JPH0626853A - Interatomic force microscope - Google Patents

Interatomic force microscope

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Publication number
JPH0626853A
JPH0626853A JP18108892A JP18108892A JPH0626853A JP H0626853 A JPH0626853 A JP H0626853A JP 18108892 A JP18108892 A JP 18108892A JP 18108892 A JP18108892 A JP 18108892A JP H0626853 A JPH0626853 A JP H0626853A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cantilever
reflecting surface
sample
light source
lens
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP18108892A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Kajimura
宏 梶村
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP18108892A priority Critical patent/JPH0626853A/en
Publication of JPH0626853A publication Critical patent/JPH0626853A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To obtain an interatomic force microscope which can observe a large sample. CONSTITUTION:A cantilever 32 is fixed to a supporting member 36, which is supported with an x-y-z scanner 34. A probe 28 and a reflecting surface 40 are provided at the free end of the cantilever. The supporting member 36 has a horizontally extending arm part 36a. A light source 42, which emits a laser beam, is attached to the tip part of the arm part. An objective lens 44 is arranged at a position where the focal point is located at the reflecting surface 40. A relay lens 52, whose magnificaion is equal to that of the objective lens 44, is arranged at a position where the focal point is located at the light source 42. A half mirror 48 and a mirror 50 are arranged at the upper side of the objective lens 44 and the relay lens 52, respectively, at the inclination of 45 deg. with respect to the optical axis. A mirror 54, which reflects the laser beam transmitted through the half mirror rightward, is provided at the upper side of the half mirror 48. A focusing detector 58 is arranged at the rear focal- point position of a lens 56, which is arranged at the right side of the mirror 54.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は原子間力顕微鏡(AF
M)に関する。より詳しくは、カンチレバーの変位を検
出するカンチレバー変位検出系に関する。
The present invention relates to an atomic force microscope (AF
M). More specifically, the present invention relates to a cantilever displacement detection system that detects displacement of a cantilever.

【0002】[0002]

【従来の技術】AFMのカンチレバー変位検出系には、
干渉法や光テコ法や合焦検出法などがある。干渉法は、
カンチレバーの自由端部で探針の反対側の面に設けてあ
るミラーにレーザビームを照射し、カンチレバーの変位
により生ずる反射光の強度変化を干渉計を用いて変位を
検出する。光テコ法は、カンチレバーの変位により生ず
るミラーに対するレーザービームの入射角の変化を光テ
コの原理によりビーム受光器面でのビームの変位拡大と
して検出する。合焦検出法は、臨界角プリズムやシリン
ドルカルレンズやナイフエッジ等の光学素子を介してカ
ンチレバーのミラー面から検出器に投影されるビームの
合焦状態に基づいて変位を検出する。
2. Description of the Related Art A cantilever displacement detection system of AFM includes
Interferometry, optical lever method, focus detection method, etc. are available. Interferometry is
A laser beam is applied to a mirror provided on the surface of the free end of the cantilever opposite to the probe, and the change in the intensity of reflected light caused by the displacement of the cantilever is detected using an interferometer. In the optical lever method, a change in the incident angle of a laser beam on a mirror caused by displacement of a cantilever is detected by the principle of optical lever as expansion of beam displacement on a beam receiver surface. The focus detection method detects displacement based on the focus state of the beam projected onto the detector from the mirror surface of the cantilever through an optical element such as a critical angle prism, a cylindrical lens, or a knife edge.

【0003】臨界角法では、プリズムに入射したレーザ
ービームはプリズム面からほぼ臨界角で出入射するよう
に設定されている。このレーザービームは、僅かな入射
角の変化でプリズム面を透過したり、ガラス内部に反射
される。つまり、偏角に対して透過率と反射率が急峻に
変化する。図2に、ガラス材の屈折率n=1.5の場合
の反射率曲線を示す。ここで臨界角法をカンチレバーの
変位検出系に適用した特開平3−71001に開示され
ている観察光学系一体型AFMについて図3を参照して
説明する。
In the critical angle method, the laser beam incident on the prism is set so as to emerge from and enter the prism surface at a substantially critical angle. This laser beam is transmitted through the prism surface or reflected inside the glass with a slight change in the incident angle. That is, the transmittance and the reflectance change sharply with respect to the deviation angle. FIG. 2 shows a reflectance curve when the refractive index n of the glass material is 1.5. Here, the observation optical system integrated AFM disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-71001, in which the critical angle method is applied to a cantilever displacement detection system, will be described with reference to FIG.

