JP2008051690A

JP2008051690A - Optical displacement detecting mechanism, and surface information measuring device using the same

Info

Publication number: JP2008051690A
Application number: JP2006229011A
Authority: JP
Inventors: Masato Iyogi; 誠人伊與木
Original assignee: SII NanoTechnology Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-03-06

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical displacement detecting mechanism capable of performing alignment readily and surely, when aligning light from a light source with a measuring object or the light-receiving surface of a photodetector. <P>SOLUTION: In this optical displacement detection mechanism, constituted of the light source 10 for irradiating light to a cantilever 6 which is a measuring object, a light source drive circuit 21 for driving the light source 10, the photodetector 16 for receiving the light irradiated from the light source 10 to the cantilever 6 and detecting the light intensity, and an amplifier 22 for amplifying a detection signal by the photodetector 16 at a prescribed gain, detection sensitivity used for detection by the photodetector 16 is set at a value smaller than the case when actually measuring the measuring object, by using a gain (amplification factor) adjusting unit, and a light spot 20 is positioned at a prescribed position of the photodetector 16 by a positioning mechanism 18 for the photodetector. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、測定対象に光源からの光を照射し、照射後の光の強度を光検出器で検出する光学式変位検出機構に関するものであり、特にこの光学式変位検出機構を用いてサンプル表面の形状情報や、様々な物理情報（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等）を計測する走査型プローブ顕微鏡、表面粗さ計、硬度計や電気化学顕微鏡等の表面情報計測装置に関するものである。 The present invention relates to an optical displacement detection mechanism that irradiates a measurement target with light from a light source and detects the intensity of the light after irradiation with a photodetector, and in particular, a sample surface using this optical displacement detection mechanism. Surfaces such as scanning probe microscopes, surface roughness meters, hardness meters, and electrochemical microscopes that measure shape information and various physical information (for example, dielectric constant, magnetization state, transmittance, viscoelasticity, friction coefficient, etc.) The present invention relates to an information measuring device.

金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等のサンプルを微小領域にて測定し、試料表面の凹凸像や物性情報の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。 A scanning probe microscope (SPM) is a device for measuring samples such as metals, semiconductors, ceramics, resins, polymers, biomaterials, insulators, etc. in a micro area and observing uneven images and physical property information on the sample surface. Scanning Probe Microscope) is known.

これら走査型プローブ顕微鏡では、サンプルが載置されるサンプルホルダと、先端にプローブを有し、サンプルの表面に近接させるカンチレバーを備えたものが周知となっている。そして、これらサンプルとプローブとをサンプル面内（ＸＹ平面）で相対的に走査させ、この走査中にカンチレバーの変位量を変位検出機構により測定しながら、サンプルまたはプローブをサンプル表面と直交する方向（Ｚ方向）に動作させて、サンプルとプローブの距離制御を行うことにより、表面形状や各種物性情報を測定するようになっている。 In these scanning probe microscopes, those having a sample holder on which a sample is placed and a cantilever that has a probe at the tip and is brought close to the surface of the sample are well known. Then, the sample and the probe are relatively scanned in the sample plane (XY plane), and the displacement of the cantilever is measured by the displacement detection mechanism during the scanning, while the sample or the probe is orthogonal to the sample surface ( By operating in the Z direction) and controlling the distance between the sample and the probe, the surface shape and various physical property information are measured.

ここで、従来の典型的な光学式変位検出機構を用いた走査型プローブ顕微鏡の概略構成図を図５に示す（特許文献１参照）。 Here, the schematic block diagram of the scanning probe microscope using the conventional typical optical displacement detection mechanism is shown in FIG. 5 (refer patent document 1).

図５の走査型プローブ顕微鏡２０１は、先端にサンプル２１１を載せるサンプルステージ２１２を有し、末端がベース２１５上に固定された円筒型の圧電素子より構成される３軸微動機構（スキャナ）２１３によりサンプルがサンプル面内（ＸＹ平面）で走査されながら、サンプル面と垂直な方向（Ｚ方向）に微動される。 A scanning probe microscope 201 in FIG. 5 has a sample stage 212 on which a sample 211 is placed at the tip, and a three-axis fine movement mechanism (scanner) 213 constituted by a cylindrical piezoelectric element whose end is fixed on a base 215. The sample is finely moved in the direction (Z direction) perpendicular to the sample surface while being scanned in the sample surface (XY plane).

また、先端にプローブ２０９を有するカンチレバー２０７が、剛性の高いアーム２０５を介してベース２１５に固定された支柱２０３に保持されている。カンチレバー２０７の先端部下面には、プローブ２０９が下方に突出するように形成されており、Ｚ方向に動作可能な粗動機構（図示せず）により、プローブ２０９の先端をサンプル２１１表面に近接させる構成である。 Further, a cantilever 207 having a probe 209 at the tip is held by a column 203 fixed to the base 215 via a highly rigid arm 205. The probe 209 is formed on the lower surface of the tip of the cantilever 207 so as to protrude downward, and the tip of the probe 209 is brought close to the surface of the sample 211 by a coarse movement mechanism (not shown) operable in the Z direction. It is a configuration.

カンチレバー２０７上方には、一般に光てこ方式と呼ばれる光学式変位検出機構が設けられている。 Above the cantilever 207, an optical displacement detection mechanism generally called an optical lever method is provided.

この光学式変位検出機構は、カンチレバー２０７の上方に設置され半導体レーザからなる光源２２１からレーザ光（入射光２３１）を集光レンズ（図示せず）によりカンチレバー２０７の背面に集光して照射する。この入射光２３１は、カンチレバー２０７の背面で反射し、反射光２３３がカンチレバー２０７の斜め上方に設置され半導体により構成された光検出器２３５に当る。この光検出器２３５は受光面が上下に２分割され、反射光２３３の入射位置を検出することができる。 This optical displacement detection mechanism is configured to irradiate laser light (incident light 231) from a light source 221 made of a semiconductor laser, which is installed above the cantilever 207, on the back surface of the cantilever 207 with a condenser lens (not shown). . The incident light 231 is reflected from the back surface of the cantilever 207, and the reflected light 233 strikes a photodetector 235 that is installed obliquely above the cantilever 207 and is made of a semiconductor. The light detector 235 has a light receiving surface that is divided into two parts in the vertical direction, and can detect the incident position of the reflected light 233.

ここで、この光てこ方式の光学式変位検出機構の動作原理を説明する。走査型プローブ顕微鏡の測定を行う前に、まず、光源２２１からの入射光をカンチレバー２０７の背面に位置決めする。このとき通常は光源２２１にカンチレバー２０７の面内で入射光２３１の
スポットが移動可能な２軸の位置決めステージ（図示せず）が設けられており、カンチレバー２０７の背面とサンプル２１１上に照射されたスポット光の様子が観察可能な光学顕微鏡（図示せず）の像を見ながら位置合わせが行われる。 Here, the operation principle of the optical lever type optical displacement detection mechanism will be described. Before performing measurement with the scanning probe microscope, first, incident light from the light source 221 is positioned on the back surface of the cantilever 207. At this time, the light source 221 is usually provided with a biaxial positioning stage (not shown) in which the spot of the incident light 231 can move in the plane of the cantilever 207, and is irradiated on the back surface of the cantilever 207 and the sample 211. Positioning is performed while viewing an image of an optical microscope (not shown) in which the state of the spot light can be observed.

次に、カンチレバー２０７の背面で反射された反射光を、光検出器２３５の受光面内に位置合わせする。光検出器２３５にも通常は受光面内で移動可能な２軸の位置決めステージ（図示せず）が設けられている。光検出器２３５は半導体材料より構成されており、受光面に光が当たると電流が発生する。受光面の後ろ側には、電流／電圧変換回路（図示せず）が接続されており、あらかじめ規定された増幅率により、電流信号が電圧信号に変換されて、後述するＺフィードバック回路２５１に電圧信号が入力される。 Next, the reflected light reflected by the back surface of the cantilever 207 is aligned with the light receiving surface of the photodetector 235. The photodetector 235 is also provided with a biaxial positioning stage (not shown) that is normally movable within the light receiving surface. The photodetector 235 is made of a semiconductor material, and an electric current is generated when light strikes the light receiving surface. A current / voltage conversion circuit (not shown) is connected to the rear side of the light receiving surface, and the current signal is converted into a voltage signal with a predetermined amplification factor, and a voltage is applied to a Z feedback circuit 251 described later. A signal is input.

反射光２３３のスポットを受光面内で位置合わせするためには、まず、２分割された上側の受光面（Ａ）と下側の受光面（Ｂ）との光量の和（Ａ+Ｂ）が最大となるように、電
流/電圧変換回路からの電圧信号を見ながら位置合わせする。この状態では、受光面内の
任意の位置に反射光のスポットが位置合わせされた状態である。次に、スポット光が受光面の上下の受光面の中心来るように、さらに精密に位置合わせする。このときには上下の受光面の差（Ａ−Ｂ）の電圧信号が概ね０となるように光検出器２３５にも設けられた位置決め機構を微調する。このように位置合わせすることで、スポット光の照射位置を上下の受光面の中心に精密に位置合わせすることが可能となる。 In order to align the spot of the reflected light 233 within the light receiving surface, first, the sum (A + B) of the light amounts of the upper light receiving surface (A) and the lower light receiving surface (B) divided into two is obtained. Align while observing the voltage signal from the current / voltage conversion circuit so as to maximize. In this state, the spot of the reflected light is aligned with an arbitrary position in the light receiving surface. Next, alignment is performed more precisely so that the spot light comes to the center of the light receiving surfaces above and below the light receiving surface. At this time, the positioning mechanism provided also to the photodetector 235 is finely adjusted so that the voltage signal of the difference (A−B) between the upper and lower light receiving surfaces is substantially zero. By aligning in this way, it becomes possible to precisely align the irradiation position of the spot light with the centers of the upper and lower light receiving surfaces.

次に、ここでプローブ２０９とサンプル２１１を近接させた場合には、はじめ原子間力が作用し、さらに接近させると接触力が作用し、これらの作用によりカンチレバー２０７にたわみが生じる。カンチレバー２０７がたわむと、光検出器２３５の受光面上のスポット光の位置が上下に動く。ここで、上下の受光面の差（Ａ−Ｂ）の電圧信号を検出することで、カンチレバー２０７のたわみ量を測定することが可能となる。 Next, when the probe 209 and the sample 211 are brought close to each other, an interatomic force acts first, and when further brought closer, a contact force acts, and the cantilever 207 is bent by these actions. When the cantilever 207 is bent, the position of the spot light on the light receiving surface of the photodetector 235 moves up and down. Here, the amount of deflection of the cantilever 207 can be measured by detecting the voltage signal of the difference (A−B) between the upper and lower light receiving surfaces.

