JPH06307848A

JPH06307848A - プローブ顕微鏡の探針変位検出装置

Info

Publication number: JPH06307848A
Application number: JP5092995A
Authority: JP
Inventors: Nobuhito Ishii; 信人石井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】探針を交換しても光検出器の試料に対する位
置の調整を不要とし、精度良く探針の変位を検出可能と
する。【構成】探針（２）上の反射面（４）からの反射光の
光軸にほぼ垂直な平面内に、当該平面内の所定の方向に
多数の受光素子を配列した光検出器（１２）を設ける。
調整手段（Ｔ）はこの光検出器（１２）を第１受光部と
第２受光部とに分割する基準位置を定めるとともにその
基準位置を受光素子の配列方向の任意の位置に変更可能
とし、この第１受光部及び第２受光部から得られる光電
信号に基づいて光情報検出手段（２０、２１、２２、２
３）が第１光情報と第２光情報とを検出する。この第１
光情報と第２光情報とを比較手段（２４）によって比較
し、反射面（４）の変位に応じた信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プローブ顕微鏡の探針
の変位を検出する装置に関し、特に探針と試料間に働く
原子間力の変化によって生ずる探針の変位を測定する原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の探針変位検出装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】プローブ顕微鏡とは微小な探針（プロー
ブ）を用いて試料面の表面形状等を測定又は観察する顕
微鏡の総称であり、代表的なものとしては走査型トンネ
ル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope)や、原子間
力顕微鏡 (Atomic Force Microscope)等が挙げられる。

【０００３】原子間力顕微鏡は、先端を充分に鋭くした
検出チップ（以下スタイラスと記す）と被測定物である
試料との間に働く原子間力の変化を、スタイラスが取り
付けられている片持ち梁（以下レバーと記す）のたわみ
から検出するものである。スタイラスとレバーとを合わ
せたものを所謂“探針”と称し、この探針と試料とを相
対走査することによって試料の表面形状を測定する。そ
して、近年ではこの探針の変位をナノメートルからサブ
オングストロームの精度で測定する必要性が高まってい
る。

【０００４】ここで、従来の原子間力顕微鏡における探
針変位検出装置について図３を用いて説明する。光源Ｌ
Ｓは光ビーム、例えば波長が６６０ｎｍの半導体レーザ
ＬＢ（以下ビームＬＢと記す）を射出し、レンズＬを通
して探針２上に照射する。この光源ＬＳとレンズＬとを
合わせて照明光学系１とする。探針２はレバー３と、当
該レバー３の先端に取り付けられているスタイラス６
と、レバー３上に塗布されている例えば金等の反射面４
とから構成されている。また、探針２は一端（スタイラ
ス６と反対側）がホルダ５によって保持されており、片
持ち梁のような構造になっている。ビームＬＢは反射面
４によって反射され、光検出器である２分割センサ７に
よって受光される。ここでビームＬＢは上記レンズＬに
よって反射面４上、又は２分割センサ７上、あるいはこ
れらの近傍の一箇所に集光される。

【０００５】試料ＡはスキャナＳ上に載置されており、
スキャナＳは図３におけるＺ軸方向及びＺ軸に垂直なＸ
Ｙ方向に移動可能である。ここで試料Ａをスタイラス６
に接近させると、探針２は試料Ａとスタイラス６との間
の原子間力に応じたたわみを生じる。従って反射光ＬＢ
は探針２のたわみに応じて反射方向が変化し、２分割セ
ンサ７上における反射光受光位置が微小量だけ変位す
る。

【０００６】２分割センサ７は予め分割された受光素子
の双方に均等に光が入射するように調整されている。こ
こで、上記の如く２分割センサ上における反射光ＬＢの
位置が移動すると、２分割センサの出力は一方が増加
し、他方が減少する。この２つの出力信号は差動増幅器
９に出力され、ここで双方の受光素子の差信号、即ち探
針の変位に比例した信号が検出される。主制御装置ＭＣ
Ｓはこの差信号に基づいて、試料Ａとスタイラス６との
距離が一定となるようにスキャナＳをＺ軸方向に調整す
るとともに、Ｚ軸に垂直な面内（試料面内）方向に走査
させることによって試料Ａの表面形状を測定する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の探針変位検出装置においては、以下に述べる
２つの問題がある。第１の問題点として、古くなった探
針を新しい探針に取り替えた時、２分割センサ７上にお
ける反射光ＬＢの位置が変化してしまうことが挙げられ
る。このことについて図４を用いて説明する。

