JP5140179B2 - Displacement detection method of scanning probe microscope - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象に光源からの光を照射し、照射後の光の強度を光検出器で検出する光学式変位検出機構に係わる変位検出方法に関するものであり、特にサンプル表面の形状情報や、様々な物理情報(例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等)を計測する走査型プローブ顕微鏡、表面粗さ計、硬度計や電気化学顕微鏡等の表面情報計測装置の変位検出方法に関するものである。 The present invention relates to a displacement detection method related to an optical displacement detection mechanism that irradiates a measurement target with light from a light source and detects the intensity of the light after irradiation with a photodetector. Of surface information measuring devices such as scanning probe microscopes, surface roughness meters, hardness meters, and electrochemical microscopes that measure various physical information (for example, dielectric constant, magnetization state, transmittance, viscoelasticity, friction coefficient, etc.) The present invention relates to a displacement detection method.
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を用いた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, the schematic block diagram of the scanning probe microscope using the conventional typical optical displacement detection mechanism is shown in FIG. 6 (for example, refer 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
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
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
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。(例えば、非特許文献1参照)
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。
Here, the operation principle of the optical lever type optical displacement detection mechanism will be described in detail. (For example, see Non-Patent Document 1)
7A is a schematic configuration diagram of the optical
この光検出器235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差を測定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。光検出器235に光が入射すると、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245とフィードバック抵抗RIVにより構成される電流/電圧変換回路242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242のフィードバック抵抗値をRIVとすると、vA=RIV×iA、vB=RIV×iBの関係がある。このように、電流/電圧変換回路242は増幅率RIVで電流信号を電圧信号に変換する初段の増幅器として作用する。
By measuring the difference in intensity between the light incident on the region A of the upper light receiving surface of the
これらの電圧信号vA、vBは、オペアンプ246と抵抗R2,R3により構成される差動増幅回路243に送られて、電圧の差信号vA−Bを検出する。ここで、図7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243は増幅率R3/R2で電圧信号を増幅する増幅器として作用し、電圧信号vA−Bを出力する。
These voltage signals vA and vB are sent to a
ここで、図6、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, when the
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、Z微動機構213によりプローブ209とサンプル211表面間の距離を制御し、XYスキャナ213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
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)の量子ノイズを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。ただし、これらの工夫を行っても、モードホップノイズや戻り光ノイズは完全には排除できないため、光源側の光強度を2mW以下で駆動を行っていた。 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. . However, even if these devices are used, mode hop noise and return light noise cannot be completely eliminated. Therefore, the light intensity on the light source side is driven at 2 mW or less.
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.
以上のように、光源の出力を最適化して光学式変位検出機構の検出感度に対するノイズの割合が小さくなるように光源の出力の最適化を行っていたが、従来の光学式変位検出機構では光源側の光強度と、光検出器側の増幅器の増幅率を固定していたので、以下のような問題があった。(1)測定対象の反射率などの光学特性や測定対象の形状により、光検出器の受光面での光強度が変わってしまうため、測定対象によって検出感度やノイズの割合が異なってしまう。
(2)光源から測定対象への照射光により測定対象が加熱され、測定対象が変形する場合がある。
(3)光てこ方式の光学式変位検出機構などでは測定対象の長さなどの形状やバネ定数などの機械的特性により検出感度が変わってしまう。
As described above, the output of the light source is optimized so that the ratio of noise to the detection sensitivity of the optical displacement detection mechanism is reduced, but the conventional optical displacement detection mechanism uses a light source. Since the light intensity on the side and the amplification factor of the amplifier on the photodetector side were fixed, there were the following problems. (1) Since the light intensity on the light receiving surface of the photodetector changes depending on the optical characteristics such as the reflectance of the measurement object and the shape of the measurement object, the detection sensitivity and the ratio of noise differ depending on the measurement object.
(2) The measurement object may be heated by the irradiation light from the light source to the measurement object, and the measurement object may be deformed.
(3) In an optical lever type optical displacement detection mechanism or the like, the detection sensitivity changes depending on the shape such as the length of the object to be measured and the mechanical characteristics such as the spring constant.
特に、走査型プローブ顕微鏡では、検出感度の低下やノイズの増加を防ぐために測定対象であるシリコンまたはシリコンナイトライド製のカンチレバーにアルミニウムや金などをコートして反射率を稼ぐ工夫が行われている。また、走査型プローブ顕微鏡でサンプルの電気的な特性を測定する場合には、カンチレバーに金や、ロジウムなどの導電体をコートしてカンチレバーに導電性を持たしている。また、測定するサンプルによりバネ定数や共振周波数などの機械的な特性や形状が異なるカンチレバーが選択される。 In particular, scanning probe microscopes have been devised to increase reflectance by coating aluminum or gold on the silicon or silicon nitride cantilever to be measured in order to prevent a decrease in detection sensitivity or an increase in noise. . When measuring the electrical characteristics of a sample with a scanning probe microscope, the cantilever is made conductive by coating the cantilever with a conductor such as gold or rhodium. Further, cantilevers having different mechanical characteristics and shapes such as spring constant and resonance frequency are selected depending on the sample to be measured.
したがって、走査型プローブ顕微鏡ではカンチレバーにより反射率が大きく異なり、測定対象によって検出感度やノイズの割合が異なってしまう。 Therefore, in the scanning probe microscope, the reflectance varies greatly depending on the cantilever, and the detection sensitivity and the ratio of noise vary depending on the measurement target.
