JPH08313542A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JPH08313542A JPH08313542A JP12514595A JP12514595A JPH08313542A JP H08313542 A JPH08313542 A JP H08313542A JP 12514595 A JP12514595 A JP 12514595A JP 12514595 A JP12514595 A JP 12514595A JP H08313542 A JPH08313542 A JP H08313542A
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- scanning probe
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Abstract
(57)【要約】
【目的】プローブの振動成分のみを高精度に検出するこ
とによって、高分解能に試料を測定することが可能な走
査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】カンチレバー２の先端側測定点２ａと基端側測
定点２ｂの変位を同時に光学的に検出する変位検出器４
と、系全体の振動成分からカンチレバーの振動成分のみ
を分離して測定するように、変位検出器からの検出信号
に差演算を施す信号処理回路４８とを備える。変位検出
器には、先端側及び基端側測定点に同時に第１及び第２
の測定用レーザー光２８ａ，２８ｂを照射する照明光学
系と、先端側及び基端側測定点からの第１及び第２の反
射光３８ａ，３８ｂの入射角に応じて各反射光の伝波光
量を変化させる第１及び第２の臨界角プリズム４２ａ，
４２ｂと、これら臨界角プリズムを伝波される各反射光
の受光量変化に対応した信号を出力する第１及び第２の
４分割フォトダイオード４６ａ，４６ｂとを備える。
とによって、高分解能に試料を測定することが可能な走
査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】カンチレバー２の先端側測定点２ａと基端側測
定点２ｂの変位を同時に光学的に検出する変位検出器４
と、系全体の振動成分からカンチレバーの振動成分のみ
を分離して測定するように、変位検出器からの検出信号
に差演算を施す信号処理回路４８とを備える。変位検出
器には、先端側及び基端側測定点に同時に第１及び第２
の測定用レーザー光２８ａ，２８ｂを照射する照明光学
系と、先端側及び基端側測定点からの第１及び第２の反
射光３８ａ，３８ｂの入射角に応じて各反射光の伝波光
量を変化させる第１及び第２の臨界角プリズム４２ａ，
４２ｂと、これら臨界角プリズムを伝波される各反射光
の受光量変化に対応した信号を出力する第１及び第２の
４分割フォトダイオード４６ａ，４６ｂとを備える。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料を原子オーダーの
分解能で観察するために用いられる走査型プローブ顕微
鏡に関する。
分解能で観察するために用いられる走査型プローブ顕微
鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、試料を原子オーダーの分解能で観
察するための装置として、走査型プローブ顕微鏡(SPM;S
canning Probe Microscope) が知られている。このよう
なＳＰＭの一例として、ビニッヒ（Binnig）やローラー
（Rohrer）等によって、走査型トンネル顕微鏡（STM;Sc
anning Tunneling Microscope)が発明された。しかし、
このＳＴＭでは、観察できる試料は導電性の試料に限ら
れている。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要
素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能
で観察できる装置として原子間力顕微鏡（AFM;AtomicFo
rce Microscope）が提案された（特開昭６２−１３０３
０２号公報参照）。
察するための装置として、走査型プローブ顕微鏡(SPM;S
canning Probe Microscope) が知られている。このよう
なＳＰＭの一例として、ビニッヒ（Binnig）やローラー
（Rohrer）等によって、走査型トンネル顕微鏡（STM;Sc
anning Tunneling Microscope)が発明された。しかし、
このＳＴＭでは、観察できる試料は導電性の試料に限ら
れている。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要
素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能
で観察できる装置として原子間力顕微鏡（AFM;AtomicFo
rce Microscope）が提案された（特開昭６２−１３０３
０２号公報参照）。
【０００３】ＡＦＭ構造は、ＳＴＭに類似しており、走
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置付けられる。この
ようなＡＦＭは、鋭く尖った突起部（探針）を自由端に
持つプローブを備えている。この探針を試料に近づける
と、探針先端の原子と試料表面の原子との間に働く相互
作用力（原子間力）によりプローブの自由端が変位す
