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扫描探针显微镜和扫描探针显微镜的光轴调整方法.pdf

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扫描 探针 显微镜 光轴 调整 方法
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摘要
申请专利号:

CN201610773686.7

申请日:

2016.08.31

公开号:

CN106483337A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

?#34892;?#24615;:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01Q 20/02申请日:20160831|||公开
IPC分类号: G01Q20/02(2010.01)I 主分类号: G01Q20/02
申请人: 日本株式会社日立高新技术科学
发明人: 渡边将史; 上野利浩; 伊藤晋; 长谷川晶一
地址: 日本东京都
优?#28909;ǎ?/td> 2015.09.01 JP 2015-171866
专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 闫小龙;刘春元
PDF完整版下载: PDF下载
法律状态
申请(专利)号:

CN201610773686.7

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2018.09.28|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及扫描探针显微镜和扫描探针显微镜的光轴调整方法。提供能够使用配置于扫描探针显微镜的物镜来自动地进行光杠杆的光轴调整的扫描探针显微镜和其光轴调整方法。是一种扫描探针显微镜(100),所述扫描探针显微镜(100)具备:悬臂支承部(11),以规定的安装角(θ)安装悬臂(4);移动机构(21),对悬臂的位置进行调整;光源部(1),照射检测光(L0);检测部(6),对检测光(L1)进行检测来对悬臂的移位进行检测;以及物镜(17),对悬臂的附近进行观察或拍摄,所述扫描探针显微镜(100)还具备控制单元(40),对使用物镜拍摄的检测光的光斑光的光斑位置(G1)进行检测,接着,对使用物镜拍摄的悬臂的位置(G2)进行检测,基于光斑位置、悬臂的位置、检测光(L0)的入射角(φ)、以及安装角,对移动机构进行控制,以使在将悬臂安装

权利要求书

1.一种扫描探针显微镜,具备:
悬臂,设置有与样品的表面接近的探针;
悬臂支承部,相对于水平面以规定的安装角安装所述悬臂;
移动机构,对所述悬臂的位置进行调整;
光源部,照射检测光;
检测部,对在设置于所述悬臂的反射面反射的所述检测光进行检测来对所述悬臂的移
位进行检测;以及
物镜,与所述悬臂相对地配置,对该悬臂的附近进行观察或拍摄,
所述扫描探针显微镜的特征在于,
还具备控制单元,在未将所述悬臂安装于所述悬臂支承部的状态下,对使用所述物镜
拍摄的所述检测光的光斑光的光斑位置进行检测,接着,对使用所述物镜拍摄的所述悬臂
的位置进行检测,基于所述光斑位置、所述悬臂的位置、所述检测光的入射角、以及所述安
装角,对所述移动机构进行控制,以使在将所述悬臂安装于所述悬臂支承部时在所述反射
面反射所述检测光。
2.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜,其中,所述控制单元在使用所述物镜拍摄的
所述光斑光的形状为规定的圆度以上时对所述光斑位置进行检测。
3.根据权利要求1或2所述的扫描探针显微镜,其中,
还具备检测部移动机构,所述检测部移动机构对所述检测部的位置进行调整,
所述控制单元对所述检测部移动机构进行控制,以使由所述检测部检测的所述检测光
的强度为最大。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的扫描探针显微镜,其中,所述控制单元将使用所
述物镜拍摄的所述光斑光的重心检测为所述光斑位置,将所述悬臂的重心和所述悬臂的长
轴的方向检测为所述悬臂的位置。
5.一种扫描探针显微镜的光轴调整方法,所述扫描探针显微镜具备:
悬臂,设置有与样品的表面接近的探针;
悬臂支承部,相对于水平面以规定的安装角安装所述悬臂;
移动机构,对所述悬臂的位置进行调整;
光源部,照射检测光;
检测部,对在设置于所述悬臂的反射面反射的所述检测光进行检测来对所述悬臂的移
位进行检测;以及
物镜,与所述悬臂相对地配置,对该悬臂的附近进行观察或拍摄,
其中,
所述光轴调整方法具有:
光斑位置检测工序,在未将所述悬臂安装于所述悬臂支承部的状态下,对使用所述物
镜拍摄的所述检测光的光斑光的所述光斑位置进行检测;
悬臂位置检测工序,接着,对使用所述物镜拍摄的所述悬臂的位置进行检测;
悬臂安装位置计算工序,基于所述光斑位置、所述悬臂的位置、所述检测光的入射角、
以及所述安装角,在几何学上计算所述悬臂的安装位置,以使在将所述悬臂安装于所述悬
臂支承部时在所述反射面反射所述检测光;以及
悬臂安装工序,以所述悬臂来到所述安装位置的方式对所述移动机构进行控制来将所
述悬臂安装于所述悬臂支承部。
6.根据权利要求5所述的扫描探针显微镜的光轴调整方法,其中,
所述光斑位置检测工序包含:
图像取得工序,取得所述光斑光的图像数据;
光斑位置取得工序,通过图像处理将所述光斑光的重心取得为所述光斑位置;以及
光斑位置取得判定工序,判定所述光斑位置的取得的成功与否。
7.根据权利要求6所述的扫描探针显微镜的光轴调整方法,其中,
所述光斑位置取得工序包含:
前处理工序,对在所述图像取得工序中取得的所述图像数据进行前处理;以及
光斑区域判定工序,根据所述图像数据来判定所述光斑光的区域。
8.根据权利要求7所述的扫描探针显微镜的光轴调整方法,其中,
所述光斑区域判定工序包含:
二值化工序,对所述前处理后的所述图像数据进行二值化;
圆度计算工序,计算二值化后的所述图像数据之中的最大的区域的圆度;以及
圆度判定工序,判定所述圆度是否超过阈值,在该阈值以上的情况下,作为所述光斑光
的重心取得。

