[发明专利]扫描探针显微镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种扫描探针显微镜，更具体地讲，是涉及一种具备对设有探针的悬臂(cantilever)的机械位移进行光学检测的位移检测部件的扫描探针显微镜。

背景技术

作为对金属、半导体、陶瓷、合成树脂等进行表面观察及对它们的表面粗糙度等进行测定的装置，广泛公知有以测定作用于探针(Probe)和试样表面之间的原子力的原子力显微镜(AFM＝Atomic Force Microscope)为代表的扫描探针显微镜(SPM＝Scanning Probe Microscope)。在原子力显微镜中采用几种测定模式，最近大多采用被称作非接触模式(non-contact mode)或动态模式的方法，该方法使设有探针的悬臂在其谐振点附近振动，在该状态下将作用于探针的、探针与试样表面之间的相互作用转换为悬臂的振动的振幅、相位或频率的变化来进行检测。

图5是例如专利文献1等记载的以往所公知的扫描探针显微镜的主要部分的结构图。作为观察对象的试样1被保持在设置于大致圆筒状的扫描器(scanner)3上的试样台2上。该扫描器3包含在相互正交的X、Y这2个轴向上对试样1进行扫描的XY扫描器3a、及使试样1在与X轴及Y轴正交的Z轴方向上微动的Z扫描器3b，XY扫描器3a和Z扫描器3b利用压电元件作为驱动源，该压电元件利用从外部施加的电压产生位移的。在试样1的上方配置有前端具有探针5的悬臂4，该悬臂4在未图示的包含压电元件的激励部的影响下进行振动。

为了检测悬臂4的Z轴方向位移，在悬臂4的上方设置有包括激光光源11、反射镜13、14和光检测器15的光学位移检测部10。在光学位移检测部10中，利用反射镜13将从激光光源11射出的激光大致垂直地反射，照射到悬臂4的前端附近。然后，由悬臂4反射来的光经由反射镜14而被光检测器15检测。光检测器15具有在悬臂4的位移方向(Z轴方向)上被分割为多个部分(一般是2部分)的受光面，或者具有在Z轴方向和Y轴方向上被分割为4部分的受光面。当悬臂4上下位移时，入射到多个受光面的光量的比例发生变化，因此，通过计算处理与该多个受光光量相应的检测信号，能够计算出悬臂4的位移量。

对上述结构的扫描探针显微镜在非接触模下的测定动作简单地进行说明。利用未图示的激励部，悬臂4以其谐振点附近的频率在Z轴方向振动。此时，当在探针5和试样1的表面之间作用有引力或斥力时，悬臂4的振动振幅发生变化。利用由光检测器15测得的的检测信号来检测该振动振幅的微小变化量，为了使试样1沿Z轴方向移动以使得该变化量为零、即、将振动振幅维持恒定，反馈控制Z扫描器3b的压电元件。通过在该状态下控制XY扫描器3a的压电元件来在X-Y面内扫描试样1时，与上述Z轴方向相关的反馈控制量反映试样1表面的微小的凹凸。因此，能够使用该信号制作试样1的表面图像。

在上述结构的扫描探针显微镜中，从激光光源11射出的激光的出射角(射出方向)有时会因激光振荡电路的特性中的温度变化等影响而发生微妙变化。这样，当激光的出射角产生变化时，会引起如下问题。

图6是示意地表示光学位移检测部10的一般动作的图。在探针5正在扫描试样1上的平坦面时，如图6(a)所示，能够在光检测器15的受光面上在P所示的位置获得来自悬臂4的反射光的光斑。当探针5到达试样1上的凸部1a时，如图5(b)所示，悬臂4向上方挠曲，光检测器15的受光面上的反射光的光斑位置P向下方位移。通过这样的位移，使来自光检测器15的检测信号发生变化，能够获得反映凸部1a的高度等的信息。

另一方面，图7是示意地表示来自激光光源11的激光的射出方向向上倾斜时的动作的图。如图7(a)所示，当激光的射出方向没有倾斜(偏离)(在该例子中沿X轴方向射出)的情况下，在光检测器1 5的受光面上在P所示的位置能够获得来自悬臂4的反射光的光斑。这一点与图6(a)相同。当例如因周围温度变化的影响而导致激光的射出方向稍微向上倾斜时，朝向悬臂4的照射光Lm的入射角也发生变化。因此，无论探针5是否正在扫描试样1上的平坦面，光检测器15的受光面上的反射光的光斑位置P都会向下方位移。即，在光检测器15的受光面上，成为与如图6(b)所示的在试样1的表面存在凸部1a的情况相同的状态。因此，如上所述，当激光的射出方向(出射角)发生变化时，就会误认为在试样1的表面具有凸部或凹部。