【0004】レーザーダイオード87から射出されるレ
ーザー光は、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ー86に入射される。偏
光ビームスプリッター86で反射されたレーザー光は、
さらにハーフミラー85で反射され、1/4波長板84
に入射する。
The laser light emitted from the laser diode 87 is shaped into parallel light by the collimator lens 90 and is incident on the polarization beam splitter 86. The laser light reflected by the polarization beam splitter 86 is
Further, it is reflected by the half mirror 85, and the quarter wavelength plate 84
Incident on.

【0005】一方、観察照明装置の光源96から射出さ
れる照明光はレンズ97で平行光にされ、ハーフミラー
92で反射される。ハーフミラー92で反射される照明
光は、フィルター91およびハーフミラー85を透過
し、1/4波長板84に入射する。
On the other hand, the illumination light emitted from the light source 96 of the observation illumination device is collimated by the lens 97 and reflected by the half mirror 92. The illumination light reflected by the half mirror 92 passes through the filter 91 and the half mirror 85 and enters the quarter wavelength plate 84.

【0006】1/4波長板84を通過するレーザー光お
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83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によって探針を自由端に設けたカンチレバー22の
上面に集光される。一方、照明光は探針の先端付近に集
光され、視野全体を照明する。
The laser light and the illumination light passing through the quarter-wave plate 84 have different chief rays and enter the objective lens 83. When passing through the quarter-wave plate 84, the laser light is converted from linearly polarized light into circularly polarized light, and is condensed by the objective lens 83 on the upper surface of the cantilever 22 having the probe at the free end. On the other hand, the illumination light is condensed near the tip of the probe and illuminates the entire field of view.

【0007】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、ハーフミラー85、フィルタ
ー94、及びハーフミラー92を通過し、結像レンズ9
3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、CCD影像素子等を備えるビデオカメラ2
7に入射され、影像信号に変換され、ビデオモニター2
8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。
The illumination light reflected from the sample 26 passes through the objective lens 83, the quarter-wave plate, the half mirror 85, the filter 94, and the half mirror 92, and the imaging lens 9
An image is formed by 3 and enters the prism 94. Part of the light incident on the prism 94 is reflected by the interface of the prism 94 and reaches the eyepiece lens 95. The light passing through the prism 94 is the video camera 2 including a CCD image element and the like.
It is incident on 7, converted into an image signal, and then the video monitor 2
It is sent to 8 and displayed. The quarter-wave plate 84 is arranged slightly inclined with respect to the optical axis so that the reflected light of the illumination light does not directly enter the observation optical system, and provides a clear visual field observation image without flare.

【0008】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、ハーフミラー85で反射され、偏光ビームスプリッ
ター86に導かれる。1/4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。ビームスプリッター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。臨界角法の原理を図
7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。
The laser light reflected on the upper surface of the cantilever 22 passes through the objective lens 83 and the quarter-wave plate, is reflected by the half mirror 85, and is guided to the polarization beam splitter 86. When passing through the quarter-wave plate 84,
The laser light is converted into linearly polarized light whose vibrating surface is rotated by 90 ° with respect to the time of incidence. The laser light incident on the beam splitter 86 is divided into two, one of which is radiated to the first two-divided light receiving element 89a through the first critical angle prism 88a, and the other of which is second light through the second critical angle prism 88b. The two-divided light receiving element 89b is irradiated. The critical angle method is used to detect the position of the cantilever. The principle of the critical angle method will be briefly described with reference to FIG. In the critical angle method, the critical angle prism c is arranged so that the angle formed by the parallel light flux and the reflecting surface of the prism becomes the critical angle when the parallel light flux enters from the lens b.

【0009】反射面aが対物レンズbの焦点位置(実線
Bで示される位置)にあるとき、すなわちビームが合焦
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。
When the reflecting surface a is at the focal position of the objective lens b (the position shown by the solid line B), that is, when the beam is in focus, the reflected light from the reflecting surface a is collimated by the lens b. It is incident on the critical angle prism c. At this time, all the light flux is totally reflected by the reflecting surface of the prism, and 2
An equal amount of light is supplied to each photodiode of the divided light receiving element.