说明书

扫描探针显微镜和扫描探针显微镜的光轴调整方法

技术领域

本发明涉及通过使探针与样品的表面接近进行扫描来测定样品的表面形状或粘
弹性等各种物性信息的扫描探针显微镜和其光轴调整方法。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM:Scanning Probe Microscope)使安装于悬臂(cantilever)
的顶端的探针与样品表面接近或接触来测定样品的表面形状。作为该扫描探针显微镜,已
知采用将激光照射到悬臂顶端的背面而对其反射光进行检测的所谓的光杠杆方式的显微
镜。在光杠杆方式中,将照射到悬臂的光的反射光的位置偏离检测为悬臂的移位,以将悬臂
的移位量保持为固定的方式一边进行反馈控制一边对样品表面进行扫描。然后,能够将其
反馈控制信号作为高度或物性信息来测定样品表面的表面形状或粘弹性等物性。

可是,在光杠杆方式中,需要将激光与悬臂正确地对准,以使从悬臂反射的反射光
的强度变为最高。进而,需要对检测反射光的检测器的位置进行调整的“光轴调整”。因此,
开放了如下技术:在悬臂的正上方设置光学显微镜和视频摄像机,并且,在光学显微镜的光
轴上配置分束器(beam splitter)来将从侧方射出的激光经由分束器向下方引导来对悬臂
进行照射(专利文献1)。根据该技术,激光的一部分经由分束器朝向上方而能够通过光学显
微镜直接确认激光的位置,因此,光轴调整变得容易。

另一方面,在将激光?#38408;?#22320;照射到悬臂的情况下,能够通过光学显微镜确认的激
光的光斑位置与实际上照射到悬臂的激光的位置不一致,而且,不能通过光学显微镜直接
观察照射到悬臂的激光,因此,存在不得不凭?#26412;?#36827;行光轴调整而需要熟练这样的问题。因
此,开发了如下技术:在悬臂的下方设置光学显微镜的观察图像的焦点对准的辅助照射面,
由此,能够观察照射到悬臂的激光,使光轴调整容易(专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2012-225722号公报;

专利文献2:日本特开2014-44144号公报。

发明要解决的课题

但是,在专利文献1记载的技术的情况下,在光学显微镜的光轴上配置有分束器(反射
部)而遮挡光学显微镜的光轴?#34892;模?#22240;此,存在显微镜的分辨?#24335;档?#36825;样的问题。此外,该技
术不能应用于将激光?#38408;?#22320;照射到悬臂的扫描探针显微镜。

另一方面,在专利文献2记载的技术的情况下,需要设置辅助照射面,因此,存在装
置变得复杂而小型化变得困难的这样的问题。此外,在作业者一边观察激光一边以手动进
行光轴调整的方面,依然对光轴调整需要熟练或时间。

