JPH0961441A - Scanning probe - Google Patents

Scanning probe

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Publication number
JPH0961441A
JPH0961441A JP22066995A JP22066995A JPH0961441A JP H0961441 A JPH0961441 A JP H0961441A JP 22066995 A JP22066995 A JP 22066995A JP 22066995 A JP22066995 A JP 22066995A JP H0961441 A JPH0961441 A JP H0961441A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cantilever
objective lens
optical system
detection optical
housing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP22066995A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Aoki
雅弘 青木
Takeshi Yamagishi
毅 山岸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP22066995A priority Critical patent/JPH0961441A/en
Publication of JPH0961441A publication Critical patent/JPH0961441A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe for realizing an improved scanning-type probe microscope for measuring even a large sample. SOLUTION: One edge of a tube scanner 2 is fixed to a post (not shown here) and a housing 101 is mounted to a free edge. An objective lens 8 with a light axis 104 which matches a center axis 103 of the tube scanner 2 when it is neutral and a reflection mirror 102 which is fixed to the optical axis 104 at an angle of 45 deg. are provided at the housing 101. The cross point between the reflection mirror 102 and the light axis 104 is located near a side focusing surface at the rear of the objective lens 8. A cantilever 6 with a tip 7 at the tip is fixed to the housing 101 vertically to a paper surface on the front focusing surface of the objective lens 8. A member for constituting a critical angle focusing detection optical system is fixed to a fixing position for the base along with the objective lens 8 outside the housing 101.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に用いられるスキャニングプローブ、すなわち、ト
ンネル電子や原子分子等の量子力学的要素と相互作用す
るチップを自由端に備えたカンチレバーと、カンチレバ
ーを走査する手段と、カンチレバーの上下動やねじれを
検出する検出光学系とから構成されるスキャニングプロ
ーブに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe used in a scanning probe microscope, that is, a cantilever having a tip at its free end that interacts with quantum mechanical elements such as tunnel electrons and atomic molecules, and a cantilever. The present invention relates to a scanning probe including a scanning unit and a detection optical system that detects vertical movement and twist of a cantilever.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、物
質の超微細構造を観察測定するための装置であり、走査
型トンネル顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AF
M)、ラテラルフォース顕微鏡(LFM)などの総称で
ある。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope (SPM) is a device for observing and measuring an ultrafine structure of a substance, and includes a scanning tunneling microscope (STM) and an atomic force microscope (AF).
M), a lateral force microscope (LFM) and the like.

【0003】SPMの一例として、図6に示す装置が知
られている。ベース1に固定されたチューブスキャナー
2の自由端にサンプルステージ4が固定されており、こ
のサンプルステージ4の上にサンプル5が載置される。
チューブスキャナー2は、円筒状の圧電体に対して、そ
の内側に一つの共通電極を設け、外側に四つの駆動電極
3を設けて構成されたアクチュエーターで、各駆動電極
に印加する電圧を独立に制御することにより、その自由
端を振り子状に任意の方向に移動させることができる。
これによりサンプル5は、検出光学系100の光軸に対
してほぼ垂直な平面内でラスタースキャンされる。
As an example of SPM, a device shown in FIG. 6 is known. The sample stage 4 is fixed to the free end of the tube scanner 2 fixed to the base 1, and the sample 5 is placed on the sample stage 4.
The tube scanner 2 is an actuator configured by providing one common electrode on the inside of a cylindrical piezoelectric body and four drive electrodes 3 on the outside thereof, and independently applying a voltage to each drive electrode. By controlling, the free end can be moved like a pendulum in any direction.
As a result, the sample 5 is raster-scanned in a plane substantially perpendicular to the optical axis of the detection optical system 100.

【0004】サンプル5の上方には、これと量子力学的
相互作用をする分子レベルの鋭利な先端を持つチップ7
が配置される。このチップ7はカンチレバー6の先端に
設けられており、片持ち梁状に支持される。また、カン
チレバー6の動きを検出するための臨界角法を用いた検
出光学系100が設けられている。この検出光学系10
0は、カンチレバー6の背面に対する合焦状態を調べる
ことにより、カンチレバー6の動きをとらえる。これら
のカンチレバー6と検出光学系100は、前述の走査機
構とは独立に設けられている。
Above the sample 5, there is a tip 7 having a sharp tip at the molecular level for quantum mechanical interaction with the sample 7.
Is arranged. The tip 7 is provided at the tip of the cantilever 6 and is supported in a cantilever shape. In addition, a detection optical system 100 using the critical angle method for detecting the movement of the cantilever 6 is provided. This detection optical system 10
0 checks the movement of the cantilever 6 by checking the in-focus state with respect to the back surface of the cantilever 6. The cantilever 6 and the detection optical system 100 are provided independently of the above-mentioned scanning mechanism.

【0005】サンプル5がラスタースキャンされる際、
サンプル5の表面の微小な凹凸(ミクロンオーダー〜オ
ングストロームオーダー)に応じて、チップ7の先端と
サンプル5の表面の間に生じる量子力学的相互作用力に
より、カンチレバー6の自由端が微小に変位する。
When the sample 5 is raster scanned,
The free end of the cantilever 6 is slightly displaced by the quantum mechanical interaction force generated between the tip of the chip 7 and the surface of the sample 5 in accordance with the minute unevenness (micron order to Angstrom order) on the surface of the sample 5. .

