JP3137427B2

JP3137427B2 - 光学式微小変位測定装置

Info

Publication number: JP3137427B2
Application number: JP04131354A
Authority: JP
Inventors: 朗樋口
Original assignee: 株式会社小坂研究所
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1992-04-27
Publication date: 2001-02-19
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JPH05302815A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体（被測定物）の微
小変位を非接触で測定する光学式微小変位測定装置に関
し、例えば原子間力顕微鏡に付設し、この原子間力顕微
鏡を構成するカンチレバーの変位量（たわみ量）を検出
するのに利用出来る。

【０００２】

【従来の技術】物体の表面形状を原子レベルで観察する
為、原子間力顕微鏡（Atomic force microscope 。以
下、ＡＦＭとする。）が研究され、一部で実用に供され
ている。ＡＦＭは、図２に略示する様に、試料１に対す
る相対的移動により試料１表面を走査自在な探針２と、
この探針２を支持し、上記試料１表面と探針２との間に
働く原子間力によって変位するカンチレバー３と、この
カンチレバー３の変位を検出する微小変位測定装置４と
を備えている。

【０００３】この微小変位測定装置４は、上記カンチレ
バー３に向けてレーザー光を出射するレーザ発振器５
と、上記カンチレバー３で反射したレーザー光を入射
し、このレ−ザー光の反射角度の変化を、レーザー光に
より照射される面（スポット）の位置変化として検出す
る光強度検出器６とから構成されている。上記光強度検
出器６としては、２分割検出器等の半導体光検出器が用
いられる。図２に於いて７は、その上面を試料１を載置
する試料台とした、三次元方向アクチュエータである圧
電素子である。

【０００４】ＡＦＭにより、試料１の表面形状を観察す
る場合、試料１と探針２との距離を常時一定に保ちなが
ら、上記探針２により試料１表面を走査する。上記距離
を一定に保つ事は、上記圧電素子７をＺ方向（図２の上
下方向）に微動させる事により、レーザー発振器５から
出射されカンチレバー３で反射して光強度検出器６に入
射するレーザー光の光強度（光強度検出器６の検出値）
が常時一定となる様にする事で行なう。試料１表面を走
査する事は、上記圧電素子７をＸ−Ｙ方向（図２の表裏
並びに左右方向）に微動させる事で行なう。

【０００５】試料１表面を走査すると、試料１表面の凹
凸形状に伴なって探針２と試料１との間に作用する原子
間力が変化し、原子間力の変化に伴なってカンチレバー
３が変位する（たわむ。）。上記微小変位測定装置４
は、カンチレバー３に向けてレーザー光を出射している
為、カンチレバー３の変位に伴なってこのカンチレバー
３で反射するレーザー光の反射角度が変化する。この反
射角度の変化を上記光強度検出器６がそのスポットの位
置変化として検出する。そして、図示しない制御器が、
光強度検出器６の検出信号を入力して走査前の基準値と
比較し、更に上記検出値が基準値と同一値となる様（即
ち、探針２と試料１との距離が一定となる様）、上記圧
電素子７に所望の電圧を印加し、この圧電素子７をＺ方
向に微動させる。この際の電圧印加量を基に試料１の観
察像を算出する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した様
に構成され作用する、微小変位測定装置に於いては、以
下の様な不都合が存在する。

【０００７】即ち、上記カンチレバー３の変位量は通常
１nm（１×１０^-9m ）以下である為、上記レーザー光の
反射角度の変化も極く微小なものである。この様な極く
微小な反射角度の変化をスポットの位置変化として高感
度に検出する為、上記微小変位測定装置４に於いては、
カンチレバー３と光強度検出６との距離を大きくしてい
た。この結果、微小変位測定装置４の占める体積が増大
すると共に、これに起因してレーザー発振器５、光強度
検出器６等構成部材を支持する為の部材の数量が増加
し、微小変位測定装置４全体としての重量が嵩んでしま
う。

【０００８】この様に、微小変位測定装置４の占める体
積並びに重量が増大する結果、上記ＡＦＭに於いては、
カンチレバー３、並びにカンチレバー３の変位量を測定
する微小変位測定装置４を移動させる事で試料１表面を
走査する事は出来ない。この為、図２に示す様に、この
微小変位測定装置４並びにカンチレバー３を固定すると
共に、三次元方向アクチュエータである円筒状圧電素子
７を試料台として機能させる構造を採用せざるを得なか
った。

