JP2009128139A - Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope - Google Patents
Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009128139A JP2009128139A JP2007302474A JP2007302474A JP2009128139A JP 2009128139 A JP2009128139 A JP 2009128139A JP 2007302474 A JP2007302474 A JP 2007302474A JP 2007302474 A JP2007302474 A JP 2007302474A JP 2009128139 A JP2009128139 A JP 2009128139A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cantilever
- probe
- sample
- scanning
- light
- 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.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
- G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
- G01Q30/02—Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope
- G01Q30/025—Optical microscopes coupled with SPM
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
【課題】走査プローブ顕微鏡の探針をきわめて高速に駆動しつつ、探針と試料の接触状態の検出・探針の加振を光学的に行うことを可能とし、大型の半導体基板、フラットディスプレイ基板のような、試料側を駆動できないような試料に対応した、高速走査プローブ検出を可能とする。
【解決手段】探針と試料の接触状態の検出・探針の加振を光学的に行うための光線を、平行光線の状態で試料観察用の対物レンズの下に導入して、さらに、対物レンズ下にカンチレバーと共に駆動されるように取り付けた微小な集光レンズでカンチレバー上の一定の点に集光して照射することにより、カンチレバーが移動しても常にカンチレバー上の一定の位置を照射することが可能となり、また、集光レンズは微小なので、カンチレバー駆動部の動特性に影響を与えず、高速にカンチレバーを走査して試料を観察・測定することが可能となる。
【選択図】図1
[PROBLEMS] To detect a contact state between a probe and a sample and to vibrate the probe optically while driving a probe of a scanning probe microscope at extremely high speed, and to provide a large semiconductor substrate and a flat display substrate. Thus, it is possible to detect a high-speed scanning probe corresponding to a sample that cannot be driven on the sample side.
A light beam for optically detecting the contact state of the probe and the sample and oscillating the probe is introduced under the objective lens for observing the sample in a parallel beam state. By focusing and irradiating a certain point on the cantilever with a small condensing lens attached to be driven with the cantilever under the lens, it always irradiates a certain position on the cantilever even if it moves. In addition, since the condensing lens is very small, it is possible to observe and measure the sample by scanning the cantilever at high speed without affecting the dynamic characteristics of the cantilever driving unit.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は,走査プローブ顕微鏡及び走査プローブ顕微鏡用探針ユニットに関する。 The present invention relates to a scanning probe microscope and a probe unit for a scanning probe microscope.
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)が知られている。これは先端のとがった探針の取り付けられたカンチレバーを制御しながら,接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技術で,原子オーダの微細立体形状が計測できる技術として,広く用いられている。 A scanning probe microscope (SPM) is known as a technique for measuring a fine three-dimensional shape. This is a technique that scans a sample while controlling the cantilever with a pointed tip attached while keeping the contact force at a very small value, and is widely used as a technique that can measure the fine three-dimensional shape of atomic orders. ing.
一方,現在、LSIの微細パターン形成プロセスではCD−SEM(測長SEM)を用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、プロセスのマージンが減少するため,平面的な寸法だけでなく,パターンの立体的な形状寸法を正確に測定して,プロセスを管理する必要が増大している。 On the other hand, currently, in the fine pattern formation process of LSI, CD-SEM (length measurement SEM) is used for dimension management. However, since the process margin decreases with the miniaturization of the pattern, only the planar dimension is obtained. Instead, the need to manage the process by accurately measuring the three-dimensional shape of the pattern is increasing.
このために,走査プローブ顕微鏡技術が有望と思われる。この場合、大口径の半導体ウェハを測定する必要があるため、通常の走査プローブ顕微鏡に用いられる試料側を走査する方法では、試料が重く高速の測定が困難である。そのため、試料側ではなく探針側を高速に走査して測定を行う技術が望まれる。 For this reason, scanning probe microscope technology seems promising. In this case, since it is necessary to measure a large-diameter semiconductor wafer, the method of scanning the sample side used in a normal scanning probe microscope makes the sample heavy and difficult to measure at high speed. Therefore, a technique for performing measurement by scanning the probe side, not the sample side, at high speed is desired.
これに対して,特許文献1では,探針および試料を観察する対物レンズを通してカンチレバーの検出や加振を行う光ビームを照射しながら,カンチレバーを走査しつつ,常にビームをカンチレバー上の所定の位置に照射するために,対物レンズをプローブ操作機構と一体で駆動する方法が示されていた。
しかしながら,上記した方法を用いても、質量の大きい対物レンズを高速に駆動せねばならないため、十分な速度を得ることが困難であった。 However, even if the above-described method is used, it is difficult to obtain a sufficient speed because an objective lens having a large mass must be driven at a high speed.
