[go: up one dir, main page]

JP2009128139A - Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope Download PDF

Info

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
Application number
JP2007302474A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Watanabe
正浩 渡辺
Shuichi Baba
修一 馬塲
Toshihiko Nakada
俊彦 中田
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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 Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2007302474A priority Critical patent/JP2009128139A/en
Priority to PCT/JP2008/069879 priority patent/WO2009066555A1/en
Publication of JP2009128139A publication Critical patent/JP2009128139A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02Monitoring the movement or position of the probe by optical means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06Circuits or algorithms therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/02Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope
    • G01Q30/025Optical 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。
特開2006−329973号公報
On the other hand, in Patent Document 1, the beam is always scanned at a predetermined position on the cantilever while scanning the cantilever while irradiating the light beam for detecting and exciting the cantilever through the probe and the objective lens for observing the sample. In order to irradiate, the method of driving the objective lens integrally with the probe operating mechanism has been shown.
JP 2006-329973 A

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 sample 501 is placed on a sample stage 302 that can be driven in the X, Y, and Z directions, and is controlled by the scanning control unit 201. A cantilever moving mechanism 252 to which a cantilever 103 having a probe tip is attached is driven in the X, Y, and Z directions by a signal from the XYZ scanning driving unit 203, thereby performing probe scanning of the scanning probe microscope.

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 cantilever driving unit 202, minute vibration can be generated in the cantilever 103 itself or an actuator composed of a piezoelectric element or the like disposed at the base of the cantilever. Alternatively, as another embodiment, the signal from the cantilever driving unit 202 is superimposed on the signal from the XYZ scanning driving unit 203 to excite the vibration to the cantilever 103 attached by causing a minute vibration in the cantilever moving mechanism. Also good. Alternatively, as described later, minute vibrations may be excited on the cantilever 103 by directly irradiating the cantilever with vibration excitation light. Although the minute vibration is used to detect the contact state between the probe 104 and the sample 501, the contact state is detected using static deformation of the cantilever 103 caused by the contact with the sample 501 without using the minute vibration. May be.

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。   Reference numeral 101 denotes a cantilever / sample observation lens. The sample 501 and the cantilever 103 are observed from above and the height of the sample is measured through this lens. The approach between the probe 104 and the sample 501 may be performed by driving control of the sample stage 302 in the Z direction or a Z-direction coarse movement function provided to the cantilever moving mechanism 252. The scanning control unit 201 controls the approach between the probe 104 and the sample 501 using the contact state between the probe 104 and the sample 501 detected by the contact state detector 205.

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 proximity sensor 204 is a sensor for measuring the height of the vicinity of the tip of the cantilever 103 with high sensitivity. When this sensor is used in addition to information from the contact state detector, the probe contacts the sample in advance. By detecting the position and controlling the approach speed, high-speed approach to the sample can be realized without hitting the probe against the sample. Light may be used for the proximity sensor 204 as will be described later, but other sensors may be used as long as the detection range is several tens of micrometers or more and the distance from the sample can be detected with a sensitivity of about 1 micrometer. May be.

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 probe 104 provided directly above the sample 501 (not shown) or the probe 501 and the sample 501 to detect the distance, or not shown An air microsensor that detects the pressure by flowing air from the sensor head between the sensor head provided immediately above the sample 501 and the sample 501 may be used.

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 scanning control unit 201 controls the probe contact state detector 205, the proximity sensor 204, the cantilever holder driving unit 203 having the probe formed at the tip, the cantilever driving unit 202, and the sample stage 302 to control the proximity of the probe and the sample. Realize scanning and so on. At this time, the surface shape image of the sample is obtained by sending a signal at the time of scanning the sample to the SPM image forming apparatus 208. The signal applying device 207 oscillates the cantilever at a high frequency and detects the response by the contact state detector 205 to measure the elasticity of the surface, or applies an AC or DC voltage between the cantilever and the sample to apply a current. Measure and measure capacitance or resistance.

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 image forming apparatus 207. The overall operation of the apparatus is controlled by the overall control apparatus 250, and the display / input apparatus 251 can receive an instruction from the operator and can present an optical image or an SPM image.