【０００９】しかしながら、上述の様な構成に於いて
は、試料１が大きかったり、或は重量の嵩むものである
場合、圧電素子７上面に、大きさ、或は重量の嵩む試料
１を載置する事は、測定時間、装置の環境変化に対する
安定性等の面から好ましくなく、例えば直径８インチ程
度の半導体ウエハを観察する場合でも、従来はこのウエ
ハを、観察可能な大きさに分断して観察せざるを得なか
った。

【００１０】本発明の光学式微小変位測定装置は、上述
の様な事情に鑑みて考えられたもので、光学式微小変位
測定装置の小型軽量化を図る事により、ＡＦＭ等、他の
機器に付設する場合にもこれら機器の設計の自由度を増
大させ、機器の性能向上を図るものである。

【００１１】

【課題を解決する為の手段】本発明の光学式微小変位測
定装置は、半導体レーザー、及び被測定物表面と半導体
レーザーの上記被測定物に対向しない一端面とで構成さ
れた光共振器から成るレーザー発振器と、このレーザー
発振器の上記被測定物と反対側に配置され、レーザー発
振器から出射したレーザー光の光強度を検出する光強度
検出器と、この光強度検出器と上記レーザー発振器との
間に配置され、上記レーザー発振器から出射したレーザ
ー光を、この光強度検出器に導く光学素子と、上記レー
ザー光を透過させる事により、その光強度を変化させ
る、電気光学効果を有する結晶から成るファブリ・ペロ
ーエタロン等のフィルタ素子とを備え、上記被測定物の
微小変位に伴なうレーザー光の周波数変化を、上記フィ
ルタ素子を透過したレーザー光の光強度変化として検出
する事により、上記微小変位を測定するものである。

【００１２】

【作用】上述の様に構成される本発明の光学式微小変位
測定装置により、被測定物の微小変位を測定する際の作
用は、次の通りである。

【００１３】被測定物が微小変位するのに伴ない、レー
ザー発振器から出射するレーザー光の周波数が変化す
る。このレーザー光は光学素子に導かれてフィルタ素子
に入射し、その光強度を変化させられて光強度検出器に
入射する。光強度検出器は、入射するレーザー光の光強
度を検出するが、この検出値から上記被測定物の変位を
知る。

【００１４】特に、本発明の光学式微小変位測定装置
は、上記レーザー発振器を構成する光共振器を、被測定
物表面と半導体レーザーの被測定物と対向しない一端面
とで構成している為、このレーザー発振器に光源手段と
しての機能と、被測定物の微小変位をレーザー光の周波
数変化に変換する手段としての機能とを合わせ持たせて
いる。これにより、構成部品点数を少なく出来る。しか
も、本発明の光学式微小変位測定装置の感度は、従来装
置の様に、被測定物から光強度検出器までの距離に依存
する事がない為、構成各部材を比較的小さなスペースに
一直線上に配置出来る。この結果、元来小型軽量である
半導体レーザーを採用する事と併せて、光学式微小変位
測定装置を小型軽量化出来、他の機器に付設した場合に
於いても、機器の設計の自由度が増し、機器の性能向上
に寄与する。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の光学式微小変位測定装置を、
ＡＦＭに付設した実施例を示している。固定の部分８に
その上端を固設された三次元方向アクチュエータである
円筒状圧電素子９には、本発明の光学式微小変位測定装
置１０を一体に設け、この圧電素子９の微動に伴なって
この光学式微小変位測定装置１０も微動する様にしてい
る。即ち、圧電素子９の下端中央に、半導体レーザー１
１を、同じく下端一縁部に被測定物であるカンチレバー
３の一端を、それぞれ設けている。カンチレバー３の他
端部は、半導体レーザー１１の中心部の光導波路の下端
開口に対向させる。上記カンチレバー３の他端部下面に
は探針２を設けている。