【０００８】２分割センサ７は第１受光部７ａと第２受
光部７ｂとを有し、その中央部分には第１受光部７ａと
第２受光部７ｂとを２分割する基準位置ＣＬが存在す
る。そして、第１受光部７ａ及び第２受光部７ｂの夫々
は受光したスポット光ＬＢａの光量に応じて光電信号Ｓ
ａ、Ｓｂを出力する。上述した従来の装置は予めこの２
分割センサ７、即ち基準位置ＣＬをＳａ＝Ｓｂとなる位
置に調整してある。しかし、探針２を交換することによ
ってスポット光ＬＢａの位置が変化してしまうと２分割
センサ７の位置、即ち基準位置ＣＬを調整しなおさなけ
ればならない。光電信号Ｓａ＝Ｓｂとなる位置に２分割
センサ７を調整するためには、２分割センサ７に高精度
な位置調整機構を設けるか、手動の場合は位置調整のた
めの熟練した技術を要する。

【０００９】第２の問題点として、従来の装置は反射面
４からの反射光ＬＢを２分割センサ７で受光しているた
め２分割センサ７の有する雑音（受光素子が光電変換を
する際に生ずる余計な信号）によって反射光ＬＢの測定
を正確に行なうことができなかった。上記第２の問題点
を解決するため、測定を繰り返し行った後、各測定値の
平均をとることによって雑音に依存しない正確な測定結
果を得ることが可能となる。しかし、繰り返し測定をす
ると当然一回の試料の検査に時間がかかってしまい、検
査効率が低下してしまう。また、２分割センサから出力
された信号に雑音除去用のローパスフィルタをかけるこ
とによって雑音を除去することも考えられる。しかしロ
ーパスフィルタは時定数の短い積分器であるため、過去
から現在に至る測定値の積分値を出力する。上述した従
来の装置の場合、過去の測定値は現在の測定点（検出し
たい測定点）とは異なる点（場所）での測定値となる。
従って、求めたい測定点における検出信号（測定値）の
みにローパスフィルタをかけることが困難であった。

【００１０】そこで本発明は、探針を交換しても光検出
器の試料に対する位置の調整を不要とし、かつ反射面か
らの反射光を光検出器によって受光する際、反射光以外
の雑音を低減し精度良く探針の変位を検出可能な探針変
位検出装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】ここでは本発明を分かり
やすくするために一実施例である図１及び図２に対応づ
けて説明する。かかる問題点を解決するため本発明にお
いては、光源（ＬＳ）からの光を探針（２）上の反射面
（４）に照射する照射光学系（１）と、反射面（４）か
らの反射光（ＬＢ）を光電検出して反射面（４）、即ち
探針（２）の変位を検出する変位検出系（１１）とを有
するプローブ顕微鏡の探針変位検出装置において、変位
検出系（１１）は、反射光（ＬＢ）の光軸にほぼ垂直な
平面内の所定の方向に多数の受光素子を配列した光検出
器（１２）と、光電検出器（１２）を第１受光部と第２
受光部とに分割する基準位置（ＬＣ）を定めるとともに
該基準位置（ＬＣ）を受光素子の配列方向の任意の位置
に変更可能な調整手段（Ｔ）と、第１受光部及び第２受
光部から得られる光電信号に基づいて第１光情報及び第
２光情報を検出する光情報検出手段（２０、２１、２
２、２３）と、第１光情報と第２光情報とを比較して探
針（２）の変位に応じた信号を出力する比較手段（２
４）とを備えることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明においては探針からの反射光を受光する
光検出器が多数の受光素子を配列し、かつ基準位置（例
えば図２に示す２分割センサ７における第１受光部７ａ
と第２受光部７ｂとを分割する位置）を変更する調整手
段を備えているため、光検出器を移動させることなく反
射光ＬＢの位置のずれに応じて基準位置を変更すること
が可能となる。従って、探針を交換しても光検出器の機
械的な位置の調整が不要となる。

【００１３】また、例えば第１受光部と第２受光部とが
共に４個の受光素子を有する光検出器によってえられる
測定値は、２分割センサによって同一の測定点を４回測
定したときの平均値と等しくなる。従って、「時間平均
と集団平均とは等しい」というエルゴードの理論によ
り、第１受光部及び第２受光部における受光素子の数が
多い分だけ２分割センサによって測定する回数を増加さ
せることと同様の効果を得ることになり、精度の良い検
査が可能となる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例による探針変位検出装
置の概略的な構成を示す図であり、図１（ａ）は本装置
の側面図である。また、従来の装置を示す図３と同様の
機能を有する部材には同一の符号を付しており、ここで
は詳しい説明を省略する。以下図１を用いて説明を行な
う。