【0006】このカンチレバー6の自由端の変位すなわ
ちチップ7の変位を調べることにより、例えば、CDの
ピット形状のようなサブミクロンの表面構造から、グラ
ファイトやマイカの原子配列のようなオングストローム
以下の構造まで、画像化して観察することができる。
By examining the displacement of the free end of the cantilever 6, that is, the displacement of the tip 7, for example, from a submicron surface structure such as a pit shape of a CD to a structure of less than angstrom such as an atomic arrangement of graphite or mica. Up to and can be imaged and observed.

【0007】ここで、検出光学系100の動作について
説明する。レーザーダイオード(LD)9から射出され
たレーザー光は、コリメータレンズ10で平行光束にさ
れ、偏光ビームスプリッター(PBS)11で反射さ
れ、λ/4板12で円偏光にされ、対物レンズ8により
カンチレバー6の背面に集光される。カンチレバー6か
らの反射光は、対物レンズ8に入射し、λ/4板12に
より最初とは直交する直線偏光にされ、今度はPBS1
1を透過し、ハーフミラー13で二つに分割され、一方
は臨界角プリズム14を経て二分割ディテクタ15に入
射し、他方は臨界角プリズム16を経て二分割ディテク
タ17に入射する。
Now, the operation of the detection optical system 100 will be described. The laser light emitted from the laser diode (LD) 9 is collimated by the collimator lens 10, reflected by the polarization beam splitter (PBS) 11, and circularly polarized by the λ / 4 plate 12, and then cantilevered by the objective lens 8. It is focused on the back surface of 6. The reflected light from the cantilever 6 is incident on the objective lens 8 and is linearly polarized by the λ / 4 plate 12 so as to be orthogonal to the first one.
1 is transmitted, and is divided into two by the half mirror 13. One is incident on the two-divided detector 15 via the critical angle prism 14 and the other is incident on the two-divided detector 17 via the critical angle prism 16.

【0008】ここで、カンチレバー6の位置と二分割デ
ィテクタの出力の関係について、図5を参照して説明す
る。まず、カンチレバー6の自由端は、水平状態を維持
したまま、上下方向に変位するものとして考える。カン
チレバー6が合焦位置にあるとき、二分割ディタクタ1
5に入射するビームは、図5(a)に示されるように、
その強度分布は均一で、二分割ディテクタ15の各受光
部の出力A、Bは等しい。一方、カンチレバー6が非合
焦位置にあるとき、臨界角プリズム14に入射するビー
ムは平行光束ではなく、集束性光束または発散性光束と
なるため、光軸に対して左右いずれかは全反射条件から
はずれ、プリズム内部での反射に際して損失が生じ、図
5(b)または図5(c)に示されるように、その強度
分布は不均一となり、各受光部の出力A、Bは等しくな
くなる。従って、A−Bを調べることにより、カンチレ
バー6の上下方向の変位が求められる。この説明は二分
割ディテクタ15に関するものであるが、二分割ディテ
クタ17についても同様である。
Now, the relationship between the position of the cantilever 6 and the output of the two-divided detector will be described with reference to FIG. First, it is considered that the free end of the cantilever 6 is displaced in the vertical direction while maintaining the horizontal state. When the cantilever 6 is in the in-focus position, the two-divided detector 1
The beam incident on 5 is, as shown in FIG.
The intensity distribution is uniform, and the outputs A and B of the light receiving portions of the two-divided detector 15 are equal. On the other hand, when the cantilever 6 is in the out-of-focus position, the beam incident on the critical angle prism 14 is not a parallel light beam but a converging light beam or a divergent light beam. However, as shown in FIG. 5 (b) or FIG. 5 (c), the intensity distribution becomes non-uniform, and the outputs A and B of the respective light receiving portions become unequal. Therefore, the vertical displacement of the cantilever 6 can be obtained by examining AB. Although this description relates to the two-divided detector 15, the same applies to the two-divided detector 17.

【0009】これまで、カンチレバー6の自由端は常に
水平であるとしたが、実際には、上下方向の変位に伴な
って、その傾きも変わる。カンチレバー6の自由端が傾
きがあると、カンチレバーの位置が合焦状態であって
も、反射光が光軸からずれるために、二分割ディテクタ
15に入射するビームは、図5(d)に示されるよう
に、中心位置からずれたものとなる。このため、カンチ
レバー6が合焦位置にあっても、A−Bが0にならな
い。
Up to now, the free end of the cantilever 6 has always been horizontal, but in reality, its inclination also changes with the vertical displacement. When the free end of the cantilever 6 is tilted, the beam incident on the two-divided detector 15 is shown in FIG. 5D because the reflected light deviates from the optical axis even if the position of the cantilever is in focus. As described above, it is displaced from the center position. Therefore, even if the cantilever 6 is at the in-focus position, AB does not become 0.

