JPH08313542A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

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JPH08313542A
JPH08313542A JP12514595A JP12514595A JPH08313542A JP H08313542 A JPH08313542 A JP H08313542A JP 12514595 A JP12514595 A JP 12514595A JP 12514595 A JP12514595 A JP 12514595A JP H08313542 A JPH08313542 A JP H08313542A
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JP
Japan
Prior art keywords
displacement
end side
probe
scanning probe
probe microscope
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP12514595A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichirou Aizaki
紳一郎 合▲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 JPH08313542A publication Critical patent/JPH08313542A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a scanning probe microscope which can measure a sample with high resolution by only detecting the vibrational component of a probe with high accuracy. CONSTITUTION: A scanning probe microscope is provided with a displacement detector 4 which optically detects the displacement of the front-side measuring point 2a and base-side measuring point 2b of a cantilever 2 at the same time and signal processing circuit 48 which performs differential calculation on the detected signals of the detector 4 so as to only measure the vibrational component of the cantilever after separating the component from the vibration component of a whole system. The detector 4 is provided with an illuminating optical system which simultaneously projects first and second laser beams 28a and 28b for measurement upon the measuring points 2a and 2b, first and second critical-angle prisms 42a and 42b which change the propagated quantities of first and second reflected beams 38a and 38b from the measuring points 2a and 2b in accordance with the angles of incidence of the reflected beams 38a and 38b, and first and second four-divided photodiodes 46a and 46b which output signals corresponding to the variation of the received quantities of the reflected beams 38a and 38b propagated through the prisms 42a and 42b.

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、試料を原子オーダーの
分解能で観察するために用いられる走査型プローブ顕微
鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope used for observing a sample with atomic resolution.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、試料を原子オーダーの分解能で観
察するための装置として、走査型プローブ顕微鏡(SPM;S
canning Probe Microscope) が知られている。このよう
なSPMの一例として、ビニッヒ(Binnig)やローラー
(Rohrer)等によって、走査型トンネル顕微鏡(STM;Sc
anning Tunneling Microscope)が発明された。しかし、
このSTMでは、観察できる試料は導電性の試料に限ら
れている。そこで、サーボ技術を始めとするSTMの要
素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能
で観察できる装置として原子間力顕微鏡(AFM;AtomicFo
rce Microscope)が提案された(特開昭62−1303
02号公報参照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, a scanning probe microscope (SPM; SPM) has been used as an apparatus for observing a sample with atomic resolution.
canning probe microscope) is known. As an example of such an SPM, a scanning tunneling microscope (STM; Sc; Sc) using a Binnig or a roller (Rohrer) is used.
anning Tunneling Microscope) was invented. But,
In this STM, the samples that can be observed are limited to conductive samples. Therefore, atomic force microscope (AFM; AtomicFo) is used as a device that can observe an insulating sample with atomic resolution using STM element technology such as servo technology.
rce Microscope) has been proposed (JP-A-62-1303).
No. 02).

【0003】AFM構造は、STMに類似しており、走
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置付けられる。この
ようなAFMは、鋭く尖った突起部(探針)を自由端に
持つプローブを備えている。この探針を試料に近づける
と、探針先端の原子と試料表面の原子との間に働く相互
作用力(原子間力)によりプローブの自由端が変位す
る。この自由端に生じる振動振幅の変化を電気的あるい
は光学的に測定しながら、探針を試料表面に沿ってXY
方向に走査することによって、試料の凹凸情報等を三次
元的にとらえることができる(以下、従来技術1とい
う)。
The AFM structure is similar to the STM and is positioned as one of scanning probe microscopes. Such an AFM includes a probe having a sharply pointed protrusion (probe) at its free end. When the probe is brought close to the sample, the free end of the probe is displaced by the interaction force (atomic force) acting between the atom at the probe tip and the atom on the sample surface. While measuring the change in vibration amplitude generated at the free end electrically or optically, the XY probe is moved along the sample surface.
By scanning in the direction, it is possible to three-dimensionally capture the unevenness information of the sample and the like (hereinafter referred to as prior art 1).

【0004】このようなAFM測定時において、プロー
ブの振動を検出する技術としては、例えば特開平4−1
61808号公報に示されたように、臨界角プリズムを
用いた焦点ずれ検出法を応用した方法(以下、従来技術
2という)や、例えば特開平6−26852号公報に示
されたように、プローブ先端及び基端の変位を光学的に
検出する方法(以下、従来技術3という)を適用するこ
とも可能である。
As a technique for detecting the vibration of the probe at the time of such AFM measurement, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-1 is used.
As disclosed in Japanese Patent No. 618088, a method applying a defocus detection method using a critical angle prism (hereinafter referred to as prior art 2), or a probe as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-26852. It is also possible to apply a method of optically detecting the displacement of the front end and the base end (hereinafter referred to as prior art 3).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、プローブに
発生する振動成分には、プローブ以外の他の走査型プロ
ーブ顕微鏡の系の振動成分も含まれている。しかしなが
ら、従来技術1ないし3を組み合わせた検出方法では、
走査型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分と、プローブ
自身の振動成分とを分離して検出することができないた
め、プローブの振動成分のみを高精度に検出することが
できず、高分解能な試料の測定が困難であった。
By the way, the vibration component generated in the probe includes the vibration component of the system of the scanning probe microscope other than the probe. However, in the detection method combining the conventional techniques 1 to 3,
Since it is not possible to separately detect the vibration component of the entire system of the scanning probe microscope and the vibration component of the probe itself, it is not possible to detect only the vibration component of the probe with high accuracy, and the high resolution sample It was difficult to measure.

