專(zhuān)利名稱(chēng)：原子力顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原子力顯微鏡，它用光學(xué)方式檢測(cè)由作用于在懸臂梁的自由端部設(shè)置針狀物而構(gòu)成的探針的前端和試樣表面間的原子力產(chǎn)生的探針變位；尤其涉及適合大型、大面積試樣的原子力顯微鏡。
以納米(毫微米)以下的精度測(cè)定試樣表面凹凸的原子力顯微鏡，近年來(lái)，隨著光盤(pán)、磁記錄、半導(dǎo)體之類(lèi)器件的高密度化、高集成化，其應(yīng)用范圍急速擴(kuò)大。在原子力顯微鏡中，具有光杠桿方式、光干涉方式、臨界角方式等種種方式。下面，采用圖5，對(duì)能用極簡(jiǎn)單構(gòu)成實(shí)現(xiàn)的光杠桿方式的原子力顯微鏡加以說(shuō)明。
圖5中，試樣41固定在可沿X、Y、Z向移動(dòng)的掃描器44上。一端支持在探針架43上的探針42位于試樣41上方。
光源45經(jīng)透鏡47把光束46照射到探針42上、與試樣41為相對(duì)側(cè)的反射面。光檢測(cè)器48設(shè)在獲取自探針42上的所述反射面反射的光束46的位置。透鏡47位于連接光源45和探針42的軸上，把光源45照射的光束46匯聚于光檢測(cè)器48上或其附近的一點(diǎn)。
若使探針42充分接近試樣41的表面，由于作用于探針42和試樣41表面的原子力，在探針上產(chǎn)生撓曲。由此，由探針42的反射面所反射的光束46的反射角產(chǎn)生微量變化。該探針42的Z向的變位△Z，在獲取由探針42的反射面所反射的光束的光檢測(cè)器48上放大后檢出。邊檢出該Z向的變位，邊如圖6所示在X、Y向光柵狀地掃描固定試樣41的掃描器44，且使在Z向振動(dòng)，由此測(cè)定試樣41的表面形狀。
但是，示于圖5的以往例子中，由于光柵狀掃描試樣41時(shí)，使固定試樣的掃描器44沿X、Y、Z向移動(dòng)，在觀察大面積、大型試樣表面時(shí)，試樣本身的重量會(huì)產(chǎn)生不小的慣性力。因此，控制固定試樣41的掃描器變得困難。
又，雖然原子力顯微鏡適合以納米以下的精度測(cè)定小于數(shù)十μm見(jiàn)方的細(xì)微區(qū)域，但觀察更大范圍，則原子力顯微鏡自身倍率過(guò)高而變得困難。例如，測(cè)定用光學(xué)顯微鏡可觀察的試料表面的缺陷之類(lèi)的凹痕時(shí)，存在實(shí)際上想要觀察的區(qū)域和實(shí)際上正觀察區(qū)域間偏差修正的問(wèn)題。
最近，原子力顯微鏡用于直徑30cm的光盤(pán)的凹痕形狀、帶鼓錄像磁頭磁隙長(zhǎng)度及電子零件的評(píng)價(jià)。在這些測(cè)定中，為了在制造流水線(xiàn)上抽樣檢查，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)希望非破壞地測(cè)定試樣的要求增大了。然而，至今的原子力顯微鏡中，不把試樣切削至厘米見(jiàn)方的程度是困難的。本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，其目的在于提供一種不必切削大面積、大型樣品以試樣原來(lái)大小即可測(cè)定的原子力顯微鏡。
本申請(qǐng)的第1發(fā)明的原子力顯微鏡，該顯微鏡把由檢測(cè)光放射系統(tǒng)放射的大致平行的變位檢測(cè)光，通過(guò)鏡子使其方向變?yōu)榇笾鲁芍苯堑姆较蛉缓髮?dǎo)向共焦透鏡、由該共焦透鏡把變位檢測(cè)光匯聚于探針的反射面附近、把相應(yīng)于用作用于探針與試樣表面間的原子力，由于變位探針的所述反射面反射的變位，而反射角不同的反射光導(dǎo)向所述共焦透鏡，然后，由所述鏡子使其方向變換為大致成直角的方向，導(dǎo)向變位檢測(cè)系統(tǒng)、在檢測(cè)系統(tǒng)中放大探針的變位后檢出；其特征在于，該原子力顯微鏡包括備有所述共焦透鏡及探針的Z向掃描部；使Z向掃描部沿試樣表面垂直方向移動(dòng)的Z向掃描器；備有所述Z向掃描部、Z向掃描器及鏡子的X向掃描部；使X向掃描部沿與試樣表面平行的面內(nèi)的第1軸方向移動(dòng)的X向掃描器；備有所述X向掃描部、X向掃描器、所述光放射系統(tǒng)及所述變位檢測(cè)系統(tǒng)的Y向掃描部；使所述Y向掃描部沿在與試樣表面平行面內(nèi)的、與第1軸垂直的第2軸方向移動(dòng)的Y向掃描器。