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 probe 104 will be described with reference to FIG. The cantilever 103 formed with the probe 104 at the tip is attached to the cantilever moving mechanism 252. When the cantilever 103 is pushed down by the cantilever moving mechanism 252 and the probe 104 comes into contact with the sample 501, the cantilever 103 is bent and the angle changes. The cantilever 103 is irradiated with laser light, and the spot position of the reflected light is detected by the position sensor 116. Then, when the spot moves in the vertical direction in FIG. 2, it indicates that the cantilever 103 is deflected. From this, the vertical force Fz applied to the probe 104 can be measured. 2 indicates that the cantilever 103 is twisted, and the depth direction force Fy applied to the probe 104 can be measured. If the low-frequency component of the signal from the position sensor 116 is detected, static torsion and deflection of the cantilever can be detected, and if the high-frequency component is detected, the amplitude, phase, and frequency of the cantilever torsion and deflection vibration can be detected. Any information on static torsion and deflection, amplitude, phase and frequency of vibration can be detected and represents the contact state such as the contact force between the probe 103 and the sample 501 and the gradient of the contact force. The contact state detector 205 can detect the contact state.

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、

Figure 2009128139
のような関係がある。図3(b)のように、上向の力Fzだけがかかるときはカンチレバー103の中心部でも先端部に近い傾きを生じる。対して図3(c)のように横向きの力Fxのみがかかるときは、カンチレバー103の中心部の傾きは先端部の半分の傾きとなる。一つの実施例として、カンチレバー103に複数の光を当てて、複数の点の傾きを測ると探針104にかかる2方向の力、FxとFzを分離して検出できる。たとえば、カンチレバー103の先端(x=L)と、中点(x=L/2)に光を当てると、それぞれ照射位置でのカンチレバ103の傾きは、
Figure 2009128139
Figure 2009128139
となり、ポジションセンサ116の出力もこれに比例する。これらの式をFx、Fzに関して解くと、下記のように2種類のポジションセンサ116の出力から探針104にかかる2方向の力、FxとFzが下記のように算出できる。
Figure 2009128139
Figure 2009128139
Here, the detection of deflection will be described in detail. As shown in FIG. 3, there are two types of forces that cause the cantilever 103 to bend, a vertical force Fz applied to the probe and a horizontal force Fx applied to the probe. The Young's modulus of the cantilever is E, the length is L, the width is w, the thickness is d, and the height of the probe is ht. When the inclination at the distance x from the root on the cantilever 103 is θ (x),
Figure 2009128139
There is a relationship like As shown in FIG. 3B, when only the upward force Fz is applied, the center portion of the cantilever 103 is inclined close to the tip portion. On the other hand, when only the lateral force Fx is applied as shown in FIG. 3C, the inclination of the center portion of the cantilever 103 is half the inclination of the tip portion. As one embodiment, by applying a plurality of lights to the cantilever 103 and measuring the inclinations of the plurality of points, the two-direction forces Fx and Fz applied to the probe 104 can be detected separately. For example, when light is applied to the tip (x = L) and the middle point (x = L / 2) of the cantilever 103, the inclination of the cantilever 103 at the irradiation position is
Figure 2009128139
Figure 2009128139
Thus, the output of the position sensor 116 is also proportional to this. When these equations are solved with respect to Fx and Fz, the two-direction forces Fx and Fz applied to the probe 104 can be calculated from the outputs of the two types of position sensors 116 as follows.
Figure 2009128139
Figure 2009128139

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 cantilever 103 with two light beams and detecting the reflection direction, the forces in the three directions applied to the probe can be separated and detected. The two irradiation positions are not limited to the above example, and it goes without saying that separation of force can be similarly detected by irradiating two points that are separated to some extent.

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 cantilever 103 will be described with reference to FIG. As shown in the figure, the tip end of the cantilever 103 can be detected by irradiating the tip with a laser beam 130 and detecting an interference signal with reference light. The reference light may be synthesized inside the detection unit as will be described later, or may be irradiated to the base of the cantilever 103 as indicated by 130 'in FIG. FIG. 4B is a view of the cantilever 103 as viewed from above. In order to detect not only the bending of the cantilever 103 but also the torsion at the same time, the detection laser 130 is irradiated to two locations a and b, respectively, the displacements Za and Zb are measured, and the bending is calculated from (Za + Zb) / 2. Torsion can be detected from (Za-Zb). In the case of irradiating the reference beam 130 ′, it is sufficient to irradiate the position c in FIG. As another example, when detecting the vibration state of the cantilever 103, the detection laser 130 is irradiated to only one place of a, and the vibration of the frequency corresponding to the flexural vibration mode / torsional vibration mode of the cantilever 103 is obtained. If each is detected, it is possible to detect the amplitude, phase, and frequency by separating the flexural vibration mode and the torsional vibration mode.

