(57)【要約】  【課題】  カンチレバー保持部を上下微動させる走査型プローブ顕微鏡において、従来の光てこ法ではカンチレバーのたわみ量θと上下微動量ｚを測定出力から切り分けることができなかった。  【解決手段】  レーザー光源１８から出射した入射光１９はカンチレバー１３上面で反射し、反射光１９ａが光検出手段２０に入射する。入射光１９と反射光１９ａは、カンチレバー１３の長軸を含まない平面内にある。入射光１９と反射光１９ａがカンチレバー１３の長軸を含まない平面内にあるため、カンチレバー１３のたわみ量θ変化と上下微動量ｚ変化による反射光１９ａの移動は、光検出手段２０の上で異なる方向となる。これにより、カンチレバー１３のたわみ量θ変化と上下微動量ｚ変化を、光検出手段２０の出力から切り分けることができる。
2010067570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を先端に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーに入射光を照射するレーザー光源と、
前記カンチレバーによる反射光を検出する光検出手段と、
前記カンチレバーの上下微動手段とを備え、
前記入射光と反射光が、前記カンチレバーの長軸を含まない平面内にあり、
前記上下微動手段により前記カンチレバーの上下微動量を制御しながら、前記探針を走査させる走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法において、
前記光検出手段の出力を、演算により、前記カンチレバーのたわみ量と上下微動量とに分解することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法。
【請求項２】
前記カンチレバーのたわみ量をθ、上下微動量をｚとし、前記光検出手段上の前記反射光の位置を（Ｘ，Ｙ）とし、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを当該走査型プローブ顕微鏡に固有の定数として、（Ｘ，Ｙ）と（θ、ｚ）の関係を
Ｘ＝Ａθ＋Ｂｚ…（１）
Ｙ＝Ｃθ＋Ｄｚ…（２）
として、前記（１）、（２）式から下記（３）、（４）式を求め、
Ｙ−（Ｄ／Ｂ）Ｘ＝（Ｃ−ＡＤ／Ｂ）θ…（３）
Ｘ−（Ａ／Ｃ）Ｙ＝（Ｂ−ＡＤ／Ｃ）ｚ…（４）
前記光検出手段の反射光の位置（Ｘ，Ｙ）から、（３）、（４）式を用いて、前記カンチレバーのたわみ量θと上下微動量ｚを求め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の出力処理方法。
【請求項３】
前記カンチレバーのたわみ量θ＝０を維持しながら、前記カンチレバー保持部の上下微動量ｚを変化させて、前記（３）式の右辺が０になるように、Ｄ／Ｂの値を決定し、
前記カンチレバー保持部の上下微動量ｚ＝０を維持しながら、前記カンチレバーのたわみ量θを変化させて、前記（４）式の右辺が０になるように、Ａ／Ｃの値を決定す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の出力処理方法。
【請求項４】
前記（３）式のたわみ量θが一定となるように前記カンチレバーの上下微動量ｚを制御し、前記（４）式から得られた上下微動量ｚを画像化することを特徴とする請求項２または３に記載の走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法。
【請求項５】
探針を先端に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーに入射光を照射するレーザー光源と、
前記カンチレバーによる反射光を検出する光検出手段としての４分割フォトダイオードと、
前記カンチレバーの上下微動手段とを備え、
前記入射光と反射光が、前記カンチレバーの長軸を含まない平面内にあり、
前記微動手段により前記カンチレバーの上下微動量を制御しながら、前記探針を走査させる走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法において、
前記４分割フォトダイオードの受光領域の境界と、前記カンチレバーのたわみまたは上下微動による反射光の移動方向を一致させ、
