JP2011215168A - Method for detecting displacement of scanning probe microscope - Google Patents

Method for detecting displacement of scanning probe microscope Download PDF

Info

Publication number
JP2011215168A
JP2011215168A JP2011171265A JP2011171265A JP2011215168A JP 2011215168 A JP2011215168 A JP 2011215168A JP 2011171265 A JP2011171265 A JP 2011171265A JP 2011171265 A JP2011171265 A JP 2011171265A JP 2011215168 A JP2011215168 A JP 2011215168A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
light source
cantilever
photodetector
displacement detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011171265A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masato Iyogi
誠人 伊與木
Hironori Yamamoto
浩令 山本
Kazutoshi Watanabe
和俊 渡辺
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.)
Hitachi High Tech Science Corp
Original Assignee
SII NanoTechnology Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SII NanoTechnology Inc filed Critical SII NanoTechnology Inc
Priority to JP2011171265A priority Critical patent/JP2011215168A/en
Publication of JP2011215168A publication Critical patent/JP2011215168A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide such a displacement detection method that increases the amount of light incident on a light-receiving surface of a photodetector by raising the efficiency in transmission of light on a light path by increasing an output from a light source and thereby reduces the proportion of shot noise or Johnson noise to detection sensitivity.SOLUTION: An optical displacement detection mechanism 9 consists of: a light source 10, which irradiates a measuring object 6 with light; a light source drive circuit 21, which drives the light source 10; a photodetector 16, constituted by a semiconductor, which receives the light with which the light source 10 has irradiated the measuring object 6, converts the light into an electrical signal, and detects light intensity; and an amplifier 22 including a current/voltage conversion circuit which makes a current/voltage conversion of a signal detected by the photodetector 16 at a certain gain. In such an optical displacement detection mechanism 9, a light source 10 whose spectrum has a half width of 10 nm or greater is used to suppress the occurrence of mode-hopping noise or return light noise even when the light source 10 is driven at 2 mW or greater.

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡やプローブを用いた表面形状測定装置などで使用され、測定対象に光源からの光を照射し、照射後の光の強度を半導体よりなる光検出器で検出することで走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーなどの測定対象の変位の検出を行う変位検出方法に関するものである。   The present invention is used in a scanning probe microscope, a surface shape measuring device using a probe, etc., and irradiates a measurement target with light from a light source, and detects the intensity of the light after irradiation with a photodetector made of a semiconductor. The present invention relates to a displacement detection method for detecting the displacement of a measurement object such as a cantilever for a scanning probe microscope.

金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等のサンプルを微小領域にて測定し、試料表面の凹凸像や物性情報の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)が知られている。   A scanning probe microscope (SPM) is a device for measuring samples such as metals, semiconductors, ceramics, resins, polymers, biomaterials, insulators, etc. in a micro area and observing uneven images and physical property information on the sample surface. Scanning Probe Microscope) is known.

これら走査型プローブ顕微鏡では、サンプルが載置されるサンプルホルダと、先端にプローブを有し、サンプルの表面に近接させるカンチレバーを備えたものが周知となっている。そして、これらサンプルとプローブとをサンプル面内(XY平面)で相対的に走査させ、この走査中にカンチレバーの変位量を変位検出機構により測定しながら、サンプルまたはプローブをサンプル表面と直交する方向(Z方向)に動作させて、サンプルとプローブの距離制御を行うことにより、表面形状や各種物性情報を測定するようになっている。   In these scanning probe microscopes, those having a sample holder on which a sample is placed and a cantilever that has a probe at the tip and is brought close to the surface of the sample are well known. Then, the sample and the probe are relatively scanned in the sample plane (XY plane), and the displacement of the cantilever is measured by the displacement detection mechanism during the scanning, while the sample or the probe is orthogonal to the sample surface ( By operating in the Z direction) and controlling the distance between the sample and the probe, the surface shape and various physical property information are measured.

ここで、従来の典型的な光学式変位検出機構の変位検出方法に係わる走査型プローブ顕微鏡の概略構成図を図6に示す(例えば、特許文献1参照)。   Here, FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of a scanning probe microscope related to a displacement detection method of a conventional typical optical displacement detection mechanism (see, for example, Patent Document 1).

図6の走査型プローブ顕微鏡201は、先端にサンプル211を載せるサンプルステージ212を有し、末端がベース215上に固定された円筒型の圧電素子より構成される3軸微動機構(スキャナ)213によりサンプルがサンプル面内(XY平面)で走査されながら、サンプル面と垂直な方向(Z方向)に微動される。   A scanning probe microscope 201 in FIG. 6 has a sample stage 212 on which a sample 211 is placed at the tip, and a three-axis fine movement mechanism (scanner) 213 constituted by a cylindrical piezoelectric element whose end is fixed on a base 215. The sample is finely moved in the direction (Z direction) perpendicular to the sample surface while being scanned in the sample surface (XY plane).

また、先端にプローブ209を有するカンチレバー207が、剛性の高いアーム205を介してベース215に固定された支柱203に保持されている。カンチレバー207の先端部下面には、プローブ209が下方に突出するように形成されており、Z方向に動作可能な粗動機構(図示せず)により、プローブ209の先端をサンプル211表面に近接させる構成である。   Further, a cantilever 207 having a probe 209 at the tip is held by a column 203 fixed to the base 215 via a highly rigid arm 205. The probe 209 is formed on the lower surface of the tip of the cantilever 207 so as to protrude downward, and the tip of the probe 209 is brought close to the surface of the sample 211 by a coarse movement mechanism (not shown) operable in the Z direction. It is a configuration.

カンチレバー207上方には、半導体レーザ(LD)221と半導体を材料とした光検出器235より構成され、一般に光てこ方式と呼ばれる光学式変位検出機構が設けられている。   Above the cantilever 207, a semiconductor laser (LD) 221 and a photodetector 235 made of a semiconductor material are provided, and an optical displacement detection mechanism generally called an optical lever method is provided.

ここで、この光てこ方式の光学式変位検出機構の動作原理を詳細に説明する。   Here, the operation principle of the optical lever type optical displacement detection mechanism will be described in detail.

図7は、(a)が光学式変位検出機構200の概略構成図、(b)が半導体を材料とする光検出器235に接続される電気回路図である。この光学式変位検出機構200では、カンチレバー207の上方に設置され半導体レーザからなる光源221からレーザ光(入射光231)をレンズ240によりカンチレバー207の背面に集光して照射する。この入射光231は、カンチレバー207の背面で反射し、反射光233がカンチレバー207の斜め上方に設置され半導体により構成された光検出器235に当る。この光検出器235は受光面が上下に2分割された構成で反射光233の入射位置を検出することができる。   7A is a schematic configuration diagram of the optical displacement detection mechanism 200, and FIG. 7B is an electric circuit diagram connected to the photodetector 235 made of a semiconductor. In the optical displacement detection mechanism 200, laser light (incident light 231) is collected and irradiated on the back surface of the cantilever 207 from a light source 221 that is installed above the cantilever 207 and is made of a semiconductor laser. The incident light 231 is reflected from the back surface of the cantilever 207, and the reflected light 233 strikes a photodetector 235 that is installed obliquely above the cantilever 207 and is made of a semiconductor. The light detector 235 can detect the incident position of the reflected light 233 with a structure in which the light receiving surface is vertically divided into two.

この光検出器235の受光面(A、B)に光が当たると各々の受光面(A、B)から電流iA、iBが発生する。受光面の後ろ側には受光面毎に電流/電圧変換回路242a、242bが接続されており、フィードバック抵抗値RIVで規定される増幅率により、電流信号iA、iBが電圧信号vA、vBに変換されて、後述する差動増幅回路243に電圧信号が入力される。 When light strikes the light receiving surfaces (A, B) of the photodetector 235, currents i A , i B are generated from the light receiving surfaces (A, B). Current / voltage conversion circuits 242a and 242b are connected to the rear side of the light receiving surface for each light receiving surface, and the current signals i A and i B are converted to the voltage signal v A by the amplification factor defined by the feedback resistance value R IV. , V B and a voltage signal is input to a differential amplifier circuit 243 described later.

ここで、図6や図7において、プローブ209とサンプル211を近接させた場合には、はじめ原子間力が作用し、さらに接近させると接触力が作用し、カンチレバー207にたわみが生じる。カンチレバー207がたわむと、光検出器235の受光面上のスポット241が上下に動く。ここで、上下の受光面の差の電圧信号vA-Bを差動増幅回路243で検出することで、カンチレバー207のたわみ量を測定することが可能となる。なお、差動増幅回路243の後ろ側には測定に使用する帯域以外の周波数成分をカットしノイズを抑制するために通常バンドパスフィルター244が設けられ、このバンドパスフィルター244を通った信号が、Zフィードバック回路251に送られる。 Here, in FIGS. 6 and 7, when the probe 209 and the sample 211 are brought close to each other, an interatomic force acts first, and when further brought closer, a contact force acts, causing the cantilever 207 to bend. When the cantilever 207 is bent, the spot 241 on the light receiving surface of the photodetector 235 moves up and down. Here, the amount of deflection of the cantilever 207 can be measured by detecting the voltage signal v AB of the difference between the upper and lower light receiving surfaces by the differential amplifier circuit 243. A normal band pass filter 244 is provided behind the differential amplifier circuit 243 in order to cut frequency components other than the band used for measurement and suppress noise, and a signal passing through the band pass filter 244 is It is sent to the Z feedback circuit 251.

カンチレバー207のたわみ量は、プローブ209とサンプル211表面間の距離に依存するため、カンチレバー207のたわみ量を光検出器235の出力電圧vA-Bで検出し、Zフィードバック回路251に入力し、たわみ量が一定、すなわち出力電圧vA-Bが一定となるように、3軸微動機構213のZ微動機構によりプローブ209とサンプル211表面間の距離を制御し、3軸微動機構213のXYスキャナでサンプルを走査することで、サンプル表面の凹凸像が得られる。これらの制御は制御部257で行われ、XYZスキャナドライバ253により3軸微動機構213が駆動される。得られた凹凸像は表示部255に表示される。 Since the deflection amount of the cantilever 207 depends on the distance between the probe 209 and the surface of the sample 211, the deflection amount of the cantilever 207 is detected by the output voltage v AB of the photodetector 235 and input to the Z feedback circuit 251. Is constant, that is, the output voltage v AB is constant, the distance between the probe 209 and the surface of the sample 211 is controlled by the Z fine movement mechanism of the three-axis fine movement mechanism 213, and the sample is scanned by the XY scanner of the three-axis fine movement mechanism 213. By doing so, an uneven image on the sample surface is obtained. These controls are performed by the control unit 257, and the three-axis fine movement mechanism 213 is driven by the XYZ scanner driver 253. The obtained uneven image is displayed on the display unit 255.

この光学式変位検出機構では、変位検出機構の検出感度(単位長さあたりの出力電圧量)と光学式変位検出機構の信号に混ざっているノイズ成分の大きさにより、測定データの高さ方向の分解能が決まる。   In this optical displacement detection mechanism, the height of measurement data depends on the detection sensitivity of the displacement detection mechanism (the amount of output voltage per unit length) and the magnitude of the noise component mixed in the signal of the optical displacement detection mechanism. Resolution is determined.

ここで、光学式変位検出機構のノイズの要因としてはいくつかの理由が考えられる。   Here, there are several possible reasons for noise in the optical displacement detection mechanism.

(1)光検出器のショットノイズ
(2)光検出器のジョンソンノイズ(熱雑音)
(3)光源の量子ノイズ
(4)光源の戻り光ノイズ、モードホップノイズ
(5)カンチレバーの熱揺らぎ
(6)光の干渉ノイズ
このうち通常の走査型プローブ顕微鏡で使用される周波数帯域で最も依存度が高いのは、(1)の光検出器のショットノイズであり、検出感度に対するショットノイズの割合は受光面での光量Pの平方根に反比例して小さくなる。
(1) Photo detector shot noise (2) Photo detector Johnson noise (thermal noise)
(3) Light source quantum noise (4) Light source return light noise, mode hop noise (5) Cantilever thermal fluctuation (6) Light interference noise Among these, the frequency band most used in normal scanning probe microscopes The high degree is the shot noise of the photodetector (1), and the ratio of the shot noise to the detection sensitivity becomes smaller in inverse proportion to the square root of the light amount P on the light receiving surface.

また、測定時の周波数が高い領域になると、(2)のジョンソンノイズの依存度も増してくるようになり、検出感度に対するジョンソンノイズの割合は受光面での光量Pに反比例して小さくなる。   In addition, when the frequency at the time of measurement is high, the dependence of Johnson noise in (2) also increases, and the ratio of Johnson noise to detection sensitivity decreases in inverse proportion to the amount of light P on the light receiving surface.