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 cantilever 103 with an intensity-modulated laser. By appropriately selecting the irradiation position and frequency of intensity modulation, one type of vibration in any vibration mode or by superimposing a plurality of modulation frequencies, the vibration of two or more vibration modes can be induced in the cantilever 103. Is possible.
As described above, it is necessary to irradiate the cantilever 103 with a plurality of lasers and detect reflected light in accordance with the purpose in order to detect the vibration / deformation state of the cantilever and to excite vibration of the cantilever. This irradiation position needs to be set to an appropriate position depending on the purpose of detection or vibration. Furthermore, in order to scan a large semiconductor wafer or the like with high speed and high accuracy, it is necessary to scan not the sample 501 but the cantilever 103 side. Hereinafter, examples for realizing the above-described problems will be described.

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. Reference numerals 700, 700 ′, and 700 ″ denote cantilever deformation detection laser light source / detection system units or excitation laser units. Light 130 emitted therefrom is reflected by the movable mirrors 740, 740 ′, and 740 ″, The direction is fine-tuned. These light beams include a half mirror that reflects / transmits light represented by 712 and 712 'at a certain intensity ratio, a dichroic mirror that reflects / transmits at a certain wavelength, and a polarization beam splitter that reflects / transmits depending on the polarization state. Is synthesized. Further, the light passes through the lenses 780 and 781, is reflected downward by the mirror 789, passes through the wave plate 725 as necessary, and is condensed on the cantilever 103 by the lens 790. The light reflected by the cantilever 103 is converted again into parallel light by the lens 790 and passes through when the wave plate 725 is used.

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 wave plate 725 is reflected by the mirror 790, passes through the lens 781 and the lens 780, and returns to the laser light source / detection system unit / vibration laser unit 700 through the mirror 712 and the movable mirror 740. Here, the lens 790 immediately above the cantilever 103 is attached to the cantilever moving mechanism 252 to which the cantilever 103 is attached, and moves integrally with the root portion of the cantilever 103. When parallel light is incident on the lens, the relative position from the lens on the focal plane of the lens is always focused on a fixed point. With the above configuration, even if the cantilever 103 is driven and moved, It is possible to always irradiate the position.

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 lens 790 can be formed of a small and light lens, the cantilever drive mechanism 252 can be driven at high speed. The mirror 789 may be fixed, but in this case, the incident direction of the light irradiated on the cantilever 103 slightly changes as the lens 790 moves. If the mirror 789 is driven together with the lens 790 and the cantilever drive mechanism 252, it is possible to follow the irradiation position on the cantilever 103 while always maintaining the same incident direction, which is more preferable.

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 movable mirrors 740, 740 ′, and 740 ″ will be described. These mirrors are movable mirrors having two degrees of freedom that can finely adjust the reflection direction of the laser in two directions, a direction parallel to the paper surface and a direction perpendicular to the paper surface. By changing the direction of the mirror, it is possible to move the condensing position after the lens 780 and the irradiation position on the cantilever 103 conjugate with the lens 780. Here, the irradiation direction to the cantilever 103 is changed. In order to change only the irradiation position, the positions of the movable mirrors 740, 740 ′, and 740 ″ are preferably substantially conjugate with the pupil position of the lens 790 with respect to the lens 780 and 781 system.

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 cantilever 103 to cause the irradiation position to follow the scanning operation of the cantilever 103 at high speed and to adjust the irradiation position on the cantilever 103. In the above example, the case where the number of units 700 is three has been described. Needless to say, the apparatus can be similarly configured using an arbitrary number of units 700 of one or more.