る。この自由端に生じる振動振幅の変化を電気的あるい
は光学的に測定しながら、探針を試料表面に沿ってＸＹ
方向に走査することによって、試料の凹凸情報等を三次
元的にとらえることができる（以下、従来技術１とい
う）。
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置付けられる。この
ようなＡＦＭは、鋭く尖った突起部（探針）を自由端に
持つプローブを備えている。この探針を試料に近づける
と、探針先端の原子と試料表面の原子との間に働く相互
作用力（原子間力）によりプローブの自由端が変位す
る。この自由端に生じる振動振幅の変化を電気的あるい
は光学的に測定しながら、探針を試料表面に沿ってＸＹ
方向に走査することによって、試料の凹凸情報等を三次
元的にとらえることができる（以下、従来技術１とい
う）。
【０００４】このようなＡＦＭ測定時において、プロー
ブの振動を検出する技術としては、例えば特開平４−１
６１８０８号公報に示されたように、臨界角プリズムを
用いた焦点ずれ検出法を応用した方法（以下、従来技術
２という）や、例えば特開平６−２６８５２号公報に示
されたように、プローブ先端及び基端の変位を光学的に
検出する方法（以下、従来技術３という）を適用するこ
とも可能である。
ブの振動を検出する技術としては、例えば特開平４−１
６１８０８号公報に示されたように、臨界角プリズムを
用いた焦点ずれ検出法を応用した方法（以下、従来技術
２という）や、例えば特開平６−２６８５２号公報に示
されたように、プローブ先端及び基端の変位を光学的に
検出する方法（以下、従来技術３という）を適用するこ
とも可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、プローブに
発生する振動成分には、プローブ以外の他の走査型プロ
ーブ顕微鏡の系の振動成分も含まれている。しかしなが
ら、従来技術１ないし３を組み合わせた検出方法では、
走査型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分と、プローブ
自身の振動成分とを分離して検出することができないた
め、プローブの振動成分のみを高精度に検出することが
できず、高分解能な試料の測定が困難であった。
発生する振動成分には、プローブ以外の他の走査型プロ
ーブ顕微鏡の系の振動成分も含まれている。しかしなが
ら、従来技術１ないし３を組み合わせた検出方法では、
走査型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分と、プローブ
自身の振動成分とを分離して検出することができないた
め、プローブの振動成分のみを高精度に検出することが
できず、高分解能な試料の測定が困難であった。
【０００６】本発明は、このような課題を解決するため
になされており、その目的は、プローブの振動成分のみ
を高精度に検出することによって、高分解能に試料を測
定することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とにある。
になされており、その目的は、プローブの振動成分のみ
を高精度に検出することによって、高分解能に試料を測
定することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基端が支持され且つ先端が変位自
在に構成されたプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡
であって、前記プローブの先端側と基端側の変位を同時
に光学的に検出する変位検出手段と、前記走査型プロー
ブ顕微鏡の系全体の振動成分から前記プローブの振動成
分のみを分離して測定するように、前記変位検出手段に
よって検出された検出信号に所定の演算を施す演算手段
とを備えている。
るために、本発明は、基端が支持され且つ先端が変位自
在に構成されたプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡
であって、前記プローブの先端側と基端側の変位を同時
に光学的に検出する変位検出手段と、前記走査型プロー
ブ顕微鏡の系全体の振動成分から前記プローブの振動成
分のみを分離して測定するように、前記変位検出手段に
よって検出された検出信号に所定の演算を施す演算手段
とを備えている。
【０００８】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡にお
いて、前記変位検出手段は、前記プローブの先端側の変
位を光学的に検出する第１の変位検出光学系と、前記プ
ローブの基端側の変位を光学的に検出する第２の変位検
出光学系とを備えており、また、前記演算手段は、前記
第１及び第２の変位検出光学系からの各出力信号に対し
て差演算及び除演算の少なくとも一方を施す演算処理回
路を備えている。
いて、前記変位検出手段は、前記プローブの先端側の変
位を光学的に検出する第１の変位検出光学系と、前記プ
ローブの基端側の変位を光学的に検出する第２の変位検
出光学系とを備えており、また、前記演算手段は、前記
第１及び第２の変位検出光学系からの各出力信号に対し
て差演算及び除演算の少なくとも一方を施す演算処理回
路を備えている。
【０００９】更に、本発明の走査型プローブ顕微鏡にお
いて、前記第１及び第２の変位検出光学系には、前記プ
ローブの先端側と基端側に同時に測定光を照射する照明
光学系と、前記プローブの先端側と基端側からの各反射
光の入射角度に対応して前記各反射光の伝波光量を変化
