JPH1194860A - Scanner system - Google Patents

Scanner system

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Publication number
JPH1194860A
JPH1194860A JP25516797A JP25516797A JPH1194860A JP H1194860 A JPH1194860 A JP H1194860A JP 25516797 A JP25516797 A JP 25516797A JP 25516797 A JP25516797 A JP 25516797A JP H1194860 A JPH1194860 A JP H1194860A
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JP
Japan
Prior art keywords
scanner
displacement
sample
light
stage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP25516797A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hirohisa Fujimoto
洋久 藤本
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH1194860A publication Critical patent/JPH1194860A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain measured information of superior reproducibility with no distortions without being affected by a measurement environment, by directly detecting a displacement of a stage with the use of a displacement detection system with a built-in scanner. SOLUTION: A laser light entering a Wollaston prism 26 is branched to projection laser lights La, Lb, reflected at a bi-reflection plane of a reflecting mirror 24, and brought into the Wollaston prism 26 again to interfere with each other. The interference light is converted by a laser displacement detection system 28 to electric signal A, B phases corresponding to counts of fringes of interference fringes. When a stage 10 loading a sample 4 moves, the reflecting mirror 24 alike moves, whereby optical path lengths of the projection laser lights La, Lb are changed. A movement amount, a movement direction of the reflecting mirror 24 are measured from a change of phase amounts of the electric signal A, B phases. Synchronously with a pulse signal Sp output from a pulse generator 50 to which the measured values are input, a sampling part 18 samples a Z driving signal Sz, XY scan signals Sx, Sy, processes an image, and constructs an image signal S2. Accordingly, a surface information without distortions of the sample 4 is obtained three-dimensionally.

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、微小な変位を得る
ために用いられるスキャナシステムに関し、例えばナノ
メートルオーダーの分解能で試料の表面情報を測定する
ための走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナシス
テムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanner system used for obtaining a minute displacement, for example, a scanner system used for a scanning probe microscope for measuring surface information of a sample with a resolution of the order of nanometers. .

【0002】[0002]

【従来の技術】以下、走査型プローブ顕微鏡(SPM:
Scanning Probe Microscope )を用いて、スキャナシス
テムの一例を説明する。従来、走査型プローブ顕微鏡の
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:Scanning T
unnelingMicroscope)が発明されている。しかし、ST
Mでは、観察できる試料が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、絶縁性の試料をナノメートルオーダーの分解
能で観察できる装置として原子間力顕微鏡(AFM:At
omic Force Microscope )が提案されている(特開昭6
2−130302号公報参照)。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope (SPM:
An example of a scanner system will be described using a Scanning Probe Microscope. 2. Description of the Related Art Conventionally, as an example of a scanning probe microscope, a scanning tunneling microscope (STM: Scanning T) has been used with a Binnig or a roller (Rohrer) or the like.
unnelingMicroscope) has been invented. However, ST
In M, the sample that can be observed is limited to a conductive sample. Therefore, an atomic force microscope (AFM: Atm) is used as a device that can observe an insulating sample with a resolution of the order of nanometers by using elemental technologies of the STM such as the servo technology.
omic Force Microscope) has been proposed (Japanese Unexamined Patent Publication No.
JP-A-2-130302).

【0003】AFM構造は、SPMの一つとして位置付
けられており、例えば図4(a)に示すように、カンチ
レバー2と、このカンチレバー2と試料4との間の位置
関係を相対的に変化させるスキャナ6(例えば、チュー
ブ型圧電体スキャナ)と、カンチレバー2の自由端の撓
み変位を光学的に検出可能なカンチレバー変位センサ8
と備えている。なお、試料4は、スキャナ6に固定され
たステージ10上に載置されている。
[0003] The AFM structure is positioned as one of the SPMs. For example, as shown in FIG. 4A, the cantilever 2 and the positional relationship between the cantilever 2 and the sample 4 are relatively changed. A scanner 6 (for example, a tube-type piezoelectric scanner) and a cantilever displacement sensor 8 capable of optically detecting a bending displacement of a free end of the cantilever 2.
With. Note that the sample 4 is mounted on a stage 10 fixed to the scanner 6.

【0004】このようなAFM構造において、Zスキャ
ンドライバ12からのZ駆動信号Szに基づいてスキャ
ナ6を駆動することによって、試料4をカンチレバー2
方向に接近させると、試料4とカンチレバー2との間に
働く相互作用(例えば、原子間力、接触力、粘性、摩擦
力、磁気力など)によって、カンチレバー2の自由端が
変位する。
In such an AFM structure, the sample 4 is driven by driving the scanner 6 based on the Z drive signal Sz from the Z scan driver 12 so that the cantilever 2 is moved.
When approached in the direction, the free end of the cantilever 2 is displaced by an interaction (for example, an atomic force, a contact force, a viscosity, a frictional force, a magnetic force, etc.) acting between the sample 4 and the cantilever 2.