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 cantilever 103 via the mirror 789, the wave plate 725, and the condenser lens 790. In this case, when the cantilever 103 is replaced, the position of the cantilever is shifted, so that the optical system needs to be adjusted again. However, if the positional relationship between the cantilever 103 and the condenser lens 790 is adjusted in advance to be a unit as shown in FIG. 13A, the angle of the unit can be adjusted even if the position of the unit is slightly shifted. If there is no variation, the condensing position on the cantilever 103 can be made by the angle of the incident light. Therefore, if a cantilever = condensing lens unit as shown in FIG. 13 (a) is used, it is possible to perform measurement immediately without attaching an optical system by simply mounting the unit. As another embodiment, as shown in FIG. 13B, in addition to the cantilever 103 and the condenser lens 790, a unit in which a mirror 789, a wave plate 725, and the like are integrated may be used.

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 illumination light source 154, passes through the condenser lens 153, is reflected by the beam splitter 155, passes through the objective lens 101, and illuminates the sample 501 and the cantilever 103 formed with the probe at the tip. The reflected light passes through the objective lens again, passes through the beam splitter 155, forms an image with the imaging lens 152, and is detected by the image sensor 151.

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 / vibration laser unit 700 will be described below.
FIG. 6A shows an optical system for detecting the vibration state of the cantilever. The dual-frequency light generator 701 generates two beams (791 and 792) having a frequency f1, a frequency f1 + Δf, and frequencies slightly shifted. The two beams are generated by, for example, shifting the frequency by Δf by dividing the light from the laser with a beam splitter and passing one through an acoustooptic device. Alternatively, a dual-frequency laser that generates two beams having orthogonal polarization planes is also commercially available. The first beam 791 is polarized in the direction reflected by the polarization beam splitter 722 and emitted from the dual frequency light generator 701. The light 130 emitted as described above is applied to the back surface of the cantilever 103.

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 polarization beam splitter 722 after the polarization direction is rotated by 90 degrees by the effect of the quarter-wave plate 725. Since the polarization direction is rotated by 90 degrees, the polarization beam splitter 722 transmits and the next polarization beam splitter 723 also transmits.
Here, if the polarization direction of the beam 792 having the other frequency f1 + Δf emitted from the dual-frequency light generator 701 is adjusted so that the polarization direction is reflected by the polarization beam splitter 723, the beam 792 is reflected by the polarization beam splitter 723. The light is reflected from the cantilever 103 formed at the tip of the needle, and passes through the polarizing plate 721 to reach the photodiode 720.

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 beams 791 and 792 when passing through the polarizing plate 721 are orthogonal, by tilting the polarizing plate 721 to an intermediate angle between the polarization directions of both beams, both beams cause interference, and the light intensity at the frequency Δf. Since a change occurs, this is detected by the photodiode 720. Note that a lens 729 for condensing the laser may be placed on the light receiving surface in front of the photodiode 720.

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 contact state detector 205 of FIG. 1 will be described.
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 cantilever 103 formed with the probe tip, λ is the wavelength of the laser, and t is the time. Therefore, by detecting the phase of this signal, the displacement of the cantilever 103 having the probe formed at the tip can be obtained. For detection of the phase, the tip of the probe is made by branching a part of the two beams generated from the signal of the frequency Δf applied to the acoustooptic device in the dual-frequency light generator 701 or the two-frequency light generator 701. The signal of frequency Δf obtained by direct interference without being applied to the cantilever formed in the above may be used as a reference and input to the phase detection circuit together with A (t).

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 cantilever 103 formed with the probe tip detected in this way is given to the signal generator 207, and a signal in a frequency band to be oscillated by a band pass filter is selected, and an appropriate phase difference and gain are given. The cantilever 103 having the probe formed at the tip is vibrated by being fed back to the cantilever 103 having the probe formed at the tip via the cantilever driving unit 202 having the probe formed at the tip. Alternatively, the light intensity applied to the vibration excitation light source 702 and applied to the cantilever 103 formed with the probe tip is modulated, and the cantilever 103 formed with the probe tip is directly excited. When the phase difference and gain are set appropriately, a cantilever with a probe formed at the tip causes vibration with a required amplitude.

