JPH0961442A

JPH0961442A - 原子間力顕微鏡及びその測定ヘッド

Info

Publication number: JPH0961442A
Application number: JP7214757A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Miyashita; 典久宮下; Sunao Nishioka; 直西岡
Original assignee: Renesas Semiconductor Engineering Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Renesas Semiconductor Engineering Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 1997-03-07
Also published as: US5656809A; DE69604634T2; DE69604634D1; EP0759536B1; KR970011931A; EP0759536A1; KR100215526B1

Abstract

(57)【要約】【課題】原子間力顕微鏡において、微細で複雑且つ凹
凸の激しいパターン形状を有する被測定試料に対して
も、高いＺ方向精度を維持できる測定ヘッドを実現す
る。【解決手段】探針２を備えたカンチ・レバー本体１１
０の上側主面の先端部１１０ａに、非直線偏光の光ビー
ム１４１を入射する。カンチ・レバー本体１１０は偏光
板であり、その屈折率はｔａｎ（光ビーム１４１のブル
ースター角）で与えられる。従って、先端部１１０ａで
反射した反射光ビーム１４２は直線偏光の光となる。光
位置検出器１５０はポラロイド薄膜を検光材とする検光
窓１５０ａを備えており、直線偏光した反射光ビーム１
４２の電気ベクトルと同一方向に振動する光のみを通過
させ、その位置変化を検出する。その出力信号Ｖ１の値
に基づきピエゾ素子６を駆動する制御信号Ｖ３を発生し
て、被測定試料３をＸＹＺ方向に走査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、原子間力顕微鏡
ＡＦＭ（atomic force microscope）の測定ヘッド、特
に光ビーム挺子方式による原子間力顕微鏡の測定ヘッド
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡の測定ヘッドは、光ビー
ムを発生する光源と、光ビームを反射するカンチ・レバ
ーと、カンチ・レバーで反射した光ビームの位置変化に
よりカンチ・レバーの「たわみ」（変位）を検出する光
位置検出器とを、その基本的構成要素として有する。こ
の光ビーム挺子方式による原子間力顕微鏡の測定ヘッド
の構成を開示する文献としては、次のようなものがあ
る。

【０００３】（１） Gehard Meyer and Nabil H.Amer:
Appl.Phys.Lett.,Vo1.53,No.12(1988),pp1045‐1047。

【０００４】（２） B.Brake,C.B.Prater,A.L.Weisenh
orn,S.A.C.Gould,T.R.Albrecht,C.F.Quate,D.S.Cannel
l,H.G.Hansma,and P.K.Hansma:Science,Vol.243(1989),
pp.1586-1589。

【０００５】（３） S.A.Chalmers,A.C.Gossard,A.L.W
eisenhorn,S.A.C.Gould,B.Drake,and P.K.Hansma:Appl.
Phys.Lett.,Vol.55,No.24(1989),pp. 2491-2493。

【０００６】（４） Gehard Meyer and Nabil M.Amer:
Appl.Phys.Lett.,Vol.56,No.21(1990),pp.2100-2101。

【０００７】（５） R.C.Barrett and C.F.Quate:J.Va
c.Sci.Technol.A,Vol.8,No.1(1990),pp.400-402。

【０００８】（６） Gabi NeuBauer,M.Lawrence A.Das
s,and Thad Jhonson:Proc.of IEEEIntern.Rel.Phys.Sym
po.,(1992)pp-299-303。

【０００９】（７） M.Radmacher,R.W.Tillmnann,M.Fr
itz,H.E.Gaub:Science,Vol.257(1992),pp.1900-1905。

【００１０】（８） P.K.Hansma,B.Drake,D.Grigg,C.
B.Prater,F.Yashar,G.Gurley,V.Elings,S.Feinstein,an
d R.Lal:J.Appl.Phys.,Vol.76,No.2(1994),pp.796-79
9。

【００１１】（９） U.Rabe and W.Armold:Appl.Phys.
Lett.,Vol.64,No.12(1994),pp.1493‐1495。

【００１２】（１０）特開平２−２８１１０３号公
報。

【００１３】（１１）特開平４−２８５８１０号公
報。

【００１４】（１２）特開平７−５１８１号公報。

【００１５】図１２は、上記文献（１）乃至文献（８）
のそれぞれにおいて開示された、従来の原子間力顕微鏡
の測定ヘッドの構成図を示す。又、図１３は、上記文献
（９）に開示されているものであり、光路方向を変える
ためのミラー５１Ｐが付加された、従来の測定ヘッドの
構成図を示す。尚、図１２では、測定ヘッド１００Ｐを
動作させるための制御部１０Ｐを併記しており、全シス
テムを原子間力顕微鏡２０Ｐとして示している。

【００１６】光源４から発した光ビーム４１は、カンチ
・レバー本体１の上面に収束され、その反射光４２が光
位置検出器５に入射する。この光位置検出器５は、２分
割あるいは４分割のフォト・ダイオードから成り、カン
チ・レバー本体１からの反射光４２の位置ズレを検出す
ることにより、カンチ・レバー本体１の先端部に設けら
れた探針２と被測定試料３との間に働く原子間力によ
る、カンチ・レバー本体１の微小な「たわみ」を感知す
る。又、光源４は、直線偏光していない光ビーム４１を
発し、カンチ・レバー本体１は、シリコン（Ｓｉ）や窒
化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの材質で作られており、探
針２は、鋭い先端を有するシリコン（Ｓｉ）やダイアモ
ンド等で作られており、光位置検出器５は、単に入射し
た光の位置変化を検出する。

【００１７】この原子間力顕微鏡２０Ｐを用いて被測定
試料３の表面の凹凸像を測定する動作について、以下に
説明する。

【００１８】まず、光位置検出器５上の一定の位置に、
即ち光位置検出器５の出力が丁度０値となる位置から所
定分だけ偏在した位置にカンチ・レバー本体１からの反
射光４２が入射するように、制御部１０Ｐのコントロー
ラ７Ｐは、コンピュータ８Ｐからの指令を受けて円筒型
ピエゾ素子６のＺ電極に電圧を加え、これにより被測定
試料３をＺ方向（上下方向）に動かしてフィード・バッ
ク制御を行う。そして、このように、円筒型ピエゾ素子
６をＺ方向にフィード・バック動作させつつ、更にコン
ピュータ８Ｐからコントローラ７Ｐを介してピエゾ素子
６のＸＹ電極に電圧を加えることにより、被測定試料３
をＸＹ方向にも同時に走査させる。このとき、コントロ
ーラ７Ｐから円筒型ピエゾ素子６に印加したＸＹＺ方向
の各電圧をコンピュータ８で読取ることにより、被測定
試料３の表面の凹凸像を得ることが可能となる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
文献に開示された従来の測定ヘッドには、総じて次のよ
うな問題点があった。

【００２０】ここで、図１４及び図１５は、それぞれ、
従来の原子間力顕微鏡の測定ヘッドの問題点を説明する
ために示した、測定ヘッド１００Ｐの側面図、及びカン
チ・レバー本体１の先端部近傍に照射される光ビーム４
１の入射側から眺めた横断面図である。

