JPH04162341A - Sample surface picture forming method and device thereof - Google Patents

Sample surface picture forming method and device thereof

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JPH04162341A
JPH04162341A JP28785990A JP28785990A JPH04162341A JP H04162341 A JPH04162341 A JP H04162341A JP 28785990 A JP28785990 A JP 28785990A JP 28785990 A JP28785990 A JP 28785990A JP H04162341 A JPH04162341 A JP H04162341A
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JP
Japan
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sample surface
probe
vibrating body
sample
cantilever
Prior art date
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Pending
Application number
JP28785990A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Nakamura
泰 中村
Hiroshi Kajimura
梶村 宏
Hideo Tomabechi
苫米地 英夫
Keisuke Saito
圭介 斎藤
Hiroshi Tazaki
田崎 洋志
Jun Funazaki
純 船崎
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH04162341A publication Critical patent/JPH04162341A/en
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Abstract

PURPOSE:To high accurately detect displacement of a vibrator by detecting a shift of a vibration frequency of the vibrator from a natural frequency as a phase difference between two measuring points of the vibrator. CONSTITUTION:In a cantilever(vibrator)2, a probe 4 is fixed to a free end of the cantilever 2 and arranged approximately to a sample surface 1a by holding a fixed end by a piezoelectric element 6. Now, when predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 6 so as to vibrate the cantilever 2 in a natural frequency, the cantilever 2 is vibrated by the natural frequency. This vibration is changed by interatom mutual action between the pointed end of the probe 4 and the sample surface 1a, and the change of this vibration is detected by a displacement phase difference between two measuring points A, B on the cantilever 2 by the laser interference method or the like. In this way, high accurate displacement measurement can be attained.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、原子オーダーの分解能で試料の表面を観察可
能な試料表面の像形成方法及びその装置に関する。更に
詳しくは、試料表面の像を形成するためのデータとして
、探針尖端と試料表面との微視的粒子の間に作用する原
子間力や磁力のような近距離力を検出する形式の走査型
プローブ顕微鏡が本発明の技術分野に含まれる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method and apparatus for forming an image of a surface of a sample, which enables observation of the surface of a sample with atomic-order resolution. More specifically, it is a type of scanning that detects short-range forces such as atomic force and magnetic force that act between microscopic particles between the tip of the probe and the sample surface as data for forming an image of the sample surface. Type probe microscopy is within the technical field of the present invention.

[従来の技術] 走査型プローブ顕微鏡としては、例えば走査型トンネル
顕微鏡(Scanning Tunneltng Mi
croscope;STM) 、原子開力顕微鏡(At
omic Force Microsc。
[Prior Art] As a scanning probe microscope, for example, a scanning tunneling microscope (Scanning Tunneling Microscope) is used.
crossscope (STM), atomic force microscope (At
omic Force Microsc.

pe;AFM) 、磁気力顕微鏡(Magnetic 
Force Microscope;MPM)などが知
られている。
pe; AFM), magnetic force microscope (Magnetic
Force Microscope (MPM) and the like are known.

走査型トンネル顕微鏡(以下、STMと略称)では、3
軸方向の移動が可能な微動素子に導電性のプローブを取
り付け、このプローブの尖端を試料表面からlnm程度
の距離まで接近させる。このlnm程度の距離は、プロ
ーブ尖端の原子と試料の電子震とが重なり合う距離であ
る。この状態でプローブと試料との間に電圧を印加する
と、両者の間にトンネル電流が流れる。このトンネル電
流の大きさは、プローブ尖端と試料との間の距離に依存
して変化する。このトンネル電流値を一定に保つように
試料表面に垂直な方向の微動素子への印加電圧を制御す
ることにより、プローブ尖端と試料表面との間の距離を
一定に保つことができる。この状態でプローブを試料表
面に沿った二次元方向ヘラスター走査させれば、プロー
ブ尖端の軌跡は試料表面の凹凸形状を表すことなる。従
って、3軸方向の微動素子の印加電圧を座標値としてプ
ロットすることにより、試料表面の形状の拡大像が得ら
れる。このSTMの原理は、例えばフィジカル・レビュ
ー・レターズ(Phys、Rev、LetterS)第
49巻、第57頁(1982年)に所載のGビニッヒ(
Binnig)、H,o−ラー(Rohrcr)、CH
In a scanning tunneling microscope (hereinafter abbreviated as STM), 3
A conductive probe is attached to a fine movement element that is movable in the axial direction, and the tip of the probe is brought close to a distance of about 1 nm from the sample surface. This distance of approximately 1 nm is the distance at which the atoms at the tip of the probe and the electron seismic waves of the sample overlap. When a voltage is applied between the probe and the sample in this state, a tunnel current flows between them. The magnitude of this tunneling current varies depending on the distance between the probe tip and the sample. By controlling the voltage applied to the fine movement element in the direction perpendicular to the sample surface so as to keep this tunnel current value constant, the distance between the probe tip and the sample surface can be kept constant. In this state, if the probe is scanned along the sample surface in two-dimensional directions, the locus of the tip of the probe will represent the uneven shape of the sample surface. Therefore, by plotting the voltages applied to the fine movement elements in the three axial directions as coordinate values, an enlarged image of the shape of the sample surface can be obtained. The principle of STM is explained, for example, by G. Binnig (1982) in Physical Review Letters (Phys, Rev, LetterS), Volume 49, Page 57 (1982).
Binnig), H, o-ler (Rohrcr), CH
.

ゲルバ(Gerber)、E、ウェイベル(Weibe
l)の論文(Surface 5tudies by 
Scannjng Tunneling旧er。
Gerber, E. Weibe
l) paper (Surface 5 studies by
Scanning Tunneling old er.

5cope)に更に詳細に記載されている。5cope).

しかしながら、STMは上述のようにトンネル電流を検
出するために、観察可能な試料は導電性= 6− のものに限定され、絶縁性の試料は観察できない。
However, since STM detects tunneling current as described above, observable samples are limited to those with conductivity = 6-, and insulating samples cannot be observed.

これに対し、原子オーダーの精度で絶縁性試料を観察可
能な顕微鏡として、原子開力顕微鏡(以下、AFMと略
称)が提案されている。このAFMでは、プローブはカ
ンチレバーの自由端に固定されている。試料が絶縁体の
場合、電圧を印加してもトンネル電流は流れないが、プ
ローブ尖端の原子と試料表面の原子との間の距離(原子
間距離)がSTMと同様にlnm程度に小さくなると、
プローブと試料との間にファンデルワールス相互作用に
よる引力が働き、更に原子間距離が原子の結合距離程度
に小さくなると、両者の間にパウリの禁制原理による斥
力が生じる。これら引力及び斥力(原子間力)はIQ−
19〜1O−12Nのオーダーの微小な力であるが、こ
の力に応じてカンチレバーが変位する。AFMでは、こ
のカンチレバーの変位を検出し、この変位が一定になる
ように微動素子の印加電圧を制御する。従って、この印
加電圧に基づいて、STMと同様にしそ試料表面の形状
の像が得られる。このAFMの原理は、例えばフィジカ
ル・レビュー・レターズ第56巻(1986年)、第9
30頁に所載のG、ビニツヒ、CF、クエイト(Qua
te)の論文(Atomic Force Mlero
seope)に詳細に記載されている。
In contrast, an atomic open force microscope (hereinafter abbreviated as AFM) has been proposed as a microscope capable of observing insulating samples with atomic-order accuracy. In this AFM, the probe is fixed to the free end of the cantilever. If the sample is an insulator, no tunneling current will flow even if a voltage is applied, but when the distance between the atoms at the tip of the probe and the atoms on the sample surface (interatomic distance) becomes about lnm, as in STM,
An attractive force due to van der Waals interaction acts between the probe and the sample, and when the interatomic distance becomes smaller to the extent of the atomic bond distance, a repulsive force occurs between the probe and the sample due to the Pauli prohibition principle. These attractive and repulsive forces (atomic forces) are IQ-
Although the force is minute on the order of 19 to 10-12N, the cantilever is displaced in response to this force. The AFM detects the displacement of this cantilever and controls the voltage applied to the fine movement element so that this displacement becomes constant. Therefore, based on this applied voltage, an image of the shape of the persimmon sample surface can be obtained, similar to STM. The principle of this AFM is described, for example, in Physical Review Letters Vol. 56 (1986), No. 9.
G, Binitzhi, CF, Quait, listed on page 30.
te) paper (Atomic Force Mlero
seope).

