(57)【要約】【課題】走査プローブ顕微鏡の探針をきわめて高速に駆動しつつ、探針と試料の接触状態の検出・探針の加振を光学的に行うことを可能とし、大型の半導体基板、フラットディスプレイ基板のような、試料側を駆動できないような試料に対応した、高速走査プローブ検出を可能とする。【解決手段】探針と試料の接触状態の検出・探針の加振を光学的に行うための光線を、平行光線の状態で試料観察用の対物レンズの下に導入して、さらに、対物レンズ下にカンチレバーと共に駆動されるように取り付けた微小な集光レンズでカンチレバー上の一定の点に集光して照射することにより、カンチレバーが移動しても常にカンチレバー上の一定の位置を照射することが可能となり、また、集光レンズは微小なので、カンチレバー駆動部の動特性に影響を与えず、高速にカンチレバーを走査して試料を観察・測定することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を載置した試料台と探針を備えたカンチレバーとの相互の位置関係を制御する駆動機構と、前記カンチレバーの変形状態を光学的に計測するセンサを備え、試料の立体表面形状を含む前記試料の表面分布を計測する走査プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバーと前記試料を観察する光学顕微鏡を備え、前記カンチレバーの変形状態を光学的に計測するセンサの構成部品のうち少なくとも一つの光学素子が前記光学顕微鏡と前記試料の間に配置され、前記駆動機構と一体で駆動されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を備えたカンチレバーに光を照射することによって熱的に変形させる光学系を備え、該光学系の構成部品のうち前記光学顕微鏡と前記試料の間に配置される少なくとも一つの光学素子を、前記カンチレバーの変形状態を光学的に計測するセンサと共有することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項２に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を備えたカンチレバーに照射する光の強度変調によって、前記探針の振動が励起されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針または該探針を保持するための探針保持部または探針と前記試料台との相互の位置を制御する駆動機構に電気信号を与えることによって、前記探針の振動が励起されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を備えたカンチレバーに照射したレーザ光の干渉を用いて、前記探針の変形または振動が検出されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を備えたカンチレバーに照射した光の反射角度の変化を用いて、前記探針の変形または振動が検出されることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
集光レンズを、探針を備えたカンチレバーと一体化し、前記集光レンズの焦点位置にカンチレバーが来るように位置合わせされた走査プローブ顕微鏡用の探針ユニット。
【請求項８】
請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡用の探針ユニットにおいて、前記集光レンズに加えて、ミラー及び／又は波長板を含む光学要素を探針を備えたカンチレバーと一体化し、前記集光レンズの焦点位置にカンチレバーが来るように位置合わせされた走査プローブ顕微鏡用の探針ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，走査プローブ顕微鏡及び走査プローブ顕微鏡用探針ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning  Probe  Microscope）が知られている。これは先端のとがった探針の取り付けられたカンチレバーを制御しながら，接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技術で，原子オーダの微細立体形状が計測できる技術として，広く用いられている。
【０００３】