【0010】一方、反射面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
ずれの場合も非平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
の光だけが反射される。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異なり、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、反射面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。
On the other hand, when the reflecting surface a is at a position closer to the focal point of the lens b (the position shown by the dotted line A), the light passing through the lens b becomes a divergent light beam and enters the critical angle prism c. On the contrary, when the reflecting surface a is at a position far from the focal point of the lens b (position shown by the dotted line B), the light passing through the lens b becomes a focused light flux and enters the critical angle prism c. In either case, the non-parallel light flux is incident on the critical angle prism c. In these cases, only the central ray is incident at the critical angle,
Since the incident angle of the light beam on one side from the center is smaller than the critical angle, part of the light is emitted outside the refraction prism and only the remaining light is reflected. On the contrary, the light beam on the opposite side of the center is totally reflected because the incident angle becomes larger than the critical angle. As a result, the amount of light incident on the two-divided light receiving element differs between the left and right photodiodes, and a signal corresponding to the difference in light amount is output from the output terminal f via the differential amplifier e. That is, the position of the reflection surface a is detected as the light amount difference on the detection surface of the two-divided light receiving element d.

【0011】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
リズムの外に射出されるので、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回反射される。第1の2分割受光素子
のフォトダイオードPD1の出力は、図5に示すよう
に、比較器102の反転入力端子に入力され、またフォ
トダイオードPD2の出力は、比較器102の非反転入
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102から出力され
る。一方、第2の2分割受光素子のフォトダイオードP
D3の出力は、比較器104の反転入力端子に入力さ
れ、フォトダイオードPD4の出力は、比較器104の
非反転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104の出力は、加
算されて比較器106の一端子に入力され、基準値と比
較された結果が出力される。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境に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108から出力される。
As described above, since the light incident at an angle smaller than the critical angle is partially emitted to the outside of the critical angle prism every time it hits the reflecting surface, the light amount of the refraction component is significantly reduced. Therefore, the difference in the amount of light between the light incident at an angle smaller than the critical angle and the light incident at the angle larger than the critical angle is greatly expanded. Therefore, in order to improve the measurement accuracy, it is desirable that the reflection be repeated several times in the critical angle prism. In this embodiment, the detection light is reflected twice in the critical angle prism. The output of the photodiode PD1 of the first two-divided light receiving element is input to the inverting input terminal of the comparator 102, and the output of the photodiode PD2 is input to the non-inverting input terminal of the comparator 102, as shown in FIG. The difference between the outputs of the photodiode PD1 and the photodiode PD2 that is input is output from the comparator 102. On the other hand, the photodiode P of the second two-divided light receiving element
The output of D3 is input to the inverting input terminal of the comparator 104, the output of the photodiode PD4 is input to the non-inverting input terminal of the comparator 104, and the difference between the outputs of the photodiode PD1 and the photodiode PD2 is the comparator 104. Is output from. The outputs of the comparators 102 and 104 are added and input to one terminal of the comparator 106, and the result of comparison with the reference value is output. Therefore, a signal indicating the difference in the amount of light in the area divided into two parts with the center line of the beam spot applied to the two-divided light receiving element, that is, the position of the cantilever 22 is output from the terminal 108.

【0012】本装置において、試料26は図示していな
いxyz駆動装置(例えば円筒アクュエータ)に載置さ
れていて、試料26をxy平面に数10サイクルでラス
ター走査し、その間に直接的に得られるカンチレバーの
変位を示す信号あるいはカンチレバーの変位を一定に保
つようにz方向にサーボをかけたときに得られるサーボ
信号を走査信号に同期させて処理することによりAFM
像を得ている。
In this apparatus, the sample 26 is placed on an xyz driving device (for example, a cylindrical actuator) not shown, and the sample 26 is raster-scanned on the xy plane for several tens of cycles, and directly obtained during that period. AFM by processing the signal indicating the displacement of the cantilever or the servo signal obtained when servo is applied in the z direction so as to keep the displacement of the cantilever constant in synchronization with the scanning signal.
I'm getting a statue.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】上述した干渉法や光テ
コ法や合焦検出法を適用したカンチレバーの変位検出系
は、カンチレバーと、カンチレバーに照射するレーザー
ビームを発するレーザー光源と、反射したレーザービー
ムを受光する検出器などを有しており、レーザービーム
を正確に指向させる調整部も含める
DISCLOSURE OF INVENTION Problems to be Solved by the Invention A displacement detection system for a cantilever to which the above-mentioned interferometry method, optical lever method, or focus detection method is applied is a cantilever, a laser light source for emitting a laser beam for irradiating the cantilever, and a reflected laser. It has a detector that receives the beam, and includes an adjustment unit that accurately directs the laser beam.