また、カンチレバーへコートされた膜の材質と、カンチレバーの母材の線膨張係数の差により光源からの照射光によりカンチレバーの温度が上昇しカンチレバーがたわみ変形が生じてしまう。検出感度に対するノイズの割合を考慮した場合には、高い強度でカンチレバーに光を照射するため、バネ定数の小さいカンチレバーでは熱変形の影響が大きい。 Further, the temperature of the cantilever rises due to the irradiation light from the light source due to the difference in the linear expansion coefficient between the material of the film coated on the cantilever and the base material of the cantilever, and the cantilever is bent and deformed. Considering the ratio of noise to detection sensitivity, the cantilever is irradiated with light at a high intensity. Therefore, a cantilever with a small spring constant is greatly affected by thermal deformation.
また、形状の異なるカンチレバーを選択した場合には、光てこのてこ比が変わってしまうため検出感度が変化してしまう。 Further, when cantilevers having different shapes are selected, since the lever ratio of the light lever changes, the detection sensitivity changes.
以上のような問題によって、従来の光学式変位検出機構による変位検出方法では測定精度が悪化してしまう場合があった。 Due to the above problems, the measurement accuracy may be deteriorated in the displacement detection method using the conventional optical displacement detection mechanism.
したがって、本発明の目的は、測定対象が変わっても測定対象の反射率や形状や機械的特性に依存せずに検出感度やノイズの割合が調整可能で、測定対象への照射光による測定対象の熱変形の影響が小さくでき、最適な条件下で測定精度を確保できるような変位検出方法およびそれを採用した走査型プローブ顕微鏡を提供することである。 Therefore, the object of the present invention is to adjust the detection sensitivity and the ratio of noise without depending on the reflectance, shape and mechanical characteristics of the measurement object even if the measurement object changes, and the measurement object by the irradiation light to the measurement object It is an object of the present invention to provide a displacement detection method and a scanning probe microscope employing the displacement detection method that can reduce the influence of thermal deformation of the material and ensure measurement accuracy under optimum conditions.
上記課題を解決するために、本発明では以下の光学式変位検出機構における変位検出方法を構成した。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has the following displacement detection method in the optical displacement detection mechanism.
測定対象に光を照射する光源と、光源を駆動する光源駆動回路と、光源から測定対象に照射した後の光を受光し光強度を検出する光検出器と、光検出器の検出信号を所定の増幅率で増幅する増幅器とを含む光学式の変位検出機構に係わる変位検出方法において、光源から測定対象への照射光強度を任意に変更する手段(光強度可変手段)による光強度の調整と、当該光強度の調整により生じた不具合に対する再度の光強度を低減する調整及び増幅器の増幅率を任意に変更する手段(増幅率可変手段)による検出信号強度の調整を行なう強度調整を経ることにより、測定対象によらず前記光検出器での一定精度の光検出を可能にするようにした。 A light source that irradiates light to the measurement target, a light source driving circuit that drives the light source, a light detector that receives light after irradiating the measurement target from the light source and detects the light intensity, and a detection signal of the light detector is predetermined. In a displacement detection method related to an optical displacement detection mechanism including an amplifier that amplifies at an amplification factor of, the light intensity is adjusted by means (light intensity variable means) that arbitrarily changes the light intensity irradiated from the light source to the measurement object ; By performing an intensity adjustment for adjusting the detection signal intensity by means of adjusting the light intensity again for the trouble caused by the adjustment of the light intensity and means for arbitrarily changing the amplification factor of the amplifier (amplification factor variable means) The light detector can detect light with a certain accuracy regardless of the measurement object.
光源からの光を測定対象に照射し、測定対象からの反射光を光検出器で受光し、測定対象の反射率に応じて、測定対象に照射される光強度を調整し、測定対象を反射後の反射光強度が所定の値になるようにした。 Light from the light source is irradiated onto the measurement target, the reflected light from the measurement target is received by the photodetector, the light intensity irradiated to the measurement target is adjusted according to the reflectance of the measurement target, and the measurement target is reflected The reflected light intensity later was set to a predetermined value.
また、測定対象の反射率の違いによる受光強度の違いに応じて、光検出器での検出感度が所定の値となるように検出信号を増幅するようにした。 Further, the detection signal is amplified so that the detection sensitivity at the photodetector becomes a predetermined value in accordance with the difference in the received light intensity due to the difference in the reflectance of the measurement object.
以上の変位測定方法とすることで、測定対象の形状や反射率によらず、光検出器の受光面での強度を調整することができるようにした。その結果、検出感度やノイズの割合を最適な状態に任意に設定することが可能となる。 By adopting the above displacement measurement method, the intensity at the light receiving surface of the photodetector can be adjusted regardless of the shape and reflectance of the measurement target. As a result, it is possible to arbitrarily set the detection sensitivity and the noise ratio to an optimum state.
また、本発明では、前記光源からの光を前記測定対象に照射した際に、前記照射光による前記測定対象が加熱され、前記測定対象が変形する不具合を生じた場合、変形量が所定の値に納まるように、前記測定対象に照射する光強度を下げて、増幅率を上げるようにした。 In the present invention, the light from the light source upon irradiating the measurement object, wherein by irradiating light measured is heated, if caused a problem that the measurement target is deformed, the deformation amount is a predetermined value to fit, by lowering the intensity of light irradiating the measurement target, it was Unishi by increasing the amplification factor.