また、磁気力顕微鏡(以下、MFMと略称)は、プロー
ブが磁性体材料で形成されている他は、基本的に前述の
AFMと同様な構造である。このMFMでは、プローブ
と試料の磁性粒子との間に存在する磁力をカンチレバー
の変位として検出する。
Further, a magnetic force microscope (hereinafter abbreviated as MFM) has basically the same structure as the above-mentioned AFM, except that the probe is made of a magnetic material. In this MFM, the magnetic force that exists between the probe and the magnetic particles of the sample is detected as the displacement of the cantilever.

この磁力による変位を一定に保ちながらプローブを試料
表面に沿って走査させることにより、試料表面の像を形
成できる。
By scanning the probe along the sample surface while keeping the displacement caused by this magnetic force constant, an image of the sample surface can be formed.

これらAFM、MFMにおいて、カンチレバーの変位を
検出する方法としては、次の三つの方法が公知である。
In these AFM and MFM, the following three methods are known as methods for detecting displacement of a cantilever.

第1の方法では、カンチレバーの上面に誘電体膜を形成
し、この誘電体膜上にSTMを構成し、このSTMのト
ンネル電流により変位を検出する。
In the first method, a dielectric film is formed on the upper surface of the cantilever, an STM is formed on the dielectric film, and displacement is detected by a tunnel current of the STM.

第2の方法では、カンチレバー先端に光学反射面を形成
し、この反射面にファイバーを介してルビー固体レーザ
やアルゴン気体レーザのレーザビームを入射させて反射
させる。この反射ビームを反射側に設けたPDS (光
位置検出器)で検出することにより、カンチレバーの反
射角の変化が検出される。
In the second method, an optical reflection surface is formed at the tip of the cantilever, and a laser beam such as a ruby solid-state laser or an argon gas laser is made incident on this reflection surface via a fiber and reflected. By detecting this reflected beam with a PDS (optical position detector) provided on the reflection side, a change in the reflection angle of the cantilever is detected.

第3の方法では、第2の方法と同様なレーザ光源からの
出射ビームを参照ビームとカンチレバー反射面への入射
ビームとに三方し、カンチレバーからの反射ビームに上
記参照ビームを干渉させる。
In the third method, the beam emitted from the laser light source similar to the second method is divided into a reference beam and a beam incident on the cantilever reflecting surface, and the reference beam is caused to interfere with the reflected beam from the cantilever.

その干渉出力を光電検出することにより、カンチレバー
の変位が検出される。
The displacement of the cantilever is detected by photoelectrically detecting the interference output.

また、カンチレバーの変位に代えて、カンチレバーの固
有振動の変化を上記の三つの方法によって検出すること
も公知である(例えばジャーナル・アプライド・フィジ
クス(Jour、Appl 、Phys)第61巻(1
987年)、第4723頁に所載のY。
It is also known that instead of the displacement of the cantilever, changes in the natural vibration of the cantilever are detected using the three methods described above (for example, Journal Applied Physics, Vol. 61 (1).
987), p. 4723.

マーチン(Martin)等の論文)。この固有振動の
変化は、カンチレバーを固有振動させつつ試料に近接さ
せると、近距離力の影響でカンチレバーの振動数が固有
振動数からずれる(シフトする)ことにより生じる。
(Article by Martin et al.). This change in natural vibration occurs because when the cantilever is brought close to a sample while causing natural vibration, the frequency of the cantilever deviates (shifts) from the natural frequency due to the influence of short-range force.

[発明が解決しようとする課題] AFMやMFMにおいて、カンチレバーの変位を大きく
することにより変位測定を容易にするためには、カンチ
レバーを軽量で弾性の大きい物質で細長い形状に形成す
るのが好ましい。しかしながら、カンチレバーを長くす
ると固有振動数が低下するため、走査時の試料の凹凸に
追従する応答特性が悪化し、また外部振動ノイズの除去
が困難になる。
[Problems to be Solved by the Invention] In AFM and MFM, in order to facilitate displacement measurement by increasing the displacement of a cantilever, it is preferable to form the cantilever into an elongated shape using a lightweight and highly elastic material. However, as the cantilever becomes longer, the natural frequency decreases, which deteriorates the response characteristics that follow the irregularities of the sample during scanning, and makes it difficult to remove external vibration noise.

一方、固有振動数を数10KH7に維持するために、カ
ンチレバー長を1000μm以下に抑えると、カンチレ
バーの反りの変位が少なくなり、感度の良い検出手段若
しくは検出方法が要求される。
On the other hand, if the cantilever length is suppressed to 1000 μm or less in order to maintain the natural frequency at several 10 KH7, the displacement of the cantilever warp will be reduced, and a sensitive detection means or detection method will be required.

ここで前述の三つの方法は良好な検出感度が得られるも
のの、以下の問題点を有している。
Although the three methods described above can provide good detection sensitivity, they have the following problems.

STMを検出手段とする第1の方法は、STMのプロー
ブとカンチレバー誘電体表面の距離方向の0.1nrr
iの変化に対し、トンネル電流の変化は10倍であり充
分な感度を有する。しかし、プローブとカンチレバー背
面との間にも原子間力が存在し、これは被測定試料から
の原子間力と分離させるのが困難であるため、正確な計
測を妨げる。
The first method using STM as a detection means is 0.1nrr in the distance direction between the STM probe and the cantilever dielectric surface.
The change in tunnel current is 10 times as large as the change in i, and has sufficient sensitivity. However, atomic forces also exist between the probe and the back surface of the cantilever, and this is difficult to separate from the atomic forces from the sample to be measured, thus hindering accurate measurements.

反射角の変化を検出する第2の方法では、仮に感度を上
げるためにレーザビームの入射角を大きくすると、装置
構成が横方向に大きくなり、カンチレバーの固有振動数
が低下する。またカンチレバー面におけるレーザビーム
のスポットの拡がりが存在するため、要求される反射角
分解能を達成゛するように反射面の平面度の精度を上げ
ることは容易でない。
In the second method of detecting changes in the reflection angle, if the incident angle of the laser beam is increased to increase sensitivity, the device configuration becomes larger in the lateral direction and the natural frequency of the cantilever decreases. Furthermore, since the laser beam spot spreads on the cantilever surface, it is not easy to improve the accuracy of the flatness of the reflection surface so as to achieve the required reflection angle resolution.

レーザ干渉計を検出手段とする第3の方法では、感度を
上げるために外部環境の影響(温度、気圧等の歪み)を
相殺するように参照光路系と検出光路系との光路長を等
しくする必要があるが、その結果として装置構成が複雑
になる。また参照光路系と検出光路系との光学構造体を
別個に構成すると、各々の光路の腕の固有周波数を等し
くするのは困難であるから、結局は外部環境の影響を受
けることになり感度が劣化する。
In the third method using a laser interferometer as a detection means, the optical path lengths of the reference optical path system and the detection optical path system are made equal to cancel out the influence of the external environment (distortion due to temperature, atmospheric pressure, etc.) in order to increase sensitivity. However, as a result, the device configuration becomes complicated. Furthermore, if the optical structures of the reference optical path system and the detection optical path system are configured separately, it is difficult to equalize the natural frequencies of the arms of each optical path, so the sensitivity will be affected by the external environment and the sensitivity will decrease. to degrade.