【００１５】試料ＡはスキャナＳ上に載置されており、
このスキャナＳは図１（ａ）におけるＺ方向及びＺ軸に
垂直なＸＹ方向に移動可能である。照射光学系１によっ
て照射された半導体レーザＬＢは探針２上に照射され、
反射面４によって反射される。反射光ＬＢは当該反射光
ＬＢの光軸にほぼ垂直な平面内に設けられた光検出器１
２によって受光される。光検出器１２からの光電信号は
信号処理装置１３に出力される。

【００１６】図２（ａ）は光検出器１２を光の入射側か
ら見た平面図である。本実施例では光検出器１２として
ｎ個（少なくとも３個以上）の受光素子（例えばフォト
ダイオード）を一列に配列したラインセンサを用いる
（以下ラインセンサ１２と記す）。このフォトダイオー
ドが列を成す方向はラインセンサ１２上における反射光
ＬＢが探針２のたわみによって変位する方向とほぼ同一
である。

【００１７】図１（ｂ）は図１（ａ）における光電信号
の信号処理装置１３の一例を示す回路のブロック図であ
る。ラインセンサ１２の出力側は雑音除去手段（例えば
ローパスフィルタ等）２０の入力側に接続されている。
このローパスフィルタ２０の出力側は積分器２１の入力
側に接続され、この積分器２１はローパスフィルタ２０
からの信号を時系列的に検出して積分する。積分器２１
の出力側は記憶手段（例えばサンプルホールド）２２及
び第１差動増幅器２３の一方の入力側に夫々接続されて
いる。また、サンプルホールド２２の出力側は第１差動
増幅器２３の他方の入力側及び第２差動増幅器２４の一
方の入力側に夫々接続されている。第１差動増幅器２３
は積分器２１及びサンプルホールド２２からの出力信号
のレベル（電圧値）の差をとり、その差信号を第２差動
増幅器２４の他方の入力側に出力する。そして第２差動
増幅器２４はこの第１差動増幅器２３及びサンプルホー
ルド２２からの出力信号のレベル（電圧値）の差をと
り、その差信号を主制御装置ＭＣＳに出力する。主制御
装置ＭＣＳは差動増幅器２４からの信号に基づいてタイ
マーＴに指令を出力する他、装置全体を統括制御する。
また、タイマーＴは主制御装置ＭＣＳからの信号に基づ
いて、サンプルホールド２２に制御信号を出力する。

【００１８】次に、本実施例におけるラインセンサ１２
から得られる検出信号の処理動作及び基準位置ＣＬの調
整方法について図１及び図２を用いて説明する。本装置
は、まず試料Ａを探針２に近づけない状態、即ち探針２
に外力がかからない状態における反射光ＬＢ₁を検出す
る。ラインセンサ１２は主制御装置ＭＣＳから反射光を
読み出す指令（以下トリガと記す）を受信すると、一端
のフォトダイオードｄ₁から他端のフォトダイオードｄ
n までの光電信号を時系列的に出力する。このとき、フ
ォトダイオードｄ₁が光電信号を出力するときの時間を
ｔ ₁、フォトダイオードｄn が光電信号を出力するとき
の時間をｔn とする。トリガは例えば１００Ｈｚの周期
的な信号であるので、ラインセンサ１２はこの周波数に
応じて光電信号の出力（フォトダイオードｄ₁からｄn
までの時系列的な出力）を繰り返す。

【００１９】フォトダイオードｄ₁〜ｄn からの光電信
号はローパスフィルタ２０によって反射光ＬＢ₁以外の
雑音を除去される。ローパスフィルタ２０によって得ら
れる光電信号を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）において
横軸は時間ｔ、縦軸は光電信号のレベルである。ローパ
スフィルタ２０は反射光ＬＢ₁の光電信号３１ａを積分
器に出力する。積分器２１は光電信号３１ａを時間ｔで
積分し、図２（ｃ）に示すような時間ｔにおける積分値
Ｉａ（ｔ）を得る。図２（ｃ）において横軸は時間ｔ、
縦軸は積分値Ｉであり、時間ｔh 、ｔn における積分値
を夫々Ｉh 、Ｉn とする。

【００２０】積分器２１は積分値Ｉａ（ｔ）をサンプル
ホールド２２及び差動増幅器２３に出力する。ここで、
タイマーＴには予め時間ｔh の設定をしておく。このサ
ンプルホールド２２はタイマーＴに設定された時間の積
分値を記憶して保持するので、サンプルホールド２２か
らの出力信号Ｉｃ（ｔ）は時間ｔ₁からｔh までは０で
あるが、時間ｔh からｔn までの間は時間ｔh における
積分値Ｉh に固定された値となる。そしてこの信号Ｉｃ
（ｔ）は差動増幅器２３、２４に出力される。

