JPH0371001A - 微細表面形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子開
力顕微鏡（ＡＦＭ）などの微細表面形状計測装置、特に
観察光学系を備える微細表面形状計測装置に閃する。

［従来の技術］ ＳＴＭ、ＡＦＭ等の微細表面形状計測装置は、探触針か
試料表面に接近または接触して支持され、トンネル電流
、原子間力等が一定に保だれて走査される探触針または
試料の検査表面に垂直な変位量から、試料表面の微細形
状を観察する。このとき、試料に対する探触針の位置を
知るための観察光学系を備えるものがあり、−例として
探触針と観察光学系の対物レンズを明り換えて使用する
タイプがある。この装置では、探触針の位置を示す指標
（レクチル）を観察光学系の視野内に設けることにより
、探触針の観察位置の光学的な観察を可能にしている。

［発明か解決しようとする線通］ しかしながら１．探触針と対物レンズを切り換えて使用
する装置は、探触針による試料表面計測中に、探触針の
観察位置を同時に光学的に確認することができないとい
う欠点かある。さらに、探触針と対物レンズの切り換え
の際に、探触針を正確に元の位置に再設定するには、相
当な精度が要求される。しかし、この種の装置ので計測
はｒｕｎのオーダーで行われるので、光学系中に設けた
指標と探触針の間の位置ずれは避けきれないという問題
がある。この結果、精度や再現性に欠けるという不都合
が生じている。

この発明は、探触針による試料計測と同時に、光学的に
観察できる微細表面形状計測装置を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ この発明の微細表面形状計測装置は、試料表面を光学的
に観察する観察光学系を備え、この観察光学系の光軸は
試料表面に対してほぼ垂直に設けられる。試料表面に接
近または接触して支持され、試料表面の微細形状を観察
する探触針は、観察光学系の対物光学部材（例えば対物
レンズ）と試料との間に、観察光学系の光軸に対して所
定の角度を有して支持される。探触針を支持する支持部
材は、試料に照射される観察光学系の照明光束の外側に
配置される。あるいは、支持部材はその先端部の面積が
小さくなるように、例えばテーパー状に形成される。

［作　用］ この発明の微細表面形状計測装置において、探触針は支
持部材の先端前方に延出し、支持部材は観察光学系の照
明光束の外側に配置される。これにより、観察照明光は
支持部材に遮られることなく、試料面に照射される。　
　。

あるいは、探触針を支持する支持部材は、その先端部が
非常に細いテーパー状に形成される。これにより、観察
光学系の照明光は、ごく一部のみが支持部Ｈに遮られ、
残りのほとんどは試料に照射される。

この結果、試料表面は探触針による形状計測と同時に、
光学的にも観察される。

［実施例］ この発明を原子開力顕微鏡に適用した第１の実施例につ
いて、第２Ａ図および第２Ｂ図を参照して説明する。

装置１０は、基本的に試料台移動機禍１２、探触針駆動
系１４、探触針嚢位計測光学系１６、及び試料面観察光
学系１８を備える。試料台移動機構１２は、例えば圧力
制御された空気バネを用いた防振台３０の上に設置され
る。試料台移動機構１２は、防振台３０の上に設置固定
された短形の基台３１、基台３１のコーナ一部に立設さ
れる支柱３２ａ、３２ｂ等、及び、支柱３２ａ、３２ｂ
等の頂部にボルト３４で固定される支持基板３３で囲ま
れる空間に、ＸＹステージ３５が収容設置されてなる。

ＸＹステージ３５は次のように構成される。基台３１の
上にＸ側台座３６が設置固定され、Ｘ側台座３６の上に
Ｘ軸位置設定用スライド板３７が図中の矢印Ｘ方向に摺
動可能に設けられる。このスライド板３７の上にＹ側台
座３８が設置固定され、Ｙ側台座３８の上にＹ軸位置設
定用スライド板３つが図中の矢印Ｙ方向に摺動可能に設
けられる。Ｘ軸位置設定用スライド板３７は、Ｘ軸操作
ダイヤル４０の回転操作によって、図示しない送すネジ
機構により進退移動される操作棒４０ａによりＸ方向に
スライド移動される。同様に、Ｙ軸位置設定用スライド
板３つは、Ｙ軸操作ダイヤル４１の回転操作によって、
図示しない送りネジ機構により進退移動される操作棒４
１ａによりＹ方向にスライド移動される。