本発明の走査プローブ顕微鏡は、試料を載置した試料台と探針を備えたカンチレバーとの相互の位置関係を制御する駆動機構と、前記カンチレバーの変形状態を光学的に計測するセンサを備え、試料の立体表面形状を含む前記試料の表面分布を計測する走査プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバーと前記試料を観察する光学顕微鏡を備え、前記カンチレバーの変形状態を光学的に計測するセンサの構成部品のうち少なくとも一つの光学素子が前記光学顕微鏡と前記試料の間に配置され、前記駆動機構と一体で駆動されることを特徴とする。
また、本発明の走査プローブ顕微鏡用探針ユニットは、集光レンズを、探針を備えたカンチレバーと一体化し、前記集光レンズの焦点位置にカンチレバーが来るように位置合わせされていることを特徴とする。
The scanning probe microscope of the present invention comprises a drive mechanism that controls the mutual positional relationship between a sample stage on which a sample is placed and a cantilever equipped with a probe, and a sensor that optically measures the deformation state of the cantilever, A scanning probe microscope for measuring a surface distribution of the sample including a three-dimensional surface shape of the sample, the sensor comprising an optical microscope for observing the cantilever and the sample, and a sensor component for optically measuring the deformation state of the cantilever At least one optical element is disposed between the optical microscope and the sample, and is driven integrally with the driving mechanism.
The probe unit for a scanning probe microscope according to the present invention is characterized in that the condenser lens is integrated with a cantilever provided with a probe, and is aligned so that the cantilever comes to the focal position of the condenser lens. And
本発明によれば、カンチレバーを走査する間、常にカンチレバーの検出や加振を行う光ビームをカンチレバーの所定の位置に照射するための、小形で質量の小さい光学系を具備することにより、カンチレバーの走査を高速で行うことと、光によるカンチレバーの検出・加振を両立し、走査プローブ顕微鏡による走査・測定速度を向上できるという効果を奏する。 According to the present invention, by providing a small and low-mass optical system for irradiating a predetermined position of the cantilever with a light beam that constantly detects and vibrates the cantilever while scanning the cantilever, There is an effect that the scanning can be performed at a high speed and the detection / vibration of the cantilever by light is compatible, and the scanning / measurement speed by the scanning probe microscope can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明にかかわる走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。X、Y、Z方向に駆動が可能な試料ステージ302上に試料501が載せられており、走査制御部201によって制御されている。探針を先端に形成したカンチレバー103を取り付けたカンチレバー移動機構252はXYZ走査駆動部203からの信号によってX、Y、Z方向に駆動され、これによって走査プローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a scanning probe microscope according to the present invention. A
カンチレバー駆動部202からの信号により、カンチレバー103自身あるいは、カンチレバーの根元に配置された圧電素子などで構成されたアクチュエータに微小振動を生じることが出来る。あるいは、別の実施例として、カンチレバー駆動部202からの信号はXYZ走査駆動部203からの信号に重畳されて、カンチレバー移動機構に微小振動を起こすことで取り付けられたカンチレバー103に振動を励起してもよい。あるいは後述のように、カンチレバーに直接振動励起光を照射することで微小振動をカンチレバー103に励起してもよい。微小振動は探針104と試料501との接触状態を検出するために用いるが、微小振動をもちいずに試料501との接触によって生起されるカンチレバー103の静的な変形を用いて接触状態を検出してもよい。
By a signal from the
101はカンチレバー・試料観察レンズであり、上方からの試料501・カンチレバー103の観察、試料の高さ測定をこのレンズを通して行う。探針104と試料501との接近は、試料ステージ302のZ方向への駆動制御あるいは、カンチレバー移動機構252に持たせたZ方向粗動機能によってもよい。走査制御部201は、接触状態検出器205によって検知された探針104と試料501の接触状態をもちいて、探針104と試料501との接近を制御する。
近接センサ204はカンチレバー103の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサであり、接触状態検出器からの情報に加えてこれを用いた場合は、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御することで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。近接センサ204には後述するように光を用いてもいいが、検出範囲が数十マイクロメートル以上あり、1マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセンサであればほかのセンサを用いてもよい。
The