【００２１】まず、従来の測定ヘッド１００Ｐを、図１
４に例示するような凹凸の激しい表面３ａを有する被測
定試料３に適用した場合には、Ｚ方向（上下方向）の測
定精度が著しく低下していた。この点を、以下に詳述す
る。

【００２２】一般的に、原子間力顕微鏡においては、微
弱な原子間力でもカンチ・レバー本体の「たわみ」が大
きくなるようにするため、従ってバネ定数を小さくする
ために、カンチ・レバー本体１の厚みと幅（ｗ）（図１
５参照）とを小さく設定している。一方、光位置検出器
５では大きな出力信号が得られるように、更にはカンチ
・レバー本体１へ光ビーム４１を確実に照射し且つその
目視による確認ができるようにするために、カンチ・レ
バー本体１の幅（ｗ）よりも大きい断面寸法ないしビー
ム径（Ｄ）を有する光ビーム４１を使用している。その
ため、図１５に模式的に示すように、光ビーム４１の断
面寸法（Ｄ）がカンチ・レバー本体１の寸法、例えば幅
（ｗ）よりも大きくなり、入射した光ビーム４１は、カ
ンチ・レバー本体１の先端部内にのみ入射した、真にＺ
方向の測定値を得るために必要な必要光４１ａだけでな
く、上記先端部の枠外にある不必要な光、即ち測定誤差
の原因となる余剰光４１ｂをも伴っている。そして、必
要光４１ａより生じた整反射光４２ａだけでなく、カン
チ・レバー本体１よりはみ出した余剰光４１ｂが被測定
試料３の表面３ａで乱反射されて生じた乱反射光４２ｂ
も、カンチ・レバー本体１と被測定試料３の表面３ａと
の間隔及び表面３ａの表面凹凸状態のいかんによって
は、光位置検出器５へ入射することとなり、このために
上述したＺ方向の測定精度の低下が生じる。

【００２３】その結果、整反射光４２ａによる正しいＺ
方向の測定を行うことができなくなり、上述したフィー
ド・バック制御を混乱に陥れるという問題が生じてい
た。特に、整反射光４２ａ，乱反射光４２ｂのいずれか
一方によって光位置検出器５の出力がプラス側となり、
他方によって出力がマイナス側となったときには、その
時々の光の強度によって出力が変動することとなるの
で、コントロール不可能にさえなってしまう。

【００２４】このように、従来の測定ヘッド１００Ｐで
は、光ビーム４１が試料表面３ａでも反射され、このカ
ンチ・レバー本体１以外からの乱反射光４２ｂが光位置
検出器５へ粉れ込んでいた。このため、例えば、微細で
複雑且つ凹凸の激しいパターン形状を有する半導体素子
の如き被測定試料３の表面については、従来の測定ヘッ
ド１００Ｐを用いた原子間力顕微鏡では、正確にその表
面を観察・計測することができなかった。こうした従来
の測定ヘッド１００Ｐにおける問題点は、上述の通り、
余剰光４１ｂに起因した乱反射光を認識してその対策を
なすことを何ら行わなかったことによるものであり、こ
の点は、後述する図５において示されるフォース・カー
ブによっても証左されるであろう。

【００２５】尚、上記問題点は、光源より発した光ビー
ムをレンズで収束してビームを絞るならば、解決可能で
あると考えられるかもしれない。しかし、使用者サイド
から考えた場合には、上記解決方法を満足させることは
難しく、非現実的手法と言える。原子間力顕微鏡におい
ては、光ビームのビーム径を太くして、光ビームがカン
チ・レバー本体の先端部へ確実に照射されている状態を
目視により確認できるような構成が望まれる。このよう
な現実的な要望の下で、上記乱反射光対策が切望されて
いるのである。

【００２６】この発明は、このような問題点を解消する
ためになされたものであり、微細で複雑且つ凹凸の激し
いパターン形状を有する被測定試料に対しても、光ビー
ムをカンチ・レバー本体へ照射しやすくしつつ、確実・
安定なフィード・バック制御を行いつつ、高いＺ方向精
度を維持できる、原子間力顕微鏡及びその新たな構成の
測定ヘッドを提供することを、その主目的としている。

【００２７】又、従来構成のカンチ・レバー本体を利用
して問題点を解決できる測定ヘッドの構成を提供するこ
とをも、その目的としている。

【００２８】更には、この発明で採用される直線偏光の
光を確実に選択して、その精度をより一層向上させるこ
とをも、目的としている。

【００２９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る原子間力
顕微鏡の測定ヘッドは、非直線偏光の光ビームを発生す
る光源と、被測定試料に対面したその下側主面上に探針
が配設されたカンチ・レバー本体を備えており、前記光
源より入射した前記光ビームの一部を前記探針の配設位
置上方に当たる前記カンチ・レバー本体の上側主面の先
端部に於いて反射させるとともに、その際に前記光ビー
ムの偏光を直線偏光に変える偏光作用を有するカンチ・
レバー手段と、前記直線偏光された前記反射光ビームの
みの位置変化を検出する光位置検出手段とを備える。

【００３０】請求項２に係る原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ドでは、請求項１記載の前記カンチ・レバー本体自体を
前記偏光作用を有する偏光子で構成している。

【００３１】請求項３に係る原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ドでは、請求項２記載の前記偏光子は、前記光源より入
射した前記光ビームの入射角がブルースター角となる様
に設定された偏光板から成る。

【００３２】請求項４に係る原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ドでは、請求項１記載の前記カンチ・レバー手段は、前
記カンチ・レバー本体の上側主面上に形成されており、
前記光源より入射した前記光ビームに対して前記偏光作
用を生じさせる偏光膜を更に備える。

【００３３】請求項５に係る原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ドでは、請求項４記載の前記偏光膜を、少なくとも前記
先端部を含む前記上側主面内の一部領域上に形成してい
る。

【００３４】請求項６に係る原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ドでは、請求項４記載の前記偏光膜及び前記カンチ・レ
バー本体は、前記光源より入射した前記光ビームの入射
角がブルースター角となる様に設定されている。

【００３５】請求項７に係る原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ドでは、請求項１記載の前記カンチ・レバー手段は、前
記カンチ・レバー本体の幅よりも小さい幅を有し、前記
光源側より前記カンチ・レバー本体を眺めた際に前記カ
ンチ・レバー本体の前記上側主面内に包含される様に前
記光ビームの入射側に併設されており、前記光源より入
射した前記光ビームを前記直線偏光として前記カンチ・
レバー本体へ向けて透過させる、偏光板をさらに備えて
いる。

【００３６】請求項８に係る原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ドでは、請求項７記載の前記偏光板は、前記光源より入
射した前記光ビームの入射角がブルースター角となる様
に設定されている。

【００３７】請求項９に係る原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ドでは、請求項１乃至請求項８の何れかに記載の前記光
位置検出手段は、前記直線偏光された反射光ビームの電
気ベクトル方向と一致した電気ベクトル方向を有する光
のみを選択する検光作用を備えた検光子と、前記検光子
によって選択された光の位置変化を検出する光位置検出
器とを備える。