【0014】表面の粗さをnmオーダーで測定する場合
や半導体のプロセス中の構造を見る場合など、8インチ
ウェハー等の部品をそのまま測定する必要が生じてき
た。このため、試料を載置するステージを大型にすると
ともに剛性を高めると、必然的に重量が大きくなる。こ
のため、試料を動かしてラスター走査を行なうには、試
料とステージを合わせた重量が大きいため慣性が大きく
なり、制御が非常に困難となる。本発明は、大型の試料
を観察できる原子間力顕微鏡を提供することを目的とす
る。
When measuring the surface roughness on the order of nm or when observing the structure of a semiconductor during processing, it has become necessary to directly measure components such as an 8-inch wafer. Therefore, if the stage on which the sample is placed is made large and the rigidity is increased, the weight is inevitably increased. Therefore, when the sample is moved to perform the raster scanning, the weight of the sample and the stage combined is large and the inertia becomes large, which makes control very difficult. An object of the present invention is to provide an atomic force microscope capable of observing a large sample.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の原子間力顕微鏡
は、探針の反対側の面の自由端部に反射面を有している
カンチレバーと、レーザービームを射出するレーザー光
源と、カンチレバーの反射面の近傍が合焦面となるよう
にレーザー光源からのレーザービームをカンチレバーの
反射面に照射する照射手段と、カンチレバーの固定端と
レーザー光源とを相対位置が変わらぬように支持する支
持部材と、支持部材を試料の表面に平行に移動させて探
針を試料表面に沿って走査させる走査手段と、カンチレ
バーの反射面からの反射光によりカンチレバーの自由端
部の変位を合焦面からのずれとして検出する合焦検出器
とを備えている。
The atomic force microscope of the present invention comprises a cantilever having a reflecting surface at the free end of the surface opposite to the probe, a laser light source for emitting a laser beam, and a cantilever. The irradiation means for irradiating the reflection surface of the cantilever with the laser beam from the laser light source so that the vicinity of the reflection surface of the cantilever becomes the focusing surface, and the support for supporting the fixed end of the cantilever and the laser light source so that their relative positions do not change. The member and the scanning means for moving the supporting member parallel to the surface of the sample to scan the probe along the surface of the sample, and the displacement of the free end of the cantilever from the focusing surface by the reflected light from the reflecting surface of the cantilever. And a focus detector that detects the shift as a deviation.

【0016】[0016]

【作用】本発明では、レーザー光源とカンチレバーの固
定端とが、その相対的位置関係が変化しないように、支
持部材に取り付けられている。この支持部材は試料の表
面に平行に移動される。この結果として探針は試料表面
に沿って走査される。レーザー光源から射出されたレー
ザービームは照射手段によりカンチレバーの反射面に導
かれ、この反射面が合焦位置となるように照射され、こ
の照射手段と反射面とは、例えば互いに共役な位置に配
置された二枚のレンズで構成され、レーザービームは常
に反射面に合焦するように照射される。反射面で反射さ
れたレーザービームは、探針の変位すなわち反射面の変
位に応じて生じるデフォーカス量を検出する合焦検出器
に入射する。
In the present invention, the laser light source and the fixed end of the cantilever are attached to the support member so that their relative positional relationship does not change. This support member is moved parallel to the surface of the sample. As a result, the probe is scanned along the sample surface. The laser beam emitted from the laser light source is guided to the reflecting surface of the cantilever by the irradiating means, and is irradiated so that the reflecting surface becomes the focus position. The irradiating means and the reflecting surface are arranged, for example, at positions conjugate with each other. The laser beam is irradiated so that the reflection surface is always focused. The laser beam reflected by the reflecting surface enters a focus detector that detects the amount of defocus that occurs according to the displacement of the probe, that is, the displacement of the reflecting surface.

