンズ24は一方向にのみパワーを有しており、こ
れにより図3(b)のようであった光のスポットは、縦
方向に集光されて図3(c)の形状となる。スポット3
5はスポット33がシリンドリカルレンズにより縦方向
に縮められたものであり、試料からの反射光に対応する
スポットである。また、スポット36はスポット34が
縦方向に縮められたもので、カンチレバー31の背面か
らの反射光に対応するスポットである。図3(d)のラ
イン38は、ラインセンサー37に照射される光の強度
分布を表しており、Aは試料面での反射光に対応した光
強度のピークであり、Bはカンチレバー31背面での反
射光に対応した光強度のピークである。図3(e)は、
カンチレバー31背面にオートフォーカス系の焦点が合
っている時に光検出器20に照射される光の形状を示し
ている。スポット39は試料面での反射光に対応する光
のスポットであり、焦点に対して試料面が対物レンズと
反対側にあるためスポットが左側にずれている。一方、
スポット40はカンチレバー31背面での反射光に対応
する光のスポットであり、焦点が合っているためにほと
んどぼけずに集光されている。ここで、スポット40が
図3(e)に示される形状をしているのは、カンチレバ
ー31が多少斜めに取り付けられていることによる。図
3(f)は、レンズ19と光検出器20の間にシリンド
リカルレンズ24を挿入し、光検出器のラインセンサー
25に光を集光した時の光のスポットである。スポット
41はスポット39がシリンドリカルレンズにより縦方
向に縮められたものであり、試料からの反射光に対応す
るスポットである。また、スポット42はスポット40
が縦方向に縮められたもので、カンチレバー31背面か
らの反射光に対応するスポットである。図3(g)のラ
イン44は、ラインセンサー43に照射される光の強度
分布をあらわしており、Cは試料面での反射光に対応し
た光強度のピークであり、Dはカンチレバー31背面で
の反射光に対応した光強度のピークである。 ここで、
図3(d)におけるAとBの間隔、もしくは図3(g)
におけるCとDの間隔は、カンチレバーと試料との距離
が長いときは長く、短い時は短くなる。このため、試料
面とカンチレバー背面からの反射光に対応する2つの光
強度ピークの間隔からカンチレバーと試料との位置関係
を知ることが出来る。よって、この間隔をモニターしな
がらカンチレバーと試料を近づけていくことにより、カ
ンチレバーを試料に対して非常に近い距離まで接近させ
ることが可能となる。以下、カンチレバー背面に光を照
射するためのスリットと試料面に光を照射するためのス
リットの二つのスリットを有する場合に関して図4によ
り説明する。図4(a)は、スリット光領域52の光は
すべてカンチレバー51背面において反射され、スリッ
ト光領域53の光はすべて試料面において反射される様
子を表した平面図である。図4(b)は、試料面にオー
トフォーカス系の焦点が合っている時に光検出器20に
照射される光の形状を示している。スポット54は試料
面での反射光に対応する光のスポットであり、焦点があ
っているためにぼけずに光検出器20に集光されてい
る。一方、スポット55はカンチレバー51背面での反
射光に対応する光のスポットであるが、焦点に対してカ
ンチレバー51が対物レンズ17側にあるため、スポッ
トが下側にずれている。ここで、図4においては、反射
面が焦点よりも対物レンズに近いときには下側に、反射
面が対物レンズよりも遠いときには上側に光のスポット
が検出器位置においてずれるものとする。図4(c)
は、レンズ19と光検出器20との間にシリンドリカル
レンズ24を挿入し、光検出器であるラインセンサー2
5に光を集光した時の光のスポットである。シリンドリ
カルレンズは一方向にのみパワーを有しており、これに
より図4(b)のようであった光のスポットは、横方向
に集光されて図4(c)の形状となる。スポット56は
スポット54がシリンドリカルレンズにより横方向に縮
められたものであり、試料からの反射光に対応するスポ
ットである。また、スポット57はスポット55が横方
向に縮められたもので、カンチレバー51背面からの反
射光に対応するスポットである。図4(d)のライン5
9は、ラインセンサー58に照射される光の強度分布を
表しており、Eは試料面での反射光に対応した光強度の
ピークであり、Fはカンチレバー51背面での反射光に
対応した光強度のピークである。試料面においては焦点
があっているために、光強度のピークEがスリット光領
域53に対応する位置E0と一致している。一方、カン
チレバー51背面では焦点よりも対物レンズ側にあるた
めに光強度のピークFがスリット光領域52に対応する
位置F0から下方にずれている。図4(e)は、(a)
と同じ模式図である。図4(f)は、カンチレバー背面
にオートフォーカス系の焦点が合っている時に光検出器
20に照射される光の形状を示している。スポット60
は試料面での反射光に対応する光のスポットであり、焦
点に対して試料面が対物レンズと反対側にあるため、ス
ポットが上側にずれている。一方、スポット61はカン
チレバー51背面での反射光に対応する光のスポットで
あり、焦点が合っているためにほとんどぼけずに集光さ
れている。図4(g)は、レンズ19と光検出器20と