【００１６】本発明に於いては、上記カンチレバー３の
上面で、上記光導波路と対応する部分を、レーザー発振
器１２を構成する光共振器の一部としている。即ち、上
記レーザー発振器１２は、半導体レーザー１１の上端面
と上記カンチレバー３上面とを光共振器とし、半導体レ
ーザー１１で発生した光波を、このカンチレバー３上面
と上記半導体レーザー１１の上端面との間で繰り返し反
射させ、この上端面から出射させる。この為、上記半導
体レーザー１１の上端面は、光波を反射すると共に光波
の一部を通過させる事の出来る材料で構成し、カンチレ
バー３上面は、光波を反射自在な材料で構成する。

【００１７】半導体レーザー１１の上方には、下から順
に、光学素子である第一のレンズ１３、フィルタ素子で
あるファブリ・ペローエタロン１４、並びに第二のレン
ズ１８を設けている。この内、第一のレンズ１３は、レ
ーザー発振器１２から出射したレーザー光を、光軸に対
して平行な光束にしてファブリ・ペローエタロン１４に
導く。

【００１８】このファブリ・ペローエタロン１４は、上
記レーザー光の光強度を変調するもので、本実施例に於
いては、水晶、リン酸二水素カリウム（ＫＨ₂ ＰＯ₄ ）
等、透明な固体材料１５の両面を平行平面に研磨し、更
にこの両面に誘電体膜を蒸着する事で構成される。この
誘電体膜に代えて金属を蒸着しても良い。本実施例に於
いて使用するこのファブリ・ペローエタロン１４は、交
流電源１７により電極１６、１６を介して交流電圧を印
加自在とし、電圧を印加する事により、このファブリ・
ペローエタロン１４を電場中に置いた場合、その光学的
性質が変化する、所謂電気光学効果を有する。

【００１９】即ち、上記ファブリ・ペローエタロン１４
は電場Ｅ中に置かれる事により、ファブリ・ペローエタ
ロン１４を構成する固体材料１５の屈折率ｎ₁ が、△ｎ
（＝αＥ：αは比例定数）だけ変化する。ファブリ・ペ
ローエタロン１４の最大透過の起るレーザー光の周波数
νは、光速度ｃ、上記屈折率ｎ₁ 、ファブリ・ペローエ
タロン１４の厚さｌを用いて、ν＝ｍ・ｃ／２ｎ₁ ｌで
表わされる（ｍは任意の整数）為、屈折率ｎ₁ が変化す
る事により、ファブリ・ペローエタロン１４を最大透過
するレーザー光の周波数は、ｄν＝ν・△ｎ／ｎ₁ ＝α
νＥ／ｎ₁ だけ変化する。

【００２０】上記した様に、ファブリ・ペローエタロン
１４を構成する固体材料１５の屈折率ｎ₁ を、電場Ｅに
よって変調させる事により、ファブリ・ペローエタロン
１４を透過したレーザー光の光強度を変調させる事が出
来る。

【００２１】上記第二のレンズ１８は、上記ファブリ・
ペローエタロン１４を通過したレーザー光を、次述する
光強度検出器１９に導くものであるが、省略する事も可
能である。

【００２２】第二のレンズ１８の上方には、シリコンフ
ォトダイオード等の光強度検出器１９を設け、上記レー
ザー発振器１２から出射し、第一のレンズ１３、ファブ
リ・ペローエタロン１４、第二のレンズ１８を通過した
レーザー光を、入射自在としている。光強度検出器１９
は、入射したレーザー光の光強度を検出し、これを電気
信号に変換する。２０、２１は、上記カンチレバー３の
変位を高精度に検出すべく設けられた、それぞれ増幅
器、同期検波回路で、この内、増幅器２０は上記電気信
号を増幅し、同期検波回路２１は上記ファブリ・ペロー
エタロン１４に印加している電圧で同期検波する。

【００２３】２２はＡＦＭを構成する試料台である。こ
の試料台２２は、図示しない駆動装置によりＸ−Ｙ方向
に変位自在なＸ−Ｙ方向アクチュエータから成り、試料
１の観察すべき部分を上記探針の下方位置に移動させる
のに使用する。

【００２４】上述の様に構成される本発明の光学式微小
変位測定装置１０を付設したＡＦＭにより試料１を観察
する場合、先ず、試料台２２に観察すべき試料１を載置
し、上記駆動装置を駆動させて、試料１の観察すべき部
分を探針２の下方に移動させる。

