掃描探針顯微鏡的制作方法
【專利摘要】提供掃描探針顯微鏡，其抑制配置在掃描探針顯微鏡上的物鏡的分辨率的降低、且能夠使用該物鏡容易地進(jìn)行光杠桿的光軸調(diào)整。掃描探針顯微鏡(100)具有設(shè)置有接近試樣(18)的表面的探針(99)的懸臂(4)、光源部(1)、反射從光源部照射的入射光L0以將其引導(dǎo)至設(shè)置于懸臂的反射面的第1反射部(3)、受光部(6)、反射被反射面反射后的反射光L1以將其引導(dǎo)至受光部的第2反射部(5)、以及與懸臂對(duì)置配置并對(duì)懸臂的附近進(jìn)行觀察或攝像的數(shù)值孔徑為NA的物鏡(17)，第1反射部被配置成，在第1反射部反射后的入射光L0的光路與物鏡的光軸O所成的角為(其中，θ為開口角(°)，由NA＝n·sinθ表示，n為物鏡與懸臂之間的介質(zhì)的折射率)。
【專利說明】
掃描探針顯微鏡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及通過使探針接近試樣的表面進(jìn)行掃描來測(cè)定試樣的表面形狀和粘彈 性等各種物性信息的掃描探針顯微鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 掃描探針顯微鏡（SPM:Scanning Probe Microscope)使安裝于懸臂的前端的探針 接近或接觸試樣表面，測(cè)定試樣的表面形狀。作為該掃描探針顯微鏡，公知采用對(duì)懸臂前端 的背面照射激光并檢測(cè)其反射光的所謂的光杠桿方式。在光杠桿方式中，檢測(cè)照射到懸臂 的光的反射光的位置偏移作為懸臂的移位，W使懸臂的移位量保持恒定的方式進(jìn)行反饋控 制并掃描試樣表面。然后，將該反饋控制信號(hào)作為物性信息，能夠測(cè)定試樣表面的表面形狀 和粘彈性等物性。
[0003] 但是，在光杠桿方式中，需要進(jìn)行調(diào)整激光或檢測(cè)器的位置W使得從懸臂反射的 反射光的強(qiáng)度最高的"光軸調(diào)整"。因此，開發(fā)了如下技術(shù):在懸臂的正上方設(shè)置光學(xué)顯微鏡 和攝像機(jī)，并且，在光學(xué)顯微鏡的光軸上配置分束器(beam splitter),將從側(cè)方出射的激 光隔著分束器引導(dǎo)至下方，對(duì)懸臂進(jìn)行照射(專利文獻(xiàn)1)。根據(jù)該技術(shù)，激光的一部分隔著 分束器而朝向上方，能夠利用光學(xué)顯微鏡直接確認(rèn)激光的位置，所W，光軸調(diào)整容易。
[0004] 并且，存在希望在試樣的測(cè)定前利用光學(xué)顯微鏡確定測(cè)定部位的期望。因此，本申 請(qǐng)人開發(fā)了如下技術(shù):在懸臂的上方或下方設(shè)置光學(xué)顯微鏡，并且，從傾斜方向照射激光W 使得激光不會(huì)照射到光學(xué)顯微鏡等(專利文獻(xiàn)2)。在該技術(shù)中，由于將改變激光的行進(jìn)路線 的反射部配置在光學(xué)顯微鏡的視野外，所W，能夠鮮明地進(jìn)行基于光學(xué)顯微鏡的試樣觀察。
[0005] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2012-225722號(hào)公報(bào)
[0006] 專利文獻(xiàn)2:國際公開W02006/090593號(hào)（圖7)
[0007] 但是，在專利文獻(xiàn)1記載的技術(shù)的情況下，在光學(xué)顯微鏡的光軸上配置分束器(反 射部），遮擋光學(xué)顯微鏡的光軸中屯、，所W，存在顯微鏡的分辨率降低的問題。
[000引另一方面，在專利文獻(xiàn)2記載的技術(shù)的情況下，在光學(xué)顯微鏡的視野外配置反射部 等，所W，顯微鏡的分辨率不會(huì)降低。但是，在專利文獻(xiàn)2記載的技術(shù)中，在進(jìn)行光軸調(diào)整時(shí)， 激光在光學(xué)顯微鏡的視野外進(jìn)行照射和反射，所W，無法利用光學(xué)顯微鏡直接觀察激光。因 此，需要使用散射板等使激光進(jìn)行散射并將其導(dǎo)入到光學(xué)顯微鏡的視野內(nèi)，有時(shí)很難進(jìn)行 光軸調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明是為了解決上述課題而完成的，其目的在于，提供抑制了配置在掃描探針 顯微鏡上的物鏡的分辨率的降低、并且能夠使用該物鏡容易地進(jìn)行光杠桿的光軸調(diào)整的掃 描探針顯微鏡。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的掃描探針顯微鏡具有:懸臂，其設(shè)置有接近試樣的表 面的探針;光源部，其照射光;第1反射部，其反射從所述光源部照射的入射光LOW將其引導(dǎo) 至設(shè)置于所述懸臂的反射面;受光部，其接收所述光;第2反射部，其反射被所述反射面反射 后的反射光Ll W將其引導(dǎo)至所述受光部；W及物鏡，其與所述懸臂對(duì)置配置，對(duì)該懸臂的附 近進(jìn)行觀察或攝像，數(shù)值孔徑為NA,所述掃描探針顯微鏡的特征在于，所述第1反射部被配 置成，在所述物鏡與所述懸臂之間，在所述第1反射部反射后的所述入射光LO的光路與所述 物鏡的光軸O所成的角中為〇9<(|)<9,其中，0為開口角(°)，由NA = n ? sin0表示，n為所述物鏡 與所述懸臂之間的介質(zhì)的折射率。