させる第１及び第２の臨界角プリズムと、これら第１及
び第２の臨界角プリズムを介して伝波される前記各反射
光を受光して、その受光量変化に対応した信号を出力す
る第１及び第２の受光素子とを備えている。
いて、前記第１及び第２の変位検出光学系には、前記プ
ローブの先端側と基端側に同時に測定光を照射する照明
光学系と、前記プローブの先端側と基端側からの各反射
光の入射角度に対応して前記各反射光の伝波光量を変化
させる第１及び第２の臨界角プリズムと、これら第１及
び第２の臨界角プリズムを介して伝波される前記各反射
光を受光して、その受光量変化に対応した信号を出力す
る第１及び第２の受光素子とを備えている。
【００１０】
【作用】変位検出手段によって、プローブの先端側と基
端側の変位が同時に光学的に検出される。このとき変位
検出手段から出力された検出信号は、演算手段によって
所定の演算が施される。この結果、走査型プローブ顕微
鏡の系全体の振動成分からプローブの振動成分のみが分
離して測定される。
端側の変位が同時に光学的に検出される。このとき変位
検出手段から出力された検出信号は、演算手段によって
所定の演算が施される。この結果、走査型プローブ顕微
鏡の系全体の振動成分からプローブの振動成分のみが分
離して測定される。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の一実施例に係る走査型プロー
ブ顕微鏡について、添付図面を参照して説明する。図１
に示すように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡は、こ
の走査型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分からプロー
ブ即ちカンチレバー２の振動成分のみを分離して検出す
るために、カンチレバー２の先端側と基端側の変位を同
時に光学的に測定する変位検出器４を備えている。
ブ顕微鏡について、添付図面を参照して説明する。図１
に示すように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡は、こ
の走査型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分からプロー
ブ即ちカンチレバー２の振動成分のみを分離して検出す
るために、カンチレバー２の先端側と基端側の変位を同
時に光学的に測定する変位検出器４を備えている。
【００１２】このような走査型プローブ顕微鏡におい
て、試料６は、Ｘ，Ｙ軸方向に走査可能なチューブ型圧
電体スキャナ８上に載置されており、このチューブ型圧
電体スキャナ８は、Ｚ軸ステージ１０を介して鏡体１２
の基台１２ａ上に取り付けられている。
て、試料６は、Ｘ，Ｙ軸方向に走査可能なチューブ型圧
電体スキャナ８上に載置されており、このチューブ型圧
電体スキャナ８は、Ｚ軸ステージ１０を介して鏡体１２
の基台１２ａ上に取り付けられている。
【００１３】また、変位検出器４は、鏡体１２の上部側
に取り付けられており、対物レンズ１４の視野内に測定
用レーザー光を出射可能に構成されている。カンチレバ
ー２は、その基端部が支持部１６を介してホルダ部１８
に支持された状態で、対物レンズ１４の観察視野内に位
置付けられており、ホルダ部１８は、鏡体１２に支持さ
れた積層型圧電体２０に固定されている。この結果、積
層型圧電体２０に所定の電圧を印加することによって、
カンチレバー２を試料６に対して粗動及び微動アプロー
チさせることができる。
に取り付けられており、対物レンズ１４の視野内に測定
用レーザー光を出射可能に構成されている。カンチレバ
ー２は、その基端部が支持部１６を介してホルダ部１８
に支持された状態で、対物レンズ１４の観察視野内に位
置付けられており、ホルダ部１８は、鏡体１２に支持さ
れた積層型圧電体２０に固定されている。この結果、積
層型圧電体２０に所定の電圧を印加することによって、
カンチレバー２を試料６に対して粗動及び微動アプロー
チさせることができる。
【００１４】また、変位検出器４には、観察光学系２２
を介してＣＣＤカメラ２４が光学的に接続されており、
これら観察光学系２２及びＣＣＤカメラ２４によって、
試料６に対するカンチレバー２の相対位置及びカンチレ
バー２に照射された測定用レーザー光のスポット位置を
光学的に観察したり、試料６表面の状態を光学的に観察
することができるように構成されている。
を介してＣＣＤカメラ２４が光学的に接続されており、
これら観察光学系２２及びＣＣＤカメラ２４によって、
試料６に対するカンチレバー２の相対位置及びカンチレ
バー２に照射された測定用レーザー光のスポット位置を
光学的に観察したり、試料６表面の状態を光学的に観察
することができるように構成されている。
【００１５】図２には、本実施例の走査型プローブ顕微
鏡に適用された変位検出器４の内部構成と、対物レンズ
１４及びカンチレバー２の配置が概略的に示されてい
る。図２に示すように、第１及び第２の半導体レーザ２
６ａ，２６ｂから出射された第１及び第２の測定用レー
ザー光２８ａ，２８ｂは、第１及び第２のコリメートレ
ンズ３０ａ，３０ｂによって平行光束に変換された後、
プリズム３２に照射される。
鏡に適用された変位検出器４の内部構成と、対物レンズ
１４及びカンチレバー２の配置が概略的に示されてい
る。図２に示すように、第１及び第２の半導体レーザ２
６ａ，２６ｂから出射された第１及び第２の測定用レー
ザー光２８ａ，２８ｂは、第１及び第２のコリメートレ
ンズ３０ａ，３０ｂによって平行光束に変換された後、