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 reference light 792 and detected on the photodiode, but the laser is branched by the half mirror 726 as shown in FIG. 7 in order to detect the phase. Then, one is reflected by the mirror 727, the phase difference between the reference light and the detection light is shifted by 90 degrees by the λ / 4 plate 728, and then interfered by the polarizing plate 721 ′, and then passed through the lens 729 ′ and the second photodiode 720 ′ Detect with. First and second, the signals from the photodiodes 720 and 720 ′ become signals corresponding to cos and sin, and after detecting the amplitude of the component corresponding to the resonance frequency of each signal, the square root of the sum of squares is obtained. For example, the vibration amplitude of a cantilever with a probe tip formed at the tip can be detected.

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

Figure 2009128139
となる。ここで、カンチレバー103の振幅をb、ミラー796の振幅をc、レーザ波長をλとしている。θ、ω、ξは各部の位相である。2g成分が0となる状態は、正弦波の位相が0あるいは180度の場合であるので、ξが0にに保たれていることになる。bがλに比較して十分小さいとすると、h周波数成分を取り出した干渉信号は、
Figure 2009128139
となり、これからカンチレバー103の振動の振幅bと位相θを検出することが可能となる。ユニット700の別の実施例として、図2、3で説明した反射光の角度変化でカンチレバー103の変形を検出する方法の具体的光学系の実施例を示す。図8のように、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131から出射した光をレンズ132でコリメートして、偏光ビームスプリッタ133を通して出射させる、戻ってきた光は偏光ビームスプリッタ133で反射して、ポジションセンサ136に入射する。ポジションセンサ136は分割型のフォトダイオードであったり、ポジションセンシティブデバイスと呼ばれる光の入射位置に応じた出力を生じるセンサであったりする。これによって、カンチレバー103の変形を検出することが可能となる。ユニット700を2式用いて、カンチレバー103上の異なる位置に照射するように調整すると、図3で説明したように、カンチレバー103の先端の探針104にかかる力をより詳細に分解して検出することも可能となる。 As another embodiment, as shown in FIG. 6B, the mirror 796 is movable by a fine actuator 796, the optical path length of the reference light 792 is variable, the mirror 796 is vibrated at a frequency g, and a photodiode is formed by a lock-in amplifier. If the interference signal output of 720 is synchronously detected and the offset position of the mirror 796 is made to follow so that the double frequency 2g component of the frequency g becomes 0, the phase difference between the measurement light 130 and the reference light 792 is 90 degrees or − It can be kept at 90 degrees. In this state, the offset position of the mirror 796 is proportional to the displacement of the cantilever 103. The amplitude corresponding to the vibration frequency h of the cantilever 103 of the interference signal output is proportional to the amplitude of the cantilever 103. When expressed as an equation, the interference signal is
Figure 2009128139
It becomes. Here, the amplitude of the cantilever 103 is b, the amplitude of the mirror 796 is c, and the laser wavelength is λ. θ, ω, and ξ are phases of each part. The state in which the 2g component is 0 is when the phase of the sine wave is 0 or 180 degrees, so that ξ is kept at 0. If b is sufficiently smaller than λ, the interference signal from which the h frequency component is extracted is
Figure 2009128139
Thus, the vibration amplitude b and phase θ of the cantilever 103 can be detected. As another embodiment of the unit 700, an embodiment of a specific optical system of the method for detecting the deformation of the cantilever 103 by changing the angle of the reflected light described with reference to FIGS. As shown in FIG. 8, the light emitted from the high-intensity light source 131 such as a laser diode or LSD (super luminescent diode) is collimated by the lens 132 and emitted through the polarization beam splitter 133. The returned light is polarized. The light is reflected by the beam splitter 133 and enters the position sensor 136. The position sensor 136 is a split type photodiode or a sensor called a position sensitive device that generates an output corresponding to the incident position of light. As a result, the deformation of the cantilever 103 can be detected. When the two units 700 are used to adjust to irradiate different positions on the cantilever 103, the force applied to the probe 104 at the tip of the cantilever 103 is detected in more detail as described with reference to FIG. It is also possible.

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 cantilever 103 will be described with reference to FIG. Light emitted from a high-intensity light source 702 such as a laser diode or LSD (super luminescent diode) is collimated by a lens 711 and emitted. Here, light induced vibration can be induced in the cantilever 103 by modulating the driving current 702. Here, in order to prevent the return light from returning to the light source 702, a polarization beam splitter may be inserted into the position 703 or a photo isolator may be inserted into the position 703 in the same manner as in FIG. .