[0011]根據(jù)該掃描探針顯微鏡，在進(jìn)行調(diào)整光源部的位置W使得入射光LO與懸臂的反射 面重合的"粗調(diào)整"時(shí)，第1反射部不會(huì)遮擋物鏡的光軸中屯、，所W，能夠抑制物鏡的分辨率 的降低。進(jìn)而，由于第1反射部從物鏡的光軸偏移，所W，與第1反射部存在于光軸上的情況 相比，來自試樣表面的反射光的強(qiáng)度不會(huì)過強(qiáng)，容易觀察反射光。另一方面，第1反射部位于 由數(shù)值孔徑NA決定的物鏡的視野內(nèi)，能夠利用物鏡直接觀察該反射光，所W，關(guān)于運(yùn)點(diǎn)，也 容易利用物鏡確認(rèn)反射光的強(qiáng)度。
[001^ 也可W是，所述第1反射部被配置在3。呈巧則0。的位置。
[0013] 如果〇9々P，則第1反射部不會(huì)遮擋光軸0,但是，實(shí)際的第1反射部不是入射光入射 的光路上的點(diǎn)，而是在該點(diǎn)周圍具有某種程度的大小，并且，從光源部出射的光也具有某種 程度的展寬。因此，當(dāng)設(shè)時(shí)，第1反射部中的光路上的點(diǎn)的周圍的部件也能夠可靠地不 會(huì)遮擋光軸。
[0014] 也可W是，所述第2反射部被配置成，在所述物鏡與所述懸臂之間，在所述反射面 反射后的所述反射光Ll的光路與所述物鏡的光軸0所成的角大于0。
[0015] 根據(jù)該掃描探針顯微鏡，第2反射部被配置在作為由物鏡的NA決定的觀察視野的 外側(cè)的0<q>的位置，所W，能夠進(jìn)一步抑制物鏡的分辨率降低。
[0016] 也可W是，所述掃描探針顯微鏡還具有照射位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，該照射位置調(diào)整機(jī)構(gòu) 與所述光源部連接，能夠通過對(duì)該光源部的位置進(jìn)行調(diào)整而對(duì)所述入射光LO照射到所述第 1反射面的照射位置進(jìn)行調(diào)整。
[0017] 根據(jù)該掃描探針顯微鏡，在進(jìn)行上述"粗調(diào)整"后，能夠容易地進(jìn)行調(diào)整光源部的 位置(照射位置)W使得來自懸臂的反射光Ll的光強(qiáng)度在受光部之前成為最強(qiáng)的"微調(diào)整"。
[0018] 也可W是，所述掃描探針顯微鏡還具有受光位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，該受光位置調(diào)整機(jī)構(gòu) 與所述受光部連接，能夠通過對(duì)該受光部的位置進(jìn)行調(diào)整而對(duì)所述反射光Ll在該受光部的 受光位置進(jìn)行調(diào)整。
[0019] 根據(jù)該掃描探針顯微鏡，在進(jìn)行上述"微調(diào)整"后，能夠容易地調(diào)整受光部的位置 W使得從懸臂反射的反射光Ll的受光強(qiáng)度成為最高。
[0020] 也可W是，所述掃描探針顯微鏡還具有載置所述試樣的試樣臺(tái)，所述試樣臺(tái)具有 能夠保持1個(gè)或多個(gè)懸臂的懸臂供給機(jī)構(gòu)。
[0021] 根據(jù)該掃描探針顯微鏡，能夠從試樣臺(tái)附近的懸臂供給機(jī)構(gòu)容易且迅速地更換懸 臂。
[0022] 也可W是，所述掃描探針顯微鏡還具有載置所述試樣的試樣臺(tái)，在測(cè)定時(shí)，能夠移 動(dòng)所述試樣臺(tái)，W使得在所述光軸0的方向上與所述探針重合。
[0023] 根據(jù)該掃描探針顯微鏡，在將試樣臺(tái)移動(dòng)到光軸0方向上與探針偏移的位置并進(jìn) 行上述"粗調(diào)整"后，能夠使試樣臺(tái)返回并恢復(fù)為通常的測(cè)定。
[0024] 也可W是，所述試樣臺(tái)在與測(cè)定時(shí)相同的朝向上保持所述懸臂，所述試樣臺(tái)還具 有光反射面，該光反射面反射所述入射光LO，用于與被保持的所述懸臂一起進(jìn)行所述入射 光LO的光軸對(duì)齊。
[0025] 根據(jù)該掃描探針顯微鏡，在不具有調(diào)整光源部的位置的照射位置調(diào)整機(jī)構(gòu)的情況 下，也能夠利用物鏡觀察不是來自試樣表面、而是來自設(shè)置于懸臂供給機(jī)構(gòu)的光反射面的 反射光，進(jìn)行"粗調(diào)整"。
[0026] 并且，根據(jù)試樣的種類和表面狀態(tài)，有時(shí)來自試樣表面的反射光的強(qiáng)度不充分，但 是，由于來自光反射面的反射光能夠確保恒定強(qiáng)度，所W容易進(jìn)行"粗調(diào)整"。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明，抑制了配置在掃描探針顯微鏡上的物鏡的分辨率的降低，并且能夠 使用該物鏡容易地進(jìn)行光杠桿的光軸調(diào)整。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡的框圖。
[0029] 圖2是圖1的局部放大圖。
[0030] 圖3是示出物鏡中觀察到的來自試樣表面上的點(diǎn)的反射光的示意圖。
[0031 ]圖4是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡的框圖。
[0032] 圖5是示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡的光軸調(diào)整的一例的圖。
[0033] 圖6是示出使用第1實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡時(shí)物鏡中觀察到的反射光的圖。
[0034] 圖7是示出使用第1實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡、將第1反射部配置在物鏡的光軸 上時(shí)物鏡中觀察到的反射光的圖。
[0035] 標(biāo)號(hào)說明