本申請(qǐng)第2發(fā)明的原子力顯微鏡，其特征在于包括備有所述共焦透鏡及探針的Z向掃描部；使Z向掃描部沿試樣表面垂直方向移動(dòng)的Z向掃描器；備有所述Z向掃描部、Z向掃描器、鏡子、所述檢測(cè)光放射系統(tǒng)和變位檢測(cè)系統(tǒng)的X-Y向掃描部；使X-Y向掃描部沿與試樣表面平行的面內(nèi)移動(dòng)的X-Y向掃描器。
本申請(qǐng)的第3發(fā)明的原子力顯微鏡，其特征在于，在第1或第2發(fā)明中，所述鏡子僅反射變位檢測(cè)光而透過(guò)此外其它波長(zhǎng)的光；所述原子力顯微鏡還包括利用透過(guò)所述鏡子的光，取入探針及其附近的試樣表面圖像并對(duì)此加以顯示的圖像顯示手段。
在后述的實(shí)施例中，半導(dǎo)體激光光源101、準(zhǔn)直透鏡102、偏轉(zhuǎn)分束鏡(ビ-ㄙスプリッタ-)104及1/4波長(zhǎng)板105相當(dāng)于上述檢測(cè)光放射系統(tǒng)；二向色鏡(ダイクロイックミラ)106相當(dāng)于上述鏡子；1/4波長(zhǎng)板105、偏轉(zhuǎn)分束鏡104、反射鏡111及光電雙二極管112相當(dāng)于上述變位檢測(cè)系統(tǒng)。又，在后述的實(shí)施例中，CCD攝象機(jī)113相當(dāng)于上述圖像顯示手段。
根據(jù)本申請(qǐng)的第1及第2發(fā)明，能把Z向掃描部制得非常輕，能圓滿(mǎn)地進(jìn)行由響應(yīng)頻率需要幾千Hz的Z向掃描器所作的掃描。另一方面，X向掃描部及Y向掃描部或X-Y向掃描部具有相當(dāng)重量，與此相對(duì)應(yīng)，響應(yīng)頻率低達(dá)幾Hz至幾百分之一Hz，因此在X向掃描器及Y向掃描器或X-Y向掃描器所進(jìn)行的掃描中，不會(huì)產(chǎn)生故障。且Z向掃描部相對(duì)于X向掃描部或X-Y向掃描部，在Z向移動(dòng)，Z向掃描部的共焦透鏡和X向掃描部或X-Y向掃描部的鏡子的X向位置始終保持一致，由鏡子入射至共焦透鏡的變位檢測(cè)光是平行光，所以探針變位量測(cè)定時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤差。因而，可固定試樣側(cè)，掃描探針側(cè)，進(jìn)行圓滿(mǎn)且正確的測(cè)定。
根據(jù)本申請(qǐng)的第3發(fā)明，除上述第1發(fā)明或第2發(fā)明的作用外，還能同時(shí)在大范圍內(nèi)獲取探針正下方的像。
圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的原子力顯微鏡構(gòu)成的原理圖。
圖2是表示原子力顯微鏡測(cè)定頭構(gòu)成的原理圖。
圖3是在光學(xué)顯微鏡頭上安裝了測(cè)定頭的斜視圖。
圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的原子力顯微鏡的測(cè)定頭構(gòu)成的原理圖。
圖5是表示以往的原子力顯微鏡構(gòu)成的原理圖。
圖6是表示原子力顯微鏡的試樣表面掃描方法的斜視圖。
圖中21是X向掃描部，22是Y向掃描部，23是Z向掃描部，24是X向掃描器，25是Y向掃描器，26是Z向掃描器，29是X-Y向掃描器，30是X-Y向掃描部，41是試樣，103是變位檢測(cè)光，106是鏡子，107是共焦透鏡，110是探針，113是圖像顯示手段，101、102、104、105是檢出光放射系統(tǒng)，105、104、111、112是變位檢測(cè)系統(tǒng)。
