JPH04118556U - 探針走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レ−ザ光源の出力変動の影響を無くし、ＳＮ
比の良い、高精度測定が可能な探針走査型顕微鏡を実現
する。 【構成】 レ−ザダイオ−ドとこのレ−ザダイオ−ドの
出力光を集光するためのレンズを備えたレ−ザ光源と、
このレ−ザ光源からの出射光をその背面にて反射できる
カンチレバ−状の探針と、この探針からの反射光を受光
する２分割フォトダイオ−ドとこの２分割フォトダイオ
−ドの２つの素子の電流出力をそれぞれ電圧に変換する
２つの電流／電圧変換回路とこの２つの電流／電圧変換
回路の出力の差を求める減算回路と前記２つの電流／電
圧変換回路の出力の和を求める加算回路と前記減算回路
の出力を加算回路の出力で除算する除算回路とを備えた
変位検出回路とを設けた構成としたことを特徴とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、カンチレバ−状の探針（以下、単に探針という）を試料に対して微 小距離まで近づけ、探針と試料の間に作用する原子間力や磁気力などを探針の変 位として検出し、探針を試料表面上を走査させることにより、試料の形状や表面 の物性などを測定するようにした原子間力顕微鏡や磁力顕微鏡などの探針走査型 顕微鏡に関し、特に変位検出回路の検出精度の向上に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

図３は探針走査型顕微鏡の従来例を示す構成図である。この探針走査型顕微鏡 は、試料に探針を近づけると探針と試料との間に原子間力や磁気力などがはたら き、カンチレバ−がたわむ。このカンチレバ−のたわみ量を試料面上で探針を走 査しながら、光てこ方式によって測定し、試料の表面形状像を得るものである。

【０００３】 図３に戻り、探針２と試料３とは微小距離まで接近して配置されている。この 探針２にレ−ザダイオ−ド１１およびレンズ１２から成るレ−ザ光源１から出射 されたレ−ザ光が集光され、探針２の背面で反射される。反射光は変位検出回路 ４の２分割フォトダイオ−ド４１で受光される。２分割フォトダイオ−ド４１の ２つの素子４１ａ，４１ｂでそれぞれ光電変換された電流出力ＩA ，ＩB は、電 流／電圧変換回路４２，４３に入力され、電圧ＶA ，ＶB に変換された後、差動 アンプ４４に入力され、変位出力ＶOUT （＝Ａ（ＶA −ＶB ））を得る。この時 、探針２と試料３との間に原子間力や磁気力などが作用して、探針２が変位する と、２分割フォトダイオ−ド４１上のレ−ザ光のスポット位置が変わるため、変 位出力ＶOUT もレ−ザ光のスポット位置に応じて変動する。したがって、この変 位出力ＶOUT から、探針２の変位を検出でき、探針２と試料３の間に働く力を検 出することができる。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】 しかしながら、上記従来技術に示す探針走査型顕微鏡において、その変位検出 回路の構成では、レ−ザ光の出力揺らぎが、そのまま２分割フォトダイオ−ド４ ２，４３の電流出力ＩA ，ＩB の揺らぎとなるため、変位検出回路４（差動アン プ４４）の変位出力ＶOUT にも揺らぎが生じ、ノイズが増大し、分解能の低下を 招いていた。

【０００５】 即ち、変位検出回路４の動作は、 ＶA ＝ａ・ＩA … ＶB ＝ａ・ＩB … ＶOUT ＝Ａ（ＶA −ＶB ） ＝Ａ・ａ（ＩA −ＩB ） … と表わされる。この上式において、レ−ザ光の強度がｅ％増加すると、電流出力 ＩA ，ＩB 、電圧出力ＶA ，ＶB もそれぞれｅ％増加するため、変位出力ＶOUT もｅ％増加することになる。したがって、変位検出回路４の出力ＶOUT は、２分 割フォトダイオ−ド４１上のレ−ザ光のスポット位置の変位だけでなく、レ−ザ 光源１のレ−ザ光の強度変化も反映した信号となる。

