JPH08240600A - Interatomic force microscope - Google Patents

Interatomic force microscope

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JPH08240600A
JPH08240600A JP7042861A JP4286195A JPH08240600A JP H08240600 A JPH08240600 A JP H08240600A JP 7042861 A JP7042861 A JP 7042861A JP 4286195 A JP4286195 A JP 4286195A JP H08240600 A JPH08240600 A JP H08240600A
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JP
Japan
Prior art keywords
cantilever
sample
head
stage
atomic force
Prior art date
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Pending
Application number
JP7042861A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Sueyoshi
吉 孝 末
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Jeol Ltd
Original Assignee
Jeol Ltd
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Publication date
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Publication of JPH08240600A publication Critical patent/JPH08240600A/en
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Abstract

PURPOSE: To markedly facilitate an approach of a probe to a surface of a sample without bringing a board having a cantilever into contact with an obstacle. CONSTITUTION: A head 4 to which a cantilever 1 is attached is loaded on a rotary stage 14, then a stage bottom plate 12, X, Y stages 13X, 13Y, the rotary stage 14 and the head 4 are lowered toward a sample by rotating lifting screws 10a, 10b.... The rotary stage 14 is rotated on the stage 13Y by a rotation driving mechanism and the head 4 is integrally rotated around a laser beam axis O. By the rotation, a board K is conveyed to a position where it is not in contact with a projection section D.

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に関す
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an atomic force microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】 図1は従来の原子間力顕微鏡の機械的
構成を示すものである。図中1はカンチレバーで、その
先端部には探針2が形成されている。該カンチレバー1
は基板Kを介して矩形枠状のレバーホルダー3に取付け
られており、該レバーホルダー3はヘッド4のガイド4
Gに嵌挿されている。該ヘッド4の上部の中心部にはレ
ーザー光源5が固定されており、同上部の中心から外れ
た所にフォトディテクター体6が取付けられている。該
フォトディテクター体6は、固定台、移動台、及び、光
検出部から構成され、該光検出部は多分割されたセンサ
ーから成り、各センサーに入射する光量のバランスから
受光位置の変化を認識出来る、いわゆるPSDを構成し
ている。該フォトディテクター体6の光検出部は、駆動
機構(図示せず)により移動台を固定台上で移動させる
事により、固定台が取付けられているヘッドの面に平行
な面に沿って二次元方向に移動可能に成されている。図
中7は試料で、試料取付け台50を介して圧電走査素子
8の上面に載置され、該圧電走査素子中に設けた磁石M
の磁気により固定される。該圧電走査素子8は走査電源
からの信号によりX,Y及びZ方向に夫々微動する3つ
の圧電素子からなり、ベース9の底部9Bに固定されて
いる。該ベースの上縁部9Eには空間を介して該上縁部
と底部に螺合された昇降捩子10a,10b,10c,
(図示せず)………が設けられており、該昇降捩子の中
間部に設けられている枝10Bを前記空間部において回
すことにより該昇降捩子は上下移動する。該昇降捩子1
0a,10b,10c………の先端部には鋼球11が嵌
め込まれており、該鋼球上にステージ底板12が載置さ
れている。該ステージ底板上に、X,Yステージ13
X,13Yが載置され、該Yステージ13Yの上に前記
ヘッド4が載置されている。該各X,Yステージは夫々
の駆動機構(図示せず)により、前記ステージ底板12
上をX,Y方向に移動するように構成されている。該
X,Yステージ13X,13Yと前記昇降捩子10a,
10b,10c(図示せず)………は、粗動機構であ
り、その中で、前記昇降捩子は前記カンチレバー1に形
成された探針2を前記試料7表面の原子間力の作用する
領域に近付けるためのものである。尚、Sは、例えば、
バネの如き弾性体で、その一端はベースの上縁部9E
に、他端は前記ステージ底板11間に取付けられてい
る。この様な構成の原子間力顕微鏡は次の様に動作す
る。
2. Description of the Related Art FIG. 1 shows a mechanical structure of a conventional atomic force microscope. In the figure, reference numeral 1 is a cantilever, and a probe 2 is formed at its tip. The cantilever 1
Is attached to a lever holder 3 having a rectangular frame shape via a substrate K. The lever holder 3 is a guide 4 of a head 4.
It is inserted in G. A laser light source 5 is fixed to the center of the upper part of the head 4, and a photodetector body 6 is attached to a position off the center of the upper part. The photodetector body 6 is composed of a fixed base, a movable base, and a photodetection unit, and the photodetection unit is composed of multi-divided sensors, and recognizes a change in the light receiving position from the balance of the amount of light incident on each sensor. It is possible, so-called PSD. The photodetector unit of the photodetector body 6 is moved two-dimensionally along a plane parallel to the surface of the head on which the fixed base is attached by moving the movable base on the fixed base by a driving mechanism (not shown). It can move in any direction. Reference numeral 7 in the drawing denotes a sample, which is placed on the upper surface of the piezoelectric scanning element 8 via a sample mounting base 50 and is provided with a magnet M in the piezoelectric scanning element.
It is fixed by the magnetism of. The piezoelectric scanning element 8 is composed of three piezoelectric elements which are finely moved in the X, Y and Z directions by a signal from a scanning power source, and is fixed to a bottom portion 9B of a base 9. Elevating screws 10a, 10b, 10c screwed to the upper edge and the bottom of the base through the upper edge 9E of the base via a space.
(Not shown) are provided, and the lifting screw is moved up and down by turning the branch 10B provided in the middle portion of the lifting screw in the space. The lifting screw 1
Steel balls 11 are fitted into the tips of 0a, 10b, 10c ... And a stage bottom plate 12 is placed on the steel balls. On the stage bottom plate, the X, Y stage 13
X and 13Y are mounted, and the head 4 is mounted on the Y stage 13Y. Each of the X and Y stages is driven by a respective drive mechanism (not shown) so that the stage bottom plate 12
It is configured to move upward in the X and Y directions. The X, Y stages 13X, 13Y and the lifting screw 10a,
Reference numerals 10b, 10c (not shown) are coarse movement mechanisms, in which the lifting screw acts on the probe 2 formed on the cantilever 1 by the atomic force of the surface of the sample 7. It is for getting closer to the area. Incidentally, S is, for example,
An elastic body such as a spring, one end of which is the upper edge 9E of the base.
The other end is attached between the stage bottom plates 11. The atomic force microscope having such a structure operates as follows.