また、本発明では、前記光源からの光を前記測定対象に照射した際に、当該測定対象の一部であるカンチレバーを反射して光検出器に入射する光以外の迷光の影響による測定結果への不具合を生じた場合、その不具合を抑えるように、前記測定対象に照射する光強度を下げて、増幅率を上げるようにした。 Further, in the present invention, when the measurement object is irradiated with light from the light source, the measurement result is caused by the influence of stray light other than the light that reflects the cantilever that is a part of the measurement object and enters the photodetector. In order to suppress the problem, the intensity of light applied to the measurement object is lowered to increase the amplification factor .
このように構成することで、測定対象の熱変形や迷光の影響による測定精度への影響が出ないように光強度の再調整を行うことが可能となる。 With such a configuration, the influence of the measurement accuracy due to thermal deformation and impact of stray light to be measured it is possible to perform readjustment of the light intensity so as not to.
光源としては、スーパールミネッセンスダイオード、発光ダイオード又は、高周波変調又は光学系による偏光によって戻り光を防止した半導体レーザのいずれかであるようにした。 The light source was either a super luminescence diode, a light emitting diode, or a semiconductor laser whose return light was prevented by high frequency modulation or polarization by an optical system.
以上にように本発明は、走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置に用いられるカンチレバーやプローブの反射率などの光学的特性や形状や機械的特性の影響による検出感度やノイズの悪化あるいは熱変形といった不具合が防止でき、最適な光強度と増幅率で検出を行うことが可能であるため、走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置の測定を最適な条件下で行うことが可能となる。 The present invention, as above, the scanning probe microscope and the surface information measuring apparatus optical characteristics and shape and that by the influence of the mechanical properties detection sensitivity and noise deterioration or heat, such as a cantilever or reflectance probes used for Defects such as deformation can be prevented, and detection can be performed with an optimal light intensity and amplification factor. Therefore, measurement with a scanning probe microscope or a surface information measuring device can be performed under optimal conditions.
以上のように、本発明の変位検出機構は、測定対象に照射される光強度を調整する光強度可変手段により光強度を調整し、また、光検出器に設けられた増幅器に設けた増幅率可変手段により検出信号の強度を調整することで、測定対象が変わっても測定対象の反射率などの光学特性、あるいは形状、バネ定数などの機械的特性に依存せずに検出感度やノイズの割合が調整可能で、測定対象への照射光による測定対象の熱変形などの不具合の影響が小さくでき、最適な条件下で測定精度を確保することが可能である。 As described above, the displacement detector structure of the present invention adjusts the more light intensity in the optical intensity varying means to adjust the intensity of light irradiated on the measurement object, also provided to an amplifier provided on the light detector By adjusting the intensity of the detection signal using the variable amplification factor means, even if the measurement target changes, the detection sensitivity and the optical characteristics such as the reflectance of the measurement target or the mechanical characteristics such as the shape and the spring constant are not affected. The ratio of noise can be adjusted, the influence of defects such as thermal deformation of the measurement object due to the irradiation light on the measurement object can be reduced, and measurement accuracy can be ensured under optimum conditions.
特に、本発明の光学式変位検出機構を走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置に適用することで走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置の測定を最適な条件下で行うことが可能となり、高精度での測定が可能となる。 In particular, by applying the optical displacement detection mechanism of the present invention to a scanning probe microscope and a surface information measuring device, it becomes possible to perform measurement of the scanning probe microscope and the surface information measuring device under optimum conditions, and high accuracy. Measurement at can be performed.
以下、本発明の光学式変位検出機構を走査型プローブ顕微鏡に適用した場合について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a case where the optical displacement detection mechanism of the present invention is applied to a scanning probe microscope 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の概略図を図1、図2に示す。図1は走査型プローブ顕微鏡に光学式変位検出機構を適用した場合の概観図である。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の増幅器22の回路図の概略図である。
A schematic diagram of the displacement detection method of the first embodiment according to the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 is a schematic view when an optical displacement detection mechanism 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 schematic diagram of a circuit diagram of the
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
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、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
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方式原子間力顕微鏡と呼ばれている方式と振動方式による原子間力顕微鏡が併用できる構成となっている。 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 and a vibration-type atomic force microscope can be used in combination.
