JP5924191B2

JP5924191B2 - 走査型プローブ顕微鏡

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Publication number: JP5924191B2
Application number: JP2012187359A
Authority: JP
Inventors: 秀郎中島; 浩新井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: JP2014044144A

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特にカンチレバーの背面を照射面として利用する光学式変位検出系を備える走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡として、プローブ（カンチレバー）と試料（金属、半導体、生物、有機分子、絶縁物等の非導電物質等）の表面との間に働く原子間力を測定することによって、試料の表面の形状を観察することができる原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。図５は、走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。

走査型プローブ顕微鏡１０１は、筐体１０と、走査型プローブ顕微鏡１０１全体を制御する制御部（図示せず）とを備える。筐体１０内部には、カンチレバー２１が着脱可能なカンチレバー支持部２０と、レーザ光（検出光）を出射する光源部３０と、カンチレバー２１の変位を測定する変位測定部３１と、試料が載置される試料載置台３２とが配置されている。また、筐体１０上部には、光学顕微鏡３３が配置されている（例えば、特許文献１参照）。

カンチレバー２１は、例えば長さ１００μｍ、幅３０μｍ、厚さ０．８μｍの板状体であり、先端部の下面に下方に向かって突出する先鋭な探針２１ａが形成されている。そして、カンチレバー２１の先端部の上面（背面）が、光源部３０からのレーザ光が照射されるための照射面となる。また、カンチレバー２１の他端部は、カンチレバー支持部２０の下端面に固定具（図示せず）で固定されるようになっている。固定具は、ねじやばね機構等の任意の固定手段を用いることができる。よって、測定者は、試料や測定目的に応じて複数種のカンチレバー２１の中から選択して取り付けて使用できるようになっている。

カンチレバー支持部２０は、筐体１０の右部に取り付けられており、支持部本体２２と支持レバー（図示せず）と固定具（図示せず）とを備える。そして、支持部本体２２が支持レバーによって筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とＺ方向とに移動可能となっている。これにより、測定者は、支持部本体２２の下端面の所定位置にカンチレバー２１を固定具で取り付けるとともに、支持レバーを用いて筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とＺ方向とに支持部本体２２を移動させることで、カンチレバー２１の位置を調整することができるようになっている。

光源部３０は、筐体１０の右上部に取り付けられており、レーザ光を出射するレーザ素子３０ａと、レーザ素子３０ａを移動させる駆動機構（図示せず）とを備える。そして、レーザ素子３０ａが駆動機構によって筐体１０に対して移動可能となっている。レーザ素子３０ａから出射されるレーザ光は、略左下方に向かって出射されており、その出射方向に垂直となる面では例えば直径５０μｍの円形状となっている。これにより、測定者は、駆動機構を用いて筐体１０に対してレーザ素子３０ａを移動させることで、レーザ光が照射される位置（スポット）を調整することができるようになっている。

変位測定部３１は、筐体１０の左上部に取り付けられており、カンチレバー２１の背面で反射されたレーザ光を検出する光検出器３１ａを備える。よって、カンチレバー２１の背面からの反射光（レーザ光）の反射方向がカンチレバー２１のたわみ（変位）によって変化することを利用して、試料表面の形状を検出する。

試料載置台３２は、筐体１０の下部に取り付けられており、例えば平面視で直径１５ｍｍの円形状である載置面３２ａと、載置面３２ａの下部に取り付けられたピエゾスキャナ（走査手段）３２ｂとを備える。そして、載置面３２ａがピエゾスキャナ３２ｂによって筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とＺ方向とに移動可能となっている。これにより、測定者は、載置面３２ａに試料を載置するとともに、ピエゾスキャナ３２ｂを用いて筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とＺ方向とに載置面３２ａを移動させることで、測定前に試料の表面の初期位置を調整することができ、さらに測定中に試料の表面の測定位置をＸ方向とＹ方向とＺ方向とに走査することができるようになっている。

