JP2009042124A

JP2009042124A - 原子間力顕微鏡

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Publication number: JP2009042124A
Application number: JP2007208763A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Suenaga; 健太郎末永; Masato Negishi; 真人根岸; Takeo Maruyama; 健男丸山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP4936541B2

Abstract

【課題】被検物とカンチレバーとの相対変位を計測する原子間力顕微鏡において、ステージ上に被検物が載置されていなくてもカンチレバーの変位を計測可能な原子間力顕微鏡を提供する。
【解決手段】光源２１からの光をローションプリズム２８によってＳ偏光とＰ偏光に分離して、被検物１とカンチレバー１２との相対変位を計測する原子間力顕微鏡において、参照ミラー６３を計測基準としてカンチレバー変位を計測する機能を設ける。参照ミラー６３を干渉縞の計測基準とすることで、被検物１の計測前の準備段階における調整作業を可能とする。また、被検物１をステージに搭載して面形状を計測するときに、参照ミラー６３からの反射光を遮光可能なシャッター６２と、光の偏光状態を変更する波長板２４を備え、カンチレバー変位を計測する２種類の光学系を使い分ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子間力を利用した走査型のプローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡に関するものである。

原子間力顕微鏡は、微細な探針を備えた片持ち梁（カンチレバー）を被検物表面に沿って走査させ、探針と被検物との間に作用する原子間力によるカンチレバーの変位量を検出することで被検物表面の微細構造を計測することができる装置である。その原理は、特許文献１に開示されている。特許文献１ではトンネル電流を検知することでカンチレバーの変位量を検出しているが、光テコ法や光干渉法を利用した方法も提案されている。

しかしながら、一般的な原子間力顕微鏡では、カンチレバー変位を測定する際、被検物の変位情報を取得していない。特許文献１に開示されている原子間力顕微鏡も同様であり、振動や温度変化等の外乱によりカンチレバーと被検物との相対位置が変動した場合、その変動量が計測結果に重畳されてしまう問題があった。例えば、カンチレバーを共振周波数付近で振動させながら計測を行なうＡＣモードでは、探針と被検物間の距離によって変化する原子間力を振幅変化により検出する。このとき探針と被検物間の距離は被検物の表面形状により変化することを仮定しているが、カンチレバーと被検物との相対位置変動が発生すれば、仮定が成り立たず誤差が発生することになる。

カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減可能な原子間力顕微鏡としては、特許文献２が提案されている。特許文献２では、二重焦点レンズを含む光学系を利用した光ヘテロダイン法によりカンチレバーの変位量を検出しており、その構成は図５に示す通りである。

この装置では、偏波面が直交し、周波数がわずかに異なる２種類の直線偏光を含むレーザー光を出力可能なレーザー光源装置１１０を使用している。レーザー光源装置１１０から出力された２種類の直線偏光は二重焦点レンズ１２２に入射し、一方の直線偏光は平行光となり、被検物１３０の比較的広い範囲に照射される。他方の直線偏光は集束光となってカンチレバー１２６の背面へと集光される。カンチレバー背面からの反射光と被検物表面からの反射光は、計測用光センサ１３６へと入射する。ここで、カンチレバー背面からの反射光は、原子間力によるカンチレバー１２６の変位量に伴って光路長が変化するため、周波数変化を受ける。従って、計測用光センサ１３６で検出された光干渉のビート信号からカンチレバー１２６の変位量を算出することができる。

特許文献２にＡＣモードによる計測を適用した場合、被検物表面を基準としてカンチレバー変位の極大値と極小値を計測し振幅を求めることになる。従ってカンチレバーと被検物との相対位置変動が発生した場合でも、カンチレバー変位の極大値と極小値が相対位置変動分だけ等しく変化し、振幅計測結果に影響を与えない。このため、カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減することが可能となる。

