(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測光を照射する光源と、反射面を有するプローブと、前記計測光を前記プローブの前記反射面に集光させるための光学系と、前記光学系を保持するハウジングと、前記ハウジングに保持され、前記プローブを前記ハウジングに対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動するためのプローブスキャナと、前記プローブの前記反射面で反射した前記計測光を検出する光検出手段と、前記ハウジングに前記プローブスキャナとは別に保持され、前記光学系の焦点位置を前記ハウジングに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるための焦点位置移動手段と、前記焦点位置移動手段と前記プローブスキャナとを制御する制御手段と、を有し、前記プローブを被測定物の表面に沿って走査するとともに前記プローブの変位を計測することで被測定物の表面形状を計測する原子間力顕微鏡であって、
前記制御手段は、前記プローブスキャナの駆動に伴って前記光学系の前記焦点位置が前記反射面となるように前記焦点位置移動手段を同期的に駆動させることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項２】
前記制御手段は、前記プローブスキャナによる前記プローブの位置を前記焦点位置へ変換するための位置変換データを記憶する記憶部を有し、前記位置変換データを用いて前記焦点位置移動手段による前記焦点位置の移動量を制御することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３】
前記位置変換データは、前記プローブを固定し、前記焦点位置移動手段によって前記焦点位置を移動させて前記光検出手段の出力マップを作成する工程を、前記プローブスキャナによって前記プローブの位置を変えて繰り返し行うことによって作成されることを特徴とする請求項２記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４】
前記位置変換データは、前記焦点位置を固定して前記プローブスキャナを走査し、前記プローブを移動させて前記光検出手段の出力マップを作成する工程を、前記焦点位置移動手段によって前記焦点位置を変えて繰り返し行うことによって作成されることを特徴とする請求項２記載の原子間力顕微鏡。
【請求項５】
計測光を照射する光源と、それぞれ反射面を有する複数のプローブからなるプローブ集合体と、前記計測光を前記複数のプローブのうちの１つの前記反射面に集光させるための光学系と、前記光学系を保持するハウジングと、前記ハウジングに保持され、前記プローブ集合体を前記ハウジングに対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動するためのプローブスキャナと、前記反射面で反射した前記計測光を受光する光検出手段と、前記ハウジングに前記プローブスキャナとは別に保持され、前記光学系の焦点位置を前記ハウジングに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるための焦点位置移動手段と、前記焦点位置移動手段と前記プローブスキャナとを制御する制御手段と、を有し、前記プローブを被測定物の表面に沿って走査するとともに前記プローブの変位を計測することで被測定物の表面形状を計測する原子間力顕微鏡であって、
前記制御手段は、前記プローブスキャナの駆動に伴って前記光学系の前記焦点位置が前記複数のプローブのそれぞれの反射面となるように前記焦点位置移動手段を同期的に駆動させることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項６】
前記制御手段は、前記プローブスキャナによる前記複数のプローブの位置を前記焦点位置へそれぞれ変換する複数の位置変換データを記憶する記憶部と、前記複数のプローブにそれぞれ対応するタイミング信号を発生するタイミング装置と、前記タイミング信号に基づいて前記複数の位置変換データのうちの１つを選択する選択手段と、を有し、選択された位置変換データを用いて前記焦点位置移動手段による前記焦点位置の移動量を制御することを特徴とする請求項５記載の原子間力顕微鏡。
【請求項７】
前記位置変換データは、各プローブごとに、前記プローブ集合体を固定して前記焦点位置移動手段を走査し、前記焦点位置を移動させて前記光検出手段の出力マップを作成する工程を、前記プローブスキャナによって前記プローブ集合体の位置を変えて繰り返し行うことによって作成されることを特徴とする請求項６記載の原子間力顕微鏡。
【請求項８】
前記位置変換データは、各プローブごとに、前記焦点位置を固定して前記プローブスキャナを走査し、前記プローブ集合体を移動させて前記光検出手段の出力マップを作成する工程を、前記焦点位置移動手段によって前記焦点位置を変えて繰り返し行うことによって作成されることを特徴とする請求項６記載の原子間力顕微鏡。
【請求項９】
前記プローブの前記反射面で反射した光の光路にハーフミラーを設け、前記ハーフミラーで分岐した光を、オートフォーカス装置に導く第２の光学系を有することを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１０】
前記焦点位置移動手段は、前記光源または前記光学系の光学部品またはその双方を移動させることで前記焦点位置を少なくともＸＹ方向に移動させることを特徴とする請求項１ないし９いずれか１項記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１１】
前記焦点位置移動手段は、前記光学系に設けたガルバノミラーであることを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１２】
前記光検出手段の出力を導入するロックインアンプを有し、前記ロックインアンプの同期周波数は、前記プローブスキャナが動作する周波数の１０倍以上であることを特徴とする請求項１ないし１１いずれか１項記載の原子間力顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブの変位を検出するための光てこを用いて、サブナノメートルオーダーの微細な形状を測定可能な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡に用いるプローブは、先端に針部を有し、薄い板ばね部を持っており、板ばね部に反射面が形成されている。プローブはカンチレバーとも呼ばれることがあるが、本明細書ではプローブに統一して説明する。
【０００３】
図２６は特許文献１に開示されている一従来例を示すもので、この原子間力顕微鏡は次のように構成されている。
【０００４】
被測定物１１３を測定する原子間力顕微鏡であって、プローブ１１４をマウント１２０に取り付け、それをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能なスキャナ１１２の下端に取り付け、光源１１０からのビームをレンズ１６０でいったん集光して点光源１６２を作る。さらにスキャナ１１２に固定したレンズ１６３でプローブ１１４の背面に集光し、反射光の位置を光検出手段１１６で検出する。
【０００５】
この構成において、プローブ１１４を被測定物１１３に接近させると、両者に働く力、いわゆる原子間力によってプローブ１１４がたわむ。プローブ１１４がたわむと反射光の向きが変化するので、光検出手段１１６の信号が変化する。従ってプローブ１１４からの反射光の位置を検出することによって、プローブ１１４と被測定物１１３の間に働く原子間力を測定できる。こういった反射光の位置で変位を拡大して読みとる技術は「光てこ」として広く知られている。
【０００６】
このように、光てこを利用して原子間力顕微鏡を構成することもよく知られた技術である。スキャナ１１２によってプローブ１１４は被測定物１１３の表面に沿って概略走査される。固定された光源１１０は動かないが、レンズ１６３がスキャナ１１２とともに動くので、集光する焦点の位置が動く。
【０００７】
つまり、スキャナに固定したレンズ等光学系を用いることによって、スキャナの動きに追従し、いつもプローブ背面に、光てこの光を集光する。レンズの替わりに鏡をスキャナに固定してもよい。
【０００８】
図２７は特許文献２に開示されている別の従来例による構成を示す。これは、被測定物２０３を測定する原子間力顕微鏡であって、プローブ２０９を、スキャナ２０４の先端に設け、スキャナ２０４の先端に固定して光源ＬＤを設け、光源ＬＤから出射する光をプローブ２０９の背面に集光させ、背面からの反射光を、固定したレンズＬ１、Ｌ２を介し、光検出手段２１１に入射させて反射光の位置を検出する。ここでは、レンズＬ１、Ｌ２からなる光学系によって、光検出手段２１１に入射する反射光の位置を拡大している。
【０００９】
この構成も、前述と同様にプローブ２０９のたわみを反射光の向きに変換する、いわゆる光てこの原理を利用している。スキャナ２０４により、プローブ２０９は被測定物２０３の表面に沿って移動するが、スキャナ２０４の先端に取り付けた光源ＬＤもいっしょに動くため、常時プローブ２０９の背面に集光させることができる。
【００１０】
つまり、スキャナの先端に光源を設置することによって、スキャナの動きに追従し、いつもプローブ背面に光てこの光をあてるように構成されている。
【００１１】
なお、原子間力顕微鏡の測定モードは、次の２種類が知られている。
【００１２】
第１の方法はＤＣモードと呼ばれ、被測定物とプローブ間に作用する力によってプローブのたわみが変化するので、それを検出する方法である。
【００１３】
第２の方法はＡＣモードと呼ばれ、プローブを高周波で定常振動させる。被測定物とプローブ間に作用する力によってプローブの振動状態が変化するので、それを検出する方法である。
【００１４】
いずれの方法においても、プローブのたわみ（変位）を精度よく測定できるかどうかが、測定精度を大きく左右するポイントである。
【００１５】
また、従来の原子間力顕微鏡ではいわゆるゼロ位法と呼ばれる測定精度を向上する技術が使用される。プローブと被測定物間の距離を制御できる可動軸を設け、被測定物との相互作用によって生じたプローブのたわみが一定になるよう可動軸を制御し、可動軸の移動量を測定値とする。このように構成すると、プローブと被測定物との間の相互作用が、被測定物とプローブの相対距離に対して非線形な特性であっても、その影響を排除することができる。
【特許文献１】米国特許第５５６０２４４号明細書
【特許文献２】特開平５−３１２５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら上記従来の技術によれば、以下のような未解決の課題がある。
【００１７】
（１）焦点位置とプローブの位置が必ずずれるため、高精度測定が難しい。
【００１８】
光てこを用いた原子間力顕微鏡では、光学系の精度が直接測定精度につながる重要なポイントである。しかし、スキャナの動作によって、光てこのターゲットであるプローブの位置も動く。
【００１９】
特許文献１の従来例では、次の理由により、光学系の焦点位置を正確にプローブに当てることができない。
【００２０】
まず、レンズの位置と焦点位置の関係には誤差が伴う。両者は概略、線形関係を持つがそれはあくまで近軸理論が成り立つ範囲であり、実際は非線形な関係である。特にプローブを走査するスキャナとして、チューブスキャナを用いた場合は、チューブスキャナの先端が固定位置を中心に円弧状に動くため、スキャナに取り付けられているレンズにも非常に大きな姿勢誤差が発生し、焦点の位置精度を悪化させる。その結果、焦点位置とプローブの位置がずれてしまう。
