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JP2009042123A - Atomic force microscope - Google Patents

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JP2009042123A
JP2009042123A JP2007208762A JP2007208762A JP2009042123A JP 2009042123 A JP2009042123 A JP 2009042123A JP 2007208762 A JP2007208762 A JP 2007208762A JP 2007208762 A JP2007208762 A JP 2007208762A JP 2009042123 A JP2009042123 A JP 2009042123A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an atomic force microscope that reduces the effect of the relative positional fluctuations of a cantilever with an article to be inspected and enables high-accuracy measurements. <P>SOLUTION: The measurement standard for the displacement of the cantilever 12 is set as the article 1 to be inspected, and one of two types of polarized light separated by a lotion prism 28 is irradiated on the article 1 to be inspected to be set as a reference light; while the other polarized light is irradiated on the cantilever 12 to be set as light to be inspected. The relative displacement of the leading end of the cantilever 12 and the article 1 to be inspected is measured directly by using an interference optical system, and the reference light and the light to be inspected are set to a common light path to remove the ghost factor, and in order to further perform high-accuracy measurements even with respect to various articles to be inspected, the quantity ratio of the reference light and the light to be inspected can be regulated. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、原子間力を利用した走査型のプローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to an atomic force microscope that is a scanning probe microscope using atomic force.

原子間力顕微鏡は、微細な探針を備えた片持ち梁(カンチレバー)を被検物表面に沿って走査させ、探針と被検物との間に作用する原子間力によるカンチレバーの変位量を検出することで被検物表面の微細構造を計測することができる装置である。その原理は、特許文献1に開示されている。特許文献1ではトンネル電流を検知することでカンチレバーの変位量を検出しているが、光テコ法や光干渉法を利用した方法も提案されている。   The atomic force microscope scans a cantilever with a fine probe along the surface of the specimen, and the amount of displacement of the cantilever due to the atomic force acting between the probe and the specimen Is a device that can measure the fine structure of the surface of the test object. The principle is disclosed in Patent Document 1. In Patent Document 1, the amount of displacement of the cantilever is detected by detecting a tunnel current, but methods using an optical lever method or an optical interference method have also been proposed.

しかしながら、一般的な原子間力顕微鏡では、カンチレバー変位を測定する際、被検物の変位情報を取得していない。特許文献1に開示されている原子間力顕微鏡も同様であり、振動や温度変化等の外乱によりカンチレバーと被検物との相対位置が変動した場合、その変動量が計測結果に重畳されてしまう問題があった。例えば、カンチレバーを共振周波数付近で振動させながら計測を行なうACモードでは、探針と被検物間の距離によって変化する原子間力を振幅変化により検出する。このとき探針と被検物間の距離は被検物の表面形状により変化することを仮定しているが、カンチレバーと被検物との相対位置変動が発生すれば、仮定が成り立たず誤差が発生することになる。   However, the general atomic force microscope does not acquire displacement information of the test object when measuring the cantilever displacement. The same applies to the atomic force microscope disclosed in Patent Document 1. When the relative position between the cantilever and the test object fluctuates due to disturbance such as vibration or temperature change, the fluctuation amount is superimposed on the measurement result. There was a problem. For example, in the AC mode in which measurement is performed while the cantilever is vibrated in the vicinity of the resonance frequency, an atomic force that varies depending on the distance between the probe and the test object is detected by a change in amplitude. At this time, it is assumed that the distance between the probe and the test object changes according to the surface shape of the test object, but if the relative position fluctuation between the cantilever and the test object occurs, the assumption does not hold and the error is Will occur.

カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減可能な原子間力顕微鏡としては、特許文献2が提案されている。特許文献2では、二重焦点レンズを含む光学系を利用した光ヘテロダイン法によりカンチレバーの変位量を検出しており、その構成は図5に示す通りである。   Patent Document 2 has been proposed as an atomic force microscope capable of reducing the influence of relative position fluctuation between a cantilever and a test object. In Patent Document 2, the displacement amount of the cantilever is detected by an optical heterodyne method using an optical system including a bifocal lens, and the configuration thereof is as shown in FIG.

この装置では、偏波面が直交し、周波数がわずかに異なる2種類の直線偏光を含むレーザー光を出力可能なレーザー光源装置110を使用している。レーザー光源装置110から出力された2種類の直線偏光は二重焦点レンズ122に入射し、一方の直線偏光は平行光となり、被検物130の比較的広い範囲に照射される。他方の直線偏光は集束光となってカンチレバー126の背面へと集光される。カンチレバー背面からの反射光と被検物表面からの反射光は、計測用光センサ136へと入射する。ここで、カンチレバー背面からの反射光は、原子間力によるカンチレバー126の変位量に伴って光路長が変化するため、周波数変化を受ける。従って、計測用光センサ136で検出された光干渉のビート信号からカンチレバー126の変位量を算出することができる。   In this apparatus, a laser light source apparatus 110 that can output laser light including two types of linearly polarized light having orthogonal polarization planes and slightly different frequencies is used. Two types of linearly polarized light output from the laser light source device 110 are incident on the bifocal lens 122, and one of the linearly polarized light becomes parallel light and is irradiated on a relatively wide range of the test object 130. The other linearly polarized light becomes focused light and is condensed on the back surface of the cantilever 126. The reflected light from the back surface of the cantilever and the reflected light from the surface of the test object enter the measurement optical sensor 136. Here, the reflected light from the back surface of the cantilever is subjected to a frequency change because the optical path length changes with the amount of displacement of the cantilever 126 due to the atomic force. Therefore, the displacement amount of the cantilever 126 can be calculated from the beat signal of the optical interference detected by the measurement optical sensor 136.