[0036] 1:光源部;3:第1反射部;4:懸臂;5:第2反射部;6:受光部;7a:照射位置調(diào)整機(jī)構(gòu)； 14a:受光位置調(diào)整機(jī)構(gòu)；17:物鏡；18:試樣；19:試樣臺(tái)；29:懸臂供給機(jī)構(gòu);29m:光軸調(diào)整用 反射鏡(光反射面）；99:探針;100、1OOB:掃描探針顯微鏡;0:物鏡的光軸。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0038] 圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡100的框圖，圖2是圖1的懸臂4附近 的局部放大圖。
[0039] 在圖1中，掃描探針顯微鏡100具有在前端具有接近試樣18的表面的探針99的懸臂 4、配置在懸臂4的下方且載置試樣18的試樣臺(tái)（載物臺(tái)）19、照射光杠桿中使用的激光的光 源部(半導(dǎo)體激光器光源）1、第1反射部(第1反射鏡)3、接收激光的受光部(4分割光檢測(cè)元 件)6、第2反射部(第2反射鏡)5、與懸臂4和試樣18對(duì)置配置的物鏡17、控制單元40等。另外， 利用光學(xué)顯微鏡主體25對(duì)由物鏡17會(huì)聚的光進(jìn)行觀察或攝像。
[0040] 并且，第1實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡100是懸臂4固定、對(duì)試樣18側(cè)進(jìn)行掃描的試 樣掃描方式。
[0041] 光源部1配置在物鏡17與懸臂4之間、比物鏡17更靠外側(cè)的的位置(后述），在側(cè) 方照射激光。第1反射部3向下方反射從光源部1照射的激光W將其引導(dǎo)至懸臂4的背面設(shè)置 的反射面(未圖示）。第2反射部5向側(cè)方反射被懸臂4的反射面向上方反射的激光W將其引 導(dǎo)至受光部6。受光部6配置在比第2反射部5更靠外側(cè)，受光面朝向側(cè)方。
[0042] 控制單元40對(duì)掃描探針顯微鏡100的動(dòng)作進(jìn)行控制，具有控制器、計(jì)算機(jī)等。計(jì)算 機(jī)具有控制基板、CPU(中央控制處理裝置）、R0M、RAM、硬盤等存儲(chǔ)單元、接口、操作部等。
[0043] 試樣臺(tái)19安裝在微動(dòng)機(jī)構(gòu)（掃描儀)20的上方，進(jìn)而，微動(dòng)機(jī)構(gòu)20安裝在粗動(dòng)機(jī)構(gòu) 21的上方。并且，粗動(dòng)機(jī)構(gòu)21固定在基體部(售體)22上。
[0044] 粗動(dòng)機(jī)構(gòu)21使微動(dòng)機(jī)構(gòu)20及其上方的試樣臺(tái)19大致=維移動(dòng)，通過控制單元40對(duì) 動(dòng)作進(jìn)行控制。
[0045] 微動(dòng)機(jī)構(gòu)20使試樣臺(tái)19(和試樣18)S維移動(dòng)(微動(dòng)），是具有分別在xy(試樣18的 平面)方向上掃描試樣臺(tái)19的2個(gè)(雙軸)壓電元件和在Z(高度)方向上掃描試樣臺(tái)19的壓電 元件的圓筒形的掃描儀(致動(dòng)器）。壓電元件是如下元件：當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，晶體翅曲，當(dāng)利用 外力使晶體強(qiáng)制翅曲時(shí)，產(chǎn)生電場(chǎng)，作為壓電元件，一般可W使用作為陶瓷的一種的PZT(錯(cuò) 鐵酸鉛），但是不限于此。
[0046] 各壓電元件通過來自控制單元40的規(guī)定控制信號(hào)（電壓)而分別向xy方向和Z方向 驅(qū)動(dòng)。
[0047] 而且，在試樣臺(tái)19上載置試樣18,試樣18與探針99對(duì)置配置。
[0048] 懸臂4具有主體部和薄片部，與主體部的側(cè)面相切的薄片部構(gòu)成懸臂彈黃的構(gòu)造。 懸臂4通過懸臂固定部(彈黃)12被按壓到斜面塊11上，斜面塊11固定在勵(lì)振器(振子）13上。 而且，勵(lì)振器13通過來自勵(lì)振電源(未圖示）的電信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)，使懸臂4及其前端的探針99 進(jìn)行振動(dòng)。作為懸臂的勵(lì)振方法，包含壓電元件、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光照射、電流的通電等。在W使 懸臂在諧振頻率附近進(jìn)行強(qiáng)制振動(dòng)的動(dòng)態(tài)力模式(DFM測(cè)定模式)測(cè)定試樣的形狀時(shí)，使用 勵(lì)振器13。
[0049] 而且，懸臂4的上下（Z方向）的移動(dòng)量反映在入射到受光部6的激光的光路的變化 (入射位置）中。因此，根據(jù)該入射位置，利用受光部6檢測(cè)懸臂4的移位量。運(yùn)樣，利用上述機(jī) 構(gòu)檢測(cè)由于作用于試樣18與探針99之間的原子間力而產(chǎn)生的懸臂4的移位，使微動(dòng)機(jī)構(gòu)20 在Z方向上移位W使得探針99(懸臂4)的振動(dòng)振幅成為目標(biāo)振幅，對(duì)探針99與試樣18相切的 力進(jìn)行控制。而且，在該狀態(tài)下，使微動(dòng)機(jī)構(gòu)20在xy方向上移位而進(jìn)行試樣18的掃描，在DFM 測(cè)定模式下對(duì)表面的形狀和物性值進(jìn)行映射。