カンチレバー２０７のたわみ量は、プローブとサンプル表面間の距離に依存するため、カンチレバー２０７のたわみ量を光検出器２３５の出力電圧（Ａ-Ｂ）で検出し、Ｚフィ
ードバック回路２５１に入力し、たわみ量が一定、すなわち出力電圧（Ａ-Ｂ）が一定と
なるように、Ｚ微動機構２１３によりプローブとサンプル表面間の距離を制御し、ＸＹスキャナ２１３でサンプルを走査することで、サンプル表面の凹凸像が得られる。これらの制御は制御部２５７で行われ、ＸＹＺスキャナドライバ２５３により３軸微動機構２１３が駆動される。得られた凹凸像は表示部２５５に表示される。
特開平１０−１０４２４５号公報 Since the amount of deflection of the cantilever 207 depends on the distance between the probe and the sample surface, the amount of deflection of the cantilever 207 is detected by the output voltage (AB) of the photodetector 235 and input to the Z feedback circuit 251 to bend. The distance between the probe and the sample surface is controlled by the Z fine movement mechanism 213 so that the amount is constant, that is, the output voltage (A-B) is constant, and the sample is scanned by the XY scanner 213, thereby causing unevenness of the sample surface. An image is obtained. These controls are performed by the control unit 257, and the three-axis fine movement mechanism 213 is driven by the XYZ scanner driver 253. The obtained uneven image is displayed on the display unit 255.
JP-A-10-104245

このような光学式変位検出機構における検出感度Ｓ、すなわち、測定対象となるカンチレバーの単位変位あたり光検出器の上下の受光面の信号の差の出力は、光検出器の受光面への光量をＰ、光検出器の光/電流変換係数をα、光検出器の受光面でのスポット光の面
積をＡ、カンチレバーが単位長さ当たり動作した時の上下の受光面でのスポット光の移動した面積の差をΔａ、電流／電圧変換回路の利得（増幅率）をＧとした場合、以下のように表される。 The detection sensitivity S in such an optical displacement detection mechanism, that is, the output of the difference between the signals of the upper and lower light receiving surfaces of the photodetector per unit displacement of the cantilever to be measured is the amount of light to the light receiving surface of the photodetector. P, the light / current conversion coefficient of the photodetector is α, the area of the spot light on the light receiving surface of the photodetector is A, and the spot light moves on the upper and lower light receiving surfaces when the cantilever operates per unit length. When the difference in area is Δa and the gain (amplification factor) of the current / voltage conversion circuit is G, it is expressed as follows.

Ｓ＝ＧαＰΔａ／Ａ（１）
すなわち、ここで、Δａはカンチレバーの長さとカンチレバーから光検出器の距離で決まる光てこ光学系のてこ比で決まり、またＡは集光レンズの特性と光源から光検出器までの距離で決まる。したがって、てこ比や集光レンズが決まった後で、感度を上げるためには、光検出器の受光面への光量Ｐを大きくするか、電流／電圧変換回路の利得（増幅率）Ｇを大きくする必要がある。 S = GαPΔa / A (1)
That is, Δa is determined by the length of the cantilever and the lever ratio of the optical lever optical system determined by the distance from the cantilever to the photodetector, and A is determined by the characteristics of the condenser lens and the distance from the light source to the photodetector. Therefore, in order to increase the sensitivity after the lever ratio and the condensing lens are determined, the light amount P to the light receiving surface of the photodetector is increased or the gain (amplification factor) G of the current / voltage conversion circuit is increased. There is a need to.

しかしながら、変位検出機構の感度Ｓを大きくした場合、測定対象から光検出器の受光面へ入射するスポット光の位置合わせを行う場合に、わずかな移動量で光検出器の出力信号が大きく変化してしまうため、位置合わせが非常に困難であった。特に、このような光学式変位検出機構を用いて試料表面の形状情報や、様々な物理情報（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等）を計測する表面情報計測装置の一種である走査型プローブ顕微鏡では、より微小な力を検出する要求が高まり、検出感度を高くする傾向があり位置合わせがますます困難となっている。 However, when the sensitivity S of the displacement detection mechanism is increased, the output signal of the photodetector greatly changes with a small amount of movement when the position of the spot light incident on the light receiving surface of the photodetector from the measurement object is aligned. Therefore, alignment is very difficult. In particular, a surface information measuring device that measures the shape information of the sample surface and various physical information (for example, dielectric constant, magnetization state, transmittance, viscoelasticity, friction coefficient, etc.) using such an optical displacement detection mechanism. In a scanning probe microscope which is a kind of the above, the demand for detecting a finer force is increasing, and there is a tendency to increase the detection sensitivity, which makes positioning more difficult.

また、光源からの入射光を測定対象であるカンチレバーに照射する場合には、光学顕微鏡（図示せず）の観察像でカンチレバーとカンチレバーへの照射光のスポット光を観察しながら位置合わせを行うが、光の強度が強い場合にはサンプル表面やカンチレバーで散乱される散乱光の強度も大きくなり、光学顕微鏡の観察像上で光のスポットが著しく輝いて観察され、視認性が低下し、カンチレバーや照射光のスポット光の中心が観察しづらく、カンチレバーへの照射光のスポット光の中心を正確に位置合わせすることが困難となり、その結果、測定精度の低下を引き起こす問題もあった。 In addition, when irradiating incident light from a light source onto a cantilever to be measured, alignment is performed while observing the spot light of the irradiation light on the cantilever and the cantilever with an observation image of an optical microscope (not shown). When the light intensity is high, the intensity of the scattered light scattered on the sample surface and the cantilever also increases, the light spot is observed on the observation image of the optical microscope remarkably, and the visibility decreases, and the cantilever and It is difficult to observe the center of the spot light of the irradiation light, and it becomes difficult to accurately align the center of the spot light of the irradiation light to the cantilever, and as a result, there is a problem of causing a decrease in measurement accuracy.

したがって、本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡などで使用される光学式変位検出機構において、検出感度を上げた場合でも測定前の光検出器や測定対象へのスポット位置合わせを容易にかつ、確実に行うことが可能な光学式変位検出機構を提供することである。 Therefore, the object of the present invention is to easily align the spot position to the photodetector and measurement object before measurement even when the detection sensitivity is increased in the optical displacement detection mechanism used in a scanning probe microscope and the like. An optical displacement detection mechanism that can be reliably performed is provided.

上記課題を解決するために、本発明では以下の手段により光学式変位検出機構とそれを用いた表面情報計測装置を構成した。 In order to solve the above problems, in the present invention, an optical displacement detection mechanism and a surface information measuring device using the same are configured by the following means.

本発明の光学式変位検出機構では、測定対象に光を照射する光源と、前記光源を駆動する光源駆動回路と、前記光源から測定対象に照射した後の光を受光し、光強度を検出する光検出器と、前記光検出器の所定の位置にスポット光を位置決めするための光検出器用位置決め機構と、前記光検出器の検出信号を所定の利得で増幅する増幅器から構成される光学式変位検出機構であって、測定対象を実際に測定する前にスポット光を前記光検出器用位置決め機構により前記光検出器の所定の位置に位置調整するときに、前記光検出器で検出される検出感度を実際に測定対象を測定する時よりも小さく設定して位置調整を行うようにした。 In the optical displacement detection mechanism of the present invention, a light source that irradiates light to the measurement object, a light source drive circuit that drives the light source, and light that has been irradiated from the light source to the measurement object are received and the light intensity is detected Optical displacement comprising a photodetector, a photodetector positioning mechanism for positioning the spot light at a predetermined position of the photodetector, and an amplifier that amplifies the detection signal of the photodetector with a predetermined gain A detection mechanism that is detected by the photodetector when the spot light is positioned at a predetermined position of the photodetector by the photodetector positioning mechanism before actually measuring the measurement target. Was adjusted to be smaller than when actually measuring the measurement object.

以上のように構成することで、検出感度を小さくすることにより、光検出器用位置決め機構による位置合わせを容易に、かつ確実に行うことが可能となる。 With the configuration described above, it is possible to easily and reliably perform alignment by the photodetector positioning mechanism by reducing the detection sensitivity.

尚、位置合わせ後は元の利得（増幅率）に設定を戻すことで、サンプルを実際に測定するときには高感度で測定することが可能となる。 In addition, by returning the setting to the original gain (amplification factor) after alignment, it becomes possible to measure with high sensitivity when actually measuring the sample.

また、本発明の光学式変位検出機構では、光検出器に設けられた増幅器の利得（増幅率）
設定を変えられるように利得（増幅率）調整器により、実測定時よりも利得を小さい値に設定することで検出感度を小さくして、前記光検出器の所定の位置に光のスポットの位置決めを行うようにした。 Further, in the optical displacement detection mechanism of the present invention, the gain (amplification factor) of the amplifier provided in the photodetector.
With a gain (amplification factor) adjuster so that the setting can be changed, the detection sensitivity is reduced by setting the gain to a value smaller than that during actual measurement, and the light spot is positioned at a predetermined position of the photodetector. I did it.

このように、式（１）において増幅器の利得（増幅率）Ｇを小さくすることで、その結果、検出感度Ｓを小さくすることができ、光検出器用位置決め機構による位置合わせを容易に、かつ確実に行うことが可能となる。 In this way, by reducing the gain (amplification factor) G of the amplifier in the equation (1), as a result, the detection sensitivity S can be reduced, and the alignment by the photodetector positioning mechanism can be performed easily and reliably. Can be performed.

また、本発明の光学式変位検出機構では、光強度可変手段を設けて光検出器に入射する光の強度を実測定時よりも小さい値に設定して、検出感度Ｓを小さくして、前記光検出器の所定の位置に光のスポットの位置決めを行うようにした。 In the optical displacement detection mechanism of the present invention, the light intensity variable means is provided to set the intensity of the light incident on the photodetector to a value smaller than that at the time of actual measurement, the detection sensitivity S is reduced, and the light The light spot is positioned at a predetermined position of the detector.