发明内容

本发明是为?#31169;?#20915;上述的课题而完成的,其目的在于提供能够使用配置于扫描探
针显微镜的物镜来自动地进行光杠杆的光轴调整的扫描探针显微镜。

用于解决课题的方案

为了达成上述的目的,本发明的扫描探针显微镜是,一种扫描探针显微镜,具备:悬臂,
设置有与样品的表面接近的探针;悬臂支承部,相对于水平面以规定的安装角安装所述悬
臂;移动机构,对所述悬臂的位置进行调整;光源部,照射检测光;检测部,对在设置于所述
悬臂的反射面反射的所述检测光进行检测来对所述悬臂的移位进行检测;以及物镜,与所
述悬臂相对地配置,对该悬臂的附近进行观察或拍摄,所述扫描探针显微镜的特征在于,还
具备控制单元,在未将所述悬臂安装于所述悬臂支承部的状态下,对使用所述物镜拍摄的
所述检测光的光斑光的光斑位置进行检测,接着,对使用所述物镜拍摄的所述悬臂的位置
进行检测,基于所述光斑位置、所述悬臂的位置、所述检测光的入射角、以及所述安装角,对
所述移动机构进行控制,以使在将所述悬臂安装于所述悬臂支承部时在所述反射面反射所
述检测光。

根据该扫描探针显微镜,控制单元基于悬臂的位置、检测光的入射角和安装角,在
几何学上自动计算将悬臂安装于悬臂支承部的位置,以使在悬臂的反射面反射检测光。然
后,控制单元以悬臂来到该安装位置的方式对移动机构进行控制来将悬臂安装于悬臂支承
部,因此,能够使用物镜来自动地进行光杠杆的光轴调整。

所述控制单元在使用所述物镜拍摄的所述光斑光的形状为规定的圆度以上时对
所述光斑位置进行检测?#37096;傘?br />

在光斑光为从圆形背离的压扁的形状的情况下,考虑为检测光的入射是异常的。
因此,根据该扫描探针显微镜,能够判断检测光是否正常地入射。

还具备检测部移动机构,所述检测部移动机构对所述检测部的位置进行调整,所
述控制单元对所述检测部移动机构进行控制,以使由所述检测部检测的所述检测光的强度
为最大?#37096;傘?br />

根据该扫描探针显微镜,也能够自动地进行检测部的光轴调整。

所述控制单元将使用所述物镜拍摄的所述光斑光的重心检测为所述光斑位置,将
所述悬臂的重心和所述悬臂的长轴的方向检测为所述悬臂的位置?#37096;傘?br />

在悬臂与自身的移动方向?#38408;?#22320;保持于悬臂供给机构的情况下,悬臂相对于移动
方向?#38408;?#22320;移动,因此,将悬臂正确地移动到上述安装位置变得困?#36873;?#22240;此,对悬臂与自身
移动方向、与悬臂的长轴的方向的偏离角进行检测,由此,能够正确地将悬臂移动到上述安
装位置。

本发明的扫描探针显微镜的光轴调整方法是,一种扫描探针显微镜的光轴调整方
法,所述扫描探针显微镜具备:悬臂,设置有与样品的表面接近的探针;悬臂支承部,相对于
水平面以规定的安装角安装所述悬臂;移动机构,对所述悬臂的位置进行调整;光源部,照
射检测光;检测部,对在设置于所述悬臂的反射面反射的所述检测光进行检测来对所述悬
臂的移位进行检测;以及物镜,与所述悬臂相对地配置,对该悬臂的附近进行观察或拍摄,
其中,所述光轴调整方法具有:光斑位置检测工序,在未将所述悬臂安装于所述悬臂支承部
的状态下,对使用所述物镜拍摄的所述检测光的光斑光的所述光斑位置进行检测;悬臂位
置检测工序,接着,对使用所述物镜拍摄的所述悬臂的位置进行检测;悬臂安装位置计算工
序,基于所述光斑位置、所述悬臂的位置、所述检测光的入射角、以及所述安装角,在几何学
上计算所述悬臂的安装位置,以使在将所述悬臂安装于所述悬臂支承部时在所述反射面反
射所述检测光;以及悬臂安装工序,以所述悬臂来到所述安装位置的方式对所述移动机构
进行控制来将所述悬臂安装于所述悬臂支承部。