【００２１】
また、固定した光源からの光はスキャナの動作に伴ってレンズの異なる場所を通過する。ところが現実のレンズは場所ごとに異なる誤差を持っているので、スキャナの動作に伴って焦点の位置も異なる誤差をもつ。従って焦点位置とプローブの位置が必ずずれてしまう。
【００２２】
以上の理由により、スキャナの動作に伴って光てこの焦点位置とプローブの位置がずれる。光てこの焦点が正確にプローブに当たらなければ当然その反射光の位置も誤差をもつ。反射光の位置が原子間力顕微鏡の測定値になるので、高い測定精度は望めない。
【００２３】
（２）スキャナ先端部が小さくできないため高精度測定が難しい。
【００２４】
特許文献１の従来例ではスキャナ先端部分に光源が配設されるため、この部分の発熱が懸念される。原子間力顕微鏡は一般にサブナノメートルといった高精度測定を目的としているので、温度変化の影響は大きい。測定点の近傍に発熱源を配置する従来例では、高精度測定は望めない。
【００２５】
また、光源およびその出射光をプローブに集光する光学素子をスキャナの先端に取り付ける必要があるため、スキャナ先端部の質量を軽くできない。スキャナ先端部分の質量が重いと、走査したときの誤差も大きくなるため、やはり高精度測定は望めない。
【００２６】
（３）プローブの光軸方向のずれに対応できないため高精度測定が難しい。
【００２７】
光てこのターゲットであるプローブの位置はスキャンに伴い光軸方向にもずれる可能性がある。光軸方向にずれると、反射光も影響を受けて拡散するが、上記の従来技術では光軸方向の調節機構がないために、これを補正できない。この反射光が測定値になるので、高い測定精度は望めない。
【００２８】
特に、プローブのたわみをＺ軸にフィードバックするゼロ位法の制御によって、スキャナのＺ軸は被測定物のでこぼこに応じて上下方向に移動する。その結果、プローブ上で焦点を結ばなくなるので、測定誤差が悪化する。つまり被測定物が数十ミクロン以上の凸凹形状だったり、粗い面の場合、従来技術では高精度測定が難しい。
【００２９】
（４）焦点位置の検出が困難である。
【００３０】
光てこを用いた原子間力顕微鏡では、光学系の精度が直接測定精度につながる重要なポイントである。このために、光てこのターゲットであるプローブに正確に焦点が当たっていなければならない。しかし、従来技術ではそれを確認することが難しい。光学顕微鏡を用いて外側から焦点位置とプローブとを両方観察し、位置合わせするなどの方法も考えられるが、煩雑である。
【００３１】
（５）焦点位置の調節が煩雑である。
【００３２】
高精度測定のために、光てこのターゲットであるプローブに、いつも正確に焦点が当たっていなければならない。前述したようにスキャナの動作によって光てこのターゲットであるプローブの位置が動くため、スキャナの運動にあわせて光てこの焦点の位置を追従させる必要がある。上記の従来例では、レンズをスキャナに取り付けたり、光源をスキャナに取り付けたりしてこの課題の解決を図ってきた。
【００３３】
ところがスキャナの運動は、時間経過で変化しないもの、例えば製作時の組立て誤差などもあるが、時間経過で変化するもの、例えば部品劣化などもある。これらスキャナの運動変化に対応するため、キャナ先端部に配置したレンズ、または光源の位置、姿勢を調整する必要がある。
【００３４】
つまり従来技術では、本来固定してあるそれらの要素の位置を調節して再び固定するという調整の作業が入るため、煩雑であり、煩雑な調整が頻繁に入ることは、実用上の観点から考えると大きな欠点と言える。
【００３５】
（６）プローブ交換時のアライメント調整が煩雑である。
【００３６】
プローブの先端は磨耗などの理由により劣化するので消耗品である。プローブを交換した場合、プローブの位置は製作誤差や取り付け誤差のために必ずれる。そこで光てこのターゲットであるプローブに、いつも正確に焦点が当たるように光学系を再調整しなければならない。
【００３７】
ところが、前述したように従来技術では、焦点位置の検出が困難であり、しかも焦点位置の調節が煩雑であるため、プローブ交換時のアライメント調整も煩雑である。煩雑な調整が頻繁に入ることは、実用上の観点から考えると大きな欠点となる。
【００３８】
（７）マルチプローブへの対応が困難である。
【００３９】
例えば１００μｍ程度に近接した多数のプローブを用いて多点を同時に測定するマルチプロービングへの展開は、従来技術では困難である。特許文献１の従来例による光てこ光学系を多数配置すると、光源、レンズ、光検出手段を近接して多数配置することになるが、いずれも近接させて配置することは不可能である。それぞれの構成要素が１００μｍより大きいためである。特にレンズは光を集光させる必要から、ある程度の大きさの開口率が必要となり、その結果レンズを小さくすることが困難である。
【００４０】
また、特許文献２の従来例においても同様に、光源および光検出手段を近接して多数配置することになるが、スキャナ先端部分に光源を有するため、スキャナ先端部を小型にすることがより一層難しくなる。
【００４１】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、光学系の焦点位置をプローブ位置に追従させることで、高精度な形状測定が可能である原子間力顕微鏡を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
上記の目的を達成するため、本発明の原子間力顕微鏡は、計測光を照射する光源と、反射面を有するプローブと、前記計測光を前記プローブの前記反射面に集光させるための光学系と、前記光学系を保持するハウジングと、前記ハウジングに保持され、前記プローブを前記ハウジングに対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動するためのプローブスキャナと、前記プローブの前記反射面で反射した前記計測光を検出する光検出手段と、前記ハウジングに前記プローブスキャナとは別に保持され、前記光学系の焦点位置を前記ハウジングに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるための焦点位置移動手段と、前記焦点位置移動手段と前記プローブスキャナとを制御する制御手段と、を有し、前記プローブを被測定物の表面に沿って走査するとともに前記プローブの変位を計測することで被測定物の表面形状を計測する原子間力顕微鏡であって、前記制御手段は、前記プローブスキャナの駆動に伴って前記光学系の前記焦点位置が前記反射面となるように前記焦点位置移動手段を同期的に駆動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
プローブ位置に応じて光学系の焦点位置を制御する焦点位置移動手段を設けることで、プローブに光学系の焦点位置を追従させた高精度な計測が可能となる。
【００４４】
光源やレンズをプローブスキャナと一体的に移動させる場合に比べて、プローブ先端部を小さくすることができる。
【００４５】
また、プローブ位置に応じて光学系の焦点位置を光軸方向に調整することで、より一層測定精度を向上させるとともに、数十ミクロン以上の比較的大きな凹凸形状の測定にも対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００４７】
図１に示すように、被測定物１をＸＹ粗動ステージ２上に保持し、Ｚ粗動ステージ５に固定されたハウジング６にプローブスキャナである第１のスキャナ１０を配設する。反射面を有するプローブ２２の位置をＸ、Ｙ、Ｚ方向に第１のスキャナ１０によって微動させ、プローブ２２と被測定物１との間に働く力によってプローブ２２がたわみ、その反射面が動く量（変位）を計測する。
【００４８】
計測用の光学系は、光源２３からの計測光をプローブ２２の反射面上に焦点を結ばせる集光光学系であり、その焦点位置を移動させるための焦点位置移動手段である第２のスキャナ２６と、プローブ２２で反射した反射光を受光する光検出手段３７を有する。このように光てこを用いた光検出手段３７による出力信号、すなわち反射光の光位置信号および光量信号と、第１のスキャナ１０のＸ、Ｙ、Ｚ位置を用いて被測定物１の表面形状を表わす測定値を計算する。
【００４９】
第１のスキャナ１０と第２のスキャナ２６は、スキャナ制御装置（制御手段）４８によって同期的に制御される。光てこを用いた原子間力顕微鏡では、焦点位置をプローブ２２の反射面に一致させることが測定精度につながる重要なポイントであり、プローブ２２は第１のスキャナ１０の駆動によって移動するため、第１のスキャナ１０に連動して焦点位置を動かす必要がある。
【００５０】
従来例では、プローブスキャナに光学系のトラッキングレンズや光源を固定して、この機能を実現してきたのであるが、前述したようにこの方法では問題があった。
【００５１】
本実施の形態では、プローブ２２を移動させる第１のスキャナ１０とは別に焦点位置を移動させる第２のスキャナ２６を設けることで、焦点位置を第１のスキャナ１０によるプローブ位置とは独立して、しかも同期的に制御することが可能となる。このように、プローブ位置に応じて焦点位置を調節することができるため、例えば、焦点位置とプローブ２２の追従誤差があらかじめわかっていれば、それを打ち消すように第２のスキャナ２６を動かすことができる。その結果、精度よく焦点位置をプローブ２２に追従させることができ、従来よりも高精度測定が可能となる。この場合、追従誤差をあらかじめ知っておく必要があるが、その方法も後述するように可能である。
【００５２】
また、本実施の形態では、プローブと光源を同じスキャナに配置する構成に比べて、スキャナ先端部を小さくすることができるため、高精度測定とともに小型化が可能となる。
【００５３】
図２の（ａ）は、光てこの光源２３からレンズ３３を含む光学系を経てプローブ２２に至る光路を示す模式図である。
【００５４】
光源２３からの計測光はプローブ２２上に焦点を結んでいる必要があるが、プローブ２２は第１のスキャナ１０によって例えばＸ方向に動く。この時、焦点位置がいつもプローブ２２上になければならないため、第２のスキャナ２６によって光源２３をＸ方向に動かすことで、焦点位置を移動させる。このように、第１、第２のスキャナ１０、２６を同期して動かすことにより、いつもプローブ２２に焦点を結ばせることができる。
【００５５】
図２の（ｂ）に示すように、光源２３とレンズ３３の間が固定されている場合は、プローブ２２が第１のスキャナ１０によってＸ方向に動くとき、第２のスキャナ２６によって、光源２３とレンズ３３をＸ方向に動かす。このようにして焦点位置を動かすことで、いつもプローブ２２に焦点を結ばせることが可能である。
【００５６】
また、プローブ２２の走査に伴って、光てこの光軸が動くため、レンズ３３の異なる場所を光線が通過するが、従来例では、レンズ３３の収差の影響により、焦点位置がずれてしまうことが問題であった。本実施の形態によれば、焦点位置とプローブ位置は独立に制御することができるため、レンズ収差も補正することが可能となる。
【００５７】
なお、図２の（ａ）において、光源２３をスキャンするかわりにレンズ３３を動かしても同じである。
【００５８】
また、設計の都合で途中に折り曲げミラーを配置して、光軸を曲げてもよい。レンズ収差を少しでも減らすために複数枚のレンズを用いる光学系を組んでも同様である。
【００５９】
第２のスキャナ２６は光軸に垂直なＸ、Ｙの２方向に加えて、光軸方向であるＺ方向にも移動可能に設ける。すなわち、図２の（ｂ）の構成では、光源２３からの計測光はプローブ２２上に焦点を結んでいる必要があるが、プローブ２２は第１のスキャナ１０によってＸ、Ｙ、Ｚ方向に動く。この時、焦点位置がいつもプローブ上になければならないため、第２のスキャナ２６によって、光源２３および光学系３３をＸ、Ｙ、Ｚ方向に動かす。このように、第１のスキャナ１０と第２のスキャナ２６を同期して動かすことにより、いつもプローブ２２に焦点を結ばせることができる。