の間にシリンドリカルレンズ24を挿入し、光検出器の
ラインセンサー25に光を集光した時の光のスポットで
ある。スポット62はスポット60がシリンドリカルレ
ンズにより横方向に縮められたものであり、試料からの
反射光に対応するスポットである。また、スポット63
はスポット61が横方向に縮められたもので、カンチレ
バー51背面からの反射光に対応するスポットである。
図4(h)のライン65は、ラインセンサー64に照射
される光の強度分布をあらわしており、Gは試料面での
反射光に対応した光強度のピークであり、Hはカンチレ
バー51背面での反射光に対応した光強度のピークであ
る。カンチレバー51背面においては焦点があっている
ために、光強度のピークHがスリット光領域52に対応
する位置H0と一致している。一方、試料面は焦点より
も対物レンズと反対側にあるために光強度のピークGが
スリット光領域53に対応する位置G0から上方にずれ
ている。焦点が試料に合っている場合には、カンチレバ
ー背面からの反射光のピークとスリット光領域52に対
応する位置とのずれが、カンチレバーと試料との距離を
表わす。このため、スリット光領域53に対応する位置
に試料面からの反射光のピークを維持しながら、すなわ
ち焦点を試料に合わせながら、カンチレバー背面からの
反射光のピークとスリット光領域52に対応する位置と
のずれがある値まで小さくなるまで、カンチレバーを試
料に対して近づけていく。これにより、カンチレバーを
試料に非常に接近させることが可能となる。また、カン
チレバー背面に焦点を合わせて、試料面からの反射光の
ピークとスリット光領域53に対応する位置とのずれを
モニターすることも可能である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning probe microscope having an autofocus mechanism according to an embodiment of the present invention. This scanning probe microscope comprises a cantilever 1 having a deflection detecting function and a three-dimensional scanner 2.
, A support 3, an autofocus optical system 4, a three-dimensional stage 5, a wafer loader 6, a frame 7, and a table 8.
The cantilever 1 has a probe near the tip, and the bending of the cantilever 1 is detected by using the fact that the resistance value of the boron-doped portion on the cantilever changes due to the bending. The autofocus optical system 4 has the structure shown in FIG. 2, and the light from the objective lens is focused on the cantilever and the sample from the objective lens 17 on the thin three-dimensional scanner 2. The light reflected on the sample surface and the back surface of the cantilever is focused on the line sensor 25 by the cylindrical lens 24. 3D stage 6
Is a stage corresponding to a 12-inch wafer, and the entire surface of the 12-inch wafer can be observed by the scanning probe microscope of the present embodiment. Also, the three-dimensional stage 5 has a z
Although the stroke in the direction is 10 mm, the stroke in the z direction is not limited to this, and a scanning probe having a mechanism for driving the three-dimensional scanner 2 and the cantilever 1 in the z direction by a coarse movement mechanism. It may be a microscope. The wafer loader 6 has a wafer pre-alignment function, and can load a wafer with an accuracy of about 1 μm.