前記４分割フォトダイオードの出力から、前記カンチレバーのたわみ量θまたは上下微動量ｚを算出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかの出力処理方法を用いて得られたカンチレバーの上下微動量ｚを画像化することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記カンチレバーと前記光検出手段とを複数有することを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型プローブ顕微鏡、特に、光てこ法によりカンチレバーのたわみ量を検出し、プローブが上下微動して探針と試料間の距離を制御する点に特徴のある走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、先端の鋭利な探針を試料に接近させ、探針と試料の間に生じる力を測定することにより、試料表面の形状などを原子的なレベルで計測する装置である。【０００３】
走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと呼ばれる、非常にばね定数の小さい片持ち梁を備える。カンチレバーの先端には探針を有する。探針の先端はｎｍオーダーで極めて鋭利である。試料または探針を水平方向に走査しながら、探針と試料表面の間に働く原子間力によるカンチレバーのたわみ量を測定し、試料表面の形状などを測定する。カンチレバーの基部はカンチレバー保持部に固定されている。【０００４】
走査型プローブ顕微鏡の動作モードとして、コンタクトモードとダイナミックモードが知られている。コンタクトモードにおいては、走査の際、試料と探針の間の力が一定になるように、試料の上下微動量ｚを調整する。したがって走査中、カンチレバーのたわみ量θは一定である。カンチレバーのたわみ量θが一定となるように調整したときの、試料の上下微動量ｚの出力から、試料表面形状を知ることができる。【０００５】
ダイナミックモードにおいては、探針を常に振動させながら、試料表面を走査する。探針が試料に原子レベルで接近すると、試料による引力または斥力の影響を受けて、探針の振動の振幅や共振周波数が変化する。そこで、探針の振幅もしくは共振周波数が一定となるように、試料の上下微動量ｚを調整する。試料の上下微動量ｚの出力から、試料表面形状を知ることができる。【０００６】
カンチレバーのたわみ量θを測定する手段として、一般に光てこ方式と呼ばれる検出光学系が用いられる。図４（ａ）に従来の光てこ方式の検出光学系４０の一例を示す。カンチレバー保持部４１の先端に取り付けられたカンチレバー４２の上方に、カンチレバー４２の長軸を含む平面内で、レーザー光源４３と光検出手段４４が配置される。光検出手段４４は例えば４分割フォトダイオードである。【０００７】
レーザー光源４３から出射された入射光４５は、カンチレバー４２の上面で反射し、反射光４５ａが光検出手段４４に入射する。光検出手段４４（４分割フォトダイオード）は４個の受光領域４４ａを有する。カンチレバー４２のたわみ量θが基準値にあるとき、反射光４５ａは４個の受光領域４４ａの中心に入射する。【０００８】
図４（ｂ）に示すように、カンチレバー４２にたわみが生じて破線のカンチレバー４２ａのように変化すると、反射光４５ａは破線の反射光４５ｂのように、光検出手段４４の中心から移動する。４個の受光領域４４ａは受光した光の強度に応じた電圧を出力する。このため反射光４５ａが移動すると、各受光領域４４ａの出力電圧に差が生じる。生じた出力電圧の差から、反射光４５ｂの移動量を知ることができ、そこからカンチレバー４２のたわみ量θを知ることができる。【０００９】
光てこ方式の検出光学系４０における検出感度Ｓは、光検出手段４４上での反射光４５ｂの変位をＤ、カンチレバー４２の長さをＫ、反射光４５ｂの光路長をＬ、カンチレバー４２先端のたわみ変位をｄとすると、Ｓ＝Ｄ／ｄ＝２Ｌ／Ｋで与えられる。ここで例えばＬ＝５０ｍｍ、Ｋ＝１００μｍとすると、Ｓ＝１，０００となる。このように光てこ方式の検出光学系４０を用いると、簡単な構成で非常に感度の高い変位検出を行なうことができる。【００１０】
図５は光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡５０の一例である。レーザーダイオード５１からの入射光５２をカンチレバー５３の真上に配置したミラー５４で曲げてカンチレバー５３に照射する。カンチレバー５３で反射した反射光５２ａは光検出手段５５に入射する。光検出手段５５は４分割フォトダイオードである。【００１１】
試料５６は試料ホルダー５７上に固定されており、試料ホルダー５７は微動機構５８上に設けられている。微動機構５８には通常圧電素子（ピエゾ素子）が用いられる。微動機構５８は試料５６の上下微動量を調整するための上下微動機構５９と、試料５６を水平面内で走査させるための水平微動機構６０を備える。【００１２】