プリズム３２に照射される。
【００１６】プリズム３２に照射された第１及び第２の
測定用レーザー光２８ａ，２８ｂは、平行ビームとなっ
て同一平面内を伝波した後、光アイソレータとして機能
する偏光ビームスプリッタ３４によって、対物レンズ１
４方向に反射される。
測定用レーザー光２８ａ，２８ｂは、平行ビームとなっ
て同一平面内を伝波した後、光アイソレータとして機能
する偏光ビームスプリッタ３４によって、対物レンズ１
４方向に反射される。
【００１７】偏光ビームスプリッタ３４から反射した第
１及び第２の測定用レーザー光２８ａ，２８ｂは、λ／
４板３６によって、直線偏光から円偏光に変換された
後、対物レンズ１４の主点１４ａで交差角θを成してカ
ンチレバー２の先端側測定点２ａと基端側測定点２ｂに
夫々集光する。具体的には、第１の測定用レーザー光２
８ａが先端側測定点２ａに集光し、第２の測定用レーザ
ー光２８ｂが基端側測定点２ｂに集光する。なお、本実
施例に適用されたλ／４板３６は、その光軸（一般に
は、結晶軸）が第１及び第２の測定用レーザー光２８
ａ，２８ｂの光軸に対して４５°の角度を成すように配
置されているものとする。
１及び第２の測定用レーザー光２８ａ，２８ｂは、λ／
４板３６によって、直線偏光から円偏光に変換された
後、対物レンズ１４の主点１４ａで交差角θを成してカ
ンチレバー２の先端側測定点２ａと基端側測定点２ｂに
夫々集光する。具体的には、第１の測定用レーザー光２
８ａが先端側測定点２ａに集光し、第２の測定用レーザ
ー光２８ｂが基端側測定点２ｂに集光する。なお、本実
施例に適用されたλ／４板３６は、その光軸（一般に
は、結晶軸）が第１及び第２の測定用レーザー光２８
ａ，２８ｂの光軸に対して４５°の角度を成すように配
置されているものとする。
【００１８】本実施例において、交差角θは、先端側測
定点２ａと基端側測定点２ｂとの間隔をＬ、対物レンズ
１４の焦点距離をｆとすると、 ｔａｎ（θ／２）＝（Ｌ／２）／ｆ なる関係に基づいて規定される。
定点２ａと基端側測定点２ｂとの間隔をＬ、対物レンズ
１４の焦点距離をｆとすると、 ｔａｎ（θ／２）＝（Ｌ／２）／ｆ なる関係に基づいて規定される。
【００１９】従って、第１及び第２の半導体レーザ２６
ａ，２６ｂは、上記の関係を満足させるように配置され
ている。なお、対物レンズ１４の主点１４ａとは、対物
レンズ１４の主平面と光軸との交差点を意味しており、
この主点１４ａと対物レンズ１４の焦点との間の距離の
ことを焦点距離ｆと称する。
ａ，２６ｂは、上記の関係を満足させるように配置され
ている。なお、対物レンズ１４の主点１４ａとは、対物
レンズ１４の主平面と光軸との交差点を意味しており、
この主点１４ａと対物レンズ１４の焦点との間の距離の
ことを焦点距離ｆと称する。
【００２０】カンチレバー２の先端側測定点２ａ及び基
端側測定点２ｂから反射した第１及び第２の反射光３８
ａ，３８ｂは、再び、対物レンズ１４からλ／４板３６
を介して偏光ビームスプリッタ３４に伝波される。
端側測定点２ｂから反射した第１及び第２の反射光３８
ａ，３８ｂは、再び、対物レンズ１４からλ／４板３６
を介して偏光ビームスプリッタ３４に伝波される。
【００２１】この場合、λ／４板３６に伝波された第１
及び第２の反射光３８ａ，３８ｂは円偏光であるが、再
度λ／４板３６を透過することによって、第１及び第２
の反射光３８ａ，３８ｂは、先の直線偏光に対して９０
°偏波面の異なった直線偏光に変換された状態で偏光ビ
ームスプリッタ３４に伝波されることになる。
及び第２の反射光３８ａ，３８ｂは円偏光であるが、再
度λ／４板３６を透過することによって、第１及び第２
の反射光３８ａ，３８ｂは、先の直線偏光に対して９０
°偏波面の異なった直線偏光に変換された状態で偏光ビ
ームスプリッタ３４に伝波されることになる。
【００２２】従って、偏光ビームスプリッタ３４に伝波
された第１及び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、この偏
光ビームスプリッタ３４を透過した後、ビームスプリッ
タ４０に伝波される。
された第１及び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、この偏
光ビームスプリッタ３４を透過した後、ビームスプリッ
タ４０に伝波される。
【００２３】ビームスプリッタ４０に伝波された第１及
び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、その一部の光がビー
ムスプリッタ４０を透過した後、第１の臨界角プリズム
４２ａに伝波され、残りの光がビームスプリッタ４０か
ら反射した後、第２の臨界角プリズム４２ｂに伝波され
る。
び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、その一部の光がビー
ムスプリッタ４０を透過した後、第１の臨界角プリズム
４２ａに伝波され、残りの光がビームスプリッタ４０か
ら反射した後、第２の臨界角プリズム４２ｂに伝波され
る。
【００２４】図３（ａ），（ｂ）に示すように、本実施
例に適用された第１及び第２の臨界角プリズム４２ａ，
４２ｂの頂角φは、第１及び第２の反射光３８ａ，３８
ｂが第１及び第２の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂ内で
全反射するように設計されている。具体的には、第１及
び第２の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂ内で全反射が始
