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JP2004333441A - Scanner system, and scanning type probe microscope using the same - Google Patents

Scanner system, and scanning type probe microscope using the same Download PDF

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Publication number
JP2004333441A
JP2004333441A JP2003133343A JP2003133343A JP2004333441A JP 2004333441 A JP2004333441 A JP 2004333441A JP 2003133343 A JP2003133343 A JP 2003133343A JP 2003133343 A JP2003133343 A JP 2003133343A JP 2004333441 A JP2004333441 A JP 2004333441A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
scanner
light
stage
displacement
scanner system
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2003133343A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
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 Corp
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 Corp filed Critical Olympus Corp
Priority to JP2003133343A priority Critical patent/JP2004333441A/en
Publication of JP2004333441A publication Critical patent/JP2004333441A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact scanner system capable of acquiring XY-positional information without distortion and accurate Z-positional information, and a probe microscope unit using the scanner system. <P>SOLUTION: This scanner system is provided with a scanner 1 provided with a stage 2 movable three-dimensional-directionally, a light source 20, a measuring mirror 24 provided in the stage 2 to reflect illumination light from the light source, a fringe counting system 29 for detecting the light reflected by the measuring mirror 24 and for acquiring displacement amount information along a vertical direction of the stage 2, based on a relative phase change of the detected reflected light, and an angle detecting system 28 for detecting the light reflected by the measuring mirror 24 and for acquiring change information in relative inclination of the measuring mirror 24, based on the detected reflected light. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小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表面情報を得る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。
【0002】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の徹細情報をナノメートルオーダーの縦横分解能で観察できる装置であり、試料表面を検出するプローブや試料表面間の相互作用により、走査型トンネル顕微鏡(STM)や走査型原子間力顕微鏡(AFM)の様々な種類が存在し、試料表面の高分解能観察に広く用いられている。
【0003】
これらの走査型プローブ顕微鏡で高い分解能を実現するためには、プローブと試料との相対位置を高い分解能でコントロールできるスキャナシステムが必要であり、この種のスキャナシステムとして、円筒型圧電素子を3軸駆動アクチュエータとして用いた圧電体スキャナ(チューブスキャナ)がある。チューブスキャナは円筒状の圧電素子の周方向に4枚の分割電極を有し、各電極への電圧印加を適宜制御することにより、屈曲や伸縮により、圧電体の自由端部を3次元的に変位させるものである。
【0004】
図3は、この圧電体スキャナを用いた従来の走査型プローブ顕微鏡について示すものである。スキャナ1の上端にはステージ2が固定されており、この上に試料3が載置されている。試料3にカンチレバー4を近づけると、試料3とカンチレバー4との間に働く相互作用、例えば、原子間力によって、カンチレバー4の自由端が変位する。