【００２５】次いで、レーザー発振器１２を構成する半
導体レーザー１１に通電する。この際、注入する直流電
流を変化させ、レーザー発振器１２から出射するレーザ
ー光の周波数を、電圧を印加する事で所望の大きさの電
場Ｅ中に置かれ、電気光学効果を有する上記ファブリ・
ペローエタロン１４に対する透過強度が最大となる様に
調整する。

【００２６】上述した調整作業を終えたならば、圧電素
子９に電圧を印加する事により圧電素子９を下方に微動
させ、この圧電素子９に固定のカンチレバー３に設けた
探針２を、上記試料１に近接させる。探針２を試料１に
近づける事により、探針２と試料１との間に働く原子間
力が変化し、探針２を固定したカンチレバー３が変位す
る。更に、カンチレバー３が変位する事に伴なって、こ
のカンチレバー３を含んで構成される光共振器の光学的
距離Ｄが変化する為、レーザー発振器１２から出射する
レーザー光の周波数が変化し、上記ファブリ・ペローエ
タロン１４に対する透過率が変化（低下）する。そこ
で、再び半導体レーザー１１への注入電流を調整し、フ
ァブリ・ペローエタロン１４に対する透過率が最大とな
る様にする。そして、この際の原子間力を基準として、
次述する様に、探針２を走査した場合の原子間力の変化
を別途検出する。

【００２７】次いで、三次元方向アクチュエータである
圧電素子９をＸ−Ｙ方向（図１の表裏並びに左右方向）
に微動（２００μm 程度）させる事で、探針２により試
料１表面を走査する。この際、試料１の表面形状に伴な
って探針２と試料１との間に作用する原子間力が変化
し、上記カンチレバー３が変位するが、この変位を本発
明の微小変位測定装置１０が検出し、上記原子間力を上
記の基準値にすべく圧電素子９に電圧を印加し、この圧
電素子９をＺ方向に微動させ、この際の印加電圧を基に
試料１の表面形状を算出する。

【００２８】本発明の光学式微小変位測定装置１０は、
試料１の表面形状に伴なって変位する、被測定物である
上記カンチレバー３の微小変位を測定するもので、先
ず、上記カンチレバー３の微小変位を、レーザー光の周
波数変化に変換する。即ち、本発明装置に於けるレーザ
ー発振器１２の光共振器は、半導体レーザー１１の上端
面と、上記カンチレバー３上面とで構成されている為、
カンチレバー３の微小変位に伴ない、レーザー発振器１
２から出射するレーザー光の周波数が、△νだけ変化す
る。この周波数変化△νは、上記変位量を△ｄ、光共振
器の光学的距離をＤとした場合、△ν＝−△ｄ・ν／Ｄ
で与えられる。ここに上記Ｄは、半導体レーザー１１の
長さＬ、半導体レーザー１１の活性層のレーザー発振波
長に於ける屈折率ｎ₂ 、半導体レーザー１１の下端面か
らカンチレバー３の上面までの距離ｈを用いてＤ＝ｎ₂
Ｌ＋ｈで表わされる。

【００２９】上記レーザー光は、カンチレバー３の微小
変位に伴なって、その周波数が変化した状態で、第一の
レンズ１３により平行光束とされてファブリ・ペローエ
タロン１４に導かれる。上記レーザー光は周波数が変化
した状態である為、このファブリ・ペローエタロン１４
を透過する光強度は最大でなくなっている。

【００３０】このレーザー光は、第二のレンズ１８に導
びかれ、光強度検出器１９に入射する。この光強度検出
器１９は上記光強度を電気信号に変化して出力する。こ
の出力信号を、増幅器２０により増幅し、更に周期検波
回路２１により、ファブリ・ペローエタロン１４に印加
した電圧によって同期検波した後、図示しない制御器に
送る。上記同期検波回路２１により、カンチレバー３の
微小変位を高精度に検出出来る。