コンタクト方式の場合には、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。
In the case of the contact method, when the
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
また、振動方式の場合には、カンチレバー6を圧電素子よりなる加振器41により共振周波数近傍で加振する。光学式変位検出機構9によりカンチレバー6aの振幅や位相を計測しながら、プローブ6bをサンプル5に近接させていくと、原子間力や間欠的な接触量が作用して振幅や位相が変化する。この変化量はプローブ6bとサンプル5の間の距離に依存するため、振幅や位相が一定となるようにプローブ6bとサンプル5の間の距離を制御することでプローブ6bとサンプル5の間距離を一定に保つことが可能となる。
In the case of the vibration method, the
次に、本実施例の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 operating principle of the optical
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に波長670nm、最大出力5mWの半導体レーザを使用し、光源10から発光されるレーザ光を集光レンズ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
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、光検出器16上に入射する。
The
光の光路はカンチレバー6aの背面で一端結像し光検出器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たフォトダイオードであり、受光面が4分割(A1、A2、B1、B2)された構成となっている。
The optical path of the light is configured to form an image at one end on the back surface of the
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の後端に設けられた電流/電圧変換回路を備えた増幅器22により、4つの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
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。
Here, when the
したがって4分割された受光面(A1、A2、B1、B2)のうち、上側の2つの受光面の領域A(A1+A2)と、下側の2つの受光面の領域B(B1+B2)に入射する光の強度差A−B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。
Therefore, of the four divided light receiving surfaces (A1, A2, B1, B2), light incident on the upper two light receiving surface regions A (A1 + A2) and the lower two light receiving surface regions B (B1 + B2) It is possible to measure the amount of deflection of the
ここで、図2により増幅器22の回路構成を説明する。本実施例の光学式変位検出機構9では、光検出器16を用いて、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差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。ここで、各受光面に入射する光の強度をPa1、Pa2、Pb1、Pb2とする。各受光面にPa1、Pa2、Pb1、Pb2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A1、A2、B1、B2から電流Ia1、Ia2、Ib1、Ib2が発生する。本実施例の光検出器の受光感度は受光感度0.65A/Wである。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Va1、Va2、Vb1、Vb2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、Va1=R1×Ia1、Va2=R1×Ia2、Vb1=R1×Ib1、Vb2=R1×Ib2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。これらの電圧信号は、加算回路34に入力されて、上側2つの受光面の光量の和Va=Va1+Va2、下側2つの受光面の光量の和Vb=Vb1+Vb2が出力される。これらの信号は、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、差動増幅器により増幅率R3/R2で増幅されて、Va−bが出力される。このように、電流/電圧変換回路30と差動増幅回路33は増幅器として作用する。このVa−bを検出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できる。
Here, the circuit configuration of the
この、A−Bの電圧信号Va−bを制御回路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 A-B voltage signal Va-b is sent to the
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
本実施例では、光源駆動回路21に光強度調整器28を設けて光源10に用いた半導体レーザへの電流値を調整することで、光源の出力を調整できるようにした。
In this embodiment, the
また、増幅器22には増幅率調整器27を設けた。この増幅率調整器27により差動増幅回路33の抵抗値R3を調整して増幅率を調整できるようにした。
The
ここで、これらの光強度調整器28と増幅率調整器27により測定対象であるカンチレバーに応じて条件の最適化を行うようにした。
Here, the
まず、振動方式の原子間力顕微鏡でシリコンウェハ表面などの観察を行う場合には、シリコンを材料し、カンチレバー6aの背面に反射率を高めるためにアルミニウムがコートされ、長さ125μm、幅30μm、厚さ4μmでバネ定数が約40N/mのカンチレバーを使用する。この場合、バネ定数が比較的硬く、振動方式であるため、レーザを照射した場合、カンチレバー6aが加熱されて熱変形が生じる影響は測定精度に大きな影響を及ぼさない。したがって、検出感度に対するノイズの割合を低下させるために、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生しない範囲で、光強度調整器28を用いて光源10の光強度を高めて、強い光をカンチレバー6aに照射して、光検出器16への入射光量を大きくして、測定精度を高めるようにした。本実施例では、光源10の出力を1.5mWとし、電流/電圧変換回路30のフィードバック抵抗値R1は100kΩに設定し。また、差動増幅回路33の抵抗値はR2=10kΩ,R3=20kΩに設定した。すなわち増幅器の増幅率は、初段の電流/電圧変換回路30で100000倍、後端の差動増幅回路33で2倍に設定した。
First, when observing the surface of a silicon wafer or the like with a vibration-type atomic force microscope, silicon is used as a material, and the back surface of the
次に、同じ形状で、製造コスト削減や、あるいは先端のプローブ6bへコート膜が付着し分解能が低下するのを防ぐ目的でコートが施されていないカンチレバー6を使用して振動方式の原子間力顕微鏡で測定を行った。この場合、アルミニウムによる反射膜がコートされていないので、測定対象であるカンチレバー6bの反射率が低下し光検出器16の受光面へ入射する光強度が減って検出感度の低下やノイズの増大を引き起こす。そのため、本実施例では光源10として半導体レーザを用いて、光強度調整器28により光源10を駆動する電流値を増加させ、反射率の減少分をカンチレバー6aへの入射光量の増加で補って、光検出器16の受光面の入射光量をカンチレバー6aにアルミニウムがコートされている場合と同じように調整した。これによりコートありの場合と同等の検出感度とノイズの割合を確保することができた。
Next, the atomic force of the vibration method is used by using the
