JPH0972924A

JPH0972924A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH0972924A
Application number: JP7226522A
Authority: JP
Inventors: Shinichirou Aizaki; 紳一郎合崎
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】カンチレバーに照射するレーザー光の照射位置
を調整することにより、カンチレバーの変位を高精度に
検出可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】カンチレバー２１を試料２３に対して走査
する微動素子２５と、平行光束を出射可能な光源ユニッ
ト２７と、平行光束の光軸Ａを所望の傾斜角度に調整可
能な光軸調整ユニット２９と、微動素子に支持されてお
り、光軸調整ユニットを介して伝波された平行光束を常
にカンチレバーの同一位置に集光させる照射光学系と、
カンチレバーの変位が光学的に検出されるように、カン
チレバーからの反射光を受光可能な光検出ユニットとを
備え、光源ユニットと光軸調整ユニットと光検出ユニッ
トは、微動素子とは別途独立して設けられている。照射
光学系は、光軸調整ユニットの反射ミラー３７から反射
した平行光束のうち、一様な強度分布を有する中心付近
の光束のみを通過させる絞り４３を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【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）。

【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
持つカンチレバーを備えている。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）によりカンチレバーの自由端が
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。

【０００４】このようなＡＦＭにおいて、カンチレバー
の自由端の変位を光学的に検出する方法として、光干渉
法，光合焦検出法や光てこ法等が知られているが、なか
でも光てこ法は、その構成が簡単であって検出感度も優
れているため、一般的によく用いられている。

【０００５】また最近では、シリコンウェハ等のような
大型の試料も測定可能なＡＦＭが望まれており、その一
例として、特開平６−２８８７５７号公報（以下、従来
技術という）に開示されたような走査型プローブ顕微鏡
が開発されている。

【０００６】図４に示すように、従来技術の走査型プロ
ーブ顕微鏡は、レーザー光源１を支持する第１の支持体
３と、カンチレバー５を試料７に沿って２次元走査させ
る円筒型アクチュエータ９と、ポジションセンサ１１を
支持する第２の支持体１３とを備えており、円筒型アク
チュエータ９には、レーザー光源１から出射されたレー
ザー光をカンチレバー５方向に反射すると共にカンチレ
バー５から反射した反射光をポジションセンサ１１方向
へ反射する第１及び第２のプリズム１５，１７が設けら
れている。なお、第１及び第２の支持体３，１３と円筒
型アクチュエータ９とは、いずれも、顕微鏡本体（図示
しない）に保持された上部保持体１９に取り付けられて
いる。

【０００７】このような構成によれば、レーザー光源１
から第１のプリズム１５方向へ出射されたレーザー光
は、第１のプリズム１５の反射面１５ａからカンチレバ
ー５の自由端へ反射される。このとき、カンチレバー５
の自由端から第２のプリズム１７方向へ反射した反射光
は、第２のプリズム１７の反射面１７ａからポジション
センサ１１方向へ反射される。

【０００８】このような状態でカンチレバー５を２次元
走査させた際、カンチレバー５の自由端が変位した場
合、カンチレバー５の自由端からの反射光は、図中点線
で示すように伝波し、ポジションセンサ１１に対する入
射位置が変動する。この場合、カンチレバー５の自由端
の変位は、ポジションセンサ１１に入射する光の入射位
置の相違として検出されることになる。なお、この従来
技術において、レーザー光源１からのレーザー光は、図
中Ｙ軸方向に長軸を有する楕円ビームとなっているた
め、カンチレバー５を図中Ｙ軸方向へ走査した場合で
も、カンチレバー５の自由端には、常にレーザー光が照
射されることになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術では、レーザー光の照射位置を調整するための構成を
設ける代わりに、カンチレバー５の幅寸法よりも大径の
楕円ビームをカンチレバー５の自由端に照射させている
ため、カンチレバー５を通過して試料７に照射されるレ
ーザー光の光量も多くなる。この場合、試料７から散乱
する散乱光の光量も多くなるため、カンチレバー５から
の反射光に加えて試料７からの散乱光もポジションセン
サ１１によって検出されてしまう場合がある。この結
果、カンチレバー５の変位検出の精度が低下してしまう
といった問題が生じる。