【００６０】
また、図２の（ａ）の構成では、プローブ２２は第１のスキャナ１０によってＸ、Ｙ、Ｚ方向に動く。この時、焦点位置がいつもプローブ上になければならないため、第２のスキャナ２６によって、光源２３をＸ、Ｙ、Ｚ方向に動かす。ここで、レンズ３３をはさんで光源２３とプローブの位置は共役の関係にあり、プローブ２２の背面上で焦点を結ぶようにしておく。そして、第１のスキャナ１０と第２のスキャナ２６の動きを同期させ、移動量をＬ１：Ｌ２の比に保つことによって、いつもプローブ２２に焦点を結ばせることができる。
【００６１】
このように、光軸に垂直な２方向に加え、光軸方向にも移動可能に第２のスキャナ２６を設けることにより、焦点位置とプローブ位置を３次元的に互いに独立して制御可能となる。
【００６２】
従来技術ではプローブの光軸方向のずれに対応できないため高精度測定が難しかったが、本実施の形態によれば、前述したように焦点の３次元位置を調節することができるため、光軸方向のずれにも対応可能であり、測定精度を向上できる。また、第２のスキャナによる焦点の３次元的な位置調節により、数十ミクロン以上といった大きな凸凹形状をもつ被測定物に対しても、焦点をＺ軸に追従させて測定可能となる。
【００６３】
焦点位置を移動させる第２のスキャナ２６の制御のために、第１のスキャナ１０によるプローブ位置を焦点位置に変換するための位置変換データを求めておく。これによって、プローブ位置に対応した焦点位置の制御が可能であり、しかも位置変換データを変更するという簡便な方法で、様々な動きに対応することが可能となる。例えば、プローブを交換した時、そのプローブに応じた位置変換データを準備すればよい。
【００６４】
位置変換データは、第１のスキャナ１０を固定し、第２のスキャナ２６を走査して光検出手段３７の出力マップを作成し、その出力マップからプローブ２２の反射面の位置を計算する工程を、第１のスキャナ位置を変えて測定範囲全域で繰り返し行うことで作成される。
【００６５】
第２のスキャナ２６を固定して第１のスキャナ１０を走査し、同様の出力マップを作成する工程を、第２のスキャナ位置を変えて繰り返す方法でもよい。
【実施例１】
【００６６】
図１は実施例１による原子間力顕微鏡を示す。ベース３を除振台４の上に設置し、ベース３上にＸＹ粗動ステージ２を設け、その上に被測定物１をセットする。ベース３上に立設されたＺ粗動ステージ５にハウジング６を配設し、ハウジング６は、ＸＹ方向に移動可能なＸＹスキャナ７を保持する。
【００６７】
図３はＸＹスキャナ７を上（Ｚ方向）から見た図である。ＸＹスキャナ７の本体は金属から切り出したヒンジ機構を持っており、ワイヤカット加工により形成されたＸ板ばね部８を４箇所設けることにより、Ｘ移動部９がＸ方向に移動可能にガイドされる。Ｘ移動部９の中にはＸＹ移動部１０ａが設けられ、４箇所のＹ板ばね部１１でガイドされる。この構成により、ＸＹ移動部１０ａは、ＸおよびＹ方向に移動可能にガイドされる。ＸＹ移動部１０ａの中心には貫通穴１２が設けられる。
【００６８】
また、Ｘ方向の駆動についてはＸ圧電素子１３を設け、対向する位置にプランジャ１４を設ける。プランジャ１４はばねの作用により、一定の力で押し付ける部品である。このプランジャ１４の発生する力でＸ移動部９を圧電素子１３に押し付ける。
【００６９】
この押し付け力は重要である。圧電素子は、電圧に応じて伸縮する部品であるが、引っ張り応力に弱いため、常に圧縮力がかかる範囲で使用しなければならない。
【００７０】
Ｙ方向の駆動についても同様にＹ圧電素子１５をＸ移動部９とＸＹ移動部１０ａの間に設け、対向する位置にプランジャ１６を設け、プランジャ１６の発生する力でＸＹ移動部１０ａを圧電素子１５に押し付ける。
【００７１】
Ｘ圧電素子１３、およびＹ圧電素子１５の電圧を制御することにより、ＸＹ移動部１０ａのＸＹ位置を制御することができる。また、ＸＹスキャナ７の周辺の４箇所には取り付け穴１７を設ける。
【００７２】
ＸＹスキャナ７の貫通穴１２には、図１に示すように、Ｚ方向に移動可能に円管状のＺ微動軸１８を設ける。Ｚ微動軸１８は円管状の圧電材料の内周、および外周にそれぞれ電極を取り付け、両者に電圧をかけることによってＺ方向に伸縮する。つまり、ＸＹスキャナ７とＺ微動軸１８で、Ｘ、Ｙ、Ｚ３軸方向に移動可能な第１のスキャナ１０を構成する。第１のスキャナ１０を、スキャナ制御装置４８に接続して制御する。この制御装置は、高速演算が可能な、例えば、Digital Signal Processorと呼ばれるようなコンピュータである。
【００７３】
Ｚ微動軸１８の先端に取り付けブロック１９を設け、取り付けブロック１９に、加振用ピエゾアクチュエータ２０およびプローブホルダ２１を介してプローブ２２を固定する。
【００７４】
プローブ２２は、図示するようにＺ方向に対して傾斜している。これは、被測定物１に対して傾斜させてプローブ２２を配置し、プローブ先端以外の部分が被測定物１と衝突する問題を軽減するためである。この点は、凹面の被測定物を測定する場合には重要である。
【００７５】
また、加振用ピエゾアクチュエータ２０を図示しない発信回路に接続し、振動させると、前述したＡＣモードの原子間力顕微鏡を構成できる。すなわちプローブを高周波振動させながらプローブと被測定物間に作用する力を測定することが可能となる。
【００７６】
反対に加振用ピエゾアクチュエータ２０を省略すれば、ＤＣモードの原子間力顕微鏡を構成できる。すなわちプローブを振動させず、プローブと被測定物間に作用する静的な力を直接測定することが可能となる。
【００７７】
ＡＣ測定モードおよびＤＣ測定モードのいずれの測定方式でもプローブのたわみをいかに精度良く検出できるかが測定精度を左右するポイントである。以後、説明の簡便のため、ＤＣ測定モードであることを前提として説明を続ける。
【００７８】
ハウジング６に固定して半導体レーザーなどの光源２３を設け、光源２３から出射する計測光を光ファイバ２４に導く。このような光源としてピグテール型と呼ばれる半導体レーザー部品が使用できる。光ファイバ２４を光ファイバ出射端２５に接続する。光ファイバにシングルモード光ファイバを採用すれば直径が数ミクロンといった、非常に狭い範囲から光を放出するので良質な点光源として使用できる。この光ファイバ出射端２５、つまり点光源を、ハウジング６に固定して設けたチューブスキャナである第２のスキャナ２６の先端に固定する。
【００７９】
図４に第２のスキャナ２６の構成を示す。第２のスキャナ２６は複数の電極を形成した円筒型の圧電素子であり、内側に共通電極２７を設け、上部に円管状のＺ用電極２８を設け、下部には４分割電極２９を設ける。説明のため、内部の共通電極２７の電位をゼロボルトとする。
【００８０】
この構成で共通電極２７とＺ用電極２８の間の電圧を制御することにより、矢印３２で示すＺ方向に伸縮する。また、４分割電極２９のうち、対向する２つの電極に符号が逆の電圧をかけると、片方が伸び、もう一方が縮むことによって、円管がたわみ、第２のスキャナ２６の先端は矢印３０で示すＸ方向、あるいは矢印３１で示すＹ方向に動く。
【００８１】
第２のスキャナ２６は下端をハウジング６に固定し、上端に光ファイバ出射端２５を固定しているので、光ファイバ出射端２５で形成される点光源をＸＹＺ方向に移動可能である。その動作をスキャナ制御装置４８によって制御する。この装置の動作については後述する。
【００８２】
光学系を構成するレンズ３３、偏光ビームスプリッタ３４、４分の１波長板３５、プリズム３６、光検出手段３７、黒板３８、および光源２３の波長帯域を透過するダイクロイックミラー３９は、ハウジング６に固定して設ける。
【００８３】
光ファイバ出射端２５から出射した計測光は、レンズ３３によって収束する光となり、偏向ビームスプリッタ３４に入射し、偏向ビームスプリッタ３４で反射する光は不要なので光軸に対して傾斜させた黒板３８にあてて吸収させる。光軸に対して斜めにあてるのは黒板表面で正反射する光が発生しても影響を受けないようにするためである。一方、偏光ビームスプリッタ３４を通過した光は４分の１波長板３５を通過し、円偏光に変換される。さらにプリズム３６で光軸を傾け、光軸をプローブ２２の反射面に対応させる。
【００８４】
計測光はさらにダイクロイックミラー３９を透過し、プローブ２２の背面側に焦点を結ぶ。つまり、レンズ３３の位置は概略、プローブ２２の反射面上に焦点を結ぶように調整しておく。
【００８５】
図２の（ａ）に示すように、プローブ２２上で焦点を結ぶためには、レンズ３３をはさんで光源２３とプローブ２２の位置が共役の関係になればよい。つまり、レンズ３３と、光源レンズ２３およびプローブ２２の離間距離Ｌ１、Ｌ２、レンズ３３の焦点距離をｆとすると、以下の関係が成立すればよい。
【００８６】
【数１】
0004810251.tif 000002
この時、光源２３をＸ方向に動かすと、焦点位置はＸ方向に、Ｌ２：Ｌ１の比率で動く。
【００８７】
前述のように、本実施例では点光源として、光ファイバ出射端２５を用いた。この点光源を第２のスキャナ２６に固定してあるため、第２のスキャナ２６を動かすことにより、所望の位置に焦点を動かすことができる。
【００８８】
プローブ２２で反射した計測光は再びダイクロイックミラー３９を透過し、プリズム３６を透過して向きを変え、再び光軸がＺ軸に平行になり、４分の１波長板３５を透過することによって円偏光が直線偏光に再変換される。しかしこのとき、直線偏光の向きが最初と９０度異なっている。従って偏光ビームスプリッタ３４で今度は反射し、光検出手段３７に入射する。
【００８９】
光検出手段３７は例えば４分割フォトダイオード、あるいはポジションセンサーとして知られているフォトダイオードであり、４つの電極から入射光の位置に応じた電流を出力する。この信号を光検出手段用アンプ４５に接続する。これはフォトダイオードの電流信号を電流電圧変換回路で電圧に変換し、オペアンプを使ってアナログ演算することにより、光検出手段３７に入射する光量に比例した光量信号４６と、入射する光の重心位置を表す光位置信号４７に変換する。
【００９０】
プローブ２２がたわむと反射光の角度が変わり、光検出手段３７に入射する光の重心位置が動く。このとき、この重心位置の動きがプローブ２２のたわみを拡大しており、この光学系はいわゆる光てことして作用する。
【００９１】
また、プローブ２２のたわみは、被測定物１とプローブ間に作用する力、いわゆる原子間力によって引き起こされるので、光検出手段３７の光位置信号４７は原子間力を表していると言える。
【００９２】
光量信号４６と光位置信号４７をスキャナ制御装置４８に接続する。スキャナ制御装置４８の動作については後述する。
【００９３】
また、この光検出手段３７の出力、光量信号４６と光位置信号４７のノイズを低減する方法として、ロックインアンプを使用することは有効である。ロックインアンプはあらかじめ定められた周波数成分だけを選択的に増幅する装置である。信号をあらかじめ定めた周波数で変調しておき、その同じ周波数に同期した信号をロックインアンプで取り出すことによって、その周波数以外の成分はほぼ除去することができる。この時、スキャナ移動の周波数よりも少なくとも１０倍以上高い周波数で変調をかけておく。スキャナ特性を２次系とすれば、ほぼ周波数の２乗のオーダーで、振動減衰が期待できるので、スキャナ動作によるノイズの悪化を防ぐことができる。光の変調方法としては、光源の強度を変調するほか、前述のＡＣモード、すなわちカンチレバーを高速振動する方法が可能である。
【００９４】
前者の場合は光量信号４６と光位置信号４７の信号が変調されるため、両方の信号に対してノイズの改善が期待できる。後者の場合は光位置信号４７の信号が変調されるため、その信号に対してのみノイズの改善が期待できる。
【００９５】