【００２１】差動増幅器２３は積分器２１から出力され
た積分値Ｉａ（ｔ）とサンプルホールド２２から出力さ
れた積分値Ｉｃ（ｔ）との差Ｉａ（ｔ）−Ｉｃ（ｔ）を
計測し、差動増幅器２４に出力する。さらに差動増幅器
２４は差動増幅器２３からの差信号（積分値）Ｉａ
（ｔ）−Ｉｃ（ｔ）とサンプルホールド２２からの積分
値Ｉｃ（ｔ）との差Ｉａ（ｔ）−２Ｉｃ（ｔ）を計測
し、主制御装置ＭＣＳに出力する。主制御装置ＭＣＳは
時間ｔn における積分値Ｉａ（ｔn ）−２Ｉｃ（ｔn）
＝Ｉn −２Ｉh を検出し、この値が０であるとき時間ｔ
h に対応するラインセンサ１２の位置を基準位置ＣＬと
して設定する。そして、ラインセンサ１２における基準
位置ＣＬから下側（フォトダイオードｄ₁側）の部分を
第１受光部Ｄ１、基準位置ＣＬから上側（フォトダイオ
ードｄn 側）の部分を第２受光部Ｄ２とする。従って、
サンプルホールド２２から出力される積分値Ｉｃ（ｔ）
は第１受光部Ｄ１から得られる検出信号に対応し、差動
増幅器２３から出力される差信号（積分値）Ｉａ（ｔ）
−Ｉｃ（ｔ）は第２受光部Ｄ２から得られる検出信号に
対応する。

【００２２】尚、基準位置ＣＬは差動増幅器２４からの
差信号（積分値）Ｉａ（ｔn ）−２Ｉｃ（ｔh ）が０と
なる時間ｔh に対応するラインセンサ１２上の位置であ
るため、必ずしもラインセンサ１２中の隣接する２つの
フォトダイオードの境界と一致するとは限らず、フォト
ダイオード上に存在することもある。さて、ここで探針
２を新しい探針に交換し、交換後の探針に外力がかから
ない状態においてビームＬＢを照射すると、反射光ＬＢ
₂は図２（ａ）に示すように反射光ＬＢ₁の位置から変
位する。このずれ量は新しい探針の製造精度等によって
異なる。このときローパスフィルタ２０は図２（ｂ）に
示す光電信号３１ｂを検出し、積分器２１は図２（ｃ）
に示す積分値Ｉｂ（ｔ）を検出する。ここで、積分値Ｉ
ｂ（ｔ）の時間ｔh における積分値をＩｂ（ｔh ）＝Ｉ
h ’とする。サンプルホールド２２、差動増幅器２３、
２４の夫々の信号処理動作は上述と同様であるため、こ
こでは説明を省略する。

【００２３】差動増幅器２４は積分値Ｉｂ（ｔn ）−２
Ｉｃ（ｔh ）＝Ｉn −２Ｉh ’（＞０）を主制御装置Ｍ
ＣＳに出力する。主制御装置ＭＣＳはこの値（Ｉn −２
Ｉh’）が０、即ち積分値Ｉh ’がＩh となる時間ｔh
’を検出する。そして主制御装置ＭＣＳはタイマーＴ
の時間をｔh ’に設定し直す。このようにラインセンサ
１２の位置を調整することなく基準位置ＣＬの調整が可
能となる。

【００２４】次に、試料Ａの表面形状の測定方法につい
て図１を用いて説明する。基準位置の調整が終了する
と、スキャナＳは試料Ａをスタイラス６の近傍に配置し
（又はスタイラス６に接触させて）、ＸＹ方向に走査す
る。ここで、探針２に外力（スタイラス６と試料Ａとの
原子間力）がかかると探針２がその外力に応じてたわ
み、反射光ＬＢのラインセンサ１２上における位置が変
化する。この反射光ＬＢはラインセンサ１２によって光
電変換され、信号処理装置１３に出力される。信号処理
装置１３は上述の信号処理動作を繰り返し行い、これと
同時に主制御装置ＭＣＳは試料ＡをＸＹ方向に走査す
る。差動増幅器２４から出力される差信号（時間ｔn に
おける差分値）は試料ＡのＺ軸方向における表面位置の
変位量に比例しているので、主制御装置ＭＣＳはこの差
信号とスキャナＳからの位置情報（座標値）とに基づい
て試料Ａの表面形状を検査する。