【0010】この傾きに対するビームの移動による誤差
を補正するために、検出光学系100は、図6に示され
る位置関係で配置された二つの臨界角プリズム14と1
6を有しており、カンチレバー6の自由端の変位は、二
分割ディテクタ15と17の各受光部の出力をそれぞれ
A、B、C、Dとして、(A−B)+(C−D)で求め
られる。カンチレバー6が傾いた状態で合焦位置にある
ときの、二分割ディテクタ15と17に入射するビーム
は、図5(d)と図5(e)に示され、これから分かる
ように、カンチレバー6が傾いていても合焦位置にあれ
ば(A−B)+(C−D)は0になり、カンチレバー6
の傾きによるビームの移動に起因する誤差は自動的に補
正される。
In order to correct the error due to the movement of the beam with respect to this inclination, the detection optical system 100 includes two critical angle prisms 14 and 1 arranged in the positional relationship shown in FIG.
6, the displacement of the free end of the cantilever 6 is (A−B) + (C−D) where the outputs of the light receiving portions of the two-divided detectors 15 and 17 are A, B, C, and D, respectively. Required by. The beams incident on the two-divided detectors 15 and 17 when the cantilever 6 is tilted and in the in-focus position are shown in FIGS. 5 (d) and 5 (e). Even if it is tilted, if it is in the in-focus position, (AB) + (CD) becomes 0, and the cantilever 6
The error caused by the movement of the beam due to the inclination of is automatically corrected.

【0011】この傾き補正の説明からLFMへの応用が
容易に考えられる。すなわち、カンチレバー6が図の様
に紙面内方向ではなく、紙面に対して垂直方向に延びる
ように配置されれば、ラテラルフォースによるカンチレ
バー6のねじれが、図5(d)と図5(e)のビームシ
フトとなって現れる。そこで(A−B)+(C−D)が
0になるように、チューブスキャナー2のZ方向を制御
して常に合焦状態を維持しながら、(A−B)+(D−
C)を計算してやれば、カンチレバーのねじれ角が測定
できる。A−BまたはD−Cのいずれか一方でもよい
が、両方を積算することで感度が向上する。
From the description of this inclination correction, it can be easily considered to be applied to LFM. That is, if the cantilever 6 is arranged so as to extend in the direction perpendicular to the paper surface, not in the in-plane direction as shown in the drawing, the torsion of the cantilever 6 due to the lateral force will not occur in FIGS. 5D and 5E. Appears as a beam shift of. Therefore, while controlling the Z direction of the tube scanner 2 so that (A−B) + (C−D) becomes 0, (A−B) + (D−
If C) is calculated, the torsion angle of the cantilever can be measured. Either AB or DC may be used, but the sensitivity is improved by integrating both.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】図6に示した装置は、
チューブスキャナーと臨界角法による合焦検出光学系を
組み合わせることにより、カンチレバーの極めて微小な
上下変位とねじれ角を同時に測定でき、AFMやLFM
として利用でき、大変有用である。
The device shown in FIG.
By combining a tube scanner and a focus detection optical system based on the critical angle method, it is possible to simultaneously measure extremely small vertical displacement and twist angle of the cantilever. AFM and LFM
Is very useful.

【0013】しかし、図6の装置には、以下のような問
題点がある。こうした極微細構造の検討に対するニーズ
は、半導体や液晶パネルの製造分野にまで広がりつつあ
り、必然的に大きなサンプルの観察測定が望まれてい
る。これに対して、図1の装置では、サンプルの走査機
構は極めて小規模であり、8インチウェハーや大型液晶
パネルを搭載する能力がない。
However, the apparatus of FIG. 6 has the following problems. The need for the study of such an ultrafine structure is spreading to the manufacturing fields of semiconductors and liquid crystal panels, and thus observation and measurement of large samples are inevitably desired. On the other hand, in the apparatus shown in FIG. 1, the sample scanning mechanism is extremely small and does not have the ability to mount an 8-inch wafer or a large liquid crystal panel.

【0014】チューブスキャナーに代えて、大型の走査
ステージを用いてサンプルを走査しようとすると、ステ
ージ移動の分解能がけた違いに不足する。すなわち、こ
の手の装置の目的は、前述したように、ミクロンオーダ
ーからオングストロームオーダーまでの微細構造の測定
を行なうことにあり、測定のための横分解能も同等のレ
ベルを必要とするので、ウェハーや液晶パネルを搭載し
得るようなステージでは、この精度を実現することは難
しい上に、走査速度も激減する。
If an attempt is made to scan a sample by using a large scanning stage instead of the tube scanner, the resolution of stage movement will be insufficient due to the order of magnitude. That is, as described above, the purpose of this type of device is to measure a fine structure from the micron order to the angstrom order, and the lateral resolution for the measurement also requires a similar level. In a stage where a liquid crystal panel can be mounted, it is difficult to achieve this accuracy, and the scanning speed is drastically reduced.

【0015】また、検出光学系100の方をチューブス
キャナーで支持して、これを走査させようとすると、圧
電素子の力学的能力に対し、検出系100の荷重が過大
となり、チューブスキャナーの振動特性が劣化し、高速
走査には堪えられない。
If the detection optical system 100 is supported by a tube scanner and an attempt is made to scan it, the load of the detection system 100 becomes excessive with respect to the mechanical capacity of the piezoelectric element, and the vibration characteristics of the tube scanner. Deteriorates and cannot withstand high-speed scanning.