It can be set on the dimension stage 5. Hereinafter, a method for causing the cantilever to approach the sample using the autofocus mechanism of the present invention will be described. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the autofocus optical system. Light from the LED 11 is collected by the lens 12, and a part of the light passes through the slit 13. The light that has passed through the slit 13 is converted into parallel light by a lens 14, half of the light is blocked by a light-shielding plate 15, reflected by a half mirror 16, and further focused by an objective lens 17 on a sample surface 18. The light reflected on the sample surface 18 passes through the objective lens 17 and the half mirror 16 and is then focused on the photodetector 20 by the lens 19. Reference numerals 21, 22, and 23 indicate the shapes of light at the slit 13, the sample surface 18, and the photodetector 20, respectively. When the sample surface 18 coincides with the focal point of the objective lens 17 (18b)
In the photodetector 20, light (2
3b) is irradiated. On the other hand, when the sample surface 18 is closer to the objective lens 17 than the focal point (18c), the blurred light (23c) is applied to the photodetector 20. Here, when the light-shielding plate 15 is not provided, the reflected light from the sample surface 18 shifted from the focal point is
Although it becomes a light shape that is blurred both up and down with respect to 23b,
Due to the presence of the light-shielding plate 15, the component reflected from the sample surface 18c, which is blurred upward, is cut off to form a shape 23c. On the other hand, when the sample surface 18a is farther than the focal point of the objective lens 17, the light shape is 23a, which is shifted upward. This makes it possible to know from the signal of the photodetector 20 which of the sample surfaces 18 is deviated from the focal point of the objective lens 17. Also, the degree of blur increases as the focus deviates, so that the amount of defocus can be known at the same time. Here, it is also possible to use a line sensor 25 as the photodetector 20 and irradiate the line sensor 25 with light focused in a specific direction by the cylindrical lens 24. In this case, the light shape 23a on the photodetector 20;
The lines 23b and 23c are compressed in the horizontal direction as indicated by 26a, 26b and 26c, respectively, and are irradiated on the line sensor 25. Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. In FIGS. 3 and 4, a region irradiated with light from a slit on a sample surface or a cantilever is called a “slit light region”. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the principle of the autofocus of the present invention. FIG. 3A is a plan view showing the cantilever 31 and the slit light region 32 irradiated to the sample surface 18. Cantilever 31 and sample surface 1
8 is not on the same plane. The slit light area 32 is shown in FIG.
As shown in (a), the y direction is sufficiently long and the x direction is slightly smaller than the width of the cantilever. FIG. 3 (b)
Indicates the shape of light applied to the photodetector 20 when the autofocus system is focused on the sample surface. The spot 33 is a spot of light corresponding to the reflected light on the sample surface 18, but is focused on the photodetector 20 without being blurred because it is in focus. On the other hand, the spot 34 is a spot of light corresponding to the reflected light on the back surface of the cantilever 31, but the cantilever 31 is focused on the objective lens 1 with respect to the focus.
The spot is shifted to the right because it is on the seventh side. Here, the spot has a triangular shape because the cantilever 31 is inclined with respect to the sample surface 18.
This is because the spot near the root of the cantilever is further defocused and the spot is shifted to the right. Here, in FIG. 3, the light spot is shifted at the detector position to the right when the reflecting surface is closer to the objective lens than the focal point, and to the left when the reflecting surface is farther than the objective lens. FIG. 3C shows a state in which a cylindrical lens 24 is inserted between the lens 19 and the photodetector 20 and the line sensor 2 is inserted.
5 is a light spot when light is collected. The cylindrical lens 24 has power only in one direction, whereby the light spot as shown in FIG. 3B is condensed in the vertical direction to have the shape shown in FIG. 3C. Spot 3
Reference numeral 5 denotes a spot 33 in which the spot 33 is contracted in the vertical direction by a cylindrical lens, and corresponds to the reflected light from the sample. The spot 36 is obtained by contracting the spot 34 in the vertical direction, and is a spot corresponding to light reflected from the back surface of the cantilever 31. A line 38 in FIG. 3D represents an intensity distribution of light applied to the line sensor 37, A is a light intensity peak corresponding to the reflected light on the sample surface, and B is a light intensity peak on the back surface of the cantilever 31. Is the peak of the light intensity corresponding to the reflected light. FIG. 3 (e)
The shape of light emitted to the photodetector 20 when the autofocus system is focused on the back of the cantilever 31 is shown. The spot 39 is a light spot corresponding to the reflected light on the sample surface, and the spot is shifted to the left because the sample surface is on the opposite side of the objective lens with respect to the focal point. on the other hand,