試料５６の走査中は、カンチレバー５３のたわみ量θが常に基準値になるように、上下微動機構５９により、試料５６の上下微動量ｚを調節する。上下微動機構５９は圧電素子に電圧を印加することで作動する。上下微動機構５９の動作から、試料５６の表面形状を知ることができる。光学顕微鏡６１により、カンチレバー５３と試料５６を観察することができる。【００１３】
一方、試料は固定し、カンチレバー保持部を上下微動させる構造の走査型プローブ顕微鏡もある。これは半導体ウェハのような大型試料を観察する場合や、複数のカンチレバーを独立に駆動させる場合に用いられる。この構造では、光検出手段上の反射光の位置は、カンチレバーのたわみ量θだけでなく上下微動量ｚの影響も受ける。そのため測定出力には、カンチレバーのたわみ量θと上下微動量ｚの影響が含まれている。したがってカンチレバー保持部の上下微動量ｚの出力による試料の表面形状の精度と信頼性には問題がある。【００１４】
図４（ｃ）に破線で示すように、カンチレバー４２が上下微動（上下微動量ｚ）することがある。カンチレバー４２のたわみ量θは変化していないが、光検出手段４４に入射する反射光４５ａは、破線の反射光４５ｃのように移動する。この移動は、見かけ上、図４（ｂ）に示すカンチレバー４２のたわみ量θが変化したときと同じである。このため、反射光４５ａが光検出手段４４上で移動したとき、カンチレバー４２のたわみ量θの変化によるものか、上下微動量ｚによるものか区別ができない。【００１５】
ダイナミックモードの場合、光検出手段４４の出力信号を交流信号と直流信号に区分し、交流信号を探針と試料の距離の制御に使用し、直流信号をカンチレバー保持部４１の上下微動の変位量として画像化する方法がある（例えば特許文献１）。このようにすればカンチレバー保持部４１と光学系の相対位置の変化による影響を除外できるとともに、カンチレバー保持部４１の実際の変位量を画像化しているため、上下微動素子のヒステリシスによる表面形状の誤差を除くことができる。【００１６】
しかし、特許文献１のような、光検出手段の出力信号を交流信号と直流信号に区分する方法は、ダイナミックモードにのみ有効であり、コンタクトモードには利用できない。【００１７】
測定精度をより高くするため、レーザー光学系、光検出手段をカンチレバーと連動して上下微動させ、カンチレバー保持部の上下微動を完全に補償する方法がある（非特許文献１）。しかし、この方法は機構が非常に複雑になり、一般的ではない。
【特許文献１】特開２００４−６９４４５号公報
【非特許文献１】Atomic forcemicroscope with improved scan accuracy, scan speed and optical vision  (REVIEW OF SCIENTIFICINSTRUMENTS,  VOLUME 74, NUMBER 10,OCTOBER 2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
カンチレバーを上下微動させる方式の走査型プローブ顕微鏡では、光検出手段上の反射光が、カンチレバーのたわみ量θだけでなく上下微動量ｚの影響を受ける。しかし従来は、カンチレバーのたわみ量θと上下微動量ｚの影響を測定手段の出力から切り分けることができなかった。そのため測定結果の精度と信頼性に問題があった。本発明は、試料を固定し、カンチレバーを上下微動させる走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバーのたわみ量θと上下微動量ｚの影響を測定出力から切り分ける方法を提供し、測定結果の精度と信頼性を確立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーはカンチレバー保持部に片持ち支持され、カンチレバー保持部は上下微動機構と水平走査機構により三次元的に駆動される。レーザー光源から出射した入射光はカンチレバー上面で反射し、反射光が光検出手段に入射する。入射光と反射光は、カンチレバーの長軸を含まない平面内にある。入射光と反射光がカンチレバーの長軸を含まない平面内にあるため、カンチレバーのたわみ量θ変化による反射光の移動と、上下微動量ｚ変化による反射光の移動は、光検出手段の上で異なる方向となる。そのため、カンチレバーのたわみ量θ変化と上下微動量ｚ変化を、光検出手段の出力から切り分けることができる。【００２０】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法は、探針を先端に有するカンチレバーと、カンチレバーに入射光を照射するレーザー光源と、カンチレバーによる反射光を検出する光検出手段と、カンチレバーの上下微動手段とを備え、入射光と反射光が、カンチレバーの長軸を含まない平面内にあり、上下微動手段によりカンチレバーの上下微動量を制御しながら探針を走査させる走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法において、光検出手段の出力を、演算により、カンチレバーのたわみ量と上下微動量とに分解することを特徴とする。