ところで、このような走査型プローブ顕微鏡１０１では、カンチレバー２１は支持部本体２２に対して取り付け・取り外し自在となっている。よって、カンチレバー２１を交換した後には、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように、カンチレバー２１の位置を調整することが必要である。一般的にカンチレバー２１の長手方向の長さは０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度であるので、０．１ｍｍ以下のレベルでカンチレバー２１の位置を調整しなければならない。そのために、走査型プローブ顕微鏡１０１は光学顕微鏡３３を備えている。

ここで、走査型プローブ顕微鏡１０１において、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように調整する光軸調整方法について説明する。図６は、光学顕微鏡３３で観察される画像の一例である。
まず、測定者は、載置面３２ａに試料を載置する。次に、測定者は、カンチレバー２１の照射面が光学顕微鏡３３の四角形の観察画像の中心の位置にセットされるように、光学顕微鏡３３の観察画像を観察しながら支持レバーを用いて支持部本体２２を移動させることで、カンチレバー２１の位置を調整する。次に、測定者は、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように、光学顕微鏡３３の観察画像を観察しながら光源部３０の駆動機構を用いてレーザ素子３０ａを移動させることで、レーザ光が照射されるスポットを調整する。

特開２０００−３２９７７２号公報

しかし、交換前のカンチレバー２１において、レーザ光のスポットはカンチレバー２１の照射面にセットされているので、交換後のカンチレバー２１の照射面からずれてしまうが、カンチレバー２１が存在する場所以外は空間であって、レーザ光が照射されるものは存在せず、交換後にレーザ光がどこを照射しているかを知ることができなかった。
もしくは、レーザ光が試料の表面に照射されても、光学顕微鏡３３の観察画像のピントはカンチレバー２１の照射面の高さに合っているため、測定者は光学顕微鏡３３の観察画像を観察しても、現在レーザ光がどこを照射しているかを知ることができなかった。
よって、測定者は、経験と勘とに基づいて光源部３０の駆動機構を用いてレーザ素子３０ａを移動させていた。すなわち、経験の浅い測定者は、操作において非常に多くの時間と労力を要するという問題点があった。

そこで、出願人は、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように調整する光軸調整方法について検討した。光軸調整を行う際、カンチレバー２１が存在する場所以外は空間であって、現在レーザ光がどこを照射しているかを知ることができないため、カンチレバー２１の下方に光学顕微鏡３３の観察画像のピントが合う補助照射面を形成するようにすることを見出した。また、走査型プローブ顕微鏡１０１に補助照射面を形成する場所がないため、光源部３０とカンチレバー支持部２０と変位測定部３１と光学顕微鏡３３とが、お互いの位置関係を維持したまま、試料を測定するための測定位置と、試料を交換するための準備位置とに試料載置台３２に対して移動可能となっている走査型プローブ顕微鏡を用いることにした。つまり、光源部３０とカンチレバー支持部２０と変位測定部３１と光学顕微鏡３３とが準備位置に配置されたときには、カンチレバー２１の下方に補助照射面が配置されるようにすることも見出した。

すなわち、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料を載置する試料載置台と、検出光を出射する光源部と、前記検出光が照射されるための照射面を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの照射面で反射した検出光を検出して、前記カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、前記カンチレバーが着脱可能なカンチレバー支持部と、前記カンチレバーの照射面に検出光を照射するために観察される光学顕微鏡とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、さらに、前記走査型プローブ顕微鏡は、前記光源部と前記カンチレバー支持部と前記変位測定部と前記光学顕微鏡とを、お互いの位置関係を維持した状態で移動させる移動機構を備え、前記光源部と前記カンチレバー支持部と前記変位測定部と前記光学顕微鏡とは、前記移動機構により、前記カンチレバーの下方に前記試料載置台が配置されて試料を測定する測定位置と、前記カンチレバーの下方に前記カンチレバーから所定距離内に補助照射面が配置されて前記カンチレバーの照射面に検出光が照射されるように調整するとともに、前記試料載置台に前記試料を載置する準備位置とに移動可能となっているようにしている。