また、ハウジング６に固定してカメラ４３および黒板４４を設ける。ダイクロイックミラー３９は特定の波長の光だけを反射する。その波長の光を使って被測定物表面の画像をカメラ４３で映すことができる。一方、その波長以外の光は透過してしまうが、黒板４４を光軸上に配置してあるので、その波長の光がカメラ４３に入射して画像を乱すことはない。カメラ４３は図示しないモニタなどに接続し、画像を表示する。
【００９６】
次に、スキャナ制御装置４８の動作を説明する。この装置は高速演算可能なコンピュータとスキャナを動作させるドライバアンプで構成されており、複数の制御プログラムをマルチタスクで稼動することができる。
【００９７】
図５はスキャナ制御装置４８による制御ブロック図である。まず、プローブ２２のたわみをフィードバックする制御系について説明する。前述したように、プローブ２２のたわみは、被測定物１とプローブ間に作用する力、いわゆる原子間力によって引き起こされるので、光検出手段３７の光位置信号４７は原子間力を表していた。あらかじめ目標の原子間力を定め、その原子間力に対応する光位置目標値４９を定めておく。
【００９８】
光位置信号４７から、あらかじめ定めておいた光位置目標値４９を差し引き、Ｚ微動軸用補償器５０、Ｚ微動軸用ドライバアンプ５１からなる制御系を通してＺ微動軸１８にフィードバックする。Ｚ微動軸用補償器５０はフィードバック制御系を安定に保つために必要なもので、例えばＰＩＤ制御則といったものが知られている。
【００９９】
このフィードバック制御系によって、光位置信号４７の変化を打ち消すように第１のスキャナ１０のＺ微動軸１８を動作させることが可能になる。光位置信号４７は原子間力を表しており、Ｚ微動軸１８はプローブ２２と被測定物１の相対距離を変化させるものであった。つまり、このフィードバック制御を行うことによって原子間力が一定となる高さ情報の測定が可能になる。これは、いわゆるゼロ位法による測定である。
【０１００】
このゼロ位法の制御によって、第１のスキャナ１０のＺ軸は被測定物１のでこぼこに従って上下方向に移動する。この上下の動きが大きいと、プローブ２２が光てこの光軸方向に大きく動くことになる。その結果、プローブ上で焦点を結ばなくなるので、従来技術では大きな課題となっていた。本実施例によれば、焦点の光軸方向の位置を第１のスキャナ１０のＺ軸の変位に従って調節することができるので、後述するようにこの課題も解決できる。
【０１０１】
被測定物１の測定範囲全面を走査するＸＹスキャン目標位置５３を発生させ、ＸＹスキャナ用ドライバアンプ５４を介してＸＹスキャナ７を駆動する。
【０１０２】
また、位置変換データ５２をあらかじめ記憶部に準備しておく。これはＸＹキャナ７および、Ｚ微動軸１８からなる第１のスキャナ１０のＸ、Ｙ、Ｚ位置に対応する第２のスキャナ２６の位置関係のデータであり、その位置関係を保てば、光てこ光学系の焦点位置がプローブ２２の位置と一致するものである。この位置変換データ５２の作成方法については後述する。
【０１０３】
位置変換データ５２と、第１のスキャナ１０の位置、すなわち補償器５０の出力とＸＹスキャン目標位置５３を位置変換器５５に接続し、その出力を第２のスキャナ用ドライバアンプ５６に接続し、第２のスキャナ２６の圧電駆動部を駆動する。ここで、位置変換器５５は、位置変換データ５２を用い、入力である第１のスキャナ１０のＸ、Ｙ、Ｚ位置を、出力である第２のスキャナ２６のＸ、Ｙ、Ｚ位置に変換する座標変換演算装置である。
【０１０４】
次に、位置変換データ５２について説明する。まず、第１のスキャナ１０のＸ、Ｙ、Ｚ位置をベクトルＸn で表し、第２のスキャナ２６のＸ、Ｙ、Ｚ位置をベクトルＹn で表す。
【０１０５】
ここで、添え字ｎは１、２、３のいずれかであり、例えば、Ｘ1 、Ｘ2 、Ｘ3 はそれぞれ第１のスキャナ１０のＸ位置、Ｙ位置、Ｚ位置を表す。座標変換を次のように計算する。
【０１０６】
【数２】
0004810251.tif 000003
ここで、ｍ＝１、２、３である。また、係数ｃi,j,m は位置変換データ５２である。
【０１０７】
上式は入出力の関係を次数ｎのべき多項式で表現するものである。この方法によれば、次数が２以上の非線形成分まで考慮した座標の変換が可能である。
【０１０８】
例えば、オフセットと、倍率だけを補正する多項式は次数ｎを１とし、（２）式を次のように変形すれば、実現できる。
【０１０９】
Ｙ1 ＝ｃ0,1,1 ＋ｃ1,1,1 Ｘ1 
Ｙ2 ＝ｃ0,2,2 ＋ｃ1,2,2 Ｘ2             ・・・（３）
Ｙ3 ＝ｃ0,3,3 ＋ｃ1,3,3 Ｘ3 
ここで、オフセットは光てこの焦点位置とプローブ位置のずれであり、上式でこれを補正することにより、焦点位置とプローブ位置とを一致させることが可能となる。
【０１１０】
また、倍率は第１のスキャナ１０の移動量に対し、第２のスキャナ２６で動く焦点位置の移動量の比率をあらわす。機構部品の製作誤差や、第２のスキャナ２６に固定した点光源からの光を収束して焦点を結ばせる光学系の倍率で決まる。
【０１１１】
また、第１、第２のスキャナ１０、２６の移動方向がわずかに傾斜している場合、この傾斜を考慮した係数を上式の（２）、（３）式に追加し、次のようにセットすれば補正が可能である。追加した項が回転行列になっている。
【０１１２】
Ｙ1 ＝ｃ0,1,1 ＋ｃ1,1,1 Ｘ1 ＋ｃ1,1,2 Ｘ2 
Ｙ2 ＝ｃ0,2,2 ＋ｃ1,2,1 Ｘ1 ＋ｃ1,2,2 Ｘ2               ・・・（４）
Ｙ3 ＝ｃ0,3,3 ＋ｃ1,3,3 Ｘ3 
同様に、次数の高い補正も可能である。
【０１１３】
プローブ２２は、図６の（ａ）に示すように、図１に示す被測定物１との間の原子間力を感知するための尖点６０ａと、カンチレバー６０ｂを備え、カンチレバー６０ｂの先端の幹部６０ｃの下端に尖点６０ａが固定される。
【０１１４】
図６の（ｂ）に示す従来のプローブでは、針部分が短いため、深い凹面形状には対応できない。針部分を長く伸ばせば対応できるようになるが、板ばねがたわむので、針の姿勢変動が大きくなってしまう。そこで、図６の（ａ）に示すように、カンチレバー６０ｂを構成する板ばねを平行に２枚設けることによって、針の姿勢変動を小さくし、針部分の長さを長くする幹部６０ｃを設けて、上側の板ばね部に反射面を形成する。このような平行板ばね構造のプローブを用いるのが望ましい。
【０１１５】
カンチレバー６０ｂの上面に形成された反射面によって計測光を反射し、光検出手段３７に入射する光量を検出しながらプローブ２２の位置を自動的に検出し、検出結果を用いて焦点位置の精密な調整が可能になる。
【０１１６】
図７はプローブ２２を上から見た図である。光てこ光学系の焦点４０は第２のスキャナ２６によってつづれ折状の軌跡４１に沿って走査される。このように焦点４０を走査すると、光検出手段３７に入射する光量は、プローブ２２に焦点４０があたったときに大きくなる。この光量信号を２次元の光量マップ（出力マップ）にすると、プローブ２２の位置および形を読み取ることができるので、プローブ上で焦点４０をあてる最適位置（最適な焦点位置）４２を求めることができる。最適位置４２は、焦点４０がプローブ２２の反射面に一致して、従って光検出手段３７に入射する光量が大きく、しかもプローブ２２の先端付近、従ってプローブ２２のたわみが大きい場所である。
【０１１７】
第１のスキャナ１０の位置を変えて、第２のスキャナ２６を走査し光量マップを作成する工程を繰り返し行うことにより、第１のスキャナ位置に対応する焦点位置の表（位置変換データ）を作成することができる。そしてその表を用いて、第１のスキャナ１０と同期的に第２のスキャナ２６を制御することにより、常に焦点位置をプローブ２２の最適位置４２に保つことが可能となる。
【０１１８】
図８において、横軸は第２のスキャナ２６の位置であり、縦軸は光量信号４６を示す。光量の最大値をα１とする。α１以下で適当な値α２、例えばα１の９０％、を閾値α２として決める。この閾値α２で図示するように等高線が引ける。この等高線はプローブ２２の輪郭を表している。等高線の中で、最もプローブ２２の先端に近い場所をβとする。このβ位置はプローブ２２の先端と考えられるので、それよりも一定距離、例えば焦点４０の光スポットサイズに等しい距離をプローブ２２の根元方向にずらした点を最適位置４２とする。これは、走査軸の移動誤差などによりβの位置がわずかにずれただけでも大きく光量変化することを避ける狙いがある。
【０１１９】
また、同様な方法で、第２のスキャナ２６の光軸方向についても最適位置を求めることができる。プローブ２２が光軸方向にずれると、反射した光が大きく広がり、光検出手段３７に入射する光量が低下するので、光量が最大になるところが、プローブ２２上の最適な光軸方向の焦点位置となる。以上の方法により求めた最適位置４２に光学系の焦点を追従させれば、十分な光量を確保できる。また、焦点位置がプローブ２２の先端に近いためにプローブ２２のたわみが大きく、従って、測定感度が高いという利点もある。
【０１２０】
ただし、光てこ光学系の開口数は小さいため、光軸方向のずれには鈍感であり、焦点深度が長い。従って光軸方向のずれが小さい場合は光軸方向についての制御は省略しても十分実用性がある。
【０１２１】
従来例では最適な焦点位置の検出が困難であったが、本実施例では、第２のスキャナ２６を用いて焦点を走査しながら光検出手段３７の光量をモニタすることにより、プローブ上の最適位置の検出が可能である。また、従来技術では焦点位置の調節が煩雑であったが、本実施例では、最適な焦点位置の表（位置変換データ）を作成し、それを用いて、第１のスキャナ１０の位置に対応して第２のスキャナ２６を制御することにより、常に焦点位置をプローブ上の最適な位置に保持することが可能となる。加えて、従来技術ではプローブ交換時のアライメント調整が煩雑であったが、本実施例によれば焦点位置の検出、そして焦点位置の調整を自動化できるため簡便に対応できる。
【０１２２】
次に、図９のフローチャートを用いて、位置変換データ５２を求める方法を説明する。
【０１２３】
多項式による位置変換の次数を高くした場合、（２）式の係数である位置変換データ５２の数が増える。また、その係数は機構部品の製作誤差や、光学系の調整誤差など、机上で決まらない要素もあるので、測定することが必要である。
【０１２４】
まず、ステップ１００で位置変換データ５２を初期化する。位置変換データ５２に異常な値がセットされていると第２のスキャナ２６がまったく動かないといった事態も考えられるので、まず初期化しておく。初期値として（３）式で示す簡単なモデルが使用できる。この段階では位置変換データ５２が正確である必要はないので、（３）式の机上検討結果で十分である。
【０１２５】
ステップ１０１でＺ粗動ステージ５を上方に逃がし、プローブ２２を被測定物１から離す。ステップ１０２で第１のスキャナ１０の位置を測定領域から選択する。測定領域を有限個の格子点に分割し、それぞれの格子点を順番に選択し、第１のスキャナ１０を選択した格子点の位置に移動する。ステップ１０３で第２のスキャナ２６を用い、光学系を走査し、光量信号４６のマップを測定する。
【０１２６】
ステップ１０４で光量が正常範囲にあることを確認する。異常の場合はエラー停止する。光量マップ全体が光量不足の場合、光てこ光学系のアライメントが非常に大きくずれているか、プローブが外れているといった故障が考えられるので、エラー停止する。ステップ１０５で光量マップから焦点をあてる最適位置を決定する。図８に示すように、光量マップからプローブ２２の位置および形を読み取ることができるので、プローブ２２の中で焦点４０をあてる最適位置４２を求めることができる。
【０１２７】
ステップ１０６で測定領域全領域を網羅してなければ、第１のスキャナ１０を次の位置に移動し、ステップ１０２に戻る。
【０１２８】