スライド板３９の上には、Ｙ方向走査用の積層型圧電ア
クチュエータ４２が設けられ、この圧電アクチュエータ
４２の駆動力により、スライド板３９上のＹテーブル４
３がＹ方向に往復移動される。Ｙテーブル４３の上には
、Ｘ方向走査用の積層型圧電アクチュエータ４４が設け
られ、この圧電アクチュエータ４４の駆動力により、Ｙ
テーブル上のＸテーブル４５がＸ方向に往復移動される
。

Ｘステージ４３及びＹステージ４４は、最大５０Ｊｉｍ
の範囲で位置制御される。

Ｘステージ４５の上には、互いに直交する３木の積層型
圧電体を有する微動素子、いわゆるｌ・ライボッド４６
が設置固定され、試料を載置する試料載置台５１が支持
部材を介してＩ・ライボッド４６の上に装着される。ト
ライボッド４６の各圧電体は、一端か試料裁置台の下面
に固層された支持部材に固定され、それぞれｘ、ｙ、ｚ
方向に延在する。Ｚ方向の圧電体の他端は直接Ｘテーブ
ル４５に固定され、Ｘ、Ｙ方向の各圧電体の他端は、そ
れぞれＸテーブル４５上に設けられた壁状の固定部祠４
．７．４８に固定される。試料載置台５１−は、トライ
ボッドの駆動力により、Ｘテーブルに対してＸ、Ｙ、Ｚ
の各方向に１５μｍ以下の範囲内で移動される。試料裁
置台５１の上面は、支持旦板３３の中央部に設けられた
開目部５２から突出し、この上に試料２６か載置される
。

第１図に示される探触針駆動系１４が開■部５２の周辺
部に設けられる。探触針駆動系１４は、探触針２１、探
触針２］−を支持する支持部＋４いわゆるカンチレバー
２２、開口部５２の周辺部に設置固定されるＺ方向圧電
素子２３を備える。カンチレバー２２は一端がＺ方向圧
電素子２３に固定され、先端部上面に鏡面を有し、斜め
下方に延出する探触針２１−を先端部下面に碓える。探
触針２１は、圧電索子２３の駆動によってＺ方向に移動
される。

支柱３２ｂの頂部上方にあたる支持基板３３の上に、水
平に張出するモーター支持板５４を頂部に有するコラム
５３か設置固定され、同転輔を垂直にしてモーター５５
がモーター支持板５４に載置固定される。モーター５５
の」ニガ突出部は、周辺部に粗動用（早送り用）操作ピ
ン５７が植設された手動回転操作板５６を備える。モー
ター５５の下方突出部は、摩擦板継手５８を介して、コ
ラム５３の保持片５３ａにより同転可能に垂直に保持さ
れ、送りネジ部か光学系保持体６０の送りナラ）　６０
　ａに螺合するシャフト５９に結合される。

光学系保持体６０の保持片６０ｂは、光学系取付板６２
の基端部に結合され、取付板６２の側端部は、リニア・
スライドベアリング機構６４　ａ　。

６４ｂを介して、支持基板３３に立設される支持ポール
６３ａ、６３ｂに連結される。リニア・スライドベアリ
ング機構６４ａ、６４ｂは、取（＝Ｉ板６２にネジ止め
されたケース内にスライドベアリングを内蔵し、支持ポ
ール６３ａ、６３ｂの外周を圧接する。リニア・スライ
ドベアリング機構６４ａ、、６４ｂは、支持ポール６３
ａ、６３ｂに固定するためのロックネジ６５ａ、６５ｂ
を下端部に備える。

顕微鏡接眼部６６、ビデオカメラ取（＝Ｊ筒６７、観察
照明装置６８等を有する試料面観察光学系１８が、取付
板６２の上に載置固定される。

また、探触側変位計ｆｌｌｌｌ光学系１６が取付板６２
の下方に配置される。探触針変位計測系１６は対物レン
ズ８３を有し、−軸回動性の微駆動装置７０を介して、
光学系保持体６０の垂直板６０ｃに固定される。微駆動
装置７０の取イ；１ブロック７６は、垂直板６０ｃに固
定された積層型圧電アクチュエータ７９の駆動によって
上下に移動できる。変位計）Ｉ１１光学系］６は、微駆
動装置７ｏの取付ブロック７６から突出する円筒状の支
持ピン７６ａに、成句ベース８０の取付孔が嵌合され、
ロックネジ８１ａ、８１ｂが取イ」ブロック７６のネジ
部７６ｂに螺合されることにより、脱着可能に固定され
る。