【0005】
カンチレバー変位センサ5はこの変位量を検出し、変位信号S1をZスキャンドライバ6に出力する。Zスキャンドライバ6はカンチレバー変位信号S1を予め定めた一定値に保つように、スキャナ1を駆動するZ駆動信号Szを出力し、スキャナ1はこれを受けて試料3をZ方向に移動させる。
【0006】
つまり、Zスキャンドライバ6は、試料3とカンチレバー4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フィードバック制御を行う。一方、スキャンコントローラ7はXY走査のためのX走査信号TxとY走査信号TyをXYスキャンドライバ8に出力する。
【0007】
XYスキャンドライバ8は、X,Y走査信号Tx,Tyに応じ、スキャナ1への印加電圧Sx,Syを変えて、スキャナの屈曲動作により、試料3のXY走査を行う。
また、スキャンコントローラ7からはX,Y走査信号Tx,Tyに基づいて、データ取り込み用のタイミングパルスPx,Pyがサンプリング部9に出力される。サンプリング部9はこのタイミングパルスに応じて、Z駆動信号Sz、つまりZ変位信号をサンプリングする。サンプリング部9でサンプリングされたZ変位信号は画像信号として画像メモリ10に保存され、図示しないCRTなどに像が表示される。
【0008】
上述のように原子間力によるカンチレバー4の撓みを制御対象とするなら、得られる情報は試料3の3次元形状情報である。
しかしなから、このチューブ型圧電体スキャナに代表されるスキャナ1は高分解能で駆動させることが可能である反面、印加電圧に対するスキャナ1の変位特性は直線的でなく、例えば、図4に示すようにヒステリシス形状を有する。また、電圧印加時間の経過と共に変位量が変化していくクリープ現象も示す。
【0009】
従来の測定方法では、印加電圧を一定の幅で変化させながら、Z駆動信号Szをサンプリングし、画像化している。このため、ヒステリシスやクリープ現象による影響により、得られる像は歪んだものとなり、また、再現性も良くない。
この欠点を解消するために、ステージの傾きを四分割フォトダイオードを用いて検出してXY方向の変位に換算し、これに基づいて補正したXY駆動信号をスキャナに供給するフィードバック制御が提案されている(例えば、特許文献1。)。
【0010】
この方法により、XY方向の非線形性は解消され、歪みのない像が再現性良く得られるようになった。
また、XYZ3軸にレーザー干渉測長計を配置し、スキャナ1の変位を直接検出し、XY位置を制御し、Zは測長値により高さ情報を得る手段も提案されている(例えば、非特許文献1)。
【0011】
【特許文献1】
特許第3349779号公報(第1−11頁、第1−16図)
【非特許文献1】
「Three−dimensional displacement measurement of a tube scanner for a scanning tunneling microscope by optical interferometer」,Nanotechnology,英国,1995年,第6号,p.121−126
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
昨今、走査型プローブ顕微鏡の有する高い空間分解能から、薄膜段差測定、微細粗さ計測等において、特にその高さ情報が重要視され、XY方向の線形さとともに、Z方向の測定データの確かさが重要となってくる場合がある。このようなケースでは、従来の装置ではZ方向には圧電体のヒステリシスが残り、正確な高さ情報が得られなかった。
【0013】
また、非特許文献1では、3軸にレーザー干渉計を配していることからシステムは大型化、複雑化してしまうという欠点があった。
上記の課題に鑑み、本発明では、歪のないXY位置情報とともに、正確なZ位置情報を得ることが可能であるコンパクトなスキャナシステム、およびこれを用いたプローブ顕微鏡装置を提供する。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、請求項1記載の発明によれば、測定対象物を載置させる変位可能なステージを備えた、走査部材と該測定対象物とを相対的に走査させるスキャナと、光を照射する照射手段と、前記ステージに設けられ、前記照射手段により照射された照射光を反射する反射手段と、該反射手段によって反射された光である第1の反射光の相対的な位相変化に基づいて、前記ステージの鉛直方向への変位量の情報を示す変位情報を取得する変位情報取得手段と、前記反射手段によって反射された光である第2の反射光に基づいて、該反射手段の相対的な傾きの変化の情報を示す角度変化情報を取得する角度変化情報取得手段と、を備えることを特徴とするスキャナシステムを提供することによって達成できる。
【0015】
このように構成することによって、歪のないXY位置情報とともに、正確なZ位置情報を得ることができる。
また上記課題は、請求項2記載の発明によれば、前記スキャナは、該スキャナの内側に前記反射手段を有することを特徴とする請求項1記載のスキャナシステムを提供することによって達成できる。
【0016】
このように構成することによって、スキャナシステムの圧電体の内部スペースを有効活用できる。
また上記課題は、請求項3記載の発明によれば、前記変位情報取得手段は、所定の光と前記第2の反射光との干渉による干渉縞の相対的な変化量を取得することを特徴とする請求項1記載のスキャナシステムを提供することによって達成できる。
【0017】
このように構成することによって、Z方向の変位情報を取得することができる。
また上記課題は、請求項4記載の発明によれば、前記ステージは、鉛直方向へのみ変位することを特徴とする請求項1記載のスキャナシステムを提供することによって達成できる。
【0018】
このように構成することによって、本スキャナシステムはZ方向の一軸にのみ極めて高い真直度を持って移動することができる。
また上記課題は、請求項5記載の発明によれば、請求項1、2、3、及び4のうちのいずれか1つに記載のスキャナシステムを用いる走査型プローブ顕微鏡を提供することによって達成できる。
【0019】