本発明は上記問題点に鑑みて成されたものであり、その
目的とするところは、原子間力や磁力の如き近距離力に
対する良好な検出感度を有し、外部環境の変化に対して
安定な試料表面の像形成方法及びその装置を提供するこ
とである。
The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to have good detection sensitivity to short-range forces such as atomic force and magnetic force, and to be stable against changes in the external environment. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for forming an image on a sample surface.

[課題を解決するための手段] 上記課題を解決するために、本発明に係わる試料表面の
像形成方法は、検査すべき試料の表面に対し、振動体の
一端に固定された探針の尖端を、この探針尖端の微視的
粒子と試料表面の微視的粒子とが近距離力による相互作
用を発生可能な所定距離以内に接近させ、この状態で、
上記探針を試料表面に沿った二次元方向へ走査させなが
ら、上記探針尖端と試料表面との間の距離に応して上記
振動体の固有振動数が変化するように、上記振動体を振
動させる試料表面の像形成方法において、上記振動体の
2つの測定点における変位の位相差を検出することによ
り、上記相互作用に起因する上記振動体の振動数の固有
振動数からのシフトを検出し、この検出された振動数の
シフトに応して、= 12 − 上記振動体の振動数が固有振動数に保持されるように、
上記探針尖端と試料表面との間の距離の大きさを制御し
、この距離の制御量が試料表面の凹凸に対応することに
基づいて、上記制御量を上記探針の試料表面に対する走
査位置に対応させてプロットすることにより、試料表面
の像を形成することを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the method for forming an image on the surface of a sample according to the present invention provides a method for forming an image on the surface of a sample by directing the tip of a probe fixed to one end of a vibrating body to the surface of a sample to be inspected. The microscopic particles at the tip of the probe and the microscopic particles on the surface of the sample are brought close to each other within a predetermined distance that allows interaction by short-range force to occur, and in this state,
While scanning the probe in a two-dimensional direction along the sample surface, the vibrating body is moved such that the natural frequency of the vibrating body changes depending on the distance between the tip of the probe and the sample surface. In a method for forming an image of a vibrating sample surface, a shift in the frequency of the vibrating body from its natural frequency due to the interaction is detected by detecting a phase difference in displacement at two measurement points of the vibrating body. According to this detected frequency shift, = 12 - such that the frequency of the vibrating body is maintained at the natural frequency,
The size of the distance between the tip of the probe and the sample surface is controlled, and based on the fact that the controlled amount of this distance corresponds to the unevenness of the sample surface, the controlled amount is adjusted to the scanning position of the probe with respect to the sample surface. It is characterized by forming an image of the sample surface by plotting it in correspondence with the .

一方、本発明に係わる試料表面の像形成装置は、試料の
表面に近接配置させるべき探針が一端に固定された振動
体と、この振動体をその固有振動数で振動させるように
、この振動体の他端を支持する振動手段と、上記探針を
試料表面に沿った二次元方向へ走査させるように、上記
振動体と試料とのうちの少なくとも一方を他方に対して
相対移動させる走査手段とを備えたものにおいて、上記
振動体の2つの測定点における変位の位相差を検出する
位相差検出手段と、この位相差検出手段により検出され
た位相差が、上記振動体の固有振動状態における位相差
となるように、上記探針尖端と試料表面との間の距離を
制御する制御手段と、この制御手段の制御量が試料表面
の凹凸に対応することに基づいて、上記制御量を上記走
査手段による上記探針の試料表面に対する走査位置に対
応させてプロットすることにより、試料表面の像を形成
する像形成手段とを備えることを特徴とする。
On the other hand, the sample surface image forming apparatus according to the present invention includes a vibrating body to which a probe to be placed close to the sample surface is fixed at one end, and a vibrating body that vibrates at its natural frequency. vibrating means for supporting the other end of the body; and scanning means for moving at least one of the vibrating body and the sample relative to the other so as to scan the probe in a two-dimensional direction along the sample surface. and a phase difference detecting means for detecting a phase difference between displacements at two measurement points of the vibrating body, and a phase difference detected by the phase difference detecting means in the natural vibration state of the vibrating body. A control means for controlling the distance between the tip of the probe and the sample surface so that a phase difference is obtained, and the control amount is determined based on the fact that the control amount of this control means corresponds to the unevenness of the sample surface. The present invention is characterized by comprising an image forming means for forming an image of the sample surface by plotting the probe in correspondence with the scanning position of the probe relative to the sample surface by the scanning means.

本発明の一つの実施例によれば、上記位相差検出手段は
、上記2つの測定点を含むように上記振動体に形成され
た反射面と、少なくとも上記2つの測定点に入射するよ
うに上記反射面にレーザビームを入射させる入射光学系
と、上記2つの測定点に入射したレーザビームに対する
反射ビームをそれぞれ受光する一対の光電素子と、これ
ら光電素子の光電出力に基づいて上記2つの測定点にお
ける上記振動体の変位の位相差を検出する検出手段とを
備える。
According to one embodiment of the present invention, the phase difference detection means includes a reflecting surface formed on the vibrating body so as to include the two measurement points, and a reflection surface formed on the vibrating body to include the two measurement points, and An input optical system that makes the laser beam enter the reflective surface; a pair of photoelectric elements that respectively receive the reflected beams of the laser beam that entered the two measurement points; and detection means for detecting a phase difference in displacement of the vibrating body.

また、本発明の他の実施例によれば、上記位相差検出手
段は、上記2つの測定点を含むように上記振動体に形成
された反射面と、少なくとも上記2つの測定点に入射す
るように上記反射面にレーザビームを入射させる入射光
学系と、上記反射面一  14  = に入射する以前の上記レーザビームと同一の位相を有す
る参照ビームを生起する参照ビーム生起手段と、上記2
つの測定点へ入射したレーザビームに対する反射ビーム
の各々が上記参照ビームと干渉してなる干渉ビームをそ
れぞれ受光する一対の光電素子と、これら光電素子の光
電出力に基づいて上記2つの測定点における上記振動体
の変位の位相差を検出する検出手段とを備える。
Further, according to another embodiment of the present invention, the phase difference detection means includes a reflecting surface formed on the vibrating body so as to include the two measurement points, and a reflection surface formed on the vibrating body to include the two measurement points. an input optical system for making a laser beam incident on the reflective surface; a reference beam generating means for generating a reference beam having the same phase as the laser beam before being incident on the reflective surface;
a pair of photoelectric elements each receiving an interference beam formed by each of the reflected beams of the laser beam incident on the two measurement points interfering with the reference beam; and based on the photoelectric outputs of these photoelectric elements, the and detection means for detecting a phase difference in displacement of the vibrating body.

尚、上記2つの測定点は、好ましくはそれぞれ上記振動
体の固有振動における腹と節に相当する位置である。
The two measurement points are preferably located at positions corresponding to the antinode and node of the natural vibration of the vibrating body, respectively.