ここで、受光面での光量Pは光源の出力P0、光源から測定対象を経て光検出器に至る光路上での光の伝達効率をαとすると、P=αP0で表される。   Here, the light amount P on the light receiving surface is expressed by P = αP0, where α is the output P0 of the light source, and α is the light transmission efficiency on the optical path from the light source through the measurement object to the photodetector.

このように、ショットノイズやジョンソンノイズは光検出器の受光面上での強度Pが増えると、検出感度に対するノイズの量が減少し、その結果、測定データの分解能が向上する。すなわち、光源の出力P0を大きくするか、または光路上での伝達効率を向上させることが、検出感度に対するノイズの割合を下げるに有効である。   As described above, as the shot noise and Johnson noise increase in intensity P on the light receiving surface of the photodetector, the amount of noise with respect to the detection sensitivity decreases, and as a result, the resolution of the measurement data improves. That is, increasing the output P0 of the light source or improving the transmission efficiency on the optical path is effective in reducing the ratio of noise to detection sensitivity.

一方、従来の光学式変位検出機構で最も一般的に使用されている光源である半導体レーザの光源側のノイズについて考えてみると、半導体レーザは、低パワーの領域では、素子内部で自然放出光の割合が多くなり(3)の量子ノイズと呼ばれるノイズが発生する。パワーを上げるにしたがって誘導放出光の割合が支配的となって、量子ノイズの割合は減少する。しかしながら、半導体レーザは、出力を大きくするほど量子ノイズが減る一方で、高出力で駆動した場合、(4)に示したようにカンチレバーやサンプルあるいは光路中に配置された光学素子などで反射して半導体レーザに戻ってくる戻り光ノイズや、温度や光出力変動時に発生するモードホップノイズが発生する。このため、光源側の出力には最適値が存在し従来技術では2mW以下で駆動を行っていた。このように、光検出器の量子ノイズレベルを下げるためには光源側の出力を大きくする必要があるが、光源側の戻り光ノイズやモードホップノイズの発生を抑えるために出力には限界があった。   On the other hand, when considering the noise on the light source side of the semiconductor laser, which is the most commonly used light source in the conventional optical displacement detection mechanism, the semiconductor laser emits spontaneously emitted light in the element in the low power region. The ratio of (3) increases and noise called quantum noise (3) occurs. As the power increases, the ratio of stimulated emission light becomes dominant and the ratio of quantum noise decreases. However, the semiconductor laser reduces the quantum noise as the output is increased. On the other hand, when it is driven at a high output, it is reflected by a cantilever, a sample, or an optical element arranged in the optical path as shown in (4). Return light noise that returns to the semiconductor laser and mode hop noise that occurs when temperature and light output fluctuate. For this reason, there is an optimum value for the output on the light source side, and in the prior art, driving was performed at 2 mW or less. As described above, in order to reduce the quantum noise level of the photodetector, it is necessary to increase the output on the light source side. However, the output is limited in order to suppress the generation of return light noise and mode hop noise on the light source side. It was.

また、モードホップノイズや戻り光ノイズを低減させるためには、光源のコヒーレンシーを下げることが有効である。言い換えれば光源の波長に対する強度のスペクトルにおいて、強度が最大となる部分のスペクトル幅が広い光源を使用することが好ましく、この目的で、半導体レーザに高周波変調が掛けられていた。また、測定対象や光路中の部材などによる戻り光を防止するために入射光と反射光の偏光状態を変えて、半導体レーザに反射光が戻らない光学系を用いるなどの工夫が行われていた。   In order to reduce mode hop noise and return light noise, it is effective to reduce the coherency of the light source. In other words, in the spectrum of the intensity with respect to the wavelength of the light source, it is preferable to use a light source having a wide spectrum width at the portion where the intensity is maximum. For this purpose, the semiconductor laser has been subjected to high frequency modulation. In addition, in order to prevent return light due to a measurement target or a member in the optical path, the optical state in which reflected light does not return to the semiconductor laser has been changed by changing the polarization state of incident light and reflected light. .

また、半導体レーザはコヒーレンシーが高く可干渉性に優れた光源であるため、例えば走査型プローブ顕微鏡ではカンチレバーでの反射光と、カンチレバーをはみ出してサンプルから反射してくる光が干渉して、凹凸像やプローブとサンプルの距離に対する物性測定時のデータに(6)干渉ノイズが生じる場合があった。   In addition, since a semiconductor laser is a light source with high coherency and excellent coherence, for example, in a scanning probe microscope, the reflected light from the cantilever interferes with the light reflected from the sample that protrudes from the cantilever, resulting in an uneven image. In addition, (6) interference noise may occur in data when measuring physical properties with respect to the distance between the probe and the sample.

特開平10−104245号公報JP-A-10-104245

Takeshi Fukuma et al, Development of low noise cantilever deflection sensor for multienvironment frequency-modulation atomic force microscopy・ REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 76,053704(2005)Takeshi Fukuma et al, Development of low noise cantilever deflection sensor for multienvironment frequency-modulation atomic force microscopy ・ REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 76,053704 (2005)

しかしながら、高周波変調や光学系の偏光を利用したとしても、モードホップノイズや戻り光ノイズを完全に抑制することができない。そのため従来の技術では、半導体レーザからの出力を2mW以下にしてモードホップノイズや戻り光ノイズが起きづらい領域で駆動を行っていた。   However, even if high frequency modulation or polarization of an optical system is used, mode hop noise and return light noise cannot be completely suppressed. Therefore, in the conventional technique, the output from the semiconductor laser is set to 2 mW or less, and the driving is performed in a region where mode hop noise and return light noise hardly occur.

また、高周波変調や偏光光学系の利用を行うためには、特殊な回路や光学素子を準備する必要があり、システムが複雑化し、コストも増加してしまう。   In addition, in order to use high-frequency modulation or a polarization optical system, it is necessary to prepare special circuits and optical elements, which complicates the system and increases the cost.

従って、本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡などで使用される光学式変位検出機構を用いた変位検出方法において、検出感度に対するノイズの割合が少なくなるような変位検出方法を従来よりも簡単なシステムで提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a displacement detection method using an optical displacement detection mechanism used in a scanning probe microscope or the like, which is simpler than the conventional displacement detection method in which the ratio of noise to detection sensitivity is reduced. Is to provide in the system.

さらに、検出感度に対するノイズの割合を抑制するためには、光検出器への入射光量を大きくする必要があり、このためには光源から出力される光が、光源から測定対象を経由して光検出器に至る過程での光の伝達効率αを高める必要がある。したがって本発明の目的は、光源からの光の伝達効率を高めることで光検出器への受光面への入射光量を高め、検出感度に対するノイズの割合を少なくする変位検出方法を提供することである。   Furthermore, in order to suppress the ratio of noise to the detection sensitivity, it is necessary to increase the amount of light incident on the photodetector. For this purpose, the light output from the light source passes through the measurement object from the light source. It is necessary to increase the light transmission efficiency α in the process of reaching the detector. Accordingly, an object of the present invention is to provide a displacement detection method that increases the amount of incident light on the light receiving surface of the photodetector by increasing the transmission efficiency of light from the light source and reduces the ratio of noise to detection sensitivity. .

測定対象に光を照射する光源と、前記光源を駆動する光源駆動回路と、前記光源から測定対象に照射した後の光を受光し電気信号に変換して光強度を検出する半導体よりなる光検出器と、前記光検出器の検出信号を所定の増幅率で電流/電圧変換する電流/電圧変換回路から構成される光学式変位検出機構を用いた変位検出方法において、光源の波長に対する強度のスペクトルを測定した場合に強度が最大となる部分のスペクトルの半値幅が10nm以上で、好ましくは25nm以下の範囲となる光源を用い、かつ光源の強度(出力)を2mW以上で駆動するようにした。このように構成された変位検出方法を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーまたはプローブの変位検出に用いるようにした。   Light detection comprising a light source for irradiating light to a measurement object, a light source driving circuit for driving the light source, and a semiconductor for detecting light intensity by receiving light after irradiating the measurement object from the light source and converting it into an electrical signal In a displacement detection method using an optical displacement detection mechanism comprising a detector and a current / voltage conversion circuit for current / voltage converting a detection signal of the photodetector at a predetermined amplification factor, an intensity spectrum with respect to the wavelength of the light source When the light source is measured, a light source having a half-width of the spectrum where the intensity is maximum is 10 nm or more, preferably 25 nm or less, and the intensity (output) of the light source is driven at 2 mW or more. The displacement detection method thus configured is used for detecting the displacement of a cantilever or a probe of a scanning probe microscope.

このように、光源の波長に対する強度のスペクトルにおいて、低コヒーレントな光源を用いて強度が最大となる部分のスペクトル幅が広くなるようにすることで、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生することなしに光源の出力を高くすることができるので、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。   In this way, in the spectrum of the intensity with respect to the wavelength of the light source, mode hop noise and return light noise are not generated by using a low-coherent light source and widening the spectrum width of the portion where the intensity is maximum. In addition, since the output of the light source can be increased, the amount of light incident on the light receiving surface of the photodetector can be increased, and the ratio of shot noise and Johnson noise to the detection sensitivity can be reduced. As a result, the resolution of the optical displacement detection mechanism can be increased.

また、本発明の変位検出方法では 走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーまたはプローブを溶液中で駆動させるようにした。この場合、光源と測定対象であるカンチレバーまたはプローブの間の光路中に前記光源に使用される光に対して任意の透過率を有する透過性の基板を挿入し、前記基板と前記測定対象との間に界面が接するように溶液を満たし、該溶液中にカンチレバーまたはプローブが配置するようにした。   In the displacement detection method of the present invention, the cantilever or probe of the scanning probe microscope is driven in the solution. In this case, a transparent substrate having an arbitrary transmittance with respect to the light used for the light source is inserted in the optical path between the light source and the cantilever or the probe to be measured, and the substrate and the measurement target are The solution was filled so that the interface was in contact, and a cantilever or a probe was placed in the solution.

このように構成することで、基板の表面や、溶液と基板の界面からの反射光が発生しても戻り光ノイズやモードホップノイズが発生しないので光源の出力を高くすることができ、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。   With this configuration, even if reflected light from the surface of the substrate or the interface between the solution and the substrate is generated, no return light noise or mode hop noise is generated, so the output of the light source can be increased, and light detection The amount of light incident on the light receiving surface of the detector can be increased, and the ratio of shot noise and Johnson noise to the detection sensitivity can be reduced. As a result, the resolution of the optical displacement detection mechanism can be increased.

また、本発明の変位検出方法では、光検出器の受光面が4分割または2分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象からの反射光を前記受光面で受光するように構成した。あるいは、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象の影を前記光検出器の受光面上に投影するように構成した。   In the displacement detection method of the present invention, the light receiving surface of the photodetector is divided into four or two parts, the light from the light source is irradiated onto the measurement target, and the reflected light from the measurement target is received by the light receiving surface. It was configured as follows. Alternatively, the measurement object is irradiated with light from the light source, and a shadow of the measurement object is projected onto the light receiving surface of the photodetector.

このような構成とすることで、特に走査型プローブ顕微鏡の測定分解能を高くすることが可能となる。   With such a configuration, it is possible to increase the measurement resolution of the scanning probe microscope.

また、本発明では光源にスーパールミネッセンスダイオード(SLD)を用いた。SLDはスペクトルの半値幅が概ね10nmから25nm程度であり、半導体レーザよりもスペクトル幅が広く、低コヒーレントな光源であるため高出力で駆動した場合でも戻り光ノイズやモードホップノイズが発生せず、また発光ダイオードのスペクトルの半値幅(概ね20〜70nm)に比べるとスペクトル幅が狭いので、測定対象にスポットを集光させることができる。   In the present invention, a super luminescence diode (SLD) is used as the light source. SLD has a spectrum half-width of about 10 nm to about 25 nm, and has a spectrum width wider than that of a semiconductor laser, and is a low-coherent light source. Therefore, even when driven at a high output, no return light noise or mode hop noise occurs. In addition, since the spectrum width is narrower than the half-value width (approximately 20 to 70 nm) of the spectrum of the light-emitting diode, the spot can be condensed on the measurement target.