特開昭６２−１３０３０２号公報特許第２９９８３３３号公報

しかしながら、特許文献２で開示されている原子間力顕微鏡の場合、カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減することはできるが、被検物がカンチレバーに対して理想的にアライメントされていなければカンチレバー変位を計測することができない。すなわち、計測を実施する状態になって初めてカンチレバー変位を計測可能となる。このため、カンチレバー装着やカンチレバータッチダウン動作など、カンチレバー変位量を計測しながら調整を行なう計測準備作業に支障をきたし実用上問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、被検物を計測基準としてカンチレバー変位を計測する原子間力顕微鏡において、被検物の状態に関わらずカンチレバー変位を計測可能な原子間力顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の原子間力顕微鏡は、探針を備えるカンチレバーを被検物に接近させ、前記探針と前記被検物の間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちつつ走査することにより、前記被検物の面形状を計測する原子間力顕微鏡において、光源と、前記光源からの光を第１及び第２の光ビームに分割する分割手段と、前記第１の光ビームを前記被検物及び前記カンチレバーに照射させ、それぞれ反射させて得られる第１の干渉縞から前記カンチレバーの変位を検出するための第１の光学系と、参照ミラーと、前記第１及び前記第２の光ビームをそれぞれ前記カンチレバー及び前記参照ミラーに照射させ、それぞれ反射させて得られる第２の干渉縞から前記カンチレバーの変位を検出するための第２の光学系と、を有することを特徴とする。

上記構成により、被検物を計測基準として第１の光学系によりカンチレバー変位を計測するとともに、参照ミラーを計測基準として第２の光学系によりカンチレバー変位を計測することも可能になる。このため、カンチレバー装着やカンチレバータッチダウンといった計測準備段階であっても、第２の光学系によるカンチレバー変位の計測結果を用いて調整作業を実施することができる。

また、第１の光学系において、偏光光学素子により光路を分割し、偏光光の一方をカンチレバー先端部に設けた反射面に照射させるとともに、他方の偏光光を被検物表面に照射させる。これに、波長板を回転させ光の偏光状態を操作する機構を組み合わせることで、被検物には偏光光が入射せず、カンチレバー先端部のみに第１の光ビームが入射する状態を作ることができる。このため、被検物の有無に関わらず参照ミラーを計測基準としてカンチレバー変位を計測することができる。

さらに、シャッターにより参照ミラーへ入射する光（第２の光ビーム）を遮光する機構を備えることで、被検物基準でカンチレバー変位を計測する場合はシャッターを閉じて参照ミラーからの反射光を遮り、不要な干渉縞の発生を回避することができる。

このように波長板の回転機構とシャッターにより干渉させる光を選択することで、作業内容に応じたカンチレバー変位情報を適切に取得することができ、計測前の準備段階から実測定まで滞りなく実施可能な原子間力顕微鏡を実現することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、実施例１による原子間力顕微鏡の構成を示す。この装置は、針状の探針の原子と被検物１の表面の原子間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちつつ走査するもので、除振台２ａを介して地面に固定されたベース２に、ＸＹＺステージ３とティップティルトステージ４を備えている。ティップティルトステージ４には被検物１が固定されており、ＸＹＺステージ３にはハウジング６が固定されている。ハウジング６には各種光学部品やセンサ類が内蔵されており、さらにＸＹ方向の微動機構としてＸＹスキャナ７が固定されている。また、ＸＹスキャナ７にはＺ方向の微動機構としてチューブスキャナ８が固定されている。チューブスキャナ８には、カンチレバーユニット取り付けブロック９、加振用ピエゾアクチュエータ１０、カンチレバーホルダー１１を介して、前記探針を有するカンチレバー１２が取り付けられている。カンチレバー１２の先端部の背面には反射面が形成されている。