このループにより、測定領域を網羅する有限個の格子点において、最適な焦点位置を実現するための、第１のスキャナ位置に対応する第２のスキャナ位置が求まった。これは（２）式の入力と出力、つまりＸとＹのペアの集合である。
【０１２９】
ステップ１０７で位置変換データ５２を計算する。すなわち、（２）式の入出力のペアの集合を使い、最小２乗法によって係数を計算する。（２）式は多項式のモデルであり、もし、残差が大きい場合には多項式の次数を上げれば精度を向上できる。こうして得られた係数が位置変換データ５２である。
【０１３０】
以上の方法で測定した位置変換データ５２を用い、第１のスキャナ１０の位置に対応して第２のスキャナ２６の位置を制御することにより、常に焦点位置をプローブ２２の最適位置に保持することが可能となる。
【０１３１】
また、本実施例では第２のスキャナ２６を走査してプローブ位置を探索したが、逆に、第１のスキャナ１０を走査してプローブ位置を探索しても、同様に、位置変換データ５２を得ることができる。
【０１３２】
図１０は原子間力顕微鏡の測定動作のフローを示す。まず、ステップ２００でＺ粗動ステージ５を上方に逃がし、被測定物１をＸＹ粗動ステージ２にセットする。ステップ２０１で光検出手段３７の光量信号４６が正常範囲にあることを確認する。異常の場合はエラー停止する。例えば光量が不足している場合は、光てこ光学系のアライメントがずれているか、プローブ２２が外れているといった初期設定ミスが考えられるので、エラー停止する。また、光てこ光学系のアライメントずれの場合には前述した手順に従って、位置変換データ５２を再設定すれば再び測定可能になる。
【０１３３】
ステップ２０２で光検出手段３７の光位置信号４７が正常範囲にあることを確認する。異常の場合はエラー停止する。光位置信号４７は、光てこの作用によって拡大されたプローブ２２のたわみを表している。この信号が、あらかじめ定めておいた閾値よりも異常に大きい場合はプローブ２２がもともと大きくゆがんでいることが考えられるのでエラー停止する。
【０１３４】
ステップ２０３で光検出手段３７の光位置信号４７にオフセットを設定し、出力をゼロにする。プローブ２２と被測定物１とが離れている状態で、光位置信号４７のオフセットをとり、光てこ光学系の微小なアライメント誤差や、電気系のオフセット誤差をキャンセルするために行う。ステップ２０４で光位置信号４７が、あらかじめ設定した値になるまで、Ｚ粗動ステージ５を移動する。光位置信号４７は、光てこの作用によって拡大されたプローブ２２のたわみ、すなわち、プローブ２２と被測定物１の間に作用する力の大きさを表している。この力が、あらかじめ設定した値になるまでＺ粗動ステージ５を上げ下げする。その結果、プローブ２２は被測定物１に非常に接近し、原子間力の影響が現れる。
【０１３５】
ステップ２０５で光位置信号４７の出力が一定になるように、Ｚ微動軸１８にフィードバック制御をかける。
【０１３６】
前述したように、このフィードバック制御により、ゼロ位法による測定が可能になる。この制御がかかると、プローブ２２と被測定物１に作用する力が一定になり、Ｚ粗動ステージ５は被測定物１の凹凸に応じて上下することになる。
【０１３７】
ステップ２０６で測定範囲において、第１のスキャナ１０を走査する。測定範囲に対して、プローブ２２を走査し、測定範囲全体の光位置信号４７、Ｚ微動軸１８の位置を記録する。このとき、図５の制御ブロック図で説明したように、位置変換データ５２を用いて第１のスキャナ１０の位置、すなわちＺ微動軸１８およびＸＹスキャナ７の位置に対応して、第２のスキャナ２６の位置を制御する。この制御により、光てこ光学系の焦点が常にプローブ２２上に追従する。
【０１３８】
ステップ２０７で測定結果を計算し、表示、保存する。ここで、測定結果とは、横軸に、第１のスキャナ１０のＸＹ位置をとり、縦軸にＺ微動軸１８の位置をとったものである。
【０１３９】
前述したように、光位置信号４７は、プローブ２２と被測定物１の間に作用する力、いわゆる原子間力を表しており、これが一定になるようにＺ微動軸１８にフィードバック制御をかけた。従ってさきほどの測定結果とは、原子間力が一定になる被測定物１の凹凸を表している。
【０１４０】
また、フィードバック制御では、たとえわずかであっても制御偏差が発生する。この制御偏差があっても、光位置信号４７の出力をＺ方向の変位に換算した値を測定値に加えることによって補正することができる。このときの換算率とは被測定物１の移動量と光位置信号４７の移動量の割合である。この割合はＸＹ位置を変えずに、プローブ２２を徐々に被測定物１に押し込むことによって、図１の装置上でも測定できるほか、原子間力の計算モデルを用いて計算することもできる。
【０１４１】
ステップ２０８でＺ粗動ステージ５を上方に退避し、被測定物１をＸＹ粗動ステージ２からはずす。
【０１４２】
本実施例によれば、従来技術では焦点位置とプローブの位置が必ずずれるため、高精度測定が難しかったが、第２のスキャナにより、第１のスキャナの位置に応じて焦点位置を調節することにより、いつも焦点位置をプローブに合わせることができる。
【０１４３】
また、特許文献２による従来技術では、プローブスキャナの先端部が小さくできないため高精度測定が難しかったが、本実施例では光源を先端部に配置する必要がないので、プローブ先端部を小さくすることがでる。
【０１４４】
さらに、従来技術ではいずれも、プローブの光軸方向のずれに対応できないため高精度測定が難しかったが、本実施例によれば、前述したように焦点の３次元的な位置を調節することができるため、光軸方向のずれにも対応可能である。また、第２のスキャナを用いて光検出手段の光量をモニタすることにより、最適な焦点位置の検出が可能である。
【０１４５】
従来技術では焦点位置の調節が煩雑であったが、本実施例によれば、最適な焦点位置の表を作成し、それを用いて、第１のスキャナの位置に対応して第２のスキャナの位置を制御することにより、常に焦点位置をプローブの最適な位置に保持することが可能となる。
【０１４６】
従来技術ではプローブ交換時のアライメント調整が煩雑であったが、本実施例によれば焦点位置の検出、そして焦点位置の調整に人の動作や判断などが必要なく、自動でできるため簡便に対応できる。
【０１４７】
なお、光学系の配置は、順番を入れ替えても基本機能は同じである。本実施例では光源から、レンズ、偏光ビームスプリッタ、４分の１波長板、プリズム、ダイクロイックミラーといった順番で配置した。誘電体表面に傾斜して入射する光線の透過強度は偏光の方向で異なることが知られているが、波長板を通過してプリズムに入射する円偏光はこの効果により、楕円偏光となる。プローブで反射し、再び波長板に入射する光線は楕円偏光となる。従って直線偏光に戻らない光が僅かながら発生し、これは偏光ビームスプリタを透過し、光源側へ戻っていく。これは不要な迷光であり、ノイズになる可能性がある。そこで、波長板とプリズムの位置を入れ替えることが考えられる、このように配置すれば、プリズムの傾斜面がなくなるので上記の心配も解決できる。
【０１４８】
また、本実施例ではダイクロミラーを透過する側に光てこ光学系を配置し、反射する側にカメラを配置したが、この配置を逆にしても同じである。
【０１４９】
本実施例では第１のスキャナをＸＹ軸とＺ軸の組み合わせで構成したが、これをチューブスキャナで構成しても同じことである。反対に第２のスキャナをＸＹ軸やＺ軸の組み合わせで構成しても同じ機能を実現できる。
【０１５０】
また、本実施例では、第２のスキャナで点光源である光ファイバ出射端を固定したが、レンズを動かしたり光源とレンズを同時に動かしても同じ機能を実現できる。
【０１５１】
なお、光検出手段の出力信号をロックインアンプに導き、ロックインアンプの同期周波数を、前記スキャナが動作する周波数の少なくとも１０倍以上とするとよい。高精度測定には様々な外乱対策が重要であるが、大きなノイズ源として本測定装置を設置する照明光の光量変化やスキャナの動作に連動した振動や電気ノイズといったものが考えられる。そこで、信号をあらかじめ設定した周波数で変調し、その周波数だけを取り出すことによって、こういったノイズを軽減する。信号を変調する周波数をスキャナの動作周波数の少なくとも１０倍以上にしておけば、第１、第２のスキャナの移動に伴うノイズの影響を大幅に軽減することができる。例えばスキャナの特性を一般的な機械特性である２次系とすれば、周波数が１０倍高くなれば、同じ外乱に対する応答はおおよそ１００分の１に減衰する。さらに周波数を高くとればより効果的である。
【０１５２】
また、信号を変調する手段については特に説明しなかったが、光源の光強度を変調する方法、焦点位置移動手段である第２のスキャナを使う方法、プローブを加振する方法などが考えられるが、作用は同じである。
【０１５３】
なお、本実施例ではプローブ反射面に焦点を結ばせるとして説明しているが、現実の光学系での焦点はビームウエストと呼ばれる位置であり、当然、数学的な点を意味するものではない。
【実施例２】
【０１５４】
図１１は実施例２を示す。本実施例は、実施例１の装置のプローブ２２からの反射光の光路にオートフォーカス装置を組み込んだものである。その他の構成については実施例１と同様であるから同一符号で表し、説明は省略する。
【０１５５】
オートフォーカス装置は、ハウジング６に固定して、ハーフミラー５８、レンズ５９、シリンドリカルレンズ６１、４分割フォトダイオード６２を配設する。
【０１５６】
プローブ２２で反射した光は焦点がプローブ上にあることから、拡散していく光である。その光は偏光ビームスプリッタ３４で反射し、ハーフミラー５８に入射する。その透過光は光検出手段３７に入射し、反射光はレンズ５９で収束する光に変換され、シリンドリカルレンズ６１を通過し、４分割フォトダイオード６２に入射する。
【０１５７】
この非点収差を利用したオートフォーカス装置は、プローブの反射面で反射した光の光路にハーフミラーを設け、ハーフミラーで分岐した光を、オートフォーカス装置に導き、光量マップに加えてオートフォーカス装置の出力を用いてプローブの位置を計算する。光軸方向についてもプローブから反射した光は拡散するため、光検出手段に入射する光量が減少するので、光軸に垂直方向と同様、光量をみながら最適な位置を探索できる。しかし、光てこ光学系の開口数は小さいため、光軸方向のずれには鈍感、つまり焦点深度が長い。従って光検出手段の光量で検出できる光軸方向のずれは感度が低い。
【０１５８】
そこで、プローブで反射した光をハーフミラーで分岐させ、オートフォーカス装置で光軸方向のずれを検出する。オートフォーカス装置はいくつか種類があるが、図１２および図１３に示すように非点収差を利用した方法は広く応用されている。
【０１５９】
図１２において、プローブで反射した光は拡散していくので、まずレンズ５９で収束光に変換する。次にシリンドリカルレンズ６１に通すと、強い非点収差が発生する。Ｆ１はもともとレンズ５９の作用で収束する焦点位置であり、シリンドリカルレンズ６１の影響を受けて横方向に広がった光強度分布となる。Ｆ３はレンズ５９とシリンドリカルレンズ６１の合成焦点であり、この位置では逆に縦方向に長い光強度分布となる。Ｆ２はちょうどＦ１とＦ２の中央で、両者をバランスした円形状の光強度分布となる。Ｆ２付近に４分割フォトダイオード６２を配置することにより、この光強度分布を測定することができる。
【０１６０】
図１３に４分割フォトダイオード６２の受光面における光強度分布を示す。Ｆ１の位置では横に広がった光強度分布なので、４分割したダイオードのうち、縦方向の２つよりも横方向の２つの信号が強くなる。Ｆ２の位置では円形状の光強度分布なので４分割したダイドードの出力も同じになる。そしてＦ３の位置では４分割したダイオードのうち、横方向の２つよりも縦方向の２つの信号が強くなる。
【０１６１】