光強度の設定方法として、実際に測定対象を測定する時より光源の発光強度を光源駆動回路により実測定時よりも小さな強度にして光検出器の所定の位置に光のスポットの位置決めを行うようにした。 As a light intensity setting method, the light spot is positioned at a predetermined position of the photodetector by setting the light emission intensity of the light source to be smaller than the actual measurement by the light source driving circuit than when actually measuring the measurement target. did.

別の光強度設定方法として、実際に測定対象を測定する時に光源から光検出器までの光路上のいずれかの位置に光の強度を低下させる減光フィルターを入れて、実測定時よりも小さな強度にして前記光検出器の所定の位置に光のスポットの位置決めを行うようにした。 Another method for setting the light intensity is to insert a neutral density filter that reduces the light intensity at any position on the optical path from the light source to the light detector when actually measuring the measurement target. Thus, the light spot is positioned at a predetermined position of the photodetector.

以上のように構成することで、式（１）において光検出器の受光面への光量Ｐを小さくすることができ、その結果、検出感度Ｓが小さくなり、光検出器の位置決め機構による位置合わせを容易に、かつ確実に行うことが可能となる。位置合わせ後は元の光量に戻すことで、測定対象を実際に測定するときには高感度で測定することが可能となる。 With the configuration described above, the amount of light P to the light receiving surface of the photodetector can be reduced in the expression (1), and as a result, the detection sensitivity S is reduced, and the alignment by the positioning mechanism of the photodetector is performed. Can be easily and reliably performed. By returning to the original light amount after the alignment, it is possible to measure with high sensitivity when actually measuring the measurement object.

さらに、本発明では、光源の光を測定対象に照射位置を調整するための光源用位置決め機構を有し、前記光強度可変手段により測定対象を実際に測定する時よりも測定対象に照射する前の光の強度を小さい値に設定して、測定対象に前記光源の光を位置決めするようにした。 Furthermore, the present invention has a light source positioning mechanism for adjusting the irradiation position of the light of the light source to the measurement object, and before irradiating the measurement object than when actually measuring the measurement object by the light intensity varying means. The light intensity of the light source was set to a small value, and the light of the light source was positioned on the measurement object.

このように構成することで、測定対象へのスポット光の位置合わせを行う際に測定対象とスポット光の中心との視認性が向上し、正確かつ簡便に測定対象へ光のスポットの位置合わせを行うことが可能となり、測定精度が向上する。 With this configuration, the visibility of the measurement target and the center of the spot light is improved when the spot light is aligned with the measurement target, and the alignment of the light spot to the measurement target is accurately and easily performed. Measurement accuracy can be improved.

また、本発明の光学式変位検出機構の測定対象を先端にプローブを有するカンチレバーまたは任意の形状のプローブとして、上記の光学式変位検出機構を備えて、サンプルを保持するサンプルホルダと、先端にプローブを有するカンチレバーまたは任意形状のプローブを保持するサンプルホルダと、カンチレバーまたはプローブとサンプルホルダとを少なくともサンプル表面に垂直なＺ方向に相対的に移動させる１軸以上の微動機構からなる移動手段と、光学式変位検出機構による測定結果に基づいて移動手段を制御して、前記サンプルの観察データを採取する制御手段とを備えている走査型プローブ顕微鏡を構成した。 Further, as a measurement object of the optical displacement detection mechanism of the present invention, a cantilever having a probe at the tip or a probe of any shape, a sample holder provided with the optical displacement detection mechanism as described above, and a probe at the tip A sample holder for holding a cantilever or a probe having an arbitrary shape, a moving means comprising one or more fine movement mechanisms for moving the cantilever or probe and the sample holder relative to at least a Z direction perpendicular to the sample surface, and an optical A scanning probe microscope including a control unit that collects observation data of the sample by controlling the moving unit based on the measurement result of the displacement detection mechanism is configured.

また、光検出器の受光面が４分割または２分割され、光源からの光をカンチレバー背面に照射し、カンチレバーからの反射光を受光面で受光する走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構において、測定前に光検出器上の分割面の中心付近にカンチレバーからの反射光を位置決めするように構成した。 In the optical displacement detection mechanism for a scanning probe microscope, the light receiving surface of the photodetector is divided into four or two parts, the light from the light source is irradiated on the back surface of the cantilever, and the reflected light from the cantilever is received by the light receiving surface. Before the measurement, the reflected light from the cantilever was positioned near the center of the dividing surface on the photodetector.

さらに、光検出器の受光面が４分割または２分割され、光源からの光をプローブに照射し、プローブの影を光検出器の受光面上に投影する走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構において、測定前に光検出器上の分割面の中心付近にプローブに照射された光を位置決めするように構成した。 In addition, the light receiving surface of the light detector is divided into four or two parts, the probe is irradiated with light from the light source, and the probe's shadow is projected onto the light receiving surface of the light detector. In the mechanism, the light irradiated to the probe is positioned near the center of the divided surface on the photodetector before measurement.

さらに、本発明の光学式変位検出機構による測定対象を表面情報計測を行うためのプローブとし、前記光学式変位検出機構により、前記プローブの位置情報を検出を行うように、走査型プローブ顕微鏡や表面粗さ計、硬度計や電気化学顕微鏡等の表面情報計測装置を構成した。 Further, the measurement object by the optical displacement detection mechanism of the present invention is used as a probe for measuring surface information, and the optical displacement detection mechanism is used to detect the position information of the probe. Surface information measuring devices such as a roughness meter, a hardness meter, and an electrochemical microscope were constructed.

このように構成された光学式変位検出機構を用いることで走査型プローブ顕微鏡をはじめとする表面情報計測装置による測定時前のカンチレバーやプローブの光学式変位検出機構の位置合わせを容易にかつ確実に行うことが可能となり、測定精度が向上し、測定準備にかかる時間が短縮される。 By using the optical displacement detection mechanism configured in this way, it is easy and reliable to align the optical displacement detection mechanism of the cantilever and probe before measurement by a surface information measuring device such as a scanning probe microscope. Measurement accuracy is improved, and time required for measurement preparation is shortened.

以上のように光学式変位検出機構を構成することで、光検出器の受光面への光のスポットの位置合わせ時に、光検出器の感度を小さくすることで、光検出器に設けられた位置決め機構による位置合わせを容易に、かつ確実に行うことが可能となる。 By configuring the optical displacement detection mechanism as described above, the positioning of the light detector is reduced by reducing the sensitivity of the light detector when aligning the light spot on the light receiving surface of the light detector. Positioning by the mechanism can be performed easily and reliably.

位置合わせ後は元の感度に設定を戻すことで、実際に測定対象を測定する時には高感度で測定することが可能となる。 By returning the setting to the original sensitivity after the alignment, it is possible to measure with high sensitivity when actually measuring the measurement object.

以下、本発明の走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the scanning probe microscope of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明に係る第１の実施例の光学式変位検出機構を図１、図２に示す。図１は走査型プローブ顕微鏡に光学式変位検出機構を適用した場合の概観図である。なお、図１は正面図で示しているが光検出器の部分について斜視図で記載している。また、図２は図１の電流／電圧変換回路を備えた増幅器２２の回路図である。 The optical displacement detection mechanism of the first embodiment according to the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 is a schematic view when an optical displacement detection mechanism is applied to a scanning probe microscope. Although FIG. 1 shows a front view, the photodetector portion is shown in a perspective view. FIG. 2 is a circuit diagram of an amplifier 22 having the current / voltage conversion circuit of FIG.

本実施例では先端にサンプルホルダ１が固定され、末端が粗動機構２上に固定された円筒型圧電素子からなる３軸微動機構４を有する。３軸微動機構４は、サンプルホルダ１上に置かれたサンプル５をサンプル面内（ＸＹ平面）方向に走査するＸＹスキャナ部４ａと、サンプル面内と垂直な方向（Ｚ方向）に微動するＺ微動機構４ｂを有している。 In this embodiment, a sample holder 1 is fixed at the tip, and a three-axis fine movement mechanism 4 made of a cylindrical piezoelectric element having a terminal fixed on the coarse movement mechanism 2 is provided. The triaxial fine movement mechanism 4 includes an XY scanner unit 4a that scans the sample 5 placed on the sample holder 1 in a sample plane (XY plane) direction, and a Z that finely moves in a direction perpendicular to the sample plane (Z direction). A fine movement mechanism 4b is provided.

サンプル５の上方には、カンチレバー部６ａの先端に先鋭化されたプローブ６ｂを有する、シリコン製のカンチレバー６が、カンチレバーホルダ７を介してベース８に固定されている。カンチレバー６の上方には光学式変位検出機構９が配置される。 Above the sample 5, a silicon cantilever 6 having a sharpened probe 6 b at the tip of the cantilever portion 6 a is fixed to the base 8 via a cantilever holder 7. An optical displacement detection mechanism 9 is disposed above the cantilever 6.

ここで、本実施例での走査型プローブ顕微鏡の動作原理を説明する。本実施例は走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡であり、サンプル表面の凹凸像の測定を行うために用いられる。本実施例では一般にコンタクト式原子間力顕微鏡と呼ばれている方式を用いている。 Here, the principle of operation of the scanning probe microscope in the present embodiment will be described. The present embodiment is an atomic force microscope which is a kind of scanning probe microscope, and is used for measuring a concavo-convex image on a sample surface. In this embodiment, a method generally called a contact type atomic force microscope is used.

粗動機構２によりサンプル５をプローブ６ｂに接近させていくと、プローブ６ｂとサンプル５の間に原子間力が作用し、プローブ６ｂは引力を受ける。さらに接近させていくとプローブ６ｂは斥力を受けるようになり、最後はプローブ６ｂとサンプル５が接触する。このとき、プローブ６ｂが受ける力に応じて、カンチレバー部６ａにたわみが生じる。プローブ６ｂが受ける力、すなわちカンチレバー部６ａのたわみ量は、プローブ６ｂとサンプル５の表面間の距離に依存する。 When the sample 5 is moved closer to the probe 6b by the coarse movement mechanism 2, an atomic force acts between the probe 6b and the sample 5, and the probe 6b receives an attractive force. As the probe 6b further approaches, the probe 6b receives a repulsive force, and finally the probe 6b and the sample 5 come into contact with each other. At this time, deflection occurs in the cantilever portion 6a according to the force received by the probe 6b. The force received by the probe 6b, that is, the amount of deflection of the cantilever portion 6a depends on the distance between the probe 6b and the surface of the sample 5.