以上説明した各種駆動機構を用いた計測動作を説明する。まず、被検物１をティップティルトステージ４に固定し、ＸＹＺステージ３とティップティルトステージ４を用いて被検物１とカンチレバー１２との相対位置関係を調節する。その後チューブスキャナ８を用いて、被検物１とカンチレバー先端に設けた探針（不図示）との間に原子間力が働く程度までカンチレバー１２を被検物１へと接近させる。そして原子間力を一定に保ちながらＸＹスキャナ７を用いてカンチレバー１２を走査し、被検物１の表面の面形状を計測する。原子間力を一定に保つために、本実施例では光干渉を利用してカンチレバー先端の変位を計測している。なお、本実施例では加振用ピエゾアクチュエータ１０を備えており、ＡＣモードによる計測も可能である。

次に、本実施例における原子間力顕微鏡の第１の光学系（面形状計測用の光学系）と、この光学系によるカンチレバー先端変位の計測方法について説明する。

光源２１から出力された光は、光ファイバ２２を通ってハウジング６の内部へと導かれ、コリメータ２３により平行光へと変換される。このとき射出される平行光は、直線偏光となるように調節されている。その後２分の１波長板２４及びハーフミラー２６を透過した光（第１の光ビーム）は、ダイクロイックミラー２７で反射して、偏光光学素子であるローションプリズム２８へと入射する。ローションプリズム２８は複屈折材料（例えば方解石）でできており、入射光を直交した２種類の直線偏光（Ｓ偏光とＰ偏光）に分離した上で異なる方向へと射出する。Ｓ偏光は集光レンズ２９によってカンチレバー１２の背面に設けられた反射面へ集光され、頂点反射する。その後は入射光路と同一光路を通りローションプリズム２８へ再入射する。一方Ｐ偏光は被検物１の表面へ集光され、頂点反射する。その反射光は同一光路を通りローションプリズム２８に再入射する。ローションプリズム２８を透過したＳ偏光とＰ偏光はともに平行光として共通光路を通り、ダイクロイックミラー２７及びハーフミラー２６で反射する。そして４分の１波長板３０、２分の１波長板３１、ハーフミラー３３、ハーフミラー３４を透過し、偏光ビームスプリッタ３５へ到達する。偏光ビームスプリッタ３５において再びＳ偏光とＰ偏光に分割され、フォトディテクタ３６とフォトディテクタ３７へと入射する。２つのフォトディテクタでは光の強度情報が取得され演算装置３８へと伝達される。演算装置３８では２種類の強度情報を解析し、第１の干渉縞によるカンチレバー変位量を算出する。

演算装置３８における解析内容についてさらに詳細を説明する。フォトディテクタ３６で取得された光情報をＡ１とし、フォトディテクタ３７で取得された光情報をＡ２とすると、次式のように表すことができる。

ここで、Ａは光情報の大きさを定義する定数であり、λは使用している光の波長、ΔＬはカンチレバー１２と被検物１の間の相対的な変位情報、αはローションプリズム２８で分離したＳ偏光とＰ偏光の光路長差から決まる初期位相である。Ｖは位相変化に対する光情報変化の感度を表す感度係数であり、０以上１以下の値をとる。また、Φは２分の１波長板３１を回転させる回転機構３２の回転角度に応じて変化する位相である。

演算装置３８内において、これら２種類の信号を以下のように処理し、変位情報Ｓを得る。

ここでΦがαを打ち消すように２分の１波長板３１の回転角度を調整し、かつ、ΔＬは非常に微小量であるとすると、変位情報Ｓは次式のように近似できる。

このようにして求められた変位情報Ｓを用いると、次式が得られる。

上式よりカンチレバー１２と被検物１との間の相対的な変位情報を得ることができる。上式に含まれる感度係数Ｖは、Ｓ偏光とＰ偏光の重ね具合の良し悪しにより変化する値である。干渉縞がいわゆる縞一色状態であり、かつ高コントラストであれば、干渉縞の感度係数Ｖは１に近づく。

後述するように、本実施例は、干渉縞の感度係数Ｖを１に近づけるための調整機構を備えているが、高精度な測定のためには干渉縞の感度係数Ｖを正確に実測し、それを用いて変位情報を計算することが望ましい。