[作用コ 本発明によれば、振動体の振動数の固有振動数からのシ
フトが、振動体の所定の2つの測定点における変位の位
相差として検出される。この場合、振動体の変位の測定
点を2点としたために、従来の如き1点による測定に比
して、高精度の変位測定が可能である。例えば、振動体
の固有振動における腹と節に相当する位置を測定点とす
ると、2つの測定点における変位の位相差が大きくなる
ので、高精度の変位測定が容易である。
[Function] According to the present invention, a shift in the frequency of the vibrating body from the natural frequency is detected as a phase difference between displacements at two predetermined measurement points of the vibrating body. In this case, since the displacement of the vibrating body is measured at two points, it is possible to measure the displacement with higher precision than the conventional measurement at one point. For example, if positions corresponding to the antinode and node of the natural vibration of the vibrating body are used as measurement points, the phase difference between the displacements at the two measurement points becomes large, making it easy to measure displacement with high precision.

検出された変位の位相差、即ち振動数のシフトは、探針
尖端と試料表面との微視的粒子間の近距離力(例えば両
者の原子間に作用する原子間力、両者の磁性粒子間に作
用する磁力)の大きさに応じて変化する。この近距離力
の大きさは、探針尖端と試料表面との距離に比例する。
The phase difference of the detected displacement, that is, the frequency shift, is due to the short-range force between the microscopic particles between the tip of the probe and the sample surface (for example, the atomic force acting between the atoms of the two, or the force between the magnetic particles of the two). (magnetic force acting on the magnetic field). The magnitude of this short-range force is proportional to the distance between the tip of the probe and the sample surface.

従って、振動数のシフトを打ち消すように探針尖端と試
料表面との間の距離を制御すると、走査期間中の探針尖
端の軌跡は、試料表面の凹凸形状に対応した形状を描く
ことになる。そこで、探針尖端と試料表面との間の距離
の制御量を、探針の試料表面に対する走査位置に応じて
プロットすることにより、試料表面の像を形成できる。
Therefore, if the distance between the tip of the probe and the sample surface is controlled to cancel the frequency shift, the trajectory of the tip of the probe during the scanning period will draw a shape that corresponds to the uneven shape of the sample surface. . Therefore, an image of the sample surface can be formed by plotting the control amount of the distance between the probe tip and the sample surface according to the scanning position of the probe with respect to the sample surface.

[実施例] 本発明の詳細な説明に先立って、本発明の基本的な原理
について原子開力顕微鏡(AFM)を例として概略的に
説明する。
[Example] Prior to detailed explanation of the present invention, the basic principle of the present invention will be briefly explained using an atomic force microscope (AFM) as an example.

第1図において、カンチレバー(振動体)2は、その自
由端にプローブ(探針)4が固定され、固定端は圧電素
子6により保持されている。プローブ4は試料表面1a
に近接配置されている。ここでカンチレバー2を固有振
動数で振動させるように、圧電素子6に所定の電圧を印
加すると、カンチレバー2は第2A図または第2B図に
示すような基本モードまたは3倍周波モードで固有振動
する。この振動はプローブ4の尖端と試料表面1aとの
原子間相互作用により変化する。この振動の変化をカン
チレバー2上の2つの測定点A、Bの変位の位相差によ
り検出する。この検出には、以下のようなレーザ干渉法
が適用可能である。再び第1図を参照すると、レーザ光
源(図示せず)から出射されて分離された2本のレーザ
ビームLl。
In FIG. 1, a cantilever (vibrating body) 2 has a probe 4 fixed to its free end, and the fixed end is held by a piezoelectric element 6. Probe 4 is on sample surface 1a
located close to. When a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 6 so as to cause the cantilever 2 to vibrate at its natural frequency, the cantilever 2 naturally vibrates in the fundamental mode or triple frequency mode as shown in FIG. 2A or FIG. 2B. . This vibration changes due to atomic interaction between the tip of the probe 4 and the sample surface 1a. This change in vibration is detected by the phase difference between the displacements of the two measurement points A and B on the cantilever 2. The following laser interferometry can be applied to this detection. Referring again to FIG. 1, two laser beams Ll are emitted from a laser light source (not shown) and separated.

L2は、ビームスプリッタ20で反射し、それぞれ参照
画22の2点A−、B−へ入射する。この2点A−、B
−への入射ビームは、一部がそこで反射されて参照ビー
ムとなる。また、他の一部は参照画22を透過してカン
チレバー2の反射面2aの測定点A、Bにそれぞれ入射
し、ここで反射され、信号ビームとなる。これら測定点
A、Hによる2本の信号ビームが、参照画22の2点A
″。
L2 is reflected by the beam splitter 20 and incident on two points A- and B- of the reference image 22, respectively. These two points A-, B
A beam incident on - is partially reflected there and becomes a reference beam. The other part passes through the reference image 22 and enters measurement points A and B on the reflective surface 2a of the cantilever 2, where it is reflected and becomes a signal beam. Two signal beams from these measurement points A and H are generated at two points A on the reference image 22.
″.

B−による2本の参照ビームとそれぞれ干渉することに
より、2本の干渉ビームが形成される。これら2本の干
渉ビームは、それぞれビームスプリッタ20を透過して
、光電素子24a、24bで受光される。ここで試料面
1aがプローブ4から充分に離れている場合、光電素子
24a、24bに受光される光パワーは、第3A図に示
すようにカンチレバー2の固有振動数で定まる周波数で
位相一定のまま受光される。次にプローブ4を試料表面
1aに近接させた場合は、プローブ4と試料面1aに働
く原子間力によりカンチレバー2の振動数が固有振動数
から増加する。このため光電素子24a、24bで受光
される光信号の位相が、−18= 第3B図に示すように変動する。この位相の変動を位相
差計(検出手段)26で検出し、その検出出力に応じて
圧電体(図示せず)等により光信号の位相の変動を打ち
消すように試料面1aの位置を制御する。この制御出力
の値は、試料面1aの凹凸に対応するデータと見做せる
。従って、この凹凸データに晶づいて試料面3aの像を
形成できる。
Two interference beams are formed by interfering with the two reference beams from B-, respectively. These two interference beams each pass through the beam splitter 20 and are received by the photoelectric elements 24a and 24b. If the sample surface 1a is sufficiently far away from the probe 4, the optical power received by the photoelectric elements 24a and 24b remains constant in phase at a frequency determined by the natural frequency of the cantilever 2, as shown in FIG. 3A. Light is received. Next, when the probe 4 is brought close to the sample surface 1a, the frequency of the cantilever 2 increases from its natural frequency due to the atomic force acting on the probe 4 and the sample surface 1a. Therefore, the phase of the optical signals received by the photoelectric elements 24a and 24b varies as shown in -18=FIG. 3B. This phase variation is detected by a phase difference meter (detection means) 26, and the position of the sample surface 1a is controlled by a piezoelectric body (not shown) or the like according to the detection output so as to cancel out the phase variation of the optical signal. . The value of this control output can be regarded as data corresponding to the unevenness of the sample surface 1a. Therefore, an image of the sample surface 3a can be formed based on this unevenness data.

以下、本発明をAFMに適用した実施例について説明す
る。
An example in which the present invention is applied to an AFM will be described below.

第4図に示される第1実施例において、カンチレバー2
は、長さ500〜2000μm1厚さ5μm1幅200
μmであり、その自由端の下面に固定されたプローブ4
の尖端は、曲率半径が0゜1μm程度に尖鋭化されてい
る。また、カンチレバー2の上面2aは、銀またはアル
ミニウムを蒸着した反射面として形成されている。この
ようなカンチレバー2は、その固定端を圧電素子6によ
り保持され、圧電素子6への印加電圧に応じて振動可能
である。尚、カンチレバー2の材質は、公知の方法で作
成される充分に薄い箔片状の燐青銅としても良いが、本
実施例ではSi2N3とする。
In the first embodiment shown in FIG.
The length is 500 to 2000 μm, the thickness is 5 μm, and the width is 200 μm.
μm, and a probe 4 fixed to the lower surface of its free end
The tip is sharpened to have a radius of curvature of about 0.1 μm. Further, the upper surface 2a of the cantilever 2 is formed as a reflective surface on which silver or aluminum is deposited. Such a cantilever 2 has its fixed end held by a piezoelectric element 6, and can vibrate according to the voltage applied to the piezoelectric element 6. The material of the cantilever 2 may be phosphor bronze in the form of a sufficiently thin foil made by a known method, but in this embodiment it is made of Si2N3.