【0005】カンチレバー変位センサ8は、この変位量
を光学的に検出し、その検出値即ち変位信号S1をZス
キャンドライバ12に出力する。Zスキャンドライバ1
2は、カンチレバー変位センサ8からの変位信号S1が
予め設定した信号値に維持されるように(即ち、カンチ
レバー2と試料4との間の距離を制御し、両者の間に働
く相互作用が一定に維持されるように)、Z駆動信号S
zをスキャナ6に出力してスキャナ6をフィードバック
制御する。
The cantilever displacement sensor 8 optically detects the amount of displacement, and outputs the detected value, that is, a displacement signal S 1 to the Z scan driver 12. Z scan driver 1
2 controls the distance between the cantilever 2 and the sample 4 so that the displacement signal S1 from the cantilever displacement sensor 8 is maintained at a preset signal value, and the interaction between the two is constant. ), The Z drive signal S
z is output to the scanner 6 and the scanner 6 is feedback-controlled.

【0006】一方、スキャンコントローラ14からのX
トリガ信号Tx及びYトリガ信号Tyに基づいて、XY
スキャンドライバ16は、スキャナ6にX走査信号Sx
及びY走査信号Syを印加することによって、カンチレ
バー2を試料4に沿って相対的にXY走査させる。
On the other hand, X from the scan controller 14
XY based on the trigger signal Tx and the Y trigger signal Ty
The scan driver 16 sends an X scan signal Sx to the scanner 6.
And the Y scan signal Sy, the cantilever 2 is relatively scanned in XY along the sample 4.

【0007】フィードバック制御しながらXY走査が行
われている間、Xトリガ信号Tx及びYトリガ信号Ty
に基づいて、Z駆動信号Szが、サンプリング部18に
サンプリングされ、同時にサンプリングされたXY走査
信号と共に画像信号S2として画像メモリ20に保存さ
れる。そして、画像メモリ20に取り込まれた画像信号
S2に基づいて、試料4の表面情報(例えば、表面凹凸
情報)を三次元的に得ることができる。
While the XY scanning is being performed while performing the feedback control, the X trigger signal Tx and the Y trigger signal Ty
, The Z drive signal Sz is sampled by the sampling unit 18 and stored in the image memory 20 together with the sampled XY scanning signal as the image signal S2. Then, based on the image signal S2 taken into the image memory 20, surface information (for example, surface unevenness information) of the sample 4 can be obtained three-dimensionally.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、チューブ型
圧電体スキャナに代表されるスキャナ6は、高分解能で
駆動させることが可能であるが、印加電圧に対するスキ
ャナ6の変位特性は、実際には直線的では無く、例えば
図4(b)に示すようなヒステリシスを奏する。また、
電圧の印加時間の経過と共にスキャナ6の変位量が変化
するクリープ現象も奏する。
The scanner 6 typified by a tube-type piezoelectric scanner can be driven with a high resolution, but the displacement characteristic of the scanner 6 with respect to an applied voltage is actually a straight line. Instead of the target, for example, a hysteresis as shown in FIG. Also,
A creep phenomenon in which the amount of displacement of the scanner 6 changes as the voltage application time elapses also occurs.

【0009】従来の測定方法では、印加電圧を一定のス
テップ幅で変化させながら、同時にZ駆動信号Sz及び
XY走査信号のサンプリングが行われている。つまり、
スキャナ6の変位と印加電圧との関係が直線的であるも
のと仮定してサンプリングが行われており、ヒステリシ
スやクリープ現象による影響を全く考慮していない。こ
のため、歪みが無く再現性に優れた試料4の表面情報を
得ることが困難であった。
In the conventional measuring method, the Z drive signal Sz and the XY scanning signal are simultaneously sampled while changing the applied voltage at a fixed step width. That is,
Sampling is performed assuming that the relationship between the displacement of the scanner 6 and the applied voltage is linear, and no consideration is given to the effects of hysteresis and creep. For this reason, it was difficult to obtain surface information of the sample 4 having no distortion and excellent reproducibility.

【0010】そこで、例えば、Nanotechnology 6(1995)
121-126 に開示されている「Three-dimensional displa
cement measurement of a tube scanner for a scannin
g tunneling microscope by optical interferometer」
には、レーザー干渉測長器(図示しない)を用いて、試
料4を載置したステージ10の変位(例えば、互いに直
交する2方向の変位)を直接検出し、その測長結果によ
って試料4の表面情報を補正する方法が提案されてい
る。
Therefore, for example, Nanotechnology 6 (1995)
121-126, `` Three-dimensional displa
cement measurement of a tube scanner for a scannin
g tunneling microscope by optical interferometer ''
, The displacement of the stage 10 on which the sample 4 is mounted (for example, the displacement in two directions orthogonal to each other) is directly detected using a laser interferometer (not shown), and the sample 4 A method for correcting surface information has been proposed.

【0011】しかしながら、この方法では、スキャナ6
の周囲(具体的には、互いに直交する2方向のステージ
10の変位を直接検出可能な位置)にレーザー干渉測長
器を夫々配置しているため、SPM装置が大型化してし
まうといった問題がある。
However, in this method, the scanner 6
(Specifically, positions at which the displacement of the stage 10 in two directions perpendicular to each other can be directly detected), the SPM device is increased in size. .

【0012】更に、これらレーザー干渉測長器の測定環
境が夫々変化した場合、ステージ10が動いていないの
に、あたかも動いているかのような測長揺らぎが生じて
しまうため、測定結果の再現性が悪くなってしまうと共
に、測長揺らぎ量が試料4の表面情報にノイズとなって
重畳されてしまうといった問題が生じる。
Further, when the measurement environment of each of these laser interferometers changes, a length measurement fluctuation as if the stage 10 is moving occurs even though the stage 10 is not moving. And the fluctuation of the measurement length is superimposed on the surface information of the sample 4 as noise.

