(57)【要約】【課題】照射部分からカンチレバーへ向けての集光機構とアライメント調整機構を簡素化して装置全体を小型化できる微小変位検出装置を提供する。【解決手段】カンチレバーの探針１Ａの設けられた一方の面に対する他方の面に照射面3Ａから照射光２を照射する照射部材２１と、カンチレバー１の他方の面からの反射光４を受光面５Ａに受光する受光部材２２と、を一体化して、同一のアライメント調整機構８に取付け、該アライメント調整機構８で照射部材２１と受光部材２２を同時に操作できるようにした。【選択図】図１
2005069806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーを試料に接触させ、カンチレバーの一方の面に設けられた探針と試料間に働く原子間力によるカンチレバーの撓みを検出することにより、試料表面の形状を検出する微小変位検出装置において、
カンチレバーの探針の設けられた一方の面に対する他方の面に照射面から照射光を照射する照射部材と、カンチレバーの他方の面からの反射光を受光面に受光する受光部材と、を一体化して、同一のアライメント調整機構に取付け、該アライメント調整機構で照射部材と受光部材を同時に操作できるようにしたことを特徴とする微小変位検出装置。
【請求項２】
受光部材は複数分割受光素子又は複数分割導波路により構成され、照射部材は複数分割受光素子又は複数分割導波路で周囲を囲むように配置されて複数分割受光素子又は複数分割導波路に一体に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の微小変位検出装置。
【請求項３】
受光部材は、２分割又は４分割の受光素子又は導波路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の微小変位検出装置。
【請求項４】
照射部材は、発光素子、又は一端が発光素子に接続されて発光素子からの光を導波路を通過させて該導波路の他端の照射面から照射光を照射する導波路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小変位検出装置。
【請求項５】
複数分割受光部材の各分割導波路は、一端がそれぞれ受光素子に接続されてカンチレバーの他方の面からの反射光を各導波路の他端の受光面から入力させて導波路内を通過させて前記受光素子に間接的に受光させている導波路であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小変位検出装置。
【請求項６】
照射部材の照射光の照射面を光照射面であるカンチレバー背面に１００ミクロン以下のところまで近づけた状態で、照射光をカンチレバー背面に当てることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小変位検出装置。
【請求項７】
照射部材の照射光の照射面を光照射面であるカンチレバー背面に１ミクロン以下のところまで近づけた状態で、照射光をカンチレバー背面に当てることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の微小変位検出装置。
【請求項８】
照射光が当てられるカンチレバー背面にはカンチレバーからの反射光を絞って反射させる凹面鏡が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の微小変位検出装置。
【請求項９】
照射部材の照射光の照射面にはレンズが配置されており、照射光は、照射部材からの光をレンズを通過させて発散角を狭めてから照射されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の微小変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは光を用いた位置および角度の精密計測に関し、特に光テコ法を用いたナノメートルスケール以下の微小変位の検出および原子間力顕微鏡の変位検出に適した光テコ法式のカンチレバー変位検出手段を有する微小変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡の１つに原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がある。これは微細加工によって作られたカンチレバーを試料に接触（又は近接）させ、カンチレバーの先端につけられた探針と試料間に働く原子間力によるカンチレバーの撓みを検出することにより、試料表面の形状を検出するものである。カンチレバーの撓みを検出する手段としては、光テコ法式のカンチレバー変位検出手段を有し、該手段の入射レーザー光のアライメントを調節できるようにした微小変位測定装置が知られている。（例えば特許文献１参照）
【０００３】
特許文献１に記載された光テコ法式のカンチレバー変位検出手段を有する微小変位測定装置の概略原理図を図６に示す。図６において、微小変位測定装置１００は、試料１１１の表面を探触する探針１１０を有するカンチレバー１０７と、このカンチレバー１０７の変位を検出する光テコ法式の変位検出手段を有している。この光テコ法式変位検出手段に、照射光１０６をアライメント調整するための光軸調整機構（以下アライメント調整機構と称す）１０３が設けられていて、受光部分１０２で検出する反射光の強度が最大となるように、照射光１０６がカンチレバー１０７に当たる位置の調節を行うものである。