The spot 40 is a light spot corresponding to the reflected light on the back surface of the cantilever 31, and is focused almost without blurring because the light is in focus. Here, the spot 40 has the shape shown in FIG. 3E because the cantilever 31 is attached slightly obliquely. FIG. 3F shows a light spot when a cylindrical lens 24 is inserted between the lens 19 and the photodetector 20 and light is collected on a line sensor 25 of the photodetector. The spot 41 is obtained by reducing the spot 39 in the vertical direction by a cylindrical lens, and is a spot corresponding to the reflected light from the sample. The spot 42 is a spot 40
Are spots corresponding to the light reflected from the back of the cantilever 31. A line 44 in FIG. 3G represents an intensity distribution of light applied to the line sensor 43, C is a light intensity peak corresponding to the reflected light on the sample surface, and D is a back surface of the cantilever 31. Is the peak of the light intensity corresponding to the reflected light. here,
The interval between A and B in FIG. 3 (d) or FIG. 3 (g)
Is longer when the distance between the cantilever and the sample is longer and shorter when the distance between the cantilever and the sample is shorter. For this reason, the positional relationship between the cantilever and the sample can be known from the interval between the two light intensity peaks corresponding to the reflected light from the sample surface and the back surface of the cantilever. Therefore, by bringing the cantilever closer to the sample while monitoring this interval, it becomes possible to make the cantilever approach a very close distance to the sample. Hereinafter, a case where there are two slits, one for irradiating the back surface of the cantilever with light and the other for irradiating the sample surface with light, will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a plan view illustrating a state in which all light in the slit light region 52 is reflected on the back surface of the cantilever 51 and all light in the slit light region 53 is reflected on the sample surface. FIG. 4B shows the shape of light emitted to the photodetector 20 when the autofocus system is focused on the sample surface. The spot 54 is a light spot corresponding to the light reflected on the sample surface, and is focused on the photodetector 20 without being blurred because it is in focus. On the other hand, the spot 55 is a light spot corresponding to the reflected light on the back surface of the cantilever 51, but the spot is shifted downward because the cantilever 51 is on the objective lens 17 side with respect to the focal point. Here, in FIG. 4, it is assumed that the light spot is shifted at the detector position downward when the reflecting surface is closer to the objective lens than the focal point, and upward when the reflecting surface is farther than the objective lens. FIG. 4 (c)
Inserts a cylindrical lens 24 between the lens 19 and the photodetector 20, and detects the line sensor 2 as a photodetector.
5 is a light spot when light is collected. The cylindrical lens has power only in one direction, so that the light spot as shown in FIG. 4B is condensed in the horizontal direction to have the shape shown in FIG. 4C. The spot 56 is obtained by contracting the spot 54 in the lateral direction by a cylindrical lens, and is a spot corresponding to the reflected light from the sample. The spot 57 is obtained by contracting the spot 55 in the horizontal direction, and is a spot corresponding to light reflected from the back of the cantilever 51. Line 5 in FIG. 4 (d)
Reference numeral 9 denotes an intensity distribution of light applied to the line sensor 58, E denotes a light intensity peak corresponding to the reflected light on the sample surface, and F denotes light corresponding to the reflected light on the back surface of the cantilever 51. Intensity peak. Since the sample surface is focused, the peak E of the light intensity coincides with the position E0 corresponding to the slit light region 53. On the other hand, on the back surface of the cantilever 51, the peak F of the light intensity is shifted downward from the position F 0 corresponding to the slit light region 52 because it is closer to the objective lens than the focal point. FIG. 4E shows the state of FIG.
It is the same schematic diagram as. FIG. 4F shows the shape of light emitted to the photodetector 20 when the autofocus system is focused on the back of the cantilever. Spot 60
Is a light spot corresponding to the reflected light on the sample surface, and the spot is shifted upward because the sample surface is on the opposite side of the objective lens with respect to the focal point. On the other hand, the spot 61 is a spot of light corresponding to the reflected light on the back surface of the cantilever 51, and is focused almost without blurring because it is in focus. FIG. 4G shows a light spot when a cylindrical lens 24 is inserted between the lens 19 and the photodetector 20 and light is collected on a line sensor 25 of the photodetector. The spot 62 is obtained by contracting the spot 60 in the lateral direction by a cylindrical lens, and is a spot corresponding to the reflected light from the sample. Also, spot 63
Is a spot corresponding to the light reflected from the back of the cantilever 51, which is obtained by shrinking the spot 61 in the horizontal direction.