【0013】本発明は、このような問題を解決するため
に成されており、その目的は、測定環境に影響されるこ
と無く、歪みが無く再現性に優れた測定情報を得ること
が可能なコンパクトなスキャナシステムを提供すること
にある。
The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to obtain measurement information excellent in reproducibility without distortion without being affected by a measurement environment. It is to provide a compact scanner system.

【0014】[0014]

【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、本発明のスキャナシステムは、測定対象物を
移動させるスキャナと、測定環境の影響を受けること無
く、前記測定対象物の変位を直接検出するように、前記
スキャナの内部に配置された変位検出システムとを備え
ており、前記変位検出システムには、前記測定対象物の
近傍に配置された反射手段と、入射光を所定角に分岐さ
せて夫々前記反射手段に照射させると共に、前記反射手
段から反射した夫々の反射光を互いに干渉させる分岐手
段と、所定の光を前記分岐手段に入射可能であって、且
つ、前記分岐手段を介して干渉した干渉光の光学的特性
に基づいて、前記測定対象物の変位を検出可能な変位検
出系とが設けられている。
In order to achieve the above object, a scanner system according to the present invention comprises a scanner for moving an object to be measured and a displacement of the object to be measured without being affected by a measurement environment. And a displacement detection system disposed inside the scanner so as to directly detect the light, the reflection means disposed near the object to be measured, and incident light at a predetermined angle. Branching means for irradiating the reflecting means with each other, and causing the respective reflected lights reflected from the reflecting means to interfere with each other; and a predetermined light can be incident on the branching means, and the branching means And a displacement detection system capable of detecting the displacement of the measurement object based on the optical characteristics of the interference light that has interfered via the light source.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
るスキャナシステムについて、走査型プローブ顕微鏡に
組み込んだ場合を一例として、ついて、図1及び図2を
参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、
図4(a)に示された構成と同一の構成には、同一符号
を付して、その説明を省略する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A scanner system according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2 by taking as an example a case where the scanner system is incorporated in a scanning probe microscope. In the description of the present embodiment,
The same components as those shown in FIG. 4A are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

【0016】走査型プローブ顕微鏡に適用可能な測定法
としては、探針接触圧設定時のカンチレバーの撓み状態
を一定に維持しながら、カンチレバーを励振させること
無く探針を試料に沿って走査することによって、試料の
表面情報を測定するスタティックモード測定法と、所定
の共振周波数でカンチレバーを励振させた状態におい
て、振動中心と試料表面との間の距離を一定に維持しな
がら、探針を試料に沿って走査することによって、試料
の表面情報を測定するダイナミックモード測定法とが知
られているが、以下の説明では、両測定法を総称して単
にSPM測定ということとする。
A measuring method applicable to a scanning probe microscope is to scan the probe along the sample without exciting the cantilever while maintaining the bending state of the cantilever at the time of setting the probe contact pressure. With the static mode measurement method that measures the surface information of the sample, and with the cantilever excited at a predetermined resonance frequency, the tip is moved to the sample while maintaining a constant distance between the center of vibration and the sample surface. A dynamic mode measurement method for measuring surface information of a sample by scanning along the line is known. In the following description, both measurement methods will be simply referred to as SPM measurement.

【0017】また、走査型プローブ顕微鏡は、固定した
試料に対して探針を所定方向に移動させることによっ
て、試料の表面情報をSPM測定する探針走査型と、固
定した探針に対して試料を所定方向に移動させることに
よって、試料の表面情報をSPM測定する試料走査型と
に大別されるが、いずれにも本実施の形態に適用するこ
とができる。
Further, the scanning probe microscope has a probe scanning type for measuring the surface information of the sample by SPM by moving the probe in a predetermined direction with respect to the fixed sample, and a sample scanning type with respect to the fixed probe. Is moved in a predetermined direction to roughly classify the surface information of the sample into a sample scanning type, which can be applied to the present embodiment.

【0018】なお、探針走査型の走査型プローブ顕微鏡
は、スキャナ(例えば、チューブ型圧電体スキャナ)の
可動部にカンチレバーが取り付けられており、スキャナ
に印加する電圧を制御することによって、探針を試料に
沿って所定方向に所定量だけ移動させることができるよ
うに構成されている。一方、試料走査型の走査型プロー
ブ顕微鏡は、スキャナの可動部に試料を載置することが
できるようになっており、スキャナに印加する電圧を制
御することによって、試料を探針に対して所定方向に移
動させることができるように構成されている。
In the probe-type scanning probe microscope, a cantilever is attached to a movable portion of a scanner (for example, a tube-type piezoelectric scanner), and the probe is controlled by controlling a voltage applied to the scanner. Can be moved by a predetermined amount in a predetermined direction along the sample. On the other hand, the scanning probe microscope of the sample scanning type can place the sample on the movable part of the scanner, and controls the voltage applied to the scanner to move the sample to a predetermined position with respect to the probe. It is configured to be able to move in the direction.