観察光学系］８および変１立５１ホリ光学系１６につい
て、箇３図を参照して説用する。

レーサーダイオード８７からＩＡ、を出されるレーサー
光は、コリメートレンズ９０によって平行光に整形され
、偏光ビームスプリッタ−８６に入側される。偏光ビー
ムスプリッタ−８６で反１・１されたレーサー光は、さ
らにハーフミラ−８５で反１・１され、１／４波長板８
４に入射する。

一方、観察照明装置６８の光源９６から射出される照明
光はレンズ９７で平行光にされ、ハーフミラ−９２で反
射される。ハーフミラ−９２で反射される照明光は、フ
ィルター９１およびハーフミラ−８５を透過し、１／４
波長板８４に入射する。

０ １／４波長板８４を；ｆＵ遇するレーーリ゛−光および
照明光は、それぞれ異なる主光線を有して対物レンズ８
３に入射する。１／４波長板８４を通過する際、レーザ
ー光は直線偏光から円偏光に変換され、対物レンズ８３
によってカンチレバー２２の上面に集光される。一方、
照明光は探触針２１の先端付近に集光され、視野全体を
照明する。

試料２６から反射される照明光は、対物レンズ８３．１
／４波長板、ハーフミラ−８５、フィルター９４、及び
ハーフミラ−９２を通過し、結像レンズ９３により結像
され、プリズム９４に入射される。プリズム９４に入射
される光の一部は、プリズム９４の界面で反射され、接
眼レンズ９５に達する。プリズム９４を通過する光は、
Ｃ’ＣＤ影像素子等を備えるビデオカメラ２７に入射さ
れ、影像信号に変換され、ビデオモニター２８に送られ
て表示される。１／４波長板８４は、照明光の反射光が
直接観察光学系に入射しないように、光軸Ｋに対して僅
かに傾けて配置され、フレアのない鮮明な視野観察像を
提供する。

１ カンチレバー２２の上面で反射されるレーザー光は、対
物レンズ８３および１／４波長板を通過し、ハーフミラ
−８５で反１１され、偏光ビームスプリッタ−８６に導
かれる。１７４波長板８４を通過する際、レーザー光は
入射時に対して振動面が９０°回転した直線偏光に変換
される。ビームスプリッタ−８６に入射するレーザー光
は二分され、一方は第１の臨界角プリズム８８ａを介し
て第１の２分割受光素子８９ａに照射され、他方は第２
の臨界角プリズム８８ｂを介して第２の２分割受光素子
８９ｂに照射される。

カンチレバーの位置検出には臨界角法が使用される。臨
界角法の原理を第４図および第５図を参照して簡単に説
明する。

臨界角法において、臨界角プリズムＣは、レンズｂから
平行光束が入射される際に、平行光束とプリズムの反射
面のなる角が臨界角になるように配置される。

反射面ａが対物レンズｂの焦点位置（実線Ｂて示される
位置）にあるとき、すなわちビームが合２ 焦状態にあるとき、反射面ａからの反射光は、レンズｂ
で平行光束にされて臨界角プリズムＣに入射される。こ
のとき、光束はすべてプリズムの反射面で全反射され、
２分割受光素子の各フォトダイオードに等量の光が供給
される。

一方、反１１面ａがレンズｂの焦点より近い位置（点線
Ａで示される位置）にある場合、レンズｂを透過する光
は発散光束となり、臨界角プリズムＣに入射する。逆に
反射面ａがレンズｂの焦点より遠い位置（点線Ｂで示さ
れる位置）にある場合、レンズｂを透過する光は集束光
束となり、臨界角プリズムＣに入射する。いずれの場合
も非・１′行光束が臨界角プリズムＣに入射される。こ
れらの場合、中心光線のみが臨界角で入射され、中心か
ら一方にある光束の入射角は臨界角よりも小さくなるの
で、光の一部は屈折プリズム外に射出されて残りの光た
けが反射される。逆に中心の反対側にある光束は、入射
角が臨界角よりも大きくなるので全反射される。この結
果、２分割受光素子に入射される光量が左右のフォトダ
イオードで光なり、３ 光量の差に対応した信号が差動アンプｅを介して出力端
子ｆから出力される。すなわち、反１１面ａの位置は、
２分割受光素子ｄの検出面の光量差として検出される。