實(shí)施例1下面，參照


本發(fā)明的實(shí)施例1。圖1表示本實(shí)施例的原子力顯微鏡的基本構(gòu)成。
探針110備有懸臂梁109及安裝在其自由端部下面的針狀物100，它在懸壁梁109的自由端部上面具有反射面并在懸臂梁109的基端支持于探針架108上。半導(dǎo)體激光光源101向下方或上方的準(zhǔn)直透鏡102(圖1表示下方、圖2表示上方場(chǎng)合)發(fā)射激光光束(變位檢測(cè)光)103。準(zhǔn)直透鏡102使上述激光光束103變?yōu)槠叫泄狻ＦD(zhuǎn)分束鏡104在直角方向反射自激光光源101射出的激光光束103，該激光束103導(dǎo)向1/4波長(zhǎng)板105、二向色鏡106。該二向色鏡在直角方向反射激光光束103，經(jīng)在其下方的共焦透鏡107而導(dǎo)向上述懸臂梁109的自由端部的反射面。在該處被反射的激光光束103經(jīng)共焦透鏡107、二向色鏡106、1/4波長(zhǎng)板105返回上述偏轉(zhuǎn)分束鏡104，該偏轉(zhuǎn)分束鏡104透過(guò)反射的激光光束，把它導(dǎo)向反射鏡111。該反射的激光光束103由反射鏡111作直角反射，導(dǎo)向位于其下方的光電雙二極管112。
上述二向色鏡106只反射具有特定波長(zhǎng)的上述激光光束103，經(jīng)共焦透鏡109把上述激光光束103導(dǎo)至上述懸臂梁109的自由端部的反射面，同時(shí)，透過(guò)具有特定波長(zhǎng)的上述激光光束103以外的波長(zhǎng)的光。上述共焦透鏡107是在光路上來(lái)去兩個(gè)方向各自具有焦距f的透鏡，它把導(dǎo)自二向色鏡106的激光光束103匯聚于支持在探針架108的懸壁梁109的自由端部反射面附近，且把來(lái)自上述自由部反射面的反射激光光束103經(jīng)二向色鏡106、1/4波長(zhǎng)板105、偏轉(zhuǎn)分束鏡104、反射鏡111而匯聚于光電雙二極管112上。懸臂梁109的自由端部反射面與共焦透鏡107的下端部的間距為自共焦透鏡107的焦距f起再離開(kāi)△f(即f+△f)，使由二向色鏡106經(jīng)共焦透鏡107入射的激光光束103，從上述懸臂梁109的自由端部的反射面散焦△f，因而自懸臂梁109的自由端部反射面反射的激光光束103能匯聚于光電雙二極管112上。
配置在二向色鏡106上方的CCD攝像機(jī)113經(jīng)二向色鏡106、共焦透鏡107獲取自懸臂梁109的自由端部反射面及試樣表面等反射的試樣觀察用的照明光114，從而得到探針110的針狀物100及其附近的圖像信息。
下面，采用圖1對(duì)變位檢測(cè)原理進(jìn)行說(shuō)明。如圖1所示，若設(shè)共焦透鏡107的焦距為f，自懸臂梁109的固定端部至針狀物100的距離為L(zhǎng)，由試樣表面和針狀物100間產(chǎn)生的原子力而引起的懸臂梁109的Z向變位為△Z，光電雙二極管112上的激光光束103的X向的變位為△X，則△X＝(3f/L)·△Z。這里，設(shè)f＝8mm，L＝0.1mm，則△X＝240·△Z。即在光電雙二極管112上，懸臂梁109的Z向變位△Z，擴(kuò)大為240倍加以檢測(cè)。由此，設(shè)光電雙二極管112的檢測(cè)靈敏度為0.025μm，則Z向的分辨率為約0.1nm。
在上述構(gòu)成中，使作為變位檢測(cè)光的激光光束103聚光在光電雙二極管上，因此該二極管112上的激光光束103光斑的直徑變小。因此，能提高光電雙二極管112對(duì)于懸臂梁109的變位量△Z的檢測(cè)靈敏度，即使讓測(cè)定頭掃描試樣表面，也可實(shí)現(xiàn)埃以下的分辨率。
