(57)【要約】【課題】  本発明の課題は大きい寸法の物体の表面を、ナノあるいはサブナノメータの感度で測定しながら走引し、該物体の形状を求めることである。【解決手段】  物体の表面の原子と探針の原子の間に働く力が、クーロン力より強い引力であることを探針を保持する片持梁を共振させ、探針を保持する片持梁の振動を干渉計で測定し、干渉計の測定波に含まれる共振周波数の２次の高調波およびさらに高次の高調波のスペクトルの強度の変化から知り、該高調波のスペクトルの強度が一定の値になるよう片持梁その他を移動させ物体の表面の走引をおこなう。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロシヨンプリズムやウオーラストンプリズム等、２つの固有偏光に応じ光の伝播方向を分岐する偏光素子により１つの偏光を２つの前記固有偏光の方位の成分に分割し、直交した２つの偏光の平行光を、該偏光素子を通過させた後、微小撓み振動を行なっている片持梁と等価な振動体の一つの面を理想焦点、あるいは子午的あるいは球欠的焦点とする集光素子により、前記振動体の一つの面上の２点に集光し、該集光した光の反射光の内、再び前記の偏光素子を通過した光を重ね合わして干渉させ該干渉光を２乗検知した干渉電気信号の、基本正弦波の２次以上の高調波を取り出すことを特徴とする偏光分割型の振動測定計。
【請求項２】
請求項１における偏光として偏光の方位が直交し且つ周波数の異なる２つの偏光の平行光を用い該２つの偏光を分岐する偏光素子の固有偏光の方位と一致させて該偏光素子に入射し、焦点で反射して再び偏光素子を通過した光を重ね合わして干渉させ該干渉光を２乗検知した干渉電気信号と、前記の異なる周波数の光を重ね合わして２乗検知して得られる参照電気信号の位相差の直流の値および時間的変化即ち基本正弦波の０次と２次以上の高調波を取り出すことを特徴とする偏光分割型の振動測定計。
【請求項３】
請求項１および請求項２において２次以上の高調波だけではなく、基本正弦波を取り出すことを特徴とする偏光分割型の振動測定計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は広い領域に亘り、非接触の原子間力を利用して試料の面の形状をナノ、サブナノメータの感度で測定するための探針を持つ片持梁の振動位置測定装置に関するものである。原子、分子の配列等を観測するものではない。
【背景技術】
【０００１】
【０００２】  現在、非接触の原子間力顕微鏡の研究が地に着き始めたところである。原子間隔とポテンシヤルエネルギは原子間隔が大きい処では平坦で、小さくなると低くなり始め、次いで２次曲線で近似されるポテンシヤルミニマムがあり２次曲線が平坦部の準位を越えるころから急速に高くなる。ポテンシヤルミニマムより原子間隔が大きく、低くなり始めより小さい領域が非接触の領域でここでは、原子間に引力が働く。
この引力は、探針を持つ片持梁（ＴＩＰ  ＬＥＶＥＲ）の共振周波数のシフトや振幅の増加で検出されている。Ｙ．Ｍａｒｔｉｎ，ｅｔ．ａｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６１  ４７２３（１９８７）、ここでは数ＫＨｚで振動させており、共振周波数のシフトに追随する制御系を開発いる。続いて、Ｍ．Ｓｔａｒｋ，ｅｔ．ａｌ．，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ７０  ３６１５（１９９９）やＡ．Ｄ．Ｌ．Ｈｕｍｐｈｒｉｓ，ｅｔ．ａｌ．，Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ４９１  ４６８（２００１）、さらに、ＣＮＲＳでは３００ＫＨｚ付近で共振させている。また、共振の振幅については振幅を数オングストローム或いはそれ以下にする研究が進んでいる。森田清三他、表面科学２６  ３５１（２００５）というのが現状である。しかし以上は原子間力顕微鏡として原子のまわりを見るのが目的である。【０００３】  本発明は原子間力顕微鏡の世界とは目的が異なるが、技術的な問題点は類似している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明が解決しようとする課題は、大きい物体の形を非接触的にナノ、サブナノメータの感度で知ろうとするものである。非接触的なナノ、サブナノメータの感度の測定法としては光学的な干渉を用いた形状測定法があるが、被測定面が平面的であればよいが、急な斜面を含むと測定が不可能になる。従ってここでは、斜面の非接触的な測定を可能にする非接触的原子間力顕微鏡の手法を利用し、大きい物体を対象とするので、高速性を最優先の特性とした形状の測定装置の提供をおこなう。【０００５】  高速の走引のため、ポテンシヤルミニマムより充分大きい処で、探針の先端が測定対象の原子に近付いたことを検知した方がよい。該領域ではポテンシヤルＵは漸近的に