一方，現在、ＬＳＩの微細パターン形成プロセスではＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ）を用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、プロセスのマージンが減少するため，平面的な寸法だけでなく，パターンの立体的な形状寸法を正確に測定して，プロセスを管理する必要が増大している。
【０００４】
このために，走査プローブ顕微鏡技術が有望と思われる。この場合、大口径の半導体ウェハを測定する必要があるため、通常の走査プローブ顕微鏡に用いられる試料側を走査する方法では、試料が重く高速の測定が困難である。そのため、試料側ではなく探針側を高速に走査して測定を行う技術が望まれる。
【０００５】
これに対して，特許文献１では，探針および試料を観察する対物レンズを通してカンチレバーの検出や加振を行う光ビームを照射しながら，カンチレバーを走査しつつ，常にビームをカンチレバー上の所定の位置に照射するために，対物レンズをプローブ操作機構と一体で駆動する方法が示されていた。
【特許文献１】特開２００６−３２９９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，上記した方法を用いても、質量の大きい対物レンズを高速に駆動せねばならないため、十分な速度を得ることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の走査プローブ顕微鏡は、試料を載置した試料台と探針を備えたカンチレバーとの相互の位置関係を制御する駆動機構と、前記カンチレバーの変形状態を光学的に計測するセンサを備え、試料の立体表面形状を含む前記試料の表面分布を計測する走査プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバーと前記試料を観察する光学顕微鏡を備え、前記カンチレバーの変形状態を光学的に計測するセンサの構成部品のうち少なくとも一つの光学素子が前記光学顕微鏡と前記試料の間に配置され、前記駆動機構と一体で駆動されることを特徴とする。
また、本発明の走査プローブ顕微鏡用探針ユニットは、集光レンズを、探針を備えたカンチレバーと一体化し、前記集光レンズの焦点位置にカンチレバーが来るように位置合わせされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、カンチレバーを走査する間、常にカンチレバーの検出や加振を行う光ビームをカンチレバーの所定の位置に照射するための、小形で質量の小さい光学系を具備することにより、カンチレバーの走査を高速で行うことと、光によるカンチレバーの検出・加振を両立し、走査プローブ顕微鏡による走査・測定速度を向上できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明にかかわる走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に駆動が可能な試料ステージ３０２上に試料５０１が載せられており、走査制御部２０１によって制御されている。探針を先端に形成したカンチレバー１０３を取り付けたカンチレバー移動機構２５２はＸＹＺ走査駆動部２０３からの信号によってＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動され、これによって走査プローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。
【００１１】
カンチレバー駆動部２０２からの信号により、カンチレバー１０３自身あるいは、カンチレバーの根元に配置された圧電素子などで構成されたアクチュエータに微小振動を生じることが出来る。あるいは、別の実施例として、カンチレバー駆動部２０２からの信号はＸＹＺ走査駆動部２０３からの信号に重畳されて、カンチレバー移動機構に微小振動を起こすことで取り付けられたカンチレバー１０３に振動を励起してもよい。あるいは後述のように、カンチレバーに直接振動励起光を照射することで微小振動をカンチレバー１０３に励起してもよい。微小振動は探針１０４と試料５０１との接触状態を検出するために用いるが、微小振動をもちいずに試料５０１との接触によって生起されるカンチレバー１０３の静的な変形を用いて接触状態を検出してもよい。
【００１２】