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, polarization beam splitters 722 and 723, respectively. Are changed to half mirrors 722 ′ and 723 ′, and both the measurement light 791 and the reference light 792 are directed toward the cantilever 103. Here, an element 795 that bends the direction of the light beam is inserted into one of the measurement light 791 and the reference light 792, and the measurement light 791 and the reference light 792 are positioned at different positions on the cantilever as shown in FIG. To irradiate. The returned light causes interference by the polarizing plate 792, passes through the lens 729, and obtains an interference signal by the photodiode 720. Here, the element 795 that bends the direction of the light beam may be configured by using a movable mirror such as 740 in FIG. 5, or wedge-shaped glass. By rotating the wedge-shaped glass, the optical axis shift direction can be changed. If the two wedge-shaped glasses are rotated relative to each other, not only the shift direction but also the shift amount can be freely adjusted.

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 / excitation laser unit 700 is condensed on the end surface of the optical fiber 789 by the condenser lens 780, and the light passing through the optical fiber 789 is parallel by the lens 781. It is converted into light and combined with light from another unit 700 ′ by the dichroic mirror 712. Thereafter, the cantilever 103 is irradiated through the same optical path as described with reference to FIG. 5, and the reflected light returns and is condensed on the end face of the fiber 789 by the lens 781. The light that has passed through the fiber 789 is collimated by the lens 780 and input to the laser light source / detection system unit 700 for cantilever deformation detection. Here, if the position of the exit end of the fiber 789 is changed by a stage mechanism (not shown), the position of the exit end is imaged on the cantilever 103, so that the irradiation position on the cantilever can be adjusted. However, when this optical system is used, the deformation of the cantilever 103 cannot be detected by a method of detecting a change in the reflection direction.

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 lens 780 on the pupil plane of the objective lens 101 via the half mirror 789 'will be described. This light is converted into parallel light by the objective lens 101 and is emitted from the objective lens 101. The light is condensed on the cantilever 103 via a minute quarter-wave plate 725 and a lens 790 placed under this. The light reflected by the cantilever 103 returns along the optical path from which it came. Here, by rotating the movable mirror 740, the condensing position on the pupil of the objective lens 101 can be adjusted. Since this is projected onto the cantilever 103 by the objective lens 101 and the lens 790, the irradiation position on the cantilever 103 can be adjusted by the movable mirror 740.

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.

図1は、走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a scanning probe microscope. 図2は、カンチレバーの変形を光線の反射角によって検出する原理を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the principle of detecting cantilever deformation by the reflection angle of light rays. 図3は、カンチレバーに照射した複数の光線の反射角によって探針にかかるx、z方向の力を分離して検出する実施例1を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating Example 1 in which the forces in the x and z directions applied to the probe are separated and detected based on the reflection angles of a plurality of light beams applied to the cantilever. 図4は、光学干渉によってカンチレバーの変形を検出する実施例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an embodiment in which the deformation of the cantilever is detected by optical interference. 図5は、光学系の実施例2を示す詳細図である。FIG. 5 is a detailed view showing Example 2 of the optical system. 図6は、干渉検出用の光源と検出系の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a light source and a detection system for interference detection. 図7は、干渉検出用の光源と検出系の別の例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating another example of a light source for interference detection and a detection system. 図8は、反射角度検出用の光源と検出系の例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a light source and a detection system for detecting a reflection angle. 図9は、レーザ加振光学系の光源の例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a light source of a laser excitation optical system. 図10は、干渉検出用の光源と検出系のさらに別の実施例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing still another embodiment of a light source for detection of interference and a detection system. 図11は、光ファイバを用いた光学系の実施例3を示す詳細図である。FIG. 11 is a detailed view showing Example 3 of the optical system using the optical fiber. 図12は、検出・励振用の光を対物レンズを通して導く実施例4を示す詳細図である。FIG. 12 is a detailed diagram showing a fourth embodiment for guiding the detection / excitation light through the objective lens. 図13は、本発明のあらかじめ調整されたカンチレバーと集光レンズのユニットを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a pre-adjusted cantilever and condenser lens unit of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 101 Objective lens 102 Lens tube 103 Cantilever formed with a tip at the tip 104 Probe 116 Position sensor 130 Detection light 131 Light source 132 Collimator lens 133 Beam splitter 154 Illumination light source 153 Condenser lens 155 Beam splitter 152 Imaging lens 151 Image sensor 201 Scanning Control unit 202 Cantilever drive unit 203 Cantilever holder drive unit 204 Proximity sensor 205 Contact state detector 206 Optical image sensor 207 Signal application device 208 SPM image forming device 250 Overall control device 251 Input / display device 252 Cantilever moving mechanism 253 Probe tip Cantilever holder up-and-down mechanism formed on 302 Sample stage 311 Robot arm 501 Sample 700 Laser light source for detecting cantilever deformation System unit / Excitation laser unit 701 Dual frequency light generator 702 Vibration excitation light source 712 Dichroic mirror 722 Polarizing beam splitter 723 Polarizing beam splitter 722 'Half mirror 723' Half mirror 720 Photo diode 721 Polarizing plate 725 Wavelength plate 727 Mirror 729 Lens 780 Lens 781 Lens 789 Prism mirror 795 Mirror 796 Fine movement actuator