特許文献2にACモードによる計測を適用した場合、被検物表面を基準としてカンチレバー変位の極大値と極小値を計測し振幅を求めることになる。従ってカンチレバーと被検物との相対位置変動が発生した場合でも、カンチレバー変位の極大値と極小値が相対位置変動分だけ等しく変化し、振幅計測結果に影響を与えない。このため、カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減することが可能となる。   When the measurement in the AC mode is applied to Patent Document 2, the maximum value and the minimum value of the cantilever displacement are measured with respect to the surface of the test object, and the amplitude is obtained. Therefore, even when the relative position fluctuation between the cantilever and the test object occurs, the maximum value and the minimum value of the cantilever displacement change equally by the relative position fluctuation, and the amplitude measurement result is not affected. For this reason, it becomes possible to reduce the influence of the relative position fluctuation | variation of a cantilever and a test object.

特開昭62−130302号公報JP-A-62-130302 特許第2998333号公報Japanese Patent No. 2998333

しかしながら、特許文献2で開示されている原子間力顕微鏡の場合、カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減することはできるが、以下の3つの要因によりカンチレバー変位の計測精度が劣化する問題があった。   However, in the case of the atomic force microscope disclosed in Patent Document 2, the influence of the relative position fluctuation between the cantilever and the test object can be reduced, but the measurement accuracy of the cantilever displacement is degraded due to the following three factors. There was a problem to do.

計測精度が劣化する第1の要因は、レーザー光源装置から出力された2種類の直線偏光が、カンチレバー背面及び被検物表面で反射し二重焦点レンズに再入射するまでの間、異なる光路を通る点である。光路が異なれば、温度や気圧等の変動に伴う大気屈折率変動によって2種類の直線偏光の光路長差が変動し、カンチレバー変位の計測誤差となる。   The first factor that degrades the measurement accuracy is that the two types of linearly polarized light output from the laser light source device reflect on the back surface of the cantilever and the surface of the test object and reenter the bifocal lens. It is a passing point. If the optical paths are different, the optical path length difference between the two types of linearly polarized light varies due to atmospheric refractive index fluctuations accompanying fluctuations in temperature, pressure, etc., resulting in a measurement error of cantilever displacement.

計測精度が劣化する第2の要因は、二重焦点レンズに入射した後平行光となり被検物に照射される光のうち、一部はカンチレバー背面上で反射して計測用光センサに入射し、計測ノイズとなる点である。この点に関して特許文献2では、カンチレバーを光軸に対してある程度傾けることにより、カンチレバー背面上で反射した不要光が計測用光センサに到達しないように構成するとしている。しかしながら、平行光として入射しカンチレバー背面で反射した光が計測用光センサに到達しないならば、カンチレバー変位の計測光としてカンチレバー背面に集束する光の主光線もまた計測用光センサに到達せず、計測が成立しない。従ってカンチレバーを傾けるだけではカンチレバー背面上で反射した不要光による計測ノイズの発生を回避することができない。   The second factor that degrades the measurement accuracy is that part of the light that becomes parallel light after being incident on the bifocal lens and irradiates the test object is reflected on the back surface of the cantilever and incident on the measurement optical sensor. This is a point that causes measurement noise. In this regard, Patent Document 2 is configured such that unnecessary light reflected on the back surface of the cantilever does not reach the measurement optical sensor by tilting the cantilever to some extent with respect to the optical axis. However, if the light incident as parallel light and reflected by the back surface of the cantilever does not reach the measurement light sensor, the principal ray of the light focused on the back surface of the cantilever as measurement light of the cantilever displacement also does not reach the measurement light sensor, Measurement is not possible. Therefore, it is impossible to avoid generation of measurement noise due to unnecessary light reflected on the back surface of the cantilever only by tilting the cantilever.

計測精度が劣化する第3の要因は、特許文献2で開示されている原子間力顕微鏡では、カンチレバーに入射する直線偏光と被検物に入射する直線偏光との光量比を調節できないことである。従って、カンチレバーと被検物とで反射率が異なる場合、計測用光センサ36で検出される干渉縞のコントラストが低下し、カンチレバー変位の計測精度が劣化する。   The third factor that degrades the measurement accuracy is that the atomic force microscope disclosed in Patent Document 2 cannot adjust the light quantity ratio between the linearly polarized light incident on the cantilever and the linearly polarized light incident on the test object. . Accordingly, when the reflectance is different between the cantilever and the test object, the contrast of the interference fringes detected by the measurement optical sensor 36 is lowered, and the measurement accuracy of the cantilever displacement is deteriorated.

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減し、かつカンチレバー変位の計測をより一層高精度に実施可能な原子間力顕微鏡を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an atomic force microscope that can reduce the influence of relative positional fluctuation between a cantilever and a test object and can measure the cantilever displacement with higher accuracy. The purpose is to provide.

本発明の原子間力顕微鏡は、探針を備えるカンチレバーを被検物に接近させ、前記探針と前記被検物の間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちつつ走査することにより、前記被検物の面形状を計測する原子間力顕微鏡において、光源と、前記光源からの光を2種類の偏光光に分割する偏光光学素子と、前記2種類の偏光光のうちの一方を、前記カンチレバーに集光させるとともに、他方の偏光光を前記被検物に集光させ、それぞれ反射させて得られた2種類の反射光による干渉縞を得る光学系と、前記干渉縞から前記カンチレバーの変位を検出する検出手段と、を有することを特徴とする。   In the atomic force microscope of the present invention, a cantilever having a probe is brought close to a test object, an atomic force generated between the probe and the test object is detected, and the atomic force is kept constant. In an atomic force microscope that measures the surface shape of the test object by scanning while scanning, a light source, a polarizing optical element that divides light from the light source into two types of polarized light, and the two types of polarized light An optical system that collects interference fringes by two kinds of reflected light obtained by condensing one of the light onto the cantilever and condensing the other polarized light onto the test object and reflecting the collected light, respectively, Detecting means for detecting displacement of the cantilever from interference fringes.

被検物表面を位置基準としてカンチレバー変位を計測することが可能となるため、カンチレバーと被検物との相対位置変動が計測結果に及ぼす影響を軽減することができる。   Since the cantilever displacement can be measured using the surface of the test object as a position reference, the influence of the relative position variation between the cantilever and the test object on the measurement result can be reduced.