（２）本発明の走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法は、カンチレバーのたわみ量をθ、上下微動量をｚとし、光検出手段上の反射光の位置を（Ｘ，Ｙ）とし、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを当該走査型プローブ顕微鏡に固有の定数として、（Ｘ，Ｙ）と（θ、ｚ）の関係を
Ｘ＝Ａθ＋Ｂｚ…（１）
Ｙ＝Ｃθ＋Ｄｚ…（２）
として、（１）、（２）式から下記（３）、（４）式を求め、
Ｙ−（Ｄ／Ｂ）Ｘ＝（Ｃ−ＡＤ／Ｂ）θ…（３）
Ｘ−（Ａ／Ｃ）Ｙ＝（Ｂ−ＡＤ／Ｃ）ｚ…（４）
光検出手段の反射光の位置（Ｘ，Ｙ）から、（３）、（４）式を用いて、カンチレバーのたわみ量θと上下微動量ｚを求めることを特徴とする。
（３）本発明の走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法は、カンチレバーのたわみ量θ＝０を維持しながら、カンチレバー保持部の上下微動量ｚを変化させて、（３）式の右辺が０になるようにＤ／Ｂの値を決定し、カンチレバー保持部の上下微動量ｚ＝０を維持しながら、カンチレバーのたわみ量θを変化させて、（４）式の右辺が０になるようにＡ／Ｃの値を決定することを特徴とする。
（４）本発明の走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法は、（３）式のたわみ量θが一定となるようにカンチレバーの上下微動量ｚを制御し、（４）式から得られた上下微動量ｚを画像化することを特徴とする。
（５）本発明の走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法は、探針を先端に有するカンチレバーと、カンチレバーに入射光を照射するレーザー光源と、カンチレバーによる反射光を検出する光検出手段としての４分割フォトダイオードと、カンチレバーの上下微動手段とを備え、入射光と反射光が、カンチレバーの長軸を含まない平面内にあり、微動手段によりカンチレバーの上下微動量を制御しながら、探針を走査させる走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法において、４分割フォトダイオードの受光領域の境界と、カンチレバーのたわみまたは上下微動による反射光の移動方向を一致させ、４分割フォトダイオードの出力から、カンチレバーのたわみ量θまたは上下微動量ｚを算出することを特徴とする。
（６）本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記の出力処理方法を用いて得られたカンチレバーの上下微動量ｚを画像化することを特徴とする。
（７）本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと光検出手段とを複数有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、カンチレバーを上下微動させる走査型プローブ顕微鏡において、簡易な方法で、カンチレバーのたわみ量θと上下微動量ｚを測定手段の出力から切り分ける方法が提供され、測定結果の精度と信頼性が確立された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡１０の一実施例の主要部の正面図と側面図である。試料１１は試料台１２に載せられる。試料台１２はＸＹステージで、試料１１の観察位置を選択する際に、試料１１を粗移動するのに使われる。試料台１２は試料１１を測定するときは固定される。試料台１２に載せられた試料１１の表面に、カンチレバー１３先端の探針１４が接する。カンチレバー１３はカンチレバー保持部１５に片持ち支持される。カンチレバー保持部１５は、上下微動機構１６と水平走査機構１７により、三次元的に駆動される。レーザー光源１８から出射した入射光１９はカンチレバー１３上面で反射し、反射光１９ａが光検出手段２０に入射する。入射光１９と反射光１９ａは、カンチレバー１３の長軸を含まない平面内にある。もし、入射光１９と反射光１９ａがカンチレバー１３の長軸を含む平面内にあると、カンチレバー１３のたわみ量θ変化と上下微動量ｚ変化による反射光１９ａの移動は、光検出手段２０の上で同一の方向となる。その場合、カンチレバー１３のたわみ量θ変化と上下微動量ｚ変化を、光検出手段２０の出力から切り分けることができない。そのため、入射光１９と反射光１９ａは、カンチレバー１３の長軸を含まない平面内にある。【００２３】