然后，采用圖2說(shuō)明本實(shí)施例的掃描系統(tǒng)。通常，原子力顯微鏡的掃描如圖6所示，使探針110一面跟蹤試樣41表面，一面在X方向上掃描1行，按行52、53、54…取入圖像信息，同時(shí)又順次在與X方向成直角的Y方向移動(dòng)，從而得到試樣41表面的形狀信息。在示于圖6的掃描場(chǎng)合，為了跟蹤試樣表面，Z向的響應(yīng)頻率需要數(shù)KHz。又，為了作上述說(shuō)明的光柵狀掃描，X向響應(yīng)頻率需要約數(shù)Hz，Y向響應(yīng)頻率需要幾百分之一Hz。
在表示測(cè)定頭的圖2中，以標(biāo)號(hào)26表示的Z向掃描器使由共焦透鏡107、探針架108及探針110構(gòu)成的Z向掃描部23沿與試樣41表面垂直的Z向移動(dòng)。上述Z向掃描部23由于其構(gòu)成要素由共焦透鏡107、探針110等構(gòu)成，因而能制得非常輕，能使Z向高速響應(yīng)。圖2中的標(biāo)號(hào)24表示的X向掃描器使X向掃描部21沿X向移動(dòng)，X向掃描部是在上述Z向掃描部23、Z向掃描器26上，增加二向色鏡106及其擺動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)27構(gòu)成的。由X向掃描器24移動(dòng)的X向掃描部21，由于X向所需響應(yīng)頻率低至約數(shù)Hz，所以即使比Z向掃描部26重得多，也能在X向進(jìn)行充分控制。又，由于入射至共焦透鏡107的激光光束103是平行光，因此即使讓Z向掃描部23在X向掃描部21內(nèi)沿Z向移動(dòng)，因兩者一直取同一X向位置，故在探針110的變位量△Z的測(cè)定中，不會(huì)產(chǎn)生誤差。圖2中標(biāo)號(hào)25表示的Y向掃描器使Y向掃描部22沿Y向移動(dòng)，Y向掃描部是在上述X向掃描部21及X向掃描器24上，增加半導(dǎo)體激光光源101、準(zhǔn)直透鏡102、偏轉(zhuǎn)分束鏡104、1/4波長(zhǎng)板105、反射鏡111、擺動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)28及光電雙二極管112而構(gòu)成的。由Y向掃描器25移動(dòng)的Y向掃描部22，由于Y向所需響應(yīng)頻率非常低(幾百分之一Hz)，因而即使相當(dāng)大型的部件(幾百克)也能在Y向作充分控制。
再者，在上述二向色鏡106中備有擺動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)27，因而可調(diào)整激光光束103匯聚在懸臂梁109的自由端部反射面的位置。同樣地，在反射鏡111上備有擺動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)28，可調(diào)整把激光光束103聚集在光電雙二極管112上的位置。
上述Z向掃描器26可用壓電體等來(lái)實(shí)現(xiàn)。X向掃描器24及Y向掃描器25也同樣可用壓電體構(gòu)成，但由于與光柵掃描時(shí)，由測(cè)定頭本身自重產(chǎn)生的蠕動(dòng)現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，最好以平行板彈簧和壓電體組合構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的試樣表面的掃描。