１０１はカンチレバー・試料観察レンズであり、上方からの試料５０１・カンチレバー１０３の観察、試料の高さ測定をこのレンズを通して行う。探針１０４と試料５０１との接近は、試料ステージ３０２のＺ方向への駆動制御あるいは、カンチレバー移動機構２５２に持たせたＺ方向粗動機能によってもよい。走査制御部２０１は、接触状態検出器２０５によって検知された探針１０４と試料５０１の接触状態をもちいて、探針１０４と試料５０１との接近を制御する。
【００１３】
近接センサ２０４はカンチレバー１０３の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサであり、接触状態検出器からの情報に加えてこれを用いた場合は、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御することで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。近接センサ２０４には後述するように光を用いてもいいが、検出範囲が数十マイクロメートル以上あり、１マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセンサであればほかのセンサを用いてもよい。
【００１４】
たとえば、図示しない試料５０１の直上に設けたセンサヘッドあるいは探針１０４と試料５０１との間に交流電圧をかけることによって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、図示しない試料５０１の直上に設けたセンサヘッドと試料５０１との間にセンサヘッドからの空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用いてもよい。
【００１５】
走査制御部２０１は探針の接触状態検出器２０５、近接センサ２０４、探針を先端に形成したカンチレバーホルダ駆動部２０３、カンチレバー駆動部２０２、試料ステージ３０２を制御して探針の近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をＳＰＭ像形成装置２０８に送ることによって、試料の表面形状像を得る。また、信号印加装置２０７はカンチレバーを高周波数で加振して応答を接触状態検出器２０５で検出し表面の弾性などを計測したり、カンチレバーと試料の間に交流あるいは直流電圧をかけて電流を測定し、容量あるいは抵抗を計測したりする。
【００１６】
これをカンチレバーのスキャンと同時に行うことによってＳＰＭ像形成装置２０７に表面形状像のほかに、付加的性質の分布像を得ることが出来る。装置全体の動作は全体制御装置２５０によって制御され、表示・入力装置２５１によって、操作者の指示を受けたり、光学像やＳＰＭ像を提示したりすることが出来る。
【００１７】
以下、探針１０４の接触状態の検出原理について図２をもちいて説明する。探針１０４を先端に形成したカンチレバー１０３はカンチレバー移動機構２５２に取り付けられている。カンチレバー１０３がカンチレバー移動機構２５２によって押し下げられて探針１０４が試料５０１に接触すると、カンチレバー１０３が撓み、角度が変化する。レーザ光をカンチレバー１０３に照射しその反射光のスポット位置をポジションセンサ１１６で検出する。すると、図２の上下方向にスポットが移動した場合はカンチレバー１０３にたわみが生じていることを示し、これより、探針１０４にかかる上下方向の力Ｆｚを測ることが出来る。また、図２の左右方向にスポットが移動した場合はカンチレバー１０３に捻れが生じていることを示し、これより、探針１０４にかかる奥行き方向の力Ｆｙを測ることが出来る。なお、ポジションセンサ１１６による信号の低周波成分を検出すれば、カンチレバーの静的な捩れや撓みが検出でき、高周波成分を検出すれば、カンチレバーの捩れ振動や撓み振動の振幅・位相・周波数などを検出でき、静的な捩れや撓み、振動の振幅・位相・周波数のいずれの情報も探針１０３と試料５０１の接触力や接触力の勾配といった、接触状態を表していることになり、これによって接触状態検出器２０５は接触状態を検知できる。
【００１８】
ここで、たわみの検出について詳しく述べる。図３のようにカンチレバー１０３にたわみを生じさせる力は、探針にかかる上下方向の力Ｆｚと探針にかかる左右方向の力Ｆｘの２種類がある。カンチレバーのヤング率をＥ、長さをＬ、幅をｗ、厚さをｄ、探針の高さをｈｔとする。カンチレバー１０３上の根元からの距離ｘにおける傾きをθ（ｘ）とすると、
【数１】