次に、シリコンを材料しカンチレバー6aの背面のみに反射率を高めるためにアルミニウムがコートされ、長さ225μm、幅30μm、厚さ5μmでバネ定数が約13N/mのカンチレバーを使用する。この場合も、バネ定数が比較的硬く、振動方式であるため、レーザを照射した場合、カンチレバー6aが加熱されて熱変形が生じる影響は測定精度に大きな影響を及ぼさない。したがって、検出感度に対するノイズの割合を低下させるために、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生しない範囲で、光強度調整器28を用いて光源10の光強度を高めて、強い光をカンチレバー6aに照射して、測定精度を高めるようにした。
Next, aluminum is coated on the back surface of the
しかしながら、光てこ方式の変位検出機構の場合、カンチレバー6aの長さとカンチレバー6aの光の照射位置から光検出器16までの距離により決まるてこ比により検出感度が変わり、検出感度はカンチレバーの長さに反比例する。したがって、前記一例のバネ定数が40N/mのカンチレバーと比較した場合には、カンチレバー6aの長さが1.8倍長いので、検出感度は40N/mのカンチレバーの場合に比べて0.56倍に低下する。そこで、検出感度を高めるために光源10の出力を上げてもよいが、光源10として半導体レーザを用いているために、モードホップノイズや戻り光ノイズの発生が問題とされるので、本実施例では、増幅率調整器27により光検出器に設けられた増幅器の増幅率を調整して検出感度の低下分を補った。
However, in the case of an optical lever type displacement detection mechanism, the detection sensitivity varies depending on the lever ratio determined by the length of the
なお、万一、熱変形の影響が出てしまう場合には、カンチレバー6aの両面に同じ材質で同じ膜厚のコートを施すことで、両面の線膨張係数が等しくなるため熱変形はほとんど起きない。
In the unlikely event that thermal deformation will occur, both surfaces of the
次にコンタクト方式の原子間力顕微鏡で測定を行う場合について述べる。コンタクトモードを行う場合には、プローブ先端の摩耗の影響を小さくするため、バネ定数の小さいカンチレバーが使用される。本実施例では、シリコンナイトライド製で、長さ200μm、厚さ0.4μmで片面に下地をクロムとし金がコートされたバネ定数が0.02N/mのカンチレバーを使用した。このカンチレバー6aでは、バネ定数が小さいので、光照射によってカンチレバー6aの温度が上がり、金属コート部分の線膨張係数と、シリコンナイトライド基材部分との線膨張係数の差によってカンチレバー6aに反りが生じて測定精度が悪化してしまう。そこで、本実施例では、光強度調整器28により半導体レーザ10を駆動する電流値を振動方式で40N/mのアルミコートを施した場合に比べて1/3の大きさである0.5mWまで低下させ、発熱を小さくした。また、光出力の減少による検出感度の低下を補うため、増幅率調整器27により光検出器に設けられた増幅器の増幅率を3倍大きくした。
Next, the case of measuring with a contact-type atomic force microscope will be described. When the contact mode is performed, a cantilever having a small spring constant is used in order to reduce the influence of wear on the probe tip. In this example, a cantilever made of silicon nitride, having a length of 200 μm, a thickness of 0.4 μm, and having a spring constant of 0.02 N / m coated with gold on one side and coated with chromium is used. In this
以上のように光強度調整器28や増幅率調整器27でカンチレバー6aに照射される光強度や増幅率の最適化を行うことで、使用するカンチレバーの形状や反射率やバネ定数などの機械的特性の違いによらず適切な検出感度とノイズの割合を確保できる。また、母材とコートされた薄膜との線膨張率の差による熱変形の影響を小さくでき、最適な条件下で走査型プローブ顕微鏡の測定を行うことが可能となった。
As described above, by optimizing the light intensity and gain applied to the
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 diagram 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、本実施例では振動方式の原子間力顕微鏡を使用しており、本実施例の溶液測定用のカンチレバーホルダ35は、実施例1の大気中での測定時に使用されるカンチレバーホルダ7と交換可能な構成とした。
In this embodiment, a vibration-type atomic force microscope is used in this embodiment, and the
溶液測定用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。
The solution measuring
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
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
光学式変位検出機構9は、光源10としてピーク波長が830nmで波長に対する光強度のスペクトル幅が17nmのスーパールミネッセンスダイオード(SLD)が用いられている。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4分割された光検出器16に入射する。光検出器16は増幅器22に接続されている。増幅器22は第1の実施例の図2に示した回路と同一であり電流/電圧変換回路30と差動増幅回路33により構成されている。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、さらにはカンチレバー6aを加振することに伴う液体層46やガラスベースブロック37の揺れなどにより、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、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
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。実施例1のように光源10に半導体レーザを用いた場合には、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。本実施例のようにスペクトルの半値幅が大きく低コヒーレントな光源であるSLDを用いることで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できる。
Here, since the
本実施例のように、ガラスベースブロック37や液体層46を光が透過する場合、光のロスが生じて、空気中での測定と同じ出力ではカンチレバー6aに光を入射すると光検出器16への入射光の強度が低下し、検出感度の低下やノイズの増加をまねく。本実施例では、光強度調整器28により光源10の強度を4mWまで高めて、これらの光のロスを補って、空気中と同じ入射光強度を確保し検出感度の低下やノイズの増大を抑えるようにした。
When light passes through the
溶液用のカンチレバーホルダ35を大気中カンチレバーホルダ7に交換して大気中で測定を行う場合には、ガラスベースブロック37や液体層46での光のロスがなくなるので光強度調整器28によりSLD10を駆動する電流値を下げて光源の光強度を1.5mWに戻して使用する。
When the
なお、低コヒーレント光源の代わりに半導体レーザを用いて、高周波変調させたり、あるいは偏光を利用して戻り光が減少するように光学系を組むようにしてもよい。この場合、モードホップノイズや戻り光ノイズの発生する光源の出力の限界を少し高めることが可能となる。 Note that a semiconductor laser may be used instead of the low-coherent light source, and high-frequency modulation may be performed, or an optical system may be assembled so as to reduce return light using polarized light. In this case, it is possible to slightly increase the output limit of the light source in which mode hop noise or return light noise occurs.