【0016】さらに、カンチレバー6のみを走査させよ
うとすると、走査範囲は最大100μm×100μm程
度が望まれるので、測定ビームがカンチレバー6から外
れてしまったり、カンチレバー6上でのビーム位置の移
動量が大きくなることで、致命的な測定誤差が生じるお
それがある。本発明は、大型の試料にも対応し得る走査
型プローブ顕微鏡を実現するためのスキャニングプロー
ブを提供することを目的とする。
Further, if only the cantilever 6 is to be scanned, the scanning range is desired to be about 100 μm × 100 μm at maximum, so that the measurement beam may deviate from the cantilever 6 or the amount of movement of the beam position on the cantilever 6 may be increased. If it becomes large, a fatal measurement error may occur. It is an object of the present invention to provide a scanning probe for realizing a scanning probe microscope that can handle a large sample.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明のスキャニングプ
ローブは、尖鋭なチップを先端に備えるカンチレバー
と、その前側焦点面にカンチレバーが位置するように配
置された対物レンズと、対物レンズの光軸に対して傾け
て配置された平面ミラーであって、対物レンズの光軸と
の交点が対物レンズの後ろ側焦点面近傍に位置する平面
ミラーと、カンチレバーと対物レンズと平面ミラーを収
容し、これらを所定の位置関係に保持するハウジング
と、ハウジングを移動可能に支持するスキャナーと、ハ
ウジングとは独立に設けられた、カンチレバーの変位と
ねじれを光学的に検出する検出光学系とを有している。
検出光学系は平面ミラーに向けて平行光束を射出し、平
行光束は平面ミラーで反射されて対物レンズによりカン
チレバーに集光される。カンチレバーで反射された光は
対物レンズを通って平面ミラーにより検出光学系に向け
て反射され、検出光学系はこの反射光を受け、これに基
づきカンチレバーの変位とねじれを検出する。
A scanning probe according to the present invention comprises a cantilever having a sharp tip at its tip, an objective lens arranged so that the cantilever is positioned at its front focal plane, and an optical axis of the objective lens. It is a plane mirror that is tilted with respect to the objective lens. The plane mirror whose intersection with the optical axis of the objective lens is located near the back focal plane of the objective lens, the cantilever, the objective lens, and the plane mirror are housed. It has a housing that holds it in a predetermined positional relationship, a scanner that movably supports the housing, and a detection optical system that is provided independently of the housing and that optically detects displacement and twist of the cantilever.
The detection optical system emits a parallel light beam toward the plane mirror, and the parallel light beam is reflected by the plane mirror and focused on the cantilever by the objective lens. The light reflected by the cantilever is reflected by the plane mirror toward the detection optical system through the objective lens, and the detection optical system receives the reflected light and detects displacement and twist of the cantilever based on the reflected light.

【0018】例えば、検出光学系は、反射光のビームの
位置を検出する手段と、臨界角法により合焦状態を検出
する手段とを有している。あるいは、検出光学系は、反
射光のビームの位置を検出する手段と、共焦点法により
合焦状態を検出する手段とを有している。
For example, the detection optical system has means for detecting the position of the beam of reflected light and means for detecting the in-focus state by the critical angle method. Alternatively, the detection optical system has means for detecting the position of the reflected light beam and means for detecting the in-focus state by the confocal method.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。第一の実施の形態につ
いて図1を用いて説明する。図中、従来例と同じ部材
は、同じ参照符号で示してある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The first embodiment will be described with reference to FIG. In the figure, the same members as in the conventional example are indicated by the same reference numerals.

【0020】サンプル5はXYステージ(図示せず)の
上に載置され、XYステージを用いて比較的大型なサン
プル5の中の測定箇所が、チューブスキャナー2の中心
軸103の近辺に配置される。
The sample 5 is placed on an XY stage (not shown), and the measurement site in the relatively large sample 5 is placed near the central axis 103 of the tube scanner 2 using the XY stage. It

【0021】チューブスキャナー2は一端が支柱(図示
せず)に固定されており、自由端にはハウジング101
が取り付けられている。ハウジング101の中には、チ
ューブスキャナー2がニュートラルな状態のときに、中
心軸103に一致する光軸104を有する対物レンズ8
と、光軸104に45°の角度で固定された反射ミラー
102とが設けられている。反射ミラー102と光軸1
04の交点は、対物レンズ8の後ろ側焦点面の近傍に位
置している。
The tube scanner 2 has one end fixed to a column (not shown), and the housing 101 at the free end.
Is attached. In the housing 101, the objective lens 8 having an optical axis 104 which coincides with the central axis 103 when the tube scanner 2 is in a neutral state
And a reflection mirror 102 fixed to the optical axis 104 at an angle of 45 °. Reflection mirror 102 and optical axis 1
The intersection of 04 is located near the back focal plane of the objective lens 8.

【0022】対物レンズ8の前側焦点面には、チップ7
を先端に備えたカンチレバー6が、紙面に垂直な方向に
延びる向きで、ハウジング101の壁面に固定されてい
る。チューブスキャナー2は、従来例と同様に、外側に
四つの駆動電極(図示せず)を持ち、これに印加する電
圧を制御することにより、自由端を任意の方向に振り子
状に移動できる。これにより、チップ7はサンプル5の
表面をラスター走査される。
On the front focal plane of the objective lens 8, the chip 7 is placed.
A cantilever 6 having a tip is fixed to the wall surface of the housing 101 in a direction extending in a direction perpendicular to the paper surface. Similar to the conventional example, the tube scanner 2 has four drive electrodes (not shown) on the outside, and by controlling the voltage applied thereto, the free end can be moved like a pendulum in any direction. As a result, the chip 7 is raster-scanned on the surface of the sample 5.

