JP4939086B2

JP4939086B2 - 原子間力顕微鏡

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Publication number: JP4939086B2
Application number: JP2006070132A
Authority: JP
Inventors: 勇大熊
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007248168A

Description

本発明は、表面形状測定を行う原子間力顕微鏡において、カンチレバーの変位を検出するために、特に数十ピコメートルの再現性を備える原子間力顕微鏡に関するものである。

原子間力顕微鏡は、被測定物表面とその極近傍に配置されたカンチレバーとの原子間力をカンチレバーのたわみ量（変位）として検出し、その力を一定に保ちながらたわみ方向および垂直平面上を走査する。その際、たわみ方向に走査するアクチュエータに印加した電圧値と垂直平面上の座標から、被測定物表面の形状データを取得する。

被測定物表面とカンチレバーの間の原子間力の変化は、ＡＣモードとＤＣモードと呼ばれる動作で検出される。前者はカンチレバーを共振周波数付近で加振し、原子間力が変化した際の振幅もしくは位相の変化を検出して、一定に保つ制御を行う。後者はカンチレバーのたわみ量を原子間力の変化として検出し、一定に保つ制御を行う。両者ともカンチレバーのたわみ量検出法は、レーザー光をカンチレバーによって反射させ、拡大された変位量を受光器で検出する「光てこ」方式が多く用いられている。

しかし、原子間力顕微鏡で数十ピコメートルの再現性を達成するためには、以下のようなノイズ成分の低減が必要となる。

１．光路の揺らぎおよび光学系振動
２．装置振動
３．カンチレバーの熱ドリフト
４．圧電素子のヒステリシス
５．受光器および回路のノイズ

特にＤＣモードの測定では、上記すべてのノイズ要因を低減させなければならない。

従来の光てこ光学系における光路の揺らぎや光学系振動のノイズ低減方法には、特許文献１に開示されたように、偏光を利用したものがある。この方法について図３を参照しながら説明する。レーザー光源１０１からレーザー光を射出させ、レンズ１４７を通じて一旦収束させた後発散させる。この発散光をビームスプリッタ１４８に入射させ、その透過光を偏光方向により分離角が異なるプリズム１４９（ウォーラストンプリズム）を通して２つの測定光Ｐ、Ｓに分離する。分離した測定光Ｐ、Ｓをレンズ１５０を通して、カンチレバー１０５の自由端付近と固定端付近によって反射させる。２つの反射光を再びレンズ１５０とプリズム１４９を通し、ビームスプリッタ１４８によってレーザー光源１０１とは異なる方向に反射させ、さらに偏光ビームスプリッタ１５１を通して分離する。こうして分離された測定光Ｐ、Ｓは、それぞれの焦点位置で光検出素子１０８、１０９に入射する。

光検出素子１０８、１０９上の変位情報は、処理回路により電圧値情報に変換され、測定光Ｐ、Ｓの変位情報の差分をとることで、光路揺らぎと光学系振動成分は同相成分としてキャンセルされるため、カンチレバー１０５のたわみ量のみを検出することができる。
特開平０５−００５６２２号公報

しかしながら、上記従来例では、１箇所のウォーラストンプリズムの微動により、２つのレーザースポット径を調節するため、以下のような欠点があった。

まず、２つのレーザースポット径を独立して設定できないため、カンチレバーの幅より小さい径にすることが難しく、散乱光が発生し、検出感度が落ちる。

また、上記従来例のように偏光を利用した方法では、微小範囲内での測定点が３つ以上になると、干渉・迷光により互の信号を区別できないため、微小範囲内にカンチレバーを複数配置して測定することが不可能であった。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、複数のレーザースポット径を独立して調整自在であり、ノイズの影響を受けることなく数十ピコメートルの再現性を実現できる原子間力顕微鏡を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の原子間力顕微鏡は、カンチレバーに入射した光の反射光を受光し、被測定物との間の原子間力による前記カンチレバーの変位を測定する原子間力顕微鏡において、互に波長の異なるレーザー光を発生する２つの独立した光源と、前記２つの光源によるレーザー光のうちの一方を前記カンチレバーの自由端部で反射させ、他方を前記カンチレバーの固定端部で反射させる互いに独立に焦点位置が調整可能な２つの集光光学系と、前記カンチレバーの自由端部で反射した反射光と前記カンチレバーの固定端部で反射した反射光とを略同方向に導きかつ前記反射光同士を互いに近接した空間に案内する、ミラーもしくは前記光源から照射されるレーザー光と前記反射光とを分離するビームスプリッタと、前記カンチレバーの自由端部で反射した反射光と前記カンチレバーの固定端部で反射した反射光とをそれぞれ受光する２つの受光器と、前記２つの受光器の入射側に配置された前記波長の異なる２つのレーザー光を分離するダイクロイックミラーと、を有し、前記２つの受光器による独立した２つの出力に基づいて前記カンチレバーの変位を演算することを特徴とする。

