JP3536193B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に関し、特に、カンチレバーのたわみ変形量を検出す
る光学装置を備えた走査型プローブ顕微鏡における当該
光学装置の光路部分の構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、原子オーダの
測定分解能を有するものであり、表面の形状計測を始
め、各種分野に適用されつつある。検出に利用する物理
量に依存して、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などに
分かれ、応用範囲も広がりつつある。特に原子間力顕微
鏡は、試料表面の凹凸形状を高分解能で検出するに適し
ており、半導体、ディスクなどの分野で実績をあげてい
る。以下では、原子間力顕微鏡の例について説明する。

【０００３】図７に従来の一般的な原子間力顕微鏡の例
を示す。チューブ型ＸＹＺ微動機構７１は軸方向を立て
て設けられており、その上部に被測定試料７２が配置さ
れている。ＸＹＺ微動機構７１には円筒形状の圧電素子
が用いられ、一般的に、この圧電素子の円筒外周面には
Ｚ軸用電極７３、Ｘ軸用電極７４、Ｙ軸用電極７５が設
けられ、内周面には共通電極（図示せず）が設けられて
いる。電極７４，７５はそれぞれ２枚がＸＹＺ微動機構
７１の反対側外面に配置されている。共通電極に対して
各電極に必要な電圧を印加すると、ＸＹＺ微動機構７１
において、印加された電極に応じて直交する３軸である
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に変形を生じさせることがで
きる。ＸＹＺ微動機構７１において当該変形が生じる
と、その上端部に配置された試料７２の位置を変化させ
ることができる。

【０００４】上記試料７２の上方位置にはカンチレバー
７６が配置され、その先端に設けられた探針７７は、試
料７２の表面に臨んでいる。試料７２の表面を測定する
際、探針７７は、試料との間で原子間力が生じる程度の
距離で試料７２に対して接近させて配置されている。カ
ンチレバー７６は、その基端が、図示しない支持部に固
定されている。カンチレバー７６は、所定の柔軟性を有
し、探針・試料間の距離の変化に伴う原子間力の変化に
応じてたわみ変形を生じるという特性を有している。か
かるカンチレバー７６に対して、カンチレバーのたわみ
変形を利用した例えば光てこ式の変位量検出光学装置が
設けられる。この光学装置は、レーザ光７８を発する光
源７９と、レーザ光７８を受ける光検出器８０からな
る。光源７９から出射されたレーザ光７８は、カンチレ
バー７６の背面の反射面で反射され、光検出器８０に入
射される。光検出器８０は位置センサとして機能するも
ので、カンチレバー７６のたわみ変形量に応じてレーザ
光７８の入射位置が変化することから、その検出信号に
基づいて、カンチレバー７６のたわみ変形量、すなわち
探針７７と試料７２の表面との間の距離の変化を検出で
きる。なおカンチレバーのたわみ変形量の検出方式には
その他に光干渉方式などが用いられる。

【０００５】図示しないカンチレバー接近機構により探
針７７と試料７２の相対距離を約１ｎｍにまで近づける
と、両者の間に原子間力が作用し、カンチレバー７６に
たわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角を光てこ
の原理で検出する。光検出器８０から出力される検出信
号は、増幅器８１を経由して加算器８２に入力される。
加算器８２では、当該検出信号と基準値Ｖref が比較さ
れ、偏差信号Ｖｄが出力される。この偏差信号Ｖｄは、
制御部８３に入力される。制御部８３では一般的に比例
−積分補償（ＰＩ制御）が行われ、その出力信号は増幅
器８４に入力される。増幅器８４の出力信号はＸＹＺ微
動機構７１のＺ微動部（内蔵される）に入力され、探針
７７と試料７２の間の相対距離を変化させる。

【０００６】上記構成によって探針７７と試料７２の距
離を一定に保つ制御が実現される。ＸＹ走査回路８５の
出力信号は、増幅器８６を介してＸＹＺ微動機構７１の
ＸＹ微動部（内蔵される）に入力される。ＸＹ走査回路
８５の出力信号によって、探針７７は試料７２の表面を
ＸＹ方向に平面走査する。上記Ｚ微動部の移動量に相当
するデータＶｚと、ＸＹ走査回路８５の出力信号に係る
データとをメモリ８７に格納し、さらにこれらのデータ
を利用して必要な処理を行い、画像装置に画像表示を行
えば、試料７２の表面の形状を観察することができる。
以上のような原理に基づき測定動作を行う原子間力顕微
鏡では、原子オーダの分解能があり、測定視野を数ｎｍ
から数１００μｍまで切り替えて観察することを容易に
実現できる。