A line 65 in FIG. 4H represents the intensity distribution of the light applied to the line sensor 64, G is the peak of the light intensity corresponding to the reflected light on the sample surface, and H is the back of the cantilever 51. Is the peak of the light intensity corresponding to the reflected light. Since the back of the cantilever 51 is focused, the peak H of the light intensity coincides with the position H0 corresponding to the slit light region 52. On the other hand, since the sample surface is on the opposite side of the focus from the objective lens, the peak G of the light intensity is shifted upward from the position G0 corresponding to the slit light region 53. When the focus is on the sample, the difference between the peak of the reflected light from the back of the cantilever and the position corresponding to the slit light region 52 indicates the distance between the cantilever and the sample. Therefore, while maintaining the peak of the reflected light from the sample surface at the position corresponding to the slit light region 53, that is, while focusing on the sample, the position of the peak of the reflected light from the back of the cantilever and the position corresponding to the slit light region 52 are maintained. Move the cantilever closer to the sample until the deviation from the value decreases to a certain value. This allows the cantilever to be very close to the sample. It is also possible to monitor the deviation between the peak of the reflected light from the sample surface and the position corresponding to the slit light region 53 by focusing on the back surface of the cantilever.

【0006】[第1の実施形態]以下に、図3と図5に
より第1の実施形態におけるオートフォーカスの過程を
説明する。図5のフローチャートにおいて、1つのイメ
ージ測定が終了すると(ステップ71)、探針は3次元
スキャナーにより試料である12インチシリコンウェハ
から10μm退避される(ステップ72)。本実施形態
の3次元スキャナーはz方向のストロークとして15μ
m、xy方向のストロークとして50μmを有してい
る。探針が試料から離れた状態において、3次元ステー
ジにより試料をカンチレバーに対して駆動し、次の測定
点を探針の直下に移動させる(ステップ73)。ここ
で、オートフォーカス系の焦点は試料面に固定されてい
るものとする。2つの光強度のピーク、例えば図3
(c)のAとBもしくは、図3(f)のCとDを検出
し、それらの間の距離xを求める(ステップ74)。次
に、前記距離xを所定の値yと比較する(ステップ7
6)。このとき、x>yであれば、3次元スキャナによ
りカンチレバーを試料に接近させ(ステップ75)、再
びxとyの比較を行う。カンチレバーが試料に接近する
ことにより前記距離xが所定の値yよりも小さくなった
場合、すなわちx≦yには、オートフォーカス機構によ
る試料への探針の接近を終了し、通常の走査型プローブ
顕微鏡で行われているように、カンチレバーの撓みをモ
ニターしながら3次元スキャナにより自動接近させる
(ステップ77)。ここで、オートフォーカスの焦点を
可変とし、ラインセンサーで検出される光の重心を求
め、オートフォーカスの焦点をかえることにより、前記
重心を検出器の中心の、スリット光領域32に対応する
点に一致するように、常にオートフォーカス系の焦点を
フィードバック制御する構造としてもよい。
[First Embodiment] An autofocus process in the first embodiment will be described below with reference to FIGS. 3 and 5. FIG. In the flowchart of FIG. 5, when one image measurement is completed (Step 71), the probe is retracted by 10 μm from the 12-inch silicon wafer as the sample by the three-dimensional scanner (Step 72). The three-dimensional scanner of this embodiment has a stroke of 15 μm in the z direction.
The stroke in the m and xy directions is 50 μm. In a state where the probe is separated from the sample, the sample is driven with respect to the cantilever by the three-dimensional stage, and the next measurement point is moved immediately below the probe (step 73). Here, it is assumed that the focus of the autofocus system is fixed on the sample surface. Two light intensity peaks, eg, FIG.
A and B in FIG. 3C or C and D in FIG. 3F are detected, and a distance x between them is obtained (step 74). Next, the distance x is compared with a predetermined value y (step 7).
6). At this time, if x> y, the cantilever is brought closer to the sample by the three-dimensional scanner (step 75), and x and y are compared again. When the distance x becomes smaller than the predetermined value y due to the cantilever approaching the sample, that is, when x ≦ y, the approach of the probe to the sample by the autofocus mechanism is terminated, and the normal scanning probe is used. As in a microscope, the cantilever is automatically approached by a three-dimensional scanner while monitoring the bending of the cantilever (step 77). Here, the focus of the auto focus is made variable, the center of gravity of the light detected by the line sensor is obtained, and the focus of the auto focus is changed, so that the center of gravity is set at a point corresponding to the slit light area 32 at the center of the detector. A structure may be employed in which the focus of the autofocus system is always feedback controlled so as to match.