したがって、カンチレバー部６ａのたわみ量が一定となるようにＺ微動機構４ｂでプローブ６ｂとサンプル５の間の距離を変化させながら、ＸＹスキャナ部４ａでサンプル５をラスタスキャンすることでサンプル５の表面の凹凸形状を得ることができる。 Therefore, the surface of the sample 5 is raster-scanned by the XY scanner unit 4a while changing the distance between the probe 6b and the sample 5 by the Z fine movement mechanism 4b so that the deflection amount of the cantilever unit 6a is constant. Can be obtained.

次に、本実施例の光学式変位検出機構９の構成と動作原理について述べる。 Next, the configuration and operating principle of the optical displacement detection mechanism 9 of this embodiment will be described.

この光学式変位検出機構９は、一般に光てこ方式と呼ばれるものであり、光源１０に半導体レーザを使用し、光源１０から発光されるレーザ光を集光レンズ１１で集光し、ビームスプリッター１２で入射光１３の光路を曲げて測定対象であるカンチレバー部６ａの背面に直上（Ｚ方向）から照射する。光源１０の光の強度は光源駆動回路２１により設定される。 This optical displacement detection mechanism 9 is generally called an optical lever system, and uses a semiconductor laser as a light source 10, condenses laser light emitted from the light source 10 with a condenser lens 11, and uses a beam splitter 12. The optical path of the incident light 13 is bent to irradiate the back surface of the cantilever part 6a to be measured from directly above (Z direction). The light intensity of the light source 10 is set by the light source driving circuit 21.

カンチレバー６はＸＹ平面に対して傾けられて配置されており、反射光１４は入射光１３の光軸とは異なる方向に反射される。反射光１４はミラー１５で曲げられて、光検出器１６上に入射する。 The cantilever 6 is disposed to be inclined with respect to the XY plane, and the reflected light 14 is reflected in a direction different from the optical axis of the incident light 13. The reflected light 14 is bent by the mirror 15 and enters the photodetector 16.

光の光路はカンチレバー部６ａの背面で一端結像し光検出器１６の受光面上では有限の大きさを持ったスポット２０を形成するように構成される。光検出器１６は、半導体を材料として製作されており、受光面が４分割（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）された構成となっている。 The optical path of the light is configured to form an image at one end on the back surface of the cantilever portion 6 a and form a spot 20 having a finite size on the light receiving surface of the photodetector 16. The photodetector 16 is manufactured using a semiconductor as a material, and has a configuration in which the light receiving surface is divided into four parts (A1, A2, B1, B2).

光検出器１６に光が入射すると、光検出器１６を構成する半導体から電流信号が発生し、光検出器１６の後端に設けられた電流/電圧変換回路を備えた増幅器２２により、４つ
の受光面ごとに所定の増幅率で電圧信号に変換される。このときの出力は電圧モニター２３で表示される。 When light is incident on the photodetector 16, a current signal is generated from the semiconductor constituting the photodetector 16, and four amplifiers 22 each having a current / voltage conversion circuit provided at the rear end of the photodetector 16 are used. Each light receiving surface is converted into a voltage signal with a predetermined amplification factor. The output at this time is displayed on the voltage monitor 23.

ここで、カンチレバー部６ａがＺ方向にたわんだ場合には、光検出器１６上のスポット２０は受光面上で上下に動作する。したがって４分割された受光面（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）のうち、上側の２つの受光面の領域Ａ（Ａ１＋Ａ２）と、下側の２つの受光面の領域Ｂ（Ｂ１＋Ｂ２）に入射する光の強度差Ａ−Ｂを測定することでカンチレバー部６ａのたわみ量を測定することが可能となる。 Here, when the cantilever portion 6a bends in the Z direction, the spot 20 on the photodetector 16 moves up and down on the light receiving surface. Therefore, of the four divided light receiving surfaces (A1, A2, B1, B2), light incident on the upper two light receiving surface regions A (A1 + A2) and the lower two light receiving surface regions B (B1 + B2) It is possible to measure the amount of deflection of the cantilever part 6a by measuring the intensity difference AB.

ここで、図２により電流／電圧変換回路を備えた増幅器２２の回路構成を説明する。本実施例の光学式変位検出機構では、光検出器１６の上側の受光面の領域Ａと、下側の受光面の領域Ｂに入射する光の強度差を測定することでカンチレバー部６ａのたわみ量を測定することが可能となる。ここで、各受光面に入射する光の強度をＰａ１、Ｐａ２、Ｐｂ１、Ｐｂ２とする。各受光面にＰａ１、Ｐａ２、Ｐｂ１、Ｐｂ２の強さの光が入射すると、光検出器１６により光信号が電気信号に変換されて、それぞれの受光面Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２から電流Ｉａ１、Ｉａ２、Ｉｂ１、Ｉｂ２が発生する。この電流は、それぞれの受光面に接続されたオペアンプ３１と抵抗Ｒ１により構成される電流電圧変換回路３０により、電圧信号Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖｂ１、Ｖｂ２に変換される。このとき、電流電圧変換回路３０のフィードバック抵抗値をＲ１とすると、Ｖａ１＝Ｒ１×Ｉａ１、Ｖａ２＝Ｒ１×Ｉａ２、Ｖｂ１＝Ｒ１×Ｉｂ１、Ｖｂ２＝Ｒ１×Ｉｂ２の関係がある。このように、初段の電流電圧変換回路３０では増幅率Ｒ１で増幅されて、電流信号が電圧信号に変換される。これらの電圧信号は、加算回路３４に入力されて、上側２つの受光面の光量の和Ｖａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２、下側２つの受光面の光量の和Ｖｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２が出力される。これらの信号は、オペアンプ３２と抵抗Ｒ２，Ｒ３により構成される差動増幅回路３３に送られて、電圧の差信号Ｖａ−ｂを検出する。ここで、図のようにオペアンプと抵抗値Ｒ２、Ｒ３で差動増幅器を構成した場合、Ｖａ−ｂ＝（Ｒ３／Ｒ２）×（Ｖａ−Ｖｂ）の関係が成り立ち、差動増幅器により増幅率Ｒ３／Ｒ２で増幅されて、Ｖａ−ｂが出力される。このＶａ−ｂを検出することでカンチレバーのたわみ量を測定することができる。 Here, the circuit configuration of the amplifier 22 including the current / voltage conversion circuit will be described with reference to FIG. In the optical displacement detection mechanism of this embodiment, the deflection of the cantilever portion 6a is measured by measuring the difference in intensity between the light incident on the region A of the upper light receiving surface of the photodetector 16 and the region B of the lower light receiving surface. The amount can be measured. Here, the intensity of light incident on each light receiving surface is Pa1, Pa2, Pb1, and Pb2. When light having an intensity of Pa1, Pa2, Pb1, and Pb2 is incident on each light receiving surface, the optical signal is converted into an electric signal by the photodetector 16, and the currents Ia1, A2, A1, and B2 are converted from the respective light receiving surfaces A1, A2, B1, and B2. Ia2, Ib1, and Ib2 are generated. This current is converted into voltage signals Va1, Va2, Vb1, and Vb2 by a current-voltage conversion circuit 30 including an operational amplifier 31 and a resistor R1 connected to each light receiving surface. At this time, assuming that the feedback resistance value of the current-voltage conversion circuit 30 is R1, there are relationships Va1 = R1 × Ia1, Va2 = R1 × Ia2, Vb1 = R1 × Ib1, and Vb2 = R1 × Ib2. As described above, the current-current conversion circuit 30 in the first stage is amplified with the amplification factor R1, and the current signal is converted into the voltage signal. These voltage signals are input to the adder circuit 34, and the sum of the light amounts Va = Va1 + Va2 of the upper two light receiving surfaces and the sum Vb = Vb1 + Vb2 of the lower two light receiving surfaces are output. These signals are sent to a differential amplifier circuit 33 composed of an operational amplifier 32 and resistors R2 and R3, and a voltage difference signal Va-b is detected. Here, when the differential amplifier is configured with the operational amplifier and the resistance values R2 and R3 as shown in the figure, the relationship Va−b = (R3 / R2) × (Va−Vb) is established, and the amplification factor R3 is established by the differential amplifier. It is amplified by / R2, and Va-b is output. By detecting this Va-b, the deflection amount of the cantilever can be measured.

本実施例では、受光感度０．６５Ａ／Ｗの光検出器１６を用い、走査型プローブ顕微鏡で測定対象を測定する場合、電流電圧変換回路３０のフィードバック抵抗値Ｒ１は１００ｋΩに設定し。また、差動増幅回路３３の抵抗値はＲ２＝１０ｋΩ，Ｒ３＝２０ｋΩに設定した。 In this embodiment, when using the photodetector 16 having a light receiving sensitivity of 0.65 A / W and measuring a measurement object with a scanning probe microscope, the feedback resistance value R1 of the current-voltage conversion circuit 30 is set to 100 kΩ. The resistance values of the differential amplifier circuit 33 were set to R2 = 10 kΩ and R3 = 20 kΩ.

すなわち実測定時の増幅率は、初段の電流／電圧変換回路で１０００００倍、差動増幅器で２倍に設定される。 That is, the amplification factor during actual measurement is set to 100000 times in the first-stage current / voltage conversion circuit and 2 times in the differential amplifier.

この、Ａ−Ｂの電圧信号Ｖａ−ｂを制御回路２４に送り、あらかじめ設定した動作点と比較してその差分に応じた信号によりスキャナ駆動回路２５からＺ微動機構４ｂを動作させて、サンプル５とプローブ６ｂ間の距離を一定に保つように制御を掛ける。さらに、スキャナ駆動回路２５により、ＸＹスキャナ部４ａを動作させサンプル５をラスタスキャンさせる。 The A-B voltage signal Va-b is sent to the control circuit 24, and compared with a preset operating point, the Z fine movement mechanism 4b is operated from the scanner driving circuit 25 by a signal corresponding to the difference. And control is performed so as to keep the distance between the probe 6b constant. Further, the scanner driving circuit 25 operates the XY scanner unit 4a to raster scan the sample 5.

このとき、３軸微動機構４に掛けた電圧信号を表示部２６で表示させることで、サンプル５の表面の凹凸像が得られる。 At this time, by displaying the voltage signal applied to the triaxial fine movement mechanism 4 on the display unit 26, an uneven image on the surface of the sample 5 is obtained.

