JPH07301516A

JPH07301516A - 表面形状測定装置

Info

Publication number: JPH07301516A
Application number: JP6114253A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakamura; 泰中村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 1995-11-14

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で駆動部質量の小さい構成で、高速制御
が可能な表面形状測定装置を提供することを目的とす
る。【構成】バネ部材２の自由端に試料３に対向して探針
１を配設し、固定端を駆動素子４で保持する。駆動素子
４は制御器８の出力により制御される。投光器７は、光
源，光学部材により構成しバネ部材２の自由端と固定端
に光を投射するよう構成し、前記バネ部材２で反射した
２つの光をそれぞれ光検出素子１０と光検出素子６で受
光するよう配置する。光検出素子１０，６の出力は、差
分器９に入力し、差分器９の出力は制御器８に入力す
る。駆動素子５は試料３を保持し３次元的に微動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子間力顕微鏡（以下
ＡＦＭと略称する）、磁気力顕微鏡など、試料面に探針
を近づけて試料から受ける物理量によって試料表面を観
察する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の表面形状測定装置として
は、例えば特開平３−２９６６１２号公報に開示された
装置が知られている。図９に示すようにこの装置では、
試料５３を探針５１に近づけることによりバネ要素５２
の自由端は変位する。この変位量を検出するため、レー
ザ５４，光ファイバー５５，レンズ５６を介して、バネ
要素５４の自由端上にレーザ光を照射し、前記変位に起
因する反射光の位置ズレをミラー５７を介して光センサ
５８で検出する。駆動素子５９は、光ファイバー５５，
レンズ５６，ミラー５７，光センサ５８，バネ部材５
２，探針５１を保持し、バネ要素５２の変位量が一定に
なるようＺ方向に制御しつつ、試料５３表面をＸＹ方向
に走査し、このＸＹ走査と前記制御量とを表示すること
により試料の表面形状を観察する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の従来
の装置では、試料と探針との距離を一定に保つため、探
針のみならず、質量の大きな光ファイバー，レンズ，ミ
ラー，光センサ，バネ部材をも駆動素子で駆動しなけれ
ばならず、制御周波数特性が低くなり、低速で走査しな
ければならず、測定時間が長くかかるという問題点があ
った。

【０００４】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、小型で駆動部質量の小さい構成で、高速制御が可能
な表面形状測定装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の表面形状測定装置では、試料面との間に作用
する力を検出する探針と、この力を変位に変換するバネ
部材と、前記試料面と前記探針を３次元的に相対運動さ
せる駆動素子と、前記バネ部材の変位に基づき前記探針
と前記試料面とを一定の位置に保つ制御器とを有し、前
記試料表面を観察する表面形状測定装置において、前記
バネ部材の自由端と固定端とに同時に光を投射する投光
器と、前記バネ部材の自由端と固定端で反射した反射光
の位置ズレを同時に検出する光検出素子と、この出力を
差分する差分器とを備えることとした。

【０００６】

【作用】上記構成からなる本発明の作用を図１の符号を
付して説明する。バネ部材２の自由端に試料３に対向し
て探針１を配設し、固定端を駆動素子４で保持する。駆
動素子４は制御器８の出力により制御される。投光器７
は、光源，光学部材により構成しバネ部材２の自由端と
固定端に光を投射するよう構成し、前記バネ部材２で反
射した２つの光をそれぞれ光検出素子１０と光検出素子
６で受光するよう配置する。光検出素子１０，６の出力
は、差分器９に入力し、差分器９の出力は制御器８に入
力する。駆動素子５は試料３を保持し３次元的に微動す
る。

【０００７】探針１を試料３に対向して配置し、接近ま
たは接触させることにより両者の間に物理量を作用さ
せ、探針１を保持しているバネ部材２の自由端を変位さ
せる。この物理量は、具体的には原子間力顕微鏡では原
子間力として作用する。前記自由端の変位は、バネ部材
２の自由端上に投光器７から出射した光を照射し、前記
自由端の変位に起因する反射光の位置ズレを光検出素子
６で検出する。この信号を自由端変位信号とする。

【０００８】駆動素子４は、バネ部材２を保持し図中Ｚ
軸方向に微動させる。この微動変位は、バネ部材２の固
定端上に投光器７から出射した光を照射し、前記固定端
上で反射した光の位置ズレを光検出素子１０で検出す
る。この信号をＺ軸方向微動信号とする。駆動素子４で
バネ部材２をＺ軸方向に微動させたとき、自由端変位信
号は前記物理量に起因するだけでなくＺ方向の微動変位
と合わされたものとなる。従って、自由端変位信号とＺ
軸方向微動信号の差を差分器９で演算することにより物
理量に起因する変位が得られる。制御器８は、駆動素子
５で試料４の表面を図中Ｘ方向とＹ方向の２次元に走査
しつつ、前記物理量に起因する変位が一定になるよう駆
動素子４でＺ方向に微動し、バネ要素２を制御する。こ
の制御量または駆動素子４の移動量をモニタすることに
より試料４の表面形状を測定する。