【０００６】 本考案は上記従来技術の課題を踏まえて成されたものであり、変位検出回路の 構成を探針の変位の差動出力を和信号で除算する構成とすることにより、レ−ザ 光源の出力変動の影響を無くし、ＳＮ比の良い、高精度測定が可能な探針走査型 顕微鏡を提供することを目的としたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するための本考案の構成は、カンチレバ−状の探針を試料に対 して微小距離まで近づけ、探針と試料の間に作用する原子間力や磁気力などを探 針の変位として検出し、探針を試料表面上を走査させることにより、試料の形状 や表面の物性などを測定するようにした探針走査型顕微鏡において、 レ−ザダイオ−ドとこのレ−ザダイオ−ドの出力光を集光するためのレンズを 備えたレ−ザ光源と、 このレ−ザ光源からの出射光をその背面にて反射できるカンチレバ−状の探針 と、 この探針からの反射光を受光する２分割フォトダイオ−ドとこの２分割フォト ダイオ−ドの２つの素子の電流出力をそれぞれ電圧に変換する２つの電流／電圧 変換回路とこの２つの電流／電圧変換回路の出力の差を求める減算回路と前記２ つの電流／電圧変換回路の出力の和を求める加算回路と前記減算回路の出力を加 算回路の出力で除算する除算回路とを備えた変位検出回路とを設けた構成とした ことを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】

本考案によれば、探針走査型顕微鏡の変位検出回路の構成を探針の変位の差動 出力を和信号で除算する構成としている。したがって、レ−ザ光源の出力変動の 影響を除去できるため、ノイズが減少し、ＳＮ比，測定分解能を向上できる。

【０００９】

【実施例】

以下、本考案を図面に基づいて説明する。 図１は本考案の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構成図である。なお、図１ において図３と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。 図１と図３との相違点は、レ−ザ光源１から出射され、探針２の背面で反射し たレ−ザ光を受光する変位検出回路４の構成を、探針２からの反射光を受光する ２分割フォトダイオ−ド４１、この２分割フォトダイオ−ド４１の２つの素子４ １ａ，４１ｂの電流出力をそれぞれ電圧に変換する２つの電流／電圧変換回路４ ２，４３、この２つの電流／電圧変換回路４２，４３の出力の差を求める減算回 路４５、２つの電流／電圧変換回路４２，４３の出力の和を求める加算回路４６ 、減算回路４５の出力を加算回路４６の出力で除算する除算回路４７とを備えた 構成とした点である。

【００１０】 このような構成において、探針２と試料３とは微小距離まで接近して配置され ている。この探針２にレ−ザダイオ−ド１１およびレンズ１２から成るレ−ザ光 源１から出射されたレ−ザ光が集光され、探針２の背面で反射される。反射光は 変位検出回路４の２分割フォトダイオ−ド４１で受光される。この時、探針２と 試料３との間に原子間力や磁気力などが作用して、探針２が変形（曲がる）する と、２分割フォトダイオ−ド４１の２つの素子４１ａ，４１ｂが受光する光量が 変化するため、２分割フォトダイオ−ド４１の２つの素子４１ａ，４１ｂは、そ れぞれ受光量に比例した電流出力ＩA ，ＩB を出力する。この電流出力ＩA ，Ｉ B は、それぞれ電流／電圧変換回路４２，４３に入力され、入力電流ＩA ，ＩB に比例した電圧出力ＶA ，ＶB を出力する。即ち、 ＶA ＝ａ・ＩA … ＶB ＝ａ・ＩB … である。この電圧出力ＶA ，ＶB は、減算回路４５と加算回路４６に入力され、 それぞれ下記の演算を行い、減算出力ＶSUB 、加算出力ＶSUM を出力する。 ＶSUB ＝ｂ（ＶA −ＶB ） … ＶSUM ＝ｃ（ＶA ＋ＶB ） … この減算出力ＶSUB と加算出力ＶSUM は、除算回路４７に入力され、下記の演算 を行い、変位検出回路４からＶOUT が出力される。 ＶOUT ＝ｄ・ＶSUB ／ＶSUM ＝（ａ・ｂ・ｄ／ｃ）・（ＩA −ＩB ）／（ＩA ＋ＩB ） … ただし、ａ，ｂ，ｃ，ｄは任意の定数である。