このように、４分割フォトダイオード６２を使えば、焦点の位置がどちら側にずれているかを検出することができる。このオートフォーカス装置は、光強度だけで焦点の光軸方向のずれを検出する方法に対して高い精度が可能である。
【０１６２】
従って、光検出手段３７の光量で光軸に垂直な方向のずれを測定し、それに加えてオートフォーカス装置を用いて光軸方向のずれを測定すれば、光軸方向に対しても高い精度で位置変換データを得ることができる。
【０１６３】
このように、オートフォーカス装置により光軸方向のずれに対しても測定精度が向上し、焦点位置をより正確にプローブ位置に一致させることができるため、測定精度を向上できる。また、全方位に対し、高い精度で位置変換データを得ることができる。
【０１６４】
前述したように、プローブのたわみに伴ってプローブと被測定物の間に作用する力が一定になるように、Ｚ微動軸にフィードバックする、いわゆるゼロ位法による測定を行う場合、被測定物表面の凸凹に応じてプローブも上下する。この上下動によって光てこ光学系の焦点位置も光軸方向にずれることになるが、本実施例によれば、光軸方向に対しても高い精度で位置変換データを得ることができるため、光軸方向のずれを高精度に補正することが可能である。特に粗面を測定する場合、プローブのＺ微動軸の変位が大きくなるのでこの技術の重要度が高い。
【実施例３】
【０１６５】
図１４は実施例３を示す。本実施例は、実施例１に対して、プローブ２２からの反射光の光路にガルバノミラー７１、７２を組み込んだところが異なる。その他の構成については実施例１と同様であるから同一符号で表し、説明は省略する。
【０１６６】
ガルバノミラーは電磁力などを利用して高速に鏡の角度を制御することができる光偏向装置として広く用いられている。１つの回転角度を制御できるガルバノミラーを２つ組み合わせて光の向きを２方向に制御することも可能である。また、トーションバーを用いたプレーナー型のガルバノミラーを光学系の中に配置することにより、焦点位置を高速に移動させることができる。
【０１６７】
ハウジング６に固定して半導体レーザーなどの光源２３を設け、出射する光を光ファイバ２４に導く。光ファイバ出射端２５、つまり点光源を、ハウジング６に固定し、やはりハウジング６に固定したレンズ３３で収束光線を得る。そして、２つのガルバノミラー７１、７２をハウジング６に固定して設け、収束光線を２つのガルバノミラー７１、７２で反射させると、この光線の向きを変更することが可能になる。
【０１６８】
ここで、ガルバノミラーとは、電磁力などを利用して小型軽量ミラーの角度を制御する装置であり、例えばサーボモータの回転軸にミラーを固定した構造を持った装置である。小型ミラーと高出力モータを採用することにより、高速に光線の向きを変化させることが可能である。
【０１６９】
ガルバノミラーの角度を調整することにより、光線の向きが変わるので、焦点位置を変化させることが可能となる。ガルバノミラーを用いているので、実施例１に比べてさらに高速な焦点位置のスキャンが可能になる。従って、測定時間が短い原子間力顕微鏡を実現することができる。
【０１７０】
本実施例では、鏡を回転型のサーボモータで構成するガルバノミラーを用いたが、シリコンウエハを加工して製作されるトーションバーを応用したガルバノミラーでもよい。
【０１７１】
また、本実施例では鏡をレンズ３３と偏光ビームスプリッタ３４の間に配置したが、光路中ならどこに入れてもよい。例えば、プリズム３６とプローブ２２の間に入れても、焦点位置を変更する作用については同様である。
【実施例４】
【０１７２】
図１５は実施例４を示す。本実施例は、実施例１に対して、第２のスキャナ２６の先端にレンズ３３を固定している点が異なる。その他の構成については実施例１と同様であるから同一符号で表し、説明は省略する。
【０１７３】
ハウジング６に固定して光ファイバ出射端２５を設け、光ファイバ出射端２５に上端を固定して第２のスキャナ２６を設け、第２のスキャナ２６の下端にレンズ３３を固定して設ける。
【０１７４】
この構成において、第２のスキャナ２６の動作により、レンズ３３のＸ、Ｙ、Ｚ位置を動かすことができる。レンズ３３を光軸に垂直な方向に動かすと、焦点位置も光軸に垂直な方向に動く。また、レンズ３３を光軸方向に動かすと焦点位置も光軸方向に動く。従って、焦点位置のＸ、Ｙ、Ｚ位置を第２のスキャナ２６で制御することができる。
【実施例５】
【０１７５】
図１６は実施例５を示す。本実施例は、実施例１に対して第２のスキャナ２６の先端に光ファイバ出射端２５とレンズ３３とを固定している点が異なる。その他の構成については実施例１と同様であるから同一符号で表し、説明は省略する。
【０１７６】
ハウジング６に下端を固定して第２のスキャナ２６を設け、第２のスキャナ２６の上端に鏡筒部材６３を固定し、鏡筒部材６３に光ファイバ出射端２５およびレンズ３３を固定して設ける。
【０１７７】
この構成において、第２のスキャナ２６の動作により、光ファイバ出射端２５の点光源とレンズ３３のＸ、Ｙ、Ｚ位置を同時に動かすことができる。その結果、焦点のＸ、Ｙ、Ｚ位置を第２のスキャナ２６で制御することが可能となる。
【実施例６】
【０１７８】
図１７ないし図２３は実施例６を示す。本実施例は、実施例１のプローブ２２の代わりに、複数のプローブ２２ａ〜２２ｃを有するプローブ集合体を用いる。なお、３本のプローブ２２ａ〜２２ｃを用いて説明するが、プローブの本数に制限はない。
【０１７９】
３本のプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは微小な力を測定するために数μｍ以下、幅も数十μｍ以下といった非常に薄く、幅の狭い梁状構造であり、通常はリソグラフィ技術を用いて一体構造のプローブ集合体として製作される。
【０１８０】
スキャナ制御装置４８は高速演算可能なコンピュータと各スキャナ１０、２６を動作させるドライバアンプで構成されており、複数の制御プログラムをマルチタスクで動作することができる。
【０１８１】
その他の構成については実施例１と同様であるから同一符号で表し、説明は省略する。
【０１８２】
図１８に複数のプローブ２２ａ〜２２ｃを有するプローブ集合体を示す。前述したように、３本のプローブで説明を進めるが、プローブ本数に制限はない。
【０１８３】
第１のスキャナ１０で動くプローブ集合体とは独立に、焦点位置移動手段である第２のスキャナ２６によって光てこ光学系の焦点位置を所望の位置に動かすことができる。そこで、３個のプローブ２２ａ〜２２ｃに対応して、３つの状態を順番に繰り返すタイミング信号を発生させ、そのタイミング信号で焦点位置を制御することによって、次々と、プローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃのそれぞれの最適位置４２a、４２ｂ、４２ｃに焦点をあてる。
【０１８４】
このとき、各プローブ２２ａ〜２２ｃから反射した光は光検出手段３７に入射し、ひとつの出力信号となってしまう。そこで、上記のタイミング信号に同期して、光検出手段３７の出力信号をサンプルするサンプルホールド装置を用いて、各プローブ２２ａ〜２２ｃに対応した出力信号に分割する。
【０１８５】
タイミング信号の切り替え速度が十分速ければ、あたかも複数のプローブに対応した複数の光源、複数の光学系、複数の光検出手段があるのと同じことになる。つまり、それぞれのプローブのたわみを測定でき、多点の同時測定、マルチプロービングが可能になる。
【０１８６】
第１のスキャナ１０で動くプローブ集合体とは独立に、第２のスキャナ２６で光てこ光学系の焦点位置を移動させることで、図１８に示す各プローブ２２ａ〜２２ｃの最適位置４２ａ、４２ｂ、４２ｃに焦点を合わせることができる。
【０１８７】
図１９は３本のプローブ２２ａ〜２２ｃを上から見た図である。焦点４０を第２のスキャナ２６によってつづれ折状の走査軌跡に沿って走査すると、光検出手段３７に入射する光量はいずれか１本のプローブの最適位置に焦点４０が一致したときに大きくなる。そこで、横軸を第２スキャナ２６の位置、縦軸を光量信号とする光量マップを測定する。
【０１８８】
図２０にマルチプロービングを実現する制御ブロックを示す。この制御はスキャナ制御装置４８によって実現できる。タイミング発生装置６５は、時間のずれた２つのタイミング信号を発生する。一方はマルチプレクサ用タイミング信号６６、他方はサンプル用タイミング信号６７である。
【０１８９】
図２１のタイムチャートも参照してさらに説明する。マルチプレクサ用タイミング信号６６は３本のプローブ２２ａ〜２２ｃに対応して３つの状態を周期的に繰り返す信号であり、マルチプレクサ装置６８に接続する。マルチプレクサ装置６８は３つの入力信号のうち１つを選択して出力するもので、どの入力信号を選択するかはマルチプレクダ用タイミング信号６６で制御できる。
【０１９０】
マルチプレクサ装置６８の入力には３つの位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃを接続し、出力した１つを位置変換器５５に接続する。３つの位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃはそれぞれプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃの最適位置４２ａ、４２ｂ、４２ｃに対応したものである。
【０１９１】
ここで、最適位置４２ａ、４２ｂ、４２ｃおよび、その位置に対応する位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、後述するようにあらかじめ測定して求めておく。
【０１９２】
位置変換器５５を第２スキャナ用ドライバアンプ５６に接続し、さらに第２のスキャナ２６に接続する。すると、マルチプレクサ用タイミング信号６６で順次選択した最適位置４２ａ、４２ｂ、４２ｃへ第２のスキャナ２６によって焦点４０が移動する。
【０１９３】
第１のスキャナ１０でプローブ集合体が動いても、第２のスキャナ２６が同期して動き、選択したプローブの最適位置に焦点４０を追従させることができる。その結果、タイムチャートに示すように、それぞれのプローブ２２ａ〜２２ｃに焦点があたった時に光量信号４６、および光位置信号４７が出力される。
【０１９４】
一方、サンプル用タイミング信号６７は、微小な待ち時間δだけ、マルチプレクサ用タイミング信号６６から遅れた信号であり、２つのサンプルホールド装置６９ａ、６９ｂに接続する。
【０１９５】
各サンプルホールド装置６９ａ、６９ｂは、入力信号を３つに分割してサンプリングし、次のサンプリングまで保持して出力する、いわゆるサンプルアンドホールド動作を行うもので、その動作タイミングをサンプル用タイミング信号６７で制御できる。
【０１９６】
ここで、待ち時間δは、マルチプレクサ用タイミング信号６６に対応して、第２のスキャナ２６が動き、プローブで反射した光が光検出手段３７に入射して光量信号４６と、光位置信号４７が出力されるまでの時間遅れに対応するものである。図２１のタイムチャートに示したように、光位置信号４７がマルチプレクサ用タイミング信号６６のタイミングで変化し始め、待ち時間δが経過して信号が安定した時に、サンプル用タイミング信号６７によってサンプルアンドホールド動作を行っている。
【０１９７】
タイミング発生装置６５の切り替え速度が十分速ければ、あたかも複数のプローブ２２ａ〜２２ｃに対応した複数の光源、複数の光学系、複数の光検出手段があるのと同じことになる。つまり、本実施例によれば、複数のプローブ２２ａ〜２２ｃのそれぞれのたわみを測定でき、多点の同時測定、すなわちマルチプロービングが可能になる。
【０１９８】
サンプルホールド装置６９ａの入力には、光検出手段３７の光位置信号４７を接続し、３つのプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに対応した光位置信号４７ａ、４７ｂ、４７ｃに分割する。