【0017】[0017]

【実施例】次に本発明の原子間力顕微鏡の実施例につい
て図1を参照しながら説明する。
EXAMPLE An example of the atomic force microscope of the present invention will be described with reference to FIG.

【0018】カンチレバー32は、xyzスキャナー3
4に支持された支持部材36に固定されており、その自
由端には下面に探針38が上面に反射面40が設けられ
ている。支持部材36は水平に延びた腕部36aを有
し、その先端部には上方に向けてレーザービームを射出
するレーザー光源42が取り付けられている。カンチレ
バー32の反射面40の上方には、鏡体46に支持され
た対物レンズ44が反射面40をほぼ焦点距離となるよ
うに配置されている。この対物レンズ44の上方には、
その法線が対物レンズ44の中心軸に対して45°傾い
ているハーフミラー48が設けられている。このハーフ
ミラー48は、レーザー光源42からのレーザービーム
を反射し、反射面40からのレーザービームは透過させ
る。また、レーザー光源42の上方には、対物レンズ4
4と等倍のリレーレンズ52が鏡体46に支持されレー
ザー光源42を焦点距離となるように隔てて配置されて
いる。このリレーレンズ52の上方には、レンズ52か
らのレーザービームをハーフミラー48に向けて反射す
るミラー50が、その法線をリレーレンズ52の中心軸
に対して45°傾けて配置されている。このように、対
物レンズ44とリレーレンズ52はハーフミラー48と
ミラー50を介して光学的に連結されており、しかも二
枚のレンズ44と52は互いに反射面40とレーザー光
源のxyzスキャナー34によるラスター走査面が共役
な関係に保たれるように配置されている。さらに、ハー
フミラー48の上方には、これを透過したレーザービー
ムを右方向に反射するミラー54が設けられている。ミ
ラー54の右方には、レンズ56が配置されていて、対
物レンズ44の合焦面と共役な位置にあるレンズ56の
後方焦点位置には、入射したレーザービームに基づいて
反射面40の合焦面からのずれ量を検出する合焦検出器
58が設けられている。
The cantilever 32 is an xyz scanner 3
The probe 38 is fixed to a support member 36 supported by the No. 4, and a probe 38 is provided on the lower surface and a reflective surface 40 is provided on the upper surface at its free end. The support member 36 has a horizontally extending arm portion 36a, and a laser light source 42 that emits a laser beam upward is attached to the tip end portion thereof. An objective lens 44 supported by a mirror body 46 is arranged above the reflecting surface 40 of the cantilever 32 so that the reflecting surface 40 has a substantially focal length. Above the objective lens 44,
A half mirror 48 whose normal is inclined by 45 ° with respect to the central axis of the objective lens 44 is provided. The half mirror 48 reflects the laser beam from the laser light source 42 and transmits the laser beam from the reflecting surface 40. The objective lens 4 is provided above the laser light source 42.
A relay lens 52 having the same size as that of the lens 4 is supported by the mirror body 46, and the laser light source 42 is arranged so as to have a focal length. Above the relay lens 52, a mirror 50 for reflecting the laser beam from the lens 52 toward the half mirror 48 is arranged with its normal line inclined by 45 ° with respect to the central axis of the relay lens 52. As described above, the objective lens 44 and the relay lens 52 are optically connected to each other via the half mirror 48 and the mirror 50, and the two lenses 44 and 52 are formed by the reflecting surface 40 and the xyz scanner 34 of the laser light source. The raster scan planes are arranged so as to maintain a conjugate relationship. Further, above the half mirror 48, a mirror 54 for reflecting the laser beam transmitted therethrough to the right is provided. A lens 56 is arranged on the right side of the mirror 54, and at the rear focal position of the lens 56 at a position conjugate with the focusing surface of the objective lens 44, the reflecting surface 40 is adjusted based on the incident laser beam. A focus detector 58 that detects the amount of deviation from the focal plane is provided.