【００１０】また、カンチレバー５に照射される楕円ビ
ームは、その中央部分とその周縁部において強度分布が
相違しているため、カンチレバー５を図中Ｙ軸方向へ走
査している際に、カンチレバー５からの反射光の強度分
布は常に変動する。この反射光の強度分布変化に伴っ
て、ポジションセンサ１１の受光量も変動するため、カ
ンチレバー５の変位の検出感度を一定レベルに維持させ
ることが困難になってしまうといった問題も発生する。

【００１１】本発明は、このような課題を解決するため
になされおり、その目的は、カンチレバーに照射するレ
ーザー光の照射位置を調整することによって、カンチレ
バーの変位を高精度に検出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。

【００１２】

【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、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレ
バーを試料に対して所定方向に走査する微動素子と、こ
の微動素子とは別途独立して設けられ、所定の平行光束
を出射可能な光源ユニットと、前記微動素子とは別途独
立して設けられ、前記光源ユニットから出射された平行
光束の光軸を所望の傾斜角度に調整可能な光軸調整ユニ
ットと、前記微動素子に支持されており、前記光軸調整
ユニットを介して伝波した平行光束を常に前記カンチレ
バーの同一位置に集光させる照射光学系と、前記微動素
子とは別途独立して設けられ、前記カンチレバーの変位
が光学的に検出されるように、前記カンチレバーから反
射した反射光を受光可能な光検出ユニットとを備えてい
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
に係る走査型プローブ顕微鏡について、図１及び図２を
参照して説明する。図１に示すように、本実施の形態の
走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー２１を試料２３
に対して所定方向に走査する微動素子２５と、所定の平
行光束を出射可能な光源ユニット２７と、光源ユニット
２７から出射された平行光束の光軸Ａを所望の傾斜角度
に調整可能な光軸調整ユニット２９と、微動素子２５に
支持されており、光軸調整ユニット２９を介して伝波さ
れた平行光束を常にカンチレバー２１の同一位置に集光
させる照射光学系と、カンチレバー２１の変位が光学的
に検出されるように、カンチレバー２１から反射した反
射光を受光可能な光検出ユニットとを備えており、光源
ユニット２７と光軸調整ユニット２９と光検出ユニット
は、微動素子２５とは別途独立して設けられている。

【００１４】微動素子２５は、顕微鏡本体（図示しな
い）に保持された上部保持体３１に取り付けられてお
り、所定の電圧を印加することによって、所望方向に変
位可能に構成されている。このような微動素子２５とし
ては、例えば圧電体チューブスキャナを適用することが
可能である。

【００１５】光源ユニット２７には、所定の強度分布を
有するレーザー光を出射可能なレーザーダイオード（以
下、ＬＤという）３３と、このＬＤ３３から出射したレ
ーザー光を所定のビーム径を有する平行光束に変換する
コリメートレンズ３５とが設けられている。

【００１６】光軸調整ユニット２９には、光源ユニット
２７から出射された平行光束を照射光学系方向へ反射す
る反射ミラー３７と、この反射ミラー３７の傾斜角度を
調整する傾き調整機構３９とが設けられている。

【００１７】照射光学系は、カンチレバー２１を一体的
に保持した照射光学系保持体４１内に設けられており、
この照射光学系保持体４１を介して微動素子２５に支持
されている。このため、微動素子２５の変位に伴って照
射光学系保持体４１が変位すると、照射光学系は、カン
チレバー２１と共に同一方向へ変位するように構成され
ている。このような照射光学系には、光軸調整ユニット
２９の反射ミラー３７から反射した平行光束のうち、一
様な強度分布を有する中心付近の光束のみを通過させる
絞り４３と、この絞り４３を通過した平行光束をカンチ
レバー２１に集光させる集光レンズ４５と、この集光レ
ンズ４５から射出した光をカンチレバー２１方向へ反射
する反射ミラー４７とが設けられている。