例えば走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーではカンチレバーの幅が一般的に30μm以下であり、これよりもスポットが大きくなると測定対象からスポットがはみ出し、その結果、光路上での光の損失が大きくなり、伝達効率が減少してしまうが、スポットを絞り込むことができるので、伝達効率も高くすることが可能となる。
また、可干渉性が半導体レーザよりも劣るのでカンチレバーからの反射光とカンチレバーからはみ出してサンプルから反射してくる光による干渉ノイズも抑制される。
For example, in a cantilever for a scanning probe microscope, the width of the cantilever is generally 30 μm or less. If the spot becomes larger than this, the spot protrudes from the object to be measured, and as a result, the loss of light on the optical path increases and is transmitted. Although the efficiency is reduced, the spot can be narrowed down, so that the transmission efficiency can be increased.
In addition, since the coherence is inferior to that of a semiconductor laser, interference noise caused by reflected light from the cantilever and light that protrudes from the cantilever and reflects from the sample is also suppressed.

また、本発明では、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に任意の反射率の反射面を有し反射率が偏光依存性をもつ光学部材を挿入し、偏光依存性を持った光源を使用し、前記光源の偏光方向による前記光学部材の反射率が高くなるように光源と光学部材を配置し、前記光学部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。   In the present invention, an optical member having a reflecting surface having an arbitrary reflectivity and having a polarization dependency on the optical path from the light source through the measurement object to the photodetector is inserted to make the polarization dependency. The light source and the optical member are arranged so that the reflectance of the optical member according to the polarization direction of the light source is high, and the optical path is bent by reflecting the light by the optical member.

また、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に任意の反射率の反射面を有し反射率が波長依存性を持つようなコートが施された光学部材を挿入し、前記コートの特性を前記光源の強度が最大となる波長における前記光学部材の反射率が高くなるように設定し、前記光学部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。   Further, an optical member provided with a coating having a reflection surface having an arbitrary reflectance on the optical path from the light source through the measurement object to the photodetector and having a wavelength dependency on the reflectance is inserted, and The characteristics of the coat were set so that the reflectance of the optical member at a wavelength at which the intensity of the light source is maximum was increased, and the optical path was bent by reflecting light by the optical member.

また、光源の波長を700nm以上とし、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に金または金合金がコートされた反射部材を配置し、前記反射部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。   In addition, a light source having a wavelength of 700 nm or more, a reflecting member coated with gold or a gold alloy is disposed on the optical path from the light source to the measurement object and reaching the photodetector, and the light is reflected by the reflecting member to cause an optical path. Was bent.

このように構成することで、コンパクトな変位検出機構であっても伝達効率を高めることが可能となる。   With this configuration, it is possible to increase transmission efficiency even with a compact displacement detection mechanism.

さらに、本発明では、測定対象をカンチレバーとし、カンチレバーの両面に材質と厚さが同一のコートを施すようにした。また、光源の波長を700nm以上とし、前記測定対象をカンチレバーとし、該カンチレバーの片面または両面に金または金合金のコートを施すようにした。   Furthermore, in the present invention, the object to be measured is a cantilever, and both surfaces of the cantilever are coated with the same material and thickness. Further, the wavelength of the light source was set to 700 nm or more, the measurement object was a cantilever, and gold or a gold alloy coat was applied to one side or both sides of the cantilever.

このように構成することで、カンチレバー自体が反射部材として機能し、カンチレバーの反射面での反射率を高くすることが可能となり、伝達効率を高めることが可能となる。また、カンチレバーにコートを施した場合、カンチレバーの母材(通常はシリコンかシリコンナイトライド)とコートされた材料の線膨張係数の差によりカンチレバーに照射される光源からの光の熱でカンチレバーに反りが生じてしまうが、カンチレバーの両面にコートを施すことで、線膨張係数の差が両面のコートにより相殺され、入射光量を多くしてもカンチレバーの反りが発生しない。   By configuring in this way, the cantilever itself functions as a reflecting member, the reflectance on the reflecting surface of the cantilever can be increased, and the transmission efficiency can be increased. When the cantilever is coated, the cantilever warps due to the heat of light from the light source irradiated to the cantilever due to the difference in linear expansion coefficient between the cantilever base material (usually silicon or silicon nitride) and the coated material. However, by applying coating on both sides of the cantilever, the difference in linear expansion coefficient is offset by the coating on both sides, and even if the amount of incident light is increased, the cantilever is not warped.

また、本発明では光源からの光を光ファイバーにより伝播させて、測定対象に照射するようにした。このように光ファイバーで測定対象に光を導くことにより、狭い場所でも測定対象の変位検出が可能となる。光ファイバーへ入射する場合には端面からの反射光で戻り光ノイズや強度揺らぎが発生してしまうが、スペクトル幅の広い光源を用いることでこれらのノイズが防止される。特にSLDを用いた場合には、光ファイバーへの結合効率も高くなり、伝達効率を高めることが可能となる。   In the present invention, the light from the light source is propagated by the optical fiber to irradiate the measurement object. Thus, by guiding light to the measurement target with the optical fiber, the displacement of the measurement target can be detected even in a narrow place. When the light enters the optical fiber, the reflected light from the end face causes return light noise and intensity fluctuations. However, these noises can be prevented by using a light source having a wide spectrum width. In particular, when an SLD is used, the coupling efficiency to the optical fiber is increased and the transmission efficiency can be increased.

以上のように本発明では、スペクトルの半値幅が10nm以上、好ましくは25nm以下の範囲の低コヒーレンスの光源を用いることで、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生することなしに光源の出力を2mW以上と高くすることができるので、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。   As described above, in the present invention, by using a low-coherence light source having a spectrum half-width of 10 nm or more, preferably 25 nm or less, the output of the light source can be reduced to 2 mW without generating mode hop noise or return light noise. Since it can be increased as described above, the amount of light incident on the light receiving surface of the photodetector can be increased, and the ratio of shot noise and Johnson noise to detection sensitivity can be reduced. As a result, the resolution of the optical displacement detection mechanism can be increased.

また、光路上の反射ミラーや測定対象の反射率を光源の偏光や波長の特性に合わせて構成することで光源から測定対象を経由し光検出器に至るまでの光の伝達効率を高めることができ、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となり、その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。   Also, by configuring the reflection mirror on the optical path and the reflectivity of the measurement target according to the polarization and wavelength characteristics of the light source, it is possible to improve the light transmission efficiency from the light source to the photodetector through the measurement target. It is possible to increase the amount of light incident on the light receiving surface of the photodetector, and to reduce the ratio of shot noise and Johnson noise to the detection sensitivity. As a result, the resolution of the optical displacement detection mechanism is increased. It becomes possible to do.

さらに、光源にスペクトルの半値幅が10nm以上25nm以下のSLDを使用することで、測定対象へ照射するスポットの直径を小さくすることができ、測定対象から光がはみ出すことによる光のロスを防止できる。さらに光ファイバーで伝播させる場合には光ファイバーへの結合効率を高めることができる。このため、伝達効率を高めて光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合が少なくなり、変位検出の分解能を高くすることが可能となる。   Furthermore, by using an SLD with a half-width of the spectrum of 10 nm or more and 25 nm or less as the light source, the diameter of the spot irradiated to the measurement object can be reduced, and the loss of light due to the light protruding from the measurement object can be prevented. . Furthermore, when propagating by an optical fiber, the coupling efficiency to the optical fiber can be increased. For this reason, it is possible to increase the transmission efficiency and increase the amount of light incident on the light receiving surface of the photodetector. The ratio of shot noise and Johnson noise to the detection sensitivity can be reduced, and the resolution of displacement detection can be increased. It becomes.

本発明の第1の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。It is a general-view figure of the mechanism concerning the displacement detection method for scanning probe microscopes concerning the 1st example of the present invention. 図1の電流/電圧変換回路を含む増幅器の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of an amplifier including the current / voltage conversion circuit of FIG. 1. 本発明の第2の実施例に係る溶液中のサンプルを測定するための走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。It is a general-view figure of the mechanism concerning the displacement detection method for scanning probe microscopes for measuring the sample in the solution concerning the 2nd example of the present invention. 本発明の第3の実施例に係る走査型近接場顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図であるIt is a general-view figure of the mechanism concerning the displacement detection method for scanning near field microscopes concerning the 3rd example of the present invention. 本発明の第4の実施例に係る光ファイバー伝播方式の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。It is a general-view figure of the mechanism concerning the displacement detection method for scanning probe microscopes of an optical fiber propagation system concerning the 4th example of the present invention. 従来の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。It is a general-view figure of the mechanism concerning the displacement detection method for the conventional scanning probe microscope. 従来の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。It is a general-view figure of the mechanism concerning the displacement detection method for the conventional scanning probe microscope.

以下、本発明の走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, the scanning probe microscope of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明に係る第1の実施例の変位検出方法に係わる機構を図1、図2に示す。図1は走査型プローブ顕微鏡に本発明の変位検出方法を適用する場合の機構の概観図である。なお、図1は正面図で示しているが光検出器の部分について斜視図で記載している。また、図2は、図1に記載されている、電流/電圧変換回路を含む増幅器22の回路図である。   A mechanism relating to the displacement detecting method of the first embodiment according to the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 is a schematic view of a mechanism when the displacement detection method of the present invention is applied to a scanning probe microscope. Although FIG. 1 shows a front view, the photodetector portion is shown in a perspective view. FIG. 2 is a circuit diagram of the amplifier 22 including the current / voltage conversion circuit described in FIG.

本実施例では先端にサンプルホルダ1が固定され、末端が粗動機構2上に固定された円筒型圧電素子からなる3軸微動機構4を有する。3軸微動機構4は、サンプルホルダ1上に置かれたサンプル5をサンプル面内(XY平面)方向に走査するXYスキャナ部4aと、サンプル面内と垂直な方向(Z方向)に微動するZ微動機構4bを有している。   In this embodiment, a sample holder 1 is fixed at the tip, and a three-axis fine movement mechanism 4 made of a cylindrical piezoelectric element having a terminal fixed on the coarse movement mechanism 2 is provided. The triaxial fine movement mechanism 4 includes an XY scanner unit 4a that scans the sample 5 placed on the sample holder 1 in a sample plane (XY plane) direction, and a Z that finely moves in a direction perpendicular to the sample plane (Z direction). A fine movement mechanism 4b is provided.

サンプル5の上方には、カンチレバー部6aの先端に先鋭化されたプローブ6bを有する、母材がシリコン製で下地としてクロムを10nmその上に金を100nm両面に同じ厚さでコートされたカンチレバー6が、カンチレバーホルダ7を介してベース8に固定されている。カンチレバー6の上方には光学式変位検出機構9が配置される。   Above the sample 5 is a cantilever 6 having a sharpened probe 6b at the tip of the cantilever portion 6a, the base material being made of silicon, 10 nm of chromium as a base, and 100 nm of gold coated on both sides with the same thickness. Is fixed to the base 8 via the cantilever holder 7. An optical displacement detection mechanism 9 is disposed above the cantilever 6.

ここで、本実施例での走査型プローブ顕微鏡の動作原理を説明する。本実施例は走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡であり、サンプル表面の凹凸像の測定を行うために用いられる。本実施例では一般にコンタクト式原子間力顕微鏡と呼ばれている方式を用いている。   Here, the principle of operation of the scanning probe microscope in the present embodiment will be described. The present embodiment is an atomic force microscope which is a kind of scanning probe microscope, and is used for measuring a concavo-convex image on a sample surface. In this embodiment, a method generally called a contact type atomic force microscope is used.

粗動機構2によりサンプル5をプローブ6bに接近させていくと、プローブ6bとサンプル5の間に原子間力が作用し、プローブ6bは引力を受ける。さらに接近させていくとプローブ6bは斥力を受けるようになり、最後はプローブ6bとサンプル5が接触する。このとき、プローブ6bが受ける力に応じて、カンチレバー6aにたわみが生じる。プローブ6bが受ける力、すなわちカンチレバー6aのたわみ量は、プローブ6bとサンプル5の表面間の距離に依存する。   When the sample 5 is moved closer to the probe 6b by the coarse movement mechanism 2, an atomic force acts between the probe 6b and the sample 5, and the probe 6b receives an attractive force. As the probe 6b further approaches, the probe 6b receives a repulsive force, and finally the probe 6b and the sample 5 come into contact with each other. At this time, the cantilever 6a bends according to the force received by the probe 6b. The force received by the probe 6 b, that is, the amount of deflection of the cantilever 6 a depends on the distance between the probe 6 b and the surface of the sample 5.

したがって、カンチレバー6aのたわみ量が一定となるようにZ微動機構4bでプローブ6bとサンプル5の間の距離を変化させながら、XYスキャナ部4aでサンプル5をラスタースキャンすることでサンプル5の表面の凹凸形状を得ることができる。   Accordingly, the sample 5 is raster-scanned by the XY scanner unit 4a while the distance between the probe 6b and the sample 5 is changed by the Z fine movement mechanism 4b so that the deflection amount of the cantilever 6a becomes constant. An uneven shape can be obtained.