【0006】本発明は、このような課題を解決するため
になされており、その目的は、プローブの振動成分のみ
を高精度に検出することによって、高分解能に試料を測
定することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とにある。
The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to detect a sample with a high resolution by detecting only a vibration component of a probe with high accuracy. Type probe microscope.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基端が支持され且つ先端が変位自
在に構成されたプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡
であって、前記プローブの先端側と基端側の変位を同時
に光学的に検出する変位検出手段と、前記走査型プロー
ブ顕微鏡の系全体の振動成分から前記プローブの振動成
分のみを分離して測定するように、前記変位検出手段に
よって検出された検出信号に所定の演算を施す演算手段
とを備えている。
In order to achieve such an object, the present invention provides a scanning probe microscope including a probe having a base end supported and a tip displaceable. Displacement detection means for optically detecting the displacement of the tip end side and the base end side of the probe simultaneously, so that only the vibration component of the probe is separated and measured from the vibration component of the entire system of the scanning probe microscope, And a calculation unit that performs a predetermined calculation on the detection signal detected by the displacement detection unit.

【0008】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡にお
いて、前記変位検出手段は、前記プローブの先端側の変
位を光学的に検出する第1の変位検出光学系と、前記プ
ローブの基端側の変位を光学的に検出する第2の変位検
出光学系とを備えており、また、前記演算手段は、前記
第1及び第2の変位検出光学系からの各出力信号に対し
て差演算及び除演算の少なくとも一方を施す演算処理回
路を備えている。
Further, in the scanning probe microscope of the present invention, the displacement detecting means includes a first displacement detecting optical system for optically detecting a displacement of the probe on the tip end side, and a displacement on the base end side of the probe. And a second displacement detecting optical system for optically detecting the difference between the output signals from the first and second displacement detecting optical systems. An arithmetic processing circuit for performing at least one of the above is provided.

【0009】更に、本発明の走査型プローブ顕微鏡にお
いて、前記第1及び第2の変位検出光学系には、前記プ
ローブの先端側と基端側に同時に測定光を照射する照明
光学系と、前記プローブの先端側と基端側からの各反射
光の入射角度に対応して前記各反射光の伝波光量を変化
させる第1及び第2の臨界角プリズムと、これら第1及
び第2の臨界角プリズムを介して伝波される前記各反射
光を受光して、その受光量変化に対応した信号を出力す
る第1及び第2の受光素子とを備えている。
Further, in the scanning probe microscope of the present invention, the first and second displacement detection optical systems include an illumination optical system for irradiating the distal end side and the proximal end side of the probe with measuring light at the same time. First and second critical angle prisms that change the amount of transmitted light of each reflected light corresponding to the incident angle of each reflected light from the tip end side and the base end side of the probe, and the first and second critical angle prisms. It is provided with first and second light receiving elements that receive each of the reflected lights transmitted through the prism and output a signal corresponding to a change in the amount of received light.

【0010】[0010]

【作用】変位検出手段によって、プローブの先端側と基
端側の変位が同時に光学的に検出される。このとき変位
検出手段から出力された検出信号は、演算手段によって
所定の演算が施される。この結果、走査型プローブ顕微
鏡の系全体の振動成分からプローブの振動成分のみが分
離して測定される。
The displacement detecting means optically detects the displacements of the probe on the distal end side and the proximal end side at the same time. At this time, the detection signal output from the displacement detection means is subjected to a predetermined calculation by the calculation means. As a result, only the vibration component of the probe is separated and measured from the vibration component of the entire system of the scanning probe microscope.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る走査型プロー
ブ顕微鏡について、添付図面を参照して説明する。図1
に示すように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡は、こ
の走査型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分からプロー
ブ即ちカンチレバー2の振動成分のみを分離して検出す
るために、カンチレバー2の先端側と基端側の変位を同
時に光学的に測定する変位検出器4を備えている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG.
As shown in FIG. 3, the scanning probe microscope of the present embodiment is separated from the tip end side of the cantilever 2 in order to separate and detect only the vibration component of the probe, that is, the cantilever 2 from the vibration component of the entire system of the scanning probe microscope. A displacement detector 4 that simultaneously optically measures the displacement on the base end side is provided.