[0050] 計(jì)算機(jī)40對(duì)探針顯微鏡100的各動(dòng)作進(jìn)行控制，取入控制所測(cè)定的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)表面 形狀測(cè)定、表面物性測(cè)定等。而且，針對(duì)試樣臺(tái)19的xy面內(nèi)的移位，（i)根據(jù)試樣臺(tái)19的高度 的移位而在計(jì)算機(jī)40上顯示=維形狀像，（ii)根據(jù)諧振狀態(tài)的相位的值而在計(jì)算機(jī)40上顯 示相位像，（iii)根據(jù)振動(dòng)振幅與目標(biāo)值之差而在計(jì)算機(jī)40上顯示誤差信號(hào)像，（iv)根據(jù)探 針試樣間的物性值而在計(jì)算機(jī)40上顯示多功能測(cè)定像，通過進(jìn)行解析和處理，作為探針顯 微鏡進(jìn)行動(dòng)作。
[0051] 另外，在框狀的基體部22的框體的上方固定有光頭售體16,光頭售體16的上表面 的中央部開口。而且，在該開口部中設(shè)置有物鏡17,通過開口部而與下方的懸臂4和試樣18 相面對(duì)。
[0052] 并且，在光頭售體16上安裝有光源側(cè)模塊10,在光源側(cè)模塊10的內(nèi)部配置有光源 側(cè)雙軸調(diào)整載物臺(tái)7。在光源側(cè)雙軸調(diào)整載物臺(tái)7上隔著雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)7a而安裝有光源保持 架8,在光源保持架8內(nèi)保持光源部1和會(huì)聚光源部1出射的激光的第1會(huì)聚透鏡2。進(jìn)而，在光 源側(cè)模塊10上固定有第I反射鏡保持架9,在第I反射鏡保持架9上安裝有第I反射部3。
[0053] 而且，通過在Z方向和Y方向（或X方向）運(yùn)2個(gè)方向上調(diào)整雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)7a，能夠進(jìn) 行調(diào)整從光源部1出射的激光的位置W使得來自光源部1的激光與懸臂的反射面重合的"光 軸調(diào)整"。另外，勵(lì)振器13安裝在光源側(cè)模塊10的下方。
[0054] 雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)7a相當(dāng)于權(quán)利要求書的"照射位置調(diào)整機(jī)構(gòu)"。
[0055] 并且，在光頭售體16上固定有第2反射鏡保持架15,在第2反射鏡保持架15上安裝 有第2反射部5和第2會(huì)聚透鏡23。第2會(huì)聚透鏡23向受光部6會(huì)聚從懸臂4反射的激光。進(jìn)而， 在光頭售體16上安裝有受光側(cè)雙軸調(diào)整載物臺(tái)14,在受光側(cè)雙軸調(diào)整載物臺(tái)14上隔著雙軸 調(diào)整機(jī)構(gòu)Ha而安裝有受光部6。而且，通過在Z方向和Y方向（或X方向）運(yùn)2個(gè)方向上調(diào)整雙 軸調(diào)整機(jī)構(gòu)14a，能夠進(jìn)行調(diào)整受光部6的位置W使得從懸臂4反射的反射光的受光強(qiáng)度成 為最高的"光軸調(diào)整"。
[0056] 雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)14a相當(dāng)于權(quán)利要求書的"受光位置調(diào)整機(jī)構(gòu)"。
[0057] 接著，參照?qǐng)D2、圖3對(duì)本發(fā)明的特征部分即第1反射部3的配置和光軸調(diào)整進(jìn)行說 明。
[005引如圖2所示，載置試樣18的試樣臺(tái)19呈水平，物鏡17的光軸0朝向垂直。并且，在本 例中，懸臂4的反射面相對(duì)于水平面W大約11°的角度向圖2的右上方傾斜。而且，當(dāng)設(shè)物鏡 17的數(shù)值孔徑為NA時(shí)，由NA = n ? sin0表示。其中，0為開口角(°)，n為物鏡17與懸臂4(試樣 18的表面)之間的介質(zhì)(通常為空氣）的折射率。
[0059] 運(yùn)里，第1反射部3被配置成，在物鏡17與懸臂4之間，在第1反射部3反射的入射激 光LO的光路與物鏡的光軸0所成的角(p為〇°<9<0。另外，在本例中，設(shè)為第1反射部3的q>=6°。 并且，設(shè)在第1反射部3反射的入射激光LO的光路與懸臂4的反射面的交點(diǎn)為P。
[0060] 此時(shí)，由于懸臂4的反射面相對(duì)于水平向傾斜方向傾斜，所W，入射到懸臂4的入射 激光LO成為在交點(diǎn)P處相對(duì)于光軸化k第1反射部3更向外側(cè)傾斜(在圖2的例子中為0<中)角 度的反射光Ll，入射到第2反射部5，利用受光部6進(jìn)行檢測(cè)。
[0061] 另外，第1反射部3被配置成r々p<e是指，被配置成在第1反射部3中的使入射激光 LO反射的位置(理論上為點(diǎn)）處〇°<cp<e。但是，實(shí)際的第1反射部3不僅是使入射激光LO反射 的位置(點(diǎn)），在該點(diǎn)的周圍還具有某種程度的大小。因此，也可W不將第1反射部3的全部部 位配置在的位置，例如也可W將第1反射部3中的離光軸0最遠(yuǎn)的外側(cè)部位配置在比0 更靠外側(cè)（即物鏡17的觀察視野外）。但是，需要使第1反射部3中的離光軸0最近的部位(例 如圖2的部件3e)不遮擋光軸0,即，將部件3e配置在大于0°的位置。
[0062] 另一方面，需要將第2反射部5配置在入射激光LO在懸臂4的反射面向上方反射后 的反射光Ll的光路上。運(yùn)里，反射光Ll的光路乃至第2反射部5的位置由入射激光LO的入射 角和懸臂4的反射面的傾斜決定。例如，如上所述，在懸臂4的反射面相對(duì)于水平面傾斜11°、 巧=6°的情況下，反射光Ll的光路相對(duì)于物鏡17的光軸0呈(6+11 X 2 = )28°的角度。