次に、本実施例の変位検出方法に係わる光学式変位検出機構9の構成と動作原理について述べる。   Next, the configuration and operation principle of the optical displacement detection mechanism 9 related to the displacement detection method of this embodiment will be described.

この光学式変位検出機構9は、一般に光てこ方式と呼ばれるものであり、光源10に後述するスーパールミネッセンスダイオード(SLD)を使用し、光源10から発光される光を集光レンズ11で集光し、ビームスプリッタ12で入射光13の光路を曲げて測定対象であるカンチレバー6aの背面に直上(Z方向)から照射する。光源10の光の強度は光源駆動回路21により設定される。   This optical displacement detection mechanism 9 is generally called an optical lever method, and uses a super luminescence diode (SLD), which will be described later, as a light source 10, and condenses light emitted from the light source 10 with a condenser lens 11. Then, the optical path of the incident light 13 is bent by the beam splitter 12 and irradiated to the back surface of the cantilever 6a to be measured from directly above (Z direction). The light intensity of the light source 10 is set by the light source driving circuit 21.

カンチレバー6はXY平面に対して傾けられて配置されており、反射光14は入射光13の光軸とは異なる方向に反射される。反射光14はミラー15で曲げられて、半導体よりなる光検出器(フォトディテクタ)16上に入射する。   The cantilever 6 is disposed to be inclined with respect to the XY plane, and the reflected light 14 is reflected in a direction different from the optical axis of the incident light 13. The reflected light 14 is bent by a mirror 15 and is incident on a photodetector (photodetector) 16 made of a semiconductor.

光の光路はカンチレバー6aの背面で一旦結像し光検出器16の受光面上では有限の大きさを持ったスポット20を形成するように構成される。光検出器16は、半導体を材料として製作されており、受光面が2分割(A、B)された構成となっている。   The optical path of the light is temporarily formed on the back surface of the cantilever 6a, and is configured to form a spot 20 having a finite size on the light receiving surface of the photodetector 16. The photodetector 16 is manufactured using a semiconductor as a material, and has a configuration in which the light receiving surface is divided into two (A, B).

光検出器16に光が入射すると、光検出器16を構成する半導体から電流信号が発生し、光検出器16の後端に設けられ、電流/電圧変換回路30と差動増幅回路33により構成される増幅器22により、受光面ごとに所定の増幅率で電圧信号に変換される。このときの出力は電圧モニター23で表示される。   When light enters the photodetector 16, a current signal is generated from the semiconductor constituting the photodetector 16, and is provided at the rear end of the photodetector 16. The current / voltage conversion circuit 30 and the differential amplifier circuit 33 constitute the current signal. The amplifier 22 is converted into a voltage signal with a predetermined amplification factor for each light receiving surface. The output at this time is displayed on the voltage monitor 23.

ここで、カンチレバー6aがZ方向にたわんだ場合には、光検出器16上のスポット20は受光面上で上下に動作する。このときの光検出信号の流れを図2の電流/電圧変換回路を含む増幅器22の回路図を用いて説明する。   Here, when the cantilever 6a bends in the Z direction, the spot 20 on the photodetector 16 moves up and down on the light receiving surface. The flow of the light detection signal at this time will be described with reference to the circuit diagram of the amplifier 22 including the current / voltage conversion circuit of FIG.

光検出器16の上側の受光面の領域Aと、下側の受光面の領域Bに入射する光の強度Pa−Pbを測定することでカンチレバー6aのたわみ量を測定することが可能となる。Pa、Pbの強さの光が入射すると、光検出器16により光信号が電気信号に変換されて、それぞれの受光面A、Bから電流Ia、Ibが発生する。この電流は、それぞれの受光面に接続されたオペアンプ31と抵抗R1により構成される電流/電圧変換回路30により、電圧信号Va、Vbに変換される。このとき、電流/電圧変換回路30のフィードバック抵抗値をR1とすると、Va=R1×Ia、Vb=R1×Ibの関係がある。このように、初段の電流/電圧変換回路30では増幅率R1で増幅されて、電流信号が電圧信号に変換される。これらの電圧信号Va、Vbは、オペアンプ32と抵抗R2,R3により構成される差動増幅回路33に送られて、電圧の差信号Va−bを検出する。ここで、図のようにオペアンプと抵抗値R2、R3で差動増幅回路を構成した場合、Va−b=(R3/R2)×(Va−Vb)の関係が成り立ち、差動増幅回路により増幅率R3/R2で増幅されて、Va−bが出力される。このVa−bを検出することでカンチレバーのたわみ量を測定することができる。   The amount of deflection of the cantilever 6a can be measured by measuring the intensity Pa-Pb of light incident on the region A of the upper light receiving surface and the region B of the lower light receiving surface of the photodetector 16. When light of Pa and Pb intensity is incident, the optical signal is converted into an electric signal by the photodetector 16, and currents Ia and Ib are generated from the light receiving surfaces A and B, respectively. This current is converted into voltage signals Va and Vb by a current / voltage conversion circuit 30 including an operational amplifier 31 and a resistor R1 connected to each light receiving surface. At this time, assuming that the feedback resistance value of the current / voltage conversion circuit 30 is R1, there is a relationship of Va = R1 × Ia and Vb = R1 × Ib. As described above, the current / voltage conversion circuit 30 in the first stage is amplified with the amplification factor R1, and the current signal is converted into the voltage signal. These voltage signals Va and Vb are sent to a differential amplifier circuit 33 composed of an operational amplifier 32 and resistors R2 and R3, and a voltage difference signal Va-b is detected. Here, when the differential amplifier circuit is configured with the operational amplifier and the resistance values R2 and R3 as shown in the figure, the relationship Va−b = (R3 / R2) × (Va−Vb) holds, and the differential amplifier circuit amplifies. Amplified at a rate R3 / R2, Va-b is output. By detecting this Va-b, the deflection amount of the cantilever can be measured.

本実施例では、受光感度0.65A/Wの光検出器16を用い、電流/電圧変換回路30のフィードバック抵抗値R1は45kΩとした。また、差動増幅回路33の抵抗値はR2=10kΩ,R3=20kΩとした。なお、ショットノイズの絶対量はフィードバック抵抗R1に比例するが、検出感度もR1に比例するので、検出感度に対するショットノイズの割合を求める際は相殺される。また、光検出器16への入射光量を大きくした場合、増幅率を従来と同じに設定すると、検出感度が高すぎて、制御回路24が発振しやすくなるので、従来よりもフィードバック抵抗値R1を小さくして系の発振を抑えた。   In this embodiment, the photodetector 16 having a light receiving sensitivity of 0.65 A / W is used, and the feedback resistance value R1 of the current / voltage conversion circuit 30 is 45 kΩ. The resistance values of the differential amplifier circuit 33 are R2 = 10 kΩ and R3 = 20 kΩ. Although the absolute amount of shot noise is proportional to the feedback resistor R1, the detection sensitivity is also proportional to R1, so that it is canceled when the ratio of the shot noise to the detection sensitivity is obtained. Further, when the amount of light incident on the photodetector 16 is increased, if the amplification factor is set to be the same as in the conventional case, the detection sensitivity is too high and the control circuit 24 is likely to oscillate. The system oscillation was suppressed by reducing the size.

この、Va−bの電圧信号を図1に示す制御回路24に送り、あらかじめ設定した動作点と比較してその差分に応じた信号によりスキャナ駆動回路25からZ微動機構4bを動作させて、サンプル5とプローブ6b間の距離を一定に保つように制御を掛ける。さらに、スキャナ駆動回路25により、XYスキャナ部4aを動作させサンプル5をラスタースキャンさせる。   The Va-b voltage signal is sent to the control circuit 24 shown in FIG. 1, and the Z fine movement mechanism 4b is operated from the scanner drive circuit 25 by a signal corresponding to the difference compared with the preset operating point, and the sample Control is applied to keep the distance between the probe 5 and the probe 6b constant. Further, the scanner driving circuit 25 operates the XY scanner unit 4a to raster scan the sample 5.

このとき、3軸微動機構4に掛けた電圧信号を表示部26で表示させることで、サンプル5の表面の凹凸像が得られる。   At this time, by displaying the voltage signal applied to the triaxial fine movement mechanism 4 on the display unit 26, an uneven image on the surface of the sample 5 is obtained.

ここで、光源10に用いたSLDの特性について説明する。本実施例で用いたSLDは中心波長が830nmで波長に対する強度のスペクトルの半値幅が17nm、最大定格出力6mWのSLDを用いた。一般に市販されているSLDは、スペクトルの半値幅が10〜25nmの範囲にあり、半導体レーザ(LD)のスペクトルの半値幅が数nmであるのに比べて、スペクトルの半値幅が狭く、低コヒーレントな光源である。このため、可干渉性がLDに比べて低く、測定対象や光路内にある光学部材からの反射光による戻り光ノイズが少ない光源である。また、モードホップノイズも発生しない。LDで高出力駆動を行った際には、これらの戻り光ノイズやモードホップノイズが顕著に発生するため、高周波駆動や、偏光板を用いて戻り光をカットする必要があったが、SLDの場合にはこれらの工夫を行わなくても、高出力化が可能である。また、発光ダイオード(LED)はスペクトルの半値幅が通常20〜70nmであり、可干渉性は低いが、LEDはレンズで絞ることが難しく、カンチレバー背面や、光検出器上に小さなスポットを作ることが困難で、光ファイバーへのカップリング効率も悪かったが、SLDでは集光性も確保できる。このように、従来の走査型プローブ顕微鏡で使用されるLDでは元の光源のパワーは2mWが限界であったが、本発明では、モードホップノイズや戻り光ノイズの影響を受けずに光源10の出力を2mW以上で駆動を行うことができた。本実施例では3mWで駆動を行った。   Here, the characteristics of the SLD used for the light source 10 will be described. The SLD used in this example was an SLD with a center wavelength of 830 nm, a half-width of the spectrum of intensity with respect to the wavelength of 17 nm, and a maximum rated output of 6 mW. In general, commercially available SLDs have a spectrum half-width in the range of 10 to 25 nm, and the half-width of the spectrum of a semiconductor laser (LD) is narrower than that of several nm. Light source. For this reason, it is a light source that has low coherence compared to an LD, and has little return light noise due to reflected light from an optical member in a measurement object or an optical path. Also, mode hop noise does not occur. When high output drive is performed with an LD, these return light noise and mode hop noise are remarkably generated. Therefore, it is necessary to cut the return light using high frequency drive or a polarizing plate. In some cases, it is possible to increase the output without performing these measures. In addition, light emitting diodes (LEDs) typically have a spectrum half-width of 20 to 70 nm and have low coherence, but LEDs are difficult to squeeze with a lens, making small spots on the back of cantilevers and on photodetectors. However, the coupling efficiency to the optical fiber is poor, but the SLD can also secure the light collecting property. Thus, in the LD used in the conventional scanning probe microscope, the power of the original light source is limited to 2 mW. However, in the present invention, the light source 10 is not affected by mode hop noise or return light noise. It was possible to drive with an output of 2 mW or more. In this embodiment, driving was performed at 3 mW.

このように光源の光出力を従来よりも高くすることができるので、光検出器への入射光量も高くなり、ショットノイズやジョンソンノイズを抑制することが可能となった。その結果、検出感度に対するノイズの割合が小さくなり、分解能を高めることが可能となった。   Thus, since the light output of the light source can be made higher than before, the amount of light incident on the photodetector is also increased, and shot noise and Johnson noise can be suppressed. As a result, the ratio of noise to detection sensitivity is reduced, and the resolution can be increased.

また、カンチレバーからの反射光と、カンチレバーからはみ出してサンプルから反射した光の干渉を考えた場合に、SLDを用いると測定対象へ照射されるスポット光が小さく絞ることができるのでカンチレバーからはみ出す光が少なくなり、また光源自体も可干渉性が低いので、干渉ノイズも抑制される。   In addition, when considering interference between the reflected light from the cantilever and the light reflected from the sample that protrudes from the cantilever, if the SLD is used, the spot light irradiated to the measurement target can be reduced, so that the light protruding from the cantilever is reduced. In addition, since the light source itself has low coherence, interference noise is also suppressed.

なお、本発明では光源10にはSLDの使用が好ましいが、LEDなどスペクトルの半値幅が10nm以上の光源であれば、モードホップノイズや戻り光ノイズの影響を受けずに2mW以上の高出力駆動が可能であるため、本発明に含まれる。   In the present invention, it is preferable to use SLD as the light source 10. However, if the light source has a spectrum half-width of 10 nm or more, such as an LED, it is driven at a high output of 2 mW or more without being affected by mode hop noise or return light noise. Is included in the present invention.