【0003】図1に示す状態から、昇降捩子10を回す
ことによりステージ底板12、X,Yステージ13X,
13Y及びヘッド4を一体的に試料側に降下させ、カン
チレバー1の先端に形成された探針2を試料7に対して
1ナノメータ以下の距離まで近付ける。すると、前記探
針先端の原子と試料の表面原子との間に原子間力が作用
し、カンチレバー1が撓む。この時、レーザー光源5か
ら該カンチレバー1の背面(探針2が形成されている面
に対し反対の面)にレーザー光が照射されており、レー
ザー反射光の入射位置の変化がフォトディテクター6に
より検出される。原子間力顕微鏡においては、この検出
された反射光の入射位置の変化が前記カンチレバー1が
撓みに相当し、この撓みが一定、即ち、前記探針2と試
料7の間の距離が一定に保たれる様に前記圧電走査素子
8をZ方向に伸縮させながら、前記試料7に対し前記カ
ンチレバー1の探針2をX,Y方向に走査させることに
より、試料表面の凹凸を画像として得ている。
From the state shown in FIG. 1, by rotating the lifting screw 10, the stage bottom plate 12, the X, Y stage 13X,
13Y and the head 4 are integrally lowered to the sample side, and the probe 2 formed at the tip of the cantilever 1 is brought closer to the sample 7 to a distance of 1 nanometer or less. Then, an atomic force acts between the atom at the tip of the probe and the surface atom of the sample, and the cantilever 1 bends. At this time, laser light is emitted from the laser light source 5 to the back surface of the cantilever 1 (the surface opposite to the surface on which the probe 2 is formed), and the photodetector 6 changes the incident position of the laser reflected light. To be detected. In the atomic force microscope, the change in the detected incident position of the reflected light corresponds to the bending of the cantilever 1, and this bending is constant, that is, the distance between the probe 2 and the sample 7 is kept constant. While the piezoelectric scanning element 8 is expanded and contracted in the Z direction so as to lean, the probe 2 of the cantilever 1 is scanned in the X and Y directions with respect to the sample 7, thereby obtaining the image of the unevenness of the sample surface. .