このカンチレバー2の作成に際しては、半導体デバイス
作成技術を基礎とするマイクロッアプリケーション、マ
イクロマシニングなど、機械的な動作を伴うデバイス、
或いは機械的極微細形状を有するデバイスの作成技術を
用いることが好ましい。
When creating this cantilever 2, devices that involve mechanical movement, such as microapplication and micromachining based on semiconductor device manufacturing technology, are used.
Alternatively, it is preferable to use a technique for creating a device having a mechanically ultra-fine shape.

検査すべき試料1は、その表面1aがプローブ4の尖端
に向き合うようにXYz駆動装置(走査手段)10上に
載置されている。この駆動装置10は、トライボッド型
またはチューブ状の圧電素子であり、プローブ4が試料
表面1aに沿った二次元方向へ試料表面1aを走査する
ように、試料1をXY力方向移動させる。また駆動動装
置10は、試料表面1aとプローブ3の尖端との間の距
離が一定になるように試料]をZ方向へ移動させる。こ
の駆動動装置10は制御装置(制御手段)12により制
御される。制御装置]2は、駆動装置10を駆動させる
駆動増幅器及びその駆動量を負帰還させるフィードバッ
ク回路(共に図示せず)を備えている。
A sample 1 to be inspected is placed on an XYz drive device (scanning means) 10 so that its surface 1a faces the tip of the probe 4. This drive device 10 is a tri-bod type or tube-shaped piezoelectric element, and moves the sample 1 in the XY force directions so that the probe 4 scans the sample surface 1a in a two-dimensional direction along the sample surface 1a. Further, the drive device 10 moves the sample in the Z direction so that the distance between the sample surface 1a and the tip of the probe 3 is constant. This drive device 10 is controlled by a control device (control means) 12. The control device] 2 includes a drive amplifier that drives the drive device 10 and a feedback circuit (both not shown) that provides negative feedback of the drive amount.

カンチレバー反射面2a上の2つの測定点A。Two measurement points A on the cantilever reflective surface 2a.

Bヘレーザビームを入射させるためのレーザ光源28a
は、例えばHe−Neレーザのように単一周波数を有す
るものである。この光源28aから出射されたレーザビ
ームを整形するビームエクスパンダ30は、簡単な凸レ
ンズと凹レンズを組み合わせてなる。このビームエクス
パンダ3oによる整形ビームを偏光させるビームスプリ
ッタ2゜は、ハーフプリズムやペリクルスプリッタなど
である。このビームスプリッタ2oで偏光されたビーム
を2点A、Bへ入射させるシリンドリカルレンズ32は
、BN2などの光学ガラス材料で形成され、平面側に参
照面22(参照ビーム生起手段)としての反射膜が蒸着
されている。これら各構成要素20,28a、30.3
2により入射光学系が構成される。
Laser light source 28a for inputting a laser beam to B
has a single frequency, such as a He-Ne laser. The beam expander 30 that shapes the laser beam emitted from the light source 28a is formed by combining a simple convex lens and a concave lens. The beam splitter 2° that polarizes the shaped beam produced by the beam expander 3o is a half prism, a pellicle splitter, or the like. The cylindrical lens 32 that makes the beam polarized by the beam splitter 2o enter two points A and B is made of an optical glass material such as BN2, and has a reflective film as a reference surface 22 (reference beam generating means) on the plane side. It is vapor-deposited. Each of these components 20, 28a, 30.3
2 constitutes an input optical system.

上記参照面22及びカンチレバー反射面2aの2点A、
Bからの反射ビームを受光する一対の光電素子24 a
、24 bは、フォトダイオードである。その検出すべ
き以外の光は、フォトダイオード24a、24bの入射
側に配置された視野絞り34により遮光される。この視
野絞り34は銅板などの板上に2点のピンホールを設け
たものである。フォトダイオード24a、24bの光電
出力の位相差を求める位相差計26は、簡単な電気回路
で構成された通常の市販品である。また、試料表面1a
の像を表示する画像表示装置(像形成手段)36は、例
えばCRT368と描画回路(図示せず)を備えたマイ
クロコンピュータが用いられる。
Two points A of the reference surface 22 and the cantilever reflective surface 2a,
A pair of photoelectric elements 24 a that receive the reflected beam from B
, 24b are photodiodes. Light other than that to be detected is blocked by a field stop 34 arranged on the incident side of the photodiodes 24a and 24b. The field stop 34 is made of a copper plate or the like with two pinholes formed on it. The phase difference meter 26 for determining the phase difference between the photoelectric outputs of the photodiodes 24a and 24b is a normal commercially available product constructed from a simple electric circuit. In addition, the sample surface 1a
The image display device (image forming means) 36 that displays the image is, for example, a microcomputer equipped with a CRT 368 and a drawing circuit (not shown).

上記のように構成されたAFMの動作は以下の通りであ
る。−例として、カンチレバー2の固有振動は3倍周波
モードとする。また、カンチレバー2の変位の測定点A
、Bは、それぞれ振動の腹と節に相当する位置とする。
The operation of the AFM configured as described above is as follows. - As an example, the natural vibration of the cantilever 2 is assumed to be a triple frequency mode. Also, the measurement point A of the displacement of the cantilever 2
, B are positions corresponding to the antinode and node of vibration, respectively.

ここで411定点Aはカンチレバー2の先端に位置し、
測定点Bは測定点Aからカンチレバー2の長さの2/3
の位置にある。
Here, 411 fixed point A is located at the tip of cantilever 2,
Measurement point B is 2/3 of the length of cantilever 2 from measurement point A.
It is located at

圧電素子6によりカンチレバー2を3倍周波モ−ドで固
有振動するように振動させると、カンチレバー2は他の
外力が加わらない限り一定の周期で変位を繰り返す。こ
こで試料表面1aがプローブ4に近接し、カンチレバー
2が原子間力の影響を受けると、上記周期は減少する。
When the cantilever 2 is vibrated by the piezoelectric element 6 so as to cause natural vibration in the triple frequency mode, the cantilever 2 repeats displacement at a constant period unless another external force is applied. Here, when the sample surface 1a approaches the probe 4 and the cantilever 2 is affected by atomic force, the above-mentioned period decreases.

この周期の変化は次のように検出される。This cycle change is detected as follows.

光源28aから出射したレーザビームは、ビームエクス
パンダ30により適当なスポット径に拡大され、ビーム
スプリンタ20に入射する。このスポット径は、少なく
ともカンチレバー2上の測定点A、B間の距離に相当す
る。上記ビームスプリッタ20で偏光されたビームは、
シリンドリカルレンズ32上の参照面22に入射する。
The laser beam emitted from the light source 28a is expanded to an appropriate spot diameter by a beam expander 30, and then enters the beam splinter 20. This spot diameter corresponds to at least the distance between measurement points A and B on the cantilever 2. The beam polarized by the beam splitter 20 is
The light is incident on the reference surface 22 on the cylindrical lens 32.