【００３８】請求項１０に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項９記載の前記検光子は、前記検光作用
として、その入射光の内で、前記直線偏光された反射光
ビームの電気ベクトル方向と一致した電気ベクトル方向
を有する光のみを通過させ、前記光位置検出器は前記検
光子の通過光の位置変化を検出する。

【００３９】請求項１１に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項１０記載の前記検光子は、前記光位置
検出器の検光窓として前記光位置検出器に取付けられて
いる。

【００４０】請求項１２に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項１１記載の前記検光窓はポラロイド薄
膜を材質とする窓である。

【００４１】請求項１３に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項１０記載の前記検光子は、前記光位置
検出器の入射光路側に配置された、前記検光作用を有す
る材質をその検光材とする検光板である。

【００４２】請求項１４に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項１３記載の前記検光板は、前記直線偏
光された反射光ビームの入射方向を回転軸として回転自
在に設定されている。

【００４３】請求項１５に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項１４記載の前記検光板の前記検光材と
はポラロイド薄膜である。

【００４４】請求項１６に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項９記載の前記検光子は、前記光位置検
出器の入射光路側に配置されており、その入射光路内
で、前記直線偏光された反射光ビームの電気ベクトル方
向と一致した電気ベクトル方向を有する光のみを前記光
位置検出器へ向けて反射するミラーである。

【００４５】請求項１７に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項１６記載の前記ミラーは、その法線方
向を回転軸として回転自在に設定されている。

【００４６】請求項１８に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項１７記載の前記ミラーの反射面には、
前記検光作用を有する検光膜が形成されている。

【００４７】請求項１９に係る原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドでは、請求項１８記載の前記検光膜はポラロイド薄
膜を材質とする。

【００４８】請求項２０に係る原子間力顕微鏡は、測定
ヘッドと、被測定試料と、前記測定ヘッドを制御する制
御部とを備え、前記測定ヘッドは、前記被測定試料を三
次元的に走査する駆動手段と、非直線偏光の光ビームを
発生する光源と、前記被測定試料の表面の凹凸を感知す
る探針をその下側主面先端部に備え、且つ前記下側主面
先端部に対向したその上側主面先端部で前記光ビームの
一部を反射させると共に、その反射光ビームの偏光を直
線偏光に変える偏光作用を有する、カンチ・レバー手段
と、前記直線偏光された前記反射光ビームのみの位置変
化を検出する光位置検出手段とを備えており、前記制御
部は、前記光位置検出手段の出力信号に応じて前記駆動
手段を制御する制御信号を出力し、前記駆動手段は前記
制御信号に応じて前記被測定試料を走査する。

【００４９】請求項２１に係る原子間力顕微鏡は、被測
定試料を走査しつつ、前記被測定試料の表面の凹凸を感
知する探針を備え且つ前記探針位置の上方に当たる上側
主面の先端部が直線偏光された反射光を発生する偏光作
用を有しているカンチ・レバーの前記先端部に非直線偏
光の光ビームの一部を入射して反射させ、入射した前記
光ビームの反射光ビームの位置変化を、前記反射光ビー
ムの電気ベクトルと同一方向に振動する光のみを選択す
る光位置検出手段を以て検出することを特徴とする。

【００５０】請求項２２に係る原子間力顕微鏡は、被測
定試料を走査しつつ、直線偏光された透過光を発生する
偏光板に非直線偏光の光ビームの一部を入射し、その透
過光ビームを、前記被測定試料の表面の凹凸を感知する
探針を備えたカンチ・レバーの前記探針位置の上方に当
たる上側主面の先端部に入射させて、その反射光ビーム
の位置変化を、前記反射光ビームの電気ベクトルと同一
方向に振動する光のみを選択する光位置検出手段を以て
検出することを特徴とする。

【００５１】この発明においては、カンチ・レバー手段
からの反射光ビーム、即ち直線偏光された反射光ビーム
のみが、光位置検出手段によって検出される。つまり、
光源から発した光ビームの他部である余剰光が被測定試
料の表面で乱反射されて生ずる乱反射光は検出されず、
光ビームの一部としての必要光による整反射光だけが検
出される。その結果、真に正しいＺ方向測定と完全なフ
ィード・バック制御を行うことができる。

【００５２】

【発明の実施の形態】以下に述べる各実施の形態におけ
るＡＦＭ用測定ヘッドは、直線偏光されていない光ビー
ムを発生する光源と、その光源からの光ビームの内でカ
ンチ・レバー本体の先端部に入射したものを反射させ、
且つその反射光ビームが直線偏光された光ビームとなる
ような偏光作用を備えるカンチ・レバー手段と、カンチ
・レバー手段によって直線偏光された反射光ビームのみ
の位置変化を検出する光位置検出手段から、主として構
成されている。

【００５３】以下、順次に、この発明の各実施の形態の
詳細を、添付図面に基づいて説明する。

【００５４】（実施の形態１）図１は、原子間力顕微鏡
２０の全体構成を示すブロック図である。同顕微鏡２０
は、測定ヘッド１００と制御部１０とに大別される。こ
の内、測定ヘッド１００の構成が本発明の核心部であ
り、他の実施の形態２〜５も、この測定ヘッド２００，
３００，４００，５００の改良に係わる。従って、図１
に示した構成は、全ての実施の形態に共通している。

【００５５】制御部１０は、コンピュータ（ＣＰＵ）８
を中核として、その他にＣＲＴディスプレイ９，コント
ローラ７を備える。コントローラ７は、コンピュータ８
からの指令信号Ｖ２を受けて動作し、測定ヘッド１００
より出力される出力信号Ｖ１（後述する光位置検出器の
出力電圧に該当）を受けて、その値に応じてＸ，Ｙ，Ｚ
方向に関する制御信号Ｖ３Ｘ，Ｖ３Ｙ，Ｖ３Ｚを出力す
る。これらの制御信号Ｖ３Ｘ〜Ｖ３Ｚは、測定ヘッド１
００中の駆動部であるピエゾ素子を制御するものであ
り、そのピエゾ素子は、これらの制御信号Ｖ３Ｘ〜Ｖ３
Ｚに応じて、被測定試料を三次元的に走査する。

【００５６】又、コンピュータ８は、上記制御信号Ｖ３
Ｘ〜Ｖ３Ｚを信号Ｖ４として受けて、この信号Ｖ４に基
づき、被測定試料の表面凹凸画像を算出し、その画像を
ＣＲＴディスプレイ９に表示する。

【００５７】図２乃至図４は、それぞれ、図１の測定ヘ
ッド１００の側面図、本実施の形態の作用を説明するた
めの測定ヘッド１００の主要部分の側面図、及び上記主
要部分の拡大斜視図である。