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】 さて、前記した様
に、レバー1の撓みの検出は光てこの原理に基づきレー
ザー反射光の入射位置の変化をフォトディテクタ6によ
り検出することにより行っていることから、レーザー光
源5,カンチレバー1及びフォトディテクタ6から成る
光学系は、通常、ヘッド内部に固定されている。この光
学系の構成要素であるカンチレバーは、図2に示す様
に、ガラス基板とか半導体基板の如き基板Kの端部に形
成されており、この基板はハンドリングを考慮して、例
えば、幅2mm、長さ3〜4mm程度の寸法に形成され
ている。又、カンチレバー1の長さは、基板端から凡そ
100μm程度である。このカンチレバー1の基板K
は、図3に示す様に、矩形枠状のレバーホルダー3に取
り付けられ、光路内に挿入されるわけであるが、この
際、光てこ方式を利用するので、カンチレバー1が試料
表面に対し或る角度を持つようにに取り付けられる。
所で、前記探針2と試料7のアプローチはヘッド4を試
料側に降下させることにより行うが、図2に示す様に、
試料7の観察位置(カンチレバー1先端の探針2が試料
7にアプローチする位置)の周辺部に大きな凸部D(障
害物)があると、前記基板Kの方が先に該凸部Dに接触
し、探針2を試料表面にアプローチすることが出来な
い。この際、前記基板Kのレバーホルダー3に対する固
定角度を大きくすると、探針先端が試料に対向しなくな
り、得られる原子間力像の分解能が著しく低下してしま
う。又、前記ヘッド4を外し、試料7をアプローチに支
障のない向きに取付け直すことも考えられるが、前記凸
部Dは観察位置の周囲100μm程度の所にある、高さ
凡そ50μm〜100μm程度の肉眼では確認しにくい
ものであることから、たとえ、光学顕微鏡を使用しなが
らであっても該取付け修正操作は極めて厄介なものとな
らざるを得ない。
As described above, the deflection of the lever 1 is detected by detecting the change in the incident position of the laser reflected light by the photodetector 6 based on the principle of the optical lever. An optical system including a laser light source 5, a cantilever 1 and a photodetector 6 is usually fixed inside the head. As shown in FIG. 2, the cantilever, which is a component of this optical system, is formed at the end portion of a substrate K such as a glass substrate or a semiconductor substrate, and this substrate has a width of 2 mm, for example, in consideration of handling. The length is about 3 to 4 mm. The length of the cantilever 1 is about 100 μm from the end of the substrate. Substrate K of this cantilever 1
As shown in FIG. 3, the cantilever 1 is attached to a rectangular frame-shaped lever holder 3 and inserted into the optical path. At this time, since the optical lever system is used, the cantilever 1 is not attached to the sample surface. It is attached so that it has an angle.
At this point, the approach of the probe 2 and the sample 7 is performed by lowering the head 4 to the sample side.
If there is a large convex portion D (obstacle) around the observation position of the sample 7 (the position where the probe 2 at the tip of the cantilever 1 approaches the sample 7), the substrate K is located on the convex portion D first. It comes into contact, and the probe 2 cannot approach the sample surface. At this time, if the fixing angle of the substrate K with respect to the lever holder 3 is increased, the tip of the probe will not face the sample, and the resolution of the obtained atomic force image will be significantly reduced. It is also conceivable to remove the head 4 and remount the sample 7 in a direction that does not hinder the approach, but the convex portion D is located around 100 μm around the observation position and has a height of about 50 μm to 100 μm. Since it is difficult to confirm with the naked eye, the attachment correction operation must be extremely troublesome even when using the optical microscope.

【0005】本発明は、この様な問題に解決する為に成
されたもので、新規な原子間力顕微鏡を提供することを
目的とするものである。
The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a novel atomic force microscope.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】 第1の発明は、その先
端に探針が形成されたカンチレバーと、該カンチレバー
に光を照射するための光源と、前記カンチレバーで反射
した光の位置ずれを検出する光検出器とを設けたヘッ
ド、及び、中空の回転ステージを載置した中空のX,Y
ステージと、試料を載置し前記探針を前記試料表面の原
子間力の作用する領域内で3次元的に運動させるための
微動機構とを設けたベースを具備しており、前記回転ス
テージの回転中心と前記光源からの光線の光軸が一致す
る様に前記回転ステージの上に前記ヘッドを載置した原
子間力顕微鏡である。
Means for Solving the Problem A first invention is to detect a cantilever having a probe formed at its tip, a light source for irradiating the cantilever with light, and a positional deviation of light reflected by the cantilever. And a hollow X, Y on which a hollow rotary stage is mounted.
The rotary stage includes a base provided with a stage and a fine movement mechanism for placing the sample and moving the probe three-dimensionally within a region where an atomic force acts on the sample surface. It is an atomic force microscope in which the head is mounted on the rotary stage so that the center of rotation and the optical axis of the light beam from the light source coincide with each other.

【0007】第2の発明は、その先端に探針が形成され
たカンチレバーを取付けたカンチレバーホルダーと、前
記カンチレバーに光を照射するための光源と、前記カン
チレバーで反射した光の位置ずれを検出する光検出器と
を設けたヘッド、及び、中空のX,Yステージと、試料
を載置し前記探針を前記試料表面の原子間力の作用する
領域内で3次元的に運動させるための微動機構とを設け
たベースを具備し、前記X,Yステージの上に前記ヘッ
ドを載置した原子間力顕微鏡であって、前記カンチレバ
ーと前記光検出器が一体的に回転可能に成した原子間力
顕微鏡である。
A second invention is a cantilever holder having a cantilever having a probe formed at its tip, a light source for irradiating the cantilever with light, and a positional deviation of light reflected by the cantilever. A head provided with a photodetector, and hollow X and Y stages, and a fine movement for mounting a sample and for moving the probe three-dimensionally within the region of the sample surface on which the atomic force acts. Atomic force microscope comprising a base provided with a mechanism, the head being mounted on the X and Y stages, wherein the cantilever and the photodetector are integrally rotatable. It is a force microscope.