[0063] 并且，在本例中，第2反射部5被配置成，在物鏡17與懸臂4之間，在懸臂4的反射面 反射的反射光Ll的光路與光軸0所成的角大于0(物鏡17的觀察視野外）。運(yùn)樣，由于第2反射 部5不會(huì)遮擋物鏡17,所W，能夠進(jìn)一步抑制物鏡17的分辨率降低。但是，如后所述，第2反射 部5被配置成反射光Ll的光路與光軸0所成的角為0 W下，即使稍微遮擋物鏡17的觀察視野 也沒有問題。
[0064] 另外，第2反射部5被配置成大于0是指，在第2反射部5中的使反射光LI反射的位置 (理論上為點(diǎn)）處大于0。因此，也可W不將第2反射部5的全部部位配置在大于0的位置，例如 也可W將第2反射部5中的離光軸0最近的部位配置在0W下的位置。
[0065] 接著，對(duì)調(diào)整光源部1的位置W使得在受光部6中最強(qiáng)地接收在懸臂4的交點(diǎn)P處反 射的反射光Ll的"光軸調(diào)整"進(jìn)行說明。
[0066] 另外，在本發(fā)明中，容易進(jìn)行"光軸調(diào)整"中的、調(diào)整光源部1的位置（圖4的桿掃描 方式的情況下為懸臂4的位置）W使得入射激光LO與懸臂4的反射面重合的"粗調(diào)整"。然后， 與W往同樣，進(jìn)行調(diào)整光源部1的位置(照射位置）W使得來自懸臂4的反射光Ll的光強(qiáng)度在 受光部6之前成為最強(qiáng)的"微調(diào)整"。進(jìn)而，調(diào)整受光部6的位置W使得從懸臂4反射的反射光 的雙光強(qiáng)度最局。
[0067] 首先，如圖2所示，調(diào)整光源部1的位置W使得物鏡17的光軸0與從交點(diǎn)P稍微偏移 的試樣18的表面上的點(diǎn)Q相交。此時(shí)，在第1反射部3中朝向下方的入射激光LO化(F<cp.<0的角 度入射到點(diǎn)Q，從點(diǎn)的角度進(jìn)行反射而成為反射光12。物鏡17能夠僅取入相對(duì)于 光軸0穿過開口角0的角度的圓錐面L3的內(nèi)部的光作為觀察視野，但是，由于基于點(diǎn)Q的反射 光L2的反射角度為所W，該反射光L2被物鏡17取入而能夠直接觀察(參照?qǐng)D3)。
[0068] 另外，反射光L2相對(duì)于光軸0而與入射激光LO對(duì)稱，從上述圓錐面L3的內(nèi)部照射入 射激光L0,所W，反射光L2必定穿過上述圓錐面L3的內(nèi)部，利用物鏡17可直接觀察。
[0069] 圖3示出物鏡17中觀察到的來自點(diǎn)Q(Q1，Q2)的反射光L2。在物鏡17中觀察到反射 光L2的亮點(diǎn)和懸臂4的圖像。運(yùn)里，當(dāng)一邊利用物鏡17觀察一邊調(diào)整光源部1的位置W使得 來自點(diǎn)Ql的反射光L2更加接近懸臂4的反射面(交點(diǎn)P)時(shí)，觀察到來自點(diǎn)Q2的反射光L2的亮 點(diǎn)。點(diǎn)Q2表示W(wǎng)距離A比點(diǎn)Ql更接近懸臂4的試樣18的表面上的光軸0。
[0070] 接著，當(dāng)一邊利用物鏡17觀察一邊調(diào)整光源部1的位置W使得反射光L2更加接近 懸臂4的反射面(交點(diǎn)P)時(shí)，在入射激光LO照射到懸臂4的時(shí)點(diǎn)，反射光L2變化為反射光Ll的 路徑，從觀察畫面中消失，所W，可知入射激光LO與懸臂4的反射面重合，"粗調(diào)整"結(jié)束。
[0071] 如上所述，在本實(shí)施方式中，利用物鏡17能夠直接觀察來自懸臂4附近的試樣18的 表面的反射光L2,并進(jìn)行使來自光源部1的入射光LO與懸臂4的反射面重合的光軸調(diào)整，所 W，光軸調(diào)整容易。
[0072] 并且，使來自光源部1的光入射到懸臂4的第1反射部3從物鏡17的光軸0偏移 (0°<q>)，不遮擋光軸0,所W，能夠抑制物鏡17的分辨率降低。進(jìn)而，由于第1反射部3從物鏡 17的光軸0偏移，所W，與第1反射部3存在于光軸0上的情況相比，來自試樣18的表面的反射 光L2的強(qiáng)度不會(huì)過強(qiáng)，容易觀察反射光L2。
[0073] 進(jìn)而，由于第2反射部5配置在由物鏡17的NA決定的觀察視野的外側(cè)的e<q>的位置， 所W，能夠進(jìn)一步抑制物鏡17的分辨率降低。
[0074] 優(yōu)選第1反射部3被配置在3°呈早呈10。的位置。如果爐<9,則第1反射部3不會(huì)遮擋光 軸0,但是，實(shí)際的第1反射部3不是入射激光LO入射的光路上的點(diǎn)，而是在該點(diǎn)周圍具有某 種程度的大小，并且，從光源部1出射的光也具有某種程度的展寬。因此，如圖2所示，第1反 射部3的部件3e介在于比第1反射部3的反射位置更靠內(nèi)側(cè)。
[00巧]因此，當(dāng)設(shè)為3°^cp時(shí)，運(yùn)種部件3e能夠可靠地不會(huì)遮擋光軸0。并且，根據(jù)一般的 物鏡17能夠?qū)崿F(xiàn)的NA的值，成為(p呈10°左右。
[0076] 更加優(yōu)選第I反射部3被配置在3°<(p<10°的位置。
[0077] 接著，參照?qǐng)D4、圖5對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡IOOB進(jìn)行說明。另 夕h第2實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡IOOB成為對(duì)懸臂4側(cè)進(jìn)行掃描并進(jìn)行測(cè)定的桿掃描方 式，對(duì)與第1實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡100相同的結(jié)構(gòu)部分標(biāo)注相同標(biāo)號(hào)并省略說明。