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のような関係がある。図３（ｂ）のように、上向の力Ｆｚだけがかかるときはカンチレバー１０３の中心部でも先端部に近い傾きを生じる。対して図３（ｃ）のように横向きの力Ｆｘのみがかかるときは、カンチレバー１０３の中心部の傾きは先端部の半分の傾きとなる。一つの実施例として、カンチレバー１０３に複数の光を当てて、複数の点の傾きを測ると探針１０４にかかる２方向の力、ＦｘとＦｚを分離して検出できる。たとえば、カンチレバー１０３の先端（ｘ＝Ｌ）と、中点（ｘ＝Ｌ／２）に光を当てると、それぞれ照射位置でのカンチレバ１０３の傾きは、
【数２】
2009128139.tif 000004
【数３】
2009128139.tif 000005
となり、ポジションセンサ１１６の出力もこれに比例する。これらの式をＦｘ、Ｆｚに関して解くと、下記のように２種類のポジションセンサ１１６の出力から探針１０４にかかる２方向の力、ＦｘとＦｚが下記のように算出できる。
【数４】
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【数５】
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【００１９】
以上によって、２本の光線をカンチレバー１０３に照射して反射方向を検出することで、探針にかかる３方向の力を分離して検出することが出来る。２箇所の照射位置は上記の例にとらわれず、ある程度はなれた２点に照射すれば同様に力の分離検出が可能なことは言うまでもない。
【００２０】
次に、図４を用いてカンチレバー１０３の傾きを検出する別の実施例を示す。図のように先端にレーザービーム１３０を照射して、参照光との干渉信号を検出することでカンチレバー１０３の先端の変位を検出することが出来る。参照光は後述のように検出部内部で合成してもよいし、図４（ａ）の１３０’のように、カンチレバー１０３の根元に照射して、この部分の高さを基準としてもよい。図４（ｂ）はカンチレバー１０３を上から見た図である。カンチレバー１０３の撓みだけでなく捩れも同時に検出するために、検出用のレーザ１３０をａ、ｂの２箇所にそれぞれ照射して、変位Ｚａ、Ｚｂを測定し、（Ｚａ＋Ｚｂ）／２から撓みを、（Ｚａ−Ｚｂ）から捩れを検出することが出来る。参照光１３０’を照射する場合は図４（ｂ）のｃの位置に照射すればいい。別の実施例として、カンチレバー１０３の振動状態を検出する場合には、ａの場所一箇所だけに検出用レーザー１３０を照射して、カンチレバー１０３のたわみ振動モード・捩れ振動モードに対応する周波数の振動をそれぞれ検出すれば、たわみ振動モードと捩れ振動モードを分離して振幅・位相・周波数を検出することが可能である。
【００２１】
また、カンチレバー１０３上に強度変調されたレーザを照射することで熱誘起応力起因の振動を誘起することが可能である。照射位置や強度変調の周波数を適切に選ぶことで、任意の振動モードの振動を一種類、あるいは、変調周波数を複数重畳することで、２種類以上の振動モードの振動をカンチレバー１０３に誘起することが可能となる。
上記示したように、カンチレバーの振動・変形状態の検出やカンチレバーに対する振動励起のため、カンチレバー１０３に複数のレーザを照射し、目的に応じてい反射光を検出する必要がある。この照射位置は、検出や加振の目的によって適切な位置に設定する必要がある。さらに、大型の半導体ウェハなどを高速・高精度で走査するために、試料５０１ではなく、カンチレバー１０３の側を走査する必要がある。以下、上記課題を実現するための実施例について説明する。
【実施例２】
【００２２】
図５は光学系の一実施例を示す図である。７００、７００’、７００”はカンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット、あるいは、加振用レーザユニットである。これらから出た光１３０は可動ミラー７４０、７４０’、７４０”で反射されて、向きを微調整される。これらの光は、７１２、７１２’で表した光を一定の強度割合で反射／透過するハーフミラーやある波長を境として反射・透過が替わるダイクロイックミラーや偏光状態によって反射／透過が替わる偏光ビームスプリッタで合成される。さらに、レンズ７８０、７８１をへて、ミラー７８９で下向きに反射されて、必要に応じて波長板７２５をへて、レンズ７９０でカンチレバー１０３上に集光される。カンチレバー１０３で反射した光はレンズ７９０で再び平行光に変換され、波長板７２５を使用する場合はこれを通る。
【００２３】