【0007】[第2の実施形態]以下に、図4(a)か
ら(d)と図6により第2の実施形態におけるオートフ
ォーカスの過程を説明する。図6のフローチャートにお
いて、1つのイメージ測定が終了すると(ステップ8
1)、探針は3次元スキャナーにより試料である12イ
ンチシリコンウェハから100μm退避される(ステッ
プ82)。本実施形態の3次元スキャナーはz方向のス
トロークとして150μm、xy方向のストロークとし
て50μmを有している。探針が試料から離れた状態に
おいて、3次元ステージにより試料をカンチレバーに対
して駆動し、次の測定点上に探針を移動させる(ステッ
プ83)。次に、試料面にオートフォーカス系の焦点を
一致させる。すなわち、試料面からの反射光のピークE
が、試料面に焦点が合っているときのスリット光領域5
3からの光のピーク位置E0に一致するようにオートフ
ォーカス系の焦点を合わせる(ステップ84)。この状
態において、カンチレバー背面からの反射光のピークF
のF0からのずれL1を求め(ステップ85)、前記ず
れ量L1を所定の値αと比較する(ステップ86)。こ
こで、前記ずれ量が所定値αよりも大きい場合には、3
次元スキャナによりカンチレバーを試料に接近させ(ス
テップ87)、再び前記ずれ量L1と所定値αとの比較
をおこなう。カンチレバーが試料に接近することにより
前記前記ずれ量L1が所定の値αよりも小さくなった場
合、すなわちL1≦αには、オートフォーカス機構によ
る試料への探針の接近を終了し、通常の走査型プローブ
顕微鏡で行われているように、カンチレバーの撓みをモ
ニターしながら3次元スキャナーにより自動接近させる
(ステップ88)。
[Second Embodiment] An autofocus process in the second embodiment will be described below with reference to FIGS. 4A to 4D and FIG. In the flowchart of FIG. 6, when one image measurement is completed (Step 8)
1) The probe is retracted by 100 μm from a 12-inch silicon wafer as a sample by a three-dimensional scanner (step 82). The three-dimensional scanner of this embodiment has a stroke in the z direction of 150 μm and a stroke in the xy direction of 50 μm. In a state where the probe is separated from the sample, the sample is driven with respect to the cantilever by the three-dimensional stage to move the probe to the next measurement point (step 83). Next, the focus of the autofocus system is made to coincide with the sample surface. That is, the peak E of the reflected light from the sample surface
Is the slit light area 5 when the sample surface is in focus.
The focus of the autofocus system is adjusted so as to coincide with the peak position E0 of the light from No. 3 (step 84). In this state, the peak F of the reflected light from the back of the cantilever
The deviation L1 from F0 is obtained (step 85), and the deviation L1 is compared with a predetermined value α (step 86). Here, when the deviation amount is larger than the predetermined value α, 3
The cantilever is moved closer to the sample by the dimensional scanner (step 87), and the deviation L1 is compared with the predetermined value α again. When the displacement L1 becomes smaller than the predetermined value α due to the approach of the cantilever to the sample, that is, when L1 ≦ α, the approach of the probe to the sample by the autofocus mechanism is terminated, and normal scanning is performed. As in the case of a probe microscope, the cantilever is automatically approached by a three-dimensional scanner while monitoring the bending of the cantilever (step 88).