根据该扫描探针显微镜的光轴调整方法,基于悬臂的位置、检测光的入射角和安
装角,在几何学上自动计算将悬臂安装于悬臂支承部的位置,以使在悬臂的反射面反射检
测光。然后,以悬臂来到该安装位置的方式对移动机构进行控制来将悬臂安装于悬臂支承
部,因此,能够使用物镜来自动地进行光杠杆的光轴调整。

在本发明的扫描探针显微镜的光轴调整方法中,所述光斑位置检测工序?#37096;?#20197;包
含?#21644;?#20687;取得工序,取得所述光斑光的图像数据;光斑位置取得工序,通过图像处理将所述
光斑光的重心取得为所述光斑位置;以及光斑位置取得判定工序,判定所述光斑位置的取
得的成功与否。

根据该扫描探针显微镜的光轴调整方法,在不能取得光斑位置的情况下,能够进
行光斑光的检测条件的变更等来可靠地进行光斑位置的再次取得。

所述光斑位置取得工序?#37096;?#20197;包含:前处理工序,对在所述图像取得工序中取得
的所述图像数据进行前处理;以及光斑区域判定工序,根据所述图像数据来判定所述光斑
光的区域。

根据该扫描探针显微镜的光轴调整方法,能够排除超过光斑光的区域的噪声等来
高精度地取得光斑位置。

所述光斑区域判定工序?#37096;?#20197;包含:二值化工序,对所述前处理后的所述图像数
据进行二值化;圆度计算工序,计算二值化后的所述图像数据之中的最大的区域的圆度;以
及圆度判定工序,判定所述圆度是否超过阈值,在该阈值以上的情况下,作为所述光斑光的
重心取得。

在光斑光为从圆形背离的压扁的形状的情况下,考虑为检测光的入射是异常的。
因此,根据该扫描探针显微镜的光轴调整方法,能够判断检测光是否正常地入射。

发明效果

根据本发明,能够使用配置于扫描探针显微镜的物镜来自动地进行光杠杆的光轴调
整。

附图说明

图1是本发明的实施方式的扫描探针显微镜的安装?#34892;?#33218;的状态的框图。

图2是示出在安装悬臂之前使用物镜拍摄了来自光源部的激光的光路的图。

图3是图2的部分放大图。

图4是示出对使用物镜拍摄的激光的光斑位置(spot position)进行检测的方式
的示意图。

图5是示出对使用物镜拍摄的悬臂的位置进行检测的方式的示意图。

图6是示出对激光的光斑光(spot light)的重心进行检测的流程的图。

图7是示出光斑光的重心的检测的子程序(subroutine)的图。

图8是示出对光斑光的图像数据进行标记(labeling)的一个例子的图。

具体实施方式

以下,参照附图来对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的实施方式的扫描探针显微镜100的安装?#34892;?#33218;4的状态的框图,图2
是示出在安装悬臂4之前使用物镜17拍摄了来自光源部1的激光L0的光路的图,图3是图2的
悬臂4附近的部分放大图。

在图1中,扫描探针显微镜100具有:在顶端具有与样品18的表面接近的探针99的
悬臂4、配置于悬臂4的下方来对样品18进行载置的样品台(工作台)19、照射用于光杠杆的
激光(检测光)L0的光源部(半导体激光源)1、第一反射部(第一反射镜)3、对激光进行光接
收的检测部(4分割光检测元件)6、第二反射部(第二反射镜)5、与悬臂4和样品18相对地配
置的物镜17、以及控制单元40?#21462;?#20877;有,通过光学显微镜主体25观察或拍摄由物镜17聚光的
光。

扫描探针显微镜100为相对于物镜17的的光轴O从光源部1?#38408;?#22320;照射激光L0的类
型。此外,扫描探针显微镜100为对悬臂4侧进行扫描来进行测定的杠杆扫描(lever scan)
方式。

光源部1向侧方照射激光。第一反射部3使从光源部1照射的激光L0相对于光轴O倾
斜地向下方反射并引导到设置于悬臂4的背面的反射面(未图示)。第二反射部5使由悬臂4
的反射面向上方反射的激光向侧方反射并向检测部6引导。检测部6被配置在第二反射部5
的外侧,光接收面朝向侧方。

控制单元40对扫描探针显微镜100的工作进行控制,具备控制器、计算机?#21462;?#35745;算
机具有:控制基板、CPU(中央控制处理装置)、ROM、RAM、硬盘等存储单元、接口、操作部?#21462;?br />