【0019】図1に示すように、本実施の形態では、そ
の一例として、スキャナシステムを組み込んだ試料走査
型の走査型プローブ顕微鏡を想定しており、試料4は、
スキャナ6の可動部に固定されたステージ10上に載置
されている。なお、スキャナ6は、固定ベース22に固
定されている。
As shown in FIG. 1, in this embodiment, as an example, a sample scanning type scanning probe microscope incorporating a scanner system is assumed.
The scanner 6 is mounted on a stage 10 fixed to a movable part of the scanner 6. The scanner 6 is fixed to a fixed base 22.

【0020】図1及び図2に示すように、本実施の形態
のスキャナシステムは、測定環境の影響を受けること無
く、測定対象物(試料4を載置したステージ10)の変
位(XY方向の変位)を直接検出することができるよう
に、スキャナ6の内部にステージ10の変位を直接検出
可能な変位検出システムを内蔵している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the scanner system of the present embodiment is capable of displacing the object to be measured (the stage 10 on which the sample 4 is mounted) (in the XY directions) without being affected by the measurement environment. A displacement detection system capable of directly detecting the displacement of the stage 10 is built in the scanner 6 so that the displacement can be directly detected.

【0021】この変位検出システムは、ステージ10の
裏面(試料4が載置された面とは反対側の面)に固定さ
れた反射手段と、入射光を所定角に分岐させて夫々反射
手段に照射させると共に、反射手段から反射した夫々の
反射光を互いに干渉させる分岐手段と、レーザー光を分
岐手段に入射可能であって且つ分岐手段を介して干渉し
た干渉光の光学的特性に基づいて、ステージ10の変位
を検出可能なレーザー変位検出系28とを備えている。
The displacement detection system includes a reflecting means fixed to the back surface of the stage 10 (a surface opposite to the surface on which the sample 4 is mounted), and a reflecting means which branches incident light at a predetermined angle to the reflecting means. Along with irradiating, a branching unit that causes the respective reflected lights reflected from the reflecting unit to interfere with each other, and a laser beam that can be incident on the branching unit and based on the optical characteristics of the interference light that interfered through the branching unit, A laser displacement detection system 28 capable of detecting the displacement of the stage 10.

【0022】反射手段としては、本実施の形態ではその
一例として、分岐手段で分岐された2つのレーザー光の
光軸に夫々直交する2つの反射面24a,24bが形成
された反射ミラー24が適用されている。
As an example of the reflecting means in the present embodiment, a reflecting mirror 24 having two reflecting surfaces 24a and 24b which are respectively orthogonal to the optical axes of the two laser beams split by the splitting means is applied. Have been.

【0023】分岐手段としては、本実施の形態ではその
一例として、入射レーザー光を例えば互いに直交する偏
光成分を有する2つの出射レーザー光La,Lbに分割
し且つこれら2つの出射レーザー光La,Lbを反射ミ
ラー24の2つの反射面24a,24bに垂直に照射さ
せることが可能なウオラストンプリズム26が適用され
ている。
As an example of the branching means in the present embodiment, the incident laser light is split into, for example, two outgoing laser lights La and Lb having polarization components orthogonal to each other, and these two outgoing laser lights La and Lb are used. Is applied to the two reflecting surfaces 24a and 24b of the reflecting mirror 24 at right angles.

【0024】レーザー変位検出系28は、固定ベース2
2に固定されており、例えば互いに直交する直線偏光を
有するレーザー光を出射可能なレーザー光源30と、ウ
オラストンプリズム26を介して干渉した干渉光の光学
的特性に基づいて、ステージ10の変位即ちXY方向の
移動量及び移動方向を検出可能な変位検出部32とを備
えている。
The laser displacement detection system 28 includes a fixed base 2
2, the laser light source 30 capable of emitting laser light having linearly polarized light orthogonal to each other, for example, and the displacement of the stage 10 based on the optical characteristics of the interference light interfering via the Wollaston prism 26. That is, a displacement detection unit 32 capable of detecting the movement amount and the movement direction in the XY directions is provided.

【0025】次に、本実施の形態の動作について説明す
る。Zスキャンドライバ12からのZ駆動信号Szによ
ってスキャナ6をフィードバック制御しながらSPM測
定が行われている状態において、レーザー光源30から
出射された例えば互いに直交する直線偏光を有するレー
ザー光は、ハーフミラー34を介してウオラストンプリ
ズム26に入射し、所定の偏向角を有する2つの出射レ
ーザー光La,Lbに分岐される。
Next, the operation of this embodiment will be described. In a state where the SPM measurement is being performed while the scanner 6 is feedback-controlled by the Z drive signal Sz from the Z scan driver 12, the laser light having, for example, linearly polarized light orthogonal to each other emitted from the laser light source 30 is reflected by the half mirror 34 , And enters the Wollaston prism 26, and is split into two outgoing laser beams La and Lb having a predetermined deflection angle.

【0026】そして、これら2つの出射レーザー光L
a,Lbが、反射ミラー24の2つの反射面24a,2
4bに夫々照射された際、これら2つの反射面24a,
24bから夫々反射した反射レーザー光La,Lbは、
再び、ウオラストンプリズム26に入射され、互いに干
渉する。
Then, these two emitted laser beams L
a, Lb are the two reflecting surfaces 24 a, 2 of the reflecting mirror 24.
4b, these two reflecting surfaces 24a, 24a,
The reflected laser beams La and Lb respectively reflected from 24b are:
Again, the light enters the Wollaston prism 26 and interferes with each other.