また、本発明では、光源10の光量を高くすることに加えて、光学系の伝達効率αを高くするような構成をとり、光検出器16への入射光をより大きくした。   Further, in the present invention, in addition to increasing the light amount of the light source 10, the configuration is made such that the transmission efficiency α of the optical system is increased, and the incident light to the photodetector 16 is made larger.

まず、光路中のビームスプリッタ12の反射面に、波長830nmの近赤外領域の反射率が可視領域よりも高くなるような誘電体がコートされ、さらに、ビームスプリッタ12に偏光依存性を持たせ、S偏光(紙面に垂直)を入射して反射効率を高くした。SLD10からの光は偏光しているので、S偏光の光がビームスプリッタ12の反射面に平行に入射するようにSLD10を配置した。偏光依存性のないタイプのビームスプリッタを用いた場合には反射率は0.5であったが、偏光依存型を用い、さらに近赤外領域の反射率を高めることで用いることで、反射率が0.7に向上した。   First, the reflective surface of the beam splitter 12 in the optical path is coated with a dielectric that makes the near-infrared reflectance of the wavelength 830 nm higher than that in the visible region, and the beam splitter 12 is made to have polarization dependency. , S-polarized light (perpendicular to the paper surface) was incident to increase the reflection efficiency. Since the light from the SLD 10 is polarized, the SLD 10 is arranged so that the S-polarized light is incident on the reflecting surface of the beam splitter 12 in parallel. When a beam splitter that does not depend on polarization was used, the reflectivity was 0.5. However, by using a polarization-dependent type and increasing the reflectivity in the near infrared region, the reflectivity can be improved. Improved to 0.7.

次に、カンチレバー6には通常、光を反射させる反射部材として機能させるためにアルミニウムがコートされているが、SLD10の発振波長である830nmの近赤外領域の反射率を高くするために金をコートした。830nmに対する反射率はアルミニウムが0.88に対して、金にすることで0.95まで高くすることができた。なお、母材であるシリコンと金の密着性を向上させるため、両面に、クロムを下地としてコートしている。   Next, the cantilever 6 is usually coated with aluminum in order to function as a reflecting member that reflects light, but gold is used to increase the reflectance in the near infrared region of 830 nm, which is the oscillation wavelength of the SLD 10. Coated. The reflectance with respect to 830 nm was able to be increased to 0.95 by using gold as opposed to 0.88 for aluminum. In order to improve the adhesion between silicon and gold as a base material, both surfaces are coated with chromium as a base.

ここで、高出力でカンチレバー6に光を照射した場合、光によりカンチレバー6の温度が上昇する。このとき、カンチレバー6の母材とコートされた金属の線膨張係数の差によってカンチレバー6に反りが発生してしまう。これを防止するため、本実施例では、カンチレバー6の両面に、同一の金とクロムを同じ厚さだけスパッタにより膜付けして、両面の金属で線膨張率の差を打ち消しあい、反りを防止するようにした。なお、反射率が若干犠牲になるが、反りの影響が大きい場合には、コートを施さなくてもよい。この場合、カンチレバー6の反射率が下がった分だけ、光源10のパワーを上げるとこで、光検出器の入射光量を確保することができる。また、反りが測定上問題にならない場合には片面コートだけでも問題はない。   Here, when the cantilever 6 is irradiated with light at a high output, the temperature of the cantilever 6 is increased by the light. At this time, the cantilever 6 is warped due to a difference in linear expansion coefficient between the base material of the cantilever 6 and the coated metal. In order to prevent this, in the present embodiment, the same gold and chromium are deposited on both sides of the cantilever 6 by the same thickness by sputtering, and the difference in linear expansion coefficient is canceled by the metal on both sides to prevent warpage. I tried to do it. Note that the reflectance is slightly sacrificed, but when the influence of warping is large, it is not necessary to coat. In this case, the amount of incident light of the photodetector can be secured by increasing the power of the light source 10 by the amount that the reflectance of the cantilever 6 has decreased. In addition, when warping does not become a problem in measurement, there is no problem with a single-sided coating alone.

また、カンチレバー6aに照射する光が絞れない場合には、カンチレバー6aからはみ出して光学的なロスを生じるが、SLDを用いることで、約10μm程度までスポット径を絞ることができた。一般的なカンチレバーでは、カンチレバーの幅が10〜30μmであるので、カンチレバーからのはみ出しをほとんどなくすことができる。カンチレバー反射後に光検出器16の方向に光路を曲げるための反射部材として機能するミラー15も従来はアルミニウムをコートしていたが、金コートのミラーに変更した。これにより、保護膜付のアルミニウムの反射率0.79に対して金では0.95まで高くすることができた。   Further, when the light irradiating the cantilever 6a cannot be narrowed, the spot diameter can be narrowed down to about 10 μm by using the SLD although the optical loss occurs from the cantilever 6a. In a general cantilever, since the width of the cantilever is 10 to 30 μm, the protrusion from the cantilever can be almost eliminated. The mirror 15 that functions as a reflecting member for bending the optical path in the direction of the photodetector 16 after the reflection of the cantilever has been conventionally coated with aluminum, but has been changed to a gold-coated mirror. As a result, the reflectivity of aluminum with a protective film was increased to 0.95 for gold compared to the reflectivity of 0.79.

以上のような光学系を用いて、本発明では光源の出力3mW、カンチレバーへの照射パワー1.05mW、光検出器への入射パワー0.87mWを実現できた。   Using the optical system as described above, in the present invention, the output of the light source was 3 mW, the irradiation power to the cantilever was 1.05 mW, and the incident power to the photodetector was 0.87 mW.

以上のような工夫を行うことで、光学系の伝達効率αを高くすることが可能となり、光検出器への入射光量をさらに高めることができ、光検出器の検出感度に対するノイズの割合が小さくなり、分解能を高めることが可能となった。   By performing the above-described measures, it becomes possible to increase the transmission efficiency α of the optical system, further increase the amount of incident light to the photodetector, and reduce the ratio of noise to the detection sensitivity of the photodetector. As a result, the resolution can be increased.

なお、本実施例において光検出器16には受光面が上下2分割のものを用いたが、左右に分割された受光面を有する4分割の光検出器も適用可能である。この場合、受光面ごとに電流/電圧変換回路を設けることにより、上下の受光面の差信号によりカンチレバー6aのたわみ量を検出するのに加え、左右の受光面の差信号からカンチレバーのねじれ量を検出することも可能である。   In the present embodiment, the photodetector 16 has a light receiving surface that is divided into upper and lower parts. However, a four-part photodetector having a light receiving surface that is divided into left and right is also applicable. In this case, by providing a current / voltage conversion circuit for each light receiving surface, in addition to detecting the deflection amount of the cantilever 6a from the difference signal between the upper and lower light receiving surfaces, the twist amount of the cantilever can be calculated from the difference signal between the left and right light receiving surfaces. It is also possible to detect.

また、本実施例では、直上からのサンプル5やカンチレバー6を光学顕微鏡29で観察を行うために入射光13の光路変更を行う際にビームスプリッタ12を使用したが、ビームスプリッタ12の代わりの反射部材として、全反射ミラーやダイクロイックミラーを用いてもよい。また、反射部材を用いずに直接カンチレバーに光を照射してもよい。この場合、伝達効率をさらに高くすることができる。   Further, in this embodiment, the beam splitter 12 is used when changing the optical path of the incident light 13 in order to observe the sample 5 and the cantilever 6 directly above with the optical microscope 29, but the reflection instead of the beam splitter 12 is used. As the member, a total reflection mirror or a dichroic mirror may be used. Moreover, you may irradiate light to a cantilever directly, without using a reflection member. In this case, the transmission efficiency can be further increased.

本発明に係る、第2の実施例を図3により説明する。図3は溶液中で動作させる走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。基本構成は第1の実施例と同じであるため、重複する部分の説明は省略する。   A second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic view of a mechanism related to a displacement detection method for a scanning probe microscope operated in a solution. Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, the description of the overlapping parts is omitted.

本実施例では、カンチレバー6aを共振周波数の近傍で振動させながらサンプル45に近接させ、近接した際の原子間力や間欠的な接触力による振幅の減少量や位相の変化を第1の実施例と同一の光てこ方式の光学式変位検出機構9で検出する。振幅の減少量や位相の変化量は、サンプル45とプローブ6bの距離に依存するため、プローブ6bとサンプル45間の距離制御を行うことができる。このように、本実施例では振動方式の原子間力顕微鏡を使用している。
また、本実施例のカンチレバーホルダ35は、金属ベースブロック36とガラスベースブロック37とからなる構造となっている。ガラスベースブロック37にはカンチレバー加振用の圧電素子よりなる振動子41とカンチレバー固定部42がガラスベースブロック37に接着固定されている。カンチレバー固定部42にはカンチレバー6が固定されている。振動子41は溶液中で用いるため、シリコンシール剤で周囲を防水処理し、電気的なショートを防止している。
In this embodiment, the cantilever 6a is vibrated in the vicinity of the resonance frequency and is brought close to the sample 45, and the amount of decrease in amplitude and the change in phase due to the atomic force and intermittent contact force when close to the sample 45 are measured. It is detected by the optical displacement detection mechanism 9 of the same optical lever system. Since the amount of decrease in amplitude and the amount of change in phase depend on the distance between the sample 45 and the probe 6b, the distance between the probe 6b and the sample 45 can be controlled. Thus, in this embodiment, a vibration type atomic force microscope is used.
Further, the cantilever holder 35 of the present embodiment has a structure composed of a metal base block 36 and a glass base block 37. A vibrator 41 made of a piezoelectric element for cantilever vibration and a cantilever fixing portion 42 are bonded and fixed to the glass base block 37. The cantilever 6 is fixed to the cantilever fixing portion 42. Since the vibrator 41 is used in a solution, the periphery is waterproofed with a silicon sealant to prevent electrical short-circuiting.

ガラスのベースブロック37には先端が平面に加工された突起部38が設けられる。一方、円筒型圧電素子で構成される3軸微動機構4のサンプルホルダ1にはシャーレ44が載せられており、シャーレ44の中に溶液46に浸された細胞などの生体や有機薄膜などのサンプル45が固定されている。   The glass base block 37 is provided with a protrusion 38 whose tip is processed into a flat surface. On the other hand, a petri dish 44 is placed on the sample holder 1 of the three-axis fine movement mechanism 4 composed of a cylindrical piezoelectric element, and a living body such as a cell immersed in a solution 46 in the petri dish 44 or a sample of an organic thin film or the like. 45 is fixed.

サンプル45とプローブ6bを接近させていくと、突起部38の平面部39がシャーレ内の液面と表面張力により接触し、液体層46が形成されて溶液中にカンチレバー6とサンプル45が浸った状態となる。   As the sample 45 and the probe 6b are brought closer to each other, the flat portion 39 of the projection 38 comes into contact with the liquid surface in the petri dish by surface tension, and the liquid layer 46 is formed so that the cantilever 6 and the sample 45 are immersed in the solution. It becomes a state.

光学式変位検出機構9は、光源10として第1の実施例と同様にSLDが用いられており、SLDからの光は集光レンズ11で集光され、ビームスプリッタ12で入射光13の光路を曲げて測定対象であるカンチレバー6aの背面に直上(Z方向)から照射する。光源10の光の強度は光源駆動回路21により設定される。カンチレバーホルダ35のガラスベースブロック35は石英ガラス製で、SLDの波長である830nmを透過させる。入射光は空気層においてビームスプリッタ12で曲げられたあと、ガラスベースブロック37を透過し、液体層46に進んでいきカンチレバー6aの背面に照射される。カンチレバー6aの背面で反射されたレーザ光は、液体層46からガラスベースブロック37を透過した後、ミラー15を経由して受光面が2分割された光検出器16に入射する。光検出器16は電流/電圧変換回路を含む増幅回路22に接続されている。電流/電圧変換回路を含む増幅回路22は第1の実施例の図2に示した回路と同一である。ここで、特に溶液中でカンチレバー6aを振動させた場合には、後に述べるカンチレバー6aが溶液から受ける粘性抵抗や、光が透過する部材からの散乱光の影響により、振幅の検出信号にカンチレバー6aの共振周波数以外のノイズが載り測定精度を悪化させる場合が多い。このノイズを除去する目的で、増幅器22の差動増幅回路33の後ろ側に、カンチレバー6aの共振周波数の近傍以外の周波数成分を除去するバンドパスフィルターを設ける場合もある。   In the optical displacement detection mechanism 9, an SLD is used as the light source 10 as in the first embodiment. Light from the SLD is collected by the condenser lens 11, and the optical path of the incident light 13 is made by the beam splitter 12. Bend and irradiate the back surface of the cantilever 6a to be measured from directly above (Z direction). The light intensity of the light source 10 is set by the light source driving circuit 21. The glass base block 35 of the cantilever holder 35 is made of quartz glass and transmits 830 nm which is the wavelength of the SLD. The incident light is bent by the beam splitter 12 in the air layer, then passes through the glass base block 37, proceeds to the liquid layer 46, and is irradiated on the back surface of the cantilever 6a. The laser light reflected by the back surface of the cantilever 6 a passes through the glass base block 37 from the liquid layer 46 and then enters the photodetector 16 having a light receiving surface divided into two via the mirror 15. The photodetector 16 is connected to an amplifier circuit 22 including a current / voltage conversion circuit. The amplifier circuit 22 including the current / voltage conversion circuit is the same as the circuit shown in FIG. 2 of the first embodiment. Here, especially when the cantilever 6a is vibrated in the solution, the amplitude detection signal is affected by the viscous resistance that the cantilever 6a described later receives from the solution and the influence of scattered light from a member through which light passes. In many cases, noise other than the resonance frequency is placed and the measurement accuracy is deteriorated. For the purpose of removing this noise, a band pass filter that removes frequency components other than the vicinity of the resonance frequency of the cantilever 6a may be provided behind the differential amplifier circuit 33 of the amplifier 22.