样品台19被安装于XY工作台28的上方,XY工作台28被固定在基部(框体)22上。XY
工作台28使样品台19在水平面内?#33268;?#22320;二维移动,调整悬臂4与样品18的位置关系,通过控
制单元40控制工作。然后,在样品台19?#26174;?#32622;样品18,样品18与探针99相对配置。再有,在XY
工作台28上配置有保持了多个交换用悬臂的悬臂供给机构29(未图示交换用悬臂)。

悬臂4被在斜面块11内设置的真空导管(vacuum piping)30吸附固定于斜面块11,
斜面块11被固定于振动激励器(shaker)(振子)13。

斜面块11相当于权利要求书的“悬臂支承部”。在图1中,关于斜面块11,以相对于
水平面(xy面)为右上的安装角θ(参照图3)?#38408;?#22320;安装悬臂。

在扫描探针显微镜100中,移位检测?#20302;?#19982;安装?#34892;?#33218;的斜面块11成为整体,构成
光学头(optical head)。具体地,在基部22的垂直方向的吊杆(boom)部位的侧面经由粗动
机构21安装有连结部26。

在连结部26的下表面安装有中央部开口的微动机构(扫描仪)20。此外,在微动机
构20的下表面固定有中央部开口的框状的光学头框体16。微动机构20使光学头框体16三维
地移动(微动),为具备分别在xy(样品18的平面)方向上扫描光学头框体16的2个(2轴)压电
元件、以及在z(高度)方向上扫描光学头框体16的压电元件的平板式扫描仪(akucyueta)。
压电元件为当施加电场?#26412;?#20307;变形、?#24065;?#22806;力强制性地使晶体变形时产生电场的元件,作
为压电元件,能够通常地使用作为陶瓷的一种的PZT(锆钛酸铅(lead zirconate
titanate)),但是,并不限于此。

此外,在光学头框体16的下表面安装有光源侧模块10,在光源侧模块10的内部安
装有光源部1和第一聚光透镜2。进而,在光源侧模块10经由规定的镜架安装有第一反射部
3。

然后,在光学头框体16的开口部设置有物镜17,通过开口部面临下方的悬臂4和样
品18。

粗动机构21使连结部26在垂?#20445;╖)方向上?#33268;?#22320;移动,由控制单元40控制工作。粗
动机构21能够由例如步进电动机构成。

微动机构20的各压电元件利用来自控制单元40的规定的控制信号(电压)分别向
xy方向和z方向驱动。

悬臂4具有主体部和尖端(tip)部,与主体部的侧面相接的尖端部构成悬臂弹簧
(cantilever spring)的构造。悬臂4被安装于斜面块11,斜面块11被固定于振动激励器(振
子)13。而且,振动激励器13根据来自振动激励电源(未图示)的电信号进行振动,使悬臂4和
其顶端的探针99振动。作为悬臂的振动激励方法,也包含压电元件、电场或磁场、光照射、电
流的通电?#21462;?#25391;动激励器13用于在使悬臂在谐振频率附近强制振动的动力模式(dynamic
force mode)(DFM测定模式)下测定样品的形状时。

而且,振动激励器13被安装于光源侧模块10的下方,悬臂4被配置于光学头的顶
端。

进而,在光学头框体16的下侧与光源侧模块10相对地固定有规定的镜架,在该镜
架安装有第二反射部5和第二聚光透镜23。进而,在光学头框体16安装有2轴调整工作台14,
在2轴调整工作台14经由2轴调整机构14a安装有检测部6。然后,在Z方向和Y方向(或X方向)
这2个方向上对2轴调整机构14a进行调整,由此,能够进行对检测部6的位置进行调整的“光
轴调整?#20445;?#20197;使光接收强度变得最高。

2轴调整机构14a相当于权利要求书的“检测部移动机构”。2轴调整机构14a例如能
够由步进电动机构成。

然后,关于安装于微动机构20的顶端的悬臂4,针对样品18控制高度(Z)方向的位
置并在样品面(XY)内方向上进行扫描。此时,首先,在利用XY工作台28将悬臂4定位于样品
18的表面内的?#25105;?#30340;位置之后,通过粗动机构21将悬臂4送至与样品18接触或接近的高度
位置。