【００２５】尚、差動増幅器２４からの差信号（積分
値）はローパスフィルタ２０を通しているため、反射光
ＬＢ以外の雑音がほとんど入らない検出信号となる。ま
た、例えばラインセンサ１２の第１受光部及び第２受光
部が夫々ｎ／２個のフォトダイオードを有しているとす
ると、差動増幅器２４からの差信号は２分割センサによ
って試料Ａ上の一点（測定点）をｎ／２回測定したとき
の平均値と等しくなる。

【００２６】また、本発明における探針変位検出装置は
上記実施例のものに限らない。例えば図２（ａ）におけ
るラインセンサ１２はフォトダイオードを２次元的に配
列していても良い。フォトダイオードを２次元的に配列
すると、探針２のＺ方向の変位の他にＸＹ平面（Ｚ軸に
垂直な平面）に対する角度変位（チルト）量も検出可能
である。この探針２のチルト量を検出することによっ
て、試料Ａとスタイラス６との摩擦力を検出することが
できる。従って本発明の探針変位検出装置は原子間力顕
微鏡以外に摩擦力顕微鏡にも用いることができる。

【００２７】また、本実施例では基準位置の調整手段と
して主制御装置及びタイマーによる自動調整としたが、
図１（ｂ）における差動増幅器２４からの差信号を表示
手段に表示し、オペレータがこの表示に基づいて手動で
タイマーを調整しても構わない。このとき、例えばパソ
コンのディプスイッチによってタイマーの時間を調整す
ることができる。

【００２８】さらに、本実施例においてラインセンサ１
２に位置調整機構を設けておくことによって、例えば探
針を交換したときに反射光ＬＢがラインセンサ１２から
外れてしまうような時も、反射光ＬＢを受光できる程度
にラインセンサ１２を粗く位置決めした後、本実施例の
ごとく基準位置を調整すれば良い。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、探針の交
換によって光検出器上における反射光の位置がずれた場
合、第１受光部と第２受光とを分割する基準位置を、光
検出器を移動させることなく正確に調整することが可能
である。また、光情報検出手段においてローパスフィル
タ等の雑音除去手段や積分器等を施すことが可能とな
り、探針からの反射光を精度よく検出することができ
る。従って、試料表面の原子像を高感度で測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による探針変位検出装置の概略
的な構成を示す図であり、図１（ａ）は本装置の側面
図、図１（ｂ）は図１（ａ）における光電信号の信号処
理装置１３の回路の一例を示すブロック図である。

【図２】図２（ａ）はラインセンサ１２を光の入射側か
ら見た平面図である。図２（ｂ）はローパスフィルタ２
０によって得られる光電信号を示す図である。図２
（ｃ）は図２（ｂ）に示す信号を時間ｔで積分した積分
値を示す図である

【図３】従来の原子間力顕微鏡における探針変位検出装
置の概略的な構成を示す側面図である。

【図４】２分割センサによって反射光ＬＢを受光した様
子を表す図である。

【符号の説明】

Ａ・・・・試料ＬＳ・・・・光源１・・・・照明光学系２・・・・プローブ３・・・・レバー４・・・・反射面６・・・・スタイラス１２・・・・ラインセンサ２０・・・・ローパスフィルタ２１・・・・積分器２２・・・・サンプルホールド２３、２４・・・・差動増幅器Ｔ・・・・タイマーＭＣＳ・・・・主制御装置ＣＬ・・・・基準位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を探針上の反射面に照射す
る照射光学系と、前記反射面からの反射光を光電検出し
て前記反射面の変位を検出する変位検出系とを有するプ
ローブ顕微鏡の探針変位検出装置において、前記変位検出系は、前記反射光の光軸にほぼ垂直な平面
内の所定の方向に多数の受光素子を配列した光検出器
と、前記光検出器を第１受光部と第２受光部とに分割す
る基準位置を定めるとともに該基準位置を前記受光素子
の配列方向の任意の位置に変更可能な調整手段と、前記
第１受光部及び第２受光部から得られる光電信号に基づ
いて第１光情報及び第２光情報を検出する光情報検出手
段と、前記第１光情報と第２光情報とを比較して前記反
射面の変位に応じた信号を出力する比較手段とを備える
ことを特徴とする探針変位検出装置。
【請求項２】前記調整手段は前記光検出器における多
数の受光素子から時系列的に出力された光電信号を、任
意の時間で分割するタイマーであることを特徴とする請
求項１に記載の探針変位検出装置。
【請求項３】前記光情報検出手段は、前記第１光情報
及び第２光情報として前記第１受光部及び第２受光部の
夫々の前記多数の受光素子から得られる光電信号を積分
した値を検出することを特徴とする請求項１又は２に記
載の探針変位検出装置。