この参照面22への入射ビームのうち、40〜50%は
参照面22で反射されて参照ビームとなる。また、参照
面22を透過したビームは、ンリンドリカルレンズ32
によりカンチレバー反射面2a上に線状に集光されてこ
こで反射し、信号ビームとなる。
Of the beam incident on the reference surface 22, 40 to 50% is reflected by the reference surface 22 and becomes a reference beam. In addition, the beam transmitted through the reference surface 22 is transmitted through the lindrical lens 32.
The light is condensed into a line on the cantilever reflecting surface 2a and reflected there, forming a signal beam.

これら参照ビームと信号ビームは、ビームスプリッタ2
0及び視野絞り34のピンホールを透過し−23= て、それぞれフォトダイオード24a、24bで受光さ
れる。これら参照ビームと信号ビームとの干渉により、
カンチレバー2の変位が干渉縞情報として得られる。従
って、固有振動しているカンチレバー2の2点A、Bに
対応したフォトダイオード24a、24bには、正弦波
状の信号が検出される。この2つの正弦波状信号の位相
差は位相差計26により求められる。この位相差の変化
は、カンチレバー2の振動数の置台振動数からのシフト
、即ち試料表面]aとプローブ3との間の距離の変化を
表す。制御装置12は、この位相差の変化を打ち消すよ
うに駆動装置10をZ方向へ駆動させ、試料表面1aと
プローブ3との間の距離を一定に保持する。この制御装
置12のZ方向の制御出力(試料表面1aの凹凸を示す
データ)と、XY力方向制御出力(試料表面1aに対す
るプローブ4の走査位置を示すデータ)とは、画像表示
装置36の描画回路に与えられる。この描画回路は、凹
凸データを走査位置データに対応させてプロットするこ
とにより、試料表面1aの三次元的な像を表示画面34
aに拡大表示する。
These reference beams and signal beams are connected to the beam splitter 2
The light passes through the pinholes of the field diaphragm 34 and -23= and is received by the photodiodes 24a and 24b, respectively. Due to interference between these reference beams and signal beams,
The displacement of the cantilever 2 is obtained as interference fringe information. Therefore, a sinusoidal signal is detected in the photodiodes 24a and 24b corresponding to the two points A and B of the cantilever 2 undergoing natural vibration. The phase difference between these two sinusoidal signals is determined by a phase difference meter 26. This change in phase difference represents a shift in the frequency of the cantilever 2 from the frequency of the mount, that is, a change in the distance between the sample surface [a] and the probe 3. The control device 12 drives the drive device 10 in the Z direction so as to cancel this change in phase difference, and maintains the distance between the sample surface 1a and the probe 3 constant. The control output of the control device 12 in the Z direction (data indicating the unevenness of the sample surface 1a) and the XY force direction control output (data indicating the scanning position of the probe 4 with respect to the sample surface 1a) are the drawings of the image display device 36. given to the circuit. This drawing circuit displays a three-dimensional image of the sample surface 1a on the display screen 34 by plotting the unevenness data in correspondence with the scanning position data.
Enlarged display in a.

第5図は本発明の第2実施例を示す。本実施例における
入射光学系は、レーザ光源28b1ビームスプリツタ2
0、ディスブレーシングプリズム38を備えている。レ
ーザ光源28bは、例えばゼーマンレーザのように、偏
光面が互いに直交した2周波のビームを出射する光源で
ある。この光ri、28bによるビームを入射側で分離
するためのディスブレーシングプリズム38及び検出側
で分離するためのウォラストンプリズム40は、カルサ
イトにより形成できる。また、参照面22は、光学平面
板上に反射膜を蒸着してなる。その他の構成要素につい
ては第1実施例と同様である。
FIG. 5 shows a second embodiment of the invention. The input optical system in this embodiment includes a laser light source 28b1 a beam splitter 2
0, a disbracing prism 38 is provided. The laser light source 28b is a light source, such as a Zeeman laser, which emits two-frequency beams whose polarization planes are orthogonal to each other. The displacing prism 38 for separating the beams of the lights ri and 28b on the incident side and the Wollaston prism 40 for separating the beams on the detection side can be formed of calcite. Further, the reference surface 22 is formed by depositing a reflective film on an optical flat plate. Other components are the same as those in the first embodiment.

光源28bから出射した2周波ビームはビームスプリッ
タ20で反射した後、ディスブレーシングプリズム38
により2本に分離され、参照面22に入射する。この参
照面22に入射した各々のビームは、40〜50%が反
射されて参照ビームとなる。この参照ビームは、ディス
ブレーシングプリズム38を透過して1本のビームにさ
れ、ビ−ムスプリンタ20を透過する。次に、ウォラス
トンプリズム40により、互いに直交する振動面を有す
る二つの直線偏光ビームに再分離され、それぞれフォト
ダイオード24a、24bに受光される。
The two-frequency beam emitted from the light source 28b is reflected by the beam splitter 20, and then passes through the disbracing prism 38.
The beam is separated into two beams by , and is incident on the reference surface 22 . 40 to 50% of each beam incident on the reference surface 22 is reflected and becomes a reference beam. This reference beam passes through the disbracing prism 38, is made into one beam, and passes through the beam printer 20. Next, the light is reseparated by the Wollaston prism 40 into two linearly polarized beams having vibration planes perpendicular to each other, and each is received by the photodiodes 24a and 24b.

一方、参照面22を透過した2本のビームは、カンチレ
バー反射面2aの測定点A、Bに入射し、ここで反射し
て信号ビームとなる。これら2本の信号ビームは、参照
面22を透過した後、上記参照ビームと同様な光路を経
て、それぞれフォトダイオード24a、24bに受光さ
れる。従って、フォトダイオード24a、24bには、
信号ビームと参照ビームとの干渉ビームが受光されるこ
とになる。これらフォトダイオード24a、24bの出
力に基づいて、上記第1実施例と同様にして試料表面の
像が得られる。
On the other hand, the two beams that have passed through the reference surface 22 are incident on measurement points A and B on the cantilever reflective surface 2a, and are reflected there to become signal beams. After passing through the reference surface 22, these two signal beams pass through the same optical path as the reference beam and are received by photodiodes 24a and 24b, respectively. Therefore, in the photodiodes 24a and 24b,
An interference beam between the signal beam and the reference beam will be received. Based on the outputs of these photodiodes 24a and 24b, an image of the sample surface is obtained in the same manner as in the first embodiment.

第6図は本発明の第3実施例を示す。本実施例における
入射光学系では、He−Neレーザ光源28aから出射
され、ビームスプリッタ20で偏光されたビームを分割
する手段として、三角プリズム42を用いる。この三角
プリズム42はB K7などの光学ガラス材料により形
成されている。
FIG. 6 shows a third embodiment of the invention. In the input optical system in this embodiment, a triangular prism 42 is used as a means for splitting the beam emitted from the He-Ne laser light source 28a and polarized by the beam splitter 20. This triangular prism 42 is made of an optical glass material such as BK7.

また、カンチレバー反射面2a上の測定点A、  Bか
らの反射ビームを検出する光電素子44a、44bは、
受光面が2分割されたシリコンフォトダイオードである
。これら2分割フォトダイオード44a、44bの各々
の受光面の出力差を求める減算器46a、46bは、オ
ペアンプなどにより構成されている。その他の構成要素
については第1実施例と同様である。
In addition, photoelectric elements 44a and 44b that detect reflected beams from measurement points A and B on the cantilever reflective surface 2a,
It is a silicon photodiode with a light-receiving surface divided into two parts. Subtractors 46a and 46b for determining the output difference between the light receiving surfaces of these two-divided photodiodes 44a and 44b are constructed of operational amplifiers and the like. Other components are the same as those in the first embodiment.