入射光１９と反射光１９ａが、カンチレバー１３の長軸を含まない平面内にあるため、カンチレバー１３の直上に光学顕微鏡（図示しない）を設置することも容易にできる。光学顕微鏡を設置すれば、カンチレバー１３、探針１４、試料１１を拡大観察できるため、走査位置の特定が容易になる。【００２４】
測定にあたり、試料１１および探針１４を光学顕微鏡で観察しながら、探針１４の先端と試料１１が接触しない位置に、探針１４の高さを設定する。入射光１９をカンチレバー１３上面に照射し、反射光１９ａを光検出手段２０（例えば４分割フォトダイオード２０ａ）に入射させ、反射光１９ａが光検出手段２０の中心に来るように調整する。即ちカンチレバー１３に外力が加わっていないとき、反射光１９ａが光検出手段２０の中心に来る。このときのカンチレバー１３のたわみ量θを基準値（θ＝０）とする。光検出手段２０が４分割フォトダイオード２０ａの場合、反射光１９ａが４分割フォトダイオード２０ａの中心にあるとき、４個の受光領域の出力は等しい。【００２５】
つまり、カンチレバー１３のたわみ量θ＝０、カンチレバー保持部１５の上下微動量ｚ＝０のとき、反射光１９ａは光検出手段２０（４分割フォトダイオード２０ａ）の中心に来る。【００２６】
図２は光検出手段２０（４分割フォトダイオード２０ａ）の受光面の模式図であり、Ｄ１〜Ｄ４は４つの受光領域である。中心が原点Ｏであり、直交するＸ軸、Ｙ軸が各受光領域Ｄ１〜Ｄ４の境界である。カンチレバー１３のたわみ量θ＝０、カンチレバー保持部１５の上下微動量ｚ＝０のとき、反射光１９ａの位置はＸ＝０，Ｙ＝０である。カンチレバー１３のたわみ量θと上下微動量ｚが（θ、ｚ）のとき、受光領域Ｄ１〜Ｄ４上の反射光１９ａの位置を（Ｘ，Ｙ）とする。【００２７】
なお、反射光１９ａの位置（Ｘ，Ｙ）は、実際は次の電気信号の出力として得られる。
Ｘ＝（Ｄ１の出力）＋（Ｄ４の出力）−（Ｄ２の出力）−（Ｄ３の出力）
Ｙ＝（Ｄ１の出力）＋（Ｄ２の出力）−（Ｄ３の出力）−（Ｄ４の出力）。【００２８】
次に、入射光１９と反射光１９ａの属する平面と、カンチレバー１３の長軸のなす角度が、光検出手段２０（４分割フォトダイオード２０ａ）上での反射光１９ａの動きに与える影響を説明する。【００２９】
入射光１９と反射光１９ａの属する平面と、カンチレバー１３の長軸が垂直に交わる場合、たわみ量に対応するθ成分と上下微動量に対応するｚ成分が直交する。θ成分とｚ成分が直交するとき、光検出手段２０（４分割フォトダイオード２０ａ）を適切に回転させると、図３（ａ）のように、θ成分がＸ軸に、ｚ成分がＹ軸に現われる。この場合は特に演算をしなくても、θ成分とｚ成分が同時に直接求められる。【００３０】
入射光１９と反射光１９ａの属する平面と、カンチレバー１３の長軸が斜めに交わる場合、θ成分とｚ成分は直交しない（斜めに交わる）。θ成分とｚ成分が斜めに交わるとき、光検出手段２０（４分割フォトダイオード２０ａ）を適切な角度に回転させると、図３（ｂ）のように、θ成分がＸ軸に現われないようにすることができる。このとき、Ｘ信号をｚ信号として用いればよく、特に演算を必要としない。また、光検出手段２０（４分割フォトダイオード２０ａ）を別の角度に適切に回転させると、図３（ｃ）のように、ｚ成分がＹ軸に現われないようにすることができる。このとき、Ｙ信号をθ信号として用いればよく、特に演算を必要としない。しかし、図３（ｂ）、図３（ｃ）の場合、θ成分、ｚ成分を同時に算出するためには以下の演算が必要である。【００３１】
カンチレバー１３のたわみ量がθ、上下微動量がｚのとき、４分割フォトダイオード２０ａ上の反射光１９ａの位置（Ｘ，Ｙ）は近似的に次のように表わされる。
Ｘ＝Ａθ＋Ｂｚ…（１）
Ｙ＝Ｃθ＋Ｄｚ…（２）
ここでＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは装置（走査型プローブ顕微鏡）の構成で決まる定数である。
（１）、（２）式から下記（３）、（４）式が導かれる。
Ｙ−（Ｄ／Ｂ）Ｘ＝（Ｃ−ＡＤ／Ｂ）θ…（３）