このように構成することによって、請求項1〜4に記載したスキャナシステムを走査型プローブ顕微鏡に用いることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態としては、測定対象物を移動させるスキャナと、この測定対象物の変位を検出するよう設けられた変位検出システムとを備えており、変位検出システムは前記測定対象物近傍に配置された反射手段と、反射手段に対し光を照射する光源と、反射手段からの反射光の位相変化から測定対象物の変位を検出する変位検出系と、反射光の一部を取り出し、反射光の角度変化を検出する角度検出系とからなることを特徴とするスキャナシステムであり、このスキャナシステムを用いた走査型プローブ顕微鏡装置である。
【0021】
それでは、本発明の実施の形態にかかるスキャナシステムに関して、走査型プローブ顕微鏡に組み込んだ実施例を以下に示す。なお、説明に際し、従来例に示された構成と同一の部位に関しては、同一の符号を用い、その説明を省略する。
(実施例1)
図1は、本実施例におけるスキャナシステムの構造の概要を示す。同図に示すように、スキャナ1の自由端側に固定されたステージ2裏側には、測定鏡24が取り付けられている。また、スキャナ1の固定端側にはレーザー光源20、偏光ビームスプリッタ21、1/4波長板22a,22b、参照鏡23、コーナーキューブ25、ビームスプリッタ26がそれぞれ固定され配置されている。
【0022】
レーザー光源20より出射される光は偏光ビームスプリッタ21に入射する。偏光ビームスプリッタ21を透過した光は、参照光として1/4波長板22bを介し、参照鏡23で反射し、再度1/4波長板22bを介して偏光ビームスプリッタ21に入射する。
【0023】
このとき、再度入射した偏光ビームスプリッタの偏光状態は偏光ビームスプリッタ21透過時とは90度回転した直線偏光となっているので、偏光ビームスプリッタ21で反射され、コーナーキューブ25を介し、偏光ビームスプリッタ21で反射、再度1/4波長板22bを介し、参照鏡23に入射する。参照鏡23で反射した光は再び1/4波長板22bを介し、偏光ビームスプリッタ21を透過する。
【0024】
同様にレーザー光源20より出射し、偏光ビームスプリッタ21で反射した光は、上記の参照鏡に反射した光と同様の偏光状態変化により1/4波長板22a、コーナーキューブ25を介し、測定鏡24で2度反射され、上記の参照鏡23経由の反射光と重なって出射し、縞計数系29に入射する。縞計数系29では、測定鏡24と参照鏡23とからの反射光による干渉縞から、ホモダイン検波により位相差を検出している。
【0025】
ここで、測定鏡24に入射する光の測定鏡24上の位置24a,24bは、カンチレバー4による測定点を通る垂線のミラー面上Pを間に対称な位置に調整されている。また、測定鏡24に導かれる光路側には途中、ビームスプリッタ26があり、測定鏡24からの一度目の反射光を分岐し、4分割フォトディテクタ27に導くように配置されている。4分割フォトディテクタ27に入射された反射光は、4分割フォトディテクタ27の受光面に集光スポットを形成する。
【0026】
ここで、4分割フォトディテクタ27の受光面は、4等分された領域D1,D2,D3,D4から構成され、それら4つの領域が受光面中央で接するように構成されている。ステージ2が変位していない場合、集光スポットは4分割フォトディテクタ27の受光面の中央に形成される。すなわち、それぞれ等しい光量を4つの領域D1,D2,D3,D4に入射させている。また、この4分割フォトディテクタ27は、角度検出系28に接続されている。
【0027】
ここで、ステージ2のZ方向(上下方向)への変位量の検出について説明する。スキャナ1に所定の電圧を印加すると、スキャナ1の自由端側はZ方向へ伸縮する。例えば、スキャナ1の自由端、すなわちステージ2が上方向へdz変位したとすると、測定鏡24により2度反射される光路の長さは、4・dz増加する。
【0028】
したがって、縞計数系29に入射する測定鏡24と参照鏡23からの両反射光の間にはα=(4・dz)・2π/λ(λ:波長)の位相差が含まれる。この両反射光の干渉光強度Iは、次式で表される。
I=A+{1+cos(4.dz・2π/λ)} (1)
ここで、Aは振幅である。
【0029】
式(1)から、ステージ2がZ方向へdz=λ/4変化する毎に繰り返される強度変化を計数することで、ステージ2のZ方向変位dzを測定することができる。
上記で得られた測定結果をサンプリング部9にZ変位信号として出力する。サンプリング部9でZ変位信号は画像信号として画像メモリ10に保存され、図示しないCRTなどに像が表示される。
【0030】
なお、測定鏡24に対する測定光の位置はカンチレバー4測定点Pをはさんで対称にアライメントされているので、Z変位測定点Pはカンチレバー4測定点の垂線上にあることとなり、幾何学的な誤差は最小な配置となっている。このため、ステージ2が角度を持った場合でも、Z方向の測定は高い精度で行うことが可能となっている。
【0031】
次に、角度検出系28では、4分割フォトディテクタ27上の反射光のXY方向位置変化を出力する。4分割フォトディテクタ27に入射する光は、測定鏡24によって一度反射された光であり、スキャナ1の自由端端面角、すなわちステージ2の傾斜角の影響を含んでいる。スキャナ1が屈曲動作によりX方向へΔdx変位すると共に、ステージ2がX方向へθ傾いた影響を測定鏡24から4分割フォトディテクタ27までの光路長Lとすると、
Δdx=L×tan(2θ)=2Lθ (2)
のずれを生ずることとなる。
【0032】
同様に、Y方向へスキャナ1が変位した場合には測定鏡24はX軸を中心として傾斜するので、ステージ2のY方向への傾斜角度をφとすると、このときのY方向の変位量は次式で表される。
Δdy=L×tan(2φ)=2Lφ (3)
したがって、4分割フォトディテクタ27によりスポットの形成位置のずれ量Δdxyを、4分割フォトディテクタ27の各領域D1,D2,D3,D4への入射光量の比較から検出することにより、式(2)と式(3)に基づいて測定鏡24の傾斜角度θおよびφを求めることができる。
【0033】
ここで、スポットのずれ量Δdxyは測定鏡24の傾き方向に対応するので、角度検出系28では、4分割フォトディテクタ27の出力信号に基づいて、式(2)、式(3)の演算を行うことにより、測定鏡24の傾斜角度θおよびφを算出する。このようにして、角度検出系28では、測定鏡24の傾斜角度(θ,φ)と傾斜方向、すなわちX方向への変位量とY方向への変位量を算出することができる。