【0019】続いて本実施例の作用について説明する。
測定に際、xyzスキャナー34を用いて探針38が、
試料ステージ62の上に載せた試料60に原子間力が発
生する距離まで近づけられる。なお、本実施例の各光学
部品は、探針38と試料60との間に原子間力が発生し
てカンチレバー32の自由端が所定の量だけ変位したと
きに、反射面40が合焦位置に来るように調整されてい
る。レーザー光源42から射出されたレーザービーム
は、リレーレンズ52に通過し、ミラー50で反射さ
れ、支持部36に設けた開口36bを通過し、ハーフミ
ラー48で反射され、対物レンズ44を通過した後、カ
ンチレバー32の自由端に設けた反射面40に合焦され
る。反射面40で反射されたレーザービームは、対物レ
ンズ44とハーフミラー48を通過し、ミラー54で反
射され、レンズ56を通過した後、合焦検出器58に入
射する。合焦検出器58は、上述したように、臨界角プ
リズムやナイフエッジなどを用いて、原子間力の変化に
応じて変化する反射面40の変位を検出する。合焦検出
器58の出力は、xyzスキャナー34から得られる位
置情報と合わせて処理され、試料60の像が得られる。
Next, the operation of this embodiment will be described.
At the time of measurement, the probe 38 using the xyz scanner 34
The sample 60 placed on the sample stage 62 is brought close to the distance where the atomic force is generated. In each of the optical components of this embodiment, when the free end of the cantilever 32 is displaced by a predetermined amount due to the generation of an atomic force between the probe 38 and the sample 60, the reflecting surface 40 is in the in-focus position. Have been adjusted to come. The laser beam emitted from the laser light source 42 passes through the relay lens 52, is reflected by the mirror 50, passes through the opening 36 b provided in the support portion 36, is reflected by the half mirror 48, and passes through the objective lens 44. , Is focused on the reflecting surface 40 provided at the free end of the cantilever 32. The laser beam reflected by the reflecting surface 40 passes through the objective lens 44 and the half mirror 48, is reflected by the mirror 54, passes through the lens 56, and then enters the focus detector 58. As described above, the focus detector 58 uses the critical angle prism, knife edge, or the like to detect the displacement of the reflecting surface 40 that changes according to the change in the atomic force. The output of the focus detector 58 is processed together with the position information obtained from the xyz scanner 34 to obtain an image of the sample 60.

【0020】本実施例では、探針38のxy走査は、x
yzスキャナー34を用いて、支持部材36を試料60
の表面に平行に移動させることにより行なわれる。今、
xyzスキャナー34の走査点P1 ,P2 ,P3 は、対
物レンズ44(レンズ52)の中央部分10〜200μ
m四方の範囲をラスター走査するものであり、図1内に
誇張して示したカンチレバーの寸法と同様に誇張して示
すと、実線で示したように、レーザー光源42がO2
位置にあるとき、カンチレバー32の自由端に設けた反
射面40はP2 の位置にあり、レーザー光源42から射
出されたレーザービームはL2 で示した光路を進んで反
射面40に入射する。また、想像線で示したように、レ
ーザー光源42がO3 の位置にあるときは、反射面40
はP3 の位置にあり、レーザービームはL3 で示した光
路を進んで反射面40に入射する。同様に、レーザー光
源42がO1 の位置にあるときは、反射面40はP1
位置にあり、レーザービームはL1 で示した光路を進ん
で反射面40に入射する。このように、レーザービーム
は常に同じ合焦関係で反射面40に照射され、従って同
じ条件で合焦検出器58に向かう。
In the present embodiment, the xy scan of the probe 38 is x
The support member 36 is attached to the sample 60 using the yz scanner 34.
By moving it parallel to the surface of. now,
The scanning points P 1 , P 2 , and P 3 of the xyz scanner 34 are 10 to 200 μm in the central portion of the objective lens 44 (lens 52).
Raster scanning is performed in a range of m squares. When exaggerated to show the dimensions of the cantilever exaggerated in FIG. 1, the laser light source 42 is at the position of O 2 as shown by the solid line. At this time, the reflecting surface 40 provided at the free end of the cantilever 32 is at the position P 2 , and the laser beam emitted from the laser light source 42 enters the reflecting surface 40 along the optical path indicated by L 2 . Further, as shown by the imaginary line, when the laser light source 42 is at the position of O 3 , the reflecting surface 40
Is at the position P 3 , and the laser beam enters the reflecting surface 40 along the optical path indicated by L 3 . Similarly, when the laser light source 42 is at the O 1 position, the reflecting surface 40 is at the P 1 position, and the laser beam enters the reflecting surface 40 along the optical path indicated by L 1 . In this way, the laser beam is always applied to the reflecting surface 40 in the same focusing relationship, and therefore goes to the focusing detector 58 under the same conditions.