【0012】このような走査型プローブ顕微鏡におい
て、試料6は、X,Y軸方向に走査可能なチューブ型圧
電体スキャナ8上に載置されており、このチューブ型圧
電体スキャナ8は、Z軸ステージ10を介して鏡体12
の基台12a上に取り付けられている。
In such a scanning probe microscope, the sample 6 is placed on a tube type piezoelectric scanner 8 which is capable of scanning in the X and Y axis directions, and the tube type piezoelectric scanner 8 has a Z axis. Mirror body 12 through the stage 10
It is attached on the base 12a.

【0013】また、変位検出器4は、鏡体12の上部側
に取り付けられており、対物レンズ14の視野内に測定
用レーザー光を出射可能に構成されている。カンチレバ
ー2は、その基端部が支持部16を介してホルダ部18
に支持された状態で、対物レンズ14の観察視野内に位
置付けられており、ホルダ部18は、鏡体12に支持さ
れた積層型圧電体20に固定されている。この結果、積
層型圧電体20に所定の電圧を印加することによって、
カンチレバー2を試料6に対して粗動及び微動アプロー
チさせることができる。
The displacement detector 4 is attached to the upper side of the mirror body 12 and is configured to emit a measuring laser beam in the field of view of the objective lens 14. The cantilever 2 has a holder portion 18 at the base end portion thereof via the support portion 16.
The holder portion 18 is fixed to the laminated piezoelectric body 20 supported by the mirror body 12, while being positioned within the observation visual field of the objective lens 14 while being supported by the mirror body 12. As a result, by applying a predetermined voltage to the laminated piezoelectric body 20,
The cantilever 2 can be made to approach the sample 6 roughly and finely.

【0014】また、変位検出器4には、観察光学系22
を介してCCDカメラ24が光学的に接続されており、
これら観察光学系22及びCCDカメラ24によって、
試料6に対するカンチレバー2の相対位置及びカンチレ
バー2に照射された測定用レーザー光のスポット位置を
光学的に観察したり、試料6表面の状態を光学的に観察
することができるように構成されている。
The displacement detector 4 also includes an observation optical system 22.
CCD camera 24 is optically connected via
With these observation optical system 22 and CCD camera 24,
The relative position of the cantilever 2 with respect to the sample 6 and the spot position of the measuring laser beam with which the cantilever 2 is irradiated can be optically observed, and the state of the surface of the sample 6 can be optically observed. .

【0015】図2には、本実施例の走査型プローブ顕微
鏡に適用された変位検出器4の内部構成と、対物レンズ
14及びカンチレバー2の配置が概略的に示されてい
る。図2に示すように、第1及び第2の半導体レーザ2
6a,26bから出射された第1及び第2の測定用レー
ザー光28a,28bは、第1及び第2のコリメートレ
ンズ30a,30bによって平行光束に変換された後、
プリズム32に照射される。
FIG. 2 schematically shows the internal structure of the displacement detector 4 applied to the scanning probe microscope of this embodiment and the arrangement of the objective lens 14 and the cantilever 2. As shown in FIG. 2, the first and second semiconductor lasers 2
The first and second measurement laser beams 28a and 28b emitted from 6a and 26b are converted into parallel light beams by the first and second collimating lenses 30a and 30b, and thereafter,
The prism 32 is irradiated.

【0016】プリズム32に照射された第1及び第2の
測定用レーザー光28a,28bは、平行ビームとなっ
て同一平面内を伝波した後、光アイソレータとして機能
する偏光ビームスプリッタ34によって、対物レンズ1
4方向に反射される。
The first and second measuring laser beams 28a and 28b irradiated on the prism 32 are converted into parallel beams and propagated in the same plane, and then the objective is converted by the polarization beam splitter 34 which functions as an optical isolator. Lens 1
It is reflected in four directions.

【0017】偏光ビームスプリッタ34から反射した第
1及び第2の測定用レーザー光28a,28bは、λ/
4板36によって、直線偏光から円偏光に変換された
後、対物レンズ14の主点14aで交差角θを成してカ
ンチレバー2の先端側測定点2aと基端側測定点2bに
夫々集光する。具体的には、第1の測定用レーザー光2
8aが先端側測定点2aに集光し、第2の測定用レーザ
ー光28bが基端側測定点2bに集光する。なお、本実
施例に適用されたλ/4板36は、その光軸(一般に
は、結晶軸)が第1及び第2の測定用レーザー光28
a,28bの光軸に対して45°の角度を成すように配
置されているものとする。
The first and second measurement laser beams 28a and 28b reflected from the polarization beam splitter 34 are λ /
After being converted from linearly polarized light to circularly polarized light by the 4 plate 36, a crossing angle θ is formed at the principal point 14a of the objective lens 14 and light is focused on the tip side measurement point 2a and the base end side measurement point 2b of the cantilever 2, respectively. To do. Specifically, the first measurement laser beam 2
8a is focused on the tip side measurement point 2a, and the second measurement laser beam 28b is focused on the base side measurement point 2b. The optical axis (generally, the crystal axis) of the λ / 4 plate 36 applied to this embodiment has the first and second measurement laser beams 28.
It is assumed that they are arranged so as to form an angle of 45 ° with respect to the optical axes of a and 28b.