【０００４】
照射部分１０１と受光部分１０２は分かれてそれぞれ独立したアライメント調整機構１０３と１０４を有しており、さらに照射部分に集光レンズ１０５を置いて照射光１０６を絞ってカンチレバー１０７に照射していた。アライメント調整機構１０４には、基板１０９が取付けられており、基板１０９に固定されている受光部分１０２が、カンチレバーからの反射光１０８を受光する。
【特許文献１】特開平１０−１０４２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、テコ法式微小変位検出装置を設置をするためには、照射部分からカンチレバーへ向けての集光を行う集光機構が必要があり、また、照射部分を駆動するアライメント調整機構が必要であり、さらにカンチレバーからの反射光の位置を受光部分へ調整するために、受光部分を駆動するアライメント調整機構が必要であった。この集光機構と各アライメント調整機構を構成するための部品が必要となるため、装置全体を小型化することが非常に困難であった。
【０００６】
また、従来は光テコ法において照射部分からカンチレバーまでの距離およびカンチレバーから受光部分までの距離を数センチメートルにするのが慣習であり、照射部分および受光部分をカンチレバーに接近させるということを行わないでいたので、照射部分と受光部分を合わせると少なくとも数センチ角の大きさにならざるをえなかった。
【０００７】
解決しようとする問題点は、照射部分からカンチレバーへ向けての集光機構とアライメント調整機構の部品のために、装置全体を小型化することが非常に困難である点である。
【０００８】
本発明は、照射部分からカンチレバーへ向けての集光機構とアライメント調整機構を簡素化して装置全体を小型化できる微小変位検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、カンチレバーを試料に接触させ、カンチレバーの一方の面に設けられた探針と試料間に働く原子間力によるカンチレバーの撓みを検出することにより、試料表面の形状を検出する微小変位検出装置において、カンチレバーの探針の設けられた一方の面に対する他方の面に照射面から照射光を照射する照射部材と、カンチレバーの他方の面からの反射光を受光面に受光する受光部材と、を一体化して、同一のアライメント調整機構に取付け、該アライメント調整機構で照射部材と受光部材を同時に操作できるようにしたことを特徴とする微小変位検出装置である。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、受光部材は複数分割受光素子又は複数分割導波路により構成され、照射部材は複数分割受光素子又は複数分割導波路で周囲を囲むように配置されて複数分割受光素子又は複数分割導波路に一体に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の微小変位検出装置である。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、受光部材は、２分割又は４分割の受光素子又は導波路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の微小変位検出装置である。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、照射部材は、発光素子、又は一端が発光素子に接続されて発光素子からの光を導波路を通過させて該導波路の他端の照射面から照射光を照射する導波路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小変位検出装置である。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、複数分割受光部材の各分割導波路は、一端がそれぞれ受光素子に接続されてカンチレバーの他方の面からの反射光を各導波路の他端の受光面から入力させて導波路内を通過させて前記受光素子に間接的に受光させている導波路であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小変位検出装置である。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、照射部材の照射光の照射面を光照射面であるカンチレバー背面に１００ミクロン以下のところまで近づけた状態で、照射光をカンチレバー背面に当てることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小変位検出装置である。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、照射部材の照射光の照射面を光照射面であるカンチレバー背面に１ミクロン以下のところまで近づけた状態で、照射光をカンチレバー背面に当てることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の微小変位検出装置である。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明は、照射光が当てられるカンチレバー背面にはカンチレバーからの反射光を絞って反射させる凹面鏡が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の微小変位検出装置である。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、照射部材の照射光の照射面にはレンズが配置されており、照射光は、照射部材からの光をレンズを通過させて発散角を狭めてから照射されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の微小変位検出装置である。