【０００９】以下、添付図面を参照して本発明に係る表
面形状測定装置の実施例を説明する。なお、図面の説明
において同一の要素には同一符号を付し、重複する説明
を省略する。

【００１０】

【実施例１】まず、本発明の実施例１を説明する。図２
は表面形状測定装置を模式的に示す断面図である。図に
おいて、支持対１１には、レーザダイオード１４，レン
ズ１５，スリット１６，レンズ１７，ポジションセンサ
１０，ポジションセンサ６，Ｚ粗動機構１９，圧電素子
１８を保持する。クロスローラステージなどにより構成
されたＺ粗動機構１９には圧電素子１２を配置し、これ
に試料３を保持する。圧電素子１２はＸ軸Ｙ軸２次元に
作動するチューブスキャナなどの圧電素子で構成する。
圧電素子１８は充分に薄い燐青銅の箔片または半導体製
作技術により製作された窒化シリコンで構成したバネ部
材２を保持し、Ｚ軸方向に微動する。バネ部材２の自由
端部には先端が試料３に対向するよう探針１を配置す
る。

【００１１】レーザドライバ１３はレーザダイオード１
４に接続し、レーザダイオード１４から出射する光をレ
ンズ１５に入射させる。レンズ１５から出た光はスリッ
ト１６を通り、レンズ１７に入射し、その出射光は２つ
に分岐しバネ部材２の自由端と固定端に入射する。スリ
ット１６は図３に示すように、２個の円形穴を設けた加
工板で構成し、レンズ１７は図４に示すように２枚のレ
ンズを張り合わせて構成する。前記バネ部材２の入射光
は、一方は固定端で反射しポジションセンサ１０で受光
され、他方は自由端で反射しポジションセンサ６で受光
される。ポジションセンサ１０，６は、市販されている
２分割センサまたは無分割ポジションセンサで構成でき
る。ポジションセンサ１０で受光された信号はＺ軸方向
微動信号となり、また、ポジションセンサ６で受光され
た信号は自由端変位信号となり、それぞれ差分器９に入
力する。差分器９の出力はＰＩＤ（比例積分，微分）回
路で構成した制御器８に入力し、その出力は圧電素子１
８とコンピュータ２０に入力する。コンピュータ２０の
出力は圧電素子１２に入力する。

【００１２】次に、上記構成からなる本実施例の表面形
状測定装置の動作を説明する。探針１と試料３との位置
を粗調整するＺ粗動機構１９により試料３を探針１に近
づけると、探針１と試料３との間に力が働いてバネ部材
２が変位する。この変位量を検出するためレーザドライ
バ１３で駆動されるレーザ光源１４から出射された光は
レンズ１５で平行光となる。この平行光は、レンズ１７
の有する２つのレンズ光軸に沿った２つの平行光となる
ようスリット１６で成形した後、レンズ１７に入射させ
る。

【００１３】この光は、バネ部材２の自由端と固定端に
それぞれ焦点を持つレンズ１７によりバネ部材２の自由
端と固定端にそれぞれ投射される。自由端に投射された
光は、バネ部材２が変位したとき、その変位量に対応し
てその反射光の反射角が変化する。この変化を光位置の
変化としてポジションセンサ６にて検出する。同様に、
固定端に投射された光により、固定端の変位をポジショ
ンセンサ１０で検出する。この変位は、実際にはバネ部
材２を保持している圧電素子１８の変位量と同一とな
る。ポジションセンサ１０の出力であるＺ軸方向微動信
号が圧電素子１８の変位量であり、またポジションセン
サ６の出力である自由端変位信号が探針１と試料３との
力による変位と圧電素子１８の変位量が合わされた出力
であることとにより、これらの出力を差分器９で差分演
算して探針１と試料３との力による変位を出力する。制
御器８は試料３の表面の凹凸変化によるバネ部材２の自
由端変位を一定に制御するため、差分器９から入力され
る信号が所望の値になるよう圧電素子１８をフィードバ
ック制御する機能を持つ。コンピュータ２０は制御器８
の制御信号を取り込むと同時に圧電素子１２をＸ軸Ｙ軸
方向に微動させ試料３の表面を走査し、これらを表示す
ることにより試料３の表面形状を得る。

【００１４】以上の構成からなる本実施例では、圧電素
子にバネ部材２と探針１しか取付けていないため、フィ
ードバック制御時の駆動部質量が小さくなり、高速制御
が可能になり、高速走査が可能になって、測定時間を短
縮することができる。また、光源が１つで構成できるた
め、光量変化などにより測定時の安定度が悪化すること
がない。