【0018】本実施例において、交差角θは、先端側測
定点2aと基端側測定点2bとの間隔をL、対物レンズ
14の焦点距離をfとすると、 tan(θ/2)=(L/2)/f なる関係に基づいて規定される。
In the present embodiment, the crossing angle θ is tan (θ / 2) = (, where L is the distance between the distal measurement point 2a and the proximal measurement point 2b and f is the focal length of the objective lens 14. L / 2) / f.

【0019】従って、第1及び第2の半導体レーザ26
a,26bは、上記の関係を満足させるように配置され
ている。なお、対物レンズ14の主点14aとは、対物
レンズ14の主平面と光軸との交差点を意味しており、
この主点14aと対物レンズ14の焦点との間の距離の
ことを焦点距離fと称する。
Therefore, the first and second semiconductor lasers 26
a and 26b are arranged so as to satisfy the above relationship. The principal point 14a of the objective lens 14 means the intersection of the principal plane of the objective lens 14 and the optical axis,
The distance between the principal point 14a and the focal point of the objective lens 14 is called the focal length f.

【0020】カンチレバー2の先端側測定点2a及び基
端側測定点2bから反射した第1及び第2の反射光38
a,38bは、再び、対物レンズ14からλ/4板36
を介して偏光ビームスプリッタ34に伝波される。
The first and second reflected lights 38 reflected from the tip side measurement point 2a and the base side measurement point 2b of the cantilever 2.
a and 38b are again from the objective lens 14 to the λ / 4 plate 36.
Is transmitted to the polarization beam splitter 34 via.

【0021】この場合、λ/4板36に伝波された第1
及び第2の反射光38a,38bは円偏光であるが、再
度λ/4板36を透過することによって、第1及び第2
の反射光38a,38bは、先の直線偏光に対して90
°偏波面の異なった直線偏光に変換された状態で偏光ビ
ームスプリッタ34に伝波されることになる。
In this case, the first wave transmitted to the λ / 4 plate 36
The second reflected light 38a and the second reflected light 38b are circularly polarized light, but once again transmitted through the λ / 4 plate 36, the first and second reflected lights 38a and 38b are transmitted.
The reflected light 38a, 38b of
The light is transmitted to the polarization beam splitter 34 after being converted into linearly polarized light having different polarization planes.

【0022】従って、偏光ビームスプリッタ34に伝波
された第1及び第2の反射光38a,38bは、この偏
光ビームスプリッタ34を透過した後、ビームスプリッ
タ40に伝波される。
Therefore, the first and second reflected lights 38a and 38b transmitted to the polarization beam splitter 34 are transmitted to the beam splitter 40 after passing through the polarization beam splitter 34.

【0023】ビームスプリッタ40に伝波された第1及
び第2の反射光38a,38bは、その一部の光がビー
ムスプリッタ40を透過した後、第1の臨界角プリズム
42aに伝波され、残りの光がビームスプリッタ40か
ら反射した後、第2の臨界角プリズム42bに伝波され
る。
The first and second reflected lights 38a and 38b transmitted to the beam splitter 40 are transmitted to the first critical angle prism 42a after a part of the light is transmitted through the beam splitter 40, The remaining light is reflected from the beam splitter 40 and then propagated to the second critical angle prism 42b.

【0024】図3(a),(b)に示すように、本実施
例に適用された第1及び第2の臨界角プリズム42a,
42bの頂角φは、第1及び第2の反射光38a,38
bが第1及び第2の臨界角プリズム42a,42b内で
全反射するように設計されている。具体的には、第1及
び第2の臨界角プリズム42a,42b内で全反射が始
まる際の第1及び第2の反射光38a,38bの入射角
(即ち、臨界角)をθcとすると、頂角φは、φ>θc
なる関係を満足するように設計されている。
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the first and second critical angle prisms 42a and 42a applied to the present embodiment.
The apex angle φ of 42b is equal to that of the first and second reflected lights 38a, 38.
b is designed to be totally reflected in the first and second critical angle prisms 42a and 42b. Specifically, when the incident angle (that is, the critical angle) of the first and second reflected lights 38a and 38b at the time when the total reflection starts in the first and second critical angle prisms 42a and 42b is θc, The vertical angle φ is φ> θc
Is designed to satisfy the relationship.

【0025】この場合、頂角φと臨界角θcと交差角θ
との関係は、 tanφ=(sin2θc)/{cos(θ/2)} なる関係を満足する。
In this case, the apex angle φ, the critical angle θc, and the crossing angle θ
The relationship with and satisfies the following relationship: tan φ = (sin2θc) / {cos (θ / 2)}.

【0026】このような関係によれば、例えば20倍の
対物レンズ14(焦点距離f=9mm)を用いて、相互
の間隔が180μmの先端側測定点2aと基端側測定点
2bを測定する場合、第1及び第2の臨界角プリズム4
2a,42bの材質としてBK7(波長656.3nm
に対する屈折率1.5143)を用いると、臨界角θc
は、1.3度となる。この結果、第1及び第2の臨界角
プリズム42a,42bの頂角φは、44.76度とな
る。
According to this relationship, for example, the 20 × objective lens 14 (focal length f = 9 mm) is used to measure the tip side measurement point 2a and the base end side measurement point 2b with a mutual interval of 180 μm. In this case, the first and second critical angle prisms 4
BK7 (wavelength 656.3 nm) as a material for 2a and 42b
, The critical angle θc
Is 1.3 degrees. As a result, the apex angle φ of the first and second critical angle prisms 42a and 42b is 44.76 degrees.