干渉縞の感度係数Ｖの正確な値を得るため、２分の１波長板３１を回転機構３２により回転させながらフォトディテクタ３６の強度情報を取得する。２分の１波長板３１を回転させることにより、強度情報を表す次式に含まれる位相αが変化する。

位相Φの変化に伴って強度情報が強弱し、最小強度Ａｍｉｎと最大強度Ａｍａｘを知ることができる。最低強度Ａｍｉｎと最大強度Ａｍａｘの値を用いると、干渉縞の感度係数Ｖは次式で求めることができる。

上式により求めた感度係数Ｖの実測値を用いて変位情報Ｓを計算することで、カンチレバー１２の変位を高精度に計測することができる。なお、感度係数Ｖの計測はフォトディテクタ３７より得られる強度情報により実施してもよい。

次に、高精度計測を行なうために必要な各種調整機能について説明する。

本実施例において高精度計測を行なうためには、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７において検出される干渉縞が、いわゆる縞一色状態であることが望ましい。フォトディテクタ３７において検出される干渉縞は、フォトディテクタ３６で検出される干渉縞に対し位相が１８０度ずれた状態であるため、いずれか一方を縞一色状態とすれば他方も縞一色状態となる。

そこで本実施例では、干渉縞を縞一色状態に調整するためのセンサとしてＣＣＤセンサ５３を備えている。ＣＣＤセンサ５３には、ハーフミラー３４で分割され、偏光ビームスプリッタ５１を透過し、ビームエクスパンダ５２により拡大された光が入射する。従ってＣＣＤセンサ５３により観察される干渉縞は、フォトディテクタ３６により検出される干渉縞と同じになる。このため、ＣＣＤセンサ５３により観察される干渉縞が縞一色状態となるようにティップティルトステージ４を調整することで、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７において検出される干渉縞を縞一色状態とすることができる。

ただし、被検物１が大きく傾いて固定された場合には、ＣＣＤセンサ５３において干渉縞を観察できない可能性がある。そこで本実施例では、ポジションセンサ５５を備えている。ポジションセンサ５５には、ハーフミラー３３により分割された光が入射する。従ってポジションセンサ５５には、カンチレバー１２からの反射光と被検物１からの反射光が入射することになる。そして、ポジションセンサ５５において観察される２つの輝点が重なるようにティップティルトステージ４を調整する。これにより、カンチレバー１２からの反射光と被検物１からの反射光が、ほぼ共通光路を取るように調整することができる。このため、ＣＣＤセンサ５３において干渉縞が観察できる状態となり、干渉縞が縞一色状態となるように調整することができるようになる。

また、本実施例はカメラ５６を備えており、カンチレバー先端部分の様子を観察することができる。このカメラ５６を用いることで、集光レンズ２９により集光された光がカンチレバー背面の所定の場所に照射されるように調整することが可能となる。

このように被検物１を計測基準としてカンチレバー変位を計測することで、カンチレバー１２と被検物１との相対位置変動の影響を軽減することができるが、被検物１が理想的にアライメントされなければカンチレバー変位を計測することはできない。

そこで本実施例では、各種調整用の参照ミラー６３を備え、参照ミラー６３を計測基準とする第２の干渉縞からカンチレバー１２の変位を検出するための第２の光学系を有する。

参照ミラー６３には、分割手段であるハーフミラー２６で反射し、第１の光学系に入射する光（第１の光ビーム）から分離されて、４分の１波長板６１及びシャッター６２を透過した光（第２の光ビーム）が入射する。そして、参照ミラー６３で反射した反射光はシャッター６２、４分の１波長板６１、ハーフミラー２６を透過し、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７へ到達するように構成されている。

さらに本実施例では、２分の１波長板２４を光軸周りに回転させることができる回転機構２５を備えており、２分の１波長板２４より射出される直線偏光の偏光方向を自由に操作することができる。