【0008】第3の発明は、その先端に探針が形成され
たカンチレバーを取付けたカンチレバーホルダーを回転
可能に設けた固定ヘッドと、前記カンチレバーに光を照
射するための光源と、前記カンチレバーで反射した光の
位置ずれを検出する光検出器とを設けた回転ヘッド、及
び、中空のX,Yステージと、試料を載置し前記探針を
前記試料表面の原子間力の作用する領域内で3次元的に
運動させるための微動機構とを設けたベースを具備し、
前記X,Yステージの上に前記ヘッドを載置した原子間
力顕微鏡であって、前記カンチレバーホルダーと前記光
検出器が前記光源からの光線の光軸を中心として回転す
る様に前記カンチレバーホルダーと前記回転ヘッドが一
体化した原子間力顕微鏡である。
According to a third aspect of the present invention, a fixed head rotatably provided with a cantilever holder having a cantilever having a probe formed at its tip, a light source for irradiating the cantilever with light, and a reflection by the cantilever. A rotary head provided with a photodetector for detecting the positional deviation of the light, a hollow X, Y stage, and a probe on which the sample is placed and in which the atomic force acts on the sample surface. A base provided with a fine movement mechanism for three-dimensional movement,
An atomic force microscope in which the head is mounted on the X and Y stages, wherein the cantilever holder and the photodetector rotate so that the optical detector rotates about an optical axis of a light beam from the light source. It is an atomic force microscope in which the rotary head is integrated.

【0009】第4の発明は、その先端に探針が形成され
たカンチレバーと、該カンチレバーに光を照射するため
の光源と、前記カンチレバーで反射した光の位置ずれを
検出する光検出器とを設けたヘッド、及び、中空のX,
Yステージと、試料取付台を載置し前記探針を前記試料
表面の原子間力の作用する領域内で3次元的に運動させ
るための微動機構とを設けたベースを具備し、前記X,
Yステージの上に前記ヘッドを載置した原子間力顕微鏡
において、前記微動機構の上にピエゾモータを介して試
料取付台を載置した原子間力顕微鏡である。
A fourth invention comprises a cantilever having a probe formed at its tip, a light source for irradiating the cantilever with light, and a photodetector for detecting the positional deviation of the light reflected by the cantilever. Provided head and hollow X,
A base provided with a Y stage and a fine movement mechanism for mounting the sample mount and moving the probe three-dimensionally within the region where the atomic force acts on the sample surface,
An atomic force microscope in which the head is mounted on a Y stage, and a sample mount is mounted on the fine movement mechanism via a piezo motor.

【0010】[0010]

【作用】 カンチレバーを組み込んだヘッドを回転ステ
ージ上に載置した後、昇降捩子を回してステージ底板、
X,Yステージ、回転テージ及びヘッドを試料側に降下
させる。この時に、予め、回転ステージをYステージの
上で回転させ、一体化してヘッドもレーザー光軸を中心
に回転させ、基板が凸部に接触しない位置へ持って行
く。
[Operation] After the head incorporating the cantilever is placed on the rotary stage, the lifting screw is turned to rotate the stage bottom plate,
The X, Y stage, rotary stage and head are lowered to the sample side. At this time, the rotary stage is rotated on the Y stage in advance, and the head is also integrally rotated with the laser optical axis as a center to bring the substrate to a position where it does not contact the convex portion.

【0011】[0011]

【実施例】 図4は本発明の一実施例を示したものであ
り、前記図1と同じ番号,記号の付されたもの同一構成
要素である。図中14はYステージ13Y上に載置され
た回転ステージで、該回転ステージの上にヘッド4が載
置されている。該回転ステージは回転駆動機構(図示せ
ず)により、前記Yステージ13Y上を回転するように
構成されている。
[Embodiment] FIG. 4 shows an embodiment of the present invention, in which the same numbers and symbols as in FIG. 1 are the same components. Reference numeral 14 in the figure denotes a rotary stage mounted on the Y stage 13Y, and the head 4 is mounted on the rotary stage. The rotary stage is configured to rotate on the Y stage 13Y by a rotary drive mechanism (not shown).