【0027】図2に示すように、このような第1及び第
2の臨界角プリズム42a,42bに伝波された第1及
び第2の反射光38a,38bは、第1及び第2の臨界
角プリズム42a,42b内を反射した後、第1及び第
2の集光レンズ44a,44bによって第1及び第2の
4分割フォトダイオード46a,46b上に縮小投影さ
れる。
As shown in FIG. 2, the first and second reflected lights 38a and 38b transmitted to the first and second critical angle prisms 42a and 42b have first and second critical angles. After being reflected in the prisms 42a and 42b, they are reduced and projected onto the first and second four-division photodiodes 46a and 46b by the first and second condenser lenses 44a and 44b.

【0028】なお、第1及び第2の4分割フォトダイオ
ード46a,46bは、夫々、第1及び第2の集光レン
ズ44a,44bの焦点位置よりもレンズ側に接近させ
て配置されている。
The first and second four-division photodiodes 46a and 46b are arranged closer to the lens side than the focal positions of the first and second condenser lenses 44a and 44b, respectively.

【0029】以下、上述した変位検出器4によってカン
チレバー2の先端側測定点2a及び基端側測定点2bの
変位を検出する方法について説明する。なお、本実施例
に用いた変位検出方法は、例えば特開昭59−9000
7号及び特開昭60−38606号公報に開示された方
法を採用している。
A method for detecting the displacement of the tip side measurement point 2a and the base end side measurement point 2b of the cantilever 2 by the above displacement detector 4 will be described below. The displacement detection method used in this embodiment is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 59-9000.
The method disclosed in JP-A No. 7 and JP-A-60-38606 is adopted.

【0030】ところで、カンチレバー2の先端側測定点
2a及び基端側測定点2bが対物レンズ14の焦点位置
に位置付けられている場合、先端側測定点2a及び基端
側測定点2bから対物レンズ14を介して伝波された第
1及び第2の反射光38a,38bは、平行光束とな
る。また、カンチレバー2の先端側測定点2a及び基端
側測定点2bが対物レンズ14の焦点位置よりもレンズ
側に接近して位置付けられている場合、先端側測定点2
a及び基端側測定点2bから対物レンズ14を介して伝
波された第1及び第2の反射光38a,38bは、発散
光束となる。また、カンチレバー2の先端側測定点2a
及び基端側測定点2bが対物レンズ14の焦点位置に対
してレンズから離間して位置付けられている場合、先端
側測定点2a及び基端側測定点2bから対物レンズ14
を介して伝波された第1及び第2の反射光38a,38
bは、集光光束となる。
When the tip side measurement point 2a and the base end side measurement point 2b of the cantilever 2 are located at the focal point of the objective lens 14, the tip side measurement point 2a and the base end side measurement point 2b are moved to the objective lens 14. The first and second reflected lights 38a and 38b propagated through the light beams become parallel light beams. Further, when the tip end side measurement point 2 a and the base end side measurement point 2 b of the cantilever 2 are positioned closer to the lens side than the focal position of the objective lens 14, the tip end side measurement point 2
The first and second reflected lights 38a and 38b transmitted from a and the measurement point 2b on the base end side via the objective lens 14 become divergent light fluxes. Also, the measurement point 2a on the tip side of the cantilever 2
And the proximal measurement point 2b is located away from the lens with respect to the focal position of the objective lens 14, the objective lens 14 is measured from the distal measurement point 2a and the proximal measurement point 2b.
First and second reflected lights 38a, 38 transmitted through the
b is a condensed light flux.

【0031】つまり、カンチレバー2の先端側測定点2
a及び基端側測定点2bが対物レンズ14の焦点位置か
らずれている場合には、いずれも非平行光束が第1及び
第2の臨界角プリズム42a,42bに入射することに
なる。
That is, the measurement point 2 on the tip side of the cantilever 2
When a and the measurement point 2b on the base end side are deviated from the focal position of the objective lens 14, in both cases, the non-parallel light flux enters the first and second critical angle prisms 42a and 42b.

【0032】第1及び第2の臨界角プリズム42a,4
2bは、上記平行光束を全反射させるように設計されて
いる。従って、非平行光束が第1及び第2の臨界角プリ
ズム42a,42bに入射する場合、その中心光線は臨
界角θcを成して入射するが、中心光線から一方にずれ
た光束は、その入射角が臨界角より小さくなる。このた
め、その光束の一部がプリズム外へ射出され、残りの光
が反射することになる。反対に、中心光線から他方にず
れた光束は、その入射角が臨界角より大きくなる。この
ため、全ての光束が全反射することになる。
The first and second critical angle prisms 42a, 4
2b is designed to totally reflect the parallel light flux. Therefore, when the non-parallel light flux is incident on the first and second critical angle prisms 42a and 42b, the central ray thereof is incident at the critical angle θc, but the luminous flux deviated to one side from the central ray is incident on the incident light. The angle is smaller than the critical angle. Therefore, a part of the light flux is emitted to the outside of the prism, and the remaining light is reflected. On the contrary, the incident angle of the light beam shifted from the central ray to the other becomes larger than the critical angle. Therefore, all the luminous fluxes are totally reflected.