ここで、測定前の光学式変位検出機構９の調整方法を述べる。カンチレバー６は消耗品であり、測定の都度交換が必要となる場合がある。また、測定の目的に応じて、材質や形状の異なるカンチレバーの中から最適なものが選択されて使用される。したがって、カンチレバー６の交換の都度、入射光１３をカンチレバー部６ａの背面に位置合わせし、さらに、反射光１４を光検出器１６の受光面に位置合わせする必要がある。 Here, an adjustment method of the optical displacement detection mechanism 9 before measurement will be described. The cantilever 6 is a consumable item and may need to be replaced after each measurement. In addition, the most suitable cantilevers of different materials and shapes are selected and used according to the purpose of measurement. Therefore, each time the cantilever 6 is replaced, it is necessary to align the incident light 13 with the back surface of the cantilever portion 6 a and further align the reflected light 14 with the light receiving surface of the photodetector 16.

まず、カンチレバー部６ａの背面へのスポット光の位置合わせに際しては、まず、光学顕微鏡２９で、カンチレバー６とサンプル５の表面さらにサンプル表面上の入射光１３のスポットを観察する。光源１０と集光レンズ１１から構成される光源モジュール１９は、２軸の送りねじ式のステージより構成される光源用位置決め機構１７に取り付けられており、この光源用位置決め機構１７を動作させることで、入射光１３をＸＹ平面で動かすことが可能となる。光学顕微鏡２９の像によりカンチレバー６とサンプル５に照射された入射光１３のスポットを観察しながら、カンチレバー６ａの背面に入射光１３のスポットの中心が位置するように正確に位置決めする。 First, when aligning the spot light on the back surface of the cantilever portion 6a, first, the optical microscope 29 observes the spot of the incident light 13 on the surface of the cantilever 6 and the sample 5, and further on the sample surface. A light source module 19 including a light source 10 and a condensing lens 11 is attached to a light source positioning mechanism 17 including a biaxial feed screw type stage. By operating the light source positioning mechanism 17, The incident light 13 can be moved in the XY plane. While observing the spot of the incident light 13 applied to the cantilever 6 and the sample 5 from the image of the optical microscope 29, the center of the spot of the incident light 13 is positioned accurately on the back surface of the cantilever 6a.

次に、光検出器１６のスポット光の位置合わせについて説明する。光検出器１６にも２軸の送りねじ方式のステージより構成される光検出器用位置決め機構１８が取り付けられている。光検出器１６の受光面上に反射光のスポット２０の位置合わせを行う際には、電圧モニター２３の信号を見ながら、まずは４分割された受光面の光量の総和（Ｐａ１＋Ｐａ２＋Ｐｂ１＋Ｐｂ２）が最大となるように光検出器用位置決め機構１８により位置合わせを行う。この状態では、光検出器１６の受光面の任意の位置にスポット２０が位置決めされている。次にスポット２０を４分割された受光面の中心に位置合わせする。そのため、上下の受光面の差（Ｖａ１＋Ｖａ２）−（Ｖｂ１＋Ｖｂ２）の信号を電圧モニター２３で観察しながら、信号が概ね０となるように光検出器用位置決め機構１８により光検出器１６を動かして位置合わせする。これによりスポット２０を上下の受光面の中心に位置合わせすることができる。カンチレバー６ａのたわみを検出する場合には、ここまでの位置合わせで十分であり、上下２分割の受光面を持つ光検出器でも測定可能であるが、例えばカンチレバー６ａのねじれ量を測りプローブ６ｂの先端とサンプル５表面の摩擦力を測定する摩擦力顕微鏡などの場合には、左右の信号の差（Ｖａ１＋Ｖｂ１）−（Ｖａ２＋Ｖｂ２）によりねじれ量の測定を行うため、左右（紙面に垂直な方向）の受光面の信号の差が０となるように光検出器用位置決め機構１８により位置合わせを行う必要がある。 Next, the alignment of the spot light of the photodetector 16 will be described. The photodetector 16 is also provided with a photodetector positioning mechanism 18 composed of a biaxial feed screw type stage. When aligning the spot 20 of the reflected light on the light receiving surface of the photodetector 16, first, the total light amount (Pa1 + Pa2 + Pb1 + Pb2) of the light receiving surface divided into four is maximized while observing the signal of the voltage monitor 23. Thus, the alignment is performed by the photodetector positioning mechanism 18. In this state, the spot 20 is positioned at an arbitrary position on the light receiving surface of the photodetector 16. Next, the spot 20 is aligned with the center of the light receiving surface divided into four. Therefore, while observing the signal of the difference (Va1 + Va2) − (Vb1 + Vb2) between the upper and lower light receiving surfaces with the voltage monitor 23, the photodetector 16 is moved by the photodetector positioning mechanism 18 so that the signal becomes substantially zero. To do. Thereby, the spot 20 can be aligned with the center of the upper and lower light receiving surfaces. When detecting the deflection of the cantilever 6a, the alignment up to this point is sufficient, and even a photodetector having a light receiving surface divided into two parts can be measured. For example, the amount of twist of the cantilever 6a is measured and the probe 6b In the case of a friction force microscope that measures the friction force between the tip and the surface of the sample 5, the torsion amount is measured by the difference between the left and right signals (Va1 + Vb1) − (Va2 + Vb2). It is necessary to perform alignment by the photodetector positioning mechanism 18 so that the difference between the signals on the light receiving surface becomes zero.

ここで、走査型プローブ顕微鏡においてサンプルの特性を高感度に測定するためには、光検出器１６の検出感度（測定対象（ここではカンチレバー６）の単位変位あたりの電圧出力）を高くする必要があるが、検出感度が高い場合には、光検出器１６上に反射光のスポット２０の位置合わせを行う場合に、光検出器用位置決め機構１８をわずかに動かしただけで、上下の受光面の出力差の信号が著しく変動し、光検出器１６の受光面の中心へ反
射光のスポット２０位置合わせを行うことが非常に困難となる。 Here, in order to measure the sample characteristics with high sensitivity in the scanning probe microscope, it is necessary to increase the detection sensitivity of the photodetector 16 (voltage output per unit displacement of the measurement target (here, the cantilever 6)). However, when the detection sensitivity is high, when the reflected light spot 20 is aligned on the photodetector 16, the output of the upper and lower light receiving surfaces can be output by moving the photodetector positioning mechanism 18 slightly. The difference signal varies significantly, making it very difficult to align the reflected light spot 20 to the center of the light receiving surface of the photodetector 16.

そこで、増幅器２２で設定される利得（増幅率）の設定を変えられるように利得（増幅率）調整器２７を設け、利得（増幅率）を下げて光検出器１６上に反射光１４のスポット２０の位置合わせを行うようにした。すなわち、式（１）で利得（増幅率）Ｇを下げることで、検出感度Ｓを下げて、光検出器用位置決め機構１８を動かしても出力電圧の変動が少なくなるように設定した。増幅率を変更するためには、図２の回路の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のいずれかを可変とすることで実現できる。また、差動増幅回路３３以降の制御回路２４内での電気回路内での調整や信号処理系でのソフトウエアの設定で変更してもよい。 Therefore, a gain (amplification factor) adjuster 27 is provided so that the gain (amplification factor) set by the amplifier 22 can be changed, and the spot of the reflected light 14 is spotted on the photodetector 16 by lowering the gain (amplification factor). Twenty alignments were performed. That is, by setting the gain (amplification factor) G in equation (1), the detection sensitivity S is lowered, and the fluctuation of the output voltage is set to be small even if the photodetector positioning mechanism 18 is moved. Changing the amplification factor can be realized by making any of the resistance values R1, R2, and R3 of the circuit of FIG. 2 variable. Further, it may be changed by adjustment in the electric circuit in the control circuit 24 after the differential amplifier circuit 33 or setting of software in the signal processing system.

この結果、光検出器１６へのスポット２０の位置合わせが容易に、かつ正確に行うことが可能となった。その結果、位置合わせに対する測定準備に要する時間が短縮され、高精度の位置合わせが可能となった。 As a result, it is possible to easily and accurately align the spot 20 with the photodetector 16. As a result, the time required for measurement preparation for alignment is shortened, and highly accurate alignment is possible.

光学式変位検出機構９の測定準備が終わった後は利得（増幅率）調整器２７の増幅率を元の値に設定することで、検出感度を高くすることで実際にサンプルを高精度で測定を行うことが可能となる。 After the measurement preparation of the optical displacement detection mechanism 9 is completed, the amplification factor of the gain (amplification factor) adjuster 27 is set to the original value, thereby increasing the detection sensitivity and actually measuring the sample with high accuracy. Can be performed.

本発明に係る、本発明に係る第２の実施例の光学式変位検出機構を図１により説明する。基本構成は第１の実施例と同じであるため、重複する部分の説明は省略する。この第２の実施例では、光学式変位検出機構９の光源１０の光源駆動回路２１に、光強度調整器２８を取り付けた構造となっている。 An optical displacement detection mechanism according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, the description of the overlapping parts is omitted. In the second embodiment, a light intensity adjuster 28 is attached to the light source drive circuit 21 of the light source 10 of the optical displacement detection mechanism 9.

測定前にカンチレバー部６ａの背面への入射光１３の位置合わせと、光検出器１６の受光面へのスポットの位置合わせを行う場合には、この光強度調整器２８により、実測定時よりも光源１０の強度を小さくして位置合わせを行う。本実施例では半導体レーザ１０を駆動する電流値を下げることで強度を小さくした。 When the alignment of the incident light 13 on the back surface of the cantilever portion 6a and the alignment of the spot on the light receiving surface of the photodetector 16 are performed before the measurement, the light intensity adjuster 28 is used to adjust the light source more than the actual measurement. The position is adjusted by reducing the strength of 10. In this embodiment, the intensity is reduced by lowering the current value for driving the semiconductor laser 10.