【0027】このとき、ウオラストンプリズム26から
射出された干渉光は、ハーフミラー34から反射され、
変位検出部32に導光される。変位検出部32におい
て、干渉光は、λ/4板36を介してビームスプリッタ
38に導光され、2方向に振り分けられる。
At this time, the interference light emitted from the Wollaston prism 26 is reflected from the half mirror 34,
The light is guided to the displacement detector 32. In the displacement detection unit 32, the interference light is guided to the beam splitter 38 via the λ / 4 plate 36, and is distributed in two directions.

【0028】ビームスプリッタ38を透過した干渉光
は、第1の偏光板40によって、例えば図中紙面に平行
な直線偏光成分を有する光(第1の直線偏光という)の
みが抽出される。そして、この第1の直線偏光は、第1
の光電変換素子42によって、その光学的特性(具体的
には、干渉縞の縞数)に対応した電気信号(A相)に変
換される。
From the interference light transmitted through the beam splitter 38, only light having a linear polarization component parallel to the plane of the drawing (referred to as first linear polarization) is extracted by the first polarizing plate 40. The first linearly polarized light is the first linearly polarized light.
Is converted into an electric signal (A phase) corresponding to the optical characteristics (specifically, the number of interference fringes).

【0029】一方、ビームスプリッタ38から反射した
干渉光は、第2の偏光板44によって、例えば図中紙面
に垂直な直線偏光成分を有する光(第2の直線偏光とい
う)のみが抽出される。そして、この第2の直線偏光
は、第2の光電変換素子46によって、その光学的特性
(具体的には、干渉縞の縞数)に対応した電気信号(B
相)に変換される。
On the other hand, the interference light reflected from the beam splitter 38 is extracted by the second polarizing plate 44, for example, only light having a linear polarization component perpendicular to the plane of the drawing (referred to as second linear polarization). Then, the second linearly polarized light is converted by the second photoelectric conversion element 46 into an electric signal (B) corresponding to its optical characteristics (specifically, the number of interference fringes).
Phase).

【0030】なお、本実施の形態において、第1及び第
2の偏光板40,44から反射した反射光が、ハーフミ
ラー34を介してウオラストンプリズム26を含む光路
中に混入するのを防止するように、λ/4板36は、そ
の光学軸の方向が調整されている。
In the present embodiment, the reflected light from the first and second polarizing plates 40 and 44 is prevented from entering the optical path including the Wollaston prism 26 via the half mirror 34. Thus, the direction of the optical axis of the λ / 4 plate 36 is adjusted.

【0031】このとき、第1及び第2の光電変換素子4
2,46から夫々出力される電気信号(A相,B相)
は、互いに90°の位相差を有する。ここで、例えば、
ステージ10が、X方向に距離xだけ移動したとする
と、ステージ10の移動に伴って反射ミラー24も移動
するため、2つの出射レーザー光La,Lbの光路長が
変化する。
At this time, the first and second photoelectric conversion elements 4
Electric signals (A-phase, B-phase) respectively output from 2, 46
Have a phase difference of 90 ° from each other. Where, for example,
If the stage 10 moves by the distance x in the X direction, the reflection mirror 24 also moves with the movement of the stage 10, so that the optical path lengths of the two emitted laser beams La and Lb change.

【0032】具体的には、2つの反射面24a,24b
が、夫々、水平面Hに対して角度θ(図2参照)を成し
ている場合、出射レーザー光Laの光路長変化量Δx1
は、 Δx1=xsinθ だけ減少し、一方、出射レーザー光Lbの光路長変化量
Δx2は、 Δx2=xsinθ だけ増加する。
Specifically, the two reflecting surfaces 24a, 24b
Respectively form an angle θ (see FIG. 2) with respect to the horizontal plane H, the optical path length change amount Δx1 of the emitted laser light La
Decreases by Δx1 = xsinθ, while the optical path length variation Δx2 of the emitted laser light Lb increases by Δx2 = xsinθ.

【0033】このように光路長が変化した2つのレーザ
ー光La,Lbを干渉させた場合、光路長変化成分が2
xsinθの光学的特性を有する干渉光が得られる。こ
の場合において、干渉光の光学的特性(干渉縞の縞数)
の変化即ち光路長変化は、第1及び第2の光電変換素子
42,46から夫々出力される電気信号(A相,B相)
の位相差の変化となって現れる。
When the two laser beams La and Lb whose optical path lengths are changed interfere with each other, the optical path length change component becomes 2
Interference light having an optical characteristic of xsin θ is obtained. In this case, the optical characteristics of the interference light (the number of interference fringes)
, That is, a change in the optical path length, is caused by the electric signals (A-phase and B-phase) output from the first and second photoelectric conversion elements 42 and 46, respectively.
Appears as a change in the phase difference.

【0034】このとき、内挿回路48は、干渉縞の縞数
の変化に対応した電気信号(A相,B相)の位相差の変
化をカウントすることによって、反射ミラー24の移動
量及び移動方向を測長し、その測長値をパルス発生部5
0に出力する。なお、このとき測長された測長値は、測
定対象物となり得るステージ10及び試料4の移動量及
び移動方向でもある。
At this time, the interpolation circuit 48 counts the change in the phase difference between the electric signals (A-phase and B-phase) corresponding to the change in the number of interference fringes, whereby the movement amount and movement of the reflection mirror 24 are calculated. The direction is measured, and the measured value is output to the pulse generator 5.
Output to 0. Note that the measured value measured at this time is also the moving amount and moving direction of the stage 10 and the sample 4 that can be the measurement target.