[0078] 在圖4中，掃描探針顯微鏡IOOB具有在前端具有探針99的懸臂4、配置在懸臂4的下 方且載置試樣18的試樣臺(tái)19B、照射光杠桿中使用的激光的光源部1、第1反射部3、受光部6、 第2反射部5、與懸臂4和試樣18對(duì)置配置的物鏡17和光學(xué)顯微鏡主體25、控制單元40B等。
[00巧]與第1實(shí)施方式同樣，光源部1配置在物鏡17與懸臂4之間、(F<e<cp的位置。并且，第 1反射部3配置在物鏡17與懸臂4之間、(F<cp<e的位置，第2反射部5配置在物鏡17與懸臂4之 間、e<cp的位置。
[0080] 試樣臺(tái)19B安裝在XY載物臺(tái)28的上方，XY載物臺(tái)28固定在基體部（售體)22B上。XY 載物臺(tái)28使試樣臺(tái)19B大致=維移動(dòng)，對(duì)懸臂4與試樣18的位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，通過控制單 元40對(duì)動(dòng)作進(jìn)行控制。而且，在試樣臺(tái)19B上載置試樣18，試樣18與探針99對(duì)置配置。另外， 在XY載物臺(tái)28上配置有保持了多個(gè)更換用懸臂的懸臂供給機(jī)構(gòu)29。
[0081] 懸臂4通過設(shè)置在斜面塊IlB內(nèi)的真空配管30而吸附固定在斜面塊IlB上，斜面塊 IlB固定在勵(lì)振器(振子)13上。
[0082] 在掃描探針顯微鏡IOOB中，移位檢測(cè)系統(tǒng)和安裝了懸臂的斜面塊IlB成為一體，構(gòu) 成光頭。具體而言，在基體部22B的垂直方向的吊桿(boom)部位的側(cè)面隔著粗動(dòng)機(jī)構(gòu)21B安 裝有連結(jié)部26。
[0083] 在連結(jié)部26的下表面安裝有中央部開口的微動(dòng)機(jī)構(gòu)(掃描儀)20B。并且，在微動(dòng)機(jī) 構(gòu)20B的下表面固定有中央部開口的框狀的光頭售體16B。微動(dòng)機(jī)構(gòu)20B使光頭售體16B=維 移動(dòng)(微動(dòng)），是具有規(guī)定壓電元件的平面掃描儀(致動(dòng)器）。而且，在光頭售體16B的開口部 設(shè)置有物鏡17,通過開口部而與下方的懸臂4和試樣18相面對(duì)。
[0084] 并且，在光頭售體16B的下表面安裝有光源側(cè)模塊10B，在光源側(cè)模塊IOB的內(nèi)部配 置有光源側(cè)雙軸調(diào)整載物臺(tái)7。在光源側(cè)雙軸調(diào)整載物臺(tái)7上隔著雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)7a安裝有光 源部1和第1會(huì)聚透鏡2。進(jìn)而，在光源側(cè)模塊IOB上隔著規(guī)定的反射鏡保持架安裝有第1反射 部3。而且，通過在Z方向和Y方向（或X方向）運(yùn)2個(gè)方向上調(diào)整雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)7a，與第1實(shí)施方 式同樣，能夠進(jìn)行"光軸調(diào)整"W使得來自光源部1的激光與懸臂的反射面重合。
[0085] 雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)7a相當(dāng)于權(quán)利要求書的"照射位置調(diào)整機(jī)構(gòu)"。
[0086] 但是，在第2實(shí)施方式中，由于實(shí)現(xiàn)懸吊在微動(dòng)機(jī)構(gòu)20B上的光頭售體16B的重量減 輕等各種理由，有時(shí)不設(shè)置雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)7曰。該情況下，如圖5所示，能夠利用物鏡17觀察不 是來自試樣18的表面、而是來自設(shè)置于懸臂供給機(jī)構(gòu)29的光軸調(diào)整用反射鏡29m的反射光 L2,并進(jìn)行光軸調(diào)整。由此，與有無雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)無關(guān)，能夠進(jìn)行光軸調(diào)整。并且，根據(jù)試樣 18的種類和表面狀態(tài)，有時(shí)來自試樣18的表面的反射光L2的強(qiáng)度不充分，但是，由于來自光 軸調(diào)整用反射鏡29m的反射光能夠確保恒定強(qiáng)度，所W，還具有容易利用物鏡17觀察反射光 L2、容易進(jìn)行光軸調(diào)整的效果。使用光軸調(diào)整用反射鏡29m的光軸調(diào)整在后面敘述。
[0087] 另一方面，勵(lì)振器13安裝在光源側(cè)模塊IOB的下方，懸臂4配置在光頭的前端。
[0088] 進(jìn)而，在光頭售體16的下側(cè)，與光源側(cè)模塊IOB對(duì)置地固定有規(guī)定反射鏡保持架， 在該反射鏡保持架上安裝有第2反射部5和第2會(huì)聚透鏡23。進(jìn)而，在光頭售體16B上安裝有 受光側(cè)雙軸調(diào)整載物臺(tái)14B，在受光側(cè)雙軸調(diào)整載物臺(tái)14B上隔著雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)14a而安裝 有受光部6。而且，通過在Z方向和Y方向（或X方向）運(yùn)2個(gè)方向上調(diào)整雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)，能夠進(jìn) 行調(diào)整受光部6的位置W使得受光強(qiáng)度成為最高的"光軸調(diào)整"。
[0089] 雙軸調(diào)整機(jī)構(gòu)14a相當(dāng)于權(quán)利要求書的"受光位置調(diào)整機(jī)構(gòu)"。