このように、臨界角より小さい角度で入射された光は、
反射面に当たるたびに光の一部が臨界角プリズムの外に
Ω・Ｊ出されるので、屈折成分の光量が著しく減少する
。このため、臨界角より小さい角度で入射する光と、臨
界角より大きい角度で入射する光の光量の差が大きく拡
大される。従って、測定精度を向上させるため、臨界角
プリズム内において数回の反射が繰り返されるのが望ま
しい。

この実施例では、臨界角プリズム内において検出光は２
同反射される。第１の２分割受光素子のフォトダイオー
ドＰＤ１の出力は、比較器１０２の反転入力端子に人力
され、またフォトダイオードＰＤ２の出力は、比較器］
０２の非反転入力端子に入力され、フォトダイオードＰ
ＤＩとフォトダイオードＰＤ２の出力の差が比較器］０
２から出力される。一方、第２の２分割受光素子のフォ
ト　４ ダイオードＰＤ３の出力は、比較器１０４の反転入力端
子に人力され、フォトダイオードＰＤ４の出力は、比較
器１０４の非反１伝入力端子に入力され、フォトダイオ
ードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の出力の差が比較
器１０４から出力される。

比較器１０２と比較器１−０４の出力は、加算されて比
較器１０６の一端子に入力され、址準値と比較された紀
゛果か出力される。従って、２分割受光素子に照射され
るビームスポットの中心線を壕に２分される領域の光量
の差、すなわちカンチレバー２２の位置を示す信号が端
子１．０８から出力される。

次に試料の計測手順について説明する。試料載置台５１
に試料２６を載せ、粗動用操作ビン５７、手動回転操作
板５６、モーター５５等を操作し、観察光学系］８の焦
点を試料２６に合わせる。次に、計測光学系１６の電源
を入れ、圧電体を駆動し、カンチレバーの上面に５１測
光学系の黒点を合わせる。続いて、トライボッドを駆動
して試１４　ａ置台５１を上方に移動させ、探触針と試
料との間５ に原子間力か発生し、これによりカンチレバーが変位し
、計測光学系］−６の出力が僅かに変化した所でトライ
ボッドの上方への移動を停止する。この粘果、原子間力
によりカンナ１ノバーに一定の力が加わった状態がつく
られ、この状態で試料２６が走査される。

Ｉ・ライボッド４６のＸ方向圧電素子に往復運動させる
信号電圧を供給すると共に、Ｙ方向圧電素子に直線運動
させる信号電圧を供給し、試料２６をＸＹラスタースキ
ャンさせる。測定は予め設定した所定の領域の走査が終
了するまで続けられ、この間、カンチレバーの勾配（焦
点すれ）が一定になるように、トライボッド４６のＺ方
向圧電素子がフィードバック制御される。このフィード
バック信号とＸＹ走査信号から試料の微細表面形状が計
測される。

この実施例における探触針２１は、これを支持するカン
チレバー２２の先端の前方に延出している。従って、視
野観察用の照明光はカンチレバー２２に遮られることな
く試料面の視甲」：観察領域に６ ＠財され、探触針２１による試料面の微細表面形状計測
と同時に、この形状計測領域を光学的に観察できる。

この実施例では、探触針の変位計測に臨異角法を用いた
が、他の計測方法、例えばＣＴＭ、光フアイバ干渉法、
静電容量法などを用いてもよい。

この発明の第２の実施例に係る探触針駆動系１４が第６
図に示される。試料台移動機構、探触針変位計測系、及
び試料面観察光学系は、第１の実地例で説明したものか
使用され、同様の操作により試料面の微細形状がｉｉｔ
　ｆｌｌｔｌされる。この実施例のカンチレバー２２は
、一端か開口部５２の周辺に設けられるＺ方向圧電素子
に固定され、テーパ状先端部を有する。試料面に作用す
る探触針はテーパー状先端部の下面に支持され、探触針
取付部から先端に向かって斜め下方に延出する。この実
施例において、変位計測光学系のレーザー光と観察光学
系の照明光の主光線は一致し、レーザー光は、探触針２
１の先端の真上に位置するカンチレバー２２の上面に集
光される。これにより、力７ ンチレバー先端部の変位は、探触針先端の変位に疋確に
反映するので、袖疋を必要としない。また、照明光の一
部はカンチレバー２２の先端部で遮られるが、テーパー
状先端部の面積を小さくすることにより、十分に明瞭な
観察像かｊ′、ｊられるので問題はない。