【0035】パルス発生部50は、測長値が一定値変化
する毎に、所定のパルス信号Spをサンプリング部18
に出力する。サンプリング部18は、パルス信号Spの
入力タイミングに同期して、Zスキャンドライバ12か
らのZ駆動信号Szをサンプリングし、同時にXYスキ
ャンドライバ16からのXY走査信号Sx,Syをサン
プリングする。そして、これら信号Sx,Sy,Szに
所定の画像処理を施すことによって、画像信号S2を構
築し、画像メモリ20に保存する。
The pulse generator 50 generates a predetermined pulse signal Sp every time the length measurement value changes by a predetermined value.
Output to The sampling section 18 samples the Z drive signal Sz from the Z scan driver 12 and simultaneously samples the XY scan signals Sx and Sy from the XY scan driver 16 in synchronization with the input timing of the pulse signal Sp. Then, by subjecting these signals Sx, Sy, Sz to predetermined image processing, an image signal S2 is constructed and stored in the image memory 20.

【0036】そして、画像メモリ20に取り込まれた画
像信号S2に基づいて、歪みが無く再現性に優れた試料
4の表面情報(例えば、表面凹凸情報)が、三次元的に
得られる。
Then, based on the image signal S2 fetched into the image memory 20, surface information (for example, surface unevenness information) of the sample 4 having no distortion and excellent reproducibility can be obtained three-dimensionally.

【0037】このように本実施の形態によれば、ステー
ジ10の変位を直接検出可能な変位検出システムを適用
したことによって、ヒステリシスやクリープ現象の影響
を全く受けること無く、試料4の表面情報を得ることが
できる。
As described above, according to the present embodiment, by applying the displacement detection system capable of directly detecting the displacement of the stage 10, the surface information of the sample 4 can be obtained without any influence of hysteresis or creep phenomenon. Obtainable.

【0038】また、変位検出システムを外界から隔離さ
れたスキャナ6の内部に内蔵したことによって、測定環
境の影響を受けること無く、歪みが無く再現性に優れた
測定情報を得ることができる。具体的には、スキャナ6
の外部の測定環境が変化した場合でも、ウオラストンプ
リズム26と反射ミラー24との間の測定環境をスキャ
ナ6内において常に一定に維持させることができると共
に、ウオラストンプリズム26と反射ミラー24とを近
接させて且つ測定対象(試料4及びステージ10)の近
傍に配置することができるため、常に、高精度な測定を
行うことができる。
Further, by incorporating the displacement detection system inside the scanner 6 which is isolated from the outside, it is possible to obtain measurement information having no distortion and excellent reproducibility without being affected by the measurement environment. Specifically, the scanner 6
The measurement environment between the Wollaston prism 26 and the reflection mirror 24 can be always kept constant in the scanner 6 even when the measurement environment outside the scanner changes, and the Wollaston prism 26 and the reflection mirror 24 can be maintained. Can be arranged close to the object to be measured (the sample 4 and the stage 10), so that highly accurate measurement can always be performed.

【0039】更に、変位検出システムを外界から隔離さ
れたスキャナ6の内部に内蔵したことによって、スキャ
ナシステムのコンパクト化を実現することができる。な
お、本発明は、上述した実施の形態に限定されることは
無く、新規事項を追加しない範囲で種々変更することが
可能である。
Further, by incorporating the displacement detection system inside the scanner 6 isolated from the outside, the scanner system can be made compact. Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously changed without adding new matter.

【0040】上述した実施の形態では、その一例として
X方向の移動量及び移動方向の一軸測長について説明し
たが、例えば、X方向用反射ミラー及びY方向用反射ミ
ラーを夫々ステージ10に固定すると共に、これら反射
ミラーに対応した一対のウオラストンプリズム及びレー
ザー変位検出系を夫々配置することによって、XY方向
の移動量及び移動方向を同時又は別個に測長することも
可能である。
In the above-described embodiment, the movement amount in the X direction and uniaxial length measurement in the movement direction have been described as an example. For example, the reflection mirror for the X direction and the reflection mirror for the Y direction are fixed to the stage 10, respectively. In addition, by disposing a pair of Wollaston prisms and a laser displacement detection system corresponding to these reflection mirrors, it is possible to measure the movement amount and movement direction in the XY directions simultaneously or separately.

【0041】上述した実施の形態では、Z方向の変位情
報として、スキャナ6に印加するZ駆動信号Szをサン
プリングしているが、これに代えて、例えば、スキャナ
6のZ方向変位量を直接検出可能な変位検出器をスキャ
ナ6に設けても良い。
In the above-described embodiment, the Z drive signal Sz applied to the scanner 6 is sampled as the Z-direction displacement information. Instead, for example, the Z-direction displacement of the scanner 6 is directly detected. A possible displacement detector may be provided in the scanner 6.