まず、カンチレバー部６ａの背面への位置合わせを行う場合には、光学顕微鏡２９で、カンチレバー６とサンプル５の表面、サンプル表面上の入射光１３のスポットを観察する。光源１０と集光レンズ１１から構成される光源モジュール１９は、２軸の送りねじ式のステージより構成される光源用位置決め機構１７に取り付けられており、光学顕微鏡像２９を観察しながら、この光源用位置決め機構１７を動作させ、入射光をＸＹ平面で動かし、カンチレバー部６ａ背面へ入射光１３のスポットの中心に位置するように位置合わせする。このとき光源１０の強度が大きいと、サンプル５の表面やカンチレバー部６ａの背面で散乱される入射光の散乱光が増大し、光学顕微鏡２９の観察像の中で散乱光の強度が強くなり、カンチレバー６や、入射光１３のスポットの中心の視認性が著しく悪くなる。したがって、光源１０の光量の強度を落とすことで、入射光１３の強度が小さくなりその結果、散乱光強度も小さくなり、観察像で散乱光がほとんど観察されなくなってカンチレバー６と入射光１３のスポットの視認性が向上し、容易にかつ確実に入射光１３をカンチレバー部６ａの背面に位置決めすることが可能となる。 First, when positioning the back surface of the cantilever part 6a, the optical microscope 29 observes the surface of the cantilever 6 and the sample 5, and the spot of the incident light 13 on the sample surface. A light source module 19 composed of a light source 10 and a condenser lens 11 is attached to a light source positioning mechanism 17 composed of a biaxial feed screw type stage, and this light source is observed while observing an optical microscope image 29. The positioning mechanism 17 is operated, the incident light is moved on the XY plane, and is aligned with the back surface of the cantilever portion 6a so as to be positioned at the center of the spot of the incident light 13. If the intensity of the light source 10 is large at this time, the scattered light of the incident light scattered on the surface of the sample 5 and the back surface of the cantilever part 6a increases, and the intensity of the scattered light in the observation image of the optical microscope 29 becomes strong. The visibility of the cantilever 6 and the center of the spot of the incident light 13 is remarkably deteriorated. Therefore, by reducing the intensity of the light amount of the light source 10, the intensity of the incident light 13 is reduced. As a result, the scattered light intensity is also reduced, and the scattered light is hardly observed in the observation image, and the spot of the cantilever 6 and the incident light 13 And the incident light 13 can be easily and reliably positioned on the back surface of the cantilever portion 6a.

また、光検出器１６の中心に反射光１４のスポット２０を位置合わせする場合には、スポット２０の強度も小さくなるため、式（１）の強度Ｐを小さくすることができ、第一の実施例と同様に検出感度Ｓが下がり、検出器用位置決め機構１８を動かしても出力電圧の変動が少なくなる。この結果、光検出器へのスポットの位置合わせが容易に、かつ正確に行うことが可能となった。その結果、位置合わせに対する測定準備に要する時間が短縮され、高精度の位置合わせが可能となった。 Further, when the spot 20 of the reflected light 14 is aligned with the center of the photodetector 16, the intensity of the spot 20 is also reduced, so that the intensity P of the equation (1) can be reduced, and the first implementation. As in the example, the detection sensitivity S decreases, and even if the detector positioning mechanism 18 is moved, fluctuations in the output voltage are reduced. As a result, it is possible to easily and accurately align the spot with the photodetector. As a result, the time required for measurement preparation for alignment is shortened, and highly accurate alignment is possible.

本実施例においても、光学式変位検出機構９の測定準備が終わった後は光源１０の強度を元の値に設定することで、検出感度が位置合わせ調整時よりも高くなり実際にサンプルを高精度で測定を行うことが可能となる。 Also in this embodiment, after the measurement preparation of the optical displacement detection mechanism 9 is completed, the intensity of the light source 10 is set to the original value, so that the detection sensitivity becomes higher than that at the time of alignment adjustment, and the sample is actually increased. Measurement can be performed with high accuracy.

本発明の第３の実施例を図３に示す。図３は走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型近接場顕微鏡のプローブとプローブの変位検出用の光学式変位検出機構の模式図である。なお、主要部以外の詳細な構成は省略している。 A third embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of a probe of a scanning near-field microscope, which is a type of scanning probe microscope, and an optical displacement detection mechanism for detecting the displacement of the probe. Detailed configuration other than the main part is omitted.

本実施例で使用されるプローブ５０は光ファイバーの先端を先鋭化し、先端部に開口を設け、開口以外の部分をアルミニウムでコートした構成である。このプローブ５０を加振用の圧電素子５１が取り付けられたプローブホルダ５２に板バネ５３で固定し、プローブ５０の長軸方向がサンプル５４の表面と直交するように配置する。 The probe 50 used in the present embodiment has a configuration in which the tip of an optical fiber is sharpened, an opening is provided at the tip, and portions other than the opening are coated with aluminum. This probe 50 is fixed to a probe holder 52 to which a piezoelectric element 51 for vibration is attached by a leaf spring 53, and is arranged so that the major axis direction of the probe 50 is orthogonal to the surface of the sample 54.

このように配置したプローブ５０を、加振用圧電素子５１により、サンプル５４の表面と平行な方向（図のＹ軸方向）にプローブ５０の共振周波数の近傍で加振する。このときプローブ５０の先端とサンプル５４の表面を接近させると、サンプル５４の表面の吸着層の抵抗力や、摩擦力あるいは原子間力などの力をプローブ先端が受ける。これらの力は総称してシアフォースと呼ばれる。シアフォースを受けるとプローブ５０の振幅が減少する。この振幅の減少量はプローブ５０の先端とサンプル５４の表面の距離に依存する。したがってプローブ５０の振幅量や位相の変化を計測しながら、振幅や位相が一定となるようにサンプル５４とプローブ５０間の距離を制御することで、サンプル５４とプローブ５０を一定の距離に保つことが可能である。実施例１と同じく、この状態でサンプル５４とプローブ５０を相対的にラスタスキャンすることでサンプル表面の凹凸像を測定することが可能である。走査型近接場顕微鏡では、プローブ５０に光を入射し、プローブ先端の開口部近傍にエバネッセント光を発生させて、サンプル５４に照射し、サンプル表面で散乱させて、その散乱光を検出器により検出することで、サンプル５４の表面の光学的な特性も同時に測定することが可能である。 The probe 50 arranged in this manner is vibrated in the vicinity of the resonance frequency of the probe 50 in the direction parallel to the surface of the sample 54 (Y-axis direction in the figure) by the vibrating piezoelectric element 51. At this time, when the tip of the probe 50 and the surface of the sample 54 are brought close to each other, the probe tip receives a resistance force, a frictional force, an atomic force, or the like of the adsorption layer on the surface of the sample 54. These forces are collectively called shear force. When the shear force is applied, the amplitude of the probe 50 decreases. The amount of decrease in amplitude depends on the distance between the tip of the probe 50 and the surface of the sample 54. Therefore, the sample 54 and the probe 50 are kept at a constant distance by controlling the distance between the sample 54 and the probe 50 so that the amplitude and phase are constant while measuring the amplitude amount and phase change of the probe 50. Is possible. As in the first embodiment, it is possible to measure the concavo-convex image on the sample surface by relatively scanning the sample 54 and the probe 50 in this state. In the scanning near-field microscope, light is incident on the probe 50, evanescent light is generated near the opening at the tip of the probe, irradiated on the sample 54, scattered on the sample surface, and the scattered light is detected by a detector. As a result, the optical characteristics of the surface of the sample 54 can be measured simultaneously.

ここで、本実施例でのプローブ５０の振幅量の測定方法を説明する。本実施例の光学式変位検出機構５５は、集光レンズと半導体レーザが組み込まれた光源部５６と、表面が２分割され半導体を材料とする光検出器５７から構成される。光源部５６からの光は、真横方向（図のＸ方向）からプローブ５０に照射される。このとき光源部５６からの光は結像されるが、プローブ５０への照射点はプローブ５０ですべての光が遮られない程度に結像点からずれた位置で照射される。 Here, a method for measuring the amplitude of the probe 50 in this embodiment will be described. The optical displacement detection mechanism 55 of this embodiment includes a light source unit 56 in which a condensing lens and a semiconductor laser are incorporated, and a photodetector 57 whose surface is divided into two and made of a semiconductor. Light from the light source unit 56 is applied to the probe 50 from the lateral direction (X direction in the figure). At this time, the light from the light source unit 56 is imaged, but the irradiation point on the probe 50 is irradiated at a position shifted from the imaging point to the extent that the probe 50 does not block all the light.

プローブ５０に照射された光は、一端結像し、その後再び広がって、プローブ５０に対して光源部５６と対向する位置に配置される光検出器５７の面内に有限のスポット５８を作製するように入射する。このときスポット５８内にはプローブ５０で遮られた部分が影となって現れる。 The light irradiated to the probe 50 forms an image at one end, and then spreads again to produce a finite spot 58 in the plane of the photodetector 57 disposed at a position facing the light source unit 56 with respect to the probe 50. So that it is incident. At this time, the portion blocked by the probe 50 appears as a shadow in the spot 58.

プローブ５０へのスポット光の位置合わせに際しては、まず、光源部５６に設けられた２軸の光源用位置決め機構５９で光源部５６を動かしてプローブ５０に光が当たるように位置合わせする。次に光検出器５７側に設けられた１軸の光検出器用位置決め機構６０により光検出器５７を左右方向（図のＹ方向）動かして、光検出器５７の後ろ側に配置された電流/電圧変換回路を備えた増幅器６１の出力を電圧モニター６３で観察しながら、光
検出器５７の概ね中央付近にスポット５８が当たるように位置合わせする。 When aligning the spot light to the probe 50, first, the light source unit 56 is moved by the biaxial light source positioning mechanism 59 provided in the light source unit 56 so that the light strikes the probe 50. Next, the optical detector 57 is moved in the left-right direction (Y direction in the figure) by the uniaxial photodetector positioning mechanism 60 provided on the photodetector 57 side, and the current / While observing the output of the amplifier 61 having the voltage conversion circuit with the voltage monitor 63, the position is adjusted so that the spot 58 hits the vicinity of the center of the photodetector 57.

このように構成された光学式変位検出機構５５においてプローブ５０が振動すると、２
分割された光検出器５７の受光面上で影で遮られていない部分の面積差が変化するため２つの分割面の光出力の差分を検出することでプローブ５０の振幅量あるいは位相を測定することが可能となる。 When the probe 50 vibrates in the optical displacement detection mechanism 55 configured as described above, 2
Since the area difference of the portion not blocked by the shadow on the light receiving surface of the divided photodetector 57 changes, the amplitude amount or phase of the probe 50 is measured by detecting the difference between the light outputs of the two divided surfaces. It becomes possible.