まる際の第１及び第２の反射光３８ａ，３８ｂの入射角
（即ち、臨界角）をθｃとすると、頂角φは、φ＞θｃ
なる関係を満足するように設計されている。
例に適用された第１及び第２の臨界角プリズム４２ａ，
４２ｂの頂角φは、第１及び第２の反射光３８ａ，３８
ｂが第１及び第２の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂ内で
全反射するように設計されている。具体的には、第１及
び第２の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂ内で全反射が始
まる際の第１及び第２の反射光３８ａ，３８ｂの入射角
（即ち、臨界角）をθｃとすると、頂角φは、φ＞θｃ
なる関係を満足するように設計されている。
【００２５】この場合、頂角φと臨界角θｃと交差角θ
との関係は、 ｔａｎφ＝（ｓｉｎ２θｃ）／｛ｃｏｓ（θ／２）｝ なる関係を満足する。
との関係は、 ｔａｎφ＝（ｓｉｎ２θｃ）／｛ｃｏｓ（θ／２）｝ なる関係を満足する。
【００２６】このような関係によれば、例えば２０倍の
対物レンズ１４（焦点距離ｆ＝９ｍｍ）を用いて、相互
の間隔が１８０μｍの先端側測定点２ａと基端側測定点
２ｂを測定する場合、第１及び第２の臨界角プリズム４
２ａ，４２ｂの材質としてＢＫ７（波長６５６．３ｎｍ
に対する屈折率１．５１４３）を用いると、臨界角θｃ
は、１．３度となる。この結果、第１及び第２の臨界角
プリズム４２ａ，４２ｂの頂角φは、４４．７６度とな
る。
対物レンズ１４（焦点距離ｆ＝９ｍｍ）を用いて、相互
の間隔が１８０μｍの先端側測定点２ａと基端側測定点
２ｂを測定する場合、第１及び第２の臨界角プリズム４
２ａ，４２ｂの材質としてＢＫ７（波長６５６．３ｎｍ
に対する屈折率１．５１４３）を用いると、臨界角θｃ
は、１．３度となる。この結果、第１及び第２の臨界角
プリズム４２ａ，４２ｂの頂角φは、４４．７６度とな
る。
【００２７】図２に示すように、このような第１及び第
２の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂに伝波された第１及
び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、第１及び第２の臨界
角プリズム４２ａ，４２ｂ内を反射した後、第１及び第
２の集光レンズ４４ａ，４４ｂによって第１及び第２の
４分割フォトダイオード４６ａ，４６ｂ上に縮小投影さ
れる。
２の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂに伝波された第１及
び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、第１及び第２の臨界
角プリズム４２ａ，４２ｂ内を反射した後、第１及び第
２の集光レンズ４４ａ，４４ｂによって第１及び第２の
４分割フォトダイオード４６ａ，４６ｂ上に縮小投影さ
れる。
【００２８】なお、第１及び第２の４分割フォトダイオ
ード４６ａ，４６ｂは、夫々、第１及び第２の集光レン
ズ４４ａ，４４ｂの焦点位置よりもレンズ側に接近させ
て配置されている。
ード４６ａ，４６ｂは、夫々、第１及び第２の集光レン
ズ４４ａ，４４ｂの焦点位置よりもレンズ側に接近させ
て配置されている。
【００２９】以下、上述した変位検出器４によってカン
チレバー２の先端側測定点２ａ及び基端側測定点２ｂの
変位を検出する方法について説明する。なお、本実施例
に用いた変位検出方法は、例えば特開昭５９−９０００
７号及び特開昭６０−３８６０６号公報に開示された方
法を採用している。
チレバー２の先端側測定点２ａ及び基端側測定点２ｂの
変位を検出する方法について説明する。なお、本実施例
に用いた変位検出方法は、例えば特開昭５９−９０００
７号及び特開昭６０−３８６０６号公報に開示された方
法を採用している。
【００３０】ところで、カンチレバー２の先端側測定点
２ａ及び基端側測定点２ｂが対物レンズ１４の焦点位置
に位置付けられている場合、先端側測定点２ａ及び基端
側測定点２ｂから対物レンズ１４を介して伝波された第
１及び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、平行光束とな
る。また、カンチレバー２の先端側測定点２ａ及び基端
側測定点２ｂが対物レンズ１４の焦点位置よりもレンズ
側に接近して位置付けられている場合、先端側測定点２
ａ及び基端側測定点２ｂから対物レンズ１４を介して伝
波された第１及び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、発散
光束となる。また、カンチレバー２の先端側測定点２ａ
及び基端側測定点２ｂが対物レンズ１４の焦点位置に対
してレンズから離間して位置付けられている場合、先端
側測定点２ａ及び基端側測定点２ｂから対物レンズ１４
を介して伝波された第１及び第２の反射光３８ａ，３８
ｂは、集光光束となる。
２ａ及び基端側測定点２ｂが対物レンズ１４の焦点位置
に位置付けられている場合、先端側測定点２ａ及び基端
側測定点２ｂから対物レンズ１４を介して伝波された第
１及び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、平行光束とな
る。また、カンチレバー２の先端側測定点２ａ及び基端
側測定点２ｂが対物レンズ１４の焦点位置よりもレンズ
側に接近して位置付けられている場合、先端側測定点２