たとえば、図示しない試料501の直上に設けたセンサヘッドあるいは探針104と試料501との間に交流電圧をかけることによって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、図示しない試料501の直上に設けたセンサヘッドと試料501との間にセンサヘッドからの空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用いてもよい。
For example, a capacitive sensor that measures the capacitance by applying an AC voltage between a sensor head or
走査制御部201は探針の接触状態検出器205、近接センサ204、探針を先端に形成したカンチレバーホルダ駆動部203、カンチレバー駆動部202、試料ステージ302を制御して探針の近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をSPM像形成装置208に送ることによって、試料の表面形状像を得る。また、信号印加装置207はカンチレバーを高周波数で加振して応答を接触状態検出器205で検出し表面の弾性などを計測したり、カンチレバーと試料の間に交流あるいは直流電圧をかけて電流を測定し、容量あるいは抵抗を計測したりする。
The
これをカンチレバーのスキャンと同時に行うことによってSPM像形成装置207に表面形状像のほかに、付加的性質の分布像を得ることが出来る。装置全体の動作は全体制御装置250によって制御され、表示・入力装置251によって、操作者の指示を受けたり、光学像やSPM像を提示したりすることが出来る。
By performing this simultaneously with the cantilever scanning, it is possible to obtain an additional property distribution image in addition to the surface shape image in the SPM
以下、探針104の接触状態の検出原理について図2をもちいて説明する。探針104を先端に形成したカンチレバー103はカンチレバー移動機構252に取り付けられている。カンチレバー103がカンチレバー移動機構252によって押し下げられて探針104が試料501に接触すると、カンチレバー103が撓み、角度が変化する。レーザ光をカンチレバー103に照射しその反射光のスポット位置をポジションセンサ116で検出する。すると、図2の上下方向にスポットが移動した場合はカンチレバー103にたわみが生じていることを示し、これより、探針104にかかる上下方向の力Fzを測ることが出来る。また、図2の左右方向にスポットが移動した場合はカンチレバー103に捻れが生じていることを示し、これより、探針104にかかる奥行き方向の力Fyを測ることが出来る。なお、ポジションセンサ116による信号の低周波成分を検出すれば、カンチレバーの静的な捩れや撓みが検出でき、高周波成分を検出すれば、カンチレバーの捩れ振動や撓み振動の振幅・位相・周波数などを検出でき、静的な捩れや撓み、振動の振幅・位相・周波数のいずれの情報も探針103と試料501の接触力や接触力の勾配といった、接触状態を表していることになり、これによって接触状態検出器205は接触状態を検知できる。
Hereinafter, the detection principle of the contact state of the
ここで、たわみの検出について詳しく述べる。図3のようにカンチレバー103にたわみを生じさせる力は、探針にかかる上下方向の力Fzと探針にかかる左右方向の力Fxの2種類がある。カンチレバーのヤング率をE、長さをL、幅をw、厚さをd、探針の高さをhtとする。カンチレバー103上の根元からの距離xにおける傾きをθ(x)とすると、
以上によって、2本の光線をカンチレバー103に照射して反射方向を検出することで、探針にかかる3方向の力を分離して検出することが出来る。2箇所の照射位置は上記の例にとらわれず、ある程度はなれた2点に照射すれば同様に力の分離検出が可能なことは言うまでもない。
As described above, by irradiating the
次に、図4を用いてカンチレバー103の傾きを検出する別の実施例を示す。図のように先端にレーザービーム130を照射して、参照光との干渉信号を検出することでカンチレバー103の先端の変位を検出することが出来る。参照光は後述のように検出部内部で合成してもよいし、図4(a)の130’のように、カンチレバー103の根元に照射して、この部分の高さを基準としてもよい。図4(b)はカンチレバー103を上から見た図である。カンチレバー103の撓みだけでなく捩れも同時に検出するために、検出用のレーザ130をa、bの2箇所にそれぞれ照射して、変位Za、Zbを測定し、(Za+Zb)/2から撓みを、(Za−Zb)から捩れを検出することが出来る。参照光130’を照射する場合は図4(b)のcの位置に照射すればいい。別の実施例として、カンチレバー103の振動状態を検出する場合には、aの場所一箇所だけに検出用レーザー130を照射して、カンチレバー103のたわみ振動モード・捩れ振動モードに対応する周波数の振動をそれぞれ検出すれば、たわみ振動モードと捩れ振動モードを分離して振幅・位相・周波数を検出することが可能である。
Next, another embodiment for detecting the inclination of the
また、カンチレバー103上に強度変調されたレーザを照射することで熱誘起応力起因の振動を誘起することが可能である。照射位置や強度変調の周波数を適切に選ぶことで、任意の振動モードの振動を一種類、あるいは、変調周波数を複数重畳することで、2種類以上の振動モードの振動をカンチレバー103に誘起することが可能となる。
上記示したように、カンチレバーの振動・変形状態の検出やカンチレバーに対する振動励起のため、カンチレバー103に複数のレーザを照射し、目的に応じてい反射光を検出する必要がある。この照射位置は、検出や加振の目的によって適切な位置に設定する必要がある。さらに、大型の半導体ウェハなどを高速・高精度で走査するために、試料501ではなく、カンチレバー103の側を走査する必要がある。以下、上記課題を実現するための実施例について説明する。
Further, it is possible to induce vibration caused by heat-induced stress by irradiating the
As described above, it is necessary to irradiate the
図5は光学系の一実施例を示す図である。700、700’、700”はカンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット、あるいは、加振用レーザユニットである。これらから出た光130は可動ミラー740、740’、740”で反射されて、向きを微調整される。これらの光は、712、712’で表した光を一定の強度割合で反射/透過するハーフミラーやある波長を境として反射・透過が替わるダイクロイックミラーや偏光状態によって反射/透過が替わる偏光ビームスプリッタで合成される。さらに、レンズ780、781をへて、ミラー789で下向きに反射されて、必要に応じて波長板725をへて、レンズ790でカンチレバー103上に集光される。カンチレバー103で反射した光はレンズ790で再び平行光に変換され、波長板725を使用する場合はこれを通る。
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of the optical system.