本実施例においても、第１、第２の実施例と同様に、光源５６の光強度を光源駆動回路６４に設けられた光強度調整器６５で調整できるようにしており、プローブ５０へレーザ光を当てる場合にレーザの強度を小さくすることで、視認性が向上し、容易にかつ確実に入射光をプローブ５０に位置決めすることが可能となる。また、増幅器６１には利得（増幅率）調整器６２を設けているため、測定感度を下げて、光検出器５７へのスポットの位置合わせが容易に、かつ正確に行うことが可能となる。以上の結果、位置合わせに対する測定準備に要する時間が短縮され、高精度の位置合わせが可能となった。 Also in this embodiment, similarly to the first and second embodiments, the light intensity of the light source 56 can be adjusted by the light intensity adjuster 65 provided in the light source drive circuit 64, and the laser beam is transmitted to the probe 50. By reducing the intensity of the laser when applying light, visibility is improved, and incident light can be easily and reliably positioned on the probe 50. Further, since the amplifier 61 is provided with the gain (amplification factor) adjuster 62, it is possible to easily and accurately align the spot with the photodetector 57 by reducing the measurement sensitivity. As a result, the time required for measurement preparation for alignment is shortened, and highly accurate alignment is possible.

本実施例でも、光学式変位検出機構５５の測定準備が終わった後は増幅率や光源の強度を元の値に設定することで、検出感度が位置合わせ調整時よりも高くなり実際にサンプルを高精度で測定を行うことが可能となる。 Also in this embodiment, after the measurement preparation of the optical displacement detection mechanism 55 is completed, the detection sensitivity becomes higher than that at the time of alignment adjustment by setting the amplification factor and the light source intensity to the original values. Measurement can be performed with high accuracy.

図４は本発明の第３の実施例の走査型プローブ顕微鏡に用いられる光学式変位検出機構の模式図である。本実施例は基本的な構成は図１を用いて第１、第２の実施例で説明した光てこ方式の光学式変位検出機構と同じものであるため、重複する部分の説明は省略する。図１との違いは、光源駆動回路２１に光強度調整器を持たず、また増幅器２２に利得（増幅率）調整器を設けていない点にある。 FIG. 4 is a schematic diagram of an optical displacement detection mechanism used in the scanning probe microscope according to the third embodiment of the present invention. Since the basic configuration of this embodiment is the same as that of the optical lever type optical displacement detection mechanism described in the first and second embodiments with reference to FIG. The difference from FIG. 1 is that the light source drive circuit 21 does not have a light intensity adjuster, and the amplifier 22 does not have a gain (amplification factor) adjuster.

本実施例では、測定前の光学式変位検出機構９の位置合わせ調整の際に、光源１０とカンチレバー６ａの間の光路に光の強度を減光させる減光フィルター４０を挿入してカンチレバー６ａに入射する光の強度を小さくするようにした。この結果、カンチレバー部６ａ上に入射光１３のスポットを位置決めする場合の視認性が向上し、容易にかつ確実に入射光１３をカンチレバー部６ａの背面に位置決めすることが可能となる。また、検出感度も下がるため、光検出器１６への反射光１４のスポットの位置合わせも容易に、かつ正確に行うことが可能である。以上の結果、位置合わせに対する測定準備に要する時間が短縮され、高精度の位置合わせが可能となった。 In this embodiment, when adjusting the alignment of the optical displacement detection mechanism 9 before measurement, a neutral density filter 40 for reducing the intensity of light is inserted into the optical path between the light source 10 and the cantilever 6a to insert the cantilever 6a. The intensity of incident light was reduced. As a result, the visibility when positioning the spot of the incident light 13 on the cantilever portion 6a is improved, and the incident light 13 can be easily and reliably positioned on the back surface of the cantilever portion 6a. In addition, since the detection sensitivity is lowered, it is possible to easily and accurately align the spot of the reflected light 14 on the photodetector 16. As a result, the time required for measurement preparation for alignment is shortened, and highly accurate alignment is possible.

本実施例でも、光学式変位検出機構９の位置合わせ準備が終わった後は、減光フィルター４０を光路から外すことで光源１０の強度が元の値に戻り、検出感度を位置合わせ調整時よりも高くすることで実際にサンプルを高精度で測定を行うことが可能となる。 Also in the present embodiment, after the preparation for alignment of the optical displacement detection mechanism 9 is completed, the intensity of the light source 10 returns to the original value by removing the neutral density filter 40 from the optical path, and the detection sensitivity is higher than that at the time of alignment adjustment. It is possible to actually measure the sample with high accuracy by increasing the height.

なお、減光フィルター４０はカンチレバー部６aに反射した後の光路上に入れてもよい
。この場合、カンチレバー部６ａへの入射光１３のスポットの位置合わせの視認性に関しては変化がないため、特に光学顕微鏡２９で入射光１３の強度を落とすと入射光１３のスポットが観察しづらいような場合に有利となる。また、検出感度は小さくすることができるため、光検出器１６への反射光１４のスポットの位置合わせの方は容易に、かつ正確に行うことが可能である。 The neutral density filter 40 may be placed on the optical path after being reflected by the cantilever portion 6a. In this case, there is no change in the visibility of the alignment of the spot of the incident light 13 on the cantilever portion 6a. Therefore, it is difficult to observe the spot of the incident light 13 especially when the intensity of the incident light 13 is lowered with the optical microscope 29. This is advantageous in some cases. Further, since the detection sensitivity can be reduced, the alignment of the spot of the reflected light 14 to the photodetector 16 can be performed more easily and accurately.

なお、本実施例では、カンチレバー６が圧電素子よりなる加振器４１により共振周波数近傍で加振するように構成される、いわゆる振動方式の原子間力顕微鏡とした。本実施例では光学式変位検出機構９によりカンチレバー部６ａの振幅や位相を計測しながら、プローブ６ｂをサンプル５に近接させていくと、原子間力や間欠的な接触量が作用して振幅や位相が変化する。この変化量はプローブ６ｂとサンプル５の間の距離に依存するため、振幅や位相が一定となるようにプローブ６ｂとサンプル５の間の距離を制御することでプローブ６ｂとサンプル５の間距離を一定に保つことが可能となる。 In the present embodiment, a so-called vibration-type atomic force microscope in which the cantilever 6 is vibrated in the vicinity of the resonance frequency by a vibrator 41 made of a piezoelectric element is used. In this embodiment, when the probe 6b is brought closer to the sample 5 while measuring the amplitude and phase of the cantilever portion 6a by the optical displacement detection mechanism 9, the atomic force and the intermittent contact amount act to cause the amplitude and phase. The phase changes. Since this amount of change depends on the distance between the probe 6b and the sample 5, the distance between the probe 6b and the sample 5 is controlled by controlling the distance between the probe 6b and the sample 5 so that the amplitude and phase are constant. It can be kept constant.

以上、本発明の実施例について述べたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。例えば、本実施例では受光面が４分割または２分割された半導体製の光検出器を使用したが、受光面を持ち、電圧信号が出力される位置検出素子であれば任意の検出器を適用可能である。例えば、分割面を持たず、受光面上のスポット位置を検出可能な位置検出素子（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＳＤ）と呼ばれる半導体素子などが市販されている。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to these Examples. For example, in this embodiment, a photodetector made of a semiconductor having a light receiving surface divided into four or two is used. However, any detector can be used as long as it has a light receiving surface and outputs a voltage signal. Is possible. For example, a semiconductor element called a Position Sensitive Detector (PSD) that does not have a dividing surface and can detect a spot position on a light receiving surface is commercially available.

また、光学系も本実施例に限定されず、測定対象に光を照射し、測定対象を経由した光を光検出器で受光し、光検出器からの信号により測定対象の変位を測定するものであれば任意の光学式変位検出機構に適用可能である。 Also, the optical system is not limited to this embodiment, and the measurement object is irradiated with light, the light passing through the measurement object is received by a photodetector, and the displacement of the measurement object is measured by a signal from the photodetector. If so, it can be applied to any optical displacement detection mechanism.

また、光源も、半導体レーザ（ＬＤ）に限定されず、例えば可干渉性が半導体レーザよりも低いスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）や、白色光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）など任意の光源が適用できる。 Further, the light source is not limited to the semiconductor laser (LD), and any light source such as a super luminescence diode (SLD), a white light source, and a light emitting diode (LED) whose coherence is lower than that of the semiconductor laser can be applied.

光検出器や光源に設けられる位置決め機構は、手動式、自動式を問わず、任意の機構が使用できる。位置決めの自由度も直交１軸または２軸に限定されず、多軸でもよいし、またあおり機構を用いたものなども本発明に含まれる。 As a positioning mechanism provided in the photodetector or the light source, any mechanism can be used regardless of a manual type or an automatic type. The degree of freedom of positioning is not limited to one or two orthogonal axes, and may be multi-axis, and those using a tilt mechanism are also included in the present invention.

光源の光強度調整器や光検出器側の増幅率調整器も任意の方式のものが使用可能で、例えば、ボリュームツマミを用いて連続的に可変する方式でもよいし、あらかじめ複数の設定値を決めておき、切り替えスイッチにより設定を行う方式でもよい。 Arbitrary methods can be used for the light intensity adjuster of the light source and the gain adjuster on the light detector side, for example, a method of continuously varying using a volume knob, or a plurality of setting values in advance. A method may be used in which the setting is made using a changeover switch.

また、光源の光強度調整に用いられる減光フィルターは光量を可変する目的で用いるものであれば任意のフィルターが使用できる。 The neutral density filter used for adjusting the light intensity of the light source can be any filter as long as it is used for the purpose of changing the light quantity.

また、走査型プローブ顕微鏡は、実施例で述べたコンタクト方式や振動方式の原子間力顕微鏡や、走査型近接場顕微鏡に限定されず、カンチレバーやプローブを用いて、これらの変位や振幅を検出しながら、プローブとサンプル表面間の距離の制御を行ったり、プローブにかかる力や相互作用を検出することで、サンプル表面の物性を測定するものはすべて本発明に含まれる。また、プローブによりサンプル表面への加工や、サンプル表面の物質のマニピュレーションを行うものなども、すべて本発明に含まれる。また、必ずしもＸＹスキャナで走査させる必要はなく、Ｚ微動機構を用いて高さ方向の相互作用を検出する機能のみを有するものも本発明に含まれる。 Further, the scanning probe microscope is not limited to the contact-type or vibration-type atomic force microscope and the scanning near-field microscope described in the embodiments, and can detect these displacements and amplitudes using a cantilever or a probe. However, the present invention includes everything that measures the physical properties of the sample surface by controlling the distance between the probe and the sample surface or detecting the force or interaction applied to the probe. Also, the present invention includes all processing of the sample surface with a probe and manipulation of a material on the sample surface. Further, it is not always necessary to scan with an XY scanner, and those having only a function of detecting an interaction in the height direction using the Z fine movement mechanism are also included in the present invention.