また、偏光光学素子により分割された2種類の偏光光は、カンチレバー先端及び被検物表面において共に頂点反射する。これにより光源から偏光光学素子で分割されるまでの光路と、カンチレバー先端及び被検物表面で反射し、偏光光学素子に再入射した後の光路を共通化することができる。   The two types of polarized light divided by the polarizing optical element are both reflected at the apex at the tip of the cantilever and the surface of the test object. As a result, the optical path from the light source until it is split by the polarizing optical element and the optical path after being reflected by the cantilever tip and the surface of the test object and reentering the polarizing optical element can be shared.

さらに、偏光光学素子により分割された2種類の偏光光の射出方位が異なるため、被検物表面へ入射させる偏光光の光路を避けてカンチレバーを配置することが可能となる。これにより、被検物表面へ入射させる偏光光の一部がカンチレバー背面で反射することもなくなり、従来技術において問題となっていた計測ノイズをなくすことができる。   Furthermore, since the exit directions of the two types of polarized light divided by the polarizing optical element are different, the cantilever can be arranged avoiding the optical path of the polarized light incident on the surface of the test object. As a result, part of the polarized light incident on the surface of the test object is not reflected on the back surface of the cantilever, and measurement noise that has been a problem in the prior art can be eliminated.

カンチレバーと被検物とで反射率が異なる場合であっても、光量比を調節する手段を用いることで検出手段において検出される干渉縞を高コントラストに保つことが可能となる。   Even when the reflectance differs between the cantilever and the test object, it is possible to keep the interference fringes detected by the detection means at a high contrast by using the means for adjusting the light quantity ratio.

このように本発明では、共通光路部分が多く、不要光による計測ノイズの発生も回避でき、被検物の反射率によらず干渉縞を高コントラストに保つことが可能であるため、カンチレバー変位の計測を従来よりも高精度に実施可能である。   As described above, in the present invention, there are many common optical path portions, generation of measurement noise due to unnecessary light can be avoided, and interference fringes can be kept at high contrast regardless of the reflectance of the test object. Measurement can be performed with higher accuracy than before.

また、さらに高精度にカンチレバー変位を計測するため、カンチレバー変位量に対する検出信号変動量の感度を実測する感度情報取得手段を備えている。感度は検出手段で検出される干渉縞の状態によって変化し、カンチレバー変位の計測結果に影響を与えるが、感度情報取得手段を用いて実測した感度情報を用いて校正を行うことで感度低下による計測誤差を軽減することができる。   In addition, in order to measure the cantilever displacement with higher accuracy, there is provided sensitivity information acquisition means for actually measuring the sensitivity of the detection signal fluctuation amount with respect to the cantilever displacement amount. Sensitivity changes depending on the state of interference fringes detected by the detection means and affects the measurement result of the cantilever displacement, but it is measured by sensitivity reduction by performing calibration using the sensitivity information measured using the sensitivity information acquisition means. The error can be reduced.

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。   The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、実施例1による原子間力顕微鏡の構成を示す。この装置は、針状の探針の原子と被検物1の表面の原子間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちつつ走査するもので、除振台2aを介して地面に固定されたベース2に、XYZステージ3とティップティルトステージ4を備えている。ティップティルトステージ4には被検物1が固定されており、XYZステージ3にはハウジング6が固定されている。ハウジング6には各種光学部品やセンサ類が内蔵されており、さらにXY方向の微動機構としてXYスキャナ7が固定されている。また、XYスキャナ7にはZ方向の微動機構としてチューブスキャナ8が固定されている。チューブスキャナ8には、カンチレバーユニット取り付けブロック9、加振用ピエゾアクチュエータ10、カンチレバーホルダー11を介して、前記探針を有するカンチレバー12が取り付けられている。カンチレバー12の先端部の背面には反射面が形成されている。   FIG. 1 shows a configuration of an atomic force microscope according to the first embodiment. This apparatus detects an atomic force generated between an atom of a needle-like probe and an atom on the surface of the test object 1 and performs scanning while keeping the atomic force constant. An XYZ stage 3 and a tip tilt stage 4 are provided on a base 2 that is fixed to the ground. A test object 1 is fixed to the tip tilt stage 4, and a housing 6 is fixed to the XYZ stage 3. Various optical components and sensors are built in the housing 6, and an XY scanner 7 is fixed as a fine movement mechanism in the XY directions. A tube scanner 8 is fixed to the XY scanner 7 as a fine movement mechanism in the Z direction. A cantilever 12 having the probe is attached to the tube scanner 8 via a cantilever unit attachment block 9, a piezoelectric actuator 10 for vibration, and a cantilever holder 11. A reflective surface is formed on the back surface of the tip of the cantilever 12.

以上説明した各種駆動機構を用いた計測動作を説明する。まず、被検物1をティップティルトステージ4に固定し、XYZステージ3とティップティルトステージ4を用いて被検物1とカンチレバー12との相対位置関係を調節する。その後チューブスキャナ8を用いて、被検物1とカンチレバー先端に設けた探針(不図示)との間に原子間力が働く程度までカンチレバー12を被検物1へと接近させる。そして原子間力を一定に保ちながらXYスキャナ7を用いてカンチレバーを走査し、被検物1の表面の面形状を計測する。原子間力を一定に保つために、本実施例では光干渉を利用してカンチレバー先端の変位を計測している。なお、本実施例では加振用ピエゾアクチュエータ10を備えており、ACモードによる計測も可能である。   A measurement operation using the various drive mechanisms described above will be described. First, the test object 1 is fixed to the tip tilt stage 4, and the relative positional relationship between the test object 1 and the cantilever 12 is adjusted using the XYZ stage 3 and the tip tilt stage 4. Thereafter, the tube scanner 8 is used to bring the cantilever 12 closer to the test object 1 until an atomic force acts between the test object 1 and a probe (not shown) provided at the tip of the cantilever. The cantilever is scanned using the XY scanner 7 while keeping the atomic force constant, and the surface shape of the surface of the test object 1 is measured. In order to keep the interatomic force constant, in this embodiment, the displacement of the tip of the cantilever is measured using optical interference. In this embodiment, the piezoelectric actuator 10 for vibration is provided, and measurement in the AC mode is also possible.