光源28aから出射されたビームは、ビームスプリッタ
20で偏光されて三角プリズム42の頂点42aに入射
する。この入射ビームは、第7図に示す光路のように、
三角プリズム42の頂点42aで二分割され、カンチレ
バー反射面2a上の測定点A、Bに対し、入射角が極力
に小さくなるように屈折されて入射する。これら測定点
A、 Bに入射したビームは、それぞれ測定点A、Bで
反射して反射ビームf1.f″2となるが、その反射角
及び反射位置はカンチレバー2の振動に応じて変化する
。このようにカンチレバー2の変位の情報を含む反射ビ
ームfl、f2は、三角プリズム42で屈折してビーム
スプリッタ20を透過して、それぞれ2分割フォトダイ
オード44a、44bに受光される。11111定点A
に対応するフォトダイオード44aの2つの受光面に対
応する2つの出力は、それぞれ減算器46aの正負側端
子に与えられる。減算器46aは、フォトダイオード4
4aの出力差、即ち測定点Aについての反射ビームf1
の変位及び振れ角を求めて位相差計26に与える。同様
に測定点Bについて反射ビームf2の変位及び振れ角が
、2分割フォトダイオード44bの2つの出力に基づき
減算器44bにより求められ、位相差計26に与えられ
る。位相差計26は、減算器46a、46bの出力に基
づいて反射ビームfl、f2の変位及び振れ角の位相差
、即ち測定点A、Bにおけるカンチレバー2の変位の位
相差を求める。これによりカンチレバー2の振動数の固
有振動からのシフトが検出され、上記第1実施例と同様
に試料表面1aの像が得られる。
The beam emitted from the light source 28a is polarized by the beam splitter 20 and enters the apex 42a of the triangular prism 42. This incident beam has the optical path shown in FIG.
The light beam is split into two parts at the apex 42a of the triangular prism 42, and is refracted and incident on measurement points A and B on the cantilever reflecting surface 2a so that the angle of incidence is as small as possible. The beams incident on these measurement points A and B are reflected at measurement points A and B, respectively, and become reflected beams f1. f″2, but its reflection angle and reflection position change according to the vibration of the cantilever 2. In this way, the reflected beams fl and f2, which contain information on the displacement of the cantilever 2, are refracted by the triangular prism 42 and turned into beams. The light passes through the splitter 20 and is received by the two-split photodiodes 44a and 44b.11111 Fixed point A
Two outputs corresponding to the two light receiving surfaces of the photodiode 44a corresponding to the subtracter 46a are respectively given to the positive and negative side terminals of the subtracter 46a. The subtracter 46a is the photodiode 4
4a, that is, the reflected beam f1 for measurement point A.
The displacement and deflection angle are determined and provided to the phase difference meter 26. Similarly, the displacement and deflection angle of the reflected beam f2 at the measurement point B are determined by the subtracter 44b based on the two outputs of the two-split photodiode 44b, and are provided to the phase difference meter 26. The phase difference meter 26 determines the phase difference between the displacement and deflection angle of the reflected beams fl and f2, ie, the phase difference between the displacement of the cantilever 2 at the measurement points A and B, based on the outputs of the subtractors 46a and 46b. As a result, a shift in the frequency of the cantilever 2 from its natural vibration is detected, and an image of the sample surface 1a is obtained as in the first embodiment.

この第3実施例によれば、カンチレバー2の測定点A、
Bに対する入射角が小さいほど反射ビームの反射角の変
化が大きくなることに起因して、高い検出精度が達成さ
れる。更に、測定点A、  Bに対する入射角を小さく
する手段としては、単に三角プリズム42を用いたのみ
であるから、装置構成の小型化が容易である。
According to this third embodiment, the measurement point A of the cantilever 2,
High detection accuracy is achieved because the smaller the angle of incidence with respect to B, the greater the change in the angle of reflection of the reflected beam. Furthermore, since the triangular prism 42 is simply used as a means for reducing the angle of incidence with respect to the measurement points A and B, it is easy to downsize the device configuration.

以上、3つの実施例について説明したが、何れの実施例
も従来のようなレーザ干渉計を用いる場合に比して、装
置構成が小型で安価となる。
Three embodiments have been described above, and each embodiment has a smaller device configuration and is less expensive than when a conventional laser interferometer is used.

尚、上記各実施例においては、カンチレバー2の固有振
動を基本波の第1高調波の3倍モードとした例について
説明したが、第2A図に示すような基本波モードやその
他の高調波モードとしても上記各実施例と同様な効果が
奏される。
In each of the above embodiments, an example has been described in which the natural vibration of the cantilever 2 is set to the triple mode of the first harmonic of the fundamental wave, but the fundamental wave mode and other harmonic modes as shown in FIG. However, the same effects as in each of the above embodiments can be achieved.

また、上記各実施例においては、試料表面1aとプロー
ブ3との相対移動のために、試料1をXYz駆動装置1
0により移動させるものとしたが、試料1を固定してカ
ンチレバー2を移動させてもよい。
In each of the above embodiments, the sample 1 is moved by the XYz drive device 1 in order to move the sample surface 1a and the probe 3 relative to each other.
Although the sample 1 is moved by 0, the cantilever 2 may be moved while the sample 1 is fixed.

更に、本発明の適用対象は原子開力顕微鏡(AFM)に
限定されるものではなく、磁気力顕微鏡(M F M)
にも適用可能である。
Furthermore, the application of the present invention is not limited to atomic force microscopes (AFM), but also magnetic force microscopes (MFM).
It is also applicable to

[発明の効果] 以上説明したように本発明の試料表面の像形成方法及び
その装置によれば、振動体の振動数の固有振動数からの
シフトを振動体の2つの測定点の位相差として検出する
ため、振動体の変位を高精度で検出できる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the sample surface image forming method and apparatus of the present invention, the shift of the vibration frequency of the vibrating body from the natural frequency is expressed as the phase difference between two measurement points of the vibrating body. Therefore, the displacement of the vibrating body can be detected with high precision.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の像形成方法及びその装置の原理を説明
するための概念図、第2A図及び第2B図は第1図にお
けるカンチレバーの振動状態を示す模式図、第3A図及
び第3B図は第1図における光電素子の信号波形を示す
線図、第4図は本発明の像形成装置をAFMに適用した
第1実施例を示すブロック図、第5図は同じく第2実施
例を示すブロック図、第6図は同じく第3実施例を示す
ブロック図、第7図は第6図における三角プリズムの光
路を示す光路図である。 1・・・試料、2・・・カンチレバー(振動体)、4・
・プローブ(深針)、6・・・圧電素子、10・・・X
YZ駆動装置(走査手段)、12・・・制御装置(制御
手段)、20・・・ビームスプリッタ、22・・・参照
面(参照ビーム生起手段) 、24a、24b、42a
、42b・・・光電素子、26・・・位相差計(検出手
段) 、28a、28b・・・レーザ光源、30−・・
ビームエクスパンダ、32・・・シリンドリカルレンズ
、36・・・画像表示装置(像形成手段)、38・・・
ディスブレーシングプリズム、42・・三角プリズム出
願人代理人 弁理士 坪 井 淳 = 31−
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining the principle of the image forming method and apparatus of the present invention, FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams showing the vibration state of the cantilever in FIG. 1, and FIGS. 3A and 3B are The figure is a diagram showing the signal waveform of the photoelectric element in Fig. 1, Fig. 4 is a block diagram showing a first embodiment in which the image forming apparatus of the present invention is applied to an AFM, and Fig. 5 is a diagram showing the second embodiment. FIG. 6 is a block diagram similarly showing the third embodiment, and FIG. 7 is an optical path diagram showing the optical path of the triangular prism in FIG. 6. 1... Sample, 2... Cantilever (vibrating body), 4...
・Probe (deep needle), 6...Piezoelectric element, 10...X
YZ drive device (scanning means), 12...control device (control means), 20...beam splitter, 22...reference plane (reference beam generating means), 24a, 24b, 42a
, 42b...Photoelectric element, 26...Phase difference meter (detection means), 28a, 28b...Laser light source, 30-...
Beam expander, 32... Cylindrical lens, 36... Image display device (image forming means), 38...
Disbracing prism, 42...Triangular prism applicant's attorney Atsushi Tsuboi = 31-