【０００７】上記の構成は、通常、数１０ｍｍ角の小型
試料を対象にしたものである。一方、原子間力顕微鏡に
ついてはウェハ等の大型試料を測定したいというニーズ
も大きい。直径（φ）２００ｍｍといったウェハ等を計
測する場合には、従来の小型試料対応の装置構成の考え
方、すなわち試料側移動方式では、試料および試料台の
質量のため、高速な動作が困難となり、機械的な工夫を
要する。

【０００８】そこで、走査のためにカンチレバーの側を
ＸＹ方向に移動させるタイプの走査型プローブ顕微鏡が
提案されている。例えば特開平３−２９６６１２号公報
に示される顕微鏡は、ＸＹＺ微動機構にカンチレバーお
よび光てこ式検出光学装置を装備している。このタイプ
の顕微鏡は、走査の際カンチレバーのみならず光学装置
まで移動させるため、移動の質量が大きくなり、高速走
査には適さない。

【０００９】一方、カンチレバーのみを移動させる方式
も提案されている。例えば、米国特許第５４６３８９７
号公報、特願平６−２８８７５７号公報、特願平８−２
７８３１７号公報等に示されている。以下に、これらの
内容を概説する。

【００１０】図８に、カンチレバーのみを移動させる方
式の走査型プローブ顕微鏡の一例を概略的に示す。米国
特許第５４６３８９７号公報にも同様な構成が示されて
いる。図８において、図７で説明した要素と実質的に同
一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
先端に探針７７を備えるカンチレバー７６は、当該カン
チレバーのみを移動させるためのＸＹＺ微動機構８８に
取り付けられる。試料７２は静止状態に保持される。カ
ンチレバーのみを移動して走査を行う構成の場合、光源
７９から出射されるレーザ光７８の位置は不変であるた
め、カンチレバー７６の背面におけるレーザ光の照射位
置が変化するという問題がある。このため、光検出器８
０に到達する光強度がカンチレバーの走査に応じて変動
するので、高精度な検出が難しくなるという問題が提起
される。そこで、カンチレバー７６の背面におけるレー
ザ光の照射位置を固定できる方式が要求される。

【００１１】次に、図９は、上記特開平８−２８８７５
７号公報に開示された要部の構成を示している。この構
成では、ＸＹＺ微動機構８８にカンチレバー７６と光源
７９と移動装置８９が固定されている。移動装置８９に
は方向変換ミラー９０，９１と光検出器８０が固定さ
れ、移動装置８９は方向変換ミラー等を移動させる。か
かる構成によれば、カンチレバー７６を例えば図示した
Ｘ軸方向に走査するとき、カンチレバー７６の移動と同
時に、移動装置８９の働きで方向変換ミラー９０，９１
と光検出器８０が同じ方向に移動するため、カンチレバ
ー７６におけるレーザ光７８の照射位置は一定であり、
変化しない。しかしながら、上記の構成では、Ｘ軸方向
の一軸のみの補正しか行わず、紙面に垂直なＹ軸方向に
おける走査の場合には意味をなさない。従って、図９に
示された方式によれば、高精度な走査型プローブ顕微鏡
を構成することはできないという欠点を有する。

【００１２】図１０の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は特開平
８−２７８３１７号公報に開示された要部構成を示す。
図１０（Ａ）に示す構成では、ＸＹＺ微動機構８８にカ
ンチレバー７６と光源７９と光検出器（図示せず）と移
動装置９２を固定し、さらに移動装置９２の下面に方向
変換ミラー９３が固定されている。光源７９から出射さ
れたレーザ光７８は、方向変換ミラー９３で反射され、
さらにカンチレバー７６の背面で反射された後、再び方
向変換ミラー９３で反射され、同じ光路を反対向きでた
どり、光検出器に入射される。この構成でも、カンチレ
バー７６がＸ軸方向に微小に移動したとき、移動装置９
２によって方向変換ミラー９３をカンチレバー７６の移
動方向と同方向に移動させ、カンチレバーにおけるレー
ザ光の照射位置を同一箇所とし、Ｘ軸方向の補正を行う
ことができる