波長板は4分の1波長板を用いると、直線偏光の入射光を円偏光に変換し、カンチレバーによる円偏光の反射光を、入射光と直交する直線偏光に変換することが可能である。さて、波長板725を透過した光はミラー790で反射され、レンズ781、レンズ780を透過して、ミラー712、可動ミラー740を経てレーザ光源・検出系ユニット/加振用レーザユニット700に戻る。ここで、カンチレバー103を取り付けたカンチレバー移動機構252にカンチレバー103の直上のレンズ790は取り付けられ、カンチレバー103の根元部分と一体に動く。レンズに平行光を入射した場合、つねにレンズの焦点面上のレンズからの相対位置が固定の一点に集光されるので、上記構成によって、カンチレバー103が駆動されて移動しても上の特定の位置を常に照射することが可能となる。
If the quarter wave plate is used, it is possible to convert linearly polarized incident light into circularly polarized light, and to convert circularly polarized light reflected by the cantilever into linearly polarized light orthogonal to the incident light. The light transmitted through the
このレンズ790はサイズが小さく軽いレンズで構成することが可能なため、カンチレバー駆動機構252を高速に駆動することが可能となる。ミラー789は固定でもよいが、この場合は、カンチレバー103に照射される光の入射方向がレンズ790の移動に伴って若干変わることになる。ミラー789をレンズ790と共にカンチレバー駆動機構252と一体に駆動すれば、常に同じ入射方向を保ちながらカンチレバー103上の照射位置を追従することが可能となり、より好ましい。
Since this
ここで、可動ミラー740、740’、740”について説明する。これらのミラーはレーザの反射方向を紙面に平行な方向と紙面に垂直な方向の2方向に微調整できる2自由度の可動ミラーである。ミラーの方向を変えることによって、レンズ780の後の集光位置、および、ここと共役なカンチレバー103上の照射位置を移動させることが可能である。ここで、カンチレバー103にたいする照射方向を変えずに照射位置だけを変えるためには、可動ミラー740、740’、740”の位置はレンズ780と781の系にたいして、レンズ790の瞳位置とほぼ共役となっているのが望ましい。
Here, the
以上、述べた実施例によって、カンチレバー103上の複数のビームを照射して高速にカンチレバー103の走査動作に照射位置を追従させることと、カンチレバー103上の照射位置を調整することが可能となる。なお、上記例では、ユニット700が3式の場合で説明したが、1式以上の任意の個数のユニット700を用いて同様に装置が構成できることは言うまでもない。
As described above, according to the embodiment described above, it is possible to irradiate a plurality of beams on the
ここで、図13を用いて、あらかじめ調整されたカンチレバーユニットの実施例について説明する。前述のように、検出光・励起光はミラー789、波長板725、集光レンズ790を介してカンチレバー103の背面を照射する。この場合、カンチレバー103を交換するとき、カンチレバーの位置がずれるので光学系を再度調整する必要がある。しかし、カンチレバー103と集光レンズ790の間の位置関係があらかじめ一定に調整されて図13(a)に示すようにユニットになっていれば、ユニットの位置が若干ずれていてもユニットの角度がばらつかなければ、カンチレバー103上の集光位置は入射光の角度だけできまる。よって、図13(a)に示すようなカンチレバー=集光レンズユニットを用いれば、ユニットを装着するだけで、光学系の調整不要ですぐ測定が出来るようになる。別の実施例として、図13(b)のように、カンチレバー103と集光レンズ790のほかに、ミラー789、波長板725なども一体化したユニットとしてもよい。
Here, an embodiment of a cantilever unit adjusted in advance will be described with reference to FIG. As described above, the detection light / excitation light irradiates the back surface of the
ここで、試料観察系の説明をする。照明光源154より観察用照明光は出射し、コンデンサレンズ153を通り、ビームスプリッタ155で反射し、101の対物レンズを通って試料501および、探針を先端に形成したカンチレバー103を照明する。反射光は再び対物レンズを透過し、ビームスプリッタ155を透過して結像レンズ152で結像され、イメージセンサ151で検出される。