Ｕ（ｒ）〜−Ｄ／ｒＳ  ：  ｓ＞２
となると考えるのが一般的である。対象が負イオンとして、ハートリー近似で扱う場合にはｒ〜∞で指数関数的に０に近付くと考え、クーロン引力の場が∞まで拡がっているとするとｓ＝１であり測定の手段には使えないであろうし、解析的、定量的に扱うのは難しい。また、片持梁の振動変位の測定の面でも、一般のヘテロダン干渉計で取り扱うと楽であるが、この場合、ヘテロダイン干渉の検知信号をＩＦとすると、
ＩＦ＝ｓｉｎ（ωｈｔ＋ｇｓｉｎωｃｔ――ωｈ）＝ｓｉｎ（ｇｓｉｎωｃｔ）
の形となり、ベッセル関数となる。ωｈはヘテロダンの角周波数（直交する二つの偏光の角周波数差）、ωｃは探針を持つ片持梁の振動の角周波数である。つまり片持梁の振動が正弦波ｇｓｉｎωｃｔであっても、ＩＦ信号はベッセル関数のため、高調波を持つので、後述するが、困難につながる。
この引力の検出法の実現と、大地等の振動に対し、影響をうけない干渉計の光学系の決定が、発明が解決しようとする課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  原子間隔が充分大きい処での引力の検出の課題を解決する手段であるが、ポテンシヤルＵの形から引力（絶対値）ＦはＦ〜Ｃ／ｒｍ：ｍ＞３であるがこれをｅｘｐ（−ｒ／ｚ）で近似すると、共振時の角周波数ω０はω０［１−（１／２ｋ）（∂Ｆ／∂ｒ）］だけシフトする。このシフトの量からｒの値を知ることが出来、現実に、非接触型原子間力顕微鏡で用いられている。ｚ（ｔ）は片持梁の振幅であり、ｋは探針を持つ片持梁の弾性定数である。波の周波数がシフトすると同時に、引力により波形が歪む。即ちｒが∞の時正弦波的に振動していた探針を持つ片持梁の先端は引力の働く圏内に入るとｒの小さい側に背伸びした形の波となる。この波形の歪みは偶関数的であり、振動波の偶数次の微分波形あるいは偶数次の高調波のスペクトルを求めると検出が容易となる。さらに、整数次の高調波の検出を行なえばよい。そこで前記のベッセル関数の高調波が問題になる。【０００７】  干渉測定はホモダインとヘテロダインの二つの法が考えられる。ホモダインの場合は干渉信号をその侭採用し、ヘテロダインの場合は、干渉信号と参照信号の位相差のみを信号として採用することとする。つまり干渉信号光のドップラシフト周波数の周期の最大値より偏光間の周波数の周期を充分大きくとる。この場合にはベッセル関数は現れない。また、この場合はＤＣ成分の値も必要で、０次を含む高調波の検出となる。高調波の検出は、位相差の変化を電圧の変化に変換した信号と、周波数可変の発振器ＶＣＯの分周信号とを、ミキサで掛け合わせ、電気的なヘテロダイン検波により行なう。また、同じ発振器ＶＣＯの別の分周々波数を基本波として探針を持つ片持梁の共振周波数に合わせて振動の励起を行なえばよい。また、ＤＣ成分の測定と、ロックイン増幅をおこなって高次の高調波成分の選び出しを同時におこなってもよい、信号の高次の周波数成分のピークは、フーリエ級数の高次の項の係数である。【０００８】  検針が被測定面に近付くと探針を持つ片持梁の共振周波数はシフトするので、周波数可変の発振器ＶＣＯの周波数は変化させる必要があるが、この課題は前記の文献にある通りで解決済みである。【０００９】  大地等の振動に対し影響をうけない干渉計の光学系の決定の課題は干渉計のサンプル光線と参照光線の光路を近付けることにより解決する。光線をロシヨンプリズムあるいはウォーラストンプリズムにより常光線と異常光線に分岐して集光レンズで集光すれば２つの焦点に集光点像が出来る。この２つの集光点像を、探針を持つ片持梁の固定端と先端の近くにおき固定端に近い光線を参照光線とすれば、外部の振動の影響を受けにくい系が出来る。集光レンズの設計は一つの難点である。集光点像を小さくすること、と片持梁の反射光を出来るだけ多く平行光線として、前記のプリズムに送り込むという問題であり、何れにせよ相当ＮＡの大きいレンズになる。【００１０】  探針を持つ片持梁の断面形状により、集光レンズに非点収差を持たせた方が良い場合もある。即ち、一方向についてのみシヤープな集光点像を利用した方がより安定度が増す場合がある。