ここで、「カンチレバーから所定距離内に配置される」とは、光学顕微鏡の観察画像のピントがカンチレバーの照射面の高さに合っていても、光学顕微鏡の観察画像で観察することができる距離のことをいい、例えばカンチレバーから１ｍｍ以内となる。
本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、まず、測定者は、光源部とカンチレバー支持部と変位測定部と光学顕微鏡とを準備位置に移動させる。次に、測定者は、試料載置台の載置面に試料を載置する。また、測定者等は、カンチレバーの照射面が光学顕微鏡の観察画像の中心の位置にセットされるように、光学顕微鏡の観察画像を利用してカンチレバーの位置を調整する。次に、測定者等は、レーザ光がカンチレバーの照射面に照射されるように、光学顕微鏡の観察画像を利用してレーザ光が照射されるスポットを調整する。このとき、レーザ光が照射される補助照射面が存在するので、測定者等は、現在レーザ光がどこを照射しているかを知ることができる。最後に、測定者は、光源部とカンチレバー支持部と変位測定部と光学顕微鏡とを測定位置に移動させる。

以上のように、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、レーザ光がカンチレバーの照射面に照射されるように容易に調整することができる。

（その他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、まず、測定者は、試料載置台を準備位置に移動させるとともに、補助照射面をカンチレバーの下方にカンチレバーから所定距離内に移動させる。次に、測定者は、試料載置台の載置面に試料を載置する。また、測定者等は、カンチレバーの照射面が光学顕微鏡の観察画像の中心の位置にセットされるように、光学顕微鏡の観察画像を利用してカンチレバーの位置を調整する。次に、測定者等は、レーザ光がカンチレバーの照射面に照射されるように、光学顕微鏡の観察画像を利用してレーザ光が照射されるスポットを調整する。このとき、レーザ光が照射される補助照射面が存在するので、測定者等は、現在レーザ光がどこを照射しているかを知ることができる。最後に、測定者は、試料載置台を測定位置に移動させるとともに、補助照射面を移動させる。これにより、レーザ光がカンチレバーの照射面に照射されるように容易に調整することができる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、複数種のカンチレバーのそれぞれの形状情報を記憶する記憶部と、前記光学顕微鏡から観察画像を取得する制御部とを備え、前記制御部は、前記観察画像と前記形状情報とに基づいて前記カンチレバー支持部に取り付けられたカンチレバーの種類を判定するようにしてもよい。
さらに、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前記制御部は、前記観察画像に基づいて前記光源部から照射される検出光の位置と、前記カンチレバーの照射面との位置関係を算出するようにしてもよい。これにより、光源部から照射される検出光の位置とカンチレバーの照射面との位置関係が算出されるので、レーザ光がカンチレバーの照射面に照射されるように容易に調整することができる。

本発明の走査型プローブ顕微鏡の測定時の構成を示す概略図。走査型プローブ顕微鏡の準備時の構成を示す概略図。光軸調整方法について説明するためのフローチャート。光学顕微鏡で観察される画像の一例。走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図。光学顕微鏡で観察される画像の一例。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態である走査型プローブ顕微鏡の測定時の構成を示す概略図であり、図２は、走査型プローブ顕微鏡の準備時の構成を示す概略図である。なお、走査型プローブ顕微鏡１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
走査型プローブ顕微鏡１は、上部筐体１１と、ベース筐体１２と、走査型プローブ顕微鏡１全体を制御する制御部４０とを備える。上部筐体１１内部には、カンチレバー２１が着脱可能なカンチレバー支持部２０と、レーザ光（検出光）を出射する光源部３０と、カンチレバー２１の変位を測定する変位測定部３１とが配置されている。また、上部筐体１１上部には、光学顕微鏡３３が配置されている。一方、ベース筐体１２内部には、試料が載置される試料載置台３２と、補助照射面３４とが配置されている。