次に、本実施例における原子間力顕微鏡の光学系と、この光学系によるカンチレバー先端変位の計測方法について説明する。   Next, an optical system of the atomic force microscope in this embodiment and a method for measuring the cantilever tip displacement using this optical system will be described.

光源21から出力された光は、光ファイバ22を通ってハウジング6の内部へと導かれ、コリメータ23により平行光へと変換される。このとき射出される平行光は、直線偏光となるように調節されている。その後2分の1波長板24及びハーフミラー26を透過した光は、ダイクロイックミラー27で反射して、偏光光学素子であるローションプリズム28へと入射する。ローションプリズム28は複屈折材料(例えば方解石)でできており、入射光を、互いに直交する2種類の偏光光(S偏光とP偏光)に分離した上で異なる方向へと射出する。S偏光は集光レンズ29によってカンチレバー12の背面に設けられた反射面へ集光され、頂点反射する。その後は入射光路と同一光路を通りローションプリズム28へ再入射する。一方P偏光は被検物1の表面へ集光され、頂点反射する。その反射光は同一光路を通りローションプリズム28に再入射する。ローションプリズム28を透過したS偏光とP偏光は共に平行光として共通光路を通り、ダイクロイックミラー27及びハーフミラー26で反射する。そして4分の1波長板30、2分の1波長板31、ハーフミラー33、ハーフミラー34を透過し、偏光ビームスプリッタ35へ到達する。偏光ビームスプリッタ35において再びS偏光とP偏光に分割され、フォトディテクタ36とフォトディテクタ37へと入射する。2つのフォトディテクタでは光の強度情報が取得され演算装置38へと伝達される。演算装置38では2種類の強度情報を解析し、干渉縞によるカンチレバー変位量を算出する。   The light output from the light source 21 is guided to the inside of the housing 6 through the optical fiber 22 and converted into parallel light by the collimator 23. The parallel light emitted at this time is adjusted to be linearly polarized light. Thereafter, the light transmitted through the half-wave plate 24 and the half mirror 26 is reflected by the dichroic mirror 27 and enters the lotion prism 28 which is a polarization optical element. The lotion prism 28 is made of a birefringent material (for example, calcite), and separates incident light into two kinds of polarized light (S-polarized light and P-polarized light) orthogonal to each other and then emits them in different directions. The S-polarized light is condensed by the condensing lens 29 onto the reflecting surface provided on the back surface of the cantilever 12 and is reflected at the apex. Thereafter, the light enters the lotion prism 28 again through the same optical path as the incident optical path. On the other hand, the P-polarized light is condensed on the surface of the test object 1 and reflected at the apex. The reflected light enters the lotion prism 28 again through the same optical path. Both S-polarized light and P-polarized light transmitted through the lotion prism 28 pass through a common optical path as parallel light and are reflected by the dichroic mirror 27 and the half mirror 26. Then, the light passes through the quarter-wave plate 30, the half-wave plate 31, the half mirror 33, and the half mirror 34, and reaches the polarization beam splitter 35. The light is again split into S-polarized light and P-polarized light by the polarization beam splitter 35, and enters the photodetector 36 and the photodetector 37. The two photodetectors acquire light intensity information and transmit it to the arithmetic unit 38. The computing device 38 analyzes two types of intensity information and calculates the amount of cantilever displacement caused by interference fringes.

演算装置38における解析内容についてさらに詳細を説明する。フォトディテクタ36で取得された光情報をA1とし、フォトディテクタ37で取得された光情報をA2とすると、次式のように表すことができる。   The analysis contents in the arithmetic unit 38 will be described in further detail. If the optical information acquired by the photodetector 36 is A1, and the optical information acquired by the photodetector 37 is A2, the following information can be expressed.

Figure 2009042123
Figure 2009042123

Figure 2009042123
ここで、Aは光情報の大きさを定義する定数であり、λは使用している光の波長、ΔLはカンチレバー12と被検物1の間の相対的な変位情報、αはローションプリズム28で分離したS偏光とP偏光の光路長差から決まる初期位相である。Vは位相変化に対する光情報変化の感度を表す感度係数であり、0以上1以下の値をとる。また、Φは2分の1波長板31を回転させる回転機構32の回転角度に応じて変化する位相である。
Figure 2009042123
Here, A is a constant that defines the size of the optical information, λ is the wavelength of the light being used, ΔL is the relative displacement information between the cantilever 12 and the test object 1, and α is the lotion prism 28. This is the initial phase determined from the optical path length difference between the S-polarized light and the P-polarized light separated by. V is a sensitivity coefficient representing the sensitivity of the optical information change with respect to the phase change, and takes a value from 0 to 1. Further, Φ is a phase that changes according to the rotation angle of the rotation mechanism 32 that rotates the half-wave plate 31.

演算装置38内において、これら2種類の信号を以下のように処理し、変位情報Sを得る。   In the arithmetic unit 38, these two types of signals are processed as follows to obtain displacement information S.

Figure 2009042123
ここでΦがαを打ち消すように2分の1波長板31の回転角度を調整し、かつ、ΔLは非常に微小量であるとすると、変位情報Sは次式のように近似できる。
Figure 2009042123
Here, if the rotation angle of the half-wave plate 31 is adjusted so that Φ cancels α, and ΔL is a very small amount, the displacement information S can be approximated by the following equation.

Figure 2009042123
このようにして求められた変位情報Sを用いると、次式が得られる。
Figure 2009042123
When the displacement information S obtained in this way is used, the following equation is obtained.