【0023】ハウジング101の外側には、従来例と同
じ臨界角法合焦検出光学系100を構成する対物レンズ
8以外の部材が、ベースに対して固定位置に配置されて
いる。
On the outside of the housing 101, members other than the objective lens 8 constituting the same critical angle focusing detection optical system 100 as in the conventional example are arranged at a fixed position with respect to the base.

【0024】LD9からの入射光(その主光線を符号1
05で示してある)は、コリメートレンズ10で平行光
束にされ、偏光ビームスプリッター11で反射され、λ
/4板12を通過し、反射ミラー102に入射する。入
射光105は、チューブスキャナー2がニュートラルの
位置にある場合、対物レンズ8の光軸104と反射ミラ
ー102の交点に入射する。しかし、図1に示されるよ
うに、チューブスキャナー2が移動した状態では、入射
光105は前述の交点よりわずか下方に入射する。反射
ミラー102で反射された入射光105が光軸104に
対して成す角度は、光軸104と中心軸103が成す角
度θに等しくθである。従って、入射光105は、対物
レンズ8の焦点距離をfとして、カンチレバー6の背面
に対して、光軸104からftanθだけ離れた点に集
光する。
Incident light from the LD 9 (the principal ray of which is designated by reference numeral 1)
(Indicated by 05) is collimated by the collimator lens 10 into a parallel light beam, reflected by the polarization beam splitter 11, and
It passes through the / 4 plate 12 and enters the reflection mirror 102. The incident light 105 is incident on the intersection of the optical axis 104 of the objective lens 8 and the reflection mirror 102 when the tube scanner 2 is in the neutral position. However, as shown in FIG. 1, when the tube scanner 2 is moved, the incident light 105 is incident slightly below the above-mentioned intersection. The angle formed by the incident light 105 reflected by the reflection mirror 102 with respect to the optical axis 104 is equal to the angle θ formed by the optical axis 104 and the central axis 103 and is θ. Therefore, the incident light 105 is condensed at a point distant from the optical axis 104 by ftan θ with respect to the back surface of the cantilever 6 with the focal length of the objective lens 8 as f.

【0025】カンチレバー6で反射された検出光106
は、対物レンズ8を通って、反射ミラー102に入射す
る。その入射位置は、反射ミラー102と光軸104の
交点よりもわずか上方に位置する。従って、反射ミラー
102で反射された検出光106は、入射光105に対
して上方にδyずれ、λ/4板12に向かう。λ/4板
12を通過した検出光106は、偏光ビームスプリッタ
ー11を透過し、ハーフミラー13で二分され、それぞ
れ臨界角プリズム14と16を経て、二分割ディテクタ
ー15と17に入射する。
Detection light 106 reflected by the cantilever 6
Enters the reflecting mirror 102 through the objective lens 8. The incident position is located slightly above the intersection of the reflection mirror 102 and the optical axis 104. Therefore, the detection light 106 reflected by the reflection mirror 102 shifts upward by δy with respect to the incident light 105 and travels toward the λ / 4 plate 12. The detection light 106 that has passed through the λ / 4 plate 12 passes through the polarization beam splitter 11, is divided into two by the half mirror 13, and enters the two-divided detectors 15 and 17 via the critical angle prisms 14 and 16, respectively.

【0026】このスキャニングプローブをラテラルフォ
ース顕微鏡(LFM)に用いる場合には、入射光105
に対する検出光106のずれδyは、従来例の説明から
容易に理解できるように、カンチレバー6のねじれ角に
対して測定誤差となって重畳される。(なお、このスキ
ャニングプローブをAFMに用いる場合には、単にチッ
プ7の上下動を測定するので、前述したように傾きによ
る誤差は二個の臨界角プリズムによって補正されるので
問題はない)。従って、入射光105と検出光106の
ずれδyが、LFMにとって無視できるほど微小であれ
ば、LFMの検出信号に対し、何等補正を加えることな
く、全走査領域でカンチレバー6のねじれ角を正確に測
定することができる。
When this scanning probe is used in a lateral force microscope (LFM), the incident light 105
The deviation δy of the detection light 106 with respect to is overlapped as a measurement error with respect to the torsion angle of the cantilever 6, as can be easily understood from the description of the conventional example. (Note that, when this scanning probe is used for an AFM, since the vertical movement of the tip 7 is simply measured, an error due to the tilt is corrected by the two critical angle prisms as described above, so there is no problem). Therefore, if the deviation δy between the incident light 105 and the detection light 106 is so small as to be negligible to the LFM, the twist angle of the cantilever 6 can be accurately measured in the entire scanning region without any correction to the detection signal of the LFM. Can be measured.