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のプローブとプローブの変位検出用の光学式変位検出機構の模式図である。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 diagram of a probe of a scanning near-field microscope, which is a kind of scanning probe microscope, and an optical displacement detection mechanism for detecting the displacement of the probe. 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
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。実施例1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
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、集光レンズと発光ダイオード(LED)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。LEDは、波長700nm、スペクトルの半値幅35nmのものを用いた。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。
Here, a method for measuring the amplitude of the
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
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
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の受光面上で影で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
本実施例においても、第1、第2の実施例と同様に、光源56の光強度を光源駆動回路64に設けられた光強度調整器65で調整できるようにしている。
Also in this embodiment, as in the first and second embodiments, the light intensity of the
また、増幅器61には増幅率調整器62を設け、増幅率も調整できるようにしている。
The
走査型近接場顕微鏡に用いられるプローブは、直径が通常125μmのものが用いられるが、サンプル54によってプローブの直径が小さいものを使用したり、直径の大きいガラスのピペットを使用することもある。また、プローブ50として金属ワイヤーを先鋭化したものも用いられ、この場合サンプル50の表面にエバネッセント場を発生させて金属ワイヤーからなるプローブ先端でエバネッセント場を散乱させ散乱光を分析することでサンプル表面の光学特性の測定が行われる。このようにプローブ50の直径が変わると、光検出器57の受光面上での影の大きさも変わり、その結果検出感度が変わる。そこで、光強度変換器65により電流値を変化させてLEDの発光強度を変えて、検出感度の違いを補完するようにした。なお、増幅率調整器62側で補完を行ってもよい。
The probe used in the scanning near-field microscope usually has a diameter of 125 μm. However, depending on the
以上のように光強度調整器65や増幅率調整器62でプローブ50への照射光強度や増幅率の最適化を行うことで使用するプローブの形状の違いの影響を小さくでき、適切な検出感度を確保して、走査型近接場顕微鏡の測定を行うことが可能となった。
As described above, by optimizing the irradiation light intensity and amplification factor to the
図5は本発明の第4の実施例の走査型プローブ顕微鏡に用いられる光学式変位検出機構の模式図である。本実施例は基本的な構成は図1、図2を用いて第1の実施例で説明した光てこ方式の光学式変位検出機構と同じものであるため、重複する部分の説明は省略する。図1との違いは、光源駆動回路21に光強度調整器を持たない点にある。
FIG. 5 is a schematic diagram of an optical displacement detection mechanism used in a scanning probe microscope according to the fourth embodiment of the present invention. Since the basic configuration of this embodiment is the same as that of the optical lever type optical displacement detection mechanism described in the first embodiment with reference to FIGS. 1 and 2, the description of overlapping portions is omitted. The difference from FIG. 1 is that the light
本実施例では、光源10とカンチレバー6aの間の光路に光の強度を調整する光学フィルター40を挿入してカンチレバー6aに入射する光の強度を調整できるようにした。光学フィルター40は、光の強度を減光させる減光フィルター(NDフィルター)を使用した。
In this embodiment, the
これにより、実施例1の光強度調整器28でカンチレバーへの入射光強度を調整するのと同じ効果が得られる。
Thereby, the same effect as adjusting the intensity of incident light on the cantilever with the
以上、本発明の実施例について述べたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to these Examples.
例えば、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、光の強度やスポットの位置を検出する任意の検出器を適用可能である。例えば、分割面を持たず、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。 For example, in this embodiment, a semiconductor photodetector having a light receiving surface divided into four or two is used, but any detector that detects the intensity of light or the position of a spot can be applied. 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 is commercially available.
また、光源は、出力も比較的安定して、光強度調整の場合の応答性に優れ、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半導体レーザ(LD)やスーパールミネッセンスダイオード(SLD)、あるいは発光ダイオード(LED)が好ましいが、白色光源など他の光源も本発明に含まれる。特にSLDは高出力で使用してもLDのように特別な装置を用いずモードホップノイズや戻り光ノイズの影響が少なくできるという特徴がある。また、例えば走査型プローブ顕微鏡の場合には、測定対象であるカンチレバーで反射される光とカンチレバーからはみ出して反射した光が干渉して、プローブとサンプル間の距離に対するプローブにかかる力の関係(一般にフォースカーブと呼ばれる)を測定した際に、フォースカーブにうねりが発生する場合がある。また凹凸像を測定した場合にも干渉縞が発生する場合があった。このように干渉が測定データに悪影響を及ぼすことがあったが、SLDは低コヒーレントで可干渉性が小さいので、干渉の影響も防止できる。また、測定対象に照射される光の強度により干渉の影響が大きく現れる場合には光強度可変手段により強度を下げることで、干渉の影響を抑えることが可能となる。 In addition, the light source has relatively stable output and excellent response when adjusting the light intensity. When the object to be measured is a very small probe, the light spot can be narrowed down with an optical lens. Are preferably a semiconductor laser (LD), a super luminescence diode (SLD), or a light emitting diode (LED), which is excellent in coupling efficiency to a fiber, but other light sources such as a white light source are also included in the present invention. In particular, the SLD has a feature that even if it is used at a high output, the influence of mode hop noise and return light noise can be reduced without using a special device like the LD. For example, in the case of a scanning probe microscope, the light reflected by the cantilever to be measured and the light reflected from the cantilever interfere with each other, and the relationship between the force applied to the probe with respect to the distance between the probe and the sample (generally, When measuring a force curve), the force curve may swell. In addition, interference fringes may also occur when the concavo-convex image is measured. In this way, interference sometimes adversely affects measurement data. However, since SLD is low coherent and has low coherence, the influence of interference can also be prevented. Further, when the influence of interference appears greatly due to the intensity of light irradiated to the measurement object, it is possible to suppress the influence of interference by lowering the intensity with the light intensity variable means.