ここで、入射光13は、ガラスベースブロック37と空気層43の界面40と、ガラスベースブロック37と液体層46の界面39でそれぞれ反射するため、第1の実施例の空気中で測定を行う場合よりも光源10側への戻り光が大きくなる。従来の光学式変位検出機構で光源として用いられていた半導体レーザではこの戻り光により、戻り光ノイズやモードホップノイズが発生するので、光源の出力を大きくできず、そのため検出感度に対する光検出器のノイズを小さくすることができなかった。光源10を高調波変調させることでモードホップノイズや戻り光ノイズを減らすことは可能であるが、完全に除去することはできず、また、高周波変調を用いる場合には光源駆動回路21も複雑となりコストも高くなってしまっていた。特に、溶液中でカンチレバー6aを振動させた場合には、大気中より粘性抵抗が大きく、振動が微弱となるため、検出感度に対するノイズを減らさないと、振動の検出精度が悪化し測定精度が悪化する。   Here, since the incident light 13 is reflected at the interface 40 between the glass base block 37 and the air layer 43 and at the interface 39 between the glass base block 37 and the liquid layer 46, the measurement is performed in the air of the first embodiment. The return light to the light source 10 side becomes larger than the case. In the semiconductor laser used as the light source in the conventional optical displacement detection mechanism, this return light generates return light noise and mode hop noise, so that the output of the light source cannot be increased. The noise could not be reduced. Although it is possible to reduce mode hop noise and return light noise by harmonically modulating the light source 10, it cannot be completely removed, and the light source driving circuit 21 becomes complicated when using high frequency modulation. The cost was also high. In particular, when the cantilever 6a is vibrated in a solution, the viscosity resistance is larger and the vibration becomes weaker than in the atmosphere. Therefore, unless the noise with respect to the detection sensitivity is reduced, the vibration detection accuracy deteriorates and the measurement accuracy deteriorates. To do.

しかしながら、光源10として、低コヒーレント光源であるSLDを使用しているため、高調波変調など特殊な手法を使用せずに、戻り光ノイズやモードホップノイズを抑制でき、光源10の出力を大きくすることが可能となった。本実施例ではガラスベースブロック37を光が透過する際のロスを考慮して、空気層よりも、光源10の出力を高めに設定し、4mWで駆動させた。このため、光検出器16の検出感度に対するショットノイズやジョンソンの割合を小さくすることが可能となり、溶液中においてもカンチレバー6aの振動を正確に検出でき、その結果、分解能を高くする可能となった。   However, since an SLD that is a low-coherent light source is used as the light source 10, return light noise and mode hop noise can be suppressed without using a special technique such as harmonic modulation, and the output of the light source 10 is increased. It became possible. In this embodiment, considering the loss when light passes through the glass base block 37, the output of the light source 10 is set higher than the air layer and driven at 4 mW. For this reason, it is possible to reduce the ratio of shot noise and Johnson to the detection sensitivity of the photodetector 16, and to accurately detect the vibration of the cantilever 6a even in the solution. As a result, it is possible to increase the resolution. .

本発明の第3の実施例を図4に示す。図4は走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型近接場顕微鏡に用いられるプローブ変位検出用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。なお、主要部以外の詳細な構成は省略している。   A third embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 4 is a schematic view of a mechanism relating to a displacement detection method for probe displacement detection used in a scanning near-field microscope which is a kind of scanning probe microscope. Detailed configuration other than the main part is omitted.

本実施例で使用されるプローブ50は光ファイバーの先端を先鋭化し、先端部に開口を設け、開口以外の部分をアルミニウムでコートした構成である。このプローブ50を加振用の圧電素子51が取り付けられたプローブホルダ52に板バネ53で固定し、プローブ50の長軸方向がサンプル54の表面と直交するように配置する。   The probe 50 used in the present embodiment has a configuration in which the tip of an optical fiber is sharpened, an opening is provided at the tip, and portions other than the opening are coated with aluminum. This probe 50 is fixed to a probe holder 52 to which a piezoelectric element 51 for vibration is attached by a leaf spring 53, and is arranged so that the major axis direction of the probe 50 is orthogonal to the surface of the sample 54.

このように配置したプローブ50を、加振用圧電素子51により、サンプル54の表面と平行な方向(図のY軸方向)にプローブ50の共振周波数の近傍で加振する。このときプローブ50の先端とサンプル54の表面を接近させると、サンプル54の表面の吸着層の抵抗力や、摩擦力あるいは原子間力などの力をプローブ先端が受ける。これらの力は総称してシアフォースと呼ばれる。シアフォースを受けるとプローブ50の振幅が減少する。この振幅の減少量はプローブ50の先端とサンプル54の表面の距離に依存する。したがってプローブ50の振幅量や位相の変化を計測しながら、振幅や位相が一定となるようにサンプル54とプローブ50間の距離を制御することで、サンプル54とプローブ50を一定の距離に保つことが可能である。第1の実施例と同じく、この状態でサンプル54とプローブ50を相対的にラスタースキャンすることでサンプル表面の凹凸像を測定することが可能である。走査型近接場顕微鏡では、プローブ50に光を入射し、プローブ先端の開口部近傍にエバネッセント光を発生させて、サンプル54に照射し、サンプル表面で散乱させて、その散乱光を検出器により検出することで、サンプル54の表面の光学的な特性も同時に測定することが可能である。   The probe 50 arranged in this manner is vibrated in the vicinity of the resonance frequency of the probe 50 in the direction parallel to the surface of the sample 54 (Y-axis direction in the figure) by the vibrating piezoelectric element 51. At this time, when the tip of the probe 50 and the surface of the sample 54 are brought close to each other, the probe tip receives a resistance force, a frictional force, an atomic force, or the like of the adsorption layer on the surface of the sample 54. These forces are collectively called shear force. When the shear force is applied, the amplitude of the probe 50 decreases. The amount of decrease in amplitude depends on the distance between the tip of the probe 50 and the surface of the sample 54. Therefore, the sample 54 and the probe 50 are kept at a constant distance by controlling the distance between the sample 54 and the probe 50 so that the amplitude and phase are constant while measuring the amplitude amount and phase change of the probe 50. Is possible. Similar to the first embodiment, it is possible to measure a concavo-convex image on the surface of the sample by relatively raster-scanning the sample 54 and the probe 50 in this state. In the scanning near-field microscope, light is incident on the probe 50, evanescent light is generated near the opening at the tip of the probe, irradiated on the sample 54, scattered on the sample surface, and the scattered light is detected by a detector. As a result, the optical characteristics of the surface of the sample 54 can be measured simultaneously.

ここで、本実施例でのプローブ50の振幅量の測定方法を説明する。本実施例の光学式変位検出機構55は、集光レンズと光源が組み込まれた光源部56と、表面が2分割され半導体を材料とする光検出器57から構成される。光源部56からの光は、真横方向(図のX方向)からプローブ50に照射される。このとき光源部56からの光は結像されるが、プローブ50への照射点はプローブ50ですべての光が遮られない程度に結像点からずれた位置で照射される。   Here, a method for measuring the amplitude of the probe 50 in this embodiment will be described. The optical displacement detection mechanism 55 of the present embodiment includes a light source unit 56 in which a condenser lens and a light source are incorporated, and a photodetector 57 whose surface is divided into two and made of a semiconductor. Light from the light source unit 56 is applied to the probe 50 from the lateral direction (X direction in the figure). At this time, the light from the light source unit 56 is imaged, but the irradiation point on the probe 50 is irradiated at a position shifted from the imaging point to the extent that the probe 50 does not block all the light.

プローブ50に照射された光は、一端結像し、その後再び広がって、プローブ50に対して光源部56と対向する位置に配置される光検出器57の面内に有限のスポット58を作製するように入射する。   The light irradiated to the probe 50 forms an image at one end, and then spreads again to produce a finite spot 58 in the plane of the photodetector 57 disposed at a position facing the light source unit 56 with respect to the probe 50. So that it is incident.

このときスポット58内にはプローブ50で遮られた部分が影となって現れる。   At this time, the portion blocked by the probe 50 appears as a shadow in the spot 58.

測定に際しては、まず、光源部56に設けられた2軸の光源用位置決め機構59で光源部56を動かしてプローブ50に光が当たるように位置合わせする。次に光検出器57側に設けられた1軸の光検出器用位置決め機構60により光検出器57を左右方向(図のY方向)に動かして、光検出器57の後ろ側に配置された電流/電圧変換回路61の出力を電圧モニター63で観察しながら、光検出器57の概ね中央付近にスポット58が当たるように位置合わせする。   In the measurement, first, the light source unit 56 is moved by the biaxial light source positioning mechanism 59 provided in the light source unit 56 so that the probe 50 is irradiated with light. Next, the single-axis photodetector positioning mechanism 60 provided on the photodetector 57 side is used to move the photodetector 57 in the left-right direction (Y direction in the figure), and a current disposed behind the photodetector 57. While observing the output of the voltage / voltage conversion circuit 61 with the voltage monitor 63, alignment is performed so that the spot 58 hits approximately the center of the photodetector 57.

このように構成された光学式変位検出機構55においてプローブ50が振動すると、2分割された光検出器57の受光面上で影が遮られていない部分の面積差が変化するため2つの分割面の光出力の差分を検出することでプローブ50の振幅量あるいは位相を測定することが可能となる。   When the probe 50 vibrates in the optical displacement detection mechanism 55 configured in this way, the area difference between the portions where the shadow is not obstructed on the light receiving surface of the two-divided photodetector 57 changes. It is possible to measure the amplitude amount or phase of the probe 50 by detecting the difference in the optical output of.

本実施例では光源として波長700nm、スペクトル半値幅35nmの発光ダイオード(LED)を用いた。光源56は光源駆動回路64で駆動され、強度を3mWで使用した。   In this example, a light emitting diode (LED) having a wavelength of 700 nm and a spectral half width of 35 nm was used as a light source. The light source 56 was driven by a light source driving circuit 64 and used at an intensity of 3 mW.

LEDは半導体レーザやSLDのようにスポットを小さく絞ることができないが、本実施例で使用した光ファイバープローブは直径がφ125μmと、カンチレバーに比べて大きいので、LEDのスポットの大きさでも十分測定することが可能である。   LED cannot narrow down the spot like a semiconductor laser or SLD, but the optical fiber probe used in this example has a diameter of φ125μm, which is larger than the cantilever. Is possible.

従来の光源として半導体レーザを用いていた場合には、モードホップノイズや、プローブや光検出器からの反射光により戻り光ノイズが発生するため、2mW以上の大きな強度で光源を駆動することができなかったが、本実施例では、スペクトル幅が広く低コヒーレントな光源であるLEDを用いているため、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生せず、高出力で光源を駆動することができる。このため、光検出器への受光面のスポットの強度を高めることができ、検出感度に対する、光検出器のノイズの割合を小さくでき、その結果分解能を高めることが可能となった。   When a semiconductor laser is used as a conventional light source, mode hop noise or reflected light noise is generated by reflected light from a probe or a photodetector, so that the light source can be driven with a large intensity of 2 mW or more. However, in this embodiment, an LED which is a light source having a wide spectrum width and a low coherence is used, so that mode hop noise and return light noise do not occur, and the light source can be driven with high output. For this reason, the intensity of the spot on the light receiving surface to the photodetector can be increased, and the ratio of the noise of the photodetector to the detection sensitivity can be reduced, and as a result, the resolution can be increased.

