JPH10104245A - Minute displacement measuring device - Google Patents

Minute displacement measuring device

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Publication number
JPH10104245A
JPH10104245A JP8255679A JP25567996A JPH10104245A JP H10104245 A JPH10104245 A JP H10104245A JP 8255679 A JP8255679 A JP 8255679A JP 25567996 A JP25567996 A JP 25567996A JP H10104245 A JPH10104245 A JP H10104245A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser beam
cantilever
scanning
measuring device
displacement measuring
Prior art date
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Pending
Application number
JP8255679A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiko Okiguchi
圭子 沖口
Hisao Osawa
日佐雄 大澤
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.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP8255679A priority Critical patent/JPH10104245A/en
Publication of JPH10104245A publication Critical patent/JPH10104245A/en
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a minute displacement measuring device which can automatically adjust laser alignment of a cantilever displacement detection means of optical lever type. SOLUTION: This device 1 (atomic force microscope) has a cantilever 7 having a probe 9 which probes a surface of a sample 11 and a displacement detection means of optical lever type which detects displacement of the cantilever 7. This optical lever type displacement detection means is provided with a laser beam scanning means (acoustic to optical modulator 24) which scans a laser beam 23. A position where incident laser beam 31 hits on the cantilever 7 is adjusted so that the intensity of reflected light detected by a photodetector 35 becomes the maximum intensity.

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、試料表面の情報を
高い分解能で測定することのできる走査型プローブ顕微
鏡等に用いる微小変位測定装置に関するものである。特
には、光テコ式のカンチレバー変位検出手段を有し、該
手段の入射レーザー光のアライメントを自動的に調節で
きるように改良を加えた微小変位測定装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro-displacement measuring apparatus used in a scanning probe microscope capable of measuring information on a sample surface with high resolution. In particular, the present invention relates to a micro-displacement measuring apparatus having an optical lever-type cantilever displacement detecting means and improved so that the alignment of incident laser light of the means can be automatically adjusted.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡の1つに原子間力
顕微鏡(AFM)がある。これは微細加工によって作ら
れたカンチレバーを試料に接触(又は近接)させ、カン
チレバーの先端につけられた探針と試料間に働く原子間
力によるカンチレバーのたわみを検出することにより、
試料表面の性状を測定するものである。カンチレバーの
たわみを測定する手段としては、光テコ法、光干渉計、
ピエゾ抵抗等があげられるが、最も簡便な手段である光
テコ法が最も多く用いられている。
2. Description of the Related Art One of the scanning probe microscopes is an atomic force microscope (AFM). This is by contacting (or approaching) the cantilever made by microfabrication with the sample, and detecting the deflection of the cantilever due to the atomic force acting between the probe attached to the tip of the cantilever and the sample,
It measures the properties of the sample surface. Means for measuring the deflection of the cantilever include an optical lever method, an optical interferometer,
Piezoresistance and the like can be mentioned, but the optical lever method, which is the simplest means, is most often used.

【0003】従来のAFMの装置の典型的な構成例を説
明する。図5は、従来の典型的なAFMの全体構成を示
す模式図である。この図のAFM201は、試料211
を載せる試料台212を有する。試料台212は、その
下に存在するXYZスキャナ(サンプルスキャナ)21
3に支持されており、X、Y、Z方向に走査される。な
お、本明細書中においては、カンチレバー207の曲げ
変位方向(通常地球鉛直方向)をZ方向といい、Z方向
に垂直な方向をX−Y方向という。スキャナ213は、
通常は、ピエゾアクチュエータ式である。スキャナ21
3は、台215上に固定されている。
A typical configuration example of a conventional AFM device will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing the entire configuration of a conventional typical AFM. The AFM 201 shown in FIG.
Is mounted on the sample table 212. The sample stage 212 is provided with an XYZ scanner (sample scanner) 21 existing thereunder.
3 and is scanned in the X, Y, and Z directions. In this specification, the bending displacement direction of the cantilever 207 (usually the vertical direction of the earth) is called a Z direction, and a direction perpendicular to the Z direction is called an XY direction. The scanner 213 is
Usually, it is a piezo actuator type. Scanner 21
3 is fixed on a table 215.