Here, the sample observation system will be described. The illumination light for observation is emitted from the
以下、カンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット/加振用レーザユニット700についての様々な実施例を示す。
図6(a)はカンチレバーの振動状態を検出する目的の光学系である。2周波光発生器701からは周波数f1と周波数f1+Δfと周波数がわずかにずれた2本のビーム(791と792)が発生する。2本のビームはたとえば、レーザからの光をビームスプリッタで分けて一方を音響光学素子に通すことで周波数をΔfだけずらすことによって発生する。あるいは、互いに偏波面の直交した2本のビームを発生する2周波レーザも市販されている。第一のビーム791は偏光ビームスプリッタ722で反射される方向に偏光して2周波光発生器701から出射する。前述のように出射した光130はカンチレバー103の背面に照射される。
Various examples of the cantilever deformation detection laser light source / detection system unit /
FIG. 6A shows an optical system for detecting the vibration state of the cantilever. The dual-
ここで反射された光は4分の1波長板725の効果によって、偏光方向を90度回転されて偏光ビームスプリッタ722に戻ってくる。偏光方向が90度回転しているため、偏光ビームスプリッタ722は透過して、その次の偏光ビームスプリッタ723も透過する。
ここで、2周波光発生器701から出たもう一方の周波数f1+Δfのビーム792を偏光方向が偏光ビームスプリッタ723で反射する方向に調整しておくと、723で反射されるため、ここで、探針を先端に形成したカンチレバー103から反射してきた光と合流し、偏光板721を通過してフォトダイオード720に到達する。
The light reflected here returns to the
Here, if the polarization direction of the
ビーム791と792の偏光板721通過時の偏光方向は直行しているが、偏光板721を両ビームの偏光方向の中間の角度に傾けることで、両ビームは干渉を起こし、周波数Δfの光強度変化を発生するので、これをフォトダイオード720で検出する。なお、フォトダイオード720の前に受光面上にレーザを集光するためのレンズ729を置いてもよい。
Although the polarization directions of the
ここで、図1の接触状態検出器205の動作について説明する。
検出された光強度信号A(t)の交流成分はcos2π(Δft+2Z/λ)となる。ここで、Zは探針を先端に形成したカンチレバー103の振動による変位、λはレーザの波長、tは時間である。従って、この信号の位相を検出することによって探針を先端に形成したカンチレバー103の変位を求めることが出来る。位相の検出には2周波光発生器701中の音響光学素子に与えた周波数Δfの信号か、または、2周波光発生器701から発生する2本のビームの一部分を分岐して探針を先端に形成したカンチレバーに当てないで直接干渉させることによって得られる周波数Δfの信号を基準として用いて、A(t)と共に位相検出回路に入力すればよい。
Here, the operation of the
The AC component of the detected light intensity signal A (t) is cos2π (Δft + 2Z / λ). Here, Z is the displacement due to vibration of the
あるいは、光強度信号A(t)自身とこれをΔtだけ遅延させた信号A(t―Δt)の位相差を検出すれば、この位相差の変化成分は2(Z(t)−Z(t−Δt))/λとなるので、Δtの間のZの変化すなわち、Zの速度を検出できることとなる。 Alternatively, if the phase difference between the light intensity signal A (t) itself and the signal A (t−Δt) obtained by delaying the light intensity signal A (t) by Δt is detected, the change component of the phase difference is 2 (Z (t) −Z (t −Δt)) / λ, the change in Z during Δt, that is, the speed of Z can be detected.