【0033】このような光伝波プロセスが第1及び第2
の臨界角プリズム42a,42b内において、数回(本
実施例では、2回)繰り返されることによって、臨界角
よりも小さな入射角で入射した光束と、臨界角以上の入
射角で入射した光束との間の伝波光量(第1及び第2の
臨界角プリズム42a,42b内を伝波する光束の光
量)の差が拡大されることになる。
Such optical transmission process is the first and second
In the critical angle prisms 42a and 42b of (1), a light beam incident at an incident angle smaller than the critical angle and a light beam incident at an incident angle larger than the critical angle are repeated by being repeated several times (two times in this embodiment). The difference in the amount of transmitted light (the amount of light flux transmitted in the first and second critical angle prisms 42a and 42b) between the two is enlarged.

【0034】しかも、この場合、カンチレバー2の先端
側測定点2a及び基端側測定点2bが対物レンズ14の
焦点位置に対してレンズ側に接近している場合とレンズ
から離間している場合とでは、上記伝波光量差の大小が
逆転する。
Moreover, in this case, the tip side measurement point 2a and the base end side measurement point 2b of the cantilever 2 are close to the lens side with respect to the focal position of the objective lens 14, and are separated from the lens. Then, the magnitude of the transmitted light amount difference is reversed.

【0035】本実施例では、このような光束のうち、カ
ンチレバー2の先端側測定点2aからの第1の反射光3
8aが、第1の4分割フォトダイオード46aの受光面
A,B及び第2の4分割フォトダイオード46bの受光
面E,Fに縮小投影されると共に、カンチレバー2の基
端側測定点2bからの第2の反射光38bが、第1の4
分割フォトダイオード46aの受光面C,D及び第2の
4分割フォトダイオード46bの受光面G,Hに縮小投
影されることになる。
In the present embodiment, the first reflected light 3 from the measurement point 2a on the tip side of the cantilever 2 among such luminous flux 3 is reflected.
8a is reduced and projected onto the light-receiving surfaces A and B of the first 4-division photodiode 46a and the light-reception surfaces E and F of the second 4-division photodiode 46b, and from the base end side measurement point 2b of the cantilever 2. The second reflected light 38b is reflected by the first 4
The images are reduced and projected onto the light receiving surfaces C and D of the divided photodiode 46a and the light receiving surfaces G and H of the second four-divided photodiode 46b.

【0036】この場合、第1及び第2の4分割フォトダ
イオード46a,46b上には、カンチレバー2の先端
と基端に発生する振動振幅の変位状態が光量分布となっ
て反映されることになる。
In this case, the displacement state of the vibration amplitude generated at the tip end and the base end of the cantilever 2 is reflected on the first and second four-division photodiodes 46a and 46b as a light quantity distribution. .

【0037】ここで、第1及び第2の4分割フォトダイ
オード46a,46bの受光面A,B,C,D,E,
F,G,Hを介して光電変換された信号をVA ,VB
C ,VD ,VE ,VF ,VG ,VH とすると、信号処
理回路48を介して上記各信号に所定の演算処理を施す
ことによって、カンチレバー2の先端及び基端の変位を
同時に検出することが可能となる。
Here, the light-receiving surfaces A, B, C, D, E, of the first and second four-division photodiodes 46a, 46b.
The signals photoelectrically converted via F, G, and H are V A , V B ,
If V C , V D , V E , V F , V G , and V H are set, the above-mentioned signals are subjected to predetermined arithmetic processing via the signal processing circuit 48, whereby the displacement of the tip end and the base end of the cantilever 2 is calculated. It is possible to detect at the same time.

【0038】具体的には、図1に示すように、本実施例
の走査型プローブ顕微鏡の積層型圧電体20を振動させ
ることによってカンチレバー2を励振させた状態で試料
6とカンチレバー2との間の相互作用によって生じるカ
ンチレバー2の先端と基端の振動振幅の変位を測定す
る。
Specifically, as shown in FIG. 1, between the sample 6 and the cantilever 2 in a state where the cantilever 2 is excited by vibrating the laminated piezoelectric body 20 of the scanning probe microscope of the present embodiment. The displacement of the vibration amplitude of the tip end and the base end of the cantilever 2 caused by the interaction is measured.