【0027】この条件を満足させることができるかどう
かを検討するため、図2の光路図を用いて、δyの計算
式を導いた。チューブスキャナー2の支点から、対物レ
ンズ8の光軸104と反射ミラー102の交点102c
までの長さをl、チューブスキャナー2が走査されるこ
とにより、光軸104が中心軸103に対して成す角を
θ、交点102cの振れ幅をwとすると、交点102c
の上昇量Δは、次式で与えられる。
In order to examine whether or not this condition can be satisfied, the formula for δy was derived using the optical path diagram of FIG. An intersection 102c of the optical axis 104 of the objective lens 8 and the reflection mirror 102 from the fulcrum of the tube scanner 2
Up to 1 and the tube scanner 2 scans, the angle formed by the optical axis 104 with respect to the central axis 103 is θ, and the swing width of the intersection 102c is w.
The increase amount Δ of is given by the following equation.

【0028】[0028]

【数1】 [Equation 1]

【0029】反射ミラー102と光軸104の交点10
2cから対物レンズ8の後ろ側焦点までの距離をz、対
物レンズ8の焦点距離をfとすると、入射光105がカ
ンチレバー6に入射する角度Φは次式となる。
The intersection 10 of the reflecting mirror 102 and the optical axis 104
When the distance from 2c to the rear focal point of the objective lens 8 is z and the focal length of the objective lens 8 is f, the angle Φ at which the incident light 105 enters the cantilever 6 is given by the following equation.

【0030】[0030]

【数2】 [Equation 2]

【0031】以後、適当なxy座標軸に対する反射ミラ
ー102の式と、対物レンズ8から反射ミラー102ま
での検出光106の式を導き、その交点座標(x,y)
を求める作業を経て、最終的に、ずれδyが次式で得ら
れる。
After that, the formula of the reflection mirror 102 with respect to the appropriate xy coordinate axes and the formula of the detection light 106 from the objective lens 8 to the reflection mirror 102 are derived, and the intersection point coordinates (x, y).
Finally, the deviation δy is obtained by the following equation through the work of obtaining

【0032】[0032]

【数3】 (Equation 3)

【0033】(3)式に基づくシミュレーション結果を
図3に示す。横軸は走査幅wに対する光軸104の傾き
θ(w)、縦軸がδyである。反射ミラー102の位置
によるδyの変化の様子がよく理解できる。
The simulation result based on the equation (3) is shown in FIG. The horizontal axis represents the inclination θ (w) of the optical axis 104 with respect to the scanning width w, and the vertical axis represents δy. The manner in which δy changes with the position of the reflection mirror 102 can be well understood.

【0034】数値の一例をあげると、l=80mm、f
=5mm、θ=0.0358°、w=50μm、z=0
の場合、δy=0.0287μmとなる。LFMとし
て、カンチレバー6のねじれ角に対するδyも式(3)
を用いて計算することができる。ただし、ねじれ角をφ
とすると、式(3)のΦの代わりにΦ+2φを用いなけ
ればならない。
As an example of numerical values, l = 80 mm, f
= 5 mm, θ = 0.0358 °, w = 50 μm, z = 0
In this case, δy = 0.0287 μm. As LFM, δy with respect to the torsion angle of the cantilever 6 is also given by the formula (3).
Can be calculated using. However, the twist angle is φ
Then, Φ + 2φ must be used instead of Φ in equation (3).

【0035】φに対するδyの数値例として、θ=0、
φ=2°、その他の条件は上記数値例と同じとすると、
δy=349.634μmとなる。従って、S/Nは、
0.8×10-4となり、補正を必要としないレベルと考
えてよい。
As a numerical example of δy with respect to φ, θ = 0,
If φ = 2 ° and other conditions are the same as the above numerical example,
δy = 349.634 μm. Therefore, the S / N is
It is 0.8 × 10 -4, which can be considered as a level that does not require correction.

【0036】カンチレバー6上の集光点と光軸104の
ずれ量は前述したようにftanθなので、±3.1μ
mであり、測定ビームがカンチレバー6から外れたり、
カンチレバー6の上下動の測定に多大の誤差を生じさせ
ることはない。
Since the shift amount between the focal point on the cantilever 6 and the optical axis 104 is ftan θ as described above, ± 3.1 μ
m, the measurement beam is out of the cantilever 6,
A large error does not occur in the measurement of the vertical movement of the cantilever 6.

【0037】さらに副次的利点として、カンチレバー6
が傾いた状態でデフォーカスした場合、二分割ディテク
ター15と17に入射するビームは、図5(f)と図5
(g)に示されるように、強度分布の暗部(点々で示し
た部分)と明部の境界がディテクターの分割線からずれ
てしまうのが一般的である。従って、従来例で説明した
傾き補正は、合焦点を誤ることはないが、非合焦量に対
する信号の直線性が微妙に変化する。しかし、本発明に
おいては、zがゼロまたは極微小なので、前述のずれは
ほぼΔと考えてよい。なぜなら、強度分布変化の境界線
は図2の対物レンズ8に垂直に戻る一点鎖線に対応し、
これは必ず光軸104とFBで交わる。従って、ここに
反射ミラー102の光軸104の交点102cがあれ
ば、その入射光105とのずれはΔとなる。
Further, as a secondary advantage, the cantilever 6
When the beam is defocused in a tilted state, the beams incident on the two-divided detectors 15 and 17 have the beams shown in FIGS.
As shown in (g), it is general that the boundary between the dark part (the part shown by the dots) and the bright part of the intensity distribution deviates from the dividing line of the detector. Therefore, in the tilt correction described in the conventional example, the focusing point is not erroneous, but the linearity of the signal with respect to the defocus amount slightly changes. However, in the present invention, since z is zero or extremely small, the above deviation may be considered to be approximately Δ. Because the boundary line of the change of the intensity distribution corresponds to the alternate long and short dash line perpendicular to the objective lens 8 in FIG.
This always intersects the optical axis 104 at FB. Therefore, if there is an intersection 102c of the optical axis 104 of the reflection mirror 102 here, the deviation from the incident light 105 is Δ.