カンチレバーの固定端と自由端の近傍の変位を検出するための波長の異なる２つのレーザー光が、それぞれ２つの受光器上で検出され、演算回路でその差分をとることにより、光路の揺らぎや光学系の振動によるノイズを同相成分として相殺する。また、カンチレバーによって反射する２つのレーザースポット径を互に独立して調整できるため、カンチレバーの幅より小さい径にすることができる。従って、被測定物の表面への散乱光が減り、受光器に入射する迷光を減少させ、検出感度を向上させることができる。

また、２つのレーザー光の光路が隣接するように光学系を構成することで、２つの光路をほぼ同じ空間とすることとなり、光路の揺らぎおよび光学系の振動による影響を極力抑えることが可能となる。

また、隣接して配置された２つの光を、２つの受光器の直前（入射側）にダイクロイックミラーを配置し分離することで、２つの光路が通る空間を極力等しくすることができる。また、受光器の受光面より小さな範囲内に２つのレーザー光が集光点を持つ場合でも、互に干渉せずに独立して変位を検出できる。

このような変位検出装置を具備することで、数十ピコメートルの再現性と省スペース構造を有する原子間力顕微鏡を実現することができる。

さらに、約１平方ｍｍ程度の範囲内に配置された複数のカンチレバーの変位を互に干渉させることなく、かつ同時に測定できるため、数十ピコメートルの再現性と装置の省スペース化に加えて、測定時間の短縮が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、独立した光源である２つのレーザー光源１、２を有し、これらは互に異なる波長のレーザー光３、４を発生する。カンチレバー５の背面には、レーザー光３、４を反射するミラー面を形成してある。２つのレーザー光３、４は、各レーザー光源１、２に対応して、それぞれコリメータレンズを含む２組の独立した集光光学系２３、２４を経て、カンチレバー５のミラー面上で焦点を結ぶように構成されている。

第１のレーザー光３はカンチレバー５の自由端部のミラー面に入射して焦点を結び、ミラー６およびダイクロイックミラー７を経て第１の受光器８に入射する。第２のレーザー光４はカンチレバー５の固定端部のミラー面に入射して焦点を結び、ミラー６と、第２のレーザー光４の波長近傍のみを反射するダイクロイックミラー７で反射した後、第２の受光器９に入射する。２つの受光器８、９に入射したレーザー光３、４の位置情報は、それぞれ信号処理回路により電圧値（出力）に変換され、この電圧値の差分から、補正されたカンチレバー変位を得る。

この時レーザー光３、４は、隣接して配置されており、これに伴い集光光学系２３、２４も隣接して配置している。またダイクロイックミラー７は、２つの受光器８、９の直前に配置されている。これによりレーザー光３、４の通過する空間を極力等しくすることができる。

図１においては１つのミラー６により、レーザー光３、４の両方を反射しているが、それぞれが反射される２つのミラーを配置することもできる。ただしこの場合、隣接して配置される。

また、前記ダイクロイックミラー７の代わりに、一方のレーザー光の光路のみを遮る反射ミラーとすることも可能である。しかしながら、２つのレーザー光３、４が非常に近接しているため、一方の光は透過し、他方の光は反射するダイクロイックミラー７が好ましい。

図１は実施例１による原子間力顕微鏡の構成を示す。第１のレーザー光源１および第２のレーザー光源２は、互に５０〜１００ｎｍ程度波長の異なるレーザ光３、４を発生する。レーザー光源１、２はそれぞれコリメータレンズを備え、カンチレバー５に入射する際にスポット径が焦点を結ぶようにそれぞれ独立して調整することで、レーザー光３、４のスポット径をカンチレバー５の幅より小さくすることができる。これによって、被測定物Ｗへの散乱光が減り、受光器８、９に入射する迷光を減少させ、検出感度を向上させることができる。