【００５８】測定ヘッド１００は、図２及び図３に示す
ように、直線偏光されていない指向性のある平行な光ビ
ーム１４１を発生する光源１４０と、カンチ・レバー本
体１１０と、カンチ・レバー本体１１０の先端部の下側
主面ＬＳ上に形成された探針２と、直線偏光の反射光ビ
ーム１４２のみを選択する検光作用を備えた検光子とし
ての検光窓１５０ａがその入射窓として取り付けられた
光位置検出器１５０と、被測定試料３を搭載する試料台
３Ａに取り付けられており、被測定試料３をＸＹＺ方向
に３次元的に走査するピエゾ素子６とから構成されてい
る。

【００５９】ここでは、光源１４０として、例えば、波
長が６７０〜６８５ｎｍ、出力３〜５ｍＷの半導体レー
ザと、コリメート・レンズとを組み合せた光源が使用さ
れており、この場合の最小スポット・サイズ（図１５の
Ｄに該当）は１８０〜１９０μｍである。従って、カン
チ・レバー本体１１０に入射する光ビーム１４１は、楕
円偏光の光である。尚、光ビーム１４１としては、円偏
光の光であっても良く、要は非直線偏光の光であること
が必須となる。

【００６０】カンチ・レバー本体１１０の寸法は、所望
のバネ定数や共振周波数によっても異なるが、ここで
は、例えば幅（Ｗ）が１８〜２２μｍ、厚さが０．５〜
４μｍ、長さが８５〜３２０μｍの寸法に、それぞれ設
定されている。

【００６１】カンチ・レバー本体１１０の上側主面ＵＳ
中、探針２の配設位置上方に当たる先端部１１０ａが、
光ビーム１４１の内の必要光１４１ａの入射箇所であ
る。従って、光ビーム１４１は、上側主面の先端部１１
０ａに収束されて、当該先端部１１０ａを照射する。

【００６２】ここでは、カンチ・レバー本体１１０への
光ビーム１４１の入射角θｂがブルースター角となるよ
うに、カンチ・レバー本体１１０は設定される。即ち、
カンチ・レバー本体１１０の材質と、カンチ・レバー本
体１１０の上側主面ＵＳの法線方向と光ビーム１４１の
光線方向とがなす入射角θｂとは、カンチ・レバー本体
１１０の材質の屈折率をｎとし、光ビーム１４１の入射
角θｂをブルースター角とした場合には、ｔａｎ（θ
ｂ）＝ｎの関係式を満足するように、設定される。その
材質は、例えば、窒化シリコンやポリシリコン等から成
る。その結果、光ビーム１４１ないし必要光１４１ａ
は、上側主面の先端部１１０ａで反射される際に、直線
偏光に変換される。即ち、反射光ビーム１４２ないし整
反射光１４２ａは、いわゆるＳ偏光成分波となる。

【００６３】このように、ここではブルースターの法則
を利用することにより、カンチ・レバー本体１１０自体
が、入射した光ビーム１４１の偏光を直線偏光に変える
偏光作用を有する偏光子ないし偏光板としての役割をも
担っている。

【００６４】光位置検出器（ＰＳＤ：position sensiti
ve device）１５０は、２分割または４分割の光検出素
子（例えばシリコン・ホトダイオード）を内蔵してお
り、その入射窓は、入射した光の内で、反射光ビーム１
４２の電気ベクトル方向と一致した電気ベクトル方向を
有する光のみを選択ないし通過させる検光子としての作
用のある検光窓１５０ａを有している。検光窓１５０ａ
は、例えばポラロイド薄膜を材質とする窓である。その
結果、光位置検出器１５０は、検光窓１５０ａの通過光
たる、反射光ビーム１４２及びそれと電気ベクトル方向
が一致した光のみの位置変化を検出して、その出力電圧
を出力信号Ｖ１として出力する。

【００６５】尚、光位置検出器１５０は、検光窓１５０
ａを通過する光の電気ベクトル方向が反射光１４２のそ
れと一致するように、予めその位置調整がなされてい
る。

【００６６】又、図１の制御部１０の動作ないし被測定
試料３の表面凹凸像測定動作自体は、従来の技術で説明
した内容と本質的には異ならない。

【００６７】図４に示すように、カンチ・レバー本体１
１０に入射する必要光１４１ａは、カンチ・レバー本体
１１０の先端部の上側主面１１０ａによって直線偏光へ
の偏光作用を受け、直線偏光された必要光１４１ａのＳ
偏光成分が整反射光ビーム１４２ａとなって光路上を進
行し、同じ電気ベクトルの方向のみを透過させる検光窓
１５０ａによって選択されて、光位置検出器１５０内部
の、例えば複数分割されたシリコン・ホトダイオード等
のような光検出素子部に入射し、検知強度に対応した出
力信号Ｖ１が発生される。

【００６８】これに対して、カンチ・レバー本体１１０
に入射せずに、被測定試料３の表面３ａを照射する余剰
光１４１ｂによって発生した乱反射光１４２ｂは、直線
偏光されないままの光であるから、たとえその一部が光
位置検出器１５０の方向へ反射されたとしても、検光窓
１５０ａによって、そのほとんどの光位置検出器１５０
の内部への進入が阻止されてしまう。従って、不必要
な、測定誤差の原因となる余剰光１４１ｂによる誤差信
号はほとんど無くなってしまい、真にＺ方向の測定値を
得るに必要な必要光１４１ａだけが、光位置検出器１５
０の出力信号Ｖ１を発生させているものとみなすことが
可能となる。

【００６９】その結果、カンチ・レバー本体１１０と被
測定試料３の表面３ａとの間隔及び表面３ａの表面凹凸
状態が如何なる状況であろうとも、常に整反射光１４２
ａのみによる正しいＺ方向の測定を行うことができ、飛
躍的にＺ方向（上下方向）の測定精度を向上させること
が可能となる。このことは、制御部１０（図１）による
フィード・バック制御を混乱に陥れることなく、安定し
た動作とすることを可能にする。

【００７０】本実施の形態による測定ヘッド１００で
は、試料表面３ａで反射した光ビーム１４１、即ちカン
チ・レバー本体１１０以外からの乱反射光１４２ｂを、
光位置検出器１５０へ向けて反射させうるような表面形
状を有する被測定試料３、例えば微細で複雑且つ凹凸の
激しいパターン形状を有する半導体素子の如き被測定試
料３であっても、その表面トポグラフを安定して確実に
観察・計測できる。

【００７１】図５及び図６は、それぞれ、本実施の形態
の効果を説明するために示した、従来及び本実施の形態
におけるフォース・カーブである。各フォース・カーブ
において、横軸は図２の被測定試料３のＺ方向（上下方
向）の移動距離を、縦軸は光位置検出器５又は１５０の
出力（つまり、カンチ・レバー本体１，１１０の「たわ
み」）を示す。横軸の上方向とは、図２のピエゾ素子６
によって、被測定試料３が探針２の先端の方向へ向けて
移動する方向であり、横軸の下方向とは、被測定試料３
が探針２から離れる方向である。以下、図２を参照しつ
つ、両図５，６に示されたフォース・カーブの軌跡につ
いて説明する。