【0038】ちなみに、前述の数値例における条件での
Δは、z=0ならば15.6nmでしかない。従って、
二分割ディテクター15と17上でのビームは図5
(h)と図5(i)のようになり、傾き補正がほぼ理想
的に効果を発揮する。
Incidentally, Δ under the conditions in the above-mentioned numerical example is only 15.6 nm if z = 0. Therefore,
The beam on the two-divided detectors 15 and 17 is shown in FIG.
As shown in (h) and FIG. 5 (i), the tilt correction exhibits an almost ideal effect.

【0039】これまで、カンチレバーの動きを検出する
光学系としては、臨界角法を用いたものを例にあげて説
明してきたが、検出光学系はこれに限るものではない。
次に、検出光学系の別の例について、図4を参照して説
明する。
Up to now, an optical system using the critical angle method has been described as an example of the optical system for detecting the movement of the cantilever, but the optical system for detection is not limited to this.
Next, another example of the detection optical system will be described with reference to FIG.

【0040】この検出光学系は、ハーフミラー13まで
は図1の光学系と同じであり、それ以降の部分におい
て、ビームの位置を検出する手段と、共焦点法により合
焦状態を検出する手段とを有している。
This detection optical system is the same as the optical system of FIG. 1 up to the half mirror 13, and in the subsequent parts, means for detecting the position of the beam and means for detecting the focused state by the confocal method. And have.

【0041】具体的には、検出光学系は、図4に示すよ
うに、ハーフミラー13で反射されたビームの位置を調
べるポジションセンサー18、ハーフミラー13を透過
したビームを集光するレンズ19、レンズ19を通過し
たビームを二つに分けるハーフミラー20、ハーフミラ
ー20を透過したビームの集光点よりも後方に配置され
たピンホール21、ピンホール21を通過した光の強度
を検出する光検出器22、ハーフミラー20で反射され
たビームの集光点よりも前方に配置されたピンホール2
3、ピンホール23を通過した光の強度を検出する光検
出器24とを有している。
Specifically, as shown in FIG. 4, the detection optical system includes a position sensor 18 for checking the position of the beam reflected by the half mirror 13, a lens 19 for condensing the beam transmitted through the half mirror 13, A half mirror 20 that divides the beam that has passed through the lens 19 into two, a pinhole 21 that is arranged behind the focal point of the beam that has passed through the half mirror 20, and light that detects the intensity of light that has passed through the pinhole 21. The pinhole 2 arranged in front of the focal point of the beam reflected by the detector 22 and the half mirror 20.
3 and a photodetector 24 that detects the intensity of light that has passed through the pinhole 23.

【0042】二つのピンホール21と23は、ビームの
集光点から等しい距離、前後にずらして配置されてい
る。従って、カンチレバー6が合焦位置にあるときに
は、二つの光検出器22と24で検出される光量は等し
く、二つの光検出器22と24の出力差は0を示す。
The two pinholes 21 and 23 are arranged so as to be offset from each other by an equal distance from the focal point of the beam. Therefore, when the cantilever 6 is at the in-focus position, the light amounts detected by the two photodetectors 22 and 24 are equal, and the output difference between the two photodetectors 22 and 24 is zero.

【0043】カンチレバー6が上下に移動して合焦位置
からはずれると、それに応じてビームの集光点が光軸に
沿って前後に移動するため、二つの光検出器22と24
に入射する光の光量が等しくなくなる。従って、二つの
光検出器22と24の出力差を調べることにより、カン
チレバー6の上下方向の移動を測定できる。
When the cantilever 6 moves up and down to move out of the in-focus position, the focal point of the beam moves back and forth along the optical axis accordingly, so that the two photodetectors 22 and 24 are moved.
The amounts of light incident on are not equal. Therefore, the vertical movement of the cantilever 6 can be measured by checking the output difference between the two photodetectors 22 and 24.

【0044】また、カンチレバー6がねじれると、ポジ
ションセンサー18に入射するビームの位置が移動す
る。従って、ビームの入射位置を調べることにより、カ
ンチレバー6のねじれが求められる。
When the cantilever 6 is twisted, the position of the beam incident on the position sensor 18 moves. Therefore, the twist of the cantilever 6 can be obtained by checking the incident position of the beam.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明のスキャニングプローブによれ
ば、カンチレバーを走査するタイプの走査型プローブ顕
微鏡が構成でき、シリコンウェハーやLCD基板などの
大型サンプルにも対応できるようになる。
According to the scanning probe of the present invention, a cantilever scanning type scanning probe microscope can be constructed, and a large sample such as a silicon wafer or an LCD substrate can be dealt with.