【0004】試料211の表面には、カンチレバー20
7先端の探針209が当てられている。カンチレバー2
07は、剛性の高いアーム205を介して支柱203に
保持されている。支柱203と台215とは強固に連結
されている。カンチレバー207の先端部下面には、探
針209が下方に突出するように形成されている。
A cantilever 20 is placed on the surface of a sample 211.
A probe 209 having seven tips is applied. Cantilever 2
Reference numeral 07 is held on the column 203 via a highly rigid arm 205. The column 203 and the base 215 are firmly connected. A probe 209 is formed on the lower surface of the distal end portion of the cantilever 207 so as to protrude downward.

【0005】カンチレバー207上面には、試料台21
2の上方に設置されているレーザー発振器221からレ
ーザー光(入射光231)が当てられている。この入射
光231は、カンチレバー207上面で反射して(反射
光233)、試料台212の斜め上方に設置されている
フォトディテクタ(PD)235に当る。このPD23
5は上下(AB)2分割型であり(光センサが上下に2
分割されている)、入射光233の入射位置を検出する
ことができる。例えば、入射光233が上に当たると、
上側(A)のセンサの光量の方が下側(B)のセンサの
光量よりも多くなる。入射光233が下に当たると逆と
なる。
[0005] On the upper surface of the cantilever 207, a sample table 21 is provided.
Laser light (incident light 231) is applied from a laser oscillator 221 installed above the light source 2. The incident light 231 is reflected on the upper surface of the cantilever 207 (reflected light 233), and impinges on a photodetector (PD) 235 installed diagonally above the sample table 212. This PD23
5 is a vertical (AB) two-segment type (the optical sensor is
Divided), the incident position of the incident light 233 can be detected. For example, when the incident light 233 hits above,
The light amount of the upper (A) sensor is larger than that of the lower (B) sensor. The opposite occurs when the incident light 233 strikes below.

【0006】PD235の信号は、Zフィードバック回
路251に送られる。Zフィードバック回路251の信
号はXYZスキャナドライバー253及び表示部255
に送られる。制御部257は、XYZスキャナドライバ
ー及び表示部255をコントロールする。
[0006] The signal of the PD 235 is sent to the Z feedback circuit 251. The signal of the Z feedback circuit 251 is transmitted to the XYZ scanner driver 253 and the display unit 255.
Sent to The control unit 257 controls the XYZ scanner driver and the display unit 255.

【0007】図5のAFMの動作について説明する。最
初2分割PD235の和信号(A+B)が最大になるよ
うにレーザー入射光231の位置を調節し、次に差信号
(A−B)が最小になるようにPD235の位置を調整
する。これらの調整が終わった後にカンチレバー207
を試料に接触させ、サンプルスキャンの場合は試料21
1をカンチレバー207に対して走査する。このとき2
分割PD235の差信号をモニタすることによって、試
料211表面の形状を表示部255で画像化することが
できる。また、PD235の差信号が一定になるよう
に、すなわちカンチレバー207と試料211間に働く
力が一定になるようにフィードバックをかけながら(コ
ンスタントフォースモード)、試料表面の形状を画像化
することも可能である。
The operation of the AFM shown in FIG. 5 will be described. First, the position of the laser incident light 231 is adjusted so that the sum signal (A + B) of the two-divided PD 235 is maximized, and then the position of the PD 235 is adjusted so that the difference signal (A−B) is minimized. After these adjustments are completed, the cantilever 207
Is brought into contact with the sample, and in the case of a sample scan, the sample 21
1 is scanned with respect to the cantilever 207. At this time 2
By monitoring the difference signal of the divided PD 235, the shape of the surface of the sample 211 can be imaged on the display unit 255. It is also possible to image the shape of the sample surface while applying feedback so that the difference signal of the PD 235 is constant, that is, the force acting between the cantilever 207 and the sample 211 is constant (constant force mode). It is.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】従来の光テコ法では、
光学的なアライメントをとるために、入射光及びディテ
クタの位置を調整する必要があり、様々なドリフト等に
よりスキャン中にアライメント位置が狂ってしまうこと
が多々あった。アライメントの位置がずれると、スキャ
ン中であってもカンチレバーがサンプルから離れてしま
ったり、取られた像に歪みが生じたりといった問題が発
生する。
In the conventional optical lever method,
In order to achieve optical alignment, it is necessary to adjust the positions of the incident light and the detector, and the alignment position is often misaligned during scanning due to various drifts and the like. If the alignment position is displaced, there arise problems such as the cantilever moving away from the sample even during scanning, and distortion of the taken image.