本発明の第4の実施例を図5に示す。図5は光ファイバーにより光を伝播しカンチレバーに照射して光てこ法によりカンチレバーの変位を検出する方式の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。本実施例でも主要部以外の詳細な構成は省略している。   A fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 5 is a schematic view of a mechanism related to a displacement detection method for a scanning probe microscope in which light is propagated by an optical fiber, irradiated to the cantilever, and the displacement of the cantilever is detected by an optical lever method. Also in this embodiment, the detailed configuration other than the main part is omitted.

本実施例では、末端がベース70に固定された円筒型の3軸微動機構71の先端にカンチレバー加振用の圧電素子73が取り付けられたカンチレバーホルダ72が固定され、カンチレバーホルダ72にカンチレバー74が固定されている。カンチレバー74に設けられたプローブ74bと対抗する位置にサンプル85が載置されている。   In this embodiment, a cantilever holder 72 to which a piezoelectric element 73 for cantilever excitation is attached is fixed to the tip of a cylindrical three-axis fine movement mechanism 71 whose end is fixed to a base 70, and a cantilever 74 is attached to the cantilever holder 72. It is fixed. A sample 85 is placed at a position facing the probe 74b provided on the cantilever 74.

3軸微動機構71から離れた位置には、光源75と集光レンズ77と光コネクタ78より構成される、光源ユニット76が設けられている。光源75にはSLDを使用して、SLDは光源駆動回路79により駆動される。光コネクタ78には、SLDの波長である830nm用のシングルモード光ファイバー80が接続されていて、光ファイバーの末端にSLD75の光が集光レンズ77によりカップリングされている。   A light source unit 76 including a light source 75, a condenser lens 77, and an optical connector 78 is provided at a position away from the triaxial fine movement mechanism 71. An SLD is used for the light source 75, and the SLD is driven by a light source driving circuit 79. A single mode optical fiber 80 for 830 nm which is the wavelength of SLD is connected to the optical connector 78, and the light of the SLD 75 is coupled to the end of the optical fiber by a condenser lens 77.

光ファイバー80は円筒型の3軸微動機構71の内部を通って、先端が3軸微動機構の先端に固定されている。3軸微動機構71の先端には集光レンズ81が固定されている。光ファイバーの先端に伝播された光は、集光レンズ81で再び集められて、カンチレバー74aの背面に集光される。ここで、光ファイバー71の先端と集光レンズ81、カンチレバー74はすべて3軸微動機構71の先端に固定されているので、3軸微動機構71を駆動しても、カンチレバー74aの背面に集光された光のスポット位置はずれない。   The optical fiber 80 passes through the inside of the cylindrical triaxial fine movement mechanism 71, and the distal end is fixed to the distal end of the triaxial fine movement mechanism. A condensing lens 81 is fixed to the tip of the triaxial fine movement mechanism 71. The light propagated to the tip of the optical fiber is collected again by the condensing lens 81 and collected on the back surface of the cantilever 74a. Here, since the tip of the optical fiber 71, the condensing lens 81, and the cantilever 74 are all fixed to the tip of the triaxial fine movement mechanism 71, even if the triaxial fine movement mechanism 71 is driven, it is condensed on the back surface of the cantilever 74a. The spot position of the light does not deviate.

カンチレバー74aの背面で反射された光は、レンズユニット82により受光面が4分割された半導体光検出器83上に集光されてスポットが作製される。半導体光検出器83は電流/電圧変換回路を含む増幅器84に接続されていて、カンチレバー74aの変位が検出される。ここで、レンズユニット82は3軸微動機構71とは独立して固定されているが、3軸微動機構71を駆動してカンチレバー74をスキャンした場合でも、光検出器83上のスポットは動かないようなトラッキングレンズ構造となっている。   The light reflected by the back surface of the cantilever 74a is condensed by the lens unit 82 onto the semiconductor photodetector 83 whose light-receiving surface is divided into four to create a spot. The semiconductor photodetector 83 is connected to an amplifier 84 including a current / voltage conversion circuit, and the displacement of the cantilever 74a is detected. Here, the lens unit 82 is fixed independently of the triaxial fine movement mechanism 71, but the spot on the photodetector 83 does not move even when the cantilever 74 is scanned by driving the triaxial fine movement mechanism 71. The tracking lens structure is as follows.

本実施例では、以上のような構成で振動方式の原子間力顕微鏡の原理により測定を行う。第1から第3の実施例では、サンプル側をスキャンしていたが、本実施例ではカンチレバー74側をスキャンするため大型のサンプルの測定も可能である。このようなカンチレバースキャンの場合には、高速駆動を行うために3軸微動機構71で駆動される部品をできるだけ軽量化して3軸微動機構71の共振周波数を高める必要があるが、光源ユニット76を3軸微動機構71と切り離して、独立に外部に配置し、光ファイバー80で光を伝播することで、3軸微動機構71の先端に取り付ける機構の軽量化が実現される。   In this embodiment, measurement is performed based on the principle of the vibration type atomic force microscope having the above-described configuration. In the first to third embodiments, the sample side is scanned, but in this embodiment, since the cantilever 74 side is scanned, it is possible to measure a large sample. In such a cantilever scan, it is necessary to reduce the weight of components driven by the triaxial fine movement mechanism 71 as much as possible to increase the resonance frequency of the triaxial fine movement mechanism 71 in order to perform high-speed driving. The mechanism attached to the tip of the triaxial fine movement mechanism 71 can be reduced in weight by being separated from the triaxial fine movement mechanism 71 and independently arranged outside and transmitting light through the optical fiber 80.

ここで、従来の半導体レーザを光源としていた場合には、光ファイバー80の端面での反射光による戻り光ノイズや、LDのモードホップノイズにより、光源の出力を高めることができなかったが、SLDを採用することで、これらのノイズの発生を抑えて、光源の出力を高くすることが可能となる。またSLDではLEDなどに比べると、レンズで光を絞ることができるので、光ファイバーへのカップリング効率も高めることができ、カップリングの損失を抑えて、光検出器への光の伝達効率を高めることも可能である。   Here, when the conventional semiconductor laser was used as the light source, the output of the light source could not be increased due to the return light noise caused by the reflected light at the end face of the optical fiber 80 or the mode hop noise of the LD. By adopting it, it is possible to suppress the generation of these noises and increase the output of the light source. In addition, the SLD can focus light with a lens compared to an LED, etc., so that the coupling efficiency to the optical fiber can be increased, the coupling loss is suppressed, and the light transmission efficiency to the photodetector is increased. It is also possible.

本実施例では以上のような構成で光源の出力を高くして、伝達効率も高くできるので光検出器への受光面のスポットの強度を高めることができ、検出感度に対する、光検出器のノイズの割合を小さくでき、その結果分解能を高めることが可能となった。   In this embodiment, the output of the light source can be increased and the transmission efficiency can be increased with the above configuration, so that the intensity of the spot on the light receiving surface to the photodetector can be increased, and the noise of the photodetector with respect to the detection sensitivity. As a result, the resolution can be increased.

なお、本発明は以上述べてきた実施例に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the embodiments described above.

たとえば、光源は出力も比較的安定して、測定対象が微小なプローブの場合に光学レンズで光のスポットを小さく絞れ、また光ファイバーで伝播する場合にはファイバーへのカップリング効率に優れるスーパールミネッセンスダイオード(SLD)が好ましいが、発光ダイオード(LED)や白色光源などスペクトル強度の半値幅が10nm以上の任意の光源が適用できる。   For example, the light source has a relatively stable output, and when the object to be measured is a very small probe, the optical lens can reduce the light spot to a small size, and when propagating through an optical fiber, it is a superluminescent diode with excellent coupling efficiency to the fiber. (SLD) is preferable, but any light source having a half-width of the spectral intensity of 10 nm or more, such as a light emitting diode (LED) or a white light source, can be applied.

また、光源のパワーは、2mW以上であれば光源が安定に動作する範囲で高くすることができる。光源の出力は一般に光源からの発熱や周囲温度の影響を受けやすいが、ヒートシンクにより放熱を行ったり、あるいはペルチエ素子などで光源の温度制御を行うことでさらに高出力で安定して光源を駆動することができる。   The power of the light source can be increased within a range where the light source operates stably as long as it is 2 mW or more. The output of the light source is generally susceptible to the heat generated by the light source and the ambient temperature. However, the heat source is radiated by a heat sink, or the temperature of the light source is controlled by a Peltier element to drive the light source stably at a higher output. be able to.

さらに、走査型プローブ顕微鏡で測定する場合には、カンチレバーからの反射光と、カンチレバーをはみ出してサンプルから反射してくる光が干渉し、凹凸像や、プローブとサンプルの距離に対するプローブにかかる力の関係(フォースカーブ)に干渉縞ノイズが発生する場合があるが、本発明ではスペクトル強度の半値幅が10nm以上の低コヒーレント光源を用いているため、可干渉性が低下し、干渉縞ノイズも大幅に低減することができる。   Furthermore, when measuring with a scanning probe microscope, the reflected light from the cantilever and the light reflected from the sample that protrudes from the cantilever interfere with each other, and the force applied to the probe with respect to the concavo-convex image and the distance between the probe and the sample Interference fringe noise may occur in the relationship (force curve), but the present invention uses a low-coherent light source with a half-width of the spectrum intensity of 10 nm or more. Can be reduced.

また、本実施例では受光面が4分割または2分割された半導体製の光検出器を使用したが、光の強度を電気信号に変換する任意の検出器が適用可能である。例えば、分割面を持たず、半導体より構成された受光面上のスポット位置を検出可能な位置検出素子(Position Sensitive Detector:PSD)と呼ばれる半導体素子などが市販されている。   In the present embodiment, a semiconductor photodetector having a light receiving surface divided into four or two is used. However, any detector that converts the intensity of light into an electrical signal is applicable. For example, a semiconductor element called a Position Sensitive Detector (PSD) that does not have a dividing surface and can detect a spot position on a light receiving surface made of a semiconductor is commercially available.

また、走査型プローブ顕微鏡は、実施例で述べたコンタクト方式や振動方式の原子間力顕微鏡や、走査型近接場顕微鏡に限定されず、カンチレバーやプローブを用いて、これらの変位や振幅を検出しながら、プローブとサンプル表面間の距離制御を行う装置や、プローブにかかる力や相互作用を検出することで、サンプル表面の物性を測定するものはすべて本発明の対象である。また、プローブによりサンプル表面への加工や、サンプル表面の物質のマニピュレーションを行うものなども、すべて本発明の対象である。また、必ずしもXYスキャナで走査させる必要はなく、Z微動機構を用いて高さ方向の相互作用を検出する場合も本発明に含まれる。   Further, the scanning probe microscope is not limited to the contact-type or vibration-type atomic force microscope and the scanning near-field microscope described in the embodiments, and can detect these displacements and amplitudes using a cantilever or a probe. However, any device that controls the distance between the probe and the sample surface, and that measures the physical properties of the sample surface by detecting the force or interaction applied to the probe are all objects of the present invention. Further, the processing of the sample surface by the probe and the manipulation of the material on the sample surface are all objects of the present invention. Further, it is not always necessary to scan with an XY scanner, and the present invention includes a case where an interaction in the height direction is detected using a Z fine movement mechanism.

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法は、例えば、光学式変位検出機構を用いた表面粗さ計、電気化学顕微鏡等の表面情報計測装置や、プローブで試料表面を加工するプローブ加工装置などの変位検出方法へも適用することができる。これらの場合でも、本発明の変位検出方法を適用することで検出感度に対するノイズの割合を小さくすることが可能となり測定精度が向上する。   Further, the displacement detection method of the scanning probe microscope of the present invention includes, for example, a surface roughness measuring instrument using an optical displacement detection mechanism, a surface information measuring device such as an electrochemical microscope, or a probe processing for processing a sample surface with a probe. The present invention can also be applied to a displacement detection method such as a device. Even in these cases, by applying the displacement detection method of the present invention, the ratio of noise to the detection sensitivity can be reduced, and the measurement accuracy is improved.