【００１３】一方、図１０の（Ｂ），（Ｃ）はＹ軸方向
の補正を行うための構成例を示す。９４は固定部材であ
り、固定部材９４に回転ヒンジ９５を介して移動部材９
６が結合されている。カンチレバー７６は移動部材９６
の先部に固定されている。移動部材９６は回転ヒンジ９
５を中心に回転し、これによりカンチレバー７６をＹ軸
方向に変位させることができる。光てこ式検出光学装置
の光源から出射されたレーザ光９７を導く光路を形成す
る手段として、回転ヒンジ９５の回転中心に方向変換ミ
ラー９８が配置され、カンチレバー７６の上方に方向変
換ミラー９９が配置されている。方向変換ミラー９８，
９９は移動部材９６に固定され、移動部材９６の回転と
共に移動する。方向変換ミラー９８，９９は互いに向い
合い、方向変換ミラー９９は常にカンチレバー７６の上
方に位置する。方向変換ミラー９８は、移動部材９６に
固定されているので、移動部材９６の回転方向にレーザ
光９７を導くことができ、方向変換ミラー９８との関係
によりＹ方向のレーザ光の補正を行うことができる。そ
の結果、本装置では、ＸＹ方向の補正を行うことができ
る。しかしながら、この方式は、回転機構を用いた場合
に限定される。走査型プローブ顕微鏡においては、ＸＹ
方向への正確な走査が必要になるが、回転機構を用いた
場合には走査が直交しないので、高精度化が難しい。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく、カンチ
レバーのみを移動させる方式の従来の原子間力顕微鏡等
の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーの移動で光
学装置のレーザ光の照射位置がずれないように、レーザ
光の光路を、カンチレバーの移動に追従させて移動する
ようにしている。しかしながら、前述したように、Ｘ軸
とＹ軸の各々の方向のカンチレバーの移動に対して、レ
ーザ光の光路を正確に移動させることは困難であり、高
精度の走査型プローブ顕微鏡を実現することはできなか
った。

【００１５】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、カンチレバーをＸＹ方向に移動して試料表面
を走査しカンチレバーのたわみ変形量を光学的に検出す
る走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバーをＸＹ
のいずれの方向に走査しても、レーザ光の照射位置を常
に一定に保持でき、高精度の測定を行える走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
走査型プローブ顕微鏡は、上記の目的を達成するため、
次のように構成される。

【００１７】第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に
対応）： 探針を有するカンチレバーと、直交する３軸
（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）で定められる座標空間で探針と試
料の間の相対的位置関係を変更する３軸微動機構と、探
針の変位量を検出する光学装置を含み、探針と試料の間
に作用する物理量により生じるカンチレバーのたわみ変
形量を光学装置で検出することにより測定の際の探針の
変位量を検出し、試料の表面性状を計測する。上記３軸
微動機構は、支持部材に結合されかつＸ軸方向とＹ軸方
向の微動を行う２軸微動機構（ＸＹアクチュエータ）
と、カンチレバーが固定されかつＺ軸方向の微動を行う
１軸微動機構（Ｚ軸微動機構）からなり、２軸微動機構
に含まれる２つの微動素子が並列的位置関係になるよう
に２軸微動機構に２軸移動部（ＸＹ移動部）を設け、こ
の２軸移動部に１軸微動機構を固定している。また光学
装置は、装置フレームをなす支持部材に固定された光源
と、２軸移動部に固定された第１方向変換ミラーと、支
持部材に固定された第２方向変換ミラーと、２軸移動部
に固定された第３方向変換ミラーとから構成される。光
源からＹ軸に平行な方向に出射された光は、最初に第１
方向変換ミラーによってＺ軸に平行な方向に方向変換さ
れ、次に第２方向変換ミラーによってＸ軸に平行な方向
に方向変換され、次に第３方向変換ミラーによってカン
チレバーの背面に導かれ、常に当該背面の同一箇所に照
射される。

【００１８】上記の構成では、カンチレバーを走査移動
させる２軸移動部がＸ軸またはＹ軸の方向に平行移動
（並進運動）を行うと共に、第１方向変換ミラーと第３
方向変換ミラーを２軸移動部に設け、それらの中間の第
２の方向変換ミラーを支持部材に設け、この構成によっ
て、２軸移動部がＸ軸またはＹ軸の方向に平行移動をし
ても、カンチレバーのたわみ変形を検出するための光の
カンチレバー背面における照射箇所を常に一定に保つこ
とが可能となる。

【００１９】第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に
対応）： カンチレバーの背面で反射された光は、第３
方向変換ミラーによって光学装置の光検出器の受光面に
入射されるように方向変換され、光源から第３方向変換
ミラーまでの光の光路と第３方向変換ミラーから光検出
器までの光の光路の間で共通な光路部分を有しないこと
を特徴とする。