在样品18与悬臂4之间工作的原子间力(interatomic force)作为悬臂4的挠曲方
向的移位量而反映为向检测部6入射的激光的光路的变化(入射位置)。因此,由检测部6从
该入射位置检测悬臂4的移位量。像这样,通过上述的机构检测出由于在样品18与探针99之
间工作的原子间力产生的悬臂4的移位,使微动机构20在z方向上移位,以使悬臂4的振动振
幅的衰减率为目标振幅,对在探针99与样品18之间工作的原子间力进行控制。然后,在该状
态下,使微动机构20在xy方向上移位来进行样品18的扫描,在DFM测定模式下,对表面的形
状或物性值进行绘图。

像这样,通过上述的光杠杆方式检测出使悬臂4的探针99与样品18接近或接触时
的悬臂1的移位,能够一边通过微动机构20将悬臂4的移位量保持为固定一边扫描样品18表
面来进行测定。

控制单元40对探针显微镜100的各工作进行控制,导入所测定的数据来进行控制,
实现表面形状测定、表面物性测定?#21462;?#28982;后,针对xy面内的移位,(i)根据高度的移位在控制
单元40上显示三维形状像来进行解析或处理、(ii)根据共振状态的相位的值在控制单元40
上显示位相像来进行解析或处理、(iii)根据与振动振幅的目标值的差在控制单元40上显
示误差信号像来进行解析或处理、(iv)根据探针-样品间的物性值在控制单元40上显示多
功能测定像来进行解析或处理,由此,作为探针显微镜工作。

接着,参照图2、图3来对作为本发明的特征部分的光轴调整进行说明。

图2示出在将悬臂4安装于斜面块11之前的状态(即,将悬臂4保持于XY工作台28上
的悬臂供给机构29的状态)下使用物镜17拍摄了来自光源部1的激光L0的光路。激光L0在样
品18的表面上的点Q被反射,沿着物镜17的光轴O入射,通过光学显微镜主体25的拍摄元件
(CCD元件)拍摄为光斑光(参照图4)。

另一方面,如图3所示那样,在将悬臂4安装于斜面块11的状态下,来自光源部1的
激光L0在与悬臂4的反射面的交点P被反射,成为反射光L1入射到第二反射部5,被检测部6
检测。

可是,将交点P投影到样品18的表面的点P1与点Q不一致偏离移位D,而且,照射到
悬臂4的激光L0的交点P处的光斑光(反射光L1)处于物镜17的视野外,因此,不能拍摄。另一
方面,安装角θ和激光L0的入射角(与光轴O的形成的角)φ是已知的,因此,只要知晓点Q的
坐标,则在几何学上决定交点P的坐标(即,将悬臂4安装于斜面块11的位置),因此,能够进
行光轴调整。

具体地,首先,如图4所示那样,在未将悬臂4安装于斜面块11的状态下,控制单元
40使用物镜17拍摄在样品18表面的点Q反射的激光L0的光斑光并且通过图像处理对激光L0
的光斑位置(在图4中光斑光的重心G1)进行检测(光斑位置检测工序 图6的S100)。接着,如
图5所示那样,在未将悬臂4安装于斜面块11的状态(即,将悬臂4保持于悬臂供给机构29的
状态)下,控制单元40在不照射激光L0的情况下使用物镜17拍摄悬臂4并且通过图像处理对
悬臂4的位置(在图5?#34892;?#33218;4的重心G2)进行检测(悬臂位置检测工序 图6的S14)。关于重心
G2,例如能够通过图像处理提取出悬臂4的轮廓来求取。

进行图5的处理的理由是因为,当未检测出保持于悬臂供给机构29的悬臂4的当前
的位置时,不能计算到作为目标的交点P的悬臂4的移动量。

此外,在图5的处理时,存在悬臂4与自身的移动方向(使悬臂4移动的微动机构20
的x方向或y方向)?#38408;?#22320;保持于悬臂供给机构29或者悬臂4的长度方向的?#34892;?#36724;(悬臂4的
长轴L的延长线)或边缘4e相对于x方向或y方向不为直角的情况。在该情况下,悬臂4相对于
x方向或y方向?#38408;?#22320;移动,因此,将悬臂4正确地移动到交点P变得困?#36873;?#22240;此,对x方向或y
方向与探针99的长轴L的方向的偏离角或者x方向或y方向与边缘4e的偏离角进行检测,由
此,能够正确地将悬臂4移动到交点P。