【発明の効果】
【００１１】  大きい寸法の三次元的な精密測定は平面的なものは光学的に非接触で行なえるが、焦点距離の短い非球面レンズのように、傾斜の度合いが大きい場合は、探針が用いられているが接触的であり、被測定面に測定跡を残す。これは探針法の極めて大きい欠点である。本発明により、探針を非接触でもちいることで測定跡を残さないで傾斜の度合いが大きい面を含む物体のサブナノメ−タの感度を持つ形状測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
【実施例】
【００１３】  発明を実施するための最良の形態については、実施例の図面を用いて説明する。図１は本発明の実施例の一つであり、ホモダイン方式に属する。レーザ７から偏光方位が紙面に対し４５°の光が出ており、この光は光アイソレータ６を通過の後ビームエキスパンダ４より太い平行光線となり偏光の紙面内の成分はロシヨンプリズム１の常光線として該プリズムを屈折の法則に従って直進してレンズ２に入射する。一方偏光の紙面に垂直な成分は屈折の法則に従うことなく分岐斜行してレンズ２に入射する。この２つの平行光線はレンズの焦点で２つの焦点像となる。ロシヨンプリズムの分岐角を小さくすることは容易であるので、２つの焦点像間の間隔は容易に小さくできる。ウオーラストンプリズムは分岐角が大きいので２つの焦点像間の間隔は小さくするのは難しい。探針を持つ片持梁２５の上面が前記の焦点の面になっている。この面で反射あるいは散乱された光の内レンズ２に還った光はレンズにより太い平行光線となり少なくとも一部はロシヨンプリズム１に還りビーム分割器３を経て、方位が４５°の偏光子５で２つの偏光の電界は重ねられビームエキスパンダ４で細い平行光線となり２乗検知器８で電気信号に換えられる。この電気信号は、基本波の周波数の整数倍の周波数をもつ局部発振交流とミキサ１０で電気的なヘテロダイン検波が行なわれ、ローパスフィルタ１１で、探針を持つ片持梁８の共振周波数の整数倍の周波数を持つ高調波成分が取り出され、この周波数成分の値が一定になるように探針を持つ片持梁８や光学系の一部等を上下に動かせて表面形状の測定をおこなう。
局部発振交流は、可変周波数発信器（ＶＣＯ）１５の出力周波数をプリセッタブルカウンタ１３で分周し、更にバンドパスフィルタ９で正弦波に整形してつくる。
このデーター処理はデーター処理器１２で行なう。また、図１の点線で囲った干渉光学系の部分２０を一まとめにして以後、「光学系２０」と呼ぶ。【００１４】  可変周波数発信器（ＶＣＯ）１５の変発周波数は、２乗検知器８の出力の基本波の周波数を基本周波数検出器１７で検出して周波数−電圧変換器１６で電圧に換え、該電圧により制御される。
また該発振周波数を別の値にプリセットされたプリセッタブルカウンタ１３で探針を持つ片持梁の共振周波数をつくり更にバンドパスフィルタ３０で正弦波に整形して片持梁の駆動素子１４を駆動する。前記のように、この駆動は片持梁の共振周波数の変化に追随するよう制御されているがこの制御は本発明の範囲外である。【００１５】  図２は１つの偏光Ｅを２つの偏光成分ＥｘとＥｙに別ける様子を示す図である。【００１６】  図３は請求項２に対応した他の実施例である。本実施例は周波数の異なり偏光の方位が直交した２周波レーザ光を用いた場合、つまり光ヘテロダインの場合の例である。２周波レーザ光を得るには、ゼーマンレーザを用いてもよいし、１周波レーザ光と光音響素子で２周波レーザ光を得てもよい。本例は後者である。レーザ７の光は、光音響素子２１で、偏光が直交した２周波レーザ光に変換され、光学系２０へ入射する。この際、直交した２周波レーザ光の一方の偏光の方位はロシヨンプリズムの常光線の偏光方位に、レーザ光の他方の偏光の方位は異常光線の偏光方位に一致させ、光ヘテロダイン干渉光学系の構成をおこなう。探針を持つ片持梁の面上における２つの焦点像の周波数が異なるが、その他は図１の実施例の光学系と同じである。２つの焦点像からの反射あるいは散乱光の一部は入射光路再帰して２乗検知器８で交流電気的信号に変換される。