【0039】この結果、信号処理回路48によって検出
されるカンチレバー2の先端側測定点2aの変位信号Z
1 は、 Z1 ={(VA −VB )+(VE −VF )}/(VA
B +VE +VF ) となり、カンチレバー2の基端側測定点2bの変位信号
2 は、 Z2 ={(VC −VD )+(VG −VH )}/(VC
D +VG +VH ) となる。
As a result, the displacement signal Z of the tip side measuring point 2a of the cantilever 2 detected by the signal processing circuit 48 is detected.
1, Z 1 = {(V A -V B) + (V E -V F)} / (V A +
V B + V E + V F ) , and the displacement signal Z 2 proximal measuring point 2b of the cantilever 2, Z 2 = {(V C -V D) + (V G -V H)} / (V C +
V D + V G + V H ).

【0040】そして、信号処理回路48において、上記
の変位信号の差Z1 −Z2 を演算することによって、カ
ンチレバー2の先端及び基端の振動振幅の変位のみが検
出されることになる。
Then, in the signal processing circuit 48, only the displacement of the vibration amplitude at the tip and the base end of the cantilever 2 is detected by calculating the difference Z 1 -Z 2 of the displacement signals.

【0041】このように本実施例によれば、カンチレバ
ー2の先端側測定点2aの変位信号Z1 と基端側測定点
2bの変位信号Z2 との差演算を実行するだけで、走査
型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分からカンチレバー
2の振動振幅の変位成分のみを高精度且つ簡単に分離し
て検出することが可能となる。しかも、本実施例によれ
ば、カンチレバー2の先端と基端の変位測定が同一の変
位検出器4で行われるため、複雑な信号処理を実行する
ことなく、単に変位信号の差Z1 −Z2 を演算するだけ
で簡単にカンチレバー2のたわみだけを高精度に測定す
ることが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the difference between the displacement signal Z 1 of the measuring point 2a on the tip side of the cantilever 2 and the displacement signal Z 2 of the measuring point 2b on the base side of the cantilever 2 is simply executed to perform the scanning type operation. Only the displacement component of the vibration amplitude of the cantilever 2 can be accurately and easily separated and detected from the vibration component of the entire system of the probe microscope. In addition, according to the present embodiment, since the displacement measurement of the tip end and the base end of the cantilever 2 is performed by the same displacement detector 4, the displacement signal difference Z 1 -Z is simply executed without executing complicated signal processing. It is possible to easily measure only the deflection of the cantilever 2 with high accuracy simply by calculating 2 .

【0042】また、他の演算方法として、以下のような
除演算による信号処理を行うことも可能である。カンチ
レバー2が、角振動数ωで振動しているときのカンチレ
バー2の先端側測定点2aの変位信号(振動)Z1 は、
As another calculation method, it is also possible to perform signal processing by the following division calculation. The displacement signal (vibration) Z 1 at the tip side measurement point 2a of the cantilever 2 when the cantilever 2 vibrates at the angular frequency ω is

【0043】[0043]

【数1】 と表される。[Equation 1] It is expressed as

【0044】ここで、iは虚数単位、tは時間、|Z1
|は振動の振幅、φ1 は振動の位相である。同様にし
て、カンチレバー2の基端側測定点2bの変位信号(振
動)Z2 は、
Where i is an imaginary unit, t is time, and | Z 1
| Is the amplitude of vibration, and φ 1 is the phase of vibration. Similarly, the displacement signal (vibration) Z 2 at the measurement point 2b on the base end side of the cantilever 2 is

【0045】[0045]

【数2】 と表される。[Equation 2] It is expressed as

【0046】ここで、iは虚数単位、tは時間、|Z2
|は振動の振幅、φ2 は振動の位相である。これら
(1)式及び(2)式から算出された変位信号Z1 ,Z
2 に基づいて、Z1 /Z2 の除演算を行うと、
Where i is an imaginary unit, t is time, and | Z 2
Is the amplitude of vibration and φ 2 is the phase of vibration. Displacement signals Z 1 , Z calculated from these equations (1) and (2)
When the division operation of Z 1 / Z 2 is performed based on 2 ,

【0047】[0047]

【数3】 となり、位相φ2 に対する位相φ1 のずれ量が分かる。
即ち、カンチレバー2の基端部に対する先端部の振動と
位相とが得られる。
(Equation 3) Therefore, the shift amount of the phase φ 1 with respect to the phase φ 2 is known.
That is, the vibration and phase of the tip portion with respect to the base end portion of the cantilever 2 can be obtained.

【0048】よって、このような除演算を行うことで、
カンチレバー2の先端側測定点2aと基端側測定点2b
の振動振幅比が分かるため、更に高精度にカンチレバー
2の撓みだけを分離して得ることが可能となると共に、
高分解能に試料6を測定することが可能となる。
Therefore, by performing such division operation,
Measurement point 2a on the tip side of cantilever 2 and measurement point 2b on the base end side
Since the vibration amplitude ratio of the cantilever 2 can be known, it becomes possible to separate and obtain only the deflection of the cantilever 2 with higher accuracy.
It is possible to measure the sample 6 with high resolution.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明によれば、プローブの先端側及び
基端側の変位を検出し、その検出信号の差演算及び除演
算の少なくとも一方を行うだけで、走査型プローブ顕微
鏡の系全体の振動成分からプローブの振動成分のみを分
離して測定することができる。この結果、高分解能に試
料を測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供
することが可能となる。
According to the present invention, it is possible to detect the displacement of the probe on the distal end side and the proximal end side and to perform at least one of the difference calculation and the division calculation of the detection signals. Only the vibration component of the probe can be separated from the vibration component for measurement. As a result, it becomes possible to provide a scanning probe microscope capable of measuring a sample with high resolution.