このようにして検出した探針を先端に形成したカンチレバー103の振動は信号発生器207に与えられ、バンドパスフィルターで発振させたい周波数帯の信号を選択し、適当な位相差とゲインをあたえてから、探針を先端に形成したカンチレバー駆動部202を介して探針を先端に形成したカンチレバー103にフィードバックされ探針を先端に形成したカンチレバー103を加振する。あるいは、振動励起用光源702に与えられ、探針を先端に形成したカンチレバー103に照射される光強度を変調しこれによって探針を先端に形成したカンチレバー103を直接加振する。位相差とゲインが適切に設定されると、探針を先端に形成したカンチレバーが必要な振幅で振動を起こす。
The vibration of the
なお、本実施例は2周波光を用いたいわゆるヘテロダイン検出を用いているが、代わりに単一の周波数の光をもちいたホモダイン検出を用いてもよい。この場合、参照光792として周波数f1の光を分岐して用い、フォトダイオード上で検出することには変りがないが、位相を検出するために、図7のようにハーフミラー726でレーザを分岐して一方はミラー727で反射させ、λ/4板728で参照光と検出光の位相差を90度ずらしてから、偏光板721’で干渉させ、レンズ729’を通して第二のフォトダイオード720’で検出する。第1と第2にフォトダイオード720、720’からの信号がcosとsinに相当する信号となり、それぞれの信号の共振周波数に相当する成分の振幅を検出してから、2乗和の平方根を取れば、探針を先端に形成したカンチレバーの振動振幅が検出できる。
In this embodiment, so-called heterodyne detection using two-frequency light is used, but homodyne detection using light of a single frequency may be used instead. In this case, the light having the frequency f1 is branched and used as the
また別の実施例として、図6(b)のように、ミラー796を微動アクチュエータ796で可動として参照光792の光路長を可変として、ミラー796を周波数gで振動させてロックインアンプでフォトダイオード720の干渉信号出力を同期検波し、周波数gの倍周波2g成分が0となるようにミラー796のオフセット位置を追従させてやれば、測定光130と参照光792の位相差が90度あるいは−90度となるように保つことが可能である。この状態で、ミラー796のオフセット位置はカンチレバー103の変位と比例する。また、干渉信号出力のカンチレバー103の振動周波数hに対応する振幅はカンチレバー103の振幅と比例する。式で表示すると、干渉信号は
次に、カンチレバー103に光励起振動を誘起する実施例を図9を用いて示す。レーザダイオードあるいはLSD(スーパールミネッセントダイオード)などの高輝度の光源702から出射した光をレンズ711でコリメートして、出射させる。ここで702の駆動電流に変調を加えることで、カンチレバー103に光誘起振動を誘起することが出来る。ここで、戻り光が光源702に戻ることを防止するために、図8と同様の考えで偏光ビームスプリッタを703に位置に挿入したり、フォトアイソレータを703の位置に挿入したりしてもいい。
Next, an embodiment in which optical excitation vibration is induced in the
また、図6(a)、図6(b)を用いて説明した実施例の別の実施例として、それぞれ図10(a)、図10(b)に示すように、偏光ビームスプリッタ722、723をハーフミラー722’、723’に変更し、測定光791と参照光792を共にカンチレバー103の方へ向かわせる。ここで、測定光791と参照光792のいずれかの光路に光線の方向を曲げる素子795を挿入し、図3(b)で示したようにカンチレバー上で異なる位置を測定光791と参照光792が照射するようにする。戻ってきた光は偏光板792で干渉を起こし、レンズ729を通って、フォトダイオード720で干渉信号を得る。ここで、光線の方向を曲げる素子795は図5の740のような可動ミラーを用いて構成してもよいし、くさび状のガラスを用いてもいい。くさび状のガラスは回転させることで、光軸シフト方向を変えることが可能となる。2枚のくさび状のガラスを互いに回転させれば、シフト方向だけでなく、シフト量も自由に調整することが可能となる。
Further, as another embodiment of the embodiment described with reference to FIGS. 6A and 6B, as shown in FIGS. 10A and 10B,
次に、図11を用いて、図5を用いて説明した発明の別の実施例を示す。カンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット/加振用レーザユニット700を出射した光は集光レンズ780で光ファイバ789の端面に集光される、光ファイバ789を通過した光はレンズ781で平行光に変えられ、ダイクロイックミラー712で別のユニット700’からの光と合成される。以後は図5を用いて説明したのと同じ光路でカンチレバー103を照射して、反射光が戻ってきて、レンズ781でファイバ789の端面に集光される。ファイバ789を通過した光はレンズ780でコリメートされ、カンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット700に入力される。ここで、ファイバ789の出射端の位置を図示しないステージ機構によって変化させると、出射端の位置はカンチレバー103に結像されるので、カンチレバー上の照射位置を調整することが出来る。ただし、この光学系を用いた場合は、反射方向の変化を検出する方法によるカンチレバー103の変形の検出は出来ない。
Next, FIG. 11 is used to show another embodiment of the invention described with reference to FIG. The light emitted from the cantilever deformation detection light source / detection system unit /
別の実施例として、図12に示すように、レンズ780から出射した光をハーフミラー789’を介して、対物レンズ101の瞳面に集光する方法を示す。対物レンズ101によってこの光は平行光に変換されて対物レンズ101から出射する。この下におかれた、微小な4分の1波長板725とレンズ790を介して、カンチレバー103上に集光される。カンチレバー103で反射された光は来た光路を戻っていく。ここで、可動ミラー740を回転させることによって、対物レンズ101の瞳上での集光位置を調整することができる。これは対物レンズ101とレンズ790によって、カンチレバー103上に投影されるので、可動ミラー740によって、カンチレバー103上の照射位置を調整できることとなる。
As another embodiment, as shown in FIG. 12, a method of condensing the light emitted from the
本発明によれば、走査プローブ顕微鏡の探針をきわめて高速に駆動しつつ、探針と試料の接触状態の検出・探針の加振を光学的に行うことが可能となり、大型の半導体基板、フラットディスプレイ基板のような、試料側を駆動できないような試料に対応した、高速走査プローブ顕微鏡による観察・測定が可能となる。 According to the present invention, it is possible to optically detect the contact state between the probe and the sample and vibrate the probe while driving the probe of the scanning probe microscope at a very high speed. Observation and measurement with a high-speed scanning probe microscope corresponding to a sample such as a flat display substrate that cannot be driven on the sample side becomes possible.