【００１８】光検出ユニットには、カンチレバー２１か
ら反射した反射光を受光可能な４分割フォトディテクタ
（以下、４ＰＤという）４９と、カンチレバー２１から
反射した反射光を４ＰＤ４９に縮小投影させる縮小投影
レンズ５１と、４ＰＤ４９を２次元方向へ微動調整可能
な２次元ステージ５３とが設けられている。

【００１９】また、上述した上部保持体３１には、微動
素子２５とは別途独立して第１及び第２の支持体５５，
５７が取り付けられており、光源ユニット２７及び光軸
調整ユニット２９は、共に第１の支持体５５内に支持さ
れ、また、光検出ユニットは、第２の支持体５７内に支
持されている。

【００２０】また、本実施の形態において、ＬＤ３３と
コリメートレンズ３５との間の間隔は、コリメートレン
ズ３５の焦点距離ｆ₁ に一致しており、４ＰＤ４９と縮
小投影レンズ５１との間の間隔は、縮小投影レンズ５１
の焦点距離ｆ₂ に一致している。なお、試料２３は、図
中ＸＹ方向へ粗動自在に構成されたＸＹ粗動ステージ５
９上に載置されている。

【００２１】次に、本実施の形態の動作について、図１
及び図２を参照して説明する。ＬＤ３３から出射したレ
ーザー光は、コリメートレンズ３５を介して平行光束に
変換された後、反射ミラー３７によって絞り４３方向へ
反射される。

【００２２】絞り４３の開口径は、平行光束の中心付近
の光束のみを通過させるように、平行光束のビーム径よ
りも充分に小さいため、絞り４３を通過した平行光束
は、一様な強度分布を有している。なお、この状態は、
微動素子２５が図中ＹＺ軸方向へ変位した場合でも常に
維持される。

【００２３】絞り４３を通過した平行光束は、集光レン
ズ４５を介して反射ミラー４７に伝波された後、この反
射ミラー４７によってカンチレバー２１に集光する。そ
して、カンチレバー２１から反射した反射光は、縮小投
影レンズ５１によって４ＰＤ４９に縮小投影される。

【００２４】本実施の形態において、微動素子２５が図
中ＹＺ軸方向へ変位した場合でも、絞り４３を通過した
平行光束と集光レンズ４５と反射ミラー４７とカンチレ
バー２１との間の相対的な位置関係は変動しないため、
反射ミラー４７から反射した光は、常に、カンチレバー
２１の同一位置に集光されることになる。

【００２５】従って、カンチレバー２１が変位していな
い状態（即ち、カンチレバー２１に外力（相互作用力）
が付与されていない状態）において、カンチレバー２１
からの反射光が４ＰＤ４９の中心に縮小投影されるよう
に（即ち、縮小投影レンズ５１の焦点位置に４ＰＤ４９
の中心が位置付けられるように）、２次元ステージ５３
によって４ＰＤ４９の位置を調整しておくことによっ
て、カンチレバー２１の撓み量や捩れ量を４ＰＤ４９に
縮小投影されたスポット位置のずれ量として検出するこ
とが可能となる。

【００２６】但し、微動素子２５が図中Ｙ軸方向へ変位
する場合、微動素子２５は、略円弧状に変位するため、
４ＰＤ４９によって検出される撓み量や捩れ量には、微
動素子２５の傾き角度に応じた誤差が存在するが、図示
しないコンピュータ等で所定の信号処理を施すことによ
って、上記誤差を除去することが可能である。

【００２７】これに対して、微動素子２５が図中Ｘ軸方
向へ変位した場合、例えば、図２に示すように、図中実
線で示された微動素子２５が図中Ｘ軸方向へ角度θだけ
変位して図中点線で示された位置に位置付けられた場
合、微動素子２５が変位する前のカンチレバー２１（図
中実線で示す）の集光点を符号Ｐ₁ とすると、微動素子
２５が角度θだけ変位した後のカンチレバー２１（図中
点線で示す）の集光点は符号Ｐ₂ となる。この場合、集
光点Ｐ₂ は、集光点Ｐ₁ からｆ₁ ｔａｎθだけずれたこ
とになる。なお、ｆ₁ は、上述したようにコリメートレ
ンズ３５（図１参照）の焦点距離である。