【００１１】 ここで、レ−ザ光の強度がｅ％増加したとすると、電流出力ＩA ，ＩB 、電圧 出力ＶA ，ＶB 、減算出力ＶSUB 、加算出力ＶSUM は、全てｅ％増加する。しか し、変位検出回路４（除算回路４７）の出力ＶOUT は、上記式から、分子分母 共にｅ％増加するため、相殺され、増加は０％である。したがって、出力ＶOUT はレ−ザ光源１の強度変化に全く影響されず、２分割フォトダイオ−ド４１上の スポット位置の変位だけの関数となる。

【００１２】 なお、上記実施例において、変位検出回路４に用いられる２分割フォトダイオ −ド４１の代わりに、ＰＳＤ（ポジション・センシティブ・デバイス）を使用し た構成としても良く、同様の効果を得られる。ＰＳＤは図２に示すように、長さ Ｌを持ち、照射スポットの重心位置に対応した電流がＩA ，ＩB に流れるもので ある。この場合、 ＩA ＝１／２・（１＋２ｘ／Ｌ）・ＩO ＩB ＝１／２・（１−２ｘ／Ｌ）・ＩO ＩO ＝ＩA ＋ＩB と表わされる。

【００１３】

【考案の効果】

以上、実施例と共に具体的に説明したように、本考案によれば、カンチレバ− 状の探針を試料に対して微小距離まで近づけ、探針と試料の間に作用する原子間 力や磁気力などを探針の変位として検出し、探針を試料表面上を走査させること により、試料の形状や表面の物性などを測定するようにした探針走査型顕微鏡に おいて、その変位検出回路の構成を２分割フォトダイオ−ドの出力の差分を和信 号で除算する構成としたことにより、レ−ザ光源の出力変動の影響を排除できる ため、ノイズが減少し、ＳＮ比、測定分解能を向上できる探針走査型顕微鏡を実 現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構
成図である。

【図２】図１装置の変位検出回路に用いられる他の構成
要素を示す図である。

【図３】従来の探針走査型顕微鏡の一例である。

【符号の説明】

１ レ−ザ光源 ２ カンチレバ−状の探針 ３ 試料 ４ 変位検出回路 １１ レ−ザダイオ−ド １２ レンズ ４１ ２分割フォトダイオ−ド ４２，４３ 電流／電圧変換回路 ４５ 減算回路 ４６ 加算回路 ４７ 除算回路

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 カンチレバ−状の探針を試料に対して微
   小距離まで近づけ、探針と試料の間に作用する原子間力
   や磁気力などを探針の変位として検出し、探針を試料表
   面上を走査させることにより、試料の形状や表面の物性
   などを測定するようにした探針走査型顕微鏡において、
   レ−ザダイオ−ドとこのレ−ザダイオ−ドの出力光を集
   光するためのレンズを備えたレ−ザ光源と、このレ−ザ
   光源からの出射光をその背面にて反射できるカンチレバ
   −状の探針と、この探針からの反射光を受光する２分割
   フォトダイオ−ドとこの２分割フォトダイオ−ドの２つ
   の素子の電流出力をそれぞれ電圧に変換する２つの電流
   ／電圧変換回路とこの２つの電流／電圧変換回路の出力
   の差を求める減算回路と前記２つの電流／電圧変換回路
   の出力の和を求める加算回路と前記減算回路の出力を加
   算回路の出力で除算する除算回路とを備えた変位検出回
   路とを設けた構成としたことを特徴とする探針走査型顕
   微鏡。