【0012】この様な構成の原子間力顕微鏡において、
カンチレバー1を組み込んだヘッド4を回転ステージ1
4上に載置した後、昇降捩子10a,10b,10c
(図示せず)……を回すことによりステージ底板12、
X,Yステージ13X,13Y、回転テージ14及びヘ
ッド4を一体的に試料側に降下させる。この際、例え
ば、光学顕微鏡により試料表面に凸部D(障害物)を発
見し、このまま前記ヘッド4を降下させると、カンチレ
バー1の基板Kが該凸部に接触する恐れがある場合、予
め、回転駆動機構(図示せず)により、前記回転ステー
ジ14をYステージ13Yの上で回転させ、一体化して
ヘッド4もレーザー光軸Oを中心に回転させる。該回転
により、前記基板Kが前記凸部Dに接触しない位置へ持
って行く。例えば、図4の(B)に示す様に、回転ステ
ージ14を回転させ、ヘッド4を破線から実線に示す様
に回転移動させる。この様な動作により、光学系(レー
ザー光源5,カンチレバー1及びフォトディテクタ6か
ら成る)の位置関係を維持したまま、探針2の先端を中
心にしてヘッド4が回転するので、観察位置を変えずに
障害物(凸部D)への接触を回避することが出来る。
尚、原子間力顕微鏡の走査範囲は極めて狭いので、その
走査範囲において、基板が一度避けた障害物に当たる事
はない。この状態で、前記昇降捩子10a,10b,1
0c(図示せず)……を回し、カンチレバー1の先端に
形成された探針2を試料7に対して1ナノメータ以下の
距離まで近付け、前記図1にて説明した様に試料表面の
凹凸を画像として得る。
In the atomic force microscope having such a structure,
Rotating stage 1 with head 4 incorporating cantilever 1
After mounting on 4, the lifting screws 10a, 10b, 10c
(Not shown) By turning the stage bottom plate 12,
The X, Y stages 13X, 13Y, the rotary tage 14, and the head 4 are integrally lowered to the sample side. At this time, for example, when a convex portion D (obstacle) is found on the sample surface by an optical microscope and the head 4 is lowered as it is, the substrate K of the cantilever 1 may come into contact with the convex portion in advance, The rotary stage 14 is rotated on the Y stage 13Y by a rotary drive mechanism (not shown), and the head 4 is also rotated about the laser optical axis O as a unit. By the rotation, the substrate K is brought to a position where it does not contact the convex portion D. For example, as shown in FIG. 4B, the rotary stage 14 is rotated and the head 4 is rotationally moved from the broken line to the solid line. With such an operation, the head 4 rotates around the tip of the probe 2 while maintaining the positional relationship of the optical system (including the laser light source 5, the cantilever 1, and the photodetector 6), so that the observation position does not change. Further, it is possible to avoid contact with an obstacle (projection D).
Since the scanning range of the atomic force microscope is extremely narrow, the substrate does not hit an obstacle that was once avoided in the scanning range. In this state, the lifting screws 10a, 10b, 1
0c (not shown) ... is turned to bring the probe 2 formed at the tip of the cantilever 1 closer to the sample 7 to a distance of 1 nanometer or less, and to make the sample surface uneven as described in FIG. Get as an image.

【0013】図5は本発明の他の実施例を示したもの
で、主要部のみ示している。図中、前記図1と同じ番
号,記号の付されたもの同一構成要素である。この実施
例では、Yステージ13Yの上には回転ステージを載置
せずに直接ヘッド40を載置する。そして、該ヘッドは
外筒40Aと内筒40Bとから成り、外筒40Aに対し
て内筒40Bが回転可能に構成されている。この内筒4
0Bの上部の中心部にレーザー光源5が固定され、同上
部の中心から外れた所にフォトディテクター体6が取付
けられている。前記ヘッド外筒40Aに円板状のレバー
ホルダー30が回転駆動機構(図示せず)により回転可
能に嵌挿されている。31はレバーホルダーのガイドで
ある。このレバーホルダー30の上にはピン20が設け
られており、レバーホルダー30がヘッド外筒40Aに
嵌挿された時に該ピンはヘッド内筒40Bの溝19に係
合する。そのため、該ヘッド内筒40Bはレバーホルダ
ー30と一体化してヘッド外筒40Aに対して回転可能
となる。
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention, in which only the main part is shown. In the figure, the same numbers and symbols as in FIG. 1 are the same components. In this embodiment, the head 40 is mounted directly on the Y stage 13Y without mounting the rotary stage. The head is composed of an outer cylinder 40A and an inner cylinder 40B, and the inner cylinder 40B is rotatable with respect to the outer cylinder 40A. This inner cylinder 4
A laser light source 5 is fixed to the center of the upper part of 0B, and a photodetector body 6 is attached to a position off the center of the upper part. A disk-shaped lever holder 30 is rotatably fitted and inserted into the head outer cylinder 40A by a rotation drive mechanism (not shown). Reference numeral 31 is a guide for the lever holder. A pin 20 is provided on the lever holder 30, and when the lever holder 30 is fitted into the head outer cylinder 40A, the pin engages with the groove 19 of the head inner cylinder 40B. Therefore, the head inner cylinder 40B is integrated with the lever holder 30 and can rotate with respect to the head outer cylinder 40A.