【００３１】上記制御器はこの信号を基に、探針２と試
料１との距離を所定値にする、即ち、これらの間に働く
原子間力を前記基準値にして、光強度検出器１９の検出
値が当初の値となる様にするのに必要な、圧電素子９に
印加する電圧値を求め、この値の電圧を圧電素子９に印
加する様指令を出すと共に、この電圧値を基に試料１の
表面形状を算出する。

【００３２】本発明の光学式微小変位測定装置は、上述
した様に、元来小型軽量の半導体レーザーを使用し、
光共振器を半導体レーザーの上端面と被測定物（カン
チレバー３）上面とで構成し、被測定物の微小変位測
定を被測定物から光強度検出器迄の距離に依存しない構
成として、これら〜により構成各部材を小さなスペ
ース内に配設可能としている為、装置自体を小型軽量に
構成する事が出来る。この結果、本発明装置をＡＦＭに
付設する際の自由度が増し、図１に示す様に探針２を設
けたカンチレバー３と本発明の光学式微小変位測定装置
１０とを一体として、この部分を試料１に対して移動自
在と出来る。

【００３３】尚、本発明の光学式微小変位測定装置１０
を構成する半導体レーザー１１の周波数は、注入電流の
変化、並びに半導体レーザー１１本体の温度に影響され
易い。この為、本発明装置に於いては、雑音制限回路、
ペルチェ素子等従来から知られた種々の手段により、注
入電流へ雑音が入らない様に、且つ半導体レーザー１１
本体の温度を一定範囲に保つ様にしている。これら雑音
除去、並びに温度変化防止を図る回路により、本発明装
置が特に大型化、重量増加する事はない。

【００３４】又、図示は省略したが、本発明の別例とし
て、ファブリ・ペローエタロンを、通常の透明な固体材
料により作製したものを用いると共に、半導体レーザー
への注入電流を交流信号で変調し、更に、光強度検出器
１９から出力した電気信号を、この交流信号により同期
検波する様に構成する事も出来る。その他の構成、並び
に作用は、前述の実施例と同様である。

【００３５】更に、上述した各例に於いては、レーザー
光を光強度検出器１９に導く光学素子として、第一のレ
ンズ１３、並びに第二のレンズ１８を、又、フィルタ素
子として、単体のファブリ・ペローエタロン１４を用い
ているが、Ｌi Ｎb Ｏ₃ 等の電気光学効果を有する結晶
から成る１枚の基板上に、上記光学素子を兼ね備える光
導波路と、フィルタ素子であるファブリ・ペローエタロ
ンに相当する素子とを集積したものとする事も出来る。
この様に構成した場合、本発明装置を更に小型軽量化出
来ると共に、上記基板に印加する交流電圧を低く出来
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明の光学式微小変位測定装置は、上
述した様に構成され作用する為、小型軽量に作製出来
る。この結果、他の機器に付設する際の自由度が増し、
これら機器の性能向上に寄与出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図。

【図２】従来のＡＦＭを示す図

【符号の説明】

１試料２探針３カンチレバー４微小変位測定装置５レーザー発振器６光強度検出器７圧電素子８固定の部分９圧電素子１０光学式微小変位測定装置１１半導体レーザー１２レーザー発振器１３第一のレンズ１４ファブリ・ペローエタロン１５固体材料１６電極１７交流電源１８第二のレンズ１９光強度検出器２０増幅器２１同期検波回路２２試料台

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザー、及び被測定物表面と半
導体レーザーの上記被測定物に対向しない一端面とで構
成された光共振器から成るレーザー発振器と、このレー
ザー発振器の上記被測定物と反対側に配置され、レーザ
ー発振器から出射したレーザー光の光強度を検出する光
強度検出器と、この光強度検出器と上記レーザー発振器
との間に配置され、上記レーザー発振器から出射したレ
ーザー光を、この光強度検出器に導く光学素子と、上記
レーザー光を透過させる事により、その光強度を変化さ
せるフィルタ素子とを備え、上記被測定物の微小変位に
伴なうレーザー光の周波数変化を、上記フィルタ素子を
透過したレーザー光の光強度変化として検出する事によ
り、上記微小変位を測定する、光学式微小変位測定装
置。
【請求項２】上記フィルタ素子が、電気光学効果を有
する結晶から成るファブリ・ペローエタロンである、請
求項１に記載の光学式微小変位測定装置。