【００２０】第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に
対応）： 第１または第２の走査型プローブ顕微鏡にお
いて、第１方向変換ミラーと第２方向変換ミラーの各受
光面が、２軸移動部の２軸平面の移動の際、常に光を受
けることのできる十分な広さを有するように構成され
る。

【００２１】第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に
対応）： 第１の走査型プローブ顕微鏡において、好ま
しくは、２軸微動機構は並進移動機構である。

【００２２】第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に
対応）： 第１の走査型プローブ顕微鏡において、好ま
しくは、カンチレバーの取付け角度を水平面から１０°
±５°、第３方向変換ミラーの取付け角度を水平面から
４５°±１０°とするように構成される。

【００２３】第６の走査型プローブ顕微鏡（請求項６に
対応）： 第１の走査型プローブ顕微鏡において、好ま
しくは、２軸微動機構は直交配置した２つの圧電素子で
構成され、２軸移動部は、２つの圧電素子の交差部に連
結される。

【００２４】第７の走査型プローブ顕微鏡（請求項７に
対応）： 第１または第６の走査型プローブ顕微鏡にお
いて、好ましくは、支持部材と２軸移動部の間に、２軸
方向にのみ移動可能な弾性ガイド部材を設けるように構
成される。

【００２５】第８の走査型プローブ顕微鏡（請求項８に
対応）： 第１または第６の走査型プローブ顕微鏡にお
いて、好ましくは、２軸移動部の各々の軸部と２軸微動
機構部との間に平行平板弾性部材を設け、並進動作を行
えるように構成した。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００２７】図１〜図４を参照して本発明の第１の実施
形態を説明する。この実施形態では原子間力顕微鏡の例
を説明する。図１と図２は、走査型プローブ顕微鏡にお
ける本発明に関係する要部を示し、先部に探針を備えた
カンチレバーとその微動機構とカンチレバーの変形量を
検出する光てこ式検出光学装置の部分を示している。図
１と図２は、動作原理の説明を容易に行うため、構成を
概念的に示している。図１は測定のための微動動作を行
わない標準状態を示し、図２はカンチレバーがＸ軸また
はＹ軸の方向に並進移動した状態（ＸＹ並進状態）を示
している。また図１と図２では、それぞれ２つの図
（Ａ），（Ｂ）を含み、（Ａ）はＸ軸とＺ軸の各方向の
光路の状態が明示された図であり、（Ｂ）はＹ軸とＺ軸
の各方向の光路の状態が明示された図である。図３は、
前述のカンチレバーとその微動機構と光てこ式検出光学
装置からなるユニットの具体的一例を示した外観斜視図
であり、図１および図２に比較して装置構造をより具体
的に示している。図４は光学装置におけるカンチレバー
への入射光路とカンチレバーからの反射光路の関係を説
明する図である。

【００２８】各図において、探針１１を先部に備えたカ
ンチレバー１２は、その基端がＺ軸微動機構１３に固定
されている。測定時、探針１１は試料（図示せず）に所
定の距離で接近され、探針と試料の間に原子間力が生じ
ると、カンチレバー１２ではたわみ変形が生じる。Ｚ軸
微動機構１３は、Ｚ軸方向にカンチレバー１２を微小の
距離で変位させるもので、試料表面の測定の際、Ｚ軸微
動機構１３によって探針と試料の間の距離を所定の距離
に保つという働きを有する。Ｚ軸微動機構１３は、通常
圧電素子を利用して構成される。

【００２９】１４はＸＹ移動部である。ＸＹ移動部１４
は、ロッド状のＸ軸圧電素子１５ｘとＹ軸圧電素子１５
ｙが直交してなるＸＹアクチュエータ（ＸＹ微動機構）
１５に固定されるブロック状の部材である。図３に明示
されるように、ＸＹ移動部１４は、直交するＸ軸圧電素
子１５ｘとＹ軸圧電素子１５ｙの先端交差部に結合され
ている。さらに同じく図３に明示されるように、Ｘ軸圧
電素子１５ｘとＹ軸圧電素子１５ｙの各基端は、ほぼコ
の字型をした支持枠体１６に固定される。ＸＹアクチュ
エータ１５は、いわゆる従来のトライポッド微動機構に
近い構造を有し、後述するごとくＸＹ方向の並進移動機
構として機能する。また支持枠体１６は、走査型プロー
ブ顕微鏡において、動かない部分として固定されてい
る。この支持枠体１６において、ＸＹアクチュエータ１
５が動作することによって、ＸＹ移動部１４は並進移動
の動作を行う。すなわち、ＸＹ移動部１４は、Ｘ軸圧電
素子１５ｘがＸ軸方向に伸縮動作することによりＸ軸方
向に並進移動され、Ｙ軸圧電素子１５ｙがＹ軸方向に伸
縮動作することによりＹ軸方向に並進移動される。Ｘ軸
圧電素子１５ｘとＹ軸圧電素子１５ｙの伸縮動作は、各
々に設けられた電極に対して電源から必要な電圧を印加
することによって生じる。なお図において、当該電極や
電源の図示は省略されている。