【0009】また、レーザー光、カンチレバー、PDが
一定の位置関係になる必要があり、このため試料に対し
カンチレバーを相対的にスキャンさせるためには、光学
系全体を動かすか試料を動かす必要があり、装置構成が
大型になるという欠点があった。
In addition, the laser beam, the cantilever, and the PD need to have a fixed positional relationship. Therefore, in order to scan the cantilever relative to the sample, it is necessary to move the entire optical system or move the sample. However, there is a disadvantage that the device configuration becomes large.

【0010】本発明は、光テコ式カンチレバー変位検出
手段のレーザーアライメントを自動的に調節できるよう
改善された微小変位測定装置を提供することを目的とす
る。さらには、高周波数走査に適した微小変位測定装置
を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an improved minute displacement measuring device capable of automatically adjusting the laser alignment of an optical lever type cantilever displacement detecting means. Still another object of the present invention is to provide a small displacement measuring device suitable for high frequency scanning.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の微小変位測定装置は、試料表面を探触する
探針を有するカンチレバーと、このカンチレバーの変位
を検出する光テコ式の変位検出手段と、試料及び/又は
カンチレバーを走査する基本走査手段と、変位検出手段
及び走査手段の制御部と、を含む微小変位測定装置であ
って; 上記光テコ式変位検出手段が、レーザービーム
を上記カンチレバー表面に当てるレーザービーム射出手
段と、 カンチレバー表面から反射してくるレーザービ
ームを受光して該レーザービームの強度を検出する反射
光強度検出手段とを備え、 該光テコ式変位検出手段
が、さらに、上記レーザービームを走査するレーザービ
ーム走査手段を具備することを特徴とする。すなわち、
レーザービームを走査する手段を有するため、測定中に
レーザービームアライメントを調節することができる。
また、カンチレバーを追跡しながらレーザービームを当
てることができるので、光合系全体を動かす必要はな
く、小形かつ高周波走査にも適した微小変位測定装置が
得られる。
In order to solve the above-mentioned problems, a minute displacement measuring apparatus according to the present invention comprises a cantilever having a probe for probing a sample surface, and an optical lever-type displacement detecting the displacement of the cantilever. A micro-displacement measuring device including: a detecting unit; a basic scanning unit that scans a sample and / or a cantilever; and a control unit of the displacement detecting unit and the scanning unit. The optical lever-type displacement detecting unit outputs a laser beam. A laser beam emitting unit that irradiates the cantilever surface; and a reflected light intensity detecting unit that receives a laser beam reflected from the cantilever surface and detects the intensity of the laser beam. Further, it is characterized by comprising a laser beam scanning means for scanning the laser beam. That is,
Because of the means for scanning the laser beam, the laser beam alignment can be adjusted during the measurement.
Further, since the laser beam can be applied while tracking the cantilever, there is no need to move the entire optical coupling, and a small displacement measuring device suitable for high-frequency scanning can be obtained.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明の微小変位測定装置におい
ては、上記制御部が、上記レーザービーム走査手段をコ
ントロールし、 上記反射光強度検出手段で検出する反
射光の強度が最大となるように、入射レーザービームが
カンチレバーに当たる位置の調節を行うことが好まし
い。これにより、レーザーのアライメントずれによる画
像の歪みや、スキャン中にカンチレバーが試料から離れ
るといった問題点を解消できる。
In the minute displacement measuring apparatus according to the present invention, the control section controls the laser beam scanning means so that the intensity of reflected light detected by the reflected light intensity detecting means becomes maximum. It is preferable to adjust the position where the incident laser beam hits the cantilever. As a result, problems such as image distortion due to laser misalignment and cantilever separation from the sample during scanning can be solved.

【0013】本発明の微小変位測定装置においては、上
記基本走査手段が、カンチレバーをX−Y方向及びZ方
向で走査するとともに、上記レーザービーム走査手段が
レーザービームをX−Y方向で走査することが好まし
い。すなわち、カンチレバースキャンとし、かつカンチ
レバー変位検出手段のレーザービームをX−Y方向で走
査し、カンチレバーを追跡しながらレーザービームを当
てることができるようにするのである。したがって、光
合系全体を動かすことはなく、小形かつ高周波走査にも
適した微小変位測定装置が得られる。
In the minute displacement measuring device according to the present invention, the basic scanning means scans the cantilever in XY directions and Z directions, and the laser beam scanning means scans a laser beam in XY directions. Is preferred. That is, a cantilever scan is performed, and the laser beam of the cantilever displacement detecting means is scanned in the X-Y directions so that the laser beam can be applied while tracking the cantilever. Accordingly, a small displacement measuring device suitable for high-frequency scanning can be obtained without moving the entire optical coupling.