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

【図1】本発明の一実施例に係る走査型プローブ顕微鏡
の構成を概略的に示す側面図。
FIG. 1 is a side view schematically showing the configuration of a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の走査型プローブ顕微鏡に適用された変
位検出器の内部構成と、対物レンズ及びカンチレバーの
配置を概略的に示す斜視図。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing an internal configuration of a displacement detector applied to the scanning probe microscope of the present invention and an arrangement of an objective lens and a cantilever.

【図3】(a)は、本発明の走査型プローブ顕微鏡に適
用された臨界角プリズム内で反射光が全反射している状
態を示す斜視図、(b)は、同図(a)に示す臨界角プ
リズムの縦断面図。
FIG. 3A is a perspective view showing a state in which reflected light is totally reflected in a critical angle prism applied to the scanning probe microscope of the present invention, and FIG. 3B is a perspective view of FIG. The longitudinal cross-sectional view of the critical angle prism shown.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2…カンチレバー、2a…先端側測定点、2b…基端側
測定点、4…変位検出器、28a…第1の測定用レーザ
ー光、28b…第2の測定用レーザー光、38a…第1
の反射光、38b…第2の反射光、42a…第1の臨界
角プリズム、42b…第2の臨界角プリズム、46a…
第1の4分割フォトダイオード、46b…第2の4分割
フォトダイオード、48…信号処理回路。
2 ... Cantilever, 2a ... Tip side measurement point, 2b ... Base end side measurement point, 4 ... Displacement detector, 28a ... 1st measurement laser beam, 28b ... 2nd measurement laser beam, 38a ... 1st
Reflected light, 38b ... second reflected light, 42a ... first critical angle prism, 42b ... second critical angle prism, 46a ...
First 4-division photodiode, 46b ... Second 4-division photodiode, 48 ... Signal processing circuit.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基端が支持され且つ先端が変位自在に構
成されたプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡であっ
て、 前記プローブの先端側と基端側の変位を同時に光学的に
検出する変位検出手段と、 前記走査型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分から前記
プローブの振動成分のみを分離して測定するように、前
記変位検出手段によって検出された検出信号に所定の演
算を施す演算手段とを備えていることを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。
1. A scanning probe microscope including a probe having a base end supported and a distal end freely displaceable, wherein the displacement for optically detecting the displacement of the probe at the front end side and the base end side at the same time. A detection means, and an operation means for performing a predetermined operation on the detection signal detected by the displacement detection means so that only the vibration component of the probe is separated and measured from the vibration component of the entire system of the scanning probe microscope. And a scanning probe microscope.
【請求項2】 前記変位検出手段は、前記プローブの先
端側の変位を光学的に検出する第1の変位検出光学系
と、前記プローブの基端側の変位を光学的に検出する第
2の変位検出光学系とを備えており、また、前記演算手
段は、前記第1及び第2の変位検出光学系からの各出力
信号に対して差演算及び除演算の少なくとも一方を施す
演算処理回路を備えていることを特徴とする請求項1に
記載の走査型プローブ顕微鏡。
2. The displacement detecting means comprises a first displacement detecting optical system for optically detecting a displacement of the probe on the tip end side, and a second displacement detecting optical system for optically detecting a displacement of the probe on the base end side. A displacement detection optical system, and the arithmetic means includes an arithmetic processing circuit for performing at least one of a difference arithmetic operation and a division arithmetic operation on each output signal from the first and second displacement detection optical systems. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the scanning probe microscope is provided.
【請求項3】 前記第1及び第2の変位検出光学系に
は、前記プローブの先端側と基端側に同時に測定光を照
射する照明光学系と、前記プローブの先端側と基端側か
らの各反射光の入射角度に対応して前記各反射光の伝波
光量を変化させる第1及び第2の臨界角プリズムと、こ
れら第1及び第2の臨界角プリズムを介して伝波される
前記各反射光を受光して、その受光量変化に対応した信
号を出力する第1及び第2の受光素子とを備えているこ
とを特徴とする請求項2に記載の走査型プローブ顕微
鏡。
3. The first and second displacement detection optical systems include an illumination optical system that irradiates measurement light to the tip end side and the base end side of the probe at the same time, and a tip end side and a base end side of the probe. Of the first and second critical angle prisms that change the amount of transmitted light of the respective reflected lights according to the incident angle of each of the reflected lights, and the waves are transmitted through the first and second critical angle prisms. The scanning probe microscope according to claim 2, further comprising first and second light receiving elements that receive each of the reflected lights and output a signal corresponding to a change in the amount of received light.
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