[0090] 而且，安裝在微動(dòng)機(jī)構(gòu)20B的前端的光頭的懸臂4相對(duì)于試樣18, 一邊控制高度(Z) 方向的位置，一邊在試樣面(XY)內(nèi)方向上進(jìn)行掃描。此時(shí)，首先，在通過XY載物臺(tái)28將懸臂4 定位在試樣18的表面內(nèi)的任意位置后，通過粗動(dòng)機(jī)構(gòu)21B(或微動(dòng)機(jī)構(gòu)20B)將懸臂4送到接 觸或接近試樣18的高度位置。
[0091] 懸臂4的上下（Z方向）的移動(dòng)量反映在入射到受光部6的激光的光路的變化(入射 位置）中。因此，根據(jù)該入射位置，利用受光部6檢測(cè)懸臂4的移位量。運(yùn)樣，利用上述機(jī)構(gòu)檢 測(cè)由于作用于試樣18與探針99之間的原子間力而產(chǎn)生的懸臂4的移位，使微動(dòng)機(jī)構(gòu)20在Z方 向上移位W使得探針99(懸臂4)的振動(dòng)振幅成為目標(biāo)振幅，對(duì)探針99與試樣18相切的力進(jìn) 行控制。而且，在該狀態(tài)下，使微動(dòng)機(jī)構(gòu)20在xy方向上移位而進(jìn)行試樣18的掃描，在DFM測(cè)定 模式下對(duì)表面的形狀和物性值進(jìn)行映射。
[0092] 運(yùn)樣，能夠利用上述光杠桿方式檢測(cè)使懸臂4的探針接近或接觸試樣1別寸的懸臂1 的移位，通過微動(dòng)機(jī)構(gòu)20B使懸臂4的移位量保持恒定并對(duì)試樣18表面進(jìn)行掃描而進(jìn)行測(cè) 定。
[0093] 接著，參照?qǐng)D5,對(duì)使用光軸調(diào)整用反射鏡29m進(jìn)行的、使來自光源部1的激光與懸 臂4的反射面重合的"光軸調(diào)整"進(jìn)行說明。
[0094] 在圖5中，在懸臂供給機(jī)構(gòu)29的上表面，W自身的反射面成為水平的方式設(shè)置有光 軸調(diào)整用反射鏡(光反射面)29m。并且，懸臂4W與裝配在斜面塊IlB上時(shí)相同的傾斜、并且 在探針與光軸調(diào)整用反射鏡29m的上方對(duì)置的位置處保持在懸臂供給機(jī)構(gòu)29上。
[00M]運(yùn)里，在圖5的例子中，在光軸調(diào)整時(shí)，懸臂4還未裝配在斜面塊IlB上，而是保持在 懸臂供給機(jī)構(gòu)29上。而且，在該狀態(tài)下，調(diào)整XY載物臺(tái)28，調(diào)整懸臂供給機(jī)構(gòu)29的位置W使 得物鏡17的光軸0與光軸調(diào)整用反射鏡29m的表面上的點(diǎn)Qx相交。此時(shí)，在第1反射部3朝向 下方的入射激光L〇W〇°<q)<e的角度入射到點(diǎn)妃，從點(diǎn)QxW〇°<q)<9的角度進(jìn)行反射而成為反 射光L2，被物鏡17取入，能夠直接觀察。
[0096] 運(yùn)樣，在物鏡17中可觀察到反射光L2的亮點(diǎn)和懸臂供給機(jī)構(gòu)29上的懸臂4的圖像。 運(yùn)里，當(dāng)一邊利用物鏡17觀察一邊調(diào)整懸臂供給機(jī)構(gòu)29的位置W使得來自點(diǎn)妃的反射光L2 更加接近懸臂4的反射面(交點(diǎn)Px)時(shí)，在入射激光LO照射到懸臂4的時(shí)點(diǎn)，反射光L2變化為 反射光Ll的路徑，從觀察畫面中消失，所W，可知入射激光LO與懸臂4的反射面重合。
[0097] 另外，懸臂供給機(jī)構(gòu)29上的懸臂4的位置和裝配在斜面塊IlB上之后的懸臂4的位 置在懸臂4的長軸方向（圖5的左右方向）上存在些許的位置偏移，但是，透過該位置偏移，通 過在圖5的狀態(tài)下使懸臂4的位置對(duì)齊，實(shí)用上沒有問題。因此，通過在圖5的狀態(tài)下使懸臂4 的位置對(duì)齊，"粗調(diào)整"結(jié)束，接著，將懸臂4裝配在斜面塊IlB上并轉(zhuǎn)移到測(cè)定即可。另外，在 圖5的狀態(tài)下使懸臂4的位置對(duì)齊時(shí)，懸臂4的上表面與斜面塊IlB下表面的Z方向的距離通 常為0.5mm左右。
[0098] 在第2實(shí)施方式中，也能夠利用物鏡17直接觀察來自懸臂4附近的光軸調(diào)整用反射 鏡29m(或試樣18)的表面的反射光L2,所W，光軸調(diào)整容易進(jìn)行。
[0099] 并且，由于第I反射部3不遮擋物鏡17的光軸0,所W，能夠抑制物鏡17的分辨率降 低。進(jìn)而，由于第1反射部3從物鏡17的光軸0偏移，所W，來自光軸調(diào)整用反射鏡29m(或試樣 18)的表面的反射光L2的強(qiáng)度不會(huì)過強(qiáng)，容易觀察反射光L2。
[0100] 本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式。例如，掃描探針顯微鏡的測(cè)定模式?jīng)]有限定，除了上 述DFM測(cè)定模式W外，還可W例示使探針與試樣之間的原子間力保持恒定并測(cè)定試樣的表 面形狀的接觸模式、非接觸測(cè)定模式。
[0101] 并且，掃描探針顯微鏡不限于測(cè)定試樣的表面形狀，只要是使探針接近或接觸來 進(jìn)行掃描即可，也可W測(cè)定試樣的各種物性信息。
[0102] 光源部、第1反射部、受光部、第2反射部、物鏡的種類也不限于上述實(shí)施方式。
[0103] 【實(shí)施例】
[0104] 使用圖1、圖2所示的第1實(shí)施方式的掃描探針顯微鏡100,使懸臂4的反射面相對(duì)于 水平面W大約11°的角度傾斜，設(shè)為第1反射部3的(p=6'=|并且，設(shè)物鏡17的NA為0.28,設(shè)n為 大氣中的折射率。并且，設(shè)物鏡17與懸臂4的反射面的工作距離WD為33.5mm。作為光源1，使 用超福射發(fā)光二極管(SLD)。