一方２周波レーザ光の一部がガラス板１８で取り出され、４５°の方位を持つ偏光子２４で電界が重ねられた後、２乗検知器１９で検知され、電気的な参照交流信号となる。そして２乗検知器８で得られる交流電気的信号と参照交流信号との間の位相差が、位相差検出器２２により求められる。位相差検出器で位相差の変化波形を電圧信号波形に変換すると、探針を持つ片持梁の振動波形は位相差を変換した電圧の信号波形として現れる。この信号波形の高調波を基本波の周波数の整数倍の周波数の局部発振信号と、位相差を電圧に変換した位相差信号波をミキサを用いて掛け合わせ、電気的なヘテロダイン検波をおこない検波の出力（ＩＦ）即ち、位相差信号波の高調波成分の値が一定になるように、探針を持つ片持梁と光学系の一部を上下して試料表面の形状をもとめる。このヘテロダインの場合位相差信号波のＤＣ成分の変化も重要である。０次の高調波として扱うか、別途直流成分として扱うかどちらでもよい。
局部発振信号は、可変周波数発信器（ＶＣＯ）１５と、プリセッタブルカウンタ１３およびバンドパスフィルタ９でつくられる。また他の値にプリセットされたプリセッタブルカウンタ１３とバンドパスフィルタ２６で探針を持つ片持梁２５の駆動を駆動素子１４でおこなう。
２乗検知器８で得られる交流電気的信号で可変周波数発信器（ＶＣＯ）の発振周波数を制御しているが、これは本発明の範囲外である。
一つの偶数次の高調波より奇数次も含むいくつかの次数の高調波を用いてもよい。また基本波と高調波のスペクトルの比を用いてもよい。図４はいくつかの次数の高調波を求めるための構成図であり周波数可変発信器（ＶＣＯ）１５と複数個のプリセッタブルカウンタ１３やミキサ１０およびバンドパスフィルタ９を並べ複数の高調波のスペクトルを使用して判断を行なうものである。判断はスペクトル処理器２６でおこなう。
【産業上の利用可能性】  非球面レンズ等、比較的大きい物体で形状の精密な測定を必要とするものは多く、将来種類も増加するであろうし、要求される感度も高くなるであろう。非球面レンズの例でも、非球商の形が僅かに変っても収差が大きく変ることは光線追跡をすれば、明確になる。また、取り扱う波長が短い光学素子の面、例えば波長が１６ｎｍの極紫外光（軟Ｘ線）をあつかう凹面鏡等々光学の分野でも対象は多い。現在、光学干渉的に測定できない傾斜を含む面に対しては、探針が用いられており、ＡＭＦ的なものもあるが、ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔＡＭＦではない。従って測定に際し原理的に走引の跡が残る。跡が残る事はよくない。本発明はｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ  ＡＭＦの手法に準じると同時に、走引の高速化と測定のための光学系の安定化をはかったもので走引跡を残さない探針を用いた表面形状のナノあるいはサブナノメータの感度をもつ測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の実施例で特に光学系を明記した図である。
図２は図１の光の電界の２つの成分をしめす説明図である。
図３は本発明の他の実施例の図である。
図４は本発明の信号処理についての実施例の図である。
【符号の説明】
１        ロシヨンプリズム
２        集光レンズ
３        ビーム分割器
４        ビームエキスパンダ
５        方位が４５°の偏光子
６        光アイソレータ
７        レーザ
８        ２乗検知器
９        バンドパスフィルタ
１０      ミキサー
１１      ロウパスフィルタ
１２      データ処理器
１３      プリセッタブルカウンタ
１４      駆動素子
１５      可変周波数発信器（ＶＣＯ）
１６      周波数−電圧変換器
１７      基本周波数検出器
１８      ガラス板
１９      ２乗検知器
２０      光学系
２１      光音響素子
２２      位相差検出器
２３      位相差信号処理器
２４      方位４５°の偏光子
２５      探針を持つ片持梁
２６      バンドパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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