Claims (8)

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走査プローブ顕微鏡。   A drive mechanism that controls the mutual positional relationship between a sample stage on which a sample is placed and a cantilever provided with a probe; and a sensor that optically measures the deformation state of the cantilever, including the three-dimensional surface shape of the sample. A scanning probe microscope for measuring a surface distribution of a sample, the scanning probe microscope comprising an optical microscope for observing the cantilever and the sample, wherein at least one optical element among components of a sensor for optically measuring the deformation state of the cantilever is A scanning probe microscope, which is disposed between the optical microscope and the sample and is driven integrally with the driving mechanism. 請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を備えたカンチレバーに光を照射することによって熱的に変形させる光学系を備え、該光学系の構成部品のうち前記光学顕微鏡と前記試料の間に配置される少なくとも一つの光学素子を、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と共有することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。   2. The scanning probe microscope according to claim 1, further comprising an optical system that is thermally deformed by irradiating light to the cantilever including the probe, wherein the optical microscope and the sample are included in the components of the optical system. A scanning probe microscope characterized in that at least one optical element disposed therebetween is shared with a sensor for optically measuring the deformation state of the cantilever. 請求項2に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を備えたカンチレバーに照射する光の強度変調によって、前記探針の振動が励起されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。   3. The scanning probe microscope according to claim 2, wherein vibration of the probe is excited by intensity modulation of light applied to the cantilever provided with the probe. 請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針または該探針を保持するための探針保持部または探針と前記試料台との相互の位置を制御する駆動機構に電気信号を与えることによって、前記探針の振動が励起されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。   2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein an electric signal is given to the probe or a probe holding unit for holding the probe or a driving mechanism for controlling a mutual position of the probe and the sample stage. The scanning probe microscope is characterized in that vibration of the probe is excited by. 請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を備えたカンチレバーに照射したレーザ光の干渉を用いて、前記探針の変形または振動が検出されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein deformation or vibration of the probe is detected using interference of laser light applied to the cantilever provided with the probe. 請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を備えたカンチレバーに照射した光の反射角度の変化を用いて、前記探針の変形または振動が検出されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。   2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein deformation or vibration of the probe is detected by using a change in a reflection angle of light irradiated to the cantilever provided with the probe. . 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た走査プローブ顕微鏡用の探針ユニット。   A probe unit for a scanning probe microscope in which a condenser lens is integrated with a cantilever equipped with a probe, and is aligned so that the cantilever comes to a focal position of the condenser lens. 請求項7に記載の走査プローブ顕微鏡用の探針ユニットにおいて、前記集光レンズに加えて、ミラー及び/又は波長板を含む光学要素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た走査プローブ顕微鏡用の探針ユニット。   8. The probe unit for a scanning probe microscope according to claim 7, wherein in addition to the condensing lens, an optical element including a mirror and / or a wave plate is integrated with a cantilever provided with a probe, A probe unit for a scanning probe microscope that is positioned so that the cantilever is at the focal point.
JP2007302474A 2007-11-22 2007-11-22 Scanning probe microscope and probe unit for scanning probe microscope Pending JP2009128139A (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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