【００３０】なお、上記のコの字型支持枠体１６は、Ｘ
軸平行部１６ａ，１６ｂとＹ軸平行部１６ｃを備えてい
る。Ｘ軸平行部１６ａ，１６ｂとＸ軸圧電素子１５ｘは
平行な位置関係にあり、Ｙ軸平行部１６ｃはＹ軸圧電素
子１５ｙと平行な位置関係にある。

【００３１】前述したＺ軸微動機構１３は、ＸＹ移動部
１４の先部に取り付けられている。このとき、本実施形
態では一例としてカンチレバー１２の長手方向がＸ軸方
向に向くように取り付けられる。従って、ＸＹ移動部１
４のＸ軸方向またはＹ軸方向の並進移動に伴って、Ｚ軸
微動機構１３に固定されたカンチレバー１２（探針１
１）も、Ｘ軸、Ｙ軸の各方向に並進移動する。

【００３２】上記のＸＹアクチュエータ１５には、ＸＹ
移動部１４がＸＹ方向に並進運動する機構であれば、ど
のようなものでも用いることができる。ＸＹアクチュエ
ータとしては上記のごとく圧電素子を用いるのが一般的
であり、微動機構の方式としては従来のトライポッド型
や平行板バネ型等が一般的である。

【００３３】次に、上記構成に対して、カンチレバー１
２のたわみ変形量を検出をするための光てこ式検出光学
装置の構成を説明する。なお、レーザ光の光路を中心と
して概念的構成を示した図１の構成と、具体的な装置構
造を示した図３の構成との間では、若干相違が存在する
が、構成は実質的に同じであり、実質的に同一の要素に
は同一の符号を付している。また以下の構成では、装置
構造が明確な図３に示したものに即しながら、図１に明
示されたレーザ光路Ｌ１〜Ｌ４を参照して説明される。

【００３４】光学装置は、レーザ光Ｌ１を出射する光源
（レーザ発振器）２１と、第１から第３の方向変換ミラ
ー２２，２３，２４と、光検出器２５から構成される。
光源２１は支持枠体１６のＸ軸平行部１６ａに固定さ
れ、Ｙ軸方向にレーザ光Ｌ１を出射する。第１方向変換
ミラー２２は、ＸＹ移動部１４の側面に固定され、Ｙ軸
方向のレーザ光Ｌ１をＺ軸方向のレーザ光Ｌ２に変換す
る。第２方向変換ミラー２３は、Ｘ軸平行部１６ａの内
面からＹ軸方向に延設された支持板１６ｄに固定され、
Ｚ軸方向のレーザ光Ｌ２をＸ軸方向のレーザ光Ｌ３に変
換する。第３方向変換ミラー２４は、同じくＸＹ移動部
１４の端面に固定され、レーザ光Ｌ３をカンチレバー１
３の背面の反射部に向け、レーザ光Ｌ４として入射させ
る。カンチレバー１３の背面の反射部で反射されたレー
ザ光は、後述されるように、第３方向変換ミラー２４と
カンチレバー１３の各々の設置角の関係に基づいて、第
３方向変換ミラー２４で反射され、光検出器２５の受光
面に入射される。光検出器２５は、支持枠体１６のＹ軸
平行部１６ｃに固定されている。

【００３５】なお、図１と図２に示した構成では、レー
ザ光の光路を明確に示すため、第１方向変換ミラー２２
と第３方向変換ミラー２４を、ＸＹ移動部１４に固定さ
れた取付け部１４ａ，１４ｂに取り付け、第２方向変換
ミラー２３を支持枠体１６に取り付けた構成を示してい
る。また斜線部２６は、固定されて動かないことを意味
している。