101 対物レンズ
102 鏡筒
103 探針を先端に形成したカンチレバー
104 探針
116 ポジションセンサ
130 検出光
131 光源
132 コリメータレンズ
133 ビームスプリッタ
154 照明光源
153 コンデンサレンズ
155 ビームスプリッタ
152 結像レンズ
151 イメージセンサ
201 走査制御部
202 カンチレバー駆動部
203 カンチレバーホルダ駆動部
204 近接センサ
205 接触状態検出器
206 光学像センサ
207 信号印加装置
208 SPM像形成装置
250 全体制御装置
251 入力・表示装置
252 カンチレバー移動機構
253 探針を先端に形成したカンチレバーホルダ上下機構
302 試料ステージ
311 ロボットアーム
501 試料
700 カンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット/加振用レーザユニット
701 2周波光発生装置
702 振動励起光源
712 ダイクロイックミラー
722 偏光ビームスプリッタ
723 偏光ビームスプリッタ
722’ ハーフミラー
723’ ハーフミラー
720 フォトダイオード
721 偏光板
725 波長板
727 ミラー
729 レンズ
780 レンズ
781 レンズ
789 プリズムミラー
795 ミラー
796 微動アクチュエータ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007302474A JP2009128139A (en) | 2007-11-22 | 2007-11-22 | Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope |
| PCT/JP2008/069879 WO2009066555A1 (en) | 2007-11-22 | 2008-10-31 | Scan probe microscope and probe unit for scan probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007302474A JP2009128139A (en) | 2007-11-22 | 2007-11-22 | Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009128139A true JP2009128139A (en) | 2009-06-11 |
Family
ID=40667380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007302474A Pending JP2009128139A (en) | 2007-11-22 | 2007-11-22 | Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2009128139A (en) |
| WO (1) | WO2009066555A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101975873A (en) * | 2010-09-29 | 2011-02-16 | 华中科技大学 | Microscopic white light interferometry-based nano probe device |
| JP2015505616A (en) * | 2012-01-31 | 2015-02-23 | インフィニテシマ リミテッド | Probe actuation |
| JP2016517953A (en) * | 2013-08-06 | 2016-06-20 | アレクサンダー ラブダAleksander LABUDA | Light beam positioning unit for atomic force microscope |
| JP2020112566A (en) * | 2014-02-28 | 2020-07-27 | インフィニテシマ リミテッド | Probe system with multiple working locations |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014158290A1 (en) | 2013-03-14 | 2014-10-02 | Aleksander Labuda | Optical beam positioning unit for atomic force microscope |
| EP2972065B8 (en) * | 2013-03-14 | 2022-06-01 | Oxford Instruments Asylum Research, Inc. | Optical beam positioning unit for atomic force microscope |
| GB201710294D0 (en) * | 2017-06-28 | 2017-08-09 | Infinitesima Ltd | Scanning probe microscope |
| JP7048964B2 (en) * | 2018-03-26 | 2022-04-06 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | Scanning probe microscope and its scanning method |
| EP4560323A1 (en) * | 2023-11-22 | 2025-05-28 | Oxford Instruments Nanotechnology Tools Limited | Accurate vector nano-electromechanics |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61219919A (en) * | 1985-03-27 | 1986-09-30 | Olympus Optical Co Ltd | Scan type optical microscope |
| JPH05173088A (en) * | 1991-12-25 | 1993-07-13 | Olympus Optical Co Ltd | Optical waveguide driving device |
| JPH0774735B2 (en) * | 1991-09-27 | 1995-08-09 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション | Apparatus and method for measuring dimensions of surface structure of sample |
| JPH08146018A (en) * | 1994-11-28 | 1996-06-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Atomic force microscope |
| US5763767A (en) * | 1994-02-03 | 1998-06-09 | Molecular Imaging Corp. | Atomic force microscope employing beam-tracking |
| JPH10506457A (en) * | 1994-07-28 | 1998-06-23 | ジェネラル ナノテクノロジー エルエルシー | Scanning probe microscope equipment |
| WO2005015570A1 (en) * | 2003-08-11 | 2005-02-17 | Japan Science And Technology Agency | Probe for probe microscope using transparent substrate, method of producing the same, and probe microscope device |
| JP2006329973A (en) * | 2005-04-28 | 2006-12-07 | Hitachi Ltd | Scanning probe microscope and sample observation method and device manufacturing method using the same |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7074735B2 (en) * | 2019-09-27 | 2022-05-24 | 矢崎エナジーシステム株式会社 | Cables and cable manufacturing methods |
-
2007
- 2007-11-22 JP JP2007302474A patent/JP2009128139A/en active Pending
-
2008
- 2008-10-31 WO PCT/JP2008/069879 patent/WO2009066555A1/en active Application Filing