上部筐体１１は、ベース筐体１２に対して測定位置と準備位置とに移動機構３５によって移動可能となっている。すなわち、上部筐体１１に取り付けられたカンチレバー支持部２０と光源部３０と変位測定部３１とが、ベース筐体１２に取り付けられた試料載置台３２に対して移動可能となっている。これにより、ベース筐体１２が測定位置にあるときには、カンチレバー支持部２０のカンチレバー２１の下方には、試料載置台３２が配置されることになる（図１参照）。

一方、ベース筐体１２が準備位置にあるときには、カンチレバー支持部２０のカンチレバー２１の下方には、補助照射面３４が配置されることになる（図２参照）。補助照射面３４は、例えば平面視で直径１５ｍｍの円形状となっており、カンチレバー２１の下方にカンチレバー２１から所定距離（例えば１ｍｍ）に配置される。これにより、光学顕微鏡３３の観察画像のピントがカンチレバー２１の照射面の高さに合っていても、光学顕微鏡３３の観察画像で補助照射面３４も観察することができる。よって、現在レーザ光がどこを照射しているかを知ることができる。なお、補助照射面３４を照明するための照明装置が、補助照射面３４の上方又は下方に配置されていてもよい。

制御部４０は、ＣＰＵ４１とメモリ４２と表示装置４３と入力装置４４とを備える。また、ＣＰＵ４１が処理する機能をブロック化して説明すると、光学顕微鏡３３から観察画像を取得する観察画像取得部４１ａと、カンチレバー２１の種類を判定する判定部４１ｂと、光源部３０から照射されるレーザ光の位置とカンチレバー２１の照射面との位置関係を算出する算出部４１ｃと、光検出器３１ａからの信号を取得する測定部４１ｄとを有する。さらに、メモリ４２には、複数種のカンチレバー２１のそれぞれの形状情報（サイズ）が予め記憶されている。

判定部４１ｂは、観察画像取得部４１ａで取得された観察画像と、メモリ４２に記憶された形状情報とに基づいて、カンチレバー支持部２０に取り付けられたカンチレバー２１の種類を判定して判定情報を作成する制御を行う。
算出部４１ｃは、観察画像取得部４１ａで取得された観察画像と、判定部４１ｂで作成された判定情報とに基づいて、光源部３０から照射されるレーザ光の位置とカンチレバー２１の照射面との位置関係を算出して、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるために必要となるレーザ素子３０ａの移動方向と移動量とを表示装置４３に表示する制御を行う。

ここで、走査型プローブ顕微鏡１において、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように調整する光軸調整方法について説明する。図３は、光軸調整方法について説明するためのフローチャートである。また、図４は、光学顕微鏡３３で観察される画像の一例である。
まず、ステップＳ１０１の処理において、測定者は、上部筐体１１を準備位置に移動させる。

次に、ステップＳ１０２の処理において、測定者は、載置面３２ａに試料を載置する。このとき、載置面３２ａに試料を載置することができるように、載置面３２ａの上方から上部筐体１１が取り除かれている。
また、ステップＳ１０３の処理において、測定者は、カンチレバー２１の照射面が光学顕微鏡３３の四角形の観察画像の中心の位置にセットされるように、光学顕微鏡３３の観察画像を観察しながら支持レバーを用いて支持部本体２２を移動させることで、カンチレバー２１の位置を調整する。

次に、ステップＳ１０４の処理において、観察画像取得部４１ａは、光学顕微鏡３３から観察画像を取得する。このとき、レーザ光が照射される補助照射面３４が存在するので、観察画像取得部４１ａは、現在レーザ光がどこを照射しているかを知ることができる。
次に、ステップＳ１０５の処理において、判定部４１ｂは、観察画像