【００３６】次に、上記構成を有する走査型プローブ顕
微鏡の動作を図２を参照して説明する。

【００３７】図２の（Ａ）は、Ｘ軸圧電素子１５ｘが伸
縮動作してＸＹ移動部１４がＸ軸方向に並進移動した場
合を示している。このとき、光源２１と第２方向変換ミ
ラー２３は支持枠体１６に固定され、静止状態に保持さ
れ、ＸＹ移動部１４に固定された第１と第３の方向変換
ミラー２２，２４は、ＸＹ移動部１４の移動と共にＸ軸
方向に移動する。ＸＹ移動部１４のＸ軸方向の並進で
は、第１方向変換ミラー２２でのレーザ光入射位置が変
化し、かつ第２方向変換ミラー２３と第３方向変換ミラ
ー２４の光路が長くなるものの、カンチレバー１２の背
面におけるレーザ光Ｌ４の入射位置に変化はない。この
ようにＸＹ移動部１４の移動に伴ってカンチレバー１２
がＸ軸方向に移動しても、光てこ式検出光学装置のレー
ザ光のカンチレバー照射位置は変らず、Ｘ軸方向のレー
ザ光の補正が行われる。なお上記第１方向変換ミラー２
２のレーザ光を受ける面はＸ軸方向の並進動作に対応で
きる十分な広さを有するものであり、第２方向変換ミラ
ー２３のレーザ光を受ける面はＹ軸方向の並進動作に対
応できる十分な広さを有するものであるとする。

【００３８】図２の（Ｂ）は、Ｙ軸圧電素子１５ｙの伸
縮動作をしてＸＹ移動部１４がＹ軸方向に並進移動した
場合を示している。このとき、上記と同じく、光源２１
と第２方向変換ミラー２３が支持枠体１６に固定されて
移動せず、第１と第３の方向変換ミラー２２，２４がＹ
軸方向に並進動作する。その結果、光源２１と第１方向
変換ミラー２２の間の距離が変化すると共に、第２方向
変換ミラー２３におけるレーザ光の照射位置が変化す
る。レーザ光に関する移動量は、ＸＹ移動部１４のＹ軸
方向の並進量とは等しい。従って、ＸＹ移動部１４がＹ
軸方向に並進移動しても、カンチレバー１２の背面にお
けるレーザ光Ｌ４の入射位置に変化はない。このように
ＸＹ移動部１４の移動に伴ってカンチレバー１２がＹ軸
方向に移動しても、光てこ式検出光学装置のレーザ光の
カンチレバー照射位置は変らず、Ｙ軸方向のレーザ光の
補正が行われる。さらに第２方向変換ミラー２３は、固
定され動かないので、前述したＸ軸方向の補正と干渉す
ることはない。

【００３９】仮に、第２方向変換ミラー２３がＸＹ移動
部１４に固定されていたとすると、例えばＸＹアクチュ
エータ１５のＸ軸方向の並進移動に伴い、第２方向変換
ミラー２３の反射面でレーザ光Ｌ２の入射位置がＺ軸方
向で移動し、カンチレバー１２の背面におけるレーザ光
照射位置が変化することになる。これ対して、本実施形
態に係る光学装置では、第２方向変換ミラー２３を支持
枠体１６の側に固定して用いるようにしたので、カンチ
レバー１２がＸＹ方向に並進移動をしても、カンチレバ
ー１２とレーザ光Ｌ４の相対的な位置関係に変化がな
く、高精度な走査型プローブ顕微鏡を構成できる。

【００４０】次に、図３と図４を参照して、第３方向変
換ミラー２４と光検出器２５の間の光路について説明す
る。本実施形態では、例えば第３方向変換ミラー２４は
垂線から３５°の取付け角度で配置され、カンチレバー
１２は水平面から１５°の取付け角度で配置されてい
る。なお好ましくは第３方向変換ミラー２４は水平面か
ら４５°±１０°の取付け角、カンチレバー１２は水平
面から１０°±５°の取付け角で取り付けることがこと
ができる。この配置状態で、レーザ光Ｌ３，Ｌ４がカン
チレバー１２の背面に入射されると、レーザ光Ｌ５，Ｌ
６の方向に反射される。第３方向変換ミラー２４とカン
チレバー１２の取付け角度はいろいろな値をとり得る
が、本実施形態の位置関係にすることにより、レーザ光
Ｌ６は水平方向に対して１０°の角度で出射されること
になる。従って、レーザ光Ｌ６の延長に光検出器２５を
配置すれば、通常の光てこによりカンチレバー１２のた
わみ変形量を検出することが可能になる。当該レーザ光
Ｌ６は、図３に示すように、第１方向変換ミラー２２と
第２方向変換ミラー２３の間に位置する空間を通るよう
に設定され、干渉を防止することができる。