【0014】本発明の微小変位測定装置においては、上
記レーザービーム走査手段が音響光学変調器(AOM)
を備えることが好ましい。AOMは、レーザー顕微鏡等
でも使用されており、レーザービームをX−Y方向で高
速精密スキャンするのに適している。
In the minute displacement measuring device according to the present invention, the laser beam scanning means is an acousto-optic modulator (AOM).
It is preferable to provide AOM is also used in laser microscopes and the like, and is suitable for high-speed precision scanning of a laser beam in the XY directions.

【0015】本発明の微小変位測定装置においては、上
記反射光強度検出手段が分割型フォトディテクタであ
り、反射光の強度を該フォトディテクタの和信号として
検出することが好ましい。また、この分割を4分割とす
ることが好ましい。カンチレバーの曲げ変位の他にねじ
れ変位(倒れ)をも検出できるからである。
In the minute displacement measuring device according to the present invention, it is preferable that the reflected light intensity detecting means is a split photodetector, and that the intensity of the reflected light is detected as a sum signal of the photodetector. It is preferable that this division be divided into four. This is because, in addition to the bending displacement of the cantilever, a torsional displacement (falling) can be detected.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図1は、
本発明の第1実施例(サンプルスキャン型)に係るAF
Mの全体構成を模式的に示す図である。この図のAFM
1は、試料11を載せる試料台12を有する。試料台1
2は、その下に存在するXYZスキャナ(基本走査手
段)13に支持されており、X、Y、Z方向に走査され
る。なお、本明細書中においては、カンチレバー7の曲
げ変位方向(通常地球鉛直方向)をZ方向といい、Z方
向に垂直な方向をX−Y方向という。スキャナ13は、
通常は、ピエゾアクチュエータ式であり、nmオーダーの
微細な位置決め精度で約100μm に渡る走査を行うこ
とができる。スキャナ13は、台15上に固定されてい
る。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG.
AF according to the first embodiment (sample scan type) of the present invention
It is a figure which shows the whole structure of M typically. AFM in this figure
1 has a sample stage 12 on which a sample 11 is placed. Sample table 1
Numeral 2 is supported by an XYZ scanner (basic scanning means) 13 located below, and is scanned in the X, Y, and Z directions. In this specification, the bending displacement direction of the cantilever 7 (usually the vertical direction of the earth) is referred to as a Z direction, and a direction perpendicular to the Z direction is referred to as an XY direction. The scanner 13 is
Usually, it is a piezo-actuator type, and can perform scanning over about 100 μm with fine positioning accuracy on the order of nm. The scanner 13 is fixed on a table 15.

【0017】試料11の表面には、カンチレバー7先端
の探針9が当てられている。カンチレバー7は、剛性の
高いアーム5を介して支柱3に保持されている。支柱3
と台15とは強固に連結されている。図3は、図1のA
FMのカンチレバーを拡大して示す斜視図である。三角
形の薄い板であるカンチレバー7の根元部(アーム5と
の接続部)には、抜き穴7bが形成されている。カンチ
レバー7の先端部下面には、探針9が下方に突出するよ
うに形成されている。カンチレバー7の上面の先端寄り
には、光の反射率を高くするコーティング7aが形成さ
れている。このコーティングは、カンチレバーの他の部
分からの反射光を区別するためのものである。このカン
チレバーは、一般的には、半導体素子の製造に用いられ
る微細加工技術により製作される。
A probe 9 at the tip of the cantilever 7 is applied to the surface of the sample 11. The cantilever 7 is held on the column 3 via a highly rigid arm 5. Post 3
And the base 15 are firmly connected. FIG.
It is a perspective view which expands and shows the cantilever of FM. A cutout hole 7b is formed at the base of the cantilever 7, which is a triangular thin plate (the connection with the arm 5). A probe 9 is formed on the lower surface of the tip of the cantilever 7 so as to protrude downward. Near the top of the upper surface of the cantilever 7, a coating 7a for increasing the light reflectance is formed. This coating is to distinguish light reflected from other parts of the cantilever. This cantilever is generally manufactured by a fine processing technique used for manufacturing a semiconductor element.