波長板は４分の１波長板を用いると、直線偏光の入射光を円偏光に変換し、カンチレバーによる円偏光の反射光を、入射光と直交する直線偏光に変換することが可能である。さて、波長板７２５を透過した光はミラー７９０で反射され、レンズ７８１、レンズ７８０を透過して、ミラー７１２、可動ミラー７４０を経てレーザ光源・検出系ユニット／加振用レーザユニット７００に戻る。ここで、カンチレバー１０３を取り付けたカンチレバー移動機構２５２にカンチレバー１０３の直上のレンズ７９０は取り付けられ、カンチレバー１０３の根元部分と一体に動く。レンズに平行光を入射した場合、つねにレンズの焦点面上のレンズからの相対位置が固定の一点に集光されるので、上記構成によって、カンチレバー１０３が駆動されて移動しても上の特定の位置を常に照射することが可能となる。
【００２４】
このレンズ７９０はサイズが小さく軽いレンズで構成することが可能なため、カンチレバー駆動機構２５２を高速に駆動することが可能となる。ミラー７８９は固定でもよいが、この場合は、カンチレバー１０３に照射される光の入射方向がレンズ７９０の移動に伴って若干変わることになる。ミラー７８９をレンズ７９０と共にカンチレバー駆動機構２５２と一体に駆動すれば、常に同じ入射方向を保ちながらカンチレバー１０３上の照射位置を追従することが可能となり、より好ましい。
【００２５】
ここで、可動ミラー７４０、７４０’、７４０”について説明する。これらのミラーはレーザの反射方向を紙面に平行な方向と紙面に垂直な方向の２方向に微調整できる２自由度の可動ミラーである。ミラーの方向を変えることによって、レンズ７８０の後の集光位置、および、ここと共役なカンチレバー１０３上の照射位置を移動させることが可能である。ここで、カンチレバー１０３にたいする照射方向を変えずに照射位置だけを変えるためには、可動ミラー７４０、７４０’、７４０”の位置はレンズ７８０と７８１の系にたいして、レンズ７９０の瞳位置とほぼ共役となっているのが望ましい。
【００２６】
以上、述べた実施例によって、カンチレバー１０３上の複数のビームを照射して高速にカンチレバー１０３の走査動作に照射位置を追従させることと、カンチレバー１０３上の照射位置を調整することが可能となる。なお、上記例では、ユニット７００が３式の場合で説明したが、１式以上の任意の個数のユニット７００を用いて同様に装置が構成できることは言うまでもない。
【００２７】
ここで、図１３を用いて、あらかじめ調整されたカンチレバーユニットの実施例について説明する。前述のように、検出光・励起光はミラー７８９、波長板７２５、集光レンズ７９０を介してカンチレバー１０３の背面を照射する。この場合、カンチレバー１０３を交換するとき、カンチレバーの位置がずれるので光学系を再度調整する必要がある。しかし、カンチレバー１０３と集光レンズ７９０の間の位置関係があらかじめ一定に調整されて図１３（ａ）に示すようにユニットになっていれば、ユニットの位置が若干ずれていてもユニットの角度がばらつかなければ、カンチレバー１０３上の集光位置は入射光の角度だけできまる。よって、図１３（ａ）に示すようなカンチレバー＝集光レンズユニットを用いれば、ユニットを装着するだけで、光学系の調整不要ですぐ測定が出来るようになる。別の実施例として、図１３（ｂ）のように、カンチレバー１０３と集光レンズ７９０のほかに、ミラー７８９、波長板７２５なども一体化したユニットとしてもよい。
【００２８】
ここで、試料観察系の説明をする。照明光源１５４より観察用照明光は出射し、コンデンサレンズ１５３を通り、ビームスプリッタ１５５で反射し、１０１の対物レンズを通って試料５０１および、探針を先端に形成したカンチレバー１０３を照明する。反射光は再び対物レンズを透過し、ビームスプリッタ１５５を透過して結像レンズ１５２で結像され、イメージセンサ１５１で検出される。
【００２９】
以下、カンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット／加振用レーザユニット７００についての様々な実施例を示す。
図６（ａ）はカンチレバーの振動状態を検出する目的の光学系である。２周波光発生器７０１からは周波数ｆ１と周波数ｆ１＋Δｆと周波数がわずかにずれた２本のビーム（７９１と７９２）が発生する。２本のビームはたとえば、レーザからの光をビームスプリッタで分けて一方を音響光学素子に通すことで周波数をΔｆだけずらすことによって発生する。あるいは、互いに偏波面の直交した２本のビームを発生する２周波レーザも市販されている。第一のビーム７９１は偏光ビームスプリッタ７２２で反射される方向に偏光して２周波光発生器７０１から出射する。前述のように出射した光１３０はカンチレバー１０３の背面に照射される。