1 サンプルステージ
2 粗動機構
4 3軸微動機構
5 サンプル
6 カンチレバー
7 カンチレバーホルダ
9 光学式変位検出機構
10 光源
11 集光レンズ
12 ビームスプリッタ
15 ミラー
16 光検出器
17 光源用位置決め機構
18 光検出器用位置決め機構
19 光源ユニット
20 スポット
21 光源駆動回路
22 増幅器(電流/電圧変換回路)
23 電圧モニター
29 光学顕微鏡
30 電流/電圧変換回路
33 差動増幅回路
35 カンチレバーホルダ
36 金属ベースブロック
37 ガラスベースブロック
43 空気層
44 シャーレ
45 サンプル
46 溶液
50 プローブ
52 プローブホルダ
54 サンプル
55 光学式変位検出機構
56 光源部
57 光検出器
58 スポット
59 光源用位置決め機構
60 光検出器用位置決め機構
61 増幅器(電流/電圧変換回路)
64 光源駆動回路
71 3軸微動機構
72 カンチレバーホルダ
74 カンチレバー
75 光源
76 光源ユニット
77 集光レンズ
78 光カプラー
79 光源駆動回路
80 光ファイバー
81 集光レンズ
82 レンズユニット
83 光検出器
84 電流/電圧変換回路
85 サンプル
200 光学式変位検出機構
201 走査型プローブ顕微鏡
207 カンチレバー
209 プローブ
211 サンプル
213 3軸微動機構
221 光源(半導体レーザ)
235 光検出器
242 増幅器(電流/電圧変換回路)
243 差動増幅回路
244 バンドパスフィルター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sample stage 2 Coarse movement mechanism 4 Triaxial fine movement mechanism 5 Sample 6 Cantilever 7 Cantilever holder 9 Optical displacement detection mechanism 10 Light source 11 Condensing lens 12 Beam splitter 15 Mirror 16 Light detector 17 Light source positioning mechanism 18 Light detector positioning Mechanism 19 Light source unit 20 Spot 21 Light source drive circuit 22 Amplifier (current / voltage conversion circuit)
23 Voltage monitor 29 Optical microscope 30 Current / voltage conversion circuit 33 Differential amplification circuit 35 Cantilever holder 36 Metal base block 37 Glass base block 43 Air layer 44 Petri dish 45 Sample 46 Solution 50 Probe 52 Probe holder 54 Sample 55 Optical displacement detection mechanism 56 Light Source 57 Photodetector 58 Spot 59 Light Source Positioning Mechanism 60 Photodetector Positioning Mechanism 61 Amplifier (Current / Voltage Conversion Circuit)
64 Light source driving circuit 71 Triaxial fine movement mechanism 72 Cantilever holder 74 Cantilever 75 Light source 76 Light source unit 77 Condensing lens 78 Optical coupler 79 Light source driving circuit 80 Optical fiber 81 Condensing lens 82 Lens unit 83 Photo detector 84 Current / voltage conversion circuit 85 Sample 200 Optical displacement detection mechanism 201 Scanning probe microscope 207 Cantilever 209 Probe 211 Sample 213 Three-axis fine movement mechanism 221 Light source (semiconductor laser)
235 Photodetector 242 Amplifier (current / voltage conversion circuit)
243 Differential amplifier circuit 244 Band pass filter

Claims (10)

測定対象が先端にプローブを有するカンチレバーまたは任意の形状のプローブと、
波長に対する強度のスペクトルを測定した場合に強度が最大となる部分のスペクトルの半値幅が10nm以上25nm以下のスーパールミネッセンスダイオード(SLD)または10nm以上の発光ダイオード(LED)からなり、前記測定対象に光を照射する光源と、
前記光源を駆動させる光源駆動回路と、
前記光源から測定対象に照射した後の光を材質が半導体からなる受光面にて受光し電気信号に変換して光強度を検出する光検出器と、
該光検出器の検出信号を所定の増幅率で処理する電流/電圧変換回路と、を備えた走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法において、
前記光源の出力を2mW以上の出力で駆動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
A cantilever having a probe at the tip or a probe of any shape;
When the spectrum of the intensity with respect to the wavelength is measured, it consists of a super luminescence diode (SLD) or a light emitting diode (LED) having a half width of 10 nm or more and 25 nm or less in the portion where the intensity is maximum, A light source for irradiating
A light source driving circuit for driving the light source;
A light detector for detecting light intensity by receiving light after irradiating the measurement target from the light source on a light receiving surface made of a semiconductor material and converting the light into an electrical signal;
In a displacement detection method of a scanning probe microscope comprising: a current / voltage conversion circuit that processes a detection signal of the photodetector with a predetermined amplification factor;
A displacement detection method for a scanning probe microscope, wherein the output of the light source is driven at an output of 2 mW or more.
前記光検出器の受光面が4分割または2分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象からの反射光を前記受光面で受光するようにした請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。   The light receiving surface of the photodetector is divided into four or two, the light from the light source is irradiated onto the measurement target, and the reflected light from the measurement target is received by the light receiving surface. A displacement detection method for a scanning probe microscope. 前記光検出器の受光面が4分割または2分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象の影を前記光検出器の受光面上に投影するようにした請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。   The light receiving surface of the photodetector is divided into four or two, and the measurement object is irradiated with light from the light source, and a shadow of the measurement object is projected onto the light receiving surface of the photodetector. The displacement detection method of the scanning probe microscope described in 1. 前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、偏光依存性をもつ任意の反射率の反射面を有する光学部材を備え、
前記光源は偏光依存性を有し、
前記光源および光学部材の配置により、前記光学部材の反射率を高くした請求項1乃至3のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
On the optical path from the light source through the measurement object to the photodetector, an optical member having a reflection surface with an arbitrary reflectivity having polarization dependency,
The light source has polarization dependence;
The displacement detection method for a scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 3, wherein the reflectance of the optical member is increased by the arrangement of the light source and the optical member.
前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、波長依存性をもつ任意の反射率の反射面を有する光学部材を備え、
前記光源および光学部材の配置により、前記光学部材の反射率を高くした請求項1乃至4のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
On the optical path from the light source through the measurement object to the photodetector, an optical member having a reflection surface with an arbitrary reflectivity having wavelength dependency,
The displacement detection method of the scanning probe microscope according to claim 1, wherein the reflectance of the optical member is increased by the arrangement of the light source and the optical member.
前記光源の波長が700nm以上であり、
前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、金または金合金がコートされた反射部材を配置した請求項1乃至5のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
The wavelength of the light source is 700 nm or more;
The displacement of the scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 5, wherein a reflecting member coated with gold or a gold alloy is disposed on an optical path from the light source through the measurement object to the photodetector. Detection method.
前記測定対象がカンチレバーであり、
カンチレバーの両面に材質と厚さが同一のコートを施した請求項1乃至6のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
The measurement object is a cantilever,
The displacement detection method of a scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 6, wherein a coating having the same material and thickness is applied to both surfaces of the cantilever.
前記光源からの光を光ファイバーにより伝播させて、測定対象に照射するようにした請求項1乃至7のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。   The displacement detection method for a scanning probe microscope according to claim 1, wherein light from the light source is propagated by an optical fiber to irradiate a measurement object. 前記カンチレバーまたはプローブを、溶液中で駆動するものである請求項1乃至8のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。   The displacement detection method for a scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 8, wherein the cantilever or the probe is driven in a solution. 前記光源と前記測定対象であるカンチレバーまたはプローブとの間の光路中に前記光源から出射する光に対して任意の透過率を有する透過性の基板を備え、前記基板と前記測定対象との間に界面が接するように溶液を満たした請求項9に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。   A transparent substrate having an arbitrary transmittance for light emitted from the light source in an optical path between the light source and the cantilever or probe that is the measurement target; and between the substrate and the measurement target. The displacement detection method of the scanning probe microscope according to claim 9, wherein the solution is filled so that the interface contacts.
JP2011171265A 2011-08-04 2011-08-04 Method for detecting displacement of scanning probe microscope Pending JP2011215168A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011171265A JP2011215168A (en) 2011-08-04 2011-08-04 Method for detecting displacement of scanning probe microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011171265A JP2011215168A (en) 2011-08-04 2011-08-04 Method for detecting displacement of scanning probe microscope

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006225730A Division JP2008051555A (en) 2006-08-22 2006-08-22 Optical displacement detection mechanism, and probe microscope using the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011215168A true JP2011215168A (en) 2011-10-27

Family

ID=44945003

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011171265A Pending JP2011215168A (en) 2011-08-04 2011-08-04 Method for detecting displacement of scanning probe microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011215168A (en)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05232081A (en) * 1992-02-20 1993-09-07 Seiko Instr Inc Interatomic force microscope
JPH07244058A (en) * 1994-03-03 1995-09-19 Olympus Optical Co Ltd Surface shape measuring device
JPH08278317A (en) * 1995-04-10 1996-10-22 Nikon Corp Interatomic force microscope
JPH09329606A (en) * 1996-06-11 1997-12-22 Seiko Instr Inc Scanning near field microscope with in-liquid observation function
JP2000199736A (en) * 1998-11-06 2000-07-18 Seiko Instruments Inc Scanning near-field microscope
JP2003114185A (en) * 2001-10-04 2003-04-18 Communication Research Laboratory Apparatus and method for probe position fixation-type measurement of very small force
JP2004309429A (en) * 2003-04-10 2004-11-04 Sii Nanotechnology Inc Scanning probe microscope
JP2005147979A (en) * 2003-11-19 2005-06-09 Jeol Ltd Scanning probe microscope
JP2005308756A (en) * 2001-06-19 2005-11-04 Japan Science & Technology Agency Apparatus for detecting and controlling cantilever
JP2006510891A (en) * 2002-12-18 2006-03-30 アサイラム リサーチ コーポレーション Fully digital controller for cantilever type equipment
JP2006099129A (en) * 2005-11-08 2006-04-13 Hamamatsu Photonics Kk Confocal microscope

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05232081A (en) * 1992-02-20 1993-09-07 Seiko Instr Inc Interatomic force microscope
JPH07244058A (en) * 1994-03-03 1995-09-19 Olympus Optical Co Ltd Surface shape measuring device
JPH08278317A (en) * 1995-04-10 1996-10-22 Nikon Corp Interatomic force microscope
JPH09329606A (en) * 1996-06-11 1997-12-22 Seiko Instr Inc Scanning near field microscope with in-liquid observation function
JP2000199736A (en) * 1998-11-06 2000-07-18 Seiko Instruments Inc Scanning near-field microscope
JP2005308756A (en) * 2001-06-19 2005-11-04 Japan Science & Technology Agency Apparatus for detecting and controlling cantilever
JP2003114185A (en) * 2001-10-04 2003-04-18 Communication Research Laboratory Apparatus and method for probe position fixation-type measurement of very small force
JP2006510891A (en) * 2002-12-18 2006-03-30 アサイラム リサーチ コーポレーション Fully digital controller for cantilever type equipment
JP2004309429A (en) * 2003-04-10 2004-11-04 Sii Nanotechnology Inc Scanning probe microscope
JP2005147979A (en) * 2003-11-19 2005-06-09 Jeol Ltd Scanning probe microscope
JP2006099129A (en) * 2005-11-08 2006-04-13 Hamamatsu Photonics Kk Confocal microscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2008051555A (en) Optical displacement detection mechanism, and probe microscope using the same
US7973942B2 (en) Optical displacement detection mechanism and surface information measurement device using the same
KR102457857B1 (en) Infrared Characterization of Samples Using Vibration Mode
US6779387B2 (en) Method and apparatus for the ultrasonic actuation of the cantilever of a probe-based instrument
US6694817B2 (en) Method and apparatus for the ultrasonic actuation of the cantilever of a probe-based instrument
US5406832A (en) Synchronous sampling scanning force microscope
JP5828359B2 (en) Mechanical detection of Raman resonance
JP4688643B2 (en) Excitation cantilever holder and scanning probe microscope
US11237185B2 (en) Apparatus and method for a scanning probe microscope
JP2005331509A (en) Method and device for measuring object by variable natural oscillation cantilever
JP2009128139A (en) Scan probe microscope, and probe unit for the scan probe microscope
JPWO2005015570A1 (en) Probe of probe microscope using transparent substrate, manufacturing method thereof, and probe microscope apparatus
JPH1144693A (en) Method and apparatus for measurement of position of probe chip in near-field optical microscope and control device therefor
De Wilde et al. Apertureless near-field scanning optical microscope based on a quartz tuning fork
JP5140179B2 (en) Displacement detection method of scanning probe microscope
JP2008051690A (en) Optical displacement detecting mechanism, and surface information measuring device using the same
JP2011215168A (en) Method for detecting displacement of scanning probe microscope
JP5226837B2 (en) Spot light alignment method of optical displacement detection mechanism for scanning probe microscope
JP2005147979A (en) Scanning probe microscope
Voigtländer et al. Cantilevers and Detection Methods in Atomic Force Microscopy
JP3450460B2 (en) Scanning probe microscope
Voigtländer et al. Technical Aspects of Atomic Force Microscopy (AFM)
JP4262621B2 (en) Atomic force microscope
CN114026438B (en) Torsion wing probe assembly
JP4895379B2 (en) Lever excitation mechanism and scanning probe microscope

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110805

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120821

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20121113

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20121122