Ｘ−（Ａ／Ｃ）Ｙ＝（Ｂ−ＡＤ／Ｃ）ｚ…（４）
（３）式の右辺は定数・θ、（４）式の右辺は定数・ｚであるから、Ｘ，Ｙの出力から（３）、（４）式の左辺を計算すれば、たわみ量θ、上下微動量ｚを独立して求めることができる。【００３２】
カンチレバー１３を振動させないで（たわみ量θ＝０を維持）、カンチレバー保持部１５の上下微動量を変化させる（上下微動量ｚ≠０）。このとき（３）式の右辺に相当する出力信号（θ信号）が０になるように、Ｄ／Ｂの値を決定する。次にカンチレバー保持部１５の上下微動を止め（上下微動量ｚ＝０を維持）、カンチレバー１３を振動させる（たわみ量θ≠０）。このとき（４）式の右辺に相当する出力信号（ｚ信号）が０になるように、Ａ／Ｃの値を決定する。以上の手順において、個々のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値が分からなくても、Ｄ／Ｂの値、Ａ／Ｃの値を決定することができる。【００３３】
次に、カンチレバー１３のたわみ量θの目標値を決め、θ信号がそれに相当する値になるまで、探針１４を試料１１に近づける。カンチレバー１３のたわみ量θとθ信号の換算値は、あらかじめ熱振動ノイズ測定などで求めておく。【００３４】
この状態で、カンチレバー１３を水平移動させて試料１１の走査を行なう。試料１１の表面の凹凸に応じてカンチレバー１３のたわみ量θが変化し、光検出手段２０（４分割フォトダイオード）の出力が変化する。このとき（３）式のθ信号（カンチレバー１３のたわみ量θに対応）が一定となるように、カンチレバー保持部１５の上下微動量ｚを制御する。【００３５】
上記の制御に伴う、カンチレバー保持部１５の上下微動量ｚの値が、従来の走査型プローブ顕微鏡の試料１１の表面の凹凸に相当する。実際には、カンチレバー保持部１５の上下微動量ｚを直接求めることはできないので、上下微動機構１６の圧電素子に印加した電圧から換算して、カンチレバー保持部１５の上下微動量ｚとする。すなわち上下微動機構１６に入力した電圧制御信号を画像化することにより、試料１１の表面形状を得る。しかし、一般に、上下微動機構１６は非直線性やヒステリシスなどによる誤差があることが知られており、得られた表面形状像はこの誤差を含んでいる。【００３６】
一方、上記の走査により（４）式から得られる上下微動量ｚの信号は、カンチレバー１３の実際の上下微動量ｚを検出したものである。この出力から、上下微動量ｚの信号を画像化することによって、表面形状像を得ることができる。この表面形状像は、上下微動機構１６の誤差の影響を受けない。したがって、上下微動機構１６に入力した電圧制御信号を画像化した表面形状像より、（４）式から得られる上下微動量ｚの信号を画像化した表面形状像の方が精度がよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の正面図と側面図
【図２】光検出手段としての４分割フォトダイオードの模式図
【図３】光検出手段上のθ成分とｚ成分の模式図
【図４】従来の光てこ方式検出光学系の模式図
【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡の概略図
【符号の説明】
【００３８】
１０         走査型プローブ顕微鏡
１１         試料
１２         試料台
１３         カンチレバー
１４         探針
１５         カンチレバー保持部
１６         上下微動機構
１７         水平走査機構
１８         レーザー光源
１９         入射光
１９ａ       反射光
２０         光検出手段
２０ａ       ４分割フォトダイオード
４０         検出光学系
４１         カンチレバー保持部
４２         カンチレバー
４２ａ       カンチレバー
４３         レーザー光源
４４         光検出手段
４４ａ       受光領域
４５         入射光
４５ａ       反射光
４５ｂ       反射光
４５ｃ       反射光
５０         走査型プローブ顕微鏡
５１         レーザーダイオード
５２         入射光
５２ａ       反射光
５３         カンチレバー
５４         ミラー
５５         光検出手段
５６         試料
５７         試料ホルダー
５８         微動機構
５９         上下微動機構