【０１９９】
サンプルホールド装置６９ｂの入力には、光検出手段３７の光量信号４６を接続し、３つのプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに対応した光量信号４６ａ、４６ｂ、４６ｃに分割する。
【０２００】
次にプローブのたわみをフィードバックする制御系について説明する。前述したように、プローブのたわみは、被測定物１とプローブ間に作用する力、いわゆる原子間力によって引き起こされるので、光検出手段３７の光位置信号４７は原子間力を表す。あらかじめ目標の原子間力を定め、その原子間力に対応する光位置目標値４９を定めておく。そして３本に分割した光位置信号の一本を選択する。本実施例では３本のプローブ２２ａ〜２２ｃのうち、中央のプローブ２２ｂに対応した光位置信号４７ｂを選択して、説明を続ける。他のプローブを選択しても同じことである。
【０２０１】
次に選択した光位置信号４７ｂから光位置目標値４９を差し引き、Ｚ微動軸用補償器５０、Ｚ微動軸用ドライバアンプ５１からなる制御系を通してＺ微動軸１８にフィードバックする。Ｚ微動軸用補償器５０はフィードバック制御系を安定に保つために必要なもので、例えばＰＩＤ制御則といったものが知られている。
【０２０２】
このように、一つの信号を選択すれば、プローブが一本のときと同じである。
【０２０３】
このフィードバック制御系によって、光位置信号４７の変化を打ち消すように第１のスキャナ１０のＺ微動軸１８を動作させる。光位置信号４７ｂは原子間力を表しており、Ｚ微動軸１８はプローブ２２ｂと被測定物１の相対距離を変化させるものであった。つまり、このフィードバック制御を行うことによって原子間力が一定となる高さ情報の測定が可能になる。これはゼロ位法による測定である。
【０２０４】
このゼロ位法の制御によって、第１のスキャナ１０のＺ軸は被測定物１のでこぼこに従って上下方向に移動する。この上下の動きが大きいと、プローブが光てこの光軸方向に大きく動くことになる。その結果、プローブ上で焦点を結ばなくなるので、従来技術では大きな課題となっていたが、本実施例によれば、焦点の光軸方向の位置を第１のスキャナ１０のＺ軸の変位に従って調節することができるので、この課題も解決できる。
【０２０５】
また、被測定物１の測定範囲全面を走査するＸＹスキャン目標位置５３を発生させ、ＸＹスキャナ用ドライバアンプ５４を介してＸＹスキャナ７を駆動する。
【０２０６】
３本のプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに対応した位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃはあらかじめ準備しておく。このデータは、ＸＹスキャナ７および、Ｚ微動軸１８からなる第１のスキャナ１０のＸ、Ｙ、Ｚ位置に対応する第２のスキャナ２６の位置の関係であり、その位置関係を保てば、光てこ光学系の焦点位置がプローブ位置と一致するものである。この位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃの作成方法については後述する。
【０２０７】
マルチプレクサ６８を用いて、タイミング信号６６に同期して、３つの位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃのうちの一つを選択する。選択した位置変換データ５２ｂと、第１のスキャナ１０の位置、すなわち補償器５０の出力とＸＹスキャン目標位置５３を位置変換器５５に接続し、その出力を第２スキャナ用ドライバアンプ５６に接続し、第２のスキャナ２６を駆動する。
【０２０８】
位置変換データ５２ｂおよび位置変換器５５の動作については、マルチプレクサ６８で一本のプローブを選択した後は、実施例１と同じであるから説明は省略する。
【０２０９】
図２２に本実施例による原子間力顕微鏡の位置変換データ５２ａ〜５２ｃを求めるフローを示す。
【０２１０】
ステップ１１０で位置変換データ５２ａ〜５２ｃをそれぞれ初期化する。位置変換データ５２ａ〜５２ｃに異常な値がセットされていると第２のスキャナ２６がまったく動かないといった事態も考えられるので、まず初期化しておく。初期値として実施例１と同様に、（２）式で示す簡単なモデルが使用できる。この段階では位置変換データ５２ａ〜５２ｃが正確である必要はないので、（２）式の机上検討結果で十分である。
【０２１１】
ステップ１１１でＺ粗動ステージ５を上方に逃がし、プローブ集合体を被測定物１から離す。ステップ１１２で第１のスキャナ１０の位置を測定領域から選択する。測定領域を有限個の格子点に分割し、それぞれの格子点を順番に選択し、第１のスキャナ１０を選択した格子点の位置に移動する。
【０２１２】
ステップ１１３で第２のスキャナ２６を用いて光学系を走査し、光量信号４６ａ〜４６ｃのマップを測定する。
【０２１３】
ステップ１１４で光量が正常範囲にあることを確認する。異常の場合はエラー停止する。
【０２１４】
光量マップ全体が光量不足の場合、光てこ光学系のアライメントが非常に大きくずれているか、プローブ集合体が外れているといった故障が考えられるので、エラー停止する。
【０２１５】
ステップ１１５で光量マップから焦点をあてる最適位置を決定する。
【０２１６】
光量マップからプローブ２２ａ〜２２ｃの位置および形を読みとることができるので、図１９に示すようにプローブ２２ａ〜２２ｃの反射面で焦点４０をあてる最適位置４２ａ〜４２ｃを求めることができる。
【０２１７】
ステップ１１６で、測定領域全領域を網羅してなければ、第１のスキャナ１０を次の位置に移動し、ステップ１１２に戻る。
【０２１８】
このループにより、測定領域を網羅する有限個の格子点において、最適な焦点位置を実現するための、第１のスキャナ位置に対応する第２のスキャナ位置が求まった。これは（２）式の入力と出力、つまりＸ位置とＹ位置のペアの集合である。
【０２１９】
ステップ１１７で、位置変換データ５２ａ〜５２ｃを計算する。すなわち、（２）式の入出力のペアの集合を使い、最小２乗法によって係数を計算する。（２）式は多項式のモデルであり、もし、残差が大きい場合には多項式の次数を上げれば精度を向上できる。こうして得られた係数が位置変換データ５２ａ〜５２ｃである。
【０２２０】
図２３は原子間力顕微鏡の全体の測定動作のフローを示す。まず、ステップ２１０でＺ粗動ステージ５を上方に逃がし、被測定物１をＸＹ粗動ステージ２にセットする。ステップ２１１で光検出手段３７の光量信号４６が正常範囲にあることを確認する。異常の場合はエラー停止する。例えば光量が不足している場合は、光てこ光学系のアライメントがずれているか、プローブ集合体が外れているといった初期設定ミスが考えられるので、エラー停止する。また、光てこ光学系のアライメントずれの場合には前述した手順に従って、位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃを再設定すれば再び測定可能になる。
【０２２１】
ステップ２１２で光検出手段３７の光位置信号４７が正常範囲にあることを確認する。異常の場合はエラー停止する。光位置信号４７は、光てこの作用によって拡大されたプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃのたわみを表している。この信号が、あらかじめ定めておいた閾値よりも異常に大きい場合はプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃがもともと大きくゆがんでいることが考えられるのでエラー停止する。
【０２２２】
ステップ２１３で光検出手段３７の光位置信号４７にオフセットを設定し、出力をゼロにする。プローブ集合体と被測定物１とが離れている状態で、光位置信号４７のオフセットをとる。光てこ光学系の微小なアライメント誤差や、電気系のオフセット誤差をキャンセルするために行う。ステップ２１４で光位置信号４７が、あらかじめ設定した値になるまで、Ｚ粗動ステージ５を移動する。光位置信号４７は、光てこの作用によって拡大されたプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃのたわみ、すなわち、プローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃと被測定物１の間に作用する力の大きさを表している。この力が、あらかじめ設定した値になるまでＺ粗動ステージ５を上げ下げする。その結果、プローブ２２は被測定物１に非常に接近し、原子間力の影響が現れる。
【０２２３】
ステップ２１５で光位置信号４７の出力が一定になるように、Ｚ微動軸１８にフィードバック制御をかける。
【０２２４】
前述したように、このフィードバック制御により、ゼロ位法による測定が可能になる。この制御がかかると、プローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃと被測定物１に作用する力が一定になり、Ｚ粗動ステージ５は被測定物１の凹凸に応じて上下することになる。
【０２２５】
ステップ２１６で測定範囲において、第１のスキャナ１０を走査する。測定範囲に対して、プローブ集合体を走査し、測定範囲全体の光位置信号４７、Ｚ微動軸１８の位置を記録する。このとき、図２０の制御ブロック図で説明したように、位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃを用い、第１のスキャナ１０の位置、すなわち、Ｚ微動軸１８およびＸＹスキャナ７の位置に対応して第２のスキャナ２６の位置を制御する。この制御により、光てこ光学系の焦点４０が常にプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ上に追従する。また、タイミング信号６６によって位置変換データ５２ａ、５２ｂ、５２ｃが切り替わるため、順次各プローブに焦点を移動させることができる。
【０２２６】
ステップ２１７で測定結果を計算し、表示、保存する。ここで、測定結果とは、横軸に、第１のスキャナ１０のＸＹ位置をとり、縦軸にＺ微動軸１８の位置をとったものである。
【０２２７】
前述したように、光位置信号４７は、プローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃと被測定物１の間に作用する力、いわゆる原子間力を表しており、これが一定になるようにＺ微動軸１８にフィードバック制御をかけた。従ってさきほどの測定結果とは、原子間力が一定になる被測定物１の凹凸マップを表している。
【０２２８】
また、フィードバック制御では、たとえわずかであっても制御偏差が発生する。この制御偏差があっても、光位置信号４７の出力をＺ方向の変位に換算した値を測定値に加えることによって補正することができる。このときの換算率とは被測定物１の移動量と光位置信号４７の移動量の割合である。この割合はＸＹ位置を変えずに、プローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを徐々に被測定物１に押し込むことによって測定できる。また、原子間力の計算モデルを用いて計算することもできる。
【０２２９】
ステップ２１８でＺ粗動ステージ５を上方に退避し、被測定物１をＸＹ粗動ステージ２からはずす。
【０２３０】
本実施例によれば、第２のスキャナ２６により、第１のスキャナ２０の位置に応じて焦点位置を調節することにより、各プローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃの焦点を合わせることができる。また、焦点位置を３次元的に調節することができるため、光軸方向のずれにも対応可能である。
【０２３１】