【００３０】
ここで反射された光は４分の１波長板７２５の効果によって、偏光方向を９０度回転されて偏光ビームスプリッタ７２２に戻ってくる。偏光方向が９０度回転しているため、偏光ビームスプリッタ７２２は透過して、その次の偏光ビームスプリッタ７２３も透過する。
ここで、２周波光発生器７０１から出たもう一方の周波数ｆ１＋Δｆのビーム７９２を偏光方向が偏光ビームスプリッタ７２３で反射する方向に調整しておくと、７２３で反射されるため、ここで、探針を先端に形成したカンチレバー１０３から反射してきた光と合流し、偏光板７２１を通過してフォトダイオード７２０に到達する。
【００３１】
ビーム７９１と７９２の偏光板７２１通過時の偏光方向は直行しているが、偏光板７２１を両ビームの偏光方向の中間の角度に傾けることで、両ビームは干渉を起こし、周波数Δｆの光強度変化を発生するので、これをフォトダイオード７２０で検出する。なお、フォトダイオード７２０の前に受光面上にレーザを集光するためのレンズ７２９を置いてもよい。
【００３２】
ここで、図１の接触状態検出器２０５の動作について説明する。
検出された光強度信号Ａ（ｔ）の交流成分はｃｏｓ２π（Δｆｔ＋２Ｚ／λ）となる。ここで、Ｚは探針を先端に形成したカンチレバー１０３の振動による変位、λはレーザの波長、ｔは時間である。従って、この信号の位相を検出することによって探針を先端に形成したカンチレバー１０３の変位を求めることが出来る。位相の検出には２周波光発生器７０１中の音響光学素子に与えた周波数Δｆの信号か、または、２周波光発生器７０１から発生する２本のビームの一部分を分岐して探針を先端に形成したカンチレバーに当てないで直接干渉させることによって得られる周波数Δｆの信号を基準として用いて、Ａ（ｔ）と共に位相検出回路に入力すればよい。
【００３３】
あるいは、光強度信号Ａ（ｔ）自身とこれをΔｔだけ遅延させた信号Ａ（ｔ―Δｔ）の位相差を検出すれば、この位相差の変化成分は２（Ｚ（ｔ）−Ｚ（ｔ−Δｔ））／λとなるので、Δｔの間のＺの変化すなわち、Ｚの速度を検出できることとなる。
【００３４】
このようにして検出した探針を先端に形成したカンチレバー１０３の振動は信号発生器２０７に与えられ、バンドパスフィルターで発振させたい周波数帯の信号を選択し、適当な位相差とゲインをあたえてから、探針を先端に形成したカンチレバー駆動部２０２を介して探針を先端に形成したカンチレバー１０３にフィードバックされ探針を先端に形成したカンチレバー１０３を加振する。あるいは、振動励起用光源７０２に与えられ、探針を先端に形成したカンチレバー１０３に照射される光強度を変調しこれによって探針を先端に形成したカンチレバー１０３を直接加振する。位相差とゲインが適切に設定されると、探針を先端に形成したカンチレバーが必要な振幅で振動を起こす。
【００３５】
なお、本実施例は２周波光を用いたいわゆるヘテロダイン検出を用いているが、代わりに単一の周波数の光をもちいたホモダイン検出を用いてもよい。この場合、参照光７９２として周波数ｆ１の光を分岐して用い、フォトダイオード上で検出することには変りがないが、位相を検出するために、図７のようにハーフミラー７２６でレーザを分岐して一方はミラー７２７で反射させ、λ／４板７２８で参照光と検出光の位相差を９０度ずらしてから、偏光板７２１’で干渉させ、レンズ７２９’を通して第二のフォトダイオード７２０’で検出する。第１と第２にフォトダイオード７２０、７２０’からの信号がｃｏｓとｓｉｎに相当する信号となり、それぞれの信号の共振周波数に相当する成分の振幅を検出してから、２乗和の平方根を取れば、探針を先端に形成したカンチレバーの振動振幅が検出できる。
【００３６】
また別の実施例として、図６（ｂ）のように、ミラー７９６を微動アクチュエータ７９６で可動として参照光７９２の光路長を可変として、ミラー７９６を周波数ｇで振動させてロックインアンプでフォトダイオード７２０の干渉信号出力を同期検波し、周波数ｇの倍周波２ｇ成分が０となるようにミラー７９６のオフセット位置を追従させてやれば、測定光１３０と参照光７９２の位相差が９０度あるいは−９０度となるように保つことが可能である。この状態で、ミラー７９６のオフセット位置はカンチレバー１０３の変位と比例する。また、干渉信号出力のカンチレバー１０３の振動周波数ｈに対応する振幅はカンチレバー１０３の振幅と比例する。式で表示すると、干渉信号は