【0046】検出光学系は、ハウジングとは独立に設け
られているので、スキャナーの負荷が著しく大きくなる
ことはなく、振動特性が著しく損なわれることもない。
平面ミラーは、対物レンズの光軸と交わる位置が、対物
レンズの後ろ側焦点面近傍に配置されているので、スキ
ャナーの走査に伴なって生じる光路のずれが最小に抑え
られ、測定精度が著しく損なわれることもない。
Since the detection optical system is provided independently of the housing, the load on the scanner is not significantly increased and the vibration characteristics are not significantly impaired.
Since the position of the plane mirror that intersects with the optical axis of the objective lens is located near the back focal plane of the objective lens, the deviation of the optical path caused by the scanning of the scanner is minimized and the measurement accuracy is remarkably high. It will not be damaged.

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

【図1】本発明の実施の形態のスキャニングプローブの
構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a scanning probe according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のスキャニングプローブにおける光路を示
す図である。
2 is a diagram showing an optical path in the scanning probe of FIG. 1. FIG.

【図3】角θとずれδyの関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing a relationship between an angle θ and a shift δy.

【図4】図1の検出光学系に代わる別の検出光学系の構
成を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of another detection optical system that replaces the detection optical system of FIG.

【図5】図1または図6に示される臨界角法を用いた検
出光学系における二分割ディテクター上のビームのパタ
ーンを示す図である。
5 is a diagram showing a beam pattern on a two-divided detector in the detection optical system using the critical angle method shown in FIG. 1 or FIG.

【図6】走査型プローブ顕微鏡の従来例を示す図であ
る。
FIG. 6 is a diagram showing a conventional example of a scanning probe microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2…チューブスキャナー、6…カンチレバー、7…チッ
プ、8…対物レンズ、9…レーザーダイオード、10…
コリメータレンズ、11…偏光ビームスプリッター、1
2…λ/4板、13…ハーフミラー、14…臨界角プリ
ズム、15…二分割ディテクタ、16…臨界角プリズ
ム、17…二分割ディテクタ、101…ハウジング、1
02…反射ミラー。
2 ... Tube scanner, 6 ... Cantilever, 7 ... Chip, 8 ... Objective lens, 9 ... Laser diode, 10 ...
Collimator lens, 11 ... Polarizing beam splitter, 1
2 ... λ / 4 plate, 13 ... Half mirror, 14 ... Critical angle prism, 15 ... Two-divided detector, 16 ... Critical angle prism, 17 ... Two-divided detector, 101 ... Housing, 1
02 ... Reflective mirror.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】尖鋭なチップを先端に備えるカンチレバー
と、 その前側焦点面にカンチレバーが位置するように配置さ
れた対物レンズと、 対物レンズの光軸に対して傾けて配置された平面ミラー
であって、対物レンズの光軸との交点が対物レンズの後
ろ側焦点面近傍に位置する平面ミラーと、 カンチレバーと対物レンズと平面ミラーを収容し、これ
らを所定の位置関係に保持するハウジングと、 ハウジングを移動可能に支持するスキャナーと、 ハウジングとは独立に設けられた、カンチレバーの変位
とねじれを光学的に検出する検出光学系とを有し、検出
光学系は平面ミラーに向けて平行光束を射出し、平行光
束は平面ミラーで反射されて対物レンズによりカンチレ
バーに集光され、カンチレバーで反射された光は対物レ
ンズを通って平面ミラーにより検出光学系に向けて反射
され、検出光学系はこの反射光を受けてこれに基づきカ
ンチレバーの変位とねじれを検出する、スキャニングプ
ローブ。
1. A cantilever having a sharp tip at its tip, an objective lens arranged so that the cantilever is positioned at the front focal plane thereof, and a plane mirror arranged obliquely with respect to the optical axis of the objective lens. A plane mirror whose intersection with the optical axis of the objective lens is located near the back focal plane of the objective lens, a housing that houses the cantilever, the objective lens, and the plane mirror, and holds them in a predetermined positional relationship. It has a scanner that movably supports and a detection optical system that is provided independently of the housing and that optically detects displacement and twist of the cantilever.The detection optical system emits a parallel light beam toward a plane mirror. Then, the parallel light flux is reflected by the plane mirror and focused on the cantilever by the objective lens, and the light reflected by the cantilever passes through the objective lens to form a plane. Is reflected toward the detecting optical system by error, detection optical system detects the displacement and twisting of the cantilever on this basis it receives the reflected light, scanning probe.
【請求項2】請求項1において、検出光学系は、反射光
のビームの位置を検出する手段と、臨界角法により合焦
状態を検出する手段とを有している、スキャニングプロ
ーブ。
2. The scanning probe according to claim 1, wherein the detection optical system has means for detecting the position of the beam of the reflected light and means for detecting the focused state by the critical angle method.
【請求項3】請求項1において、検出光学系は、反射光
のビームの位置を検出する手段と、共焦点法により合焦
状態を検出する手段とを有している、スキャニングプロ
ーブ。
3. The scanning probe according to claim 1, wherein the detection optical system has means for detecting the position of the beam of the reflected light and means for detecting the in-focus state by the confocal method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7681439B2 (en) 2006-08-23 2010-03-23 Mitutoyo Corporation Measuring apparatus
KR20210022917A (en) * 2019-08-21 2021-03-04 경북대학교 산학협력단 High-speed atomic force microscope

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