【００７２】先ず、被測定試料３を探針２へ近接させて
おいて、コントローラ７からピエゾ素子６に三角波電圧
を印加し、Ｚ方向に被測定試料３を上下させる。このと
きの被測定試料３のＺ方向変位量に対応したカンチ・レ
バー本体１又は１１０の「たわみ」量を、光位置検出器
５または１５０の出力電圧値から読取る。このピエゾ素
子印加電圧（Ｚ方向移動距離）に対する光位置検出器
５，１５０の出力電圧（たわみ）の依存性をグラフ化し
たのが、上述したフォース・カーブである。

【００７３】本来あるべきフォース・カーブは、図５，
図６に示した各点Ａ〜Ｅを参照して説明すれば、次の通
りとならなければならない。即ち、初期時の一定力が加
えられたＡ点から被測定試料３を上方向へ移動、即ち被
測定試料３を探針２の先端へ近ずけていくと、被測定試
料３と探針２とが接触するＢ点の直前では、ファンデー
ルワールス力が作用する結果、光位置検出器の出力はわ
ずかに低減する。そして、Ｂ点を通過してから以後は、
原子間反発力が作用する結果、光位置検出器の出力は線
形的に増加してゆき、ピエゾ素子６に印加した三角波電
圧の最大値に対応するＣ点に達したときに、光位置検出
器の出力は最大となる。そして、被測定試料３を下方向
ヘ移動、即ち被測定試料３を探針２から次第に離してゆ
くと、測定試料３と探針２との間に付着力が作用するた
め、Ｂ→Ｃの場合よりも緩やかな傾斜で以て光位置検出
器の出力が線形的に減少してゆく。この減少は、Ｂ点よ
りも更に測定試料３と探針２との間隔が大きくなるＤ点
に被測定試料３が達するまで続く。そして、Ｄ点に到達
したのちは、付着力に抗してカンチ・レバー本体１，１
５０の「たわみ」が戻りＥ点に至る。その後は、印加し
た三角波電圧の最小値に対応するＡ点に被測定試料３が
戻るまで、光位置検出器の出力は一定となる。

【００７４】ところが、図５に示した従来のフォース・
カーブでは、Ａ点から被測定試料３を上方向へ移動、即
ち被測定試料３を探針２の方へ近ずけると、カンチ・レ
バー本体１と被測定試料３の表面３ａとの間隔及び表面
３ａの表面凹凸状態によっては、図４に示したように、
乱反射光４２ｂが光検出器５の内部へ進入してしまうの
で、図５において曲線Ｆとして示すような「こぶ」が発
生する。即ち、未だ被測定試料３と探針２とが接触して
いない間においてすら、乱反射光４２ｂの悪影響が見ら
れる。この点は、たとえ、被測定試料３と探針２とが接
触している、Ｂ点とＣ点との間で、図１２の測定ヘッド
１００Ｐをフィードバック制御しつつ被測定試料３をＸ
ＹＺ方向に走査していても、ＸＹ走査点に依っては余剰
光４１ｂ（図１４）による乱反射光４２ｂが光位置検出
器５へ進入してくるので、解決されることとはならな
い。従って、Ｚ方向の測定精度が悪くなる。

【００７５】これに対して、本実施の形態のフォース・
カーブでは、図６に示すように、検光窓１５０ａによっ
て、乱反射光１４２ｂが光位置検出器１５０の内部へ進
入するのが阻止されるので、図５におけるような「こ
ぶ」は一切発生しない。従って、上述した本来あるべき
フォース・カーブが実現される。

【００７６】尚、反射率を大きくするために、ポリシリ
コンや窒化シリコン等の表面上にＡｕ薄膜を蒸着したも
のを、カンチ・レバー本体１１０として用いても良い。

【００７７】（実施の形態２）図７は、本発明の実施の
形態２における測定ヘッド２００の側面図である。同図
において、測定ヘッド２００のカンチ・レバー手段２１
０は、直線偏光を生じさせないカンチ・レバー本体１
と、カンチ・レバー本体１の上側主面ＵＳの内で、少な
くとも探針２の配設位置上方にあたる先端部１ａを含む
一部領域（それは、カンチ・レバー本体１の一端から長
手方向へ長さＬだけ離れた所までの領域である。その面
積はＬＷ。）上に形成された、例えばポラロイド薄膜の
ような偏光膜２０１とから構成される。上記先端部１ａ
は、光ビーム１４１が入射する箇所である。その他の構
成要素は、実施の形態１と何ら変わらない。

【００７８】従って、光ビーム１４１は、偏光膜２０１
の上側主面の法線方向に対してブルースター角で以て入
射し、偏光作用を受ける結果、直線偏光された反射光１
４２（Ｓ偏光成分）として反射される。

【００７９】このように本実施の形態２では、従来のカ
ンチ・レバー本体１の上に、しかもその限られた一部領
域内に偏光膜２０１を蒸着等の方法を用いて形成するだ
けでよいから、実施の形態１と比べてカンチ・レバー手
段の作成が容易となる。しかも、市販品のカンチ・レバ
ー本体１をそのまま利用できるという利点があり、前述
の作成の容易さと相まって、実用化に適したカンチ・レ
バー手段を提供できる。

【００８０】又、上述の通り、光ビーム１４１ないし必
要光１４１ａによって照射されるべき必要な部分だけに
偏光膜２０１を設ければ良く（長さＬを短く設定してお
けば良く）、このため、カンチ・レバー本体１の上側主
面ＵＳ中の余分な所での反射光は直線偏光への変換をう
けないので、先端部以外のカンチ・レバー本体１の上側
主面で生じた不要な反射光を除光することができ、この
点でも、より測定精度を向上できる。この点は、同一効
果を達成しようとする上述した文献（１１）と較べて
も、本実施の形態２では簡単な構成で済むので、遙かに
有利であると言える。

【００８１】（実施の形態３）本実施の形態３も、実施
の形態２と同様に、従来のカンチ・レバー本体１を利用
して実施の形態１と同一の効果及び特有の効果を得よう
とするものである。

【００８２】図８及び図９は、それぞれ、実施の形態３
における測定ヘッド３００の側面図及びカンチ・レバー
手段３１０の拡大斜視図である。ここでは、測定ヘッド
３００のカンチ・レバー手段３１０は、直線偏光を生じ
させることのないカンチ・レバー本体１と、その他端側
１ｂにおいて機械的に上側主面ＵＳ上に固設されたスペ
ーサ３１１と、上側主面ＵＳに略平行なスペーサ３１１
の面３１１Ｓにその下側主面の他端側が固設された、例
えばポラロイド薄膜を偏光材とする偏光板３０１とから
構成されている。ここでも、偏光板３０１の上側主面の
法線方向と光ビーム１４１とがなす入射角は、ブルース
ター角に設定される。従って、偏光板３０１は、その上
側主面に入射された光ビーム１４１の透過光１４１Ｔを
直線偏光（ｐ偏光成分）と成す偏光作用を有する。