【0014】この様な構成の原子間力顕微鏡において、
カンチレバー1を組み込んだヘッド40をYステージ1
3Y上に載置した後、昇降捩子10a,10b,10c
(図示せず),……を回すことによりステージ底板1
2、X,Yステージ13X,13Y、及びヘッド40を
試料側に降下させる。この際、試料表面に凸部Dがあ
り、このまま前記ヘッド40を降下させると、カンチレ
バー1の基板Kが該凸部に接触する恐れがある場合、予
め、レバーホルダー30を回転駆動機構(図示せず)に
より回転させる。該回転により、ヘッド内筒40Bもレ
バーホルダー30と共にレーザー光軸Oを中心に回転す
る。該回転により、前記基板Kが前記凸部Dに接触しな
い位置へ持って行く。例えば、図6に示す様に、レバホ
ルダー30を回転させることにより、ガイド内筒40B
を、例えば、90度回転させる。この様な動作により、
光学系(レーザー光源5,カンチレバー1及びフォトデ
ィテクタ6から成る)の位置関係を維持したまま、探針
2の先端を中心にしてヘッド40が回転するので、観察
位置を変えずに障害物(凸部D)への接触を回避するこ
とが出来る。この状態で、前記昇降捩子10a,10
b,10c,……を回し、カンチレバー1の先端に形成
された探針2を試料7に対して1ナノメータ以下の距離
まで近付け、前記図1にて説明した様に、試料表面の凹
凸を画像として得る。 図7は本発明の他の実施例を示
したもので、主要部のみ示しており、前記図5の実施例
を若干変形したものである。この実施例では、従来から
の矩形枠状レバーホルダー3´内に円錐台状の回転体2
1を嵌め込み、この回転体に、その先端がレーザー光軸
上に来るように、カンチレバー1を取付ける。又、この
回転体21の側縁部にはギアが切られており、該側縁部
でノブ22を回すことにより該回転体が回転する様に構
成されている。この実施例においては、該回転体の上に
ピン20が設けられており、レバーホルダー3´をヘッ
ド外筒40Aに嵌挿した時に該ピンがヘッド内筒40B
の溝に係合する。そのため、該ヘッド内筒40Bはレバ
ーホルダー3´と一体化してヘッド外筒40Aに対して
回転可能となる。従って、前記ノブ22を回すことによ
り、回転体21と一体化してヘッド内筒40Bがレーザ
ー光軸Oを中心に回転し、光学系(レーザー光源5,カ
ンチレバー1及びフォトディテクタ6から成る)の位置
関係を維持したまま、探針2の先端を中心にしてヘッド
40が回転するので、観察位置を変えずに障害物(凸部
D)への接触を回避することが出来る。
In the atomic force microscope having such a structure,
The head 40 incorporating the cantilever 1 is attached to the Y stage 1
After mounting on 3Y, lifting screws 10a, 10b, 10c
(Not shown), by turning the stage bottom plate 1
2. The X, Y stages 13X, 13Y and the head 40 are lowered to the sample side. At this time, if there is a convex portion D on the surface of the sample and the substrate K of the cantilever 1 may come into contact with the convex portion if the head 40 is lowered as it is, the lever holder 30 is previously rotated by a rotation driving mechanism (not shown). No.) to rotate. By the rotation, the head inner cylinder 40B also rotates around the laser optical axis O together with the lever holder 30. By the rotation, the substrate K is brought to a position where it does not contact the convex portion D. For example, as shown in FIG. 6, by rotating the lever holder 30, the guide inner cylinder 40B is rotated.
Is rotated, for example, by 90 degrees. By such operation,
Since the head 40 rotates around the tip of the probe 2 while maintaining the positional relationship of the optical system (consisting of the laser light source 5, the cantilever 1, and the photodetector 6), the obstacle (the convex portion) does not change the observation position. It is possible to avoid contact with D). In this state, the lifting screws 10a, 10a
Rotate b, 10c, ... to bring the probe 2 formed at the tip of the cantilever 1 closer to the sample 7 to a distance of 1 nanometer or less, and as shown in FIG. Get as. FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, showing only the main part, which is a slight modification of the embodiment of FIG. In this embodiment, a truncated cone-shaped rotating body 2 is provided in a conventional rectangular frame-shaped lever holder 3 '.
1 is fitted, and the cantilever 1 is attached to this rotating body so that its tip is on the laser optical axis. Further, a gear is cut on the side edge of the rotary body 21, and the rotary body is configured to rotate by turning the knob 22 at the side edge. In this embodiment, the pin 20 is provided on the rotating body, and when the lever holder 3'is fitted into the head outer cylinder 40A, the pin is inserted into the head inner cylinder 40B.
Engage with the groove. Therefore, the head inner cylinder 40B can be rotated with respect to the head outer cylinder 40A integrally with the lever holder 3 '. Therefore, when the knob 22 is turned, the head inner cylinder 40B is rotated integrally with the rotating body 21 about the laser optical axis O, and the positional relationship of the optical system (consisting of the laser light source 5, the cantilever 1, and the photodetector 6). Since the head 40 rotates around the tip of the probe 2 while maintaining the above condition, it is possible to avoid contact with the obstacle (projection D) without changing the observation position.

【0015】尚、前記各実施例は何れもヘッド側、即
ち、カンチレバーが形成された基板K側を回転させる様
に成したが、試料側を回転させる様に成しても良い。但
し、探針と試料のアプローチ位置が試料の中心から外れ
ている場合に試料をその中心に対して回転させると、観
察位置がずれてしまう。そこで、試料側を回転させる様
に成した場合、試料を回転させた後、X,Yステージで
観察位置を追いかける様に成す。図8は試料を回転させ
るための機構の1例を示したもので、圧電走査素子8の
上面にピエゾモータ23を設け、その上に試料取付台5
0を介して試料7を載置する。該ピエゾモータは複数の
ピエゾ素子をドーナッツ状に取付け、個々に伸縮又は剪
断変形させることにより、例えば、1つずつ順次ピエゾ
素子を変形させる事により載置した試料台及び試料を回
転させる様に成したものである。
In each of the above embodiments, the head side, that is, the substrate K side on which the cantilever is formed, is rotated, but the sample side may be rotated. However, when the approach position between the probe and the sample is deviated from the center of the sample, if the sample is rotated with respect to the center, the observation position shifts. Therefore, when the sample side is rotated, the sample is rotated and then the observation position is followed by the X and Y stages. FIG. 8 shows an example of a mechanism for rotating the sample. A piezoelectric motor 23 is provided on the upper surface of the piezoelectric scanning element 8, and the sample mount 5 is mounted thereon.
The sample 7 is placed via 0. The piezo motor is configured such that a plurality of piezo elements are attached in a donut shape and individually expanded or contracted or shear deformed, for example, by sequentially deforming the piezo elements one by one, thereby rotating the mounted sample stage and sample. It is a thing.