【発明の効果】
【００１８】
受光部材の受光面が、照射部材の照射面とカンチレバーの背面（反射面）に近いので、照射光が広く発散しない状態であるため、照射ｔ部材の照射面付近の集光機構が不要になるだけでなく、一つのアライメント調整機構で照射部材と受光部材を同時に操作できるようになり、さらに受光部材の受光面の面積は小さくてよいという利点がある。
【００１９】
そのため、ＡＦＭの光テコ法式検出計全体を数ミリ角望むらくは１ミリ角以下にしてマイクロチップ化することが可能となるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
カンチレバーの探針の設けられた一方の面に対する他方の面に照射面から照射光を照射する照射部材と、カンチレバーの他方の面からの反射光を受光面で受光する受光部材と、を一体化して、同一のアライメント調整機構に取付け、該アライメント調整機構で照射部材と受光部材を同時に操作できるようにして、照射部材の照射面からカンチレバーへ向けての集光とアライメント調整機構を簡略化して装置全体の小型化を実現した。
【実施例１】
【００２１】
図１（ｂ）は、照射部材と受光部材が一体の光テコ法式微小変位検出装置を実現する本発明装置の第１実施例の概略図で、（ａ）は（ｂ）に示す検知部材を下面からみた平面図である。
【００２２】
図１において、光テコ法式微小変位検出装置１０は、カンチレバー１を試料１１に接触させ、カンチレバー１の一方の面に設けられた探針１Ａと試料１１間に働く原子間力によるカンチレバー１の撓みを検出することにより、試料１１の表面の形状を検出するカンチレバー１の探針１Ａの設けられた一方の面に対する他方の面（背面）に照射面3Ａから照射光２を発する照射部材２１にはレーザーダイオード素子３が使用されている。このレーザーダイオード素子３は、カンチレバー１の背面からの反射光４を受光面５Ａに受光する４分割フォトダイオード５の中心付近に設けて一体化して検知部材２３を形成してある。この第１実施例では、受光部材２２に４分割フォトダイオード５が使用されているが、４分割フォトダイオード５では、各分割部分のフォトダイオードが受光する反射光の強度を各分割部分毎に検出している。前記の受光部材２２としては２分割フォトダイオードを使用してもよい。
【００２３】
この小型化した検知部材２３をカンチレバー１に１００ミクロン以下望むらくは１ミクロン以下に近づけることにより、照射光２がカンチレバー１の背面に収まるように位置調整をすれば、４分割フォトダイオード５の大きさが直径１ｍｍ以下でも反射光４は必ず４分割フォトダイオード５のそれぞれに入るようにできる。よって、ＡＦＭのカンチレバー１を含めた全部のテコ法式微小変位検出装置が小型化できる。受光部材２２を形成している４分割フォトダイオード５は、上下方向と左右方向の直っすぐな分割線６，６が略直角に交わって４分割されている。４分割フォトダイオード５とレーザーダイオード素子３を一体化した検知部材２３は、基板７に固定されて、基板７とともに同一のアライメント調整機構８に取付けられている。アライメント調整機構８は検知部材２３の位置と角度を調整し、照射光２をカンチレバー１に当てるようにし、また、同時にカンチレバー１の背面からの反射光４を検知部材２３の４分割フォトダイオード５の受光面５Ａに受光させるように、照射部材２１と受光部材２２を同時に操作できるものである。
【実施例２】
【００２４】
図２（ｂ）は、本発明装置の第２実施例の概略図で、探針１Ａと試料１１は図１（ｂ）と同様であるので省略している。（ａ）は（ｂ）に示す検知部材を下面からみた平面図である。
【００２５】
図２において、カンチレバー１の変位を検出するための光テコ法式微小変位検出装置１０の照射部材２１には、端面を照射面3Ａとして照射光２を発する導波路である光ファイバー１３が使用されている。光ファイバー１３は、カンチレバー１の背面からの反射光４を受光面に受光する受光部材２２としての４分割フォトダイオード５の中心付近に設けて一体化して検知部材２３を形成してある。
【００２６】
受光部材２２を形成している４分割フォトダイオード５は、上下方向と左右方向の直っすぐな分割線６，６が略直角に交わって４分割されている。アライメント調整機構８及びアライメント調整機構８に取付けられた基板７には貫通孔１７，１８が設けられ、４分割フォトダイオード５と光ファイバー３Ａは、アライメント調整機構８及びアライメント調整機構８に取付けられた基板７とともに貫通孔１７，１８に光ファイバー３Ａを貫通させた状態で基板７に固定されている。アライメント調整機構８は検知部材２３の位置と角度を調整し、照射光２をカンチレバー１に当てるようにし、また、同時にカンチレバー１の背面からの反射光４を検知部材２３の４分割フォトダイオード５の受光面５Ａで受光するようにするものである。そのほかの条件は図１の場合と同じである。