[0105] 而且，對(duì)懸臂4的前端的探針99與試樣18的表面的垂直方向的距離S(mm)進(jìn)行各種 變更，對(duì)物鏡17中觀察到的反射光進(jìn)行攝像。
[0106] 圖6示出所得到的結(jié)果。并且，作為比較，設(shè)為第1反射部3的與專利文獻(xiàn)1記 載的技術(shù)同樣，設(shè)第1反射部3為分束器，同樣對(duì)物鏡17中觀察到的反射光進(jìn)行攝像。圖7示 出設(shè)為第1反射部3的cp=〇°時(shí)的結(jié)果。
[0107] 如圖6所示，在設(shè)為第1反射部3的cp=6°的本發(fā)明例子的情況下，當(dāng)距離S較大時(shí)，反 射光的強(qiáng)度稍微減弱，并且，反射光的中屯、位置橫向偏移，但是，反射光的強(qiáng)度不會(huì)過強(qiáng)，容 易觀察反射光，光軸調(diào)整容易進(jìn)行。另外，距離S為+表示探針99位于比試樣18的表面更靠物 鏡17側(cè)化方）。
[0108] 并且，距離S為-是取下斜面塊11而不存在懸臂4的狀態(tài)，僅觀察來自試樣18的表面 的反射光。
[0109] 另一方面，如圖7所示，在設(shè)為第1反射部3的cp=〇°的比較例的情況下，與距離S無 關(guān)，反射光的中屯、位置不變，雖然能夠使用物鏡17進(jìn)行光軸調(diào)整，但是，反射光的強(qiáng)度過強(qiáng) 而很難觀察。并且，由于第1反射部3遮擋物鏡17的光軸0中屯、，所W，在利用物鏡17觀察試樣 1別寸，分辨率降低。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種掃描探針顯微鏡，其具有： 懸臂，其設(shè)置有接近試樣的表面的探針； 光源部，其照射光； 第1反射部，其反射從所述光源部照射的入射光(LO)以將其引導(dǎo)至設(shè)置于所述懸臂的 反射面； 受光部，其接收所述光； 第2反射部，其反射被所述反射面反射后的反射光(LI)以將其引導(dǎo)至所述受光部；以及 物鏡，其與所述懸臂對(duì)置配置，對(duì)該懸臂的附近進(jìn)行觀察或攝像，數(shù)值孔徑為NA， 所述掃描探針顯微鏡的特征在于， 所述第1反射部被配置成，在所述物鏡與所述懸臂之間，在所述第1反射部反射后的所 述入射光(LO)的光路與所述物鏡的光軸(O)所成的角Φ為〇°<φ<θ，其中，Θ為開口角(° )，由 ΝΑ = η · sin0表示，η為所述物鏡與所述懸臂之間的介質(zhì)的折射率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描探針顯微鏡，其中， 所述第1反射部被配置在3° S φ S 1〇°的位置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的掃描探針顯微鏡，其中， 所述第2反射部被配置成，在所述物鏡與所述懸臂之間，在所述反射面反射后的所述反 射光(LI)的光路與所述物鏡的光軸(0)所成的角大于Θ。4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中的任意一項(xiàng)所述的掃描探針顯微鏡，其中， 所述掃描探針顯微鏡還具有照射位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，該照射位置調(diào)整機(jī)構(gòu)與所述光源部連 接，能夠通過對(duì)該光源部的位置進(jìn)行調(diào)整而對(duì)所述入射光(LO)照射到所述第1反射面的照 射位置進(jìn)行調(diào)整。5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任意一項(xiàng)所述的掃描探針顯微鏡，其中， 所述掃描探針顯微鏡還具有受光位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，該受光位置調(diào)整機(jī)構(gòu)與所述受光部連 接，能夠通過對(duì)該受光部的位置進(jìn)行調(diào)整而對(duì)所述反射光(LI)在該受光部的受光位置進(jìn)行 調(diào)整。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中的任意一項(xiàng)所述的掃描探針顯微鏡，其中， 所述掃描探針顯微鏡還具有載置所述試樣的試樣臺(tái)， 所述試樣臺(tái)具有能夠保持1個(gè)或多個(gè)懸臂的懸臂供給機(jī)構(gòu)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1~6中的任意一項(xiàng)所述的掃描探針顯微鏡，其中， 所述掃描探針顯微鏡還具有載置所述試樣的試樣臺(tái)， 在測(cè)定時(shí)，能夠移動(dòng)所述試樣臺(tái)，以使得在所述光軸(0)的方向上與所述探針重合。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的掃描探針顯微鏡，其中， 所述試樣臺(tái)在與測(cè)定時(shí)相同的朝向上保持所述懸臂， 所述試樣臺(tái)還具有光反射面，該光反射面使所述入射光(LO)反射，用于與被保持的所 述懸臂一起進(jìn)行所述入射光(LO)的光軸對(duì)齊。
【文檔編號(hào)】G01Q10/00GK106018882SQ201610152514
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日
【發(fā)明人】山本浩令
【申請(qǐng)人】日本株式會(huì)社日立高新技術(shù)科學(xué)