【００２８】ここで、微動素子２５が変位した際に描か
れる円弧状軌跡の曲率半径を１００ｍｍ，ｆ₁ を４０ｍ
ｍ、微動素子２５の変位量を１５μｍとすると、微動素
子２５の変位角度θは８．６×１０^-3度となるため、ｆ
₁ ｔａｎθ＝６μｍとなる。

【００２９】カンチレバー２１の寸法は、約１００〜２
００μｍであるから、６μｍ程度のずれであれば、集光
点Ｐ₂ は、カンチレバー２１から外れることはない。ま
た、微動素子２５が図中Ｘ軸方向へ変位した場合でも、
カンチレバー２１からの反射光の反射角度は常に一定と
なる。例えば、微動素子２５が変位していない状態（図
中実線で示す）において、反射ミラー４７が水平線Ｈに
対して４５°傾斜し且つカンチレバー２１が水平線Ｈに
対して角度αだけ傾斜して配置されているものとする。
この状態において、カンチレバー２１に外力が作用して
いなければ、照射光学系保持体４１の集光レンズ４５に
水平線Ｈに沿って入射した平行光束は、カンチレバー２
１に集光された後、反射角度２αを成して、光検出ユニ
ット方向へ反射されることになる。なお、このときカン
チレバー２１からの反射光を仮に変位前反射光Ｒ₁ と称
する。

【００３０】一方、微動素子２５が図中Ｘ軸方向へ角度
θだけ変位した際、カンチレバー２１から反射した反射
光（この反射光を仮に変位後反射光Ｒ₂ と称する）は、
変位前反射光Ｒ₁ に対して平行移動するだけである。従
って、４ＰＤ４９の中心を縮小投影レンズ５１の焦点位
置に位置付けておけば、変位前反射光Ｒ₁ と同様に変位
後反射光Ｒ₂ も４ＰＤ４９の中心に縮小投影されること
になる。そして、カンチレバー２１に外力が作用して、
カンチレバー２１が撓んだり捩じれたりした場合には、
上述した通り、その撓み量や捩れ量は、４ＰＤ４９に縮
小投影されたスポット位置のずれ量として検出すること
ができる。なお、微動素子２５が図中Ｘ軸方向へ変位し
た場合には、撓み量や捩れ量の検出値に誤差は生じな
い。

【００３１】このように本実施の形態によれば、微動素
子２５を図中ＸＹＺ方向へ変位させてカンチレバー２１
を試料２３に対して走査させた際に生じるカンチレバー
２１の撓み量や捩れ量を高精度に検出することが可能と
なる。

【００３２】また、本実施の形態において、光源ユニッ
ト２７と光軸調整ユニット２９と光検出ユニットは、微
動素子２５とは別途独立して設けられており、微動素子
２５によってカンチレバー２１を図中ＸＹＺ軸方向へ走
査させても、光軸調整ユニット２９を介して光源ユニッ
ト２７からの平行光束の光軸を所定角度に角度調整する
ことによって、平行光束を常にカンチレバー２１の同一
位置に集光させることができる。このため、例えば、カ
ンチレバー２１を交換した際に位置ずれが生じた場合、
或いは、長さやバネ定数や共振周波数が異なる一対のカ
ンチレバー２１が設けられているときに、これらカンチ
レバーを使用目的に応じて適宜選択する場合において、
カンチレバー２１に対する平行光束の集光点の位置を変
更する際には、光軸調整ユニット２９によって平行光束
の光軸を所望の傾斜角度に調整するだけで平行光束をカ
ンチレバー２１の所望の集光点に常に集光させることが
可能となる。

【００３３】更に、本実施の形態によれば、カンチレバ
ー２１には、一様な強度分布を有する光束のみを集光さ
れるため、カンチレバー２１から光検出ユニットへ一様
な強度分布を有する反射光を反射させることができる。
この結果、常に一定の光量の反射光が４ＰＤ４９に縮小
投影されるため、カンチレバー２１の変位の検出感度を
一定レベルに維持させることが可能となる。