第２のスキャ２６を用いて光検出手段３７の光量をモニタすることにより、最適な焦点位置の検出が可能であり、最適な焦点位置の表を作成し、それを用いて第１のスキャナ１０の位置に対応して第２のスキャナ２６の位置を制御する。これによって、常に焦点位置を各プローブの最適位置に保持することが可能となる。
【０２３２】
各プローブ交換時のアライメント調整についても、本実施例によれば焦点位置の検出や焦点位置の調整に人の動作や判断などが必要なく、自動でできるため簡便に対応できる。
【０２３３】
なお、図１８において、矢印Ａの方向にプローブ集合体を走査すれば、３本のプローブ２２ａ〜２２ｃで３箇所を同時に測定することになるので測定時間が３分の１ですむ。さらに多点を同時に測定すればそれだけ測定時間を短縮することが可能である。また、矢印Ｂの方向にプローブ集合体を走査すれば、同じ直線上で３箇所を同時に測定した結果が得られる。この測定結果に「３点法」と呼ぶ技術を適用することにより、走査するときに発生する運動誤差をキャンセルし、測定精度を向上することができる。
【０２３４】
前述のように第１のスキャナ１０とは独立して、第２のスキャナ２６で光てこ光学系の焦点を所望の位置に動かして、次々と３つのプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに焦点をあてることが可能である。そして、その時の光検出手段３７の出力信号と第１のスキャナ１０の位置から、それぞれのプローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに対応した測定値を計算することにより、多点の同時測定、つまりマルチプロービングが可能になる。
【０２３５】
次に、マルチプロービングの効果について詳しく説明する。
【０２３６】
図１８において、矢印Ａの方向にプローブ集合体を走査すれば、異なる３箇所を同時に測定することになるので測定時間が３分の１ですむ。また、矢印Ｂの方向にプローブ集合体を走査すれば、同じ直線上で３箇所を同時に測定した結果が得られる。この測定結果に「３点法」と呼ぶ技術を適用することにより、走査するときに発生する運動誤差をキャンセルすることができる。ここで、簡単に「３点法」を説明する。
【０２３７】
測定方向の位置をｘとし、３つの測定結果をｚ1 （ｘ）、ｚ2 （ｘ）、ｚ3 （ｘ）、３つのプローブの間隔をδとし、２階微分を表す次の差分式ｇ（ｘ）を計算する。
【０２３８】
【数３】
0004810251.tif 000004
上式はプローブ集合体の運動誤差の影響をキャンセルしている。例えば上下の運動誤差があると、３つの測定結果、ｚ1 （ｘ）、ｚ2 （ｘ）、ｚ3 （ｘ）に同じオフセットが加わるが、上式からｇ（ｘ）は影響されないことがわかる。
【０２３９】
そして、上式を２回積分すれば形状が得られる。こうして計算した測定結果はプローブ集合体の運動誤差をキャンセルしている。
【０２４０】
本実施例によれば、実施例１による効果に加えて、次の課題についても解決できる。
【０２４１】
従来技術ではマルチプロービングへの対応が困難であったが、第２のスキャナを用いて、焦点を高速に移動させることよって、複数のプローブそれぞれのたわみを測定でき、多点の同時測定、すなわちマルチプロービングが可能になる。さらに、マルチプロービングにより、多点同時計測が可能になるので測定時間を短縮できる。また、マルチプロービングにより、「３点法」を使用することで測定精度を向上できる。
【０２４２】
なお、図２１に示したタイミング信号６６は、３つのプローブを単純に繰り返して選択するものであったが、選択の順番を変えても同じである。例えばａ、ｂ、ｃ、ｂ、ａと繰り返せば、中央のプローブについては周辺のプローブに対して２倍のサンプリング周波数を得ることができる。
【実施例７】
【０２４３】
図２４は実施例７を示す。本実施例は、実施例６の装置の光学系にオートフォーカス装置を組み込んだものであり、その他の構成については実施例６と同様であるから同一符号で表し、説明は省略する。
【０２４４】
オートフォーカス装置は、ハウジング６に固定して、ハーフミラー５８、レンズ５９、シリンドリカルレンズ６１、４分割フォトダイオード６２を配設する。
【０２４５】
プローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃのうちの一つで反射した光は焦点がプローブ反射面上にあることから、拡散していく光である。その光は偏光ビームスプリッタ３４で反射し、ハーフミラー５８に入射する。その透過光は光検出手段３７に入射し、反射光はレンズ５９で収束する光に変換され、シリンドリカルレンズ６１を通過し、４分割フォトダイオード６２に入射する。
【０２４６】
この非点収差を利用したオートフォーカス装置は、プローブの反射面で反射した光の光路にハーフミラーを設け、ハーフミラーで分岐した光を、オートフォーカス装置に導き、光量マップに加えてオートフォーカス装置の出力を用いてプローブの位置を計算する。
【０２４７】
光軸方向についてもプローブから反射した光は拡散するため、光検出手段に入射する光量が減少するので、光軸に垂直方向と同様、光量をみながら最適な位置を探索できる。しかし、光てこ光学系の開口数は小さいため、光軸方向のずれには鈍感、つまり焦点深度が長い。従って光検出手段の光量で検出できる光軸方向のずれは感度が低い。
【０２４８】
そこで、プローブで反射した光をハーフミラーで分岐させ、オートフォーカス装置で光軸方向のずれを検出する。オートフォーカス装置はいくつか種類があり、いずれもよく知られた技術であるが、前述のように、非点収差を利用した方法は広く応用されている。
【０２４９】
オートフォーカス装置を用いることにより、光軸方向のずれに対しても測定精度が向上し、焦点位置をより正確にプローブ位置に一致させることができるため、測定精度を向上できる。また、オートフォーカス装置を用いて光軸方向のずれを測定し、光検出手段の光量で光軸に垂直な方向のずれを測定すれば、全方位に対して高い精度で位置変換データを得ることができる。
【０２５０】
また、前述したように、プローブのたわみ、従ってプローブと被測定物の間に作用する力が一定になるように、Ｚ微動軸にフィードバックする、いわゆるゼロ位法による測定を行う場合、被測定物表面の凸凹に応じてＺ微動軸、そしてプローブも上下する。この上下動によって光てこ光学系の焦点位置も光軸方向にずれることになるが、本実施例によれば、光軸方向に対しても高い精度で位置変換データを得ることができるため、光軸方向のずれを高精度に補正することが可能である。特に粗面を測定する場合、Ｚ微動軸の変位が大きくなるのでこの技術の重要度が高い。
【実施例８】
【０２５１】
図３５は実施例８を示す。本実施例は、実施例６に対して、プローブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃのうちの一つからの反射光の光路にガルバノミラー７１、７２を組み込んだところが異なる。その他の構成については実施例６と同様であるから同一符号で表し、説明は省略する。
【０２５２】
ガルバノミラーは電磁力などを利用して高速に鏡の角度を制御することができる光偏向装置として広く用いられている。１つの回転角度を制御できるガルバノミラーを２つ組み合わせて光の向きを２方向に制御することも可能である。また、トーションバーを用いたプレーナー型のガルバノミラーを光学系の中に配置することにより、焦点位置を高速に移動させることができる。
【０２５３】
ハウジング６に固定して半導体レーザーなどの光源２３を設け、出射する光を光ファイバ２４に導く。光ファイバ出射端２５、つまり点光源を、ハウジング６に固定し、やはりハウジング６に固定したレンズ３３で収束光線を得る。２つのガルバノミラー７１、７２をハウジング６に固定して設け、収束光線を２つのガルバノミラー７１、７２で反射させると、この光線の向きを変更することが可能になる。
【０２５４】
ここで、ガルバノミラーとは、電磁力などを利用して小型軽量ミラーの角度を制御する装置であり、例えばサーボモータの回転軸にミラーを固定した構造を持った装置である。小型ミラーと高出力モータを採用することにより、高速に光線の向きを変化させることが可能である。
【０２５５】
ガルバノミラーの角度を調整することにより、光線の向きが変わるので、焦点位置を変化させることが可能となる。ガルバノミラーを用いているので、さらに高速な焦点位置のスキャンが可能になる。
【０２５６】
従って、測定時間が短い原子間力顕微鏡を構成することができる。
【０２５７】
また、本実施例では鏡を回転型のサーボモータで構成するガルバノミラーを用いたが、シリコンウエハを加工して製作されるトーションバーを応用したガルバノミラーを用いてもよい。
【０２５８】
また、本実施例では鏡をレンズ３３と偏光ビームスプリッタ３４の間に配置したが、光路中ならどこに入れてもよい。例えばプリズム３６とプローブ集合体の間に入れても、焦点位置を変更する作用については同様である。
【図面の簡単な説明】
【０２５９】
【図１】実施例１を示す模式図である。
【図２】図１の装置の第２のスキャナの作用を説明する図である。
【図３】図１の装置の第１のスキャナの構成を示す平面図である。
【図４】図１の装置の第２のスキャナを示す斜視図である。
【図５】図１の装置のスキャナ制御装置の構成を説明するブロック図である。
【図６】図１の装置のプローブを説明する図である。
【図７】図１の装置の光学系の焦点とプローブの反射面を説明する図である。
【図８】図１の装置の位置変換データを得るための光量マップを示す図である。
【図９】図１の装置の位置変換データを求める工程を示すフローチャートである。
【図１０】図１の装置の測定動作を示すフローチャートである。
【図１１】実施例２を示す模式図である。
【図１２】図１１の装置のオートフォーカス装置を説明する図である。
【図１３】図１１の装置のオートフォーカス作用を説明する図である。
【図１４】実施例３を示す模式図である。
【図１５】実施例４を示す模式図である。
【図１６】実施例５を示す模式図である。
【図１７】実施例６を示す模式図である。
【図１８】図１７の装置のプローブ集合体を示す斜視図である。
【図１９】図１７の装置の光学系の焦点とプローブ集合体の関係を説明する図である。
【図２０】図１７の装置のスキャナ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２１】図１７の装置のマルチプロービングにおけるタイムチャートを示す図である。
【図２２】図１７の装置の位置変換データを求める工程を示すフローチャートである。
【図２３】図１７の装置の測定動作を示すフローチャートである。
【図２４】実施例７を示す模式図である。
【図２５】実施例８を示す模式図である。
【図２６】一従来例を示す模式図である。
【図２７】別の従来例を示す模式図である。
【符号の説明】
【０２６０】
１    被測定物
２    ＸＹ粗動ステージ
３    ベース
４    除振台
５    Ｚ粗動ステージ
６    ハウジング
７    ＸＹスキャナ
１０    第１のスキャナ
１８    Ｚ微動軸
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ    プローブ
２３    光源
２４    光ファイバ
２５    光ファイバ出射端
２６    第２のスキャナ
３３    レンズ
３４    偏光ビームスプリッタ
３５    ４分の１波長板
３６    プリズム
３７    光検出手段
４８    スキャナ制御装置
６１    シリンドリカルレンズ
６２    ４分割フォトダイオード
７１、７２    ガルバノミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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