【0034】
このようにして、角度検出系28はこの反射光の位置ずれからXY変位を検出し、出力する。これにより、角度検出系28からはXY変位が得られ、縞計数系29からはZ変位の値が得られる。
角度検出系28は、4分割フォトディテクタ27から出力された信号より、ステージ2のX方向、Y方向のそれぞれの変位を表すモニタ信号Rx,Ryに変換し、スキャンコントローラ30に与える。具体的には、分割フォトディテクタ27の4つの受光領域D1,D2,D3,D4での受光情報をそれぞれRd1,Rd2,Rd3,Rd4とすると、モニタ信号Rx,Ryは、
Rx=(Rd1+Rd4)−(Rd2+Rd3) (4)
Ry=(Rd1+Rd2)−(Rd3+Rd4) (5)
で表される。このモニタ信号Rx,Ryは、上記のΔdx,Δdyに対応する情報であり、式(2),(3)よりそれぞれ、θ,φが算出される。算出された傾斜角度θ,φの情報は、スキャンコントローラ30に出力される。
【0035】
スキャンコントローラ30では、XY変位情報として得られたステージ2の傾斜角度θ,φに基づいて、現在位置と目標位置とのずれをXYスキャンドライバ8にX,Y走査信号Tx,Tyとして送出することでXY位置の制御を行っている。ここで、このずれ量の検出方法の1つに、例えば、所望とするステージ2の状態とモニタ信号が示す実際のステージ2の状態との偏差を求める方法がある。
【0036】
所望とするステージ2の状態と実際のステージ2の状態との間には、スキャナ1を構成する圧電体の変位に生じるヒステリシスやクリープ等によって変位が生じるので、XYスキャンドライバ8はこの偏差を求め、この偏差を補償するように走査信号Tx,Tyを変化させる。このようにして、実際のステージ2の状態が所望する状態となるようにフィードバック制御を行う。
【0037】
以上より、角度検出系28で得られたXY変位により、XY方向の位置歪みは発生することなく、また、カンチレバー4による表面追従は縞計数系29により検出した正確なZ変位により測定結果とすることができる。
(実施例2)
本実施例は、実施例1の変形例である。本実施例では、Z方向の変位に特化したスキャナシステムについて説明する。
【0038】
図2は、本実施例におけるスキャナシステムの構造の概要を示す。本実施例では、実施例1と異なり、角度検出系28の出力側はXYスキャンドライバ8に接続されており、角度検出系28からXY変位を示すXY変位値がXYスキャンドライバ8に出力される。
【0039】
XYスキャンドライバ8では従来例におけるZスキャンドライバ同様、角度検出系28から出力されたXY変位値が予め設定された一定値となるようにスキャナ1に電圧の印加を行う。この場合の設定値は、電圧を印加しない場合のXY変位値に等しくする。これにより、スキャナ1の自由端、すなわちステージ2のXY方向への移動は固定され、XY変位は生じない。
【0040】
以上より、ステージ2はZ方向の一軸にのみ極めて高い真直度を持って移動せしめることが可能となり、縞計数系29から出力されるZ変位値からは微小な幾何学誤差(アッベ誤差)をも排除することが可能となり、極めて高い確かさを持ってZ変位を得ることが可能となる。
【0041】
なお、実際にプローブ顕微鏡として動作させるには、図示しないXY方向の移動ステージによりカンチレバー4と試料3の相対位置関係を変化させることで1次元、あるいは2次元に移動させ、試料3の高さ方向の正確な変化を得ることが可能である。
【0042】
また、なお、実施例1,2で用いた干渉計に限定されることはなく、例えば、フィゾー干渉計やマイケルソン干渉計その他の干渉計を用いてもよい。また、実施例1,2では位置情報の取得にホモダイン法を用いているが、光源をヘテロダイン光源とするヘテロダイン法を用いることも可能である。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、コンパクトなスキャナシステムの構成において、歪のないXY位置情報のもと、正確なZ位置情報を得ることが可能であり、およびこれを用いたプローブ顕微鏡装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1におけるスキャナシステムの構造の概要を示す図である。
【図2】実施例2におけるスキャナシステムの構造の概要を示す図である。
【図3】圧電体スキャナを用いた走査型プローブ顕微鏡の従来例を示す図である。
【図4】従来の印加電圧に対するスキャナの変位特性をグラフ化した図である。
【符号の説明】
1 スキャナ
2 ステージ
3 試料
4 カンチレバー
5 カンチレバー変位センサ
6 Zスキャンドライバ
8 XYスキャンドライバ
9 サンプリング部
10 画像メモリ
20 レーザー光源
21 偏光ビームスプリッタ
22a,22b 1/4波長板
23 参照鏡
25 コーナーキューブ
26 ビームスプリッタ
27 4分割フォトディテクタ
28 角度検出系
29 縞計数系
30 スキャンコントローラ
[0001]
TECHNICAL 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 obtaining sample surface information with a resolution on the order of nanometers.
[0002]
[Prior art]
A scanning probe microscope is a device that can observe fine information of a sample surface with a vertical and horizontal resolution of nanometer order. A scanning tunneling microscope (STM) There are various types of atomic force microscopes (AFM), which are widely used for high-resolution observation of a sample surface.