第１のレーザー光３はカンチレバー５の自由端付近で、第２のレーザー光４はカンチレバー５の固定端付近で、それぞれ反射され、さらにミラー６によって反射される。ミラー６の代わりに、被測定物Ｗに入射する光と反射光を分離するビームスプリッタを設けてもよい。

レーザー光４は、その波長近傍のみを反射するダイクロイックミラー７によって、光路を変化させ、受光器９に入射する。この受光器の代わりに、四分割ダイオードあるいは２次元位置検出素子を用いることもできる。受光器９に入射したレーザー光４の変位情報は、電気回路中の減算器１３、加算器１４、除算器１５により信号処理され、レーザー光４の強度に依存しない電圧値に変換される。

この場合、受光器９に入射したレーザー光４のスポット径は、カンチレバー５上でのスポット径より大きくても、受光器９に要求される分解能を満たすことができる径、具体的にはスポット径１ｍｍ程度であればよい。

一方、レーザー光３は、ダイクロイックミラー７をまっすぐ透過し、受光器８に入射する。この受光器の代わりに、四分割ダイオードあるいは２次元位置検出素子を用いてもよい。受光器８に入射したレーザー光３の変位情報も同様に、電気回路中の減算器１０、加算器１１、除算器１２により信号処理され、レーザー光３の強度に依存しない電圧値に変換される。この場合、受光器８に入射したレーザー光３のスポット径は、カンチレバー５上でのスポット径より大きくても、受光器８に要求される分解能を満たすことができる径、具体的にはスポット径１ｍｍ程度であればよい。

受光器８の電圧信号からは、カンチレバー５のたわみ角の情報を変位に変換した信号だけでなく、光路揺らぎと光学系振動によるノイズ成分を足し合わせた信号が検出される。一方、受光器９の電圧信号からは、光路揺らぎと光学系振動によるノイズ成分を足し合わせた信号が検出される。そして受光器８の電圧信号と前記受光器９の電圧信号から、減算器１６で差分の電圧信号を得る。このようにして、光路揺らぎと光学系振動によるノイズ成分を取り除いた、カンチレバー５の微小なたわみ角の情報を変位データに変換した信号のみを得ることができる。

以上の手順で得られたカンチレバー５の微小なたわみ量を表わす電圧を一定に保つように、制御部１７は駆動回路１８に指令を出し、変位データはデータ処理部１９に導入される。カンチレバー５の駆動部はＸピエゾ２０、Ｚピエゾ２１、Ｚ加振ピエゾ２２を有し、駆動回路１８はＺピエゾ２１を駆動する。これにより、カンチレバー５と被測定物Ｗの距離を常に一定に保ちながらＸピエゾ２０でスキャンして、データ処理部１９が被測定物Ｗの表面の形状を表わす変位データを得る。

図２は実施例２による原子力間顕微鏡の構成を示す。これは、実施例１のカンチレバー５に加えて第２のカンチレバー５ａを用いるもので、カンチレバー５ａにもカンチレバー５と同様の変位検出系が配設される。なお、付加するカンチレバーおよび変位検出系は複数でもよい。

カンチレバー５、５ａにそれぞれ対応するレーザー光源１、２、１ａ、２ａは、互に５０〜１００ｎｍ程度波長の違うレーザー光３、４、３ａ、４ａを発生する。また、レーザー光源１、２、１ａ、２ａはそれぞれ図示しないコリメータレンズを備えており、カンチレバー５、５ａに入射する際にスポット径が焦点を結ぶようにそれぞれ独立して調整できる。この構成により、レーザー光３、４、３ａ、４ａのカンチレバー５、５ａにおけるスポット径を、カンチレバー５、５ａの幅より小さくすることができる。その結果、被測定物Ｗの表面への散乱光が減り、受光器８、９、８ａ、９ａに入射する迷光を減少させ、検出感度を向上させることができる。また、１平方ｍｍ程度の微小範囲内に設置された複数のカンチレバー変位を、互に干渉することなく検出することを可能にする。

レーザー光３はカンチレバー５の自由端付近で、レーザー光４はカンチレバー５の固定端付近でそれぞれ反射する。また、レーザー光３ａはカンチレバー５ａの自由端付近で、レーザー光４ａはカンチレバー５ａの固定端付近でそれぞれ反射する。