Figure 2009042123
上式よりカンチレバー12と被検物1との間の相対的な変位情報を得ることができる。上式に含まれる感度係数Vは、S偏光とP偏光の重ね具合の良し悪しにより変化する値である。干渉縞がいわゆる縞一色状態であり、かつ高コントラストであれば、干渉縞の感度係数Vは1に近づく。
Figure 2009042123
From the above equation, relative displacement information between the cantilever 12 and the test object 1 can be obtained. The sensitivity coefficient V included in the above equation is a value that changes depending on whether the S-polarized light and the P-polarized light are superimposed. If the interference fringes are in a so-called fringe monochromatic state and have a high contrast, the sensitivity coefficient V of the interference fringes approaches 1.

後述するように、本実施例は、干渉縞の感度係数Vを1に近づけるための調整機構を備えているが、高精度な測定のためには干渉縞の感度係数Vを正確に実測し、それを用いて変位情報を計算することが望ましい。   As will be described later, this embodiment includes an adjustment mechanism for bringing the interference fringe sensitivity coefficient V close to 1. However, for high-precision measurement, the interference fringe sensitivity coefficient V is accurately measured, It is desirable to calculate displacement information using it.

干渉縞の感度係数Vの正確な値を得るため、2分の1波長板31を回転機構32により回転させながらフォトディテクタ36の強度情報を取得する。2分の1波長板31を回転させることにより、強度情報を表す次式に含まれる位相αが変化する。   In order to obtain an accurate value of the interference fringe sensitivity coefficient V, intensity information of the photodetector 36 is acquired while the half-wave plate 31 is rotated by the rotation mechanism 32. By rotating the half-wave plate 31, the phase α included in the following expression representing the intensity information changes.

Figure 2009042123
位相Φの変化に伴って強度情報が強弱し、最小強度Aminと最大強度Amaxを知ることができる。最低強度Aminと最大強度Amaxの値を用いると、干渉縞の感度係数Vは次式で求めることができる。
Figure 2009042123
As the phase Φ changes, the intensity information becomes stronger and the minimum intensity Amin and the maximum intensity Amax can be known. When the values of the minimum intensity Amin and the maximum intensity Amax are used, the interference fringe sensitivity coefficient V can be obtained by the following equation.

Figure 2009042123
上式により求めた感度係数Vの実測値を用いて変位情報Sを計算することで、カンチレバー12の変位を高精度に計測することができる。なお、感度係数Vの計測はフォトディテクタ37より得られる強度情報により実施してもよい。
Figure 2009042123
By calculating the displacement information S using the measured value of the sensitivity coefficient V obtained by the above equation, the displacement of the cantilever 12 can be measured with high accuracy. Note that the sensitivity coefficient V may be measured based on intensity information obtained from the photodetector 37.

次に、高精度計測を行なうために必要な各種調整機能について説明する。   Next, various adjustment functions necessary for performing high-precision measurement will be described.

本実施例において高精度計測を行なうためには、フォトディテクタ36及びフォトディテクタ37において検出される干渉縞が、いわゆる縞一色状態であることが望ましい。フォトディテクタ37において検出される干渉縞は、フォトディテクタ36で検出される干渉縞に対し位相が180度ずれた状態であるため、いずれか一方を縞一色状態とすれば他方も縞一色状態となる。   In order to perform high-precision measurement in the present embodiment, it is desirable that the interference fringes detected by the photodetector 36 and the photodetector 37 are in a so-called fringe single color state. The interference fringes detected by the photodetector 37 are in a state where the phase is shifted by 180 degrees with respect to the interference fringes detected by the photodetector 36. Therefore, if one of the interference fringes is in a single color state, the other is also in a single color state.

そこで本実施例では、干渉縞を縞一色状態に調整するためのセンサとしてCCDセンサ53を備えている。CCDセンサ53には、ハーフミラー34で分割され、偏光ビームスプリッタ51を透過し、ビームエクスパンダ52により拡大された光が入射する。従ってCCDセンサ53により観察される干渉縞は、フォトディテクタ36により検出される干渉縞と同じになる。このため、CCDセンサ53により観察される干渉縞が縞一色状態となるようにティップティルトステージ4を調整することで、フォトディテクタ36及びフォトディテクタ37において検出される干渉縞を縞一色状態とすることができる。   Therefore, in this embodiment, a CCD sensor 53 is provided as a sensor for adjusting the interference fringes to the one-color fringe state. Light that has been split by the half mirror 34, transmitted through the polarization beam splitter 51, and expanded by the beam expander 52 is incident on the CCD sensor 53. Accordingly, the interference fringes observed by the CCD sensor 53 are the same as the interference fringes detected by the photodetector 36. For this reason, by adjusting the tip tilt stage 4 so that the interference fringes observed by the CCD sensor 53 are in a striped color state, the interference fringes detected in the photo detector 36 and the photo detector 37 can be in a striped color state. .

ただし、被検物1が大きく傾いて固定された場合には、CCDセンサ53において干渉縞を観察できない可能性がある。そこで本実施例では、ポジションセンサ55を備えている。ポジションセンサ55には、ハーフミラー33により分割された光が入射する。従ってポジションセンサ55には、カンチレバー12からの反射光と被検物1からの反射光が入射することになる。そして、ポジションセンサ55において観察される2つの輝点が重なるようにティップティルトステージ4を調整する。これにより、カンチレバー12からの反射光と被検物1からの反射光が、ほぼ共通光路を取るように調整することができる。このため、CCDセンサ53において干渉縞が観察できる状態となり、干渉縞が縞一色状態となるように調整することができるようになる。   However, when the test object 1 is fixed with a large inclination, there is a possibility that the interference fringes cannot be observed in the CCD sensor 53. Therefore, in this embodiment, a position sensor 55 is provided. The light split by the half mirror 33 is incident on the position sensor 55. Therefore, the reflected light from the cantilever 12 and the reflected light from the test object 1 enter the position sensor 55. Then, the tip tilt stage 4 is adjusted so that two bright spots observed by the position sensor 55 overlap. Thereby, it can adjust so that the reflected light from the cantilever 12 and the reflected light from the to-be-tested object 1 may take a substantially common optical path. Therefore, the interference fringes can be observed in the CCD sensor 53, and the interference fringes can be adjusted to be in a single color state.