【００８３】偏光板３０１は、図９に示すように、カン
チ・レバー本体１の幅ｗよりも小さい幅ｗｐを持ち、且
つその透過光がカンチ・レバー本体１の上側主面からは
み出さないように、光源１４０側よりカンチ・レバー本
体１の上側主面ＵＳを眺めた際にその上側主面ＵＳ内に
全体が包含されるように、カンチ・レバー本体１に対し
て略平行並設されている（尚、包含されていることが必
須であり、必ずしも平行である必要はない）。従って、
直線偏光していない光源１４０から発した光ビーム１４
１の内で偏光板３０１の上側主面に入射したものは、偏
光板３０１を通過すると直接偏光となり、この透過光ビ
ーム１４１Ｔの全てが、偏光性の無いカンチ・レバー本
体１の上側主面ＵＳで反射される。このとき、透過光ビ
ーム１４１Ｔより生じた反射光ビーム１４２のみが直線
偏光の光である。この意味で、カンチ・レバー手段３１
０は、光ビーム１４１の偏光を直線偏光に変換する偏光
作用を有していると言える。そして直接偏光の反射光ビ
ーム１４２のみを選択・透過する検光作用を有する検光
窓１５０ａを有する光位置検出器１５０で以て、反射光
ビーム１４２のみが検出される。この点は、実施の形態
１，２と何ら変わらない。

【００８４】特にこの実施の形態３では、従来の市販品
であるカンチ・レバー本体１をそのまま流用できるとい
う利点があるほか、カンチ・レバー本体１がたわんで
も、偏光板３０１自体はたわまないので、光ビーム１４
１と偏光板３０１との成す角度θを常に一定値（ブルー
スター角）にすることができる。これにより、光の入射
角度依存性のある偏光板であっても、これを偏光板３０
１として使用できる効果がある。

【００８５】尚、先端部以外のカンチ・レバー本体１の
上側主面の部分で反射した光が、光位置検出器へ到達す
ることを防止する従来技術として、上記文献（１１）特
開平４−２８５８１０号公報及び文献（１２）特開平７
−５１８１号公報に開示されたものがあるが、前者で
は、カンチ・レバー本体１の上側主面の一部に段差構造
を設けるだけであり、他方、後者でもカンチ・レバー本
体１へ向かう光ビームのすべてを偏光していたため、い
ずれの方法を以てしても、被測定試料面から反射した乱
反射光の光位置検出器への到達を防止できるものではな
かった。従って、凹凸の激しい被測定試料面に対して
は、上記文献（１１），（１２）に示された技術では、
測定精度が顕著に低下し、フィード・バック動作を不安
定にするという問題点があった。

【００８６】これに対して、本発明では、いずれの実施
の形態でも、光ビーム１４１の一部のみ、つまりカンチ
・レバー本体１の上側主面の先端部のみに入射する必要
光１４１ａのみを直線偏光に変え、残りの光ビーム１４
１、つまり不要光１４１ｂは非直線偏光の光のままであ
る。

【００８７】（実施の形態４）図１０は、本発明の実施
の形態４における測定ヘッド４００の側面図である。こ
の実施の形態４の測定ヘッド４００は、光位置検出手段
の構成の点で、実施の形態１〜３とは異なる。従って、
カンチ・レバー手段としては、実施の形態１〜３で説明
したものの何れを用いても良いが、ここでは便宜上、実
施の形態１で説明したカンチ・レバー手段（１１０）を
用いた例を示している。

【００８８】ここでの特徴的な点とは、直接偏光の反射
光ビーム１４２のみを選択して通過させる検光作用を有
する、反射光ビーム１４２の入射方向を回転軸として回
転可能な透過性の検光板１５０ｂを、検光窓を有さない
光位置検出器５の入射光路側に配設した点にある。この
検光板１５０ｂは、例えばポラロイド薄膜を、その検光
材とする。

【００８９】この測定ヘッド４００によれば、直線偏光
の反射光を生じる上側主面ＵＳを有するカンチ・レバー
本体１１０において反射した反射光ビーム１４２の電気
ベクトルの方向がある方向にねじれていたとしても、予
め検光板１５０ｂをその電気ベクトルの方向に合致する
ように回転させることにより、微調整することが可能と
なる。この回転調整は、出力信号Ｖ１を観測しながら、
マニュアル調整によって、又はモータを検光板１５０ｂ
に取付けて自動調整によって行う。これにより、確実に
整反射光１４２ａのみを選択して、光位置検出器５の内
部へ整反射１４２ａを導入することができる。従って、
検光窓を有さない一般的な光位置検出器５を用いて、測
定精度を向上できる効果がある。

【００９０】（実施の形態５）ここでも、光位置検出手
段に特徴があり、カンチ・レバー手段としては、実施の
形態１〜３のいずれのものを用いても良いが、便宜上、
カンチ・レバー本体１１０を用いている。

【００９１】図１１は、本発明の実施の形態５における
測定ヘッド５００の側面図である。この測定ヘッド５０
０では、直線偏光の反射光を生じる上側主面ＵＳを有す
るカンチ・レバー本体１１０と、検光窓を有さない光位
置検出器５との間の反射光ビーム１４２の光路中に、即
ち光位置検出器５の入射光路側に、ミラー５１を配置し
た点に、その特徴がある。

【００９２】このミラー５１の反射光ビーム１４２が入
射する面、つまり反射面には、直線偏光した整反射光１
４２ａのみを反射する（ないしは選択する）検光作用を
備えた、例えばポラロイド薄膜を検光材とする、検光膜
１５０ｃ（検光子）が形成されている。従って、このミ
ラー５１を介して、確実に整反射光１４２ａのみを選択
して光位置検出器５の内部へこれを導入することができ
る。さらに、このミラー５１は、整反射光１４２ａの光
位置検出器５へと向かう光路方向を維持しつつ、その法
線方向を回転軸とした回転自在なミラー５１でもある。
このようにミラー５１を回転自在に設定することによっ
て、実施の形態４で述べた偏光板１５０ｂと同様に、回
転微調整を通じて、整反射光１４２ａの電気ベクトル方
向に合致した検光面をもったミラー５１の配置を実現す
ることができ、乱反射光１４２ｂの光位置検出器５への
入射を確実に阻止することができるようになる。このよ
うに、本実施の形態５によれば、検光窓を有さない一般
的な光位置検出器５を用いて、測定精度を向上できる効
果がある。