圖3表示把上述原子力顯微鏡的測(cè)定頭33安裝在支持于主體37的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器36上的狀態(tài)。以這樣構(gòu)成，測(cè)定頭33可足夠小得能安裝在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器36上。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器36上備有幾個(gè)物鏡安裝口35，在該物鏡安裝口35上安裝倍率不同的物鏡34，可用光學(xué)方式觀察試樣41表面。用本裝置測(cè)定時(shí)，使旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器36轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)定頭33固定于圖3所示位置。粗調(diào)臺(tái)38，其上裝載試樣41，可上下方向移動(dòng)。安裝在測(cè)定頭33上的探針110足夠近地接近試樣41，測(cè)定試樣41表面，根據(jù)來(lái)自上述光電雙二極管112、X向掃描器24及Y向掃描器25的信號(hào)，作成圖像。實(shí)施例2下面，參照?qǐng)D4，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例2作說(shuō)明。圖4中附加與圖2相同標(biāo)號(hào)的構(gòu)成要素與實(shí)施例1中已說(shuō)明的構(gòu)成要素相同。且，由于變位檢測(cè)原理相同，下面省略說(shuō)明。
圖4中，Z向掃描器26使由共焦透鏡107、探針架108及探針110構(gòu)成的Z向掃描部23沿Z向移動(dòng)。由于上述Z向掃描部23非常輕，與實(shí)施例1同樣，Z向可高速響應(yīng)。對(duì)于X向及Y向，則X-Y向掃描器29使X-Y向掃描部30掃描與試樣41表面平行的面，該X-Y向掃描部30的構(gòu)成是在上述Z向掃描部23、Z向掃描器26上，增加二向色鏡106及其擺動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)27、半導(dǎo)體激光光源101、準(zhǔn)直透鏡102、偏轉(zhuǎn)分束鏡104、1/4波長(zhǎng)板105、反射鏡111及其擺動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)28、光電雙二極管112。如實(shí)施例1那樣，在沿X向移動(dòng)的掃描機(jī)構(gòu)和沿Y向移動(dòng)的掃描機(jī)構(gòu)有各自獨(dú)立的掃描機(jī)構(gòu)的情況下，測(cè)定時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生由相互掃描的干涉引起的非線(xiàn)性畸變，但如本實(shí)施例所示，通過(guò)使X、Y向一體移動(dòng)，可防止上述干涉。由X-Y向掃描器29移動(dòng)的X-Y向掃描部30其在X-Y向所需響應(yīng)頻率低達(dá)幾Hz至幾百分之一Hz，所以即使是相當(dāng)大型的部件(幾百克以?xún)?nèi))也可控制其X-Y向掃描。
又，與實(shí)施例1同樣，可用壓電體實(shí)現(xiàn)Z向掃描器26。X-Y向掃描器29也同樣可用壓電體等構(gòu)成。與實(shí)施例1同樣，通過(guò)平行板彈簧和壓電體組合構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定掃描。
在本實(shí)施例中，與實(shí)施例1同樣，最好是在二向色鏡106上方配置CCD攝像機(jī)這種構(gòu)成，以得到探針110的針狀物100及其附近的圖像信息。
根據(jù)本申請(qǐng)第1發(fā)明及第2發(fā)明的原子力顯微鏡，以試樣固定的狀態(tài)，掃描探針測(cè)，能圓滿(mǎn)且正確地進(jìn)行測(cè)定，能以非破壞狀態(tài)測(cè)定以往不可能測(cè)定的大型、大面積的試樣。