カンチレバー５から反射したレーザー光３、４とカンチレバー５ａから反射したレーザー光３ａ、４ａはすべてミラー６で反射する。その後、レーザー光４ａは、その近傍の波長のみを反射するダイクロイックミラー７ａで反射され、受光器９ａで検出され、残りのレーザー光３、４、３ａは透過する。続いて、レーザー光３ａは、その近傍の波長のみを反射するダイクロイックミラー７ｂで反射され、受光器８ａで検出され、残りのレーザー光３、４は透過する。さらに、レーザー光４は、その近傍の波長のみを反射するダイクロイックミラー７で反射されて受光器９で検出され、残りのレーザー光３はダイクロイックミラー７を透過する。最後に、レーザー光３は受光器８で検出される。

受光器９に入射したレーザー光４の変位情報は、電気回路中の減算器１３、加算器１４、除算器１５により信号処理され、レーザー光４の強度に依存しない電圧値に変換される。また、受光器８に入射したレーザー光３の変位情報も同様に、電気回路中の減算器１０、加算器１１、除算器１２により信号処理され、レーザー光３の強度に依存しない電圧値に変換される。そして前記受光器８の電圧信号と前記受光器９の電圧信号から、減算器１６で差分の電圧信号を得る。このようにして、光路揺らぎと光学系振動によるノイズ成分を取り除いた、カンチレバー５の微小なたわみ角の情報を変位に変換した信号のみを得ることができる。

一方、受光器９ａに入射したレーザー光４ａの変位情報は、電気回路中の減算器１３ａ、加算器１４ａ、除算器１５ａにより信号処理され、レーザー光４ａの強度に依存しない電圧値に変換される。また、受光器８ａに入射したレーザー光３ａの変位情報も同様に、電気回路中の減算器１０ａ、加算器１１ａ、除算器１２ａにより信号処理され、レーザー光３ａの強度に依存しない電圧値に変換される。そして受光器８ａの電圧信号と受光器９ａの電圧信号から、減算器１６ａで差分の電圧信号を得る。このようにして、光路揺らぎと光学系振動によるノイズ成分を取り除いた、カンチレバー５ａの微小なたわみ角の情報を変位に変換した信号のみを得ることができる。

カンチレバー５ａに対応する制御部１７ａ、駆動回路１８ａ、データ処理部１９ａ、Ｚピエゾ２１ａ、Ｚ加振ピエゾ２２ａは、カンチレバー５に対応するものと同様である。

この構成により、１平方ｍｍ程度の微小範囲内に複数のカンチレバーが設置された場合でも、互に干渉することなく、光路揺らぎと光学系振動によるノイズ成分を取り除いた高精度なカンチレバー変位を表わす信号のみを得ることができる。このように、微小範囲内の表面粗さ測定を２箇所で行うことができるため、原子間力顕微鏡の測定時間を低減することができる。

実施例１の構成を示す模式図である。実施例２の構成を示す模式図である。従来例を示す模式図である。

符号の説明

１、１ａ、２、２ａレーザー光源
３、３ａ、４、４ａレーザー光
５、５ａカンチレバー
７、７ａ、７ｂダイクロイックミラー
８、８ａ、９、９ａ受光器

Claims

カンチレバーに入射した光の反射光を受光し、被測定物との間の原子間力による前記カンチレバーの変位を測定する原子間力顕微鏡において、
互に波長の異なるレーザー光を発生する２つの独立した光源と、
前記２つの光源によるレーザー光のうちの一方を前記カンチレバーの自由端部で反射させ、他方を前記カンチレバーの固定端部で反射させる互いに独立に焦点位置が調整可能な２つの集光光学系と、
前記カンチレバーの自由端部で反射した反射光と前記カンチレバーの固定端部で反射した反射光とを略同方向に導きかつ前記反射光同士を互いに近接した空間に案内する、ミラーもしくは前記光源から照射されるレーザー光と前記反射光とを分離するビームスプリッタと、
前記カンチレバーの自由端部で反射した反射光と前記カンチレバーの固定端部で反射した反射光とをそれぞれ受光する２つの受光器と、
前記２つの受光器の入射側に配置された前記波長の異なる２つのレーザー光を分離するダイクロイックミラーと、
を有し、
前記２つの受光器による独立した２つの出力に基づいて前記カンチレバーの変位を演算することを特徴とする原子間力顕微鏡。
前記カンチレバーと、前記２つの光源および前記２つの集光光学系からなる変位検出装置を複数備えており、
前記複数の光源は互にすべて異なる波長のレーザー光を発生することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。