【0018】カンチレバー7の上面(反射コーティング
部)には、試料台12の上方に設置されているレーザー
発振器(レーザービーム射出手段)21からのレーザー
ビーム23(入射光31)が当たっている。ただし、図
5の従来のAFMと異なり、レーザー発振器21とカン
チレバー7との間には、レーザービーム走査手段24で
あるX方向AOM25とY方向AOM27とが設置され
ている。この両AOM25、27によってレーザービー
ム23がX−Y方向に偏向され、任意の位置に向けて走
査される。
A laser beam 23 (incident light 31) from a laser oscillator (laser beam emitting means) 21 provided above the sample table 12 hits the upper surface (reflection coating portion) of the cantilever 7. However, unlike the conventional AFM shown in FIG. 5, between the laser oscillator 21 and the cantilever 7, an X-direction AOM 25 and a Y-direction AOM 27, which are laser beam scanning means 24, are provided. The laser beam 23 is deflected in the X and Y directions by the two AOMs 25 and 27, and is scanned toward an arbitrary position.

【0019】カンチレバー7上面の反射コーティング部
に当たった入射光31は、カンチレバー7上面で反射し
て(反射光33)、試料台12の斜め上方に設置されて
いるフォトディテクタ(PD)35に入射する。
The incident light 31 hitting the reflective coating on the upper surface of the cantilever 7 is reflected on the upper surface of the cantilever 7 (reflected light 33) and is incident on a photodetector (PD) 35 installed diagonally above the sample stage 12. .

【0020】図4は、図1のAFMのPDの分割構成を
示す図である。この図に示すように、PD35は、上下
左右に4分割されている。すなわち、上左のAブロッ
ク、上右のBブロック、下左のCブロック、及び下右の
Dブロックに4分割されている。各ブロックの信号をI
A 、IB 、IC 、ID とすると、後述する演算回路37
等において以下の信号処理がなされる。すなわち、IA
+IB +IC +ID は和信号となる。差信号1は、IA
+IB−(IC +ID )であり、カンチレバー7からの
反射光33が上下いずれにズレているかを示す。差信号
2は、IA +IC −(IB +ID )であり、カンチレバ
ー7からの反射光33が左右のいずれにズレているかを
示す。なお、差信号1は処理された後に、後述する表示
部において表面形状(トポグラフィー)として画像表示
される。
FIG. 4 is a diagram showing a divided structure of the PD of the AFM in FIG. As shown in this figure, the PD 35 is divided into four parts, up, down, left, and right. That is, it is divided into four blocks: an upper left A block, an upper right B block, a lower left C block, and a lower right D block. The signal of each block is
A , I B , I C , and I D, and an arithmetic circuit 37 described later
Etc., the following signal processing is performed. That is, I A
+ I B + I C + I D is the sum signal. The difference signal 1 is I A
+ I B - a (I C + I D), indicating the reflected light 33 from the cantilever 7 is displaced above or below. The difference signal 2, I A + I C - a (I B + I D), indicating the reflected light 33 from the cantilever 7 are shifted in any of the right and left. After the difference signal 1 is processed, the image is displayed as a surface shape (topography) on a display unit described later.

【0021】再び図1に戻って説明する。PD35の信
号は演算回路37に送られ、同回路37は上述の和信号
及び差信号を演算する。このうち和信号は、ピーク検出
回路39に送られ、レーザーフィードバック回路41を
通ってAOMドライバー43に送られる。差信号は、Z
フィードバック回路51においてスキャナのZ軸の上げ
下げに対応する信号に変換され、XYZスキャナドライ
バー53及び表示部55に送られる。XYZスキャナド
ライバー57及び表示部55は制御部57にコントロー
ルされる。
Returning to FIG. 1, the description will be continued. The signal of the PD 35 is sent to an arithmetic circuit 37, which calculates the above-described sum signal and difference signal. The sum signal is sent to the peak detection circuit 39 and sent to the AOM driver 43 through the laser feedback circuit 41. The difference signal is Z
The signal is converted into a signal corresponding to the raising and lowering of the Z-axis of the scanner in the feedback circuit 51 and sent to the XYZ scanner driver 53 and the display unit 55. The XYZ scanner driver 57 and the display unit 55 are controlled by the control unit 57.