ここで、２分の１波長板２４より射出される直線偏光がＳ偏光となるように調整した場合を考える。このとき、ハーフミラー２６を透過してローションプリズム２８に到達する第１の光ビームであるＳ偏光は、全てカンチレバー１２の背面上へと入射し被検物１へは入射しない。このため最終的にフォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７へと到達する光はカンチレバー１２からの反射光のみとなる。一方ハーフミラー２６で反射した第２の光ビームである光は、参照ミラー６３で反射して再度ハーフミラー２６へ入射するが、その間４分の１波長板６１を２度透過するためＰ偏光へと変換される。そして最終的にフォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７へと到達し、演算装置３８により第２の干渉縞を用いた光路長差が計算される。このようにして、参照ミラー６３を計測基準としたカンチレバー変位を検出することができる。

次に、２分の１波長板２４より射出される直線偏光がＳ偏光成分とＰ偏光成分の両方を含む場合を考える。このとき、ハーフミラー２６を透過してローションプリズム２８に到達した光（第１の光ビーム）は、Ｓ偏光成分がカンチレバー１２の背面上へと入射し、Ｐ偏光成分が被検物１へと入射する。そしてカンチレバー１２の背面で反射した光と被検物１で反射した光がフォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７へと到達する。しかしながらハーフミラー２６で反射し、参照ミラー６３で反射した光（第２の光ビーム）もまたフォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７へと到達する。従って、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７では３種類の光が互いに干渉してしまい、光路長差を計算できなくなってしまう。

そこで本実施例では、駆動手段によって開閉駆動されるシャッター６２を備え、シャッター６２を閉じることで参照ミラー６３への光路を遮光する。これによって、参照ミラー６３からの反射光がフォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７に到達しなくなり、被検物１に対するカンチレバー１２の変位を計測することが可能となる。

以上説明した第２の光学系を使用したカンチレバータッチダウンシーケンスの一例について、図２のフローチャートを用いて説明する。

タッチダウンコマンドが発行されたら（ステップＳ０１）、まずシャッター６２を開いて参照ミラー６３へ光が入射する状態にする（ステップＳ０２）。さらに２分の１波長板２４を回転させ、直線偏光の偏光方向をＳ偏光に変更する（ステップＳ０３）。このとき、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７では、カンチレバー１２からの反射光と参照ミラー６３からの反射光との干渉縞（第２の干渉縞）が検出される。

次に２分の１波長板３１を回転させて変位出力をゼロとすることで初期位相を打ち消す（ステップＳ０４）。さらに２分の１波長板３１を回転させることで（ステップＳ０５）、位相変化に対するフォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７の感度係数Ｖを確認する（ステップＳ０６）。ここで感度係数Ｖが低く、カンチレバー変位に対するフォトディテクタ感度が不十分な場合は、タッチダウンプロセスを中止し、カンチレバー１２や参照ミラー６３を調整して感度を確保する必要がある（ステップＳ０７）。

感度確認が完了したら、被検物１の測定ポイント上方にカンチレバー１２が配置されるようにＸＹＺステージ３を調整する。さらに集光レンズ２９により集光される偏光光の主光線が被検物１に垂直入射するようにティップティルトステージ４を調整する。このときの調整は被検物１の設計値情報に基づいて行なう（ステップＳ０８）。

ステージ位置を調整したらＺ軸を降下させ（ステップＳ０９）、被検物１にカンチレバー１２をタッチダウンさせる（ステップＳ１０）。カンチレバー１２がタッチダウンしたかどうかは、カンチレバー１２の変位を計測することで判断することができる。

カンチレバー１２がタッチダウンしたら、被検物１を計測基準としてカンチレバー１２の変位を計測する構成（第１の光学系）へと変更する。すなわち、シャッター６２を閉じて参照ミラー６３からの反射光を遮り（ステップＳ１１）、２分の１波長板２４を回転させてＰ偏光成分とＳ偏光成分がともに射出されるように調整する（ステップＳ１２）。このとき、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の割合を被検物１とカンチレバー１２の反射率に応じて決定することが望ましい。具体的には、被検物１で反射したＰ偏光の光量とカンチレバー１２で反射したＳ偏光の光量がほぼ等しくなるように調整することが望ましい。このように調整することで、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７で検出される干渉縞のコントラストが高くなり、高精度な計測を行なうことができる。