【００１５】

【実施例２】次に、本発明の実施例２を説明する。図５
は実施例２の表面形状測定装置を模式的に示す断面図で
ある。図示の通りこの実施例では、支持対１１にプリズ
ム２１，レンズ２２を保持し、プリズム２１はレンズ１
５とレンズ２２との間に配置し、図６に示す如く偏角プ
リズムで構成した。プリズム２１は、面１と面２のそれ
ぞれの入射角を偏角に応じて偏光し出射するものであ
る。レンズ２２は、バネ部材２に対向して配置する。他
の構成は実施例１と同様である。

【００１６】本実施例では、レーザ光源１４から出射さ
れた光はレンズ１５により平行光となってプリズム２１
に入射し、面１，２の入射角に従って２つの光束に分割
され、レンズ２２に入射する。この入射光はそれぞれ入
射角の異なった光となるため、レンズ２２はそれぞれの
光束をバネ部材２の自由端と固定端に投射させる。

【００１７】本実施例によれば、偏角を変えることによ
り自由端と固定端への光の投射間隔を小さくできるた
め、より小さなバネ要素を使用することができる。

【００１８】

【実施例３】次に、本発明の実施例３を説明する。図７
は実施例３の表面形状測定装置を模式的に示す断面図で
ある。図において、回折格子２３は、光透過部と不透過
部とが一定の格子ピッチになるよう構成した透過型回折
格子であり、図中のＸ方向に回折格子の回折方向を合わ
せて、レンズ１５とレンズ２２間に支持体１１で保持す
る。レンズ２４はポジションセンサ１０とバネ部材２と
の間に配置し、支持体１１で保持する。ポジションセン
サ１０の出力は、差分器９とコンピュータ２０に入力す
る。制御器８の出力は圧電素子１８に入力する。他の構
成は実施例１，２と同様である。

【００１９】本実施例では、レーザ光源１４から出射さ
れた光はレンズ１５により平行光となって回折格子２３
に入射し、回折格子２３で回折角＝ｓｉｎ（回折次数×
レーザ波長÷格子ピッチ）で定まる角度に偏向されレン
ズ２２に入射させる。本実施例では＋１次と−１次との
回折次数を使用し、それぞれ回折角に従い２つの光束に
分割され、レンズ２２に入射する。この入射角はそれぞ
れ入射角の異なった光となるため、レンズ２２はそれぞ
れの光束をバネ要素２の自由端と固定端に投射させる。
固定端の反射光は、レンズ２４により拡大されポジショ
ンセンサ１０に入射する。

【００２０】レンズ２４は、図８に示すように、バネ部
材２がＺ方向に移動した場合、反射光のポジションセン
サ１０上での位置ズレＸ’がレンズ２４が無いときに比
べ大きくする作用をはたす。ポジションセンサ１０から
のＺ軸方向微動信号は、バネ要素２のＺ方向微動量であ
り、これをコンピュータ２０で取り込むと同時に圧電素
子１２をＸ軸Ｙ軸方向に微動させ試料３の表面を走査し
て、これを表示することにより試料３の表面形状を得
る。

【００２１】本実施例によれば、圧電素子の制御信号で
なく、直接バネ要素の微動量をコンピュータで表示する
ため、圧電素子固有のヒステリシスに影響されない正確
な測定ができる。また、偏光機能を回折レンズで構成し
たことにより、実施例２のプリズム２１のような光軸調
整が必要なくなり、調整軸が１軸で調整可能となる。従
って、調整機能が小型となり調整が簡単になる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の表面形状測
定装置によれば、探針，バネ部材だけを駆動素子に取付
けて駆動部質量の小さい構成としたので、高速走査が可
能となり、高速測定ができるようになって、測定時間を
短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面形状測定装置の基本構成を示す概
念図である。

【図２】本発明の実施例１による表面形状測定装置を模
式的に示す断面図である。

【図３】実施例１に用いられるスリットを説明する図で
ある。

【図４】実施例１に用いられるレンズを説明する図であ
る。

【図５】本発明の実施例２による表面形状測定装置を模
式的に示す断面図である。

【図６】実施例２に用いられるプリズムを説明する図で
ある。

【図７】本発明の実施例３による表面形状測定装置を模
式的に示す断面図である。

【図８】実施例３の作用を説明する図である。

【図９】従来の表面形状測定装置を示す図である。

【符号の説明】

１探針２バネ部材３試料４，５駆動素子６，１０光検出素子７投光器８制御器９差分器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料面との間に作用する力を検出する探
針と、この力を変位に変換するバネ部材と、前記試料面
と前記探針を３次元的に相対運動させる駆動素子と、前
記バネ部材の変位に基づき前記探針と前記試料面とを一
定の位置に保つ制御器とを有し、前記試料表面を観察す
る表面形状測定装置において、前記バネ部材の自由端と
固定端とに同時に光を投射する投光器と、前記バネ部材
の自由端と固定端で反射した反射光の位置ズレを同時に
検出する光検出素子と、この出力を差分する差分器とを
備えたことを特徴とする表面形状測定装置。