また、走査型プローブ顕微鏡で、フォースカーブや凹凸像を測定した場合に、カンチレバーを反射して光検出器に入射する光以外の迷光の影響により、フォースカーブや凹凸像に不具合が現れる場合がある。一般に測定対象に照射される光の強度が大きいほど迷光の影響が大きくなるため、迷光の影響が大きい場合には、光強度可変手段により強度を下げることで、前記不具合を抑えることが可能となる。 In addition, when a force curve or a concavo-convex image is measured with a scanning probe microscope, a defect may appear in the force curve or the concavo-convex image due to the influence of stray light other than the light reflected from the cantilever and incident on the photodetector. . In general, the influence of stray light increases as the intensity of light applied to the measurement object increases. Therefore, when the influence of stray light is large, the above-mentioned problem can be suppressed by reducing the intensity with the light intensity variable means. .
また、光学系も本実施例に限定されず、測定対象に光を照射し、測定対象を経由した光を光検出器で受光し、光検出器からの信号により測定対象の変位を測定するものであれば任意の光学式変位検出機構に適用可能である。例えば光源からの光を光ファイバーで伝播して測定対象に照射してもよい。 Also, the optical system is not limited to this embodiment, and the measurement object is irradiated with light, the light passing through the measurement object is received by a photodetector, and the displacement of the measurement object is measured by a signal from the photodetector. If so, it can be applied to any optical displacement detection mechanism. For example, light from a light source may propagate through an optical fiber and irradiate the measurement target.
光源の光強度調整器や光検出器側の増幅率調整器も任意の方式のものが使用可能で、例えば、ボリュームツマミを用いて連続的に調整する方式でもよいし、あらかじめ複数の設定値を決めておき、切り替えスイッチにより設定を行う方式でもよい。 Arbitrary methods can be used for the light intensity adjuster of the light source and the gain adjuster on the light detector side.For example, a method of continuously adjusting using a volume knob may be used. A method may be used in which the setting is made using a changeover switch.
また、増幅率を変更するために、図2の差動増幅回路の抵抗値R3を変更したが、抵抗値R2を変更してもよい電流/電圧変換回路30の抵抗値R1を変更してもよい。また、差動増幅回路33以降の制御回路内での電気回路内での調整や信号処理系でのソフトウエアの設定で変更してもよい。
In order to change the amplification factor, the resistance value R3 of the differential amplifier circuit of FIG. 2 is changed. However, even if the resistance value R1 of the current /
また、光源の光強度調整に用いられる光学フィルターは光量を調整する目的で用いるものであれば任意のフィルターが使用できる。 As the optical filter used for adjusting the light intensity of the light source, any filter can be used as long as it is used for the purpose of adjusting the amount of light.
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の制御を行ったり、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に含まれる。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、すべて本発明に含まれる。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機能のみを有するものも本発明に含まれる。さらに、4分割の光検出器の左右の受光面を用いて、上下の受光面の差信号によりカンチレバー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し摩擦力を測定することも可能である。この場合には左右の受光面での光強度差の信号に対して増幅率を変更する。 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, the present invention includes everything that measures the physical properties of the sample surface by controlling the distance between the probe and the sample surface or detecting the force or interaction applied to the probe. Also, the present invention includes all processing of the sample surface with a probe and manipulation of a material on the sample surface. Further, it is not always necessary to scan with an XY scanner, and those having only a function of detecting an interaction in the height direction using the Z fine movement mechanism are also included in the present invention. In addition to detecting the amount of deflection of the cantilever using the difference signal between the upper and lower light receiving surfaces using the left and right light receiving surfaces of the quadrant photodetector, the amount of torsion of the cantilever is detected from the difference signal between the left and right light receiving surfaces. It is also possible to measure the frictional force. In this case, the amplification factor is changed with respect to the light intensity difference signal between the left and right light receiving surfaces.
また、測定に先立ち、測定対象への光源のスポット光の位置合わせを行う場合には通常光学顕微鏡でスポット光と測定対象を観察しながら、光源を移動させて行うが、測定時の光強度では、観察像のスポット光が散乱してスポット光の中心位置が認識できない。このような場合に本発明の光強度調整器により光強度を落として調整することで視認性も向上し、測定対象に確実にスポット光を位置合わせすることも可能となる。 In addition, prior to measurement, when aligning the spot light of the light source to the measurement object, the light source is moved while usually observing the spot light and the measurement object with an optical microscope. The spot light of the observation image is scattered and the center position of the spot light cannot be recognized. In such a case, by adjusting the light intensity by reducing the light intensity using the light intensity adjuster of the present invention, the visibility can be improved, and the spot light can be reliably aligned with the measurement object.