【0022】図1の実施例のAFMの動作を説明する。
まず、PDの和信号(A+B+C+D)が最大に、差信
号((A+B)−(C+D))が最小になるように、P
D35の位置を調節する。この調整が終了したら、カン
チレバー7を試料表面に接触させ、スキャナ13を駆動
させて測定を開始する。それと同時に、AOMドライバ
ー43を使って、レーザー光をX及びY方向にスキャン
させる。レーザー光のスキャン速度は測定のスキャン速
度より速くなければならず、4分割PDの和信号(A+
B+C+D)が最大になるように、X及びYのAOMド
ライバー43にフィードバックをかける。また、差信号
((A+B)−(C+D))をZフィードバック回路に
通すことによって、試料表面の形状を測定する(コンス
タントフォースモード)ことができる。入射レーザー光
をスキャンさせると、4分割PDの和信号にレーザー光
の周期と同じ周期でピークが現れる。このピークのとき
の差信号のみをフィードバック及び画像作成に使用す
る。また、この際、ロックインアンプ等を用いて同期検
出をしてもよい。さらに、4分割PDの差信号((A+
C)−(B+D))を検出、画像化することにより、試
料のLFM(Lateral Force Microscope)像を測定する
ことが可能である。
The operation of the AFM according to the embodiment shown in FIG. 1 will be described.
First, P is adjusted so that the sum signal (A + B + C + D) of the PD is maximized and the difference signal ((A + B)-(C + D)) is minimized.
Adjust the position of D35. When this adjustment is completed, the cantilever 7 is brought into contact with the sample surface, and the scanner 13 is driven to start measurement. At the same time, the laser beam is scanned in the X and Y directions using the AOM driver 43. The scanning speed of the laser beam must be faster than the scanning speed of the measurement, and the sum signal (A +
Feedback is applied to the X and Y AOM drivers 43 so that (B + C + D) is maximized. Further, by passing the difference signal ((A + B)-(C + D)) through a Z feedback circuit, the shape of the sample surface can be measured (constant force mode). When the incident laser light is scanned, a peak appears in the sum signal of the four-divided PD at the same cycle as the cycle of the laser light. Only the difference signal at the time of this peak is used for feedback and image creation. At this time, synchronization detection may be performed using a lock-in amplifier or the like. Further, the difference signal ((A +
By detecting and imaging (C)-(B + D)), an LFM (Lateral Force Microscope) image of the sample can be measured.

【0023】図2は、本発明の第2実施例(カンチレバ
ースキャン式)に係るAFMの全体構成を模式的に示す
図である。図2と図1において、下2桁が同じ符号(例
えば121と21)は、以下に特記するものを除いて同
じ名称のものである。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall configuration of an AFM according to a second embodiment (cantilever scan type) of the present invention. In FIGS. 2 and 1, reference numerals having the same last two digits (for example, 121 and 21) have the same names except for those specially described below.

【0024】図2のAFMが図1のAFMと異なる点
は、カンチレバー107をX、Y、Z方向にスキャンし
ている(レバースキャン)ことである。すなわち、支柱
103の上端に、台115の方向に突出する突出部10
3aを設け、この突出部103aの下面にスキャナ10
4を垂下させている。そして、スキャナ104の下端
に、アーム105を介してカンチレバー107を接続し
ている。カンチレバー変位検出手段用のレーザービーム
131も、図1の実施例の場合と同様にX−Y方向にス
キャンして、カンチレバー107のスキャンを追跡す
る。この際、制御部157からコントロール信号がAO
Mドライバー143に送られる。
The AFM in FIG. 2 differs from the AFM in FIG. 1 in that the cantilever 107 is scanned in the X, Y, and Z directions (lever scan). That is, the projecting portion 10 projecting in the direction of
3a is provided, and the scanner 10
4 is hanging. A cantilever 107 is connected to a lower end of the scanner 104 via an arm 105. The laser beam 131 for the cantilever displacement detecting means also scans in the X-Y direction in the same manner as in the embodiment of FIG. At this time, the control signal from the control unit 157 is AO
It is sent to the M driver 143.