ａ及び基端側測定点２ｂから対物レンズ１４を介して伝
波された第１及び第２の反射光３８ａ，３８ｂは、発散
光束となる。また、カンチレバー２の先端側測定点２ａ
及び基端側測定点２ｂが対物レンズ１４の焦点位置に対
してレンズから離間して位置付けられている場合、先端
側測定点２ａ及び基端側測定点２ｂから対物レンズ１４
を介して伝波された第１及び第２の反射光３８ａ，３８
ｂは、集光光束となる。
【００３１】つまり、カンチレバー２の先端側測定点２
ａ及び基端側測定点２ｂが対物レンズ１４の焦点位置か
らずれている場合には、いずれも非平行光束が第１及び
第２の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂに入射することに
なる。
ａ及び基端側測定点２ｂが対物レンズ１４の焦点位置か
らずれている場合には、いずれも非平行光束が第１及び
第２の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂに入射することに
なる。
【００３２】第１及び第２の臨界角プリズム４２ａ，４
２ｂは、上記平行光束を全反射させるように設計されて
いる。従って、非平行光束が第１及び第２の臨界角プリ
ズム４２ａ，４２ｂに入射する場合、その中心光線は臨
界角θｃを成して入射するが、中心光線から一方にずれ
た光束は、その入射角が臨界角より小さくなる。このた
め、その光束の一部がプリズム外へ射出され、残りの光
が反射することになる。反対に、中心光線から他方にず
れた光束は、その入射角が臨界角より大きくなる。この
ため、全ての光束が全反射することになる。
２ｂは、上記平行光束を全反射させるように設計されて
いる。従って、非平行光束が第１及び第２の臨界角プリ
ズム４２ａ，４２ｂに入射する場合、その中心光線は臨
界角θｃを成して入射するが、中心光線から一方にずれ
た光束は、その入射角が臨界角より小さくなる。このた
め、その光束の一部がプリズム外へ射出され、残りの光
が反射することになる。反対に、中心光線から他方にず
れた光束は、その入射角が臨界角より大きくなる。この
ため、全ての光束が全反射することになる。
【００３３】このような光伝波プロセスが第１及び第２
の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂ内において、数回（本
実施例では、２回）繰り返されることによって、臨界角
よりも小さな入射角で入射した光束と、臨界角以上の入
射角で入射した光束との間の伝波光量（第１及び第２の
臨界角プリズム４２ａ，４２ｂ内を伝波する光束の光
量）の差が拡大されることになる。
の臨界角プリズム４２ａ，４２ｂ内において、数回（本
実施例では、２回）繰り返されることによって、臨界角
よりも小さな入射角で入射した光束と、臨界角以上の入
射角で入射した光束との間の伝波光量（第１及び第２の
臨界角プリズム４２ａ，４２ｂ内を伝波する光束の光
量）の差が拡大されることになる。
【００３４】しかも、この場合、カンチレバー２の先端
側測定点２ａ及び基端側測定点２ｂが対物レンズ１４の
焦点位置に対してレンズ側に接近している場合とレンズ
から離間している場合とでは、上記伝波光量差の大小が
逆転する。
側測定点２ａ及び基端側測定点２ｂが対物レンズ１４の
焦点位置に対してレンズ側に接近している場合とレンズ
から離間している場合とでは、上記伝波光量差の大小が
逆転する。
【００３５】本実施例では、このような光束のうち、カ
ンチレバー２の先端側測定点２ａからの第１の反射光３
８ａが、第１の４分割フォトダイオード４６ａの受光面
Ａ，Ｂ及び第２の４分割フォトダイオード４６ｂの受光
面Ｅ，Ｆに縮小投影されると共に、カンチレバー２の基
端側測定点２ｂからの第２の反射光３８ｂが、第１の４
分割フォトダイオード４６ａの受光面Ｃ，Ｄ及び第２の
４分割フォトダイオード４６ｂの受光面Ｇ，Ｈに縮小投
影されることになる。
ンチレバー２の先端側測定点２ａからの第１の反射光３
８ａが、第１の４分割フォトダイオード４６ａの受光面
Ａ，Ｂ及び第２の４分割フォトダイオード４６ｂの受光
面Ｅ，Ｆに縮小投影されると共に、カンチレバー２の基
端側測定点２ｂからの第２の反射光３８ｂが、第１の４
分割フォトダイオード４６ａの受光面Ｃ，Ｄ及び第２の
４分割フォトダイオード４６ｂの受光面Ｇ，Ｈに縮小投
影されることになる。
【００３６】この場合、第１及び第２の４分割フォトダ
イオード４６ａ，４６ｂ上には、カンチレバー２の先端
と基端に発生する振動振幅の変位状態が光量分布となっ
て反映されることになる。
イオード４６ａ，４６ｂ上には、カンチレバー２の先端
と基端に発生する振動振幅の変位状態が光量分布となっ
て反映されることになる。
【００３７】ここで、第１及び第２の４分割フォトダイ
オード４６ａ，４６ｂの受光面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，
Ｆ，Ｇ，Ｈを介して光電変換された信号をＶA ，ＶB ，
ＶC ，ＶD ，ＶE ，ＶF ，ＶG ，ＶH とすると、信号処
理回路４８を介して上記各信号に所定の演算処理を施す
ことによって、カンチレバー２の先端及び基端の変位を
同時に検出することが可能となる。
オード４６ａ，４６ｂの受光面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，
Ｆ，Ｇ，Ｈを介して光電変換された信号をＶA ，ＶB ，
ＶC ，ＶD ，ＶE ，ＶF ，ＶG ，ＶH とすると、信号処
理回路４８を介して上記各信号に所定の演算処理を施す