また、本実施例はカメラ56を備えており、カンチレバー先端部分の様子を観察することができる。このカメラ56を用いることで、集光レンズ29により集光された光がカンチレバー背面の所定の場所に照射されるように調整することが可能となる。   In addition, the present embodiment includes a camera 56 and can observe the state of the tip of the cantilever. By using the camera 56, it is possible to adjust so that the light condensed by the condenser lens 29 is irradiated to a predetermined place on the back surface of the cantilever.

以上説明した本実施例と図5に示す従来例との相違点は、被検物1に入射する光が集束光である点である。その結果、S偏光とP偏光が異なる光路を通る範囲は、ローションプリズム28を透過してからカンチレバー12及び被検物1で反射し再度ローションプリズム28に入射するまでとなり、従来よりも共通光路部分が多い。そのため、従来よりも温度や気圧等の変動に伴う大気屈折率変動の影響を軽減することが可能であり、カンチレバー12の変位計測を高精度化することができる。   The difference between the present embodiment described above and the conventional example shown in FIG. 5 is that the light incident on the test object 1 is focused light. As a result, the range in which the S-polarized light and the P-polarized light pass through different optical paths is from passing through the lotion prism 28 to being reflected by the cantilever 12 and the test object 1 and entering the lotion prism 28 again. There are many. Therefore, it is possible to reduce the influence of atmospheric refractive index fluctuations associated with fluctuations in temperature, atmospheric pressure, etc., as compared with the prior art, and the displacement measurement of the cantilever 12 can be made highly accurate.

また、S偏光とP偏光の主光線が異なる光路を取る点も本実施例が従来例と異なる点である。その結果、P偏光が被検物1に入射する光路中にカンチレバー12を配置しない構成を取ることができ、計測ノイズの発生を抑制することができる。   The present embodiment is also different from the conventional example in that the principal rays of S-polarized light and P-polarized light take different optical paths. As a result, it is possible to adopt a configuration in which the cantilever 12 is not disposed in the optical path where the P-polarized light enters the test object 1, and the generation of measurement noise can be suppressed.

なお、S偏光とP偏光がローションプリズム28により分離される角度は、被検物1に対するカンチレバー12の傾き(傾斜角度)に応じて設計することが望ましい。より具体的には、カンチレバー12近傍の拡大図である図2において、θ1とθ2が等しくなるようにローションプリズム28及び集光レンズ29を設計することが望ましい。ここでθ1は、カンチレバー12の背面に入射するS偏光の主光線と、被検物1に入射するP偏光の主光線とがなす角である。またθ2は、カンチレバー12の背面に設けた反射面と被検物1とのなす角度の設計値である。一般的には、カンチレバーホルダー11と被検物1との機械的干渉を避けるため、ある程度の角度をθ2に持たせて装置設計しており、本実施例においてもθ2を10度としている。本実施例ではP偏光の主光線が被検物1に垂直入射するようにアライメントして計測するため、θ1とθ2が異なり必要以上にθ1が小さい場合には、カンチレバーホルダー11と被検物1とが機械的干渉を起こす危険性がある。   The angle at which the S-polarized light and the P-polarized light are separated by the lotion prism 28 is preferably designed according to the inclination (inclination angle) of the cantilever 12 with respect to the test object 1. More specifically, in FIG. 2, which is an enlarged view of the vicinity of the cantilever 12, it is desirable to design the lotion prism 28 and the condenser lens 29 so that θ1 and θ2 are equal. Here, θ1 is an angle formed by the S-polarized chief ray incident on the back surface of the cantilever 12 and the P-polarized chief ray incident on the test object 1. Θ2 is a design value of an angle formed between the reflection surface provided on the back surface of the cantilever 12 and the test object 1. In general, in order to avoid mechanical interference between the cantilever holder 11 and the test object 1, the device is designed with a certain angle θ 2, and θ 2 is also set to 10 degrees in this embodiment. In this embodiment, since the P-polarized chief rays are aligned and measured so that they are perpendicularly incident on the test object 1, when θ1 and θ2 are different and θ1 is smaller than necessary, the cantilever holder 11 and the test object 1 are measured. May cause mechanical interference.

さらに本実施例は、ローションプリズム28により分離されるS偏光とP偏光の光量比を調節する手段として、2分の1波長板24と、回転機構25を備えている。ここで回転機構25は、コリメータ23により射出された平行光の光軸を回転軸として2分の1波長板24を回転する機構である。回転機構25により2分の1波長板24を回転させると、2分の1波長板24に入射する直線偏光の偏光方向を自由に変更し射出することができる。これは、射出される直線偏光に含まれるS偏光とP偏光の割合を自由に変更可能であることを意味しており、結果としてローションプリズム28により分離されるS偏光とP偏光の光量比を自由に調節することができる。   Further, the present embodiment includes a half-wave plate 24 and a rotation mechanism 25 as means for adjusting the light quantity ratio between the S-polarized light and the P-polarized light separated by the lotion prism 28. Here, the rotation mechanism 25 is a mechanism that rotates the half-wave plate 24 about the optical axis of the parallel light emitted from the collimator 23 as the rotation axis. When the half-wave plate 24 is rotated by the rotation mechanism 25, the polarization direction of the linearly polarized light incident on the half-wave plate 24 can be freely changed and emitted. This means that the ratio between the S-polarized light and the P-polarized light included in the emitted linearly polarized light can be freely changed. As a result, the light quantity ratio between the S-polarized light and the P-polarized light separated by the lotion prism 28 can be changed. Can be adjusted freely.