また、光検出器上の所定の位置にスポット光を位置合わせする場合、通常、検出信号を見ながら光検出器を移動させて位置合わせを行うが検出感度が高いとわずかな光検出器の移動量で、検出信号が大きく変わってしまうため、位置合わせが困難である。本発明の光強度調整器や光学フィルターで強度を変えたり、あるいは増幅率調整器で増幅率を下げることにより測定前の光検出器へのスポット光の位置合わせも容易に行うことができる。 In addition, when aligning the spot light to a predetermined position on the photodetector, the alignment is usually performed by moving the photodetector while observing the detection signal, but if the detection sensitivity is high, slight movement of the photodetector is performed. Since the detection signal varies greatly depending on the amount, alignment is difficult. By changing the intensity with the light intensity adjuster or the optical filter of the present invention, or lowering the amplification factor with the amplification factor adjuster, it is possible to easily align the spot light to the photodetector before measurement.
また、本発明の光学式変位検出機構は走査型プローブ顕微鏡への適用に限定されるものではない。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にも適用することができる。これらの装置でも、被測定サンプルにより形状や光学的特性や機械的特性の異なるプローブが用いられるため、本発明の光学式変位検出機構を適用することでプローブによらず検出感度やノイズを最適な状態に調整することが可能となり装置の測定精度か向上する。 The optical displacement detection mechanism of the present invention is not limited to application to a scanning probe microscope. For example, the present invention can be applied to a surface information measuring device such as a surface roughness meter using an optical displacement detection mechanism, an electrochemical microscope, or a probe processing device that processes a sample surface with a probe. Even in these devices, probes having different shapes, optical characteristics, and mechanical characteristics are used depending on the sample to be measured. Therefore, by applying the optical displacement detection mechanism of the present invention, the detection sensitivity and noise are optimized regardless of the probe. It becomes possible to adjust to the state, and the measurement accuracy of the apparatus 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(測定対象)
7 大気測定用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
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
34 加算器
35 溶液用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
64 光源駆動回路
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 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
1
7 Cantilever holder for
235 Photodetector 242 Current /
Claims (4)
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所定位置にスポット光として位置合わせを経て受光し光強度を検出する受光面の材質が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増幅する増幅器と、
該増幅器の増幅率を任意に調整可能にする増幅率可変手段と、
前記光源から前記測定対象への照射光強度を任意に変更する光強度可変手段と、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、
前記光強度可変手段により前記光検出器の測定感度及び/又はノイズ精度が所望の値となるよう前記光源の光強度を調整する光強度調整工程と、
当該光強度調整による光強度の変更に伴う不具合が生じた際に、再度前記光強度可変手段により光強度を低減して前記不具合を防止すると共に、前記増幅率可変手段により前記光検出器での所定の検出感度となるよう増幅率を調整する検出感度調整工程と、
を備え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 light source that irradiates light to a measuring object consisting of a cantilever having a probe at the tip or a probe of an arbitrary shape;
A light source driving circuit for driving the light source;
A photodetector in which the material of the light receiving surface that receives the light after irradiating the measurement target from the light source as a spot light at a predetermined position through alignment and detects the light intensity is a semiconductor;
An amplifier for amplifying the detection signal of the photodetector at a predetermined amplification rate;
Amplification factor variable means for arbitrarily adjusting the amplification factor of the amplifier;
In a displacement detection method of a scanning probe microscope, comprising: a light intensity varying means that arbitrarily changes the intensity of irradiation light from the light source to the measurement object;
A light intensity adjusting step measurement sensitivity and / or noise accuracy of the photodetector to adjust the light intensity of the light source to be a desired value by the strongly light level varying means,
When a problem associated with the light intensity change by the light intensity adjustment occurs, the light intensity is reduced again by the light intensity variable means to prevent the problem, and the gain variable means at the photodetector. A detection sensitivity adjustment step for adjusting the amplification factor so as to obtain a predetermined detection sensitivity;
Displacement detection method for a scanning probe microscope characterized by comprising.
前記検出感度調整工程が、前記光強度可変手段により前記光強度を低減して前記熱変形を抑えると共に、前記増幅率可変手段により所望の感度となるように増幅率を上げる調整を行なうものである請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。 When the defect is thermal deformation exceeding a predetermined amount of the measurement target,
In the detection sensitivity adjustment step, the light intensity is reduced by the light intensity variable means to suppress the thermal deformation, and the amplification factor is adjusted by the gain variable means to increase the gain so that a desired sensitivity is obtained. The displacement detection method of the scanning probe microscope according to claim 1.
前記検出感度調整工程が、前記光強度可変手段により前記光強度を低減して前記迷光の影響を抑えると共に、前記増幅率可変手段により所望の感度となるように増幅率を上げる調整を行なうものである請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。 When the defect is due to the influence of stray light other than the light that reflects the cantilever and enters the photodetector,
In the detection sensitivity adjustment step, the light intensity is reduced by the light intensity variable means to suppress the influence of the stray light, and the amplification factor is adjusted to increase the amplification factor so that a desired sensitivity is obtained. The displacement detection method of a scanning probe microscope according to claim 1 .
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