６０         水平微動機構
６１         光学顕微鏡
【図１】
2010067570.tif 000003
【図２】
2010067570.tif 000004
【図３】
2010067570.tif 000005
【図４】
2010067570.tif 000006
【図５】
2010067570.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月5日(2010.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を先端に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーに入射光を照射するレーザー光源と、
前記カンチレバーによる反射光を検出する光検出手段と、
前記カンチレバーの上下微動手段とを備え、
前記入射光と反射光が、前記カンチレバーの長軸を含まない平面内にあり、
前記上下微動手段により前記カンチレバーの上下微動量を制御しながら、前記探針を走査させる走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法において、
前記カンチレバーのたわみ量をθ、上下微動量をｚとし、前記光検出手段上の前記反射光の位置を（Ｘ，Ｙ）とし、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを当該走査型プローブ顕微鏡に固有の定数として、（Ｘ，Ｙ）と（θ、ｚ）の関係を
Ｘ＝Ａθ＋Ｂｚ…（１）
Ｙ＝Ｃθ＋Ｄｚ…（２）
として、前記（１）、（２）式から下記（３）、（４）式を求め、
Ｙ−（Ｄ／Ｂ）Ｘ＝（Ｃ−ＡＤ／Ｂ）θ…（３）
Ｘ−（Ａ／Ｃ）Ｙ＝（Ｂ−ＡＤ／Ｃ）ｚ…（４）
前記光検出手段の反射光の位置（Ｘ，Ｙ）から、（３）、（４）式を用いて、前記カンチレバーのたわみ量θと上下微動量ｚを求めることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記カンチレバーのたわみ量θ＝０を維持しながら、前記カンチレバー保持部の上下微動量ｚを変化させて、前記（３）式の右辺が０になるように、Ｄ／Ｂの値を決定し、
前記カンチレバー保持部の上下微動量ｚ＝０を維持しながら、前記カンチレバーのたわみ量θを変化させて、前記（４）式の右辺が０になるように、Ａ／Ｃの値を決定す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の出力処理方法。
【請求項４】
前記（３）式のたわみ量θが一定となるように前記カンチレバーの上下微動量ｚを制御し、前記（４）式から得られた上下微動量ｚを画像化することを特徴とする請求項１または３に記載の走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法。
【請求項５】
探針を先端に有するカンチレバーと、
前記カンチレバーに入射光を照射するレーザー光源と、
前記カンチレバーによる反射光を検出する光検出手段としての４分割フォトダイオードと、
前記カンチレバーの上下微動手段とを備え、
前記入射光と反射光が、前記カンチレバーの長軸を含まない平面内にあり、
前記微動手段により前記カンチレバーの上下微動量を制御しながら、前記探針を走査させる走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法において、
前記４分割フォトダイオードの受光領域の境界と、前記カンチレバーのたわみまたは上下微動による反射光の移動方向を一致させ、
前記４分割フォトダイオードの出力から、前記カンチレバーのたわみ量θまたは上下微動量ｚを算出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の出力処理方法。
【請求項６】
請求項１、３、４、５のいずれかの出力処理方法を用いて得られたカンチレバーの上下微動量ｚを、画像化することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記カンチレバーと前記光検出手段とを複数有することを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【国際調査報告】
2010067570.tif 000008
2010067570.tif 000009
2010067570.tif 000010
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