【0042】上述した実施の形態では、干渉縞の縞数を
カウントする方式を採用したが、例えば、出射レーザー
光La,Lbを互いに異なる周波数を有する光として捉
え、夫々の周波数をヘテロダイン法を用いて解析するこ
とによって、反射ミラー24即ちステージ10の移動量
及び移動方向を測長しても良い。
In the above-described embodiment, the method of counting the number of interference fringes is employed. For example, the emitted laser beams La and Lb are regarded as light having different frequencies from each other, and the respective frequencies are determined by the heterodyne method. The amount of movement and the direction of movement of the reflection mirror 24, that is, the stage 10, may be measured by the analysis.

【0043】上述した実施の形態では、試料走査型の走
査型プローブ顕微鏡を説明した関係上、測定対象物とし
ては、ステージ10及び試料4が該当しているが、探針
走査型の走査型プローブ顕微鏡では、スキャナ6の可動
部(例えば、ステージ10)にカンチレバー2が取り付
けられることになるため、測定対象物は、カンチレバー
2及びステージ10となり得る。
In the above-described embodiment, the stage 10 and the sample 4 are applicable as the measuring objects in relation to the description of the sample scanning type scanning probe microscope, but the probe scanning type scanning probe is used. In the microscope, since the cantilever 2 is attached to the movable portion (for example, the stage 10) of the scanner 6, the object to be measured can be the cantilever 2 and the stage 10.

【0044】また、本発明におけるスキャナシステム
は、一実施の形態で説明に用いた走査型プローブ顕微鏡
だけでなく、ステージ等の定量的な微小変位が要求され
る様々な分野で利用することができる。例えば、マイク
ロマニピュレーションに用いられる試料ステージや、マ
ニピュレーションを行う針先の駆動に用いても良く、ま
た、レーザー走査型顕微鏡(LSM:Lazer Scanning M
icroscope )のステージに用いても良い。更に、微小な
変位量を要求される光学顕微鏡のステージに用いること
も有効である。
Further, the scanner system according to the present invention can be used not only in the scanning probe microscope used in the description of the embodiment, but also in various fields requiring quantitative minute displacement such as a stage. . For example, it may be used for driving a sample stage used for micromanipulation or a stylus for performing manipulation, and a laser scanning microscope (LSM).
It may be used for the stage of icroscope). Further, it is also effective to use the stage for an optical microscope that requires a small displacement.

【0045】また、例えば図3に示すように、反射ミラ
ー24、ウオラストンプリズム26並びにレーザー変位
検出系28をスキャナ6の外部に配置させ、これらを測
定環境の変動に影響されること無く、変位検出システム
の検出環境を常時一定に保つことが可能な検出環境保持
手段によって保護しても良い。
For example, as shown in FIG. 3, the reflection mirror 24, the Wollaston prism 26, and the laser displacement detection system 28 are arranged outside the scanner 6, and these are not affected by the fluctuation of the measurement environment. The detection environment of the displacement detection system may be protected by a detection environment holding means that can always keep the detection environment constant.

【0046】図3に示すように、本変形例において、検
出環境保持手段は、スキャナ20と並列して延出した第
1及び第2の中空筒状部材60,62を備えている。第
1の中空筒状部材60は、その基端がステージ10に固
定されており、その先端は、固定ベース22方向に延出
してフリーな状態となっている。また、第1の中空筒状
部材60は、例えばプラスチック等の密度の小さい材料
で形成されており、且つ、充分薄肉であるため、測定対
象物(即ち、試料4を載置したステージ10)全体の重
量を1%程度しか増加させないようになっている。この
ため、SPM測定におけるスキャナ6の共振周波数を低
下させることは無い。
As shown in FIG. 3, in the present modification, the detection environment holding means includes first and second hollow cylindrical members 60 and 62 extending in parallel with the scanner 20. The first hollow cylindrical member 60 has a base end fixed to the stage 10 and a front end extending in the direction of the fixed base 22 in a free state. Further, the first hollow cylindrical member 60 is formed of a material having a low density, such as plastic, and is sufficiently thin, so that the entire measurement object (that is, the stage 10 on which the sample 4 is mounted) is formed. Is increased only by about 1%. For this reason, the resonance frequency of the scanner 6 in the SPM measurement is not reduced.

【0047】第2の中空筒状部材62は、第1の中空筒
状部材60よりも小さな径を有しており、その基端が固
定ベース22に固定され、その先端は、第1の中空筒状
部材60の内側に延出してフリーな状態となっている。
The second hollow cylindrical member 62 has a smaller diameter than the first hollow cylindrical member 60, and has a base end fixed to the fixed base 22 and a distal end fixed to the first hollow cylindrical member 62. It extends inside the tubular member 60 and is in a free state.

【0048】これら第1及び第2の中空筒状部材60,
62の夫々の先端は、SPM測定中にステージ10を移
動させた際に、互いに衝突又は圧接しないように、所定
の隙間を有した状態で且つ部分的に重なり合っている。
The first and second hollow cylindrical members 60,
The respective tips of 62 have a predetermined gap and partially overlap each other so that they do not collide with or press against each other when the stage 10 is moved during SPM measurement.