在此,悬臂4的长轴L的方向与连接于悬臂4的基部的悬臂(主体)4的边缘4e垂直或
与边缘4e为已知的角度,因此,通过图像处理提取出边缘4e,由此,能够检测出长轴L的方
向。

如以上那样,控制单元40基于激光L0的光斑位置G1、悬臂4的位置G2、激光L0的入
射角φ、以及安装角θ,在几何学上计算将悬臂4安装于斜面块11的位置(悬臂安装位置计算
工序 图6的S16),以使在将悬臂4安装于斜面块11时在悬臂4的反射面在交点P反射激光L0。

控制单元40以悬臂4来到上述的安装位置的方式控制粗动机构21,使斜面块11向Z
方向移动(下降)与悬臂供给机构29接近,进而,与悬臂4接触。粗动机构21相当于权利要求
书的“移动机构”。悬臂供给机构2和悬臂4为已知的高度,因此,只要以成为该高度的方式控
制粗动机构21即可。

然后,控制单元40对真空导管30的阀门(valve)进行控制,使悬臂4吸引到斜面块
11来安装(悬臂安装工序 图6的S18)。由此,能够自动地进行在悬臂4的反射面反射激光L0
那样的光轴调整。

然后,对来自检测部6的输出信号(ADD信号)的强度、悬臂4的纵向的挠曲(DIF)信
号和横向的扭转(FMM)信号进行调整,经由悬臂的反射面与检测部6的位置对准来完成光杠
杆的调整。

关于检测部6侧的光轴调整,通常地,操作人员进行,但是,也能够如后述那样控制
单元40自动地进行。

接着,参照图6~图8,对控制单元40进行的光斑位置检测的处理流?#25506;?#34892;说明。

图6示出对激光L0的光斑光的重心G1进行检测的流程,图7示出光斑光的重心G1的
检测的子程序。

在图6中,控制单元40取得使用物镜17(和光学显微镜主体25)拍摄的激光L0的光
斑光的图像数据(步骤S2?#21644;?#20687;取得工序),通过图像处理对重心G1进行检测(步骤S100:光
斑位置取得工序)。接着,在步骤S4(光斑位置取得判定工序)中,控制单元40判定步骤S100
的检测是否成功,如果为“是?#20445;?#21017;取得重心G1(步骤S6),结束处理。

另一方面,如果在步骤S4中为“否?#20445;?#21017;接着在步骤S8中,控制单元40判定是否变更
了3次步骤S100的检测条件。如果在步骤S8中为“是?#20445;?#21017;看作重心G1的检测未顺利地进行,
进行重心G1的检测失败的意思的错误显示(步骤S12),结束处理。如果在步骤S8中为“否?#20445;?br />则变更检测条件(步骤S10),返回到步骤S100。

再有,检测条件的变更是指例如可举出将图像二值化为白黑时的阈值的变更。

接着,对图7的重心G1的检测的子程序进行说明。首先,控制单元40适当地进行在
步骤S2中取得的光斑光的图像数据的前处理(尺寸的变更、向灰度(gray scale)的变换等)
(步骤S102:前处理工序)。接着,控制单元40对用于图像处理的各种参数进行设定(步骤
S104)。作为各种参数,可举出后述的二值化处理的阈值。

接着,在步骤S106中,控制单元40判定步骤S104的参数的设定是否为3次以下。如
果在步骤S106中为“否?#20445;?#21017;看作参数的设定未顺利地进行,进行重心G1的检测失败的意思
的错误显示(步骤S124),结束处理。另一方面,如果在步骤S106中为“是?#20445;?#21017;控制单元40对
图像数据进行二值化(步骤S108:二值化工序)。

接着,控制单元40判定在二值化后的图像数据中是否存在白色的部分(超过二值
化阈值的部分)(步骤S110)。如果在步骤S110中为“是?#20445;?#21017;控制单元40标?#21069;?#33394;的部分(步
骤S112)。标记是公知的图像处理,对白色的部分连续的像素分配相同的号码。然后,控制单
元40判定在图像数据中是否存在规定的大小以下的标记区域(步骤S114)。如果在步骤S114
中为“是?#20445;?#21017;计算标记区域之中的最大的区域的圆度(步骤S116:圆度计算工序)。再有,关
于超过规定的大小的标记区域,考虑到包含噪声等,因此,步骤S114的处理为排除噪声等的
处理。规定的大小是指例如像素数目超过100的标记区域。