【0008】[第3の実施形態]以下に、図4(e)か
ら(h)と図7により第3の実施形態におけるオートフ
ォーカスの過程を説明する。図7のフローチャートにお
いて、1つのイメージ測定が終了すると(ステップ9
1)、探針は3次元スキャナーにより試料である12イ
ンチシリコンウェハから5μm退避され、さらに3次元
ステージにより5mm試料が探針から退避される(ステ
ップ92)。本実施形態においては3次元スキャナによ
り大きく探針を退避させる必要がないため、3次元スキ
ャナのz方向の駆動量が小さくてすむ利点がある。探針
が試料から離れた状態において、3次元ステージにより
試料をカンチレバーに対して駆動し、次の測定点上に探
針を移動させる(ステップ93)。次に、カンチレバー
背面にオートフォーカス系の焦点を一致させる。すなわ
ち、カンチレバー背面からの反射光のピークHが、カン
チレバー背面に焦点が合っているときのスリット光領域
52からの光のピーク位置H0に一致するようにオート
フォーカス系の焦点を合わせる(ステップ94)。ここ
で、以下の過程においては、オートフォーカス系の焦点
が常にカンチレバー背面に一致するようにフィードバッ
ク制御する。この状態において、試料面からの反射光の
ピークGのG0からのずれL2を求め(ステップ9
5)、前記ずれ量L2を所定の値βと比較する(ステッ
プ96)。ここで、前記ずれ量が所定値βよりも大きい
場合には、3次元ステージにより試料を探針に接近させ
(ステップ97)、再び前記ずれ量L2と所定値βとの
比較をおこなう。カンチレバーが試料に接近することに
より、前記前記ずれ量L2が所定の値βよりも小さくな
った場合、すなわちL2≦βには、オートフォーカス機
構による試料への探針の接近を終了し、通常の走査型プ
ローブ顕微鏡で行われているように、カンチレバーの撓
みをモニターしながら3次元スキャナーにより自動接近
させる(ステップ98)。
[Third Embodiment] An autofocus process in the third embodiment will be described below with reference to FIGS. 4 (e) to 4 (h) and FIG. In the flowchart of FIG. 7, when one image measurement is completed (step 9).
1) The probe is withdrawn by 5 μm from a 12-inch silicon wafer as a sample by a three-dimensional scanner, and a 5-mm sample is further withdrawn from the probe by a three-dimensional stage (step 92). In the present embodiment, it is not necessary to retreat the probe more largely by the three-dimensional scanner, so that there is an advantage that the driving amount of the three-dimensional scanner in the z direction can be small. In a state where the probe is separated from the sample, the sample is driven with respect to the cantilever by the three-dimensional stage to move the probe to the next measurement point (step 93). Next, the focus of the autofocus system is made to coincide with the back of the cantilever. That is, the autofocus system focuses so that the peak H of the reflected light from the back surface of the cantilever coincides with the peak position H0 of the light from the slit light region 52 when the back surface of the cantilever is focused (step 94). . Here, in the following process, feedback control is performed so that the focus of the autofocus system always coincides with the back of the cantilever. In this state, the deviation L2 of the peak G of the reflected light from the sample surface from G0 is obtained (step 9).
5) The deviation L2 is compared with a predetermined value β (step 96). Here, when the deviation is larger than the predetermined value β, the sample is made to approach the probe by the three-dimensional stage (step 97), and the deviation L2 is compared with the predetermined value β again. When the displacement L2 becomes smaller than the predetermined value β due to the cantilever approaching the sample, that is, when L2 ≦ β, the approach of the probe to the sample by the autofocus mechanism is terminated, and the normal As in a scanning probe microscope, the cantilever is automatically approached by a three-dimensional scanner while monitoring the bending of the cantilever (step 98).

【0009】[0009]

【発明の効果】本発明により、カンチレバー(探針)と
試料とを大きく離れた状態から非常に近い距離まで、素
早くかつ自動で接近させることができる。
According to the present invention, the cantilever (probe) and the sample can be quickly and automatically approached from a state where they are far apart to a very short distance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態に係るオートフォーカス機構
を有する走査型プローブ顕微鏡の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning probe microscope having an autofocus mechanism according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態に係るオートフォーカス光学
系の概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an autofocus optical system according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施形態に係るオートフォーカ
ス機構の原理説明の為の模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the principle of the autofocus mechanism according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2及び第3の実施形態に係るオート
フォーカス機構の原理説明の為の模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the principle of an autofocus mechanism according to second and third embodiments of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施形態に係る、カンチレバー
の接近工程を示すフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart illustrating a cantilever approaching step according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施形態に係る、カンチレバー