【００９３】（まとめ）各実施の形態１〜５における
「カンチ・レバー手段」と「光位置検出手段」との関係
は、次の表１のようになる。

【００９４】

【表１】

【００９５】（各実施の形態の効果） (1) 以上説明したように、実施の形態１においては、
測定ヘッド１００は、直線偏光されていない光ビーム１
４１を発生する光源１４０と、光ビーム１４１がその先
端部の上側主面１１０ａで収束されて照射され、且つ直
線偏光の反射光ビーム１４２をその部分１１０ａで生じ
せしめる偏光作用をもったカンチ・レバー本体１１０
と、カンチ・レバー本体１１０の先端部の下側主面上に
形成された探針２と、直線偏光の反射光１４２のみを選
択する検光作用を有する検光窓１５０ａを有する光位置
検出器５と、ピエゾ素子６とを備えている。このため、
真にＺ方向の測定値を得るために必要な必要光１４１ａ
だけが光位置検出器１５０の出力信号Ｖ１を発生させる
一方、不必要であって測定誤差の原因となる余剰光１４
１ｂによる誤差信号はほとんど無くなってしまうから、
カンチ・レバー本体１と被測定試料３の表面３ａとの間
隔及び表面３ａの表面凹凸状態が如何なる状況であろう
とも、整反射光１４２ａによる正しいＺ方向の測定を行
え、また、制御部１０によるフィード・バック制御を混
乱に陥れることなく、安定したものとすることができ
る。勿論、照射位置での光ビームのビーム径は目視で確
認可能な程度の実用的な値に設定されているので、光ビ
ーム１４１をカンチ・レバー本体１１０の先端部１１０
ａへ照射しやすいという利点を有している。

【００９６】(2) 実施の形態２においては、直線偏光
を生じないカンチ・レバー本体１の上側主面中、光ビー
ム１４１が入射する先端部１ａを含む領域上にのみ、偏
光膜２０１を局在的に形成する構成を採用しているの
で、従来の市販品のカンチ・レバー本体１を利用しつ
つ、これを改善して実施の形態１で述べた上記効果を実
現することができる。

【００９７】しかも、そのようなカンチ・レバー本体１
の上側主面上に偏光膜２０１を局所的に形成するだけで
よいから、カンチ・レバー手段の作成が容易となる利点
もある。

【００９８】加えて、先端部１ａ以外の上側主面ＵＳ上
に照射されて反射される光の殆どは、偏光膜２０１の形
成されていない部分で反射されるので、直線偏光の光と
はならない。従って、そのような不要な反射光が光位置
検出器１５０の内部に入射するのを防止でき、容易な構
成で以て、より一層精度を向上させることができる。

【００９９】(3) 実施の形態３においては、測定ヘッ
ド３００のカンチ・レバー手段３１０が、直線偏光を生
じないカンチ・レバー本体１と、その入射光路側前方に
おいてスペーサ３１１を介して取り付けられた偏光板３
０１を有する構成を採用しているので、実施の形態１と
同様の効果の他、従来のカンチ・レバー本体１を流用で
きるという利点があり、更に、光ビーム１４１と偏光板
３０１との成す角度θが常に一定であるから、光の入射
角度依存性のある偏光板３０１でも偏光板として使用で
きる効果がある。

【０１００】(4) 実施の形態４においては、検光窓を
有さない光位置検出器５の入射光路側に、回転自在な検
光板１５０ｂが配置された構成を測定ヘッド４００が有
しているので、反射光１４２の電気ベクトルの方向がね
じれていたとしても、検光板１５０ｂをその電気ベクト
ルの方向に回転させることができ、そのような回転微調
整を通じて、確実に整反射光１４２ａのみを選択ないし
透過させて、これを光位置検出器５へ導入することがで
きる。このため、従来より用いられている一般的な光位
置検出器５を用いて、先端部で反射した直線偏光の光の
みを検出することができ、原子間力顕微鏡としての測定
精度を飛躍的に向上できる効果がある。

【０１０１】加えて、この実施の形態５では、実施の形
態１〜４では一体をなしていた光位置検出手段を、光位
置検出器５と、回転自在な検光板１５０ｂとに分離して
いるので、両者１５０ｂ，１５０による二つの調整が入
ることとなり、その分、より正確な微調整を実現できる
効果がある。

【０１０２】(5) 実施の形態５においては、測定ヘッ
ド５００が、入射した非直線偏光の光ビームを直線偏光
に変える偏光作用を持つカンチ・レバー本体１１０と、
光位置検出器５との間の反射光ビーム１４２の光路中
に、検光膜１５０ｃをその反射面とするミラー５１を配
設している。これにより、ミラー５１を介して確実に整
反射光ビーム１４２ａのみを選択して光位置検出器５の
内部へこれを導入することができ、従来より用いられて
いる一般的な光位置検出器５を用いて、直線偏光の光と
しての整反射光ビーム１４２ａのみを検出することがで
き、測定精度を飛躍的に向上できる効果がある。この場
合、ミラー５１は、直線偏光の光の検出手段そのものと
して機能している。

【０１０３】加えて、ミラー５１を回転自在の構成とし
ているので、光位置検出器側の検出方向を整反射光ビー
ム１４２ａの電気ベクトルの振動方向と一致させるため
の事前の調整を上記ミラー５１の回転で以て行うことが
できる。このため、微調整が可能となり、精度の高い調
整を実現できる効果がある。

【０１０４】加えて、ミラー５１によって、整反射光ビ
ーム１４２ａの光路を変更することができるので、レイ
アウト上、コンパクト化を実現することも可能である。
つまり、従来技術の効果をも、本発明はそのまま享受で
きるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る原子間力顕微鏡の全体構成の
一例を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施の形態１における測定ヘッドの
構成を示す側面図である。