この光量比調節機構を用いると、カンチレバー12と被検物1とで反射率が異なっている場合でも、カンチレバー12からの反射光の光量と被検物1からの反射光の光量を同等にすることができる。そのため、フォトディテクタ36及びフォトディテクタ37で検出される干渉縞のコントラストを高くすることができ、図5に示す従来例よりもカンチレバー12の変位計測を高精度化することができる。   When this light quantity ratio adjusting mechanism is used, even when the reflectance is different between the cantilever 12 and the test object 1, the light quantity of the reflected light from the cantilever 12 and the light quantity of the reflected light from the test object 1 are made equal. be able to. Therefore, the contrast of the interference fringes detected by the photodetector 36 and the photodetector 37 can be increased, and the displacement measurement of the cantilever 12 can be made more accurate than the conventional example shown in FIG.

なお、本実施例では偏光光学素子としてローションプリズムを用いているが、代わりにウォラストンプリズムを使用しても同様の効果を得ることができる。また、本実施例ではS偏光をカンチレバー背面に照射しP偏光を被検物に照射するとしているが、S偏光とP偏光を逆にしてもよい。   In this embodiment, a lotion prism is used as the polarizing optical element, but the same effect can be obtained by using a Wollaston prism instead. In this embodiment, the S-polarized light is irradiated on the back surface of the cantilever and the P-polarized light is irradiated on the test object. However, the S-polarized light and the P-polarized light may be reversed.

図3は、実施例2による原子間力顕微鏡の構成を示す図である。実施例1と異なる点は、4分の1波長板30及び2分の1波長板31の位置と、ハーフミラー33の位置が逆転し、さらに、ハーフミラー33とポジションセンサ55との間に、偏光ビームスプリッタ54を挿入している点である。ポジションセンサ55には被検物1からの反射光のみが入射し、カンチレバー12からの反射光は入射しない構成となる。そして観察される1つの輝点の位置情報を用いて、干渉縞が縞一色状態となるようにティップティルトステージ4を調整する。すなわち、干渉縞が縞一色状態となる輝点の理想位置を予め把握しておき、理想位置に輝点が移動するようにティップティルトステージ4を調整する。   FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an atomic force microscope according to the second embodiment. The difference from the first embodiment is that the positions of the quarter-wave plate 30 and the half-wave plate 31 and the position of the half mirror 33 are reversed, and further, between the half mirror 33 and the position sensor 55, The polarization beam splitter 54 is inserted. Only the reflected light from the test object 1 is incident on the position sensor 55 and the reflected light from the cantilever 12 is not incident. Then, the tip tilt stage 4 is adjusted using the positional information of one bright spot to be observed so that the interference fringes are in a single color state. That is, the ideal position of the bright spot where the interference fringes are in a single-colored state is known in advance, and the tip tilt stage 4 is adjusted so that the bright spot moves to the ideal position.

本実施例の特徴は、ポジションセンサ55において検出される輝点がひとつしかないため、計算機による演算で輝点位置をより正確に算出可能な点である。このため、被検物1のアライメント状態を計算機のみで精度よく求めることができ、自動測定に適した形態である。   The feature of the present embodiment is that the bright spot position can be calculated more accurately by calculation by a computer because there is only one bright spot detected by the position sensor 55. For this reason, the alignment state of the test object 1 can be obtained with high accuracy only by a computer, and this is a form suitable for automatic measurement.

図4は、実施例3による原子間力顕微鏡の構成を示す図である。実施例1、2と異なる点は、干渉縞検出用のフォトディテクタを1つに減らした点である。この場合の演算装置38における解析内容について説明する。フォトディテクタ36で取得された光情報をA1とすると、実施例1において説明したように次式で表される。   FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of an atomic force microscope according to the third embodiment. The difference from the first and second embodiments is that the number of interference fringe detection photodetectors is reduced to one. The analysis contents in the arithmetic unit 38 in this case will be described. Assuming that the optical information acquired by the photodetector 36 is A1, as described in the first embodiment, it is expressed by the following equation.

Figure 2009042123
ここで、Aは光情報の大きさを定義する定数であり、λは使用している光の波長、ΔLはカンチレバー12と被検物1の間の相対的な変位情報、αはローションプリズム28で分離したS偏光とP偏光の光路長差から決まる初期位相である。Vは干渉縞の感度係数であり0以上1以下の値をとる。また、Φは2分の1波長板31を回転させる回転機構32の回転角度に応じて変化する位相である。
Figure 2009042123
Here, A is a constant that defines the size of the optical information, λ is the wavelength of the light being used, ΔL is the relative displacement information between the cantilever 12 and the test object 1, and α is the lotion prism 28. This is the initial phase determined from the difference in optical path length between the S-polarized light and the P-polarized light separated by. V is a sensitivity coefficient of interference fringes and takes a value of 0 or more and 1 or less. Further, Φ is a phase that changes according to the rotation angle of the rotation mechanism 32 that rotates the half-wave plate 31.

ここでΦがαを打ち消すように2分の1波長板31の回転角度を調整し、かつ、ΔLは非常に微小量であるとすると、光情報A1は次式のように近似できる。   Here, if the rotation angle of the half-wave plate 31 is adjusted so that Φ cancels α, and ΔL is a very small amount, the optical information A1 can be approximated by the following equation.

Figure 2009042123
このようにして求められた光情報A1を用いると、次式が得られる。
Figure 2009042123
When the optical information A1 thus obtained is used, the following equation is obtained.

Figure 2009042123
上式より、カンチレバー12と被検物1との間の相対的な変位情報を得ることができる。上式に含まれる光情報の大きさAと干渉縞の感度係数Vは、2分の1波長板31を回転機構32により回転させながらフォトディテクタ36の強度情報を取得し、最小強度Aminと最大強度Amaxを求めることで次式のように計算することができる。
Figure 2009042123
From the above equation, relative displacement information between the cantilever 12 and the test object 1 can be obtained. The magnitude A of the optical information and the sensitivity coefficient V of the interference fringes included in the above formula are obtained by obtaining the intensity information of the photodetector 36 while rotating the half-wave plate 31 by the rotation mechanism 32, and the minimum intensity Amin and the maximum intensity. By calculating Amax, it can be calculated as follows.