の接近工程を示すフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart illustrating a cantilever approaching step according to a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施形態に係る、カンチレバー
の接近工程を示すフローチャートである。
FIG. 7 is a flowchart showing a step of approaching a cantilever according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、31、51 カンチレバー 2 3次元スキャナー 3 支持体 4 オートフォーカス光学系 5 3次元ステージ 11 LED 12、14、19 レンズ 13 スリット 15 遮光板 16 ハーフミラー 17 対物レンズ 18 試料面 20 光検出器 21、22、23、26 光形状 24 シリンドリカルレンズ 25、37、43、58、64 ラインセンサ 32、52、53 スリット光領域 33〜36 39〜42 54〜57 60〜63 光のスポット A〜H 光のピーク DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 31, 51 Cantilever 2 3D scanner 3 Support 4 Autofocus optical system 5 3D stage 11 LED 12, 14, 19 Lens 13 Slit 15 Light shield 16 Half mirror 17 Objective lens 18 Sample surface 20 Photodetector 21, 22, 23, 26 Light shape 24 Cylindrical lens 25, 37, 43, 58, 64 Line sensor 32, 52, 53 Slit light area 33-36 39-42 54-57 60-63 Light spot A-H Light peak

フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA06 CC00 DD00 GG07 HH05 JJ02 LL08 LL28 PP22 2F069 AA17 BB40 DD30 GG07 HH09 MM38 2H051 AA11 BA25 BA33 BA34 BA37 CB05 CB07 CB11 CB22 CB28 CC04 CC06 CC13 CE23 CE26 CE27 DA01 DB01 DD20 EA02Continued on the front page F term (reference) 2F065 AA06 CC00 DD00 GG07 HH05 JJ02 LL08 LL28 PP22 2F069 AA17 BB40 DD30 GG07 HH09 MM38 2H051 AA11 BA25 BA33 BA34 BA37 CB05 CB07 CB11 CB22 CB28 CC04 CC06 CC13 CE02

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光源とスリットと光検出器と光学系から
なり、前記スリットから出た光を前記光学系により試料
面とカンチレバー背面に照射して反射させ、該反射光を
前記光検出器の位置に入射させてスポットを得るオート
フォーカス機構であって、試料面とカンチレバー背面か
らの前記スポットの形状が、試料面又はカンチレバー背
面と前記光学系の焦点位置とのずれにより変化すること
を利用して前記ずれ量を算出するオートフォーカス機構
と、前記ずれ量に基づいて前記カンチレバーと前記試料
面との間隔を接近させる駆動機構と、を備えたことを特
徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1. A light source, a slit, a photodetector, and an optical system. The light emitted from the slit is irradiated to the sample surface and the back of the cantilever by the optical system and reflected, and the reflected light is reflected by the photodetector. An autofocus mechanism that obtains a spot by being incident on a position, utilizing that the shape of the spot from the sample surface and the back of the cantilever changes due to a shift between the sample surface or the back of the cantilever and the focal position of the optical system. A scanning probe microscope, comprising: an autofocus mechanism for calculating the shift amount by using a driving mechanism for shortening the distance between the cantilever and the sample surface based on the shift amount.
【請求項2】 請求項1において、前記光検出器として
ラインセンサーを用い、前記光学系に、前記ラインセン
サーに対してスポットを集束させるシリンドリカルレン
ズを付加したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein a line sensor is used as the photodetector, and a cylindrical lens that focuses a spot on the line sensor is added to the optical system.
【請求項3】 請求項1において、試料面とカンチレバ
ー背面に照射されるスリット光領域が、前記カンチレバ
ー背面の幅よりも狭く、且つ前記カンチレバー背面と試
料面の両方に照射されるのに十分な大きさを有すること
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. The device according to claim 1, wherein a slit light region irradiated on the sample surface and the back surface of the cantilever is narrower than a width of the back surface of the cantilever, and is sufficient to irradiate both the back surface of the cantilever and the sample surface. A scanning probe microscope having a size.
【請求項4】 請求項1において、前記スリットは二つ
設けられ、一方から出た光が試料面に照射され、他方か
ら出た光がカンチレバー背面に照射されるように構成し
たことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. The device according to claim 1, wherein two slits are provided, and light emitted from one of the slits is applied to the sample surface, and light emitted from the other is applied to the back surface of the cantilever. Scanning probe microscope.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7646494B2 (en) * 2004-03-08 2010-01-12 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas System and method for detecting the displacement of a plurality of micro- and nanomechanical elements, such as micro-cantilevers

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7646494B2 (en) * 2004-03-08 2010-01-12 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas System and method for detecting the displacement of a plurality of micro- and nanomechanical elements, such as micro-cantilevers

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