【図３】図１の測定ヘッドの作用を説明するための測
定ヘッド主要部分の側面図である。

【図４】図１の測定ヘッドの作用を説明するための測
定ヘッド主要部分の拡大斜視図である。

【図５】本発明の効果を説明するための従来のフォー
ス・カーブを示す図である。

【図６】本発明の効果を説明するためのフォース・カ
ーブを示す図である。

【図７】この発明の実施の形態２における測定ヘッド
の構成を示す側面図である。

【図８】この発明の実施の形態３における測定ヘッド
の構成を示す側面図である。

【図９】図８のカンチ・レバーの拡大斜視図である。

【図１０】この発明の実施の形態４における測定ヘッ
ドの構成を示す側面図である。

【図１１】この発明の実施の形態５における測定ヘッ
ドの構成を示す側面図である。

【図１２】従来の原子間力顕微鏡の構成を示すブロッ
ク図である。

【図１３】従来の測定ヘッドの構成を示す図である。

【図１４】従来の測定ヘッドの問題点を指摘する図で
ある。

【図１５】従来の測定ヘッドの問題点を指摘する図で
ある。

【符号の説明】

１，１１０カンチ・レバー本体、２探針、３被測
定試料、４，１４０光源、５，１５０光位置検出器、
６ピエゾ素子、７コントローラ、８コンピュー
タ、９制御部、１０従来の測定ヘッド、２０原子
間力顕微鏡、１００，２００，３００，４００，５００
本発明の測定ヘッド、４１，１４１光ビーム、１４１
ａ必要光、１４１ｂ余剰光、１４１Ｔ透過光ビー
ム、４２，１４２反射光ビーム、５１ミラー、１１
０ａ直線偏光反射面、２０１偏光膜、３０１偏光
板、３１１スペーサ、１５０ａ検光窓、１５０ｂ検
光板、１５０ｃ検光膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西岡直兵庫県伊丹市瑞原四丁目１番地菱電セミコンダクタシステムエンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非直線偏光の光ビームを発生する光源
と、被測定試料に対面したその下側主面上に探針が配設され
たカンチ・レバー本体を備えており、前記光源より入射
した前記光ビームの一部を前記探針の配設位置上方に当
たる前記カンチ・レバー本体の上側主面の先端部に於い
て反射させるとともに、その際に前記光ビームの偏光を
直線偏光に変える偏光作用を有するカンチ・レバー手段
と、前記直線偏光された前記反射光ビームのみの位置変化を
検出する光位置検出手段とを、備えた原子間力顕微鏡の
測定ヘッド。
【請求項２】請求項１記載の原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドにおいて、前記カンチ・レバー本体自体が前記偏光作用を有する偏
光子から成る、原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項３】請求項２記載の原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドにおいて、前記偏光子は、前記光源より入射した前記光ビームの入
射角がブルースター角となる様に設定された偏光板から
成る、原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項４】請求項１記載の原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドにおいて、前記カンチ・レバー手段は、前記カンチ・レバー本体の上側主面上に形成されてお
り、前記光源より入射した前記光ビームに対して前記偏
光作用を生じさせる偏光膜を、さらに備えた原子間力顕
微鏡の測定ヘッド。
【請求項５】請求項４記載の原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドにおいて、前記偏光膜は少なくとも前記先端部を含む前記上側主面
内の一部領域上に形成されている、原子間力顕微鏡の測
定ヘッド。
【請求項６】請求項４記載の原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドにおいて、前記偏光膜及び前記カンチ・レバー本体は、前記光源よ
り入射した前記光ビームの入射角がブルースター角とな
る様に設定されている、原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項７】請求項１記載の原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドにおいて、前記カンチ・レバー手段は、前記カンチ・レバー本体の幅よりも小さい幅を有し、前
記光源側より前記カンチ・レバー本体を眺めた際に前記
カンチ・レバー本体の前記上側主面内に包含される様に
前記光ビームの入射側に併設されており、前記光源より
入射した前記光ビームを前記直線偏光として前記カンチ
・レバー本体へ向けて透過させる、偏光板を、さらに備
えた原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項８】請求項７記載の原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッドにおいて、前記偏光板は、前記光源より入射した前記光ビームの入
射角がブルースター角となる様に設定されている、原子
間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項９】請求項１乃至請求項８の何れかに記載の
原子間力顕微鏡の測定ヘッドにおいて、前記光位置検出手段は、前記直線偏光された反射光ビームの電気ベクトル方向と
一致した電気ベクトル方向を有する光のみを選択する検
光作用を備えた検光子と、前記検光子によって選択された光の位置変化を検出する
光位置検出器とを、備えた原子間力顕微鏡の測定ヘッ
ド。
【請求項１０】請求項９記載の原子間力顕微鏡の測定
ヘッドにおいて、前記検光子は、前記検光作用として、その入射光の内
で、前記直線偏光された反射光ビームの電気ベクトル方
向と一致した電気ベクトル方向を有する光のみを通過さ
せ、前記光位置検出器は前記検光子の通過光の位置変化を検
出する、原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項１１】請求項１０記載の原子間力顕微鏡の測
定ヘッドにおいて、前記検光子は、前記光位置検出器の検光窓として前記光
位置検出器に取付けられている、原子間力顕微鏡の測定
ヘッド。
【請求項１２】請求項１１記載の原子間力顕微鏡の測
定ヘッドにおいて、前記検光窓はポラロイド薄膜を材質とする窓である、原
子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項１３】請求項１０記載の原子間力顕微鏡の測
定ヘッドにおいて、前記検光子は、前記光位置検出器の入射光路側に配置さ
れた、前記検光作用を有する材質をその検光材とする検
光板である、原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項１４】請求項１３記載の原子間力顕微鏡の測
定ヘッドにおいて、前記検光板は、前記直線偏光された反射光ビームの入射
方向を回転軸として回転自在に設定されている、原子間
力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項１５】請求項１４記載の原子間力顕微鏡の測
定ヘッドにおいて、前記検光板の前記検光材とはポラロイド薄膜である、原
子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項１６】請求項９記載の原子間力顕微鏡の測定
ヘッドにおいて、前記検光子は、前記光位置検出器の入射光路側に配置されており、その
入射光路内で、前記直線偏光された反射光ビームの電気
ベクトル方向と一致した電気ベクトル方向を有する光の
みを前記光位置検出器へ向けて反射するミラーである、
原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項１７】請求項１６記載の原子間力顕微鏡の測
定ヘッドにおいて、前記ミラーは、その法線方向を回転軸として回転自在に
設定されている、原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項１８】請求項１７記載の原子間力顕微鏡の測
定ヘッドにおいて、前記ミラーの反射面には、前記検光作用を有する検光膜
が形成されている、原子間力顕微鏡の測定ヘッド。
【請求項１９】請求項１８記載の原子間力顕微鏡の測
定ヘッドにおいて、前記検光膜はポラロイド薄膜を材質とする、原子間力顕
微鏡の測定ヘッド。
【請求項２０】測定ヘッドと、被測定試料と、前記測定ヘッドを制御する制御部とを備え、前記測定ヘッドは、前記被測定試料を三次元的に走査する駆動手段と、非直線偏光の光ビームを発生する光源と、前記被測定試料の表面の凹凸を感知する探針をその下側
主面先端部に備え、且つ前記下側主面先端部に対向した
その上側主面先端部で前記光ビームの一部を反射させる
と共に、その反射光ビームの偏光を直線偏光に変える偏
光作用を有する、カンチ・レバー手段と、前記直線偏光された前記反射光ビームのみの位置変化を
検出する光位置検出手段とを、備えており、前記制御部は、前記光位置検出手段の出力信号に応じて
前記駆動手段を制御する制御信号を出力し、前記駆動手段は前記制御信号に応じて前記被測定試料を
走査する、原子間力顕微鏡。
【請求項２１】被測定試料を走査しつつ、前記被測定
試料の表面の凹凸を感知する探針を備え且つ前記探針位
置の上方に当たる上側主面の先端部が直線偏光された反
射光を発生する偏光作用を有しているカンチ・レバーの
前記先端部に非直線偏光の光ビームの一部を入射して反
射させ、入射した前記光ビームの反射光ビームの位置変
化を、前記反射光ビームの電気ベクトルと同一方向に振
動する光のみを選択する光位置検出手段を以て検出する
ことを特徴とする、原子間力顕微鏡。
【請求項２２】被測定試料を走査しつつ、直線偏光さ
れた透過光を発生する偏光板に非直線偏光の光ビームの
一部を入射し、その透過光ビームを、前記被測定試料の
表面の凹凸を感知する探針を備えたカンチ・レバーの前
記探針位置の上方に当たる上側主面の先端部に入射させ
て、その反射光ビームの位置変化を、前記反射光ビーム
の電気ベクトルと同一方向に振動する光のみを選択する
光位置検出手段を以て検出することを特徴とする、原子
間力顕微鏡。