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、検査すべき試料の表面に対し、振動体の一端に固定
された探針の尖端を、この探針尖端の微視的粒子と試料
表面の微視的粒子とが近距離力による相互作用を発生可
能な所定距離以内に接近させ、 この状態で、上記探針を試料表面に沿った二次元方向へ
走査させながら、上記探針尖端と試料表面との間の距離
に応じて上記振動体の固有振動数が変化するように、上
記振動体を振動させる試料表面の像形成方法において、 上記振動体の2つの測定点における変位の位相差を検出
することにより、上記相互作用に起因する上記振動体の
振動数の固有振動数からのシフトを検出し、 この検出された振動数のシフトに応じて、上記振動体の
振動数が固有振動数に保持されるように、上記探針尖端
と試料表面との間の距離の大きさを制御し、 この距離の制御量が試料表面の凹凸に対応することに基
づいて、上記制御量を上記探針の試料表面に対する走査
位置に対応させてプロットすることにより、試料表面の
像を形成することを特徴とする試料表面の像形成方法。 2、上記2つの測定点が、それぞれ上記振動体の固有振
動における腹と節に相当する位置であることを特徴とす
る請求項1に記載の試料表面の像形成方法。 3、試料の表面に近接配置させるべき探針が一端に固定
された振動体と、この振動体をその固有振動数で振動さ
せるように、この振動体の他端を支持する振動手段と、
上記探針を試料表面に沿った二次元方向へ走査させるよ
うに、上記振動体と試料とのうちの少なくとも一方を他
方に対して相対移動させる走査手段とを備えたものにお
いて、上記振動体の2つの測定点における変位の位相差
を検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段によ
り検出された位相差が、上記振動体の固有振動状態にお
ける位相差となるように、上記探針尖端と試料表面との
間の距離を制御する制御手段と、この制御手段の制御量
が試料表面の凹凸に対応することに基づいて、上記制御
量を上記走査手段による上記探針の試料表面に対する走
査位置に対応させてプロットすることにより、試料表面
の像を形成する像形成手段とを備えることを特徴とする
試料表面の像形成装置。 4、上記位相差検出手段が、上記2つの測定点を含むよ
うに上記振動体に形成された反射面と、同一位相のレー
ザビームが少なくとも上記2つの測定点に入射するよう
に、上記反射面にレーザビームを入射させる入射光学系
と、上記2つの測定点に入射したレーザビームに対する
反射ビームをそれぞれ受光する一対の光電素子と、これ
ら光電素子の光電出力に基づいて上記2つの測定点にお
ける上記振動体の変位の位相差を検出する検出手段とを
備えることを特徴とする請求項3に記載の試料表面の像
形成装置。 5、上記位相差検出手段が、上記2つの測定点を含むよ
うに上記振動体に形成された反射面と、少なくとも上記
2つの測定点に入射するように上記反射面にレーザビー
ムを入射させる入射光学系と、上記反射面に入射する以
前の上記レーザビームと同一の位相を有する参照ビーム
を生起する参照ビーム生起手段と、上記2つの測定点へ
入射したレーザビームに対する反射ビームの各々が上記
参照ビームと干渉してなる干渉ビームをそれぞれ受光す
る一対の光電素子と、これら光電素子の光電出力に基づ
いて上記2つの測定点における上記振動体の変位の位相
差を検出する検出手段とを備えることを特徴とする請求
項3に記載の試料表面の像形成装置。 6、上記2つの測定点が、それぞれ上記振動体の固有振
動における腹と節に相当する位置であることを特徴とす
る請求項3乃至5の何れか1項に記載の試料表面の像形
成装置。
[Claims] 1. The tip of the probe fixed to one end of the vibrating body is placed against the surface of the sample to be inspected so that microscopic particles at the tip of the probe and microscopic particles on the sample surface The distance between the tip of the probe and the surface of the sample is determined while the probe is being scanned in a two-dimensional direction along the sample surface. In the image forming method of the sample surface in which the vibrating body is vibrated so that the natural frequency of the vibrating body changes according to the A shift in the frequency of the vibrating body from the natural frequency due to the interaction is detected, and the frequency of the vibrating body is maintained at the natural frequency according to the detected frequency shift. , controlling the size of the distance between the tip of the probe and the sample surface, and scanning the probe with respect to the sample surface using the control amount based on the fact that the controlled amount of this distance corresponds to the unevenness of the sample surface. A method for forming an image of a sample surface, comprising forming an image of the sample surface by plotting the sample surface in correspondence with its position. 2. The method for forming an image on a sample surface according to claim 1, wherein the two measurement points are positions corresponding to an antinode and a node of the natural vibration of the vibrating body, respectively. 3. A vibrating body to which a probe to be placed close to the surface of the sample is fixed at one end; a vibrating means for supporting the other end of the vibrating body so as to vibrate the vibrating body at its natural frequency;
a scanning means for moving at least one of the vibrating body and the sample relative to the other so as to scan the probe in a two-dimensional direction along the sample surface; a phase difference detection means for detecting a phase difference between displacements at two measurement points; and a control means for controlling the distance between the probe and the sample surface, and based on the fact that the control amount of the control means corresponds to the unevenness of the sample surface, the control amount is controlled by the scanning means to scan the probe on the sample surface. 1. An image forming device for forming an image on a surface of a sample, comprising an image forming means for forming an image of the surface of the sample by plotting the image in correspondence with the position. 4. The phase difference detection means includes a reflecting surface formed on the vibrating body so as to include the two measuring points, and a reflecting surface formed on the vibrating body so that a laser beam having the same phase is incident on at least the two measuring points. an input optical system that allows a laser beam to enter the laser beam; a pair of photoelectric elements that respectively receive the reflected beams of the laser beam that entered the two measurement points; 4. The sample surface image forming apparatus according to claim 3, further comprising a detection means for detecting a phase difference in displacement of the vibrating body. 5. The phase difference detection means includes a reflecting surface formed on the vibrating body so as to include the two measuring points, and an incident laser beam that is incident on the reflecting surface so as to be incident on at least the two measuring points. an optical system; a reference beam generating means for generating a reference beam having the same phase as the laser beam before entering the reflecting surface; and a reference beam generating means for generating a reference beam having the same phase as the laser beam before entering the reflecting surface; A pair of photoelectric elements each receiving an interference beam formed by interfering with the other beam, and a detection means for detecting a phase difference in the displacement of the vibrating body at the two measurement points based on the photoelectric outputs of these photoelectric elements. 4. The image forming apparatus for a sample surface according to claim 3. 6. The sample surface image forming apparatus according to any one of claims 3 to 5, wherein the two measurement points are positions corresponding to an antinode and a node of the natural vibration of the vibrating body, respectively. .
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009042124A (en) * 2007-08-10 2009-02-26 Canon Inc Atomic force microscope
JP2009042123A (en) * 2007-08-10 2009-02-26 Canon Inc Atomic force microscope

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JP2009042124A (en) * 2007-08-10 2009-02-26 Canon Inc Atomic force microscope
JP2009042123A (en) * 2007-08-10 2009-02-26 Canon Inc Atomic force microscope

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