計測系の光学系を変更した後、ポジションセンサ５５で検出される輝点の位置を確認する（ステップＳ１３）。ポジションセンサ５５には、被検物１からの反射光とカンチレバー１２からの反射光が入射しており、２つの輝点の位置が一致していればフォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７において干渉縞を検出することができる。２つの輝点が一致していない場合は、被検物１からカンチレバー１２をいったん離脱させ、ティップティルトステージ４を用いて被検物１の傾きを調整することで２つの輝点を一致させる（ステップＳ１９）。調整後はシャッター６２を開き（ステップＳ２０）、２分の１波長板２４を回転させて直線偏光の偏光方向をＳ偏光に変換することで（ステップＳ２１）、参照ミラー６３を計測基準としてカンチレバー１２の変位を計測する第２の光学系とする。そして再びタッチダウンさせることで、被検物１の位置調整が完了する。

被検物１にカンチレバー１２がタッチダウンし、ポジションセンサ５５で検出される２つの輝点の位置が一致したら、２分の１波長板３１を回転させ変位出力をゼロとすることで初期位相を打ち消す（ステップＳ１４）。さらに２分の１波長板３１を回転させることで、位相変化に対するフォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７の感度を確認する（ステップＳ１５）。ここで感度係数Ｖが低く、カンチレバー変位に対するフォトディテクタ感度が不十分な場合は（ステップＳ１６）、タッチダウンプロセスを中止し（ステップＳ１７）、被検物１を調整して感度を確保する必要がある。感度が良好であればタッチダウンプロセスは完了となり（ステップＳ１８）、被検物１の面形状を計測するための準備が整ったことになる。

本実施例によれば、被検物の有無に関わらず参照ミラーを計測基準としてカンチレバー変位を計測することができ、計測前の準備段階から実測定まで滞りなく実施可能な原子間力顕微鏡を実現することができる。

なお、本実施例では偏光光学素子としてローションプリズムを用いているが、代わりにウォラストンプリズムを使用しても同様の効果を得ることができる。また、本実施例ではＳ偏光をカンチレバー背面に照射させＰ偏光を被検物に照射させるとしているが、Ｓ偏光とＰ偏光を逆にしてもよい。この場合、２分の１波長板２４より射出される直線偏光をＰ偏光とすることで、参照ミラー６３を計測基準としてカンチレバー変位を計測することが可能となる。

図３は、実施例２による原子間力顕微鏡の構成を示す図である。実施例１と異なる点は、４分の１波長板３０及び２分の１波長板３１の位置と、ハーフミラー３３の位置が逆転し、さらに、ハーフミラー３３とポジションセンサ５５との間に、偏光ビームスプリッタ５４を挿入している点である。ポジションセンサ５５には被検物１からの反射光のみが入射し、カンチレバー１２からの反射光は入射しない構成となる。そして観察される１つの輝点の位置情報を用いて、干渉縞が縞一色状態となるようにティップティルトステージ４を調整する。すなわち、干渉縞が縞一色状態となる輝点の理想位置を予め把握しておき、理想位置に輝点が移動するようにティップティルトステージ４を調整する。

本実施例の特徴は、ポジションセンサ５５において検出される輝点がひとつしかないため、計算機による演算で輝点位置をより正確に算出可能な点である。このため、被検物１のアライメント状態を計算機のみで精度よく求めることができ、自動測定に適した形態である。

図４は、実施例３による原子間力顕微鏡の構成を示す図である。実施例１、２と異なる点は、干渉縞検出用のフォトディテクタを１つに減らした点である。この場合の演算装置３８における解析内容について説明する。フォトディテクタ３６で取得された光情報をＡ１とすると、実施例１において説明したように次式で表される。