Figure 2009042123
Figure 2009042123

Figure 2009042123
なお、本実施例の場合、カンチレバー変位の符号がわからない欠点がある。しかしながら、カンチレバーの振幅情報を用いて計測を行なうACモードではカンチレバー変位の符号情報を必要としないため、本実施例を適用することができる。
Figure 2009042123
In the case of this embodiment, there is a drawback that the sign of the cantilever displacement is not known. However, in the AC mode in which measurement is performed using the amplitude information of the cantilever, the sign information of the cantilever displacement is not required, and therefore this embodiment can be applied.

実施例1による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an atomic force microscope according to Example 1. FIG. カンチレバー周辺部を拡大した図である。It is the figure which expanded the cantilever peripheral part. 実施例2による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。6 is a schematic diagram illustrating a configuration of an atomic force microscope according to Example 2. FIG. 実施例3による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。6 is a schematic diagram illustrating a configuration of an atomic force microscope according to Example 3. FIG. 一従来例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1 被検物
2 ベース
3 XYZステージ
4 ティップティルトステージ
6 ハウジング
7 XYスキャナ
8 チューブスキャナ
9 カンチレバー取り付けブロック
10 加振用ピエゾアクチュエータ
11 カンチレバーホルダー
12 カンチレバー
21 光源
22 光ファイバ
23 コリメータ
24 2分の1波長板
25 回転機構
26 ハーフミラー
27 ダイクロイックミラー
28 ローションプリズム
29 集光レンズ
30 4分の1波長板
31 2分の1波長板
32 回転機構
33 ハーフミラー
34 ハーフミラー
35 偏光ビームスプリッタ
36 フォトディテクタ
37 フォトディテクタ
51 偏光ビームスプリッタ
52 ビームエクスパンダ
53 CCDセンサ
54 偏光ビームスプリッタ
55 ポジションセンサ
56 カメラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Test object 2 Base 3 XYZ stage 4 Tip tilt stage 6 Housing 7 XY scanner 8 Tube scanner 9 Cantilever mounting block 10 Excitation piezoelectric actuator 11 Cantilever holder 12 Cantilever 21 Light source 22 Optical fiber 23 Collimator 24 1/2 wavelength plate 25 Rotating mechanism 26 Half mirror 27 Dichroic mirror 28 Lotion prism 29 Condensing lens 30 Quarter wavelength plate 31 Half wavelength plate 32 Rotating mechanism 33 Half mirror 34 Half mirror 35 Polarizing beam splitter 36 Photo detector 37 Photo detector 51 Polarizing beam Splitter 52 Beam expander 53 CCD sensor 54 Polarizing beam splitter 55 Position sensor 56 Camera

Claims (7)

探針を備えるカンチレバーを被検物に接近させ、前記探針と前記被検物の間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちつつ走査することにより、前記被検物の面形状を計測する原子間力顕微鏡において、
光源と、
前記光源からの光を2種類の偏光光に分割する偏光光学素子と、
前記2種類の偏光光のうちの一方を、前記カンチレバーに集光させるとともに、他方の偏光光を前記被検物に集光させ、それぞれ反射させて得られた2種類の反射光による干渉縞を得る光学系と、
前記干渉縞から前記カンチレバーの変位を検出する検出手段と、を有することを特徴とする原子間力顕微鏡。
A cantilever provided with a probe is brought close to the object to be detected, an atomic force generated between the probe and the object to be detected is detected, and scanning is performed while keeping the atomic force constant. In an atomic force microscope that measures the surface shape of an object,
A light source;
A polarizing optical element that divides light from the light source into two types of polarized light;
One of the two kinds of polarized light is condensed on the cantilever, and the other polarized light is condensed on the test object, and the interference fringes caused by the two kinds of reflected light obtained by reflecting the interference light are respectively obtained. An optical system to obtain,
An atomic force microscope comprising: detecting means for detecting displacement of the cantilever from the interference fringes.
前記カンチレバー及び前記被検物に入射するときに、前記2種類の偏光光が異なる光路を取ることを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。   The atomic force microscope according to claim 1, wherein the two types of polarized light take different optical paths when entering the cantilever and the test object. 前記2種類の偏光光がなす角度と、前記被検物に対する前記カンチレバーの傾斜角度が等しいことを特徴とする請求項1又は2記載の原子間力顕微鏡。   The atomic force microscope according to claim 1 or 2, wherein an angle formed by the two types of polarized light is equal to an inclination angle of the cantilever with respect to the test object. 前記2種類の偏光光の光量比を調節する手段を有することを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載の原子間力顕微鏡。   The atomic force microscope according to any one of claims 1 to 3, further comprising means for adjusting a light amount ratio of the two types of polarized light. 前記光量比を調節する手段が、前記光源からの光の偏光方向を変更する波長板と、前記光の光軸のまわりに前記波長板を回転させる回転機構と、を有することを特徴とする請求項4記載の原子間力顕微鏡。   The means for adjusting the light amount ratio includes a wave plate that changes a polarization direction of light from the light source, and a rotation mechanism that rotates the wave plate around an optical axis of the light. Item 5. The atomic force microscope according to Item 4. 前記検出手段が、前記干渉縞から光路長差を算出する際に用いる感度情報を取得する感度情報取得手段を有することを特徴とする請求項1ないし5いずれか1項記載の原子間力顕微鏡。   The atomic force microscope according to any one of claims 1 to 5, wherein the detection means includes sensitivity information acquisition means for acquiring sensitivity information used when calculating an optical path length difference from the interference fringes. 前記感度情報取得手段が、前記2種類の偏光光の共通光路に配置された4分の1波長板と、2分の1波長板と、前記2分の1波長板を回転させる回転機構と、を有することを特徴とする請求項6記載の原子間力顕微鏡。   The sensitivity information acquisition means includes a quarter-wave plate disposed in a common optical path of the two types of polarized light, a half-wave plate, and a rotation mechanism that rotates the half-wave plate; The atomic force microscope according to claim 6, comprising:
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