[0003]
In order to realize high resolution with these scanning probe microscopes, a scanner system that can control the relative position between the probe and the sample with high resolution is required. As this type of scanner system, a cylindrical piezoelectric element is used for three axes. There is a piezoelectric scanner (tube scanner) used as a drive actuator. The tube scanner has four divided electrodes in the circumferential direction of a cylindrical piezoelectric element. By appropriately controlling the application of voltage to each electrode, the free end of the piezoelectric body can be three-dimensionally bent or expanded and contracted. Is to be displaced.
[0004]
FIG. 3 shows a conventional scanning probe microscope using this piezoelectric scanner. A stage 2 is fixed to an upper end of the scanner 1, and a sample 3 is placed on the stage 2. When the cantilever 4 is brought close to the sample 3, the free end of the cantilever 4 is displaced by an interaction between the sample 3 and the cantilever 4, for example, an atomic force.
[0005]
The cantilever displacement sensor 5 detects this displacement amount and outputs a displacement signal S1 to the Z scan driver 6. The Z scan driver 6 outputs a Z drive signal Sz for driving the scanner 1 so as to keep the cantilever displacement signal S1 at a predetermined constant value. The scanner 1 receives the signal and moves the sample 3 in the Z direction.
[0006]
That is, the Z scan driver 6 controls the distance between the sample 3 and the cantilever 4, and performs feedback control so that the interaction between the two can be kept constant. On the other hand, the scan controller 7 outputs an X scan signal Tx and a Y scan signal Ty for XY scan to the XY scan driver 8.
[0007]
The XY scan driver 8 performs XY scanning of the sample 3 by changing the applied voltages Sx and Sy to the scanner 1 in accordance with the X and Y scanning signals Tx and Ty and bending the scanner.
The scan controller 7 outputs timing pulses Px and Py for data capture to the sampling unit 9 based on the X and Y scan signals Tx and Ty. The sampling section 9 samples the Z drive signal Sz, that is, the Z displacement signal, according to the timing pulse. The Z displacement signal sampled by the sampling section 9 is stored in the image memory 10 as an image signal, and an image is displayed on a CRT (not shown).
[0008]
As described above, if the deflection of the cantilever 4 due to the atomic force is to be controlled, the obtained information is the three-dimensional shape information of the sample 3.
However, the scanner 1 typified by the tube-type piezoelectric scanner can be driven at a high resolution, but the displacement characteristics of the scanner 1 with respect to the applied voltage are not linear. For example, as shown in FIG. Has a hysteresis shape. It also shows a creep phenomenon in which the amount of displacement changes with the passage of the voltage application time.
[0009]
In the conventional measurement method, the Z drive signal Sz is sampled and imaged while changing the applied voltage at a constant width. Therefore, the obtained image is distorted due to the influence of hysteresis and creep phenomenon, and reproducibility is not good.
In order to solve this drawback, feedback control has been proposed in which the inclination of the stage is detected by using a four-division photodiode and converted into displacement in the XY directions, and an XY drive signal corrected based on this is supplied to the scanner. (For example, Patent Document 1).
[0010]
According to this method, the non-linearity in the XY directions is eliminated, and an image without distortion can be obtained with good reproducibility.
In addition, a means has been proposed in which a laser interferometer is arranged on three XYZ axes, the displacement of the scanner 1 is directly detected, and the XY position is controlled. Reference 1).
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3349779 (page 1-11, FIG. 1-16)
[Non-patent document 1]
"Three-dimension displacement measurement of a tube scanner for a scanning tunneling microscopic by optical interferometer, No. 6, 1995, Nanotechnology, UK. 121-126
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, due to the high spatial resolution of a scanning probe microscope, height information is particularly important in thin film step measurement, fine roughness measurement, etc., and the linearity in the XY directions and the reliability of the measurement data in the Z direction are important. It can be important. In such a case, in the conventional apparatus, hysteresis of the piezoelectric body remains in the Z direction, and accurate height information cannot be obtained.
[0013]
Further, Non-Patent Document 1 has a disadvantage that the system becomes large and complicated because the laser interferometers are arranged on three axes.
In view of the above problems, the present invention provides a compact scanner system capable of obtaining accurate Z position information together with XY position information without distortion, and a probe microscope apparatus using the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided a scanner that includes a displaceable stage on which a measurement target is placed, and that scans the scanning member and the measurement target relatively, and irradiates light. Irradiating means, a reflecting means provided on the stage, for reflecting the irradiating light irradiated by the irradiating means, and a relative phase change of first reflected light which is light reflected by the reflecting means. A displacement information acquiring unit for acquiring displacement information indicating information on a displacement amount of the stage in a vertical direction, and a relative position of the reflecting unit based on a second reflected light that is light reflected by the reflecting unit. And an angle change information obtaining unit that obtains angle change information indicating information on a change in inclination.
[0015]
With this configuration, accurate Z position information can be obtained together with XY position information without distortion.
According to the second aspect of the present invention, the above object can be achieved by providing the scanner system according to the first aspect, wherein the scanner has the reflection means inside the scanner.
[0016]
With this configuration, the internal space of the piezoelectric body of the scanner system can be effectively used.