【0016】又、前記各実施例ではレーザー光源から、
直接レーザー光が試料面に入射する様に構成したが、試
料面に対し水平にレーザー光源を配置し、該光源からの
レーザー光を反射鏡を介して試料面に垂直に落射させる
様に構成してもよい。
Further, in each of the above embodiments, from the laser light source,
Although the laser light is directly incident on the sample surface, the laser light source is arranged horizontally with respect to the sample surface, and the laser light from the light source is vertically emitted to the sample surface through the reflecting mirror. May be.

【0017】更に、前記各実施例ではレーザー光源から
のレーザー光が試料面に垂直に入射する様に構成した
が、試料面に斜めに入射する様に成しても良い。但し、
この場合には、試料表面に垂直で且つ探針を貫く軸に対
してカンチレバーを有する基板及び光学系を回転させる
様にしなければならない。
Further, in each of the above-mentioned embodiments, the laser light from the laser light source is made to enter the sample surface perpendicularly, but it may be made to enter the sample surface obliquely. However,
In this case, it is necessary to rotate the substrate having the cantilever and the optical system with respect to the axis perpendicular to the sample surface and penetrating the probe.

【0018】更に又、前記各実施例では、ヘッド側若し
くは試料側を任意の角度回転させる様に成したが、障害
物(凸部D)への接触を回避するには最低90度カンチ
レバーを有する基板を回転させれば良いので、該基板を
支持しているレバーホルダーを基準の位置から90度単
に回転させる構成にし、この位置で別のフォトディテク
ターでレーザー反射光を検出する様に成しても良い。
Furthermore, in each of the above-mentioned embodiments, the head side or the sample side is rotated by an arbitrary angle, but in order to avoid contact with an obstacle (projection D), it has a cantilever of at least 90 degrees. Since it suffices to rotate the substrate, the lever holder supporting the substrate is simply rotated 90 degrees from the reference position, and the laser reflected light is detected by another photodetector at this position. Is also good.

【0019】[0019]

【発明の効果】 本発明によれば、カンチレバーに形成
された探針の観察位置を変えずに、カンチレバーを取付
けている基板が障害物に接触しないように、探針を試料
表面にアプローチすることが極めて容易に可能となる。
According to the present invention, the probe is approached to the sample surface without changing the observation position of the probe formed on the cantilever so that the substrate on which the cantilever is attached does not come into contact with the obstacle. Is very easily possible.

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

【図1】 従来の原子間力顕微鏡の概略の一例を示した
ものである。
FIG. 1 shows an example of the outline of a conventional atomic force microscope.

【図2】 従来の原子間力顕微鏡の一部概略の一例を示
したものである。
FIG. 2 shows an example of a part of a conventional atomic force microscope.

【図3】 従来の原子間力顕微鏡の一部概略の一例を示
したものである。
FIG. 3 shows an example of a part of a conventional atomic force microscope.

【図4】 本発明の一実施例を示したものである。FIG. 4 shows an embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の他の実施例を示したものである。FIG. 5 shows another embodiment of the present invention.

【図6】 本発明の他の実施例を示したものである。FIG. 6 shows another embodiment of the present invention.

【図7】 本発明の他の実施例を示したものである。FIG. 7 shows another embodiment of the present invention.