【0021】このように探針38の走査は、xyzスキ
ャナー34を用いて支持部材36を移動させることによ
り行なわれる。このとき移動される部材は、比較的軽量
であるため、広範囲に渡って走査を制御性良く行なうこ
とができる。
As described above, the scanning of the probe 38 is performed by moving the support member 36 using the xyz scanner 34. Since the member moved at this time is relatively lightweight, scanning can be performed over a wide range with good controllability.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明によれば、レーザー光源とカンチ
レバーを取り付けた支持部材を移動させることにより走
査を行なっており、このとき移動させる部材は比較的軽
量であるので制御性が良く、しかも比較的広い範囲に渡
って走査を行なうことことができる。
According to the present invention, scanning is performed by moving a supporting member having a laser light source and a cantilever attached. At this time, the moving member is relatively lightweight, so that controllability is good, and comparison is made. The scanning can be performed over a wide range.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の原子間力顕微鏡の実施例を示す。FIG. 1 shows an example of an atomic force microscope of the present invention.

【図2】ガラス材の反射率曲線を示す。FIG. 2 shows a reflectance curve of a glass material.

【図3】従来の観察光学系一体型原子間力顕微鏡を示
す。
FIG. 3 shows a conventional atomic force microscope integrated with an observation optical system.

【図4】臨界角法の原理を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the critical angle method.

【図5】図4のフォトダイオードに接続する変位検出回
路の構成を示す。
5 shows a configuration of a displacement detection circuit connected to the photodiode of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

32…カンチレバー、34…xyzスキャナー、36…
支持部、38…探針、40…反射面、42…レーザー光
源、44…対物レンズ、52…リレーレンズ、58…合
焦検出器。
32 ... cantilever, 34 ... xyz scanner, 36 ...
Support part, 38 ... Probe, 40 ... Reflective surface, 42 ... Laser light source, 44 ... Objective lens, 52 ... Relay lens, 58 ... Focus detector.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カンチレバーの自由端部に設けた探針を
試料の表面に沿って走査し、探針先端と試料表面の原子
間に作用する力に基づいて試料の物理特性を測定する原
子間力顕微鏡であり、 探針の反対側の面の自由端部に反射面を有しているカン
チレバーと、 レーザービームを射出するレーザー光源と、 カンチレバーの反射面の近傍が合焦面となるようにレー
ザー光源からのレーザービームをカンチレバーの反射面
に照射する照射手段と、 カンチレバーの固定端とレーザー光源とを相対位置が変
わらぬように支持する支持部材と、 支持部材を試料の表面に平行に移動させて探針を試料表
面に沿って走査させる走査手段と、 カンチレバーの反射面からの反射光によりカンチレバー
の自由端部の変位を合焦面からのずれとして検出する合
焦検出器とを備えている原子間力顕微鏡。
1. An inter-atom for measuring a physical property of a sample by scanning a probe provided on a free end of a cantilever along a surface of the sample and measuring a physical property of the sample based on a force acting between atoms of the probe tip and the sample surface. It is a force microscope, and it has a cantilever that has a reflecting surface at the free end of the surface opposite to the probe, a laser light source that emits a laser beam, and a focusing surface near the reflecting surface of the cantilever. Irradiation means that irradiates the reflecting surface of the cantilever with the laser beam from the laser light source, a support member that supports the fixed end of the cantilever and the laser light source so that their relative positions do not change, and the support member moves parallel to the sample surface. And scanning means for scanning the probe along the sample surface, and focus detection that detects the displacement of the free end of the cantilever as a deviation from the focusing surface by the reflected light from the reflecting surface of the cantilever. Atomic force microscope equipped with a vessel.
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