また、本発明の光学式変位検出機構は走査型プローブ顕微鏡への適用に限定されるものではない。例えば、光学式変位検出機構を用いた表面粗さ計、電気化学顕微鏡等の表面情報計測装置や、プローブで試料表面を加工するプローブ加工装置などにも適用することができる。 The optical displacement detection mechanism of the present invention is not limited to application to a scanning probe microscope. For example, the present invention can be applied to a surface information measuring device such as a surface roughness meter using an optical displacement detection mechanism, an electrochemical microscope, or a probe processing device that processes a sample surface with a probe.

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構の第１実施例および第２実施例を示す概観図である。It is a general-view figure which shows 1st Example and 2nd Example of the optical displacement detection mechanism for scanning probe microscopes concerning this invention. 図１中に記載されている電流／電圧変換回路を備えた増幅器の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of an amplifier including the current / voltage conversion circuit described in FIG. 1. 本発明に係る走査型近接場顕微鏡用の光学式変位検出機構の第３実施例を示す概観図である。It is a general-view figure which shows 3rd Example of the optical displacement detection mechanism for scanning near-field microscopes based on this invention. 本発明に係る走査型プローブ微鏡用の光学式変位検出機構の第４実施例を示す概観図である。It is a general-view figure which shows 4th Example of the optical displacement detection mechanism for scanning probe micromirrors based on this invention. 従来の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。It is a general-view figure of the conventional scanning probe microscope.

符号の説明Explanation of symbols

１サンプルホルダ
２粗動機構
４３軸微動機構
５、５４サンプル
６カンチレバー（測定対象）
６ａカンチレバー部
６ｂプローブ
９、５５光学式変位検出機構
１０、５６光源
１６、５７光検出器
１７、５９光源用位置決め機構
１８、６０光検出器用位置決め機構
１９光源ユニット
２１、６４光源駆動回路
２２、６１増幅器
２３、６３電圧モニター
２７、６２利得（増幅率）調整器
２８、６５光強度調整器
２９光学顕微鏡
３０電流／電圧変換回路
３３差動増幅回路
３４加算回路
４０減光フィルター
５０プローブ
２０１走査型プローブ顕微鏡
２０５アーム
２０７カンチレバー
２０９プローブ
２１１サンプル
２１２サンプルステージ
２１３３軸微動機構（スキャナ）
２２１光源
２３１入射光
２３３反射光
２３５光検出器 1 Sample holder 2 Coarse movement mechanism 4 Triaxial fine movement mechanism 5, 54 Sample 6 Cantilever (measurement object)
6a Cantilever portion 6b Probe 9, 55 Optical displacement detection mechanism 10, 56 Light source 16, 57 Photo detector 17, 59 Light source positioning mechanism 18, 60 Photo detector positioning mechanism 19 Light source unit 21, 64 Light source drive circuits 22, 61 Amplifiers 23 and 63 Voltage monitors 27 and 62 Gain (amplification factor) adjusters 28 and 65 Light intensity adjuster 29 Optical microscope 30 Current / voltage conversion circuit 33 Differential amplification circuit 34 Addition circuit 40 Neutral filter 50 Probe 201 Scanning probe Microscope 205 Arm 207 Cantilever 209 Probe 211 Sample 212 Sample stage 213 Three-axis fine movement mechanism (scanner)
221 Light source 231 Incident light 233 Reflected light 235 Photodetector

Claims

測定対象に光を照射する光源と、
前記光源を駆動する光源駆動回路と、
前記光源から測定対象に照射した後の光を受光し光強度を検出する光検出器と、
前記光検出器の所定の位置にスポット光を位置調整する光検出器用位置決め機構と、
前記光検出器の検出信号を所定の利得で増幅する増幅器と、から構成される光学式変位検出機構であって、
測定対象を実際に測定する前にスポット光を前記光検出器用位置決め機構により前記光検出器の所定の位置に位置調整するときに、前記光検出器で検出される検出感度を実際に測定対象を測定する時よりも小さく設定する手段を備えたことを特徴とする光学式変位検出機構。 A light source that irradiates the object to be measured;
A light source driving circuit for driving the light source;
A photodetector that receives light after irradiating the measurement target from the light source and detects light intensity;
A positioning mechanism for a photodetector that adjusts the position of the spot light at a predetermined position of the photodetector;
An optical displacement detection mechanism comprising an amplifier that amplifies the detection signal of the photodetector with a predetermined gain,
When the spot light is adjusted to a predetermined position of the photodetector by the photodetector positioning mechanism before actually measuring the measurement object, the detection sensitivity detected by the photodetector is actually measured. An optical displacement detection mechanism comprising means for setting smaller than that for measurement.

増幅器での利得の設定を可変する利得調整器を備え、
該利得調整器で前記増幅器の利得を実測定時よりも小さい値に設定することで、前記光検出器で検出される検出感度を低くすることを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出機構。 A gain regulator that varies the gain setting in the amplifier,
2. The optical displacement detection according to claim 1, wherein the detection sensitivity detected by the photodetector is lowered by setting the gain of the amplifier to a value smaller than that during actual measurement by the gain adjuster. mechanism.

前記光検出器に入射する光の強度を可変できる光強度可変手段を備え、該光強度可変手段で測定対象を実際に測定する時よりも前記光検出器に入射する光の強度を小さい値にすることで、前記光検出器で検出される検出感度を低くすることを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出機構。 A light intensity variable means capable of varying the intensity of light incident on the photodetector is provided, and the intensity of light incident on the photodetector is set to a smaller value than when the measurement object is actually measured by the light intensity variable means. The optical displacement detection mechanism according to claim 1, wherein detection sensitivity detected by the photodetector is lowered.

前記光源の光を測定対象に照射位置を調整するためのするための光源用位置決め機構を有し、測定対象に照射する前の光の強度を前記光強度可変手段により測定対象を実際に測定する時よりも小さい値に設定して、測定対象に前記光源の光を位置決めすることを特徴とする請求項３に記載の光学式変位検出機構。 A light source positioning mechanism for adjusting the irradiation position of the light from the light source to the measurement object, and actually measuring the measurement object by the light intensity varying means before irradiating the measurement object. 4. The optical displacement detection mechanism according to claim 3, wherein the light of the light source is positioned on a measurement object by setting to a value smaller than the time.

前記光強度可変手段は、前記光源に接続された光源駆動回路であって、
前記光源駆動回路により測定前の光源の発光強度を実測定時よりも小さくすることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光学式変位検出機構。 The light intensity varying means is a light source driving circuit connected to the light source,
5. The optical displacement detection mechanism according to claim 3, wherein the light source drive circuit makes the light emission intensity of the light source before measurement smaller than that at the time of actual measurement.

前記光強度可変手段は、前記光源から前記光検出器の間の光路上に備えられた光の強度を低下させる減光フィルターであることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の光学式変位検出機構。 6. The light intensity varying means is a neutral density filter for reducing the intensity of light provided on an optical path between the light source and the photodetector. The optical displacement detection mechanism described.

請求項１から６のいずれか１項に記載の光学式変位検出機構と、前記測定対象が先端にプローブを有するカンチレバーまたは任意の形状のプローブであって、
サンプルを保持するサンプルホルダと、前記カンチレバーまたはプローブを保持するホルダと、前記カンチレバーまたはプローブと前記サンプルホルダとを少なくともサンプル表面に垂直なＺ方向に相対的に移動させる１軸以上の微動機構からなる移動手段と、前記光学式変位検出機構による測定結果に基づいて前記移動手段を制御して、前記サンプルの観察データを採取する制御手段とを備えた走査型プローブ顕微鏡。 The optical displacement detection mechanism according to any one of claims 1 to 6, and the measurement object is a cantilever having a probe at a tip or a probe having an arbitrary shape,
A sample holder for holding a sample, a holder for holding the cantilever or probe, and a one-axis or more fine movement mechanism for moving the cantilever or probe and the sample holder relative to each other at least in the Z direction perpendicular to the sample surface A scanning probe microscope comprising: moving means; and control means for collecting observation data of the sample by controlling the moving means based on a measurement result by the optical displacement detection mechanism.

前記光検出器の受光面が４分割または２分割され、前記光源からの光をカンチレバー背面に照射し、前記カンチレバーからの反射光を前記受光面で受光する走査型プローブ顕微鏡であって、
測定前に前記光検出器上の分割面の中心付近にカンチレバーからの反射光を位置決めするように構成した請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。 A light-receiving surface of the photodetector is divided into four or two, a scanning probe microscope that irradiates the back surface of the cantilever with light from the light source and receives reflected light from the cantilever with the light-receiving surface,
8. The scanning probe microscope according to claim 7, wherein the reflected light from the cantilever is positioned in the vicinity of the center of the dividing surface on the photodetector before measurement.

前記光検出器の受光面が４分割または２分割され、前記光源からの光を任意の形状のプローブに照射し、プローブの影を前記光検出器の受光面上に投影するであって、
測定前に前記光検出器上の分割面の中心付近にプローブに照射された光を位置決めするように構成した請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The light receiving surface of the photodetector is divided into four or two parts, the light from the light source is irradiated onto a probe having an arbitrary shape, and the shadow of the probe is projected onto the light receiving surface of the photodetector,
The scanning probe microscope according to claim 7, wherein the light irradiated to the probe is positioned near the center of the divided surface on the photodetector before measurement.

請求項１から６のいずれか１項に記載の光学式変位検出機構と、前記測定対象が表面情報計測を行うプローブであって、前記光学式変位検出機構により、前記プローブの位置情報の検出を行うことを特徴とする表面情報計測装置。 The optical displacement detection mechanism according to any one of claims 1 to 6, and a probe whose surface measurement is performed by the measurement object, wherein the position information of the probe is detected by the optical displacement detection mechanism. A surface information measuring device characterized in that it performs.