According to a third aspect of the present invention, the displacement information acquiring unit acquires a relative change amount of interference fringes due to interference between predetermined light and the second reflected light. This can be achieved by providing a scanner system according to claim 1.
[0017]
With this configuration, displacement information in the Z direction can be obtained.
The above object can be achieved by providing the scanner system according to the first aspect, wherein the stage is displaced only in the vertical direction.
[0018]
With this configuration, the scanner system can move with extremely high straightness only in one axis in the Z direction.
According to a fifth aspect of the present invention, the above object can be achieved by providing a scanning probe microscope using the scanner system according to any one of the first, second, third, and fourth aspects. .
[0019]
With this configuration, the scanner system according to claims 1 to 4 can be used for a scanning probe microscope.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As an embodiment of the present invention, a scanner for moving a measurement target, and a displacement detection system provided to detect the displacement of the measurement target, comprising a displacement detection system near the measurement target object The arranged reflection means, a light source for irradiating light to the reflection means, a displacement detection system for detecting a displacement of the measuring object from a phase change of the reflected light from the reflection means, and a part of the reflected light is taken out and reflected. A scanner system comprising an angle detection system for detecting a change in the angle of light, and a scanning probe microscope apparatus using this scanner system.
[0021]
Now, an example in which the scanner system according to the embodiment of the present invention is incorporated in a scanning probe microscope will be described below. In the description, the same parts as those of the configuration shown in the conventional example are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
(Example 1)
FIG. 1 shows the outline of the structure of the scanner system in the present embodiment. As shown in the figure, a measuring mirror 24 is attached to the back side of the stage 2 fixed to the free end side of the scanner 1. On the fixed end side of the scanner 1, a laser light source 20, a polarizing beam splitter 21, quarter-wave plates 22a and 22b, a reference mirror 23, a corner cube 25, and a beam splitter 26 are fixedly arranged.
[0022]
Light emitted from the laser light source 20 enters the polarization beam splitter 21. The light transmitted through the polarizing beam splitter 21 is reflected by the reference mirror 23 via the quarter-wave plate 22b as reference light, and is incident on the polarizing beam splitter 21 again via the quarter-wave plate 22b.
[0023]
At this time, since the polarization state of the re-entered polarization beam splitter is a linear polarization rotated by 90 degrees from that at the time of transmission through the polarization beam splitter 21, the polarization state is reflected by the polarization beam splitter 21, The light is reflected at 21 and again enters the reference mirror 23 via the quarter-wave plate 22b. The light reflected by the reference mirror 23 again passes through the polarizing beam splitter 21 via the quarter-wave plate 22b.
[0024]
Similarly, the light emitted from the laser light source 20 and reflected by the polarization beam splitter 21 passes through the quarter-wave plate 22a and the corner cube 25 due to the same polarization state change as the light reflected by the above-mentioned reference mirror. Are reflected twice, overlap with the reflected light passing through the reference mirror 23, exit, and enter the fringe counting system 29. In the fringe counting system 29, a phase difference is detected by homodyne detection from interference fringes caused by reflected light from the measuring mirror 24 and the reference mirror 23.
[0025]
Here, the positions 24a and 24b of the light incident on the measuring mirror 24 on the measuring mirror 24 are adjusted to positions symmetrical with respect to a perpendicular mirror surface P passing through the measuring point by the cantilever 4. A beam splitter 26 is provided on the optical path side to be guided to the measuring mirror 24, and is arranged so as to branch the first reflected light from the measuring mirror 24 and to lead it to the four-divided photodetector 27. The reflected light incident on the four-segment photodetector 27 forms a condensed spot on the light receiving surface of the four-segment photodetector 27.
[0026]
Here, the light receiving surface of the four-divided photodetector 27 is composed of four equally divided regions D1, D2, D3, and D4, and these four regions are configured to be in contact at the center of the light receiving surface. When the stage 2 is not displaced, the condensed spot is formed at the center of the light receiving surface of the 4-split photodetector 27. That is, the same amount of light is incident on each of the four regions D1, D2, D3, and D4. The four-divided photodetector 27 is connected to an angle detection system 28.
[0027]
Here, detection of the amount of displacement of the stage 2 in the Z direction (vertical direction) will be described. When a predetermined voltage is applied to the scanner 1, the free end side of the scanner 1 expands and contracts in the Z direction. For example, if the free end of the scanner 1, that is, the stage 2 is displaced dz upward, the length of the optical path reflected twice by the measuring mirror 24 increases by 4 · dz.
[0028]
Therefore, a phase difference of α = (4 · dz) · 2π / λ (λ: wavelength) is included between the two reflected lights from the measuring mirror 24 and the reference mirror 23 that enter the fringe counting system 29. The interference light intensity I of the two reflected lights is represented by the following equation.
I = A 2 + {1 + cos (4.dz · 2π / λ)} (1)
Here, A is the amplitude.
[0029]
From equation (1), the Z-direction displacement dz of the stage 2 can be measured by counting the intensity change that is repeated each time the stage 2 changes dz = λ / 4 in the Z direction.