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61219919A (en) * | 1985-03-27 | 1986-09-30 | Olympus Optical Co Ltd | Scan type optical microscope |
| JPH0774735B2 (en) * | 1991-09-27 | 1995-08-09 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション | Apparatus and method for measuring dimensions of surface structure of sample |
| JPH05173088A (en) * | 1991-12-25 | 1993-07-13 | Olympus Optical Co Ltd | Optical waveguide driving device |
| US5763767A (en) * | 1994-02-03 | 1998-06-09 | Molecular Imaging Corp. | Atomic force microscope employing beam-tracking |
| JPH10506457A (en) * | 1994-07-28 | 1998-06-23 | ジェネラル ナノテクノロジー エルエルシー | Scanning probe microscope equipment |
| JPH08146018A (en) * | 1994-11-28 | 1996-06-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Atomic force microscope |
| WO2005015570A1 (en) * | 2003-08-11 | 2005-02-17 | Japan Science And Technology Agency | Probe for probe microscope using transparent substrate, method of producing the same, and probe microscope device |
| JP2006329973A (en) * | 2005-04-28 | 2006-12-07 | Hitachi Ltd | Scanning probe microscope and sample observation method and device manufacturing method using the same |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101975873A (en) * | 2010-09-29 | 2011-02-16 | 华中科技大学 | Microscopic white light interferometry-based nano probe device |
| CN101975873B (en) * | 2010-09-29 | 2012-09-26 | 华中科技大学 | Microscopic white light interferometry-based nano probe device |
| JP2015505616A (en) * | 2012-01-31 | 2015-02-23 | インフィニテシマ リミテッド | Probe actuation |
| JP2015505617A (en) * | 2012-01-31 | 2015-02-23 | インフィニテシマ リミテッド | Beam scanning system |
| JP2018021930A (en) * | 2012-01-31 | 2018-02-08 | インフィニテシマ リミテッド | Beam scan system |
| JP2016517953A (en) * | 2013-08-06 | 2016-06-20 | アレクサンダー ラブダAleksander LABUDA | Light beam positioning unit for atomic force microscope |
| JP2020112566A (en) * | 2014-02-28 | 2020-07-27 | インフィニテシマ リミテッド | Probe system with multiple working locations |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2009066555A1 (en) | 2009-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5580296B2 (en) | Probe detection system | |
| JP6495406B2 (en) | Beam scanning system | |
| JP2009128139A (en) | Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope | |
| RU2518859C2 (en) | Detection system for dynamic probe | |
| US7716970B2 (en) | Scanning probe microscope and sample observation method using the same | |
| US7319528B2 (en) | Surface texture measuring instrument | |
| EP2163906A1 (en) | Method of detecting a movement of a measuring probe and measuring instrument | |
| JP2008051555A (en) | Optical displacement detection mechanism and probe microscope using the same | |
| US20100207039A1 (en) | Probe Microscopy and Probe Position Monitoring Apparatus | |
| JP5305650B2 (en) | Displacement detection mechanism for scanning probe microscope and scanning probe microscope using the same | |
| JP2004102228A (en) | Focusing device, displacement sensor and cofocusing microscope | |
| US7173714B2 (en) | Apparatus for parallel detection of the behaviour of mechanical micro-oscillators | |
| JP4936541B2 (en) | Atomic force microscope | |
| JP2007212470A (en) | Scanning probe microscope | |
| JP2002082037A (en) | Optical lever optical system for atomic force microscope | |
| WO2025157660A1 (en) | Scanning probe microscope | |
| JPH0972924A (en) | Scanning type probe microscope | |
| JPH08313542A (en) | Scanning probe microscope | |
| JPH07174768A (en) | Scanning type probe microscope | |
| JPH09178451A (en) | Surface shape measuring method and surface shape measuring instrument | |
| JPH08105904A (en) | Atomic force microscope | |
| JP2011215168A (en) | Method for detecting displacement of scanning probe microscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100301 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111025 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111220 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120306 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120425 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20121204 |