【００４１】上記の本実施形態によれば、カンチレバー
のたわみ変形量（変位量）を検出する光てこ式検出光学
装置において、カンチレバーがＸ軸方向またはＹ軸方向
に並進移動されても、レーザ光がカンチレバーに照射さ
れる位置に変動が生じないので、高精度なカンチレバー
変位検出ができると共に、構成が極めて薄型であるの
で、光学顕微鏡との複合が容易である。すなわち、光学
顕微鏡等のワーキングディスタンス内に、本実施形態に
係る構造物を挿入して使用することができる。また、並
進型のＸＹ微動機構を用いることができるので、ＸＹ方
向の走査精度を向上させることができる。

【００４２】次に、図５を参照して本発明の第２の実施
形態を説明する。図５において、図３に示された要素と
実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を
省略する。この実施形態では、支持枠体１６とＸＹ移動
部１６の間に、図５中例えば逆Ｌ字型をし、かつ４箇所
の弾性ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが形成さ
れた連結部材（弾性ガイド部材）３１が設けられ、この
連結部材で支持枠体３１とＸＹ移動部１４が連結されて
いる。その他の構成は、第１実施形態の構成と同じであ
る。この実施形態の構成によれば、連結部材３１はＸ軸
方向とＹ軸方向の並進は規制せず、これをガイドし、Ｚ
軸方向の移動に対して規制するので、Ｚ軸方向の剛性を
高めることができ、走査型プローブ顕微鏡の高速動作を
可能にしている。

【００４３】図６を参照して本発明の第３の実施形態を
説明する。図６はＸＹアクチュエータの平面図であり、
この実施形態ではＸＹアクチュエータの他の例を示して
いる。本実施形態のＸＹアクチュエータでは、支持枠体
１６に固定されるＸＹアクチュエータにおいて、Ｘ軸圧
電素子１５ｘおよびＹ軸圧電素子１５ｙとＸＹ移動部１
４との間に、平行平板型の弾性部材３２ａ，３２ｂ，３
２ｃ，３２ｄが設けられている。例えばＸ軸圧電素子１
５ｘが伸縮駆動されると、弾性部材３２ｃ，３２ｄが変
形する。Ｙ軸方向についても同様で、Ｙ軸圧電素子１５
ｙが伸縮駆動されると、弾性部材３２ａ，３２ｂが変形
する。本実施形態によれば、ＸＹアクチュエータの各圧
電素子が伸縮動作するとき平行平板でガイドされるた
め、きわめて高精度なＸＹ並進機構を実現できる。

【００４４】なお上記の各実施形態において、ＸＹアク
チュエータ（ＸＹ微動機構）またはＺ軸微動機構とし
て、その他のチューブ型、平行板バネ型などの各種の構
成が適用できることは言うまでもない。さらにＸＹ微動
とＺ微動を分離して構成する方式について説明したが、
例えばトライポッド機構のようにＸＹＺ微動が一体形成
されているタイプのものも使用することができる。その
場合、第１方向変換ミラー２２と第３方向変換ミラー２
４はＸＹＺ移動部に配置されることになる。またカンチ
レバーの検出方法として光てこ方式を用いたが、干渉を
用いる方式も可能である。さらには、カンチレバーへの
入射光と反射光の角度を変える場合について説明した
が、同軸にして構成することも可能である。その場合に
は、通常の光学系で用いられる偏向ビームスプリッタと
λ／４板を用いることにより行きと戻りのレーザ光を分
離することが望ましい。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、試料に対し配置されたカンチレバーをＸＹ方向に
移動して走査動作を行わせ、探針と試料の間の原子間力
などの作用によってカンチレバーにたわみ変形が生じた
とき、カンチレバーの当該たわみ変形量を光てこ式等の
光学装置で検出し、測定時の探針の変位量を検出するよ
うにした走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバー
の走査移動にはＸ軸方向並進またＹ軸方向並進を行える
微動機構を用いると共に、光学装置に、レーザ光がカン
チレバー背面の一定箇所に常に照射される光路構造を設
けたため、高い精度で測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の構成を概念的に説明す
るための標準状態を示す図であり、（Ａ）は側面図、
（Ｂ）は（Ａ）の構成を右方向から見た図である。

【図２】上記第１実施形態において並進動作を説明する
ための図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）の構
成を右方向から見た図である。