【数６】
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となる。ここで、カンチレバー１０３の振幅をｂ、ミラー７９６の振幅をｃ、レーザ波長をλとしている。θ、ω、ξは各部の位相である。２ｇ成分が０となる状態は、正弦波の位相が０あるいは１８０度の場合であるので、ξが０にに保たれていることになる。ｂがλに比較して十分小さいとすると、ｈ周波数成分を取り出した干渉信号は、
【数７】
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となり、これからカンチレバー１０３の振動の振幅ｂと位相θを検出することが可能となる。ユニット７００の別の実施例として、図２、３で説明した反射光の角度変化でカンチレバー１０３の変形を検出する方法の具体的光学系の実施例を示す。図８のように、レーザダイオードあるいはＬＳＤ（スーパールミネッセントダイオード）などの高輝度の光源１３１から出射した光をレンズ１３２でコリメートして、偏光ビームスプリッタ１３３を通して出射させる、戻ってきた光は偏光ビームスプリッタ１３３で反射して、ポジションセンサ１３６に入射する。ポジションセンサ１３６は分割型のフォトダイオードであったり、ポジションセンシティブデバイスと呼ばれる光の入射位置に応じた出力を生じるセンサであったりする。これによって、カンチレバー１０３の変形を検出することが可能となる。ユニット７００を２式用いて、カンチレバー１０３上の異なる位置に照射するように調整すると、図３で説明したように、カンチレバー１０３の先端の探針１０４にかかる力をより詳細に分解して検出することも可能となる。
【００３７】
次に、カンチレバー１０３に光励起振動を誘起する実施例を図９を用いて示す。レーザダイオードあるいはＬＳＤ（スーパールミネッセントダイオード）などの高輝度の光源７０２から出射した光をレンズ７１１でコリメートして、出射させる。ここで７０２の駆動電流に変調を加えることで、カンチレバー１０３に光誘起振動を誘起することが出来る。ここで、戻り光が光源７０２に戻ることを防止するために、図８と同様の考えで偏光ビームスプリッタを７０３に位置に挿入したり、フォトアイソレータを７０３の位置に挿入したりしてもいい。
【００３８】
また、図６（ａ）、図６（ｂ）を用いて説明した実施例の別の実施例として、それぞれ図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッタ７２２、７２３をハーフミラー７２２’、７２３’に変更し、測定光７９１と参照光７９２を共にカンチレバー１０３の方へ向かわせる。ここで、測定光７９１と参照光７９２のいずれかの光路に光線の方向を曲げる素子７９５を挿入し、図３（ｂ）で示したようにカンチレバー上で異なる位置を測定光７９１と参照光７９２が照射するようにする。戻ってきた光は偏光板７９２で干渉を起こし、レンズ７２９を通って、フォトダイオード７２０で干渉信号を得る。ここで、光線の方向を曲げる素子７９５は図５の７４０のような可動ミラーを用いて構成してもよいし、くさび状のガラスを用いてもいい。くさび状のガラスは回転させることで、光軸シフト方向を変えることが可能となる。２枚のくさび状のガラスを互いに回転させれば、シフト方向だけでなく、シフト量も自由に調整することが可能となる。
【実施例３】
【００３９】
次に、図１１を用いて、図５を用いて説明した発明の別の実施例を示す。カンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット／加振用レーザユニット７００を出射した光は集光レンズ７８０で光ファイバ７８９の端面に集光される、光ファイバ７８９を通過した光はレンズ７８１で平行光に変えられ、ダイクロイックミラー７１２で別のユニット７００’からの光と合成される。以後は図５を用いて説明したのと同じ光路でカンチレバー１０３を照射して、反射光が戻ってきて、レンズ７８１でファイバ７８９の端面に集光される。ファイバ７８９を通過した光はレンズ７８０でコリメートされ、カンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット７００に入力される。ここで、ファイバ７８９の出射端の位置を図示しないステージ機構によって変化させると、出射端の位置はカンチレバー１０３に結像されるので、カンチレバー上の照射位置を調整することが出来る。ただし、この光学系を用いた場合は、反射方向の変化を検出する方法によるカンチレバー１０３の変形の検出は出来ない。