再有,在图8所?#38236;?#20363;子中,在图像数据中存在白色的部分连续的3个标记区域Ia~
Ic,但是,其中,区域Ia最大(包含最多的白色的像素),因此,计算区域Ia的圆度。圆度也为
公知的图像处理,在图8所?#38236;?#20363;子中,根据区域Ia的面积S(像素数目)和周围长度PL以圆
度=(4?#23567;罶)/(PL×PL)来计算。

此外,步骤S104~S116相当于“光斑区域判定工序”。

接着,控制单元40判定在步骤S116中计算的圆度是否为阈值以上(步骤S118:圆度
判定工序)。在光斑光为从圆形背离的压扁的形状的情况下,考虑为激光L0的入射是异常
的,因此,通过步骤S118的判定,能够判断激光L0是否正常地入射。圆度的阈值例如能够设
定为50%。

如果在步骤S118中为“是?#20445;?#21017;控制单元40计算区域Ia的重心并储存到规定的存储
单元中(步骤S120),结束处理。利用图像处理的重心的计算也是公知的,根据构成区域Ia的
各像素的X坐标的平均和Y坐标的平均来求取重心的坐标。

另一方面,如果在步骤S110、S114、S118的任一个中为“否?#20445;?#21017;变更二值化阈值(步
骤S122),返回到步骤S104。

再有,在步骤S110中“否”的情况下,阈值过于高而未检测出白色的部分,因此,使
二值化阈?#24403;?#20302;。此外,在步骤S114、S118中“否”的情况下,阈值过于低而检测出噪声,因
此,使二值化阈?#24403;?#39640;。

本发明并不限定于上述实施方式。例如,并不限定于扫描探针显微镜的测定模式,
除了上述的DFM测定模式之外,还能够例示出将探针与样?#20998;?#38388;的原子间力保持为固定来
测定样品的表面形状的接触模式或非接触测定模式。

此外,扫描探针显微镜并不限于测定样品的表面形状的显微镜,只要是使探针接
近或接触来进行扫描的显微镜,则?#37096;?#20197;为对样品的各种物性信息进行测定的显微镜。

光源部、检测光、检测部、移动机构、物镜的种类或向悬臂支承部的悬臂的安装方
法也不限定于上述实施方式。此外,?#37096;?#20197;为固定悬臂4来扫描样品18侧的样品扫描方式。

此外,在上述实施方式中,将光斑光的重心G1和悬臂4的重心G2分别检测为光斑位
置和悬臂的位置,但是,并不限于此。例如,?#37096;?#20197;将探针99的尖的顶端假定为悬臂的位置
来进行检测。

控制单元40?#37096;?#20197;以由检测部6检测的反射光L1(参照图1、图3)的光接收强度成
为最大的方式控制2轴调整机构14a(光检测侧调整工序)。由此,也能够自动地进行检测部6
的光轴调整。在该情况下,根据使2轴调整机构14a移动时的光接收强度的大小来反馈控制2
轴调整机构14a的移动量,由此,求取最适合的检测部6的位置。

此外,在对光斑光的光斑位置进行检测时,代替将检测光照射到样品18的表面,设
置规定的光斑反射面(反射镜),将对该反射面照射检测光后的反射光拍摄为光斑光?#37096;傘?br />例如,存在由于样品18的种类或表面状态而来自样品18的表面的反射光L2的强度不是充分
的情况,但是,来自光斑反射面(反射镜)的反射光能够确保固定的强度,因此,也存在容易
拍摄光斑光而容易进行光轴调整这样的效果。

此外,在上述的实施方式中的图6的步骤S8或图7的步骤S106中,将检测条件或参
数的设定的变更次数设为3次,但是,?#37096;?#20197;为?#25105;?#30340;次数。

附图标记的说明

1 光源部

4 悬臂

6 检测部

11 悬臂支承部

14a 检测部移动机构

17 物镜

18 样品

21 移动机构

40 控制单元

99 探针

100 扫描探针显微镜

O 物镜的光轴

L0、L1 检测光

G1 光斑位置

G2 悬臂的位置

φ 检测光的入射角

θ 悬臂的安装角。

关于本文
本文标题:扫描探针显微镜和扫描探针显微镜的光轴调整方法.pdf
链接地址:http://www.pqiex.tw/p-5994782.html
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