The measurement result obtained above is output to the sampling unit 9 as a Z displacement signal. The Z displacement signal is stored in the image memory 10 as an image signal by the sampling section 9, and an image is displayed on a CRT (not shown).
[0030]
In addition, since the position of the measuring light with respect to the measuring mirror 24 is symmetrically aligned with the cantilever 4 measuring point P interposed therebetween, the Z displacement measuring point P is on the perpendicular to the cantilever 4 measuring point, and is geometrical. The error has a minimum arrangement. For this reason, even when the stage 2 has an angle, the measurement in the Z direction can be performed with high accuracy.
[0031]
Next, the angle detection system 28 outputs a change in the XY direction position of the reflected light on the four-divided photodetector 27. The light incident on the four-segment photodetector 27 is light once reflected by the measuring mirror 24 and includes the influence of the free end face angle of the scanner 1, that is, the inclination angle of the stage 2. When the scanner 1 is displaced by Δdx in the X direction due to the bending operation, and the effect of the stage 2 tilting by θ in the X direction is the optical path length L from the measuring mirror 24 to the four-divided photodetector 27,
Δdx = L × tan (2θ) = 2Lθ (2)
Will occur.
[0032]
Similarly, when the scanner 1 is displaced in the Y direction, the measuring mirror 24 is inclined about the X axis. Therefore, if the inclination angle of the stage 2 in the Y direction is φ, the displacement amount in the Y direction at this time is It is expressed by the following equation.
Δdy = L × tan (2φ) = 2Lφ (3)
Therefore, by detecting the shift amount Δdxy of the spot forming position by the four-segment photodetector 27 from the comparison of the amounts of light incident on the regions D1, D2, D3, and D4 of the four-segment photodetector 27, the equations (2) and ( The inclination angles θ and φ of the measuring mirror 24 can be obtained based on 3).
[0033]
Here, since the spot shift amount Δdxy corresponds to the tilt direction of the measuring mirror 24, the angle detection system 28 performs the calculations of the equations (2) and (3) based on the output signal of the four-divided photodetector 27. Thus, the inclination angles θ and φ of the measuring mirror 24 are calculated. In this manner, the angle detection system 28 can calculate the inclination angle (θ, φ) and the inclination direction of the measuring mirror 24, that is, the displacement amount in the X direction and the displacement amount in the Y direction.
[0034]
In this way, the angle detection system 28 detects the XY displacement from the displacement of the reflected light and outputs it. Thus, the XY displacement is obtained from the angle detection system 28, and the Z displacement value is obtained from the fringe counting system 29.
The angle detection system 28 converts the signals output from the four-divided photodetector 27 into monitor signals Rx and Ry representing the respective displacements of the stage 2 in the X and Y directions, and provides the monitor signals Rx and Ry to the scan controller 30. Specifically, assuming that the light receiving information in the four light receiving regions D1, D2, D3, and D4 of the divided photodetector 27 is Rd1, Rd2, Rd3, and Rd4, respectively, the monitor signals Rx and Ry are:
Rx = (Rd1 + Rd4)-(Rd2 + Rd3) (4)
Ry = (Rd1 + Rd2)-(Rd3 + Rd4) (5)
Is represented by The monitor signals Rx and Ry are information corresponding to the above-mentioned Δdx and Δdy, and θ and φ are calculated from equations (2) and (3), respectively. Information on the calculated inclination angles θ and φ is output to the scan controller 30.
[0035]
The scan controller 30 sends the deviation between the current position and the target position as the X and Y scanning signals Tx and Ty to the XY scan driver 8 based on the inclination angles θ and φ of the stage 2 obtained as the XY displacement information. Controls the XY position. Here, as one of the methods of detecting the deviation amount, for example, there is a method of obtaining a deviation between a desired state of the stage 2 and an actual state of the stage 2 indicated by the monitor signal.
[0036]
Since a displacement occurs between the desired state of the stage 2 and the actual state of the stage 2 due to hysteresis, creep, or the like generated in the displacement of the piezoelectric body constituting the scanner 1, the XY scan driver 8 calculates this deviation. The scanning signals Tx and Ty are changed so as to compensate for this deviation. In this way, feedback control is performed so that the actual state of the stage 2 becomes a desired state.
[0037]
As described above, the XY displacement obtained by the angle detection system 28 does not cause positional distortion in the XY directions, and the surface following by the cantilever 4 is a measurement result based on the accurate Z displacement detected by the fringe counting system 29. be able to.
(Example 2)
This embodiment is a modification of the first embodiment. In the present embodiment, a scanner system specialized for displacement in the Z direction will be described.
[0038]
FIG. 2 shows an outline of the structure of the scanner system in the present embodiment. In the present embodiment, unlike the first embodiment, the output side of the angle detection system 28 is connected to the XY scan driver 8, and the XY displacement value indicating the XY displacement is output from the angle detection system 28 to the XY scan driver 8. .