【図３】本発明の第１実施形態の構成を実現する具体例
を示す外観斜視図である。

【図４】第１実施形態におけるカンチレバーへのレーザ
光入射路とカンチレバーからのレーザ光反射路の一例を
示す図である。

【図５】本発明の第２実施形態の構成を示す外観斜視図
である。

【図６】本発明の第３実施形態の構成を示す要部の平面
図である。

【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡の第１例を示す構
成図である。

【図８】従来の走査型プローブ顕微鏡の第２例を示す構
成図である。

【図９】従来の走査型プローブ顕微鏡の第３例の要部構
成図である。

【図１０】従来の走査型プローブ顕微鏡の第４例の要部
構成図である。

【符号の説明】

１１ 探針 １２ カンチレバー １３ Ｚ軸微動機構 １４ ＸＹ移動部 １５ ＸＹアクチュエータ（ＸＹ微動
機構） １５ｘ Ｘ軸圧電素子 １５ｙ Ｙ軸圧電素子 １６ 支持枠体 ２１ 光源 ２２ 第１方向変換ミラー ２３ 第２方向変換ミラー ２４ 第３方向変換ミラー ２５ 光検出器 ３１ 連結部材（弾性ガイド部材） ３２ａ〜３１ｄ 弾性部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 高史 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社 土浦工場内 (72)発明者 黒田 浩史 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社 土浦工場内 (56)参考文献 特開 平８−105904（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−105903（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−128467（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−333930（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−335199（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針を有するカンチレバーと、直交する
   Ｘ軸とＹ軸とＺ軸の３軸で定められる座標空間で前記探
   針と試料の間の相対的位置関係を変更する３軸微動機構
   と、前記探針の変位量を検出する光学装置を含み、前記
   探針と前記試料の間に作用する物理量により生じる前記
   カンチレバーのたわみ変形量を前記光学装置で検出する
   ことにより前記探針の変位量を検出し、前記試料の表面
   性状を計測する走査型プローブ顕微鏡において、 前記３軸微動機構は、支持部材に結合されかつＸ軸方向
   とＹ軸方向の微動を行う２軸微動機構と、前記カンチレ
   バーが固定されかつＺ軸方向の微動を行う１軸微動機構
   とからなり、前記２軸微動機構に含まれる２つの微動素
   子が並列的位置関係になるように前記２軸微動機構に２
   軸移動部を設け、この２軸移動部に前記１軸微動機構を
   固定し、 前記光学装置は、前記支持部材に固定された光源と、前
   記２軸移動部に固定された第１方向変換部と、前記支持
   部材に固定された第２方向変換部と、前記２軸移動部に
   固定された第３方向変換部とからなり、前記光源からＹ
   軸に平行な方向に出射された光は、最初に前記第１方向
   変換部によってＺ軸に平行な方向に方向変換され、次に
   前記第２方向変換部によってＸ軸に平行な方向に方向変
   換され、次に前記第３方向変換部によって前記カンチレ
   バーの背面に導かれ、常に当該背面の同一箇所に照射さ
   れる、 ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】前記カンチレバーの背面で反射された前記
   光は、前記第３方向変換部によって前記光学装置の光検
   出器の受光面に入射されるように方向変換され、前記光
   源から前記第３方向変換部までの前記光の光路と前記第
   ３方向変換部から前記光検出器までの前記光の光路の間
   で共通な光路部分を有しないことを特徴とする請求項１
   記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記第１方向変換部と前記第２方向変換
   部の各受光面は、前記２軸移動部の２軸平面の移動の
   際、前記光の入射位置に対応する広さを有することを特
   徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微
   鏡。
4. 【請求項４】 前記２軸微動機構は並進移動機構である
   ことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微
   鏡。
5. 【請求項５】 前記カンチレバーの取付け角度を水平面
   から１０°±５°、第３方向変換部の取付け角度を水平
   面から４５°±１０°としたことを特徴とする請求項１
   記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記２軸微動機構は直交配置した２つの
   圧電素子で構成され、前記２軸移動部は、前記２つの圧
   電素子の交差部に連結されることを特徴とする請求項１
   記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記支持部材と前記２軸移動部の間に、
   ２軸方向にのみ移動可能な弾性ガイド部材を設けたこと
   を特徴とする請求項１または６記載の走査型プローブ顕
   微鏡。
8. 【請求項８】 前記２軸移動部の各々の軸部と前記２軸
   微動機構部との間に平行平板弾性部材を設け、並進動作
   を行えるようにしたことを特徴とする請求項１または６
   記載の走査型プローブ顕微鏡。