【0049】なお、第1の中空筒状部材60及び第2の
中空筒状部材62の径は、互いが衝突又は圧接しなけれ
ば、どちらが大きくても特に構わない。また、本変形例
において、スキャナ6内に、測定対象物のZ方向変位
(垂直方向変位)を検出可能なZ変位センサを配置して
も良い。なお、Z変位センサとしては、その一例とし
て、固定ベース22に固定された静電容量センサ64
と、ステージ10に固定された容量センサーターゲット
66とが用いられており、静電容量センサ64と容量セ
ンサーターゲット66との間の間隔変化に起因した容量
変化に基づいて、ステージ10のZ方向の実際の変位
(移動量及び移動方向)を直接検出できるようになって
いる。
The diameter of the first hollow cylindrical member 60 and the diameter of the second hollow cylindrical member 62 are not particularly limited as long as they do not collide with each other or come into pressure contact with each other. In the present modification, a Z displacement sensor capable of detecting a Z-direction displacement (vertical displacement) of the measurement target may be arranged in the scanner 6. As an example of the Z displacement sensor, as an example, a capacitance sensor 64 fixed to the fixed base 22
And a capacitance sensor target 66 fixed to the stage 10. Based on a capacitance change caused by a change in the space between the capacitance sensor 64 and the capacitance sensor target 66, the stage 10 in the Z direction is used. The actual displacement (movement amount and movement direction) can be directly detected.

【0050】従って、このZ変位センサを配置した場合
には、ステージ10のZ方向の実際の変位を直接検出
し、その検出データを考慮しつつ、Z駆動信号Szによ
ってスキャナ6をZ方向にフィードバック制御すること
が可能となる。このため、フィードバック制御の精度を
上げることが可能となる。
Therefore, when this Z displacement sensor is arranged, the actual displacement of the stage 10 in the Z direction is directly detected, and the scanner 6 is fed back in the Z direction by the Z drive signal Sz while taking the detected data into account. It becomes possible to control. For this reason, it is possible to improve the accuracy of the feedback control.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明によれば、測定環境に影響される
こと無く、歪みが無く再現性に優れた測定情報を得るこ
とが可能なコンパクトなスキャナシステムを提供するこ
とができる。
According to the present invention, it is possible to provide a compact scanner system capable of obtaining measurement information excellent in reproducibility without distortion without being affected by the measurement environment.

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

【図1】本発明の一実施の形態に係るスキャナシステム
を走査型プローブ顕微鏡に組み込んだ構成を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration in which a scanner system according to an embodiment of the present invention is incorporated in a scanning probe microscope.

【図2】図1に示されたレーザー変位検出系の内部構成
を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing an internal configuration of the laser displacement detection system shown in FIG.

【図3】本発明の変形例に係るスキャナシステムの主要
な構成を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a main configuration of a scanner system according to a modified example of the invention.

【図4】(a)は、従来のスキャナシステムの構成を示
す図、(b)は、スキャナのヒステリシス特性を示す
図。
FIG. 4A is a diagram illustrating a configuration of a conventional scanner system, and FIG. 4B is a diagram illustrating hysteresis characteristics of the scanner.

【符号の説明】 2 カンチレバー 4 試料 6 スキャナ 10 ステージ 24 反射ミラー 26 ウオラストンプリズム 28 レーザー変位検出系[Description of Signs] 2 Cantilever 4 Sample 6 Scanner 10 Stage 24 Reflection mirror 26 Wollaston prism 28 Laser displacement detection system

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 測定対象物を移動させるスキャナと、 測定環境の影響を受けること無く、前記測定対象物の変
位を直接検出するように、前記スキャナの内部に配置さ
れた変位検出システムとを備えており、 前記変位検出システムには、 前記測定対象物の近傍に配置された反射手段と、 入射光を所定角に分岐させて夫々前記反射手段に照射さ
せると共に、前記反射手段から反射した夫々の反射光を
互いに干渉させる分岐手段と、 所定の光を前記分岐手段に入射可能であって、且つ、前
記分岐手段を介して干渉した干渉光の光学的特性に基づ
いて、前記測定対象物の変位を検出可能な変位検出系と
が設けられていることを特徴とするスキャナシステム。
1. A scanner for moving a measurement object, and a displacement detection system arranged inside the scanner so as to directly detect a displacement of the measurement object without being affected by a measurement environment. The displacement detection system includes: a reflection unit disposed near the object to be measured; and an incident light that is branched at a predetermined angle and radiated to the reflection unit, respectively, and reflected from the reflection unit. A branching unit that causes reflected light to interfere with each other, and a predetermined light that can be incident on the branching unit, and a displacement of the measurement object based on an optical characteristic of the interference light that interferes via the branching unit. And a displacement detection system capable of detecting an error.
【請求項2】 前記反射手段は、前記分岐手段で分岐さ
れた光の光軸に夫々直交する反射面が形成された反射ミ
ラーを備えていることを特徴とする請求項1に記載のス
キャナシステム。
2. The scanner system according to claim 1, wherein the reflection unit includes a reflection mirror having reflection surfaces formed at right angles to an optical axis of the light branched by the branching unit. .
【請求項3】 前記分岐手段は、入射光を互いに異なる
偏光成分を有する光に分割し、且つ、これら光を前記反
射手段に垂直に照射させることが可能なウオラストンプ
リズムを備えていることを特徴とする請求項1に記載の
スキャナシステム。
3. The branching means includes a Wollaston prism capable of dividing incident light into lights having different polarization components and irradiating the light perpendicularly to the reflecting means. The scanner system according to claim 1, wherein:
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