【００３４】次に、本発明の第２の実施の形態に係る走
査型プローブ顕微鏡について、図３を参照して説明す
る。なお、本実施の形態の説明に際し、上述した第１の
実施の形態と同一の構成には、同一符号を付して、その
説明を省略する。

【００３５】図３に示すように、本実施の形態の走査型
プローブ顕微鏡には、光源ユニット２７自身を所望の傾
斜角度に調整することによって、光源ユニット２７から
出射される平行光束の光軸を所望の傾斜角度に調整可能
な傾き調整機構３９ａが設けられている。

【００３６】具体的には、本実施の形態に適用された光
源ユニット２７は、第１の支持体５５ａによって上部支
持体３１の上方に設けられ、この第１の支持体５５ａと
上部支持体３１との間に傾き調整機構３９ａが配置され
ている。また、上部支持体３１の下方には、光源ユニッ
ト２７からの平行光束を照射光学系方向へ反射させる反
射ミラー３７ａが配置されており、この反射ミラー３７
ａは、光源ユニット２７からの平行光束用の光路が形成
されたミラー支持体６１によって上部支持体３１に支持
されている。

【００３７】また、本実施の形態に適用された照射光学
系保持体４１には、反射ミラー３７ａから反射された平
行光束の進行方向に沿って順に絞り４３，反射ミラー４
７，集光レンズ４５が配列されている。

【００３８】このような構成によれば、光源ユニット２
７からの平行光束の光軸調整は、傾き調整機構３９ａに
よって第１の支持体５５ａを所望の傾斜角度に調整する
ことによって行われており、その他の動作は、上記第１
の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。

【００３９】本実施の形態によれば、第１の実施の形態
に比べて、集光レンズ４５とカンチレバー２１との間の
距離が接近しているため、集光レンズ４５の焦点位置を
短くすることができる。この結果、カンチレバー２１に
集光する平行光束のスポット径を小さくすることができ
るため、幅狭のカンチレバー２１を用いた場合でも、そ
の幅寸法に対応して常にカンチレバー２１に平行光束を
確実に集光させることが可能になると共に、集光点の位
置ずれを小さくすることが可能になる。このため、カン
チレバー２１を通過漏洩して試料２３に到達する光の量
を大幅に減少させることができるだけでなく、走査範囲
をより大きくとることが可能となる。なお、他の効果
は、第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省
略する。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーに照射す
るレーザー光の照射位置を調整することによって、カン
チレバーの変位を高精度に検出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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の構成を概略的に示す部分断面図。

【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡の動作状態を
示す図。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る走査型プロー
ブ顕微鏡の構成を概略的に示す部分断面図。

【図４】従来の走査型プローブ顕微鏡の主要な構成を示
す部分断面図。

【符号の説明】

２１…カンチレバー、２３…試料、２５…微動素子、２
７…光源ユニット、２９…光軸調整ユニット、３７…反
射ミラー、４３…絞り、Ａ…光軸。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバーを試料に対して所定方向に
走査する微動素子と、この微動素子とは別途独立して
設けられ、所定の平行光束を出射可能な光源ユニット
と、前記微動素子とは別途独立して設けられ、前記光源ユニ
ットから出射された平行光束の光軸を所望の傾斜角度に
調整可能な光軸調整ユニットと、前記微動素子に支持されており、前記光軸調整ユニット
を介して伝波した平行光束を常に前記カンチレバーの同
一位置に集光させる照射光学系と、前記微動素子とは別途独立して設けられ、前記カンチレ
バーの変位が光学的に検出されるように、前記カンチレ
バーから反射した反射光を受光可能な光検出ユニットと
を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記照射光学系には、前記光軸調整ユニ
ットを介して伝波した平行光束のうち、一様な強度分布
を有する中心付近の光束のみを通過可能な絞り手段が設
けられ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。
【請求項３】前記光軸調整ユニットには、光源ユニッ
トから出射した平行光束を前記照射光学系方向へ反射す
る反射ミラーと、前記平行光束の光軸を所望の傾斜角度
に調整するように、前記反射ミラー又は前記光源ユニッ
トの傾斜角度を任意の角度に調整可能な傾き調整機構と
が設けられ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。