又，根據(jù)本申請(qǐng)的第3發(fā)明，除上述效果外，還能同時(shí)在大范圍內(nèi)獲取探針正下方的像，容易接近想要測(cè)定的區(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種原子力顯微鏡，該顯微鏡把由檢測(cè)光放射系統(tǒng)放射的大致平行的變位檢測(cè)光，通過(guò)鏡子使其方向變?yōu)榇笾鲁芍苯堑姆较蚝螅瑢?dǎo)向共焦透鏡，由該共焦透鏡把變位檢測(cè)光匯聚于探針的反射面附近，把根據(jù)因作用于探針與試樣表面間的原子力而變位的所述探針?lè)瓷涿娣瓷涞乃鲎兾?，反射角產(chǎn)生差異的反射光導(dǎo)向所述共焦透鏡，再由所述鏡子變換方向?yàn)榇笾鲁芍苯堑姆较?，?dǎo)向變位檢測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中放大探針的變位并檢出；其特征在于，所述原子力顯微鏡包括備有所述共焦透鏡及探針的Z向掃描部；使Z向掃描部沿試樣表面垂直方向移動(dòng)的Z向掃描器；備有所述Z向掃描部、Z向掃描器及鏡子的X向掃描部；使X向掃描部沿與試樣表面平行的面內(nèi)的第1軸方向移動(dòng)的X向掃描器；備有所述X向掃描部、X向掃描器、所述檢測(cè)光放射系統(tǒng)及所述變位檢測(cè)系統(tǒng)的Y向掃描部；使所述Y向掃描部沿與試樣表面平行面內(nèi)的、與第1軸垂直的第2軸方向移動(dòng)的Y向掃描器。
2.一種原子力顯微鏡，該顯微鏡把由檢測(cè)光放射系統(tǒng)放射的大致平行的變位檢測(cè)光通過(guò)鏡子改變成大致成直角的方向后，導(dǎo)向共焦透鏡，由該共焦透鏡把變位檢測(cè)光匯聚于探針?lè)瓷涿娓浇迅鶕?jù)因作用于試樣表面間的原子力而變位的所述探針?lè)瓷涿娣瓷涞乃鲎兾?，反射角產(chǎn)生差異的反射光導(dǎo)向所述共焦透鏡上，再由所述鏡子改變成大致成直角的方向，導(dǎo)向變位檢測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中放大探針的變位并檢出；其特征在于，所述顯微鏡包括備有所述共焦透鏡及探針的Z向掃描部；使Z向掃描部沿試樣表面垂直方向移動(dòng)的Z向掃描器；備有所述Z向掃描部、Z向掃描器、鏡子、所述檢測(cè)光放射系統(tǒng)和變位檢測(cè)系統(tǒng)的X-Y向掃描部；使X-Y向掃描部沿與試樣表面平行的面內(nèi)移動(dòng)的X-Y向掃描器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的原子力顯微鏡，其特征在于，所述鏡子僅反射變位檢測(cè)光而透過(guò)其它波長(zhǎng)的光；所述原子力顯微鏡還包括通過(guò)透過(guò)所述鏡子的光，取入探針及其附近的試樣表面圖像并對(duì)此加以顯示的圖像顯示手段。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種原子力顯微鏡，它包括備有共焦透鏡及探針的Z向掃描部；使該掃描部沿垂直試樣表面的方向移動(dòng)的Z向掃描器；包含上述兩部分及鏡子的X向掃描部；使X向掃描部沿與試樣表面平行的平面內(nèi)的第1軸向移動(dòng)的X向掃描器；備有X向掃描部、X向掃描器、檢測(cè)光放射系統(tǒng)及變位檢測(cè)系統(tǒng)的Y向掃描部；使Y向掃描部沿與試樣表面平行的平面內(nèi)、垂直于第1軸向的第2軸向移動(dòng)的Y向掃描器。具有能測(cè)定大型試樣的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H17/00GK1150253SQ9511819
公開(kāi)日1997年5月21日 申請(qǐng)日期1995年11月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月28日
發(fā)明者半田宏治, 久保圭司, 土居正照, 吉住惠一 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社