ここで、Ａは光情報の大きさを定義する定数であり、λは使用している光の波長、ΔＬはカンチレバー１２と被検物１の間の相対的な変位情報、αはローションプリズム２８で分離したＳ偏光とＰ偏光の光路長差から決まる初期位相である。Ｖは干渉縞の感度係数であり０以上１以下の値をとる。また、Φは２分の１波長板３１を回転させる回転機構３２の回転角度に応じて変化する位相である。

ここでΦがαを打ち消すように２分の１波長板３１の回転角度を調整し、かつ、ΔＬは非常に微小量であるとすると、光情報Ａ１は次式のように近似できる。

このようにして求められた光情報Ａ１を用いると、次式が得られる。

上式より、カンチレバー１２と被検物１との間の相対的な変位情報を得ることができる。上式に含まれる光情報の大きさＡと干渉縞の感度係数Ｖは、２分の１波長板３１を回転機構３２により回転させながらフォトディテクタ３６の強度情報を取得し、最小強度Ａｍｉｎと最大強度Ａｍａｘを求めることで次式のように計算することができる。

なお、本実施例の場合、カンチレバー変位の符号がわからない欠点がある。しかしながら、カンチレバーの振幅情報を用いて計測を行なうＡＣモードではカンチレバー変位の符号情報を必要としないため、本実施例を適用することができる。

実施例１による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。カンチレバータッチダウンプロセスを説明するフローチャートである。実施例２による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。実施例３による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。一従来例を示す模式図である。

符号の説明

１被検物
２ベース
３ＸＹＺステージ
４ティップティルトステージ
６ハウジング
７ＸＹスキャナ
８チューブスキャナ
９カンチレバー取り付けブロック
１０加振用ピエゾアクチュエータ
１１カンチレバーホルダー
１２カンチレバー
２１光源
２２光ファイバ
２３コリメータ
２４２分の１波長板
２５回転機構
２６ハーフミラー
２７ダイクロイックミラー
２８ローションプリズム
２９集光レンズ
３０４分の１波長板
３１２分の１波長板
３２回転機構
３３ハーフミラー
３４ハーフミラー
３５偏光ビームスプリッタ
３６フォトディテクタ
３７フォトディテクタ
５１偏光ビームスプリッタ
５２ビームエクスパンダ
５３ＣＣＤセンサ
５４偏光ビームスプリッタ
５５ポジションセンサ
５６カメラ
６１４分の１波長板
６２シャッター
６３参照ミラー

Claims

探針を備えるカンチレバーを被検物に接近させ、前記探針と前記被検物の間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちつつ走査することにより、前記被検物の面形状を計測する原子間力顕微鏡において、
光源と、
前記光源からの光を第１及び第２の光ビームに分割する分割手段と、
前記第１の光ビームを前記被検物及び前記カンチレバーに照射させ、それぞれ反射させて得られる第１の干渉縞から前記カンチレバーの変位を検出するための第１の光学系と、
参照ミラーと、
前記第１及び前記第２の光ビームをそれぞれ前記カンチレバー及び前記参照ミラーに照射させ、それぞれ反射させて得られる第２の干渉縞から前記カンチレバーの変位を検出するための第２の光学系と、を有することを特徴とする原子間力顕微鏡。
前記光源からの光の偏光方向を変更する波長板と、
前記光の光軸まわりに前記波長板を回転させる回転機構と、
前記第１の光ビームを２種類の偏光光に分割する偏光光学素子と、を有し、
前記第１の光学系は、前記偏光光学素子によって分割された前記２種類の偏光光のうちの一方を前記カンチレバーに照射させるとともに、他方の偏光光を前記被検物に集光させ、それぞれ反射させて前記第１の干渉縞を得ることを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
前記参照ミラーに入射する前記第２の光ビームを遮光するためのシャッターと、
前記シャッターを開閉駆動する手段と、を有することを特徴とする請求項１又は２記載の原子間力顕微鏡。