【0025】このレバースキャンの場合、図1のサンプ
ルスキャンよりも、スキャンする構造物の重量が大きく
低下する。したがって、スキャンの共振周波数も数kHz
以上とすることができ、スキャン周波数(スピード)を
高くして単位時間当りの観察面積を広くすることができ
る。
In the case of this lever scan, the weight of the structure to be scanned is greatly reduced as compared with the sample scan of FIG. Therefore, the resonance frequency of the scan is also several kHz.
Thus, the scanning frequency (speed) can be increased to increase the observation area per unit time.

【0026】レバースキャンを行なうため、AOMはカ
ンチレバーの動きに同期した低速スキャナと、その付近
だけをスキャンする高速スキャナを組み合わせる。ある
いは、AOMドライバーに低速スキャン信号と高速スキ
ャン信号を加え合わせた信号を加えることで低速、高速
スキャナを単一のAOMで構成することもできる。また
この時、レーザー、カンチレバー、PDの位置関係が変
化することから、PDからの信号にはカンチレバーの試
料面上での位置に比例したオフセットがのってしまう
が、これはレバーのXY値から確定できる後段の演算回
路で処理してからZフィードバック回路に通せばよい。
この場合、PDの受光部から光がはずれないようにする
ためには、(カンチレバー〜PD間距離)/(AOM〜
カンチレバー間距離)×(カンチレバースキャン範囲)
よりも十分大きな受光面積をもったPDを用いればよ
い。
To perform the lever scan, the AOM combines a low-speed scanner synchronized with the movement of the cantilever and a high-speed scanner that scans only the vicinity thereof. Alternatively, a low-speed and high-speed scanner can be constituted by a single AOM by adding a signal obtained by adding a low-speed scan signal and a high-speed scan signal to the AOM driver. At this time, since the positional relationship between the laser, the cantilever, and the PD changes, the signal from the PD has an offset proportional to the position of the cantilever on the sample surface. The signal may be processed by an arithmetic circuit at a later stage that can be determined and then passed through a Z feedback circuit.
In this case, in order to prevent light from deviating from the light receiving section of the PD, (distance between cantilever and PD) / (AOM ~
Cantilever distance) x (cantilever scan range)
It is sufficient to use a PD having a light receiving area that is sufficiently larger than that.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
により、レーザー光のアライメントを気にしなくても微
小変位測定を行えるようになる。また、レバースキャン
やAOMによるレーザービームスキャンを行った場合に
は、10数MHz 程度の高速でスキャンすることが可能で
あるので、高速スキャンが可能となる。
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to measure a minute displacement without worrying about the alignment of laser light. Further, when laser beam scanning is performed by lever scanning or AOM, high-speed scanning is possible because it is possible to perform scanning at a high speed of about several tens of MHz.

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

【図1】本発明の第1実施例(サンプルスキャン型)に
係るAFMの全体構成を模式的に示す図である。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an overall configuration of an AFM according to a first embodiment (sample scan type) of the present invention.

【図2】本発明の第2実施例(カンチレバースキャン
式)に係るAFMの全体構成を模式的に示す図である。
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an overall configuration of an AFM according to a second embodiment (cantilever scan type) of the present invention.

【図3】図1のAFMのカンチレバーを拡大して示す斜
視図である。
FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a cantilever of the AFM of FIG. 1;

【図4】図1のAFMのPDの分割構成を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a divided configuration of a PD of the AFM of FIG. 1;

【図5】従来の典型的なAFMの全体構成を示す模式図
である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the entire configuration of a conventional typical AFM.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 原子間力顕微鏡(AFM、微小変位測定装置) 3 コラム 5 アーム 7 カンチレバー 7a 反射コーティ
ング部 7b 抜き穴 9 探針 11 試料 12 試料台 13 XYZスキャナ(基本走査手段) 15 ベース 21 レーザー発振器(レーザービーム射出手段) 23 レーザービーム 24 音響光学変調器期(AOM、レーザービーム走査
手段) 25 X方向AOM 27 Y方向AOM 31 入射光 33 反射光 35 4分割フォトディテクタ(反射光強度検出手段) 37 演算回路 39 ピーク検出回
路 41 レーザーフィードバック回路 43 AOMドライバー 51 Zフィードバ
ック回路 53 XYZスキャナドライバー 55 表示部 57 制御部 103a 突出部 104 XYZスキ
ャナ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Atomic force microscope (AFM, micro displacement measuring device) 3 Column 5 Arm 7 Cantilever 7a Reflective coating part 7b Drilled hole 9 Probe 11 Sample 12 Sample table 13 XYZ scanner (basic scanning means) 15 Base 21 Laser oscillator (laser beam) Emission means) 23 Laser beam 24 Acousto-optic modulator period (AOM, laser beam scanning means) 25 X direction AOM 27 Y direction AOM 31 Incident light 33 Reflected light 35 Quadrant photodetector (Reflected light intensity detecting means) 37 Arithmetic circuit 39 Peak Detection circuit 41 Laser feedback circuit 43 AOM driver 51 Z feedback circuit 53 XYZ scanner driver 55 Display unit 57 Control unit 103 a Projection unit 104 XYZ scanner