[0039]
The XY scan driver 8 applies a voltage to the scanner 1 so that the XY displacement value output from the angle detection system 28 becomes a preset constant value, similarly to the Z scan driver in the conventional example. The set value in this case is equal to the XY displacement value when no voltage is applied. Thus, the free end of the scanner 1, that is, the movement of the stage 2 in the XY directions is fixed, and no XY displacement occurs.
[0040]
As described above, the stage 2 can be moved with extremely high straightness only in one axis in the Z direction, and a small geometric error (Abbe error) can be generated from the Z displacement value output from the fringe counting system 29. It is possible to eliminate and to obtain Z displacement with extremely high certainty.
[0041]
In order to actually operate as a probe microscope, the relative position relationship between the cantilever 4 and the sample 3 is changed by a moving stage (not shown) in the XY direction, thereby moving the cantilever 4 and the sample 3 one-dimensionally or two-dimensionally. It is possible to obtain an exact change of.
[0042]
Further, the present invention is not limited to the interferometers used in the first and second embodiments. For example, a Fizeau interferometer, a Michelson interferometer, or another interferometer may be used. In the first and second embodiments, the homodyne method is used to acquire the position information. However, the heterodyne method using a light source as a heterodyne light source may be used.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain accurate Z position information based on XY position information without distortion in a compact scanner system configuration, and to provide a probe microscope apparatus using the same. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a structure of a scanner system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating an outline of a structure of a scanner system according to a second embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a conventional example of a scanning probe microscope using a piezoelectric scanner.
FIG. 4 is a graph showing a conventional displacement characteristic of a scanner with respect to an applied voltage.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Scanner 2 Stage 3 Sample 4 Cantilever 5 Cantilever displacement sensor 6 Z scan driver 8 XY scan driver 9 Sampling unit 10 Image memory 20 Laser light source 21 Polarization beam splitters 22a, 22b Quarter wave plate 23 Reference mirror 25 Corner cube 26 Beam splitter 27 4-part photodetector 28 Angle detection system 29 Stripe counting system 30 Scan controller

Claims (5)

測定対象物を載置させる変位可能なステージを備えた、走査部材と該測定対象物とを相対的に走査させるスキャナと、
光を照射する照射手段と、
前記ステージに設けられ、前記照射手段により照射された照射光を反射する反射手段と、
該反射手段によって反射された光である第1の反射光の相対的な位相変化に基づいて、前記ステージの鉛直方向への変位量の情報を示す変位情報を取得する変位情報取得手段と、
前記反射手段によって反射された光である第2の反射光に基づいて、該反射手段の相対的な傾きの変化の情報を示す角度変化情報を取得する角度変化情報取得手段と、
を備えることを特徴とするスキャナシステム。
With a displaceable stage on which the measurement target is placed, a scanner that relatively scans the scanning member and the measurement target,
Irradiating means for irradiating light;
Reflecting means provided on the stage, for reflecting irradiation light irradiated by the irradiation means,
Displacement information acquisition means for acquiring displacement information indicating information on the amount of displacement of the stage in the vertical direction based on a relative phase change of first reflected light that is light reflected by the reflection means;
Angle change information acquisition means for acquiring angle change information indicating information on a change in relative inclination of the reflection means, based on second reflected light that is light reflected by the reflection means,
A scanner system comprising:
前記スキャナは、該スキャナの内側に前記反射手段を有することを特徴とする請求項1記載のスキャナシステム。The scanner system according to claim 1, wherein the scanner includes the reflection unit inside the scanner. 前記変位情報取得手段は、所定の光と前記第2の反射光との干渉による干渉縞の相対的な変化量を取得することを特徴とする請求項1記載のスキャナシステム。2. The scanner system according to claim 1, wherein the displacement information acquisition unit acquires a relative change amount of an interference fringe due to interference between a predetermined light and the second reflected light. 前記ステージは、鉛直方向へのみ変位することを特徴とする請求項1記載のスキャナシステム。The scanner system according to claim 1, wherein the stage is displaced only in a vertical direction. 請求項1、2、3、及び4のうちのいずれか1つに記載のスキャナシステムを用いる走査型プローブ顕微鏡。A scanning probe microscope using the scanner system according to any one of claims 1, 2, 3, and 4.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2009064039A1 (en) * 2007-11-14 2009-05-22 Industry-University Cooperation Foundation Sogang University Apparatus for inspecting homogeneity of the coefficient of the optically induced linear birefringence in thin film
KR20230044421A (en) * 2020-08-18 2023-04-04 옥스포드 인스트루먼츠 아실럼 리서치, 인크. Atomic Force Microscopy Based Interferometry

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009064039A1 (en) * 2007-11-14 2009-05-22 Industry-University Cooperation Foundation Sogang University Apparatus for inspecting homogeneity of the coefficient of the optically induced linear birefringence in thin film
KR20230044421A (en) * 2020-08-18 2023-04-04 옥스포드 인스트루먼츠 아실럼 리서치, 인크. Atomic Force Microscopy Based Interferometry
KR102656778B1 (en) * 2020-08-18 2024-04-11 옥스포드 인스트루먼츠 아실럼 리서치, 인크. Atomic force microscope-based interferometry

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