【実施例４】
【００４０】
別の実施例として、図１２に示すように、レンズ７８０から出射した光をハーフミラー７８９’を介して、対物レンズ１０１の瞳面に集光する方法を示す。対物レンズ１０１によってこの光は平行光に変換されて対物レンズ１０１から出射する。この下におかれた、微小な４分の１波長板７２５とレンズ７９０を介して、カンチレバー１０３上に集光される。カンチレバー１０３で反射された光は来た光路を戻っていく。ここで、可動ミラー７４０を回転させることによって、対物レンズ１０１の瞳上での集光位置を調整することができる。これは対物レンズ１０１とレンズ７９０によって、カンチレバー１０３上に投影されるので、可動ミラー７４０によって、カンチレバー１０３上の照射位置を調整できることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、走査プローブ顕微鏡の探針をきわめて高速に駆動しつつ、探針と試料の接触状態の検出・探針の加振を光学的に行うことが可能となり、大型の半導体基板、フラットディスプレイ基板のような、試料側を駆動できないような試料に対応した、高速走査プローブ顕微鏡による観察・測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図２】図２は、カンチレバーの変形を光線の反射角によって検出する原理を示す図である。
【図３】図３は、カンチレバーに照射した複数の光線の反射角によって探針にかかるｘ、ｚ方向の力を分離して検出する実施例１を示す図である。
【図４】図４は、光学干渉によってカンチレバーの変形を検出する実施例を示す図である。
【図５】図５は、光学系の実施例２を示す詳細図である。
【図６】図６は、干渉検出用の光源と検出系の例を示す図である。
【図７】図７は、干渉検出用の光源と検出系の別の例を示す図である。
【図８】図８は、反射角度検出用の光源と検出系の例を示す図である。
【図９】図９は、レーザ加振光学系の光源の例を示す図である。
【図１０】図１０は、干渉検出用の光源と検出系のさらに別の実施例を示す図である。
【図１１】図１１は、光ファイバを用いた光学系の実施例３を示す詳細図である。
【図１２】図１２は、検出・励振用の光を対物レンズを通して導く実施例４を示す詳細図である。
【図１３】図１３は、本発明のあらかじめ調整されたカンチレバーと集光レンズのユニットを示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０１    対物レンズ
１０２    鏡筒
１０３    探針を先端に形成したカンチレバー
１０４    探針
１１６    ポジションセンサ
１３０    検出光
１３１    光源
１３２    コリメータレンズ
１３３    ビームスプリッタ
１５４    照明光源
１５３    コンデンサレンズ
１５５    ビームスプリッタ
１５２    結像レンズ
１５１    イメージセンサ
２０１    走査制御部
２０２    カンチレバー駆動部
２０３    カンチレバーホルダ駆動部
２０４    近接センサ
２０５    接触状態検出器
２０６    光学像センサ
２０７    信号印加装置
２０８    ＳＰＭ像形成装置
２５０    全体制御装置
２５１    入力・表示装置
２５２    カンチレバー移動機構
２５３    探針を先端に形成したカンチレバーホルダ上下機構
３０２    試料ステージ
３１１    ロボットアーム
５０１    試料
７００    カンチレバー変形検出用レーザ光源・検出系ユニット／加振用レーザユニット
７０１    ２周波光発生装置
７０２    振動励起光源
７１２    ダイクロイックミラー
７２２    偏光ビームスプリッタ
７２３    偏光ビームスプリッタ
７２２’    ハーフミラー
７２３’    ハーフミラー
７２０    フォトダイオード
７２１    偏光板
７２５    波長板
７２７    ミラー
７２９    レンズ
７８０    レンズ
７８１    レンズ
７８９    プリズムミラー
７９５    ミラー
７９６    微動アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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