【図8】 本発明の他の実施例を示したものである。FIG. 8 shows another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 カンチレバー 2 探針 3,3´ レバーホルダー 4 ヘッド 4G ガイド 5 レーザー光源 6 フォトディテクター体 7 試料 8 圧電走査素子 9 ベース 9B 底部 9E 上縁部 10a,10b,……… 昇降捩子 10B 枝 11 鋼球 12 ステージ底板 13X Xステージ 13Y Yステージ 14 回転ステージ 19 溝 20 ピン 21 回転体 22 ノブ 23 ピエゾモータ 30 円板状のレバーホルダー 31 ガイド 40 ヘッド 40A 外筒 40B 内筒 50 試料取付け台 M 磁石 S 弾性体 K 基板 D 障害物(凸部) 1 cantilever 2 probe 3, 3'lever holder 4 head 4G guide 5 laser light source 6 photodetector body 7 sample 8 piezoelectric scanning device 9 base 9B bottom 9E upper edge 10a, 10b, ... elevator screw 10B branch 11 steel Sphere 12 Stage bottom plate 13X X stage 13Y Y stage 14 Rotating stage 19 Groove 20 Pin 21 Rotating body 22 Knob 23 Piezo motor 30 Disc-shaped lever holder 31 Guide 40 Head 40A Outer cylinder 40B Inner cylinder 50 Sample mount M Magnet S Elastic body K substrate D Obstacle (projection)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 その先端に探針が形成されたカンチレバ
ーと、該カンチレバーに光を照射するための光源と、前
記カンチレバーで反射した光の位置ずれを検出する光検
出器とを設けたヘッド、及び、中空の回転ステージを載
置した中空のX,Yステージと、試料を載置し前記探針
を前記試料表面の原子間力の作用する領域内で3次元的
に運動させるための微動機構とを設けたベースを具備し
ており、前記回転ステージの上に前記ヘッドを載置した
原子間力顕微鏡。
1. A head provided with a cantilever having a probe formed at its tip, a light source for irradiating the cantilever with light, and a photodetector for detecting a positional deviation of the light reflected by the cantilever. And a hollow X, Y stage on which a hollow rotary stage is mounted, and a fine movement mechanism for mounting a sample and moving the probe three-dimensionally within a region of the surface of the sample where an atomic force acts. An atomic force microscope comprising a base provided with and the head mounted on the rotary stage.
【請求項2】 その先端に探針が形成されたカンチレバ
ーを取付けたカンチレバーホルダーと、前記カンチレバ
ーに光を照射するための光源と、前記カンチレバーで反
射した光の位置ずれを検出する光検出器とを設けたヘッ
ド、及び、中空のX,Yステージと、試料を載置し前記
探針を前記試料表面の原子間力の作用する領域内で3次
元的に運動させるための微動機構とを設けたベースを具
備し、前記X,Yステージの上に前記ヘッドを載置した
原子間力顕微鏡であって、前記カンチレバーホルダーと
前記光検出器が一体的に回転可能に成した原子間力顕微
鏡。
2. A cantilever holder having a cantilever having a probe formed at its tip, a light source for irradiating the cantilever with light, and a photodetector for detecting a positional deviation of the light reflected by the cantilever. And a hollow X, Y stage, and a fine movement mechanism for placing the sample and moving the probe three-dimensionally within the region of the sample surface on which the atomic force acts. An atomic force microscope having a base and having the head mounted on the X and Y stages, wherein the cantilever holder and the photodetector are integrally rotatable.
【請求項3】 その先端に探針が形成されたカンチレバ
ーを取付けたカンチレバーホルダーを回転可能に設けた
固定ヘッド、前記カンチレバーに光を照射するための光
源と、前記カンチレバーで反射した光の位置ずれを検出
する光検出器とを設けた回転ヘッド、及び、中空のX,
Yステージと、試料を載置し前記探針を前記試料表面の
原子間力の作用する領域内で3次元的に運動させるため
の微動機構とを設けたベースを具備し、前記X,Yステ
ージの上に前記ヘッドを載置した原子間力顕微鏡であっ
て、前記カンチレバーホルダーと前記光検出器が前記光
源からの光線の光軸を中心として回転する様に前記カン
チレバーホルダーと前記回転ヘッドを一体化した原子間
力顕微鏡。
3. A fixed head rotatably provided with a cantilever holder having a cantilever having a probe formed at its tip, a light source for irradiating the cantilever with light, and a positional deviation of the light reflected by the cantilever. And a rotary head provided with a photodetector for detecting
The X and Y stages include a base provided with a Y stage and a fine movement mechanism for placing the sample and moving the probe three-dimensionally within a region of the sample surface where an atomic force acts. An atomic force microscope in which the head is mounted on the cantilever holder and the photodetector are integrated so that the cantilever holder and the photodetector rotate about an optical axis of a light beam from the light source. Atomized atomic force microscope.
【請求項4】 その先端に探針が形成されたカンチレバ
ーと、該カンチレバーに光を照射するための光源と、前
記カンチレバーで反射した光の位置ずれを検出する光検
出器とを設けたヘッド、及び、中空のX,Yステージ
と、試料取付台を載置し前記探針を前記試料表面の原子
間力の作用する領域内で3次元的に運動させるための微
動機構とを設けたベースを具備し、前記X,Yステージ
の上に前記ヘッドを載置した原子間力顕微鏡において、
前記微動機構の上にピエゾモータを介して試料取付台を
載置した原子間力顕微鏡。
4. A head provided with a cantilever having a probe formed at its tip, a light source for irradiating the cantilever with light, and a photodetector for detecting positional deviation of light reflected by the cantilever. And a hollow X, Y stage, and a base provided with a sample mount and a fine movement mechanism for moving the probe three-dimensionally within the region of the sample surface on which the atomic force acts. In the atomic force microscope having the head mounted on the X and Y stages,
An atomic force microscope in which a sample mount is mounted on the fine movement mechanism via a piezo motor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007033117A (en) * 2005-07-25 2007-02-08 Sii Nanotechnology Inc Scanning probe microscope

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007033117A (en) * 2005-07-25 2007-02-08 Sii Nanotechnology Inc Scanning probe microscope
JP4575250B2 (en) * 2005-07-25 2010-11-04 エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 Scanning probe microscope

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