ことによって、カンチレバー２の先端及び基端の変位を
同時に検出することが可能となる。
【００３８】具体的には、図１に示すように、本実施例
の走査型プローブ顕微鏡の積層型圧電体２０を振動させ
ることによってカンチレバー２を励振させた状態で試料
６とカンチレバー２との間の相互作用によって生じるカ
ンチレバー２の先端と基端の振動振幅の変位を測定す
る。
の走査型プローブ顕微鏡の積層型圧電体２０を振動させ
ることによってカンチレバー２を励振させた状態で試料
６とカンチレバー２との間の相互作用によって生じるカ
ンチレバー２の先端と基端の振動振幅の変位を測定す
る。
【００３９】この結果、信号処理回路４８によって検出
されるカンチレバー２の先端側測定点２ａの変位信号Ｚ
1 は、 Ｚ1 ＝｛（ＶA −ＶB ）＋（ＶE −ＶF ）｝／（ＶA ＋
ＶB ＋ＶE ＋ＶF ） となり、カンチレバー２の基端側測定点２ｂの変位信号
Ｚ2 は、 Ｚ2 ＝｛（ＶC −ＶD ）＋（ＶG −ＶH ）｝／（ＶC ＋
ＶD ＋ＶG ＋ＶH ） となる。
されるカンチレバー２の先端側測定点２ａの変位信号Ｚ
1 は、 Ｚ1 ＝｛（ＶA −ＶB ）＋（ＶE −ＶF ）｝／（ＶA ＋
ＶB ＋ＶE ＋ＶF ） となり、カンチレバー２の基端側測定点２ｂの変位信号
Ｚ2 は、 Ｚ2 ＝｛（ＶC −ＶD ）＋（ＶG −ＶH ）｝／（ＶC ＋
ＶD ＋ＶG ＋ＶH ） となる。
【００４０】そして、信号処理回路４８において、上記
の変位信号の差Ｚ1 −Ｚ2 を演算することによって、カ
ンチレバー２の先端及び基端の振動振幅の変位のみが検
出されることになる。
の変位信号の差Ｚ1 −Ｚ2 を演算することによって、カ
ンチレバー２の先端及び基端の振動振幅の変位のみが検
出されることになる。
【００４１】このように本実施例によれば、カンチレバ
ー２の先端側測定点２ａの変位信号Ｚ1 と基端側測定点
２ｂの変位信号Ｚ2 との差演算を実行するだけで、走査
型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分からカンチレバー
２の振動振幅の変位成分のみを高精度且つ簡単に分離し
て検出することが可能となる。しかも、本実施例によれ
ば、カンチレバー２の先端と基端の変位測定が同一の変
位検出器４で行われるため、複雑な信号処理を実行する
ことなく、単に変位信号の差Ｚ1 −Ｚ2 を演算するだけ
で簡単にカンチレバー２のたわみだけを高精度に測定す
ることが可能となる。
ー２の先端側測定点２ａの変位信号Ｚ1 と基端側測定点
２ｂの変位信号Ｚ2 との差演算を実行するだけで、走査
型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分からカンチレバー
２の振動振幅の変位成分のみを高精度且つ簡単に分離し
て検出することが可能となる。しかも、本実施例によれ
ば、カンチレバー２の先端と基端の変位測定が同一の変
位検出器４で行われるため、複雑な信号処理を実行する
ことなく、単に変位信号の差Ｚ1 −Ｚ2 を演算するだけ
で簡単にカンチレバー２のたわみだけを高精度に測定す
ることが可能となる。
【００４２】また、他の演算方法として、以下のような
除演算による信号処理を行うことも可能である。カンチ
レバー２が、角振動数ωで振動しているときのカンチレ
バー２の先端側測定点２ａの変位信号（振動）Ｚ1 は、
除演算による信号処理を行うことも可能である。カンチ
レバー２が、角振動数ωで振動しているときのカンチレ
バー２の先端側測定点２ａの変位信号（振動）Ｚ1 は、
【００４３】
【数１】 と表される。
【００４４】ここで、ｉは虚数単位、ｔは時間、｜Ｚ1
｜は振動の振幅、φ1 は振動の位相である。同様にし
て、カンチレバー２の基端側測定点２ｂの変位信号（振
動）Ｚ2 は、
｜は振動の振幅、φ1 は振動の位相である。同様にし
て、カンチレバー２の基端側測定点２ｂの変位信号（振
動）Ｚ2 は、
【００４５】
【数２】 と表される。
【００４６】ここで、ｉは虚数単位、ｔは時間、｜Ｚ2
｜は振動の振幅、φ2 は振動の位相である。これら
（１）式及び（２）式から算出された変位信号Ｚ1 ，Ｚ
2 に基づいて、Ｚ1 ／Ｚ2 の除演算を行うと、
｜は振動の振幅、φ2 は振動の位相である。これら
（１）式及び（２）式から算出された変位信号Ｚ1 ，Ｚ
2 に基づいて、Ｚ1 ／Ｚ2 の除演算を行うと、
【００４７】
【数３】 となり、位相φ2 に対する位相φ1 のずれ量が分かる。
即ち、カンチレバー２の基端部に対する先端部の振動と
位相とが得られる。
即ち、カンチレバー２の基端部に対する先端部の振動と
位相とが得られる。
【００４８】よって、このような除演算を行うことで、
カンチレバー２の先端側測定点２ａと基端側測定点２ｂ
の振動振幅比が分かるため、更に高精度にカンチレバー
２の撓みだけを分離して得ることが可能となると共に、
高分解能に試料６を測定することが可能となる。
カンチレバー２の先端側測定点２ａと基端側測定点２ｂ
の振動振幅比が分かるため、更に高精度にカンチレバー
２の撓みだけを分離して得ることが可能となると共に、
高分解能に試料６を測定することが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】本発明によれば、プローブの先端側及び
基端側の変位を検出し、その検出信号の差演算及び除演
算の少なくとも一方を行うだけで、走査型プローブ顕微
鏡の系全体の振動成分からプローブの振動成分のみを分
離して測定することができる。この結果、高分解能に試