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料表面を探触する探針を有するカンチ
レバーと、このカンチレバーの変位を検出する光テコ式
の変位検出手段と、試料及び/又はカンチレバーを走査
する基本走査手段と、変位検出手段及び走査手段の制御
部と、を含む微小変位測定装置であって;上記光テコ式
変位検出手段が、レーザービームを上記カンチレバー表
面に当てるレーザービーム射出手段と、 カンチレバー表面から反射してくるレーザービームを受
光して該レーザービームの強度を検出する反射光強度検
出手段とを備え、 該光テコ式変位検出手段が、さらに、上記レーザービー
ムを走査するレーザービーム走査手段を具備することを
特徴とする微小変位測定装置。
1. A cantilever having a probe for probing a sample surface, an optical lever-type displacement detecting means for detecting a displacement of the cantilever, a basic scanning means for scanning a sample and / or a cantilever, and a displacement detecting means And a control unit of a scanning unit, wherein the optical lever type displacement detecting unit applies a laser beam to the surface of the cantilever, and a laser beam reflected from the surface of the cantilever. And reflected light intensity detecting means for detecting the intensity of the laser beam by receiving the laser beam. The optical lever type displacement detecting means further comprises laser beam scanning means for scanning the laser beam. Micro displacement measuring device.
【請求項2】 上記制御部が上記レーザービーム走査手
段をコントロールし、 上記反射光強度検出手段で検出する反射光の強度が最大
となるように、入射レーザービームがカンチレバーに当
たる位置の調節を行うことを特徴とする請求項1記載の
微小変位測定装置。
2. The control section controls the laser beam scanning means, and adjusts the position at which the incident laser beam hits the cantilever so that the intensity of the reflected light detected by the reflected light intensity detection means is maximized. The minute displacement measuring device according to claim 1, wherein:
【請求項3】 上記レーザービーム走査手段が、カンチ
レバーの曲げ変位方向(Z方向)に垂直の平面内(X−
Y方向)でレーザービームを走査することを特徴とする
請求項1又は2記載の微小変位測定装置。
3. The laser beam scanning means according to claim 1, wherein said laser beam scanning means is arranged in a plane (X-
The minute displacement measuring device according to claim 1, wherein a laser beam is scanned in the Y direction).
【請求項4】 上記基本走査手段が、カンチレバーをX
−Y方向及びZ方向で走査するとともに、 上記レーザービーム走査手段が、レーザービームをX−
Y方向で走査することを特徴とする請求項1又は2記載
の微小変位測定装置。
4. The basic scanning means according to claim 1, wherein
-While scanning in the Y direction and the Z direction, the laser beam scanning means scans the laser beam X-
3. The small displacement measuring device according to claim 1, wherein scanning is performed in the Y direction.
【請求項5】 上記レーザービーム走査手段が音響光学
変調器(AOM)を備えることを特徴とする請求項1〜
4いずれか1項記載の微小変位測定装置。
5. The laser beam scanning means according to claim 1, further comprising an acousto-optic modulator (AOM).
4. The minute displacement measuring device according to claim 1.
【請求項6】 上記反射光強度検出手段が分割型フォト
ディテクタであり、反射光の強度を該フォトディテクタ
の和信号として検出することを特徴とする請求項1〜5
いずれか1項記載の微小変位測定装置。
6. The reflected light intensity detecting means is a split photodetector, and detects the intensity of the reflected light as a sum signal of the photodetectors.
The minute displacement measuring device according to claim 1.
【請求項7】 上記請求項1〜6いずれか1項記載の微
小変位測定装置を備えることを特徴とする原子間力顕微
鏡。
7. An atomic force microscope comprising the minute displacement measuring device according to any one of claims 1 to 6.
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