この発明を走査型トンネル顕微鏡に適用した第３の実施
例か第７図に示される。この実施例において、試料台移
動機構および試料面観察光学系は第１の実施例で説明し
たものが使用される。

探触針２１のＺ方向位置を制御する積層型圧電素子２５
を先端部下面に備える支Ｆ、１部伺２４は図示しない圧
電体に固定され、積層型圧電素子２５を対物レンズ８′
３の近くに支持する。探触針２１は、積層型圧電素子２
５の底部に固定支持され、観察光学系の照明光スポット
内に向かって延出する。この結果、観察照明光は遮られ
ることなく試料面に照射される。

探触針は、試料台移動機構１２、積層型圧電素子２５、
および図示しない圧電体により、探触針８ ２１と試料２６との間隔がトンネル電流の流れる距離に
なるように支持される。探触針２１と試料２６との間に
バイアス電圧が印加され、探触針２１と試料２６との間
にトンネル電流が流され、試料２６が上述したようにト
ライボッｌ’　４６によりＸＹ定走査れる。試料２６が
走査される際、ｌ・ンネル電流が一定値になるように、
積層型圧電素子２５により探触針のＺ方向位置がフィー
ドバック制御される。このフィードバック信号と、トラ
イボッド４６の位置信号から試料面の微細形状が計測さ
れる。

探触針２１により試料２６の表面形状が計４（１］され
る際、観察照明光は探触針以外に触られることなく試料
表面に照射される。この結果、ＳＴＭによる試料面計測
と同時に、光学的に試料面を観察される。

以上に説明したように、これらの実施例によれば、探触
針の計測位置を光学的に蜆察できるので、試料表面の形
状をより正確に計測できる。

９ ［発明の効果］ この発明によれば、観察光学系の照明光は、試料表面の
形状を計測する探触針を支持する支持部材によって遮ら
れることなく試料面に照射され、または、ごく一部だけ
が遮られるだけでほとんどは試料面に照射される。従っ
て、探触針による試料面の観察と同時に、良好な光学的
観察像が得られる。これにより、探触針の計測位置を正
確に把幌でき、試料表面のより正確な表面形状を計測で
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１の実施例に係る探触針駆動系
の構成を示す図、 第２Ａ図は、第１の実施例に使用される原子開力顕微鏡
の正面図、 第２Ｂ図は、第１の実施例に使用される原子開力顕微鏡
の側面図、 第３図は、第１の実施例の試料面観察光学系および探触
針変位計測光学系の構成を示す図、第４図は、臨界角法
の原理説明図、 ０ 第５図は、臨界角法の信号処理四路のブロック図、 第６図は、この発明の第２の実施例に係る探触針駆動系
の構成を示す図、 第７図は、この発明を走査型トンネル顕微鏡に適用した
第３の実施例を説１す］する図である。 ２１・・・探触針、２２・・・カンチレバー　２４・・
・支持部材、２５・・・積層型圧電素子、２６・・・試
料。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料に接近または接触して探触針が支持され、所
   定の条件の基で走査される探触針または試料の変位量か
   ら試料表面の形状を観察する微細表面形状計測装置にお
   いて、 試料表面にほぼ垂直な光軸を有する観察光学系を備え、
   この観察光学系の対物光学部材と前記試料との間に、前
   記光軸に対して所定の角度を有して前記探触針が支持さ
   れることを特徴とする微細表面形状計測装置。
2. （２）前記探触針を支持する支持部材が、観察光学系の
   照明光束の外側に配置されることを特徴とする請求項１
   記載の微細表面形状計測装置。
3. （３）前記探触針を支持する支持部材が、テーパー状先
   端部を有することを特徴とする請求項１記載の微細表面
   形状計測装置。