料を測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供
することが可能となる。
基端側の変位を検出し、その検出信号の差演算及び除演
算の少なくとも一方を行うだけで、走査型プローブ顕微
鏡の系全体の振動成分からプローブの振動成分のみを分
離して測定することができる。この結果、高分解能に試
料を測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供
することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る走査型プローブ顕微鏡
の構成を概略的に示す側面図。
の構成を概略的に示す側面図。
【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡に適用された変
位検出器の内部構成と、対物レンズ及びカンチレバーの
配置を概略的に示す斜視図。
位検出器の内部構成と、対物レンズ及びカンチレバーの
配置を概略的に示す斜視図。
【図３】（ａ）は、本発明の走査型プローブ顕微鏡に適
用された臨界角プリズム内で反射光が全反射している状
態を示す斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）に示す臨界角プ
リズムの縦断面図。
用された臨界角プリズム内で反射光が全反射している状
態を示す斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）に示す臨界角プ
リズムの縦断面図。
２…カンチレバー、２ａ…先端側測定点、２ｂ…基端側
測定点、４…変位検出器、２８ａ…第１の測定用レーザ
ー光、２８ｂ…第２の測定用レーザー光、３８ａ…第１
の反射光、３８ｂ…第２の反射光、４２ａ…第１の臨界
角プリズム、４２ｂ…第２の臨界角プリズム、４６ａ…
第１の４分割フォトダイオード、４６ｂ…第２の４分割
フォトダイオード、４８…信号処理回路。
測定点、４…変位検出器、２８ａ…第１の測定用レーザ
ー光、２８ｂ…第２の測定用レーザー光、３８ａ…第１
の反射光、３８ｂ…第２の反射光、４２ａ…第１の臨界
角プリズム、４２ｂ…第２の臨界角プリズム、４６ａ…
第１の４分割フォトダイオード、４６ｂ…第２の４分割
フォトダイオード、４８…信号処理回路。
Claims (3)
- 【請求項１】 基端が支持され且つ先端が変位自在に構
成されたプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡であっ
て、 前記プローブの先端側と基端側の変位を同時に光学的に
検出する変位検出手段と、 前記走査型プローブ顕微鏡の系全体の振動成分から前記
プローブの振動成分のみを分離して測定するように、前
記変位検出手段によって検出された検出信号に所定の演
算を施す演算手段とを備えていることを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記変位検出手段は、前記プローブの先
端側の変位を光学的に検出する第１の変位検出光学系
と、前記プローブの基端側の変位を光学的に検出する第
２の変位検出光学系とを備えており、また、前記演算手
段は、前記第１及び第２の変位検出光学系からの各出力
信号に対して差演算及び除演算の少なくとも一方を施す
演算処理回路を備えていることを特徴とする請求項１に
記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】 前記第１及び第２の変位検出光学系に
は、前記プローブの先端側と基端側に同時に測定光を照
射する照明光学系と、前記プローブの先端側と基端側か
らの各反射光の入射角度に対応して前記各反射光の伝波
光量を変化させる第１及び第２の臨界角プリズムと、こ
れら第１及び第２の臨界角プリズムを介して伝波される
前記各反射光を受光して、その受光量変化に対応した信
号を出力する第１及び第２の受光素子とを備えているこ
とを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微
鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12514595A JPH08313542A (ja) | 1995-05-24 | 1995-05-24 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12514595A JPH08313542A (ja) | 1995-05-24 | 1995-05-24 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08313542A true JPH08313542A (ja) | 1996-11-29 |
Family
ID=14902986
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12514595A Withdrawn JPH08313542A (ja) | 1995-05-24 | 1995-05-24 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08313542A (ja) |
-
1995
- 1995-05-24 JP JP12514595A patent/JPH08313542A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20020806 |