【実施例３】
【００２７】
図３（ｂ）は、本発明装置の第３実施例の概略図で、探針１Ａと試料１１は図１（ｂ）と同様であるので省略している。（ａ）は（ｂ）に示す検知部材を下面からみた平面図である。
【００２８】
図３において、カンチレバー１の変位を検出するための光テコ法式微小変位検出装置１０の照射部材２１には、端面を照射面3Ａとして照射光２を発する導波路である光ファイバー１３が使用されている。また、この実施例では、受光部材２２としては、４分割光ファイバー束１５が使用されており、４分割光ファイバー束１５の一端はカンチレバー背面からの反射光４を４分割光ファイバー束１５の受光面１５Ａで受光する導波路となっていて他端は受光素子に接続されている。光ファイバー１３は、４分割光ファイバー束１５の中心付近に設けて一体化して検知導波路２４を形成してあり、受光部材２１と照射部材２２が一体に形成されて、アライメント調整機構８に設けた貫通孔１８に貫通して固定されている。この第３実施例では、受光部材２２に４分割光ファイバー束１５が使用されているが、４分割光ファイバー束１５では、各分割部分の光ファイバー束が受光する反射光の強度を各分割部分毎に検出している。前記の受光部材２２としては２分割光ファイバー束を使用してもよい。
【実施例４】
【００２９】
図４は、本発明装置の第４実施例の概略図で、カンチレバー１の背面に凹面鏡６を設けた構成が異なる他は図１（ａ）と同様の構成である。また、探針１Ａと試料１１は図１（ｂ）と同様であるので省略している。
【００３０】
図４において、反射面であるカンチレバー１の背面に凹面鏡１６を設けると、凹面鏡１６により反射光４を絞り、受光部５でのレーザー光のスポットの大きさを小さくする。これにより、光テコ法式検出計の感度が向上するだけでなく、受光部分の面積を小さくすることが出来るため光テコ法式微小変位検出装置をより一層小型化出来る。８は照射光をカンチレバーに当てるように位置と角度を調整するためのアライメント調整機構である。この第４実施例のようにカンチレバー１の背面に凹面鏡１６を設ける構成は、第１実施例だけでなく図２、図３の第２実施例、第３実施例のいずれの場合にも適用できる。
【実施例５】
【００３１】
図５は、本発明装置の第５実施例の概略図で、照射部材２１（レーザーダイオード素子３）の前面にレンズ１４を配置した構成が異なる他は図１（ａ）と同様の構成である。また、探針１Ａと試料１１は図１（ｂ）と同様であるので省略している。
【００３２】
図５において、照射部材２１（レーザーダイオード素子３）の照射面から照射された光をレンズ１４に通すことにより発散角を狭めて、カンチレバー背面と受光面でのレーザー光のスポットの大きさを小さくする。これにより、照射部材をカンチレバー背面に１００ミクロン以下に近づけなくても、照射光がカンチレバーからはみ出さないため、光テコ法式微小変位検出装置を実現出来る。つまり照射部分の光軸と受光部材の受光面の光軸を同じまたは非常に近づけることにより、照射部材２１と受光部材２２は、１つの共通のアライメント調整機構８で済むので光テコ法式微小変位検出装置を小型化出来る。この第５実施例のように照射部材２１の前面にレンズ１４を配置した構成は、第１実施例だけでなく図２、図３の第２実施例、第３実施例のいずれの場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、一つのアライメント調整機構で照射部材と受光部材を同時に操作できるようにして、照射部材の照射面からカンチレバーへ向けての集光とアライメント調整機構を簡略化して装置全体の小型化を実現したので、ＡＦＭの光テコ法式検出計全体を数ミリ角望むらくは１ミリ角以下にしてマイクロチップ化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】照射部分と受光部分が一体の光テコ法式微小変位検出装置を実現する装置の第１例である。（実施例１）
【図２】照射部分と受光部分が一体の光テコ法式微小変位検出装置を実現する装置の第２例である。（実施例２）
【図３】照射部分と受光部分が一体の光テコ法式微小変位検出装置を実現する装置の第３例である。（実施例３）
【図４】照射部分と受光部分が一体の光テコ法式微小変位検出装置の第４例である。（実施例４）
【図５】照射部分と受光部分が一体の光テコ法式微小変位検出装置の第５例である。（実施例５）
【図６】従来の光テコ法式微小変位測定装置の原理図の一例である。
【符号の説明】
【００３５】
１  カンチレバー
１Ａ  探針
２  照射光
３  レーザーダイオード素子
3Ａ  照射面
４  反射光
５  ４分割フォトダイオード
５Ａ，１５Ａ  受光面
６  分割線
７  基板
８  アライメント調整機構
１０  光テコ法式微小変位検出装置
１１  試料
１３  光ファイバー
１４  レンズ
１５  ４分割光ファイバー束
１６  凹面鏡
１７，１８  貫通孔
２１  照射部材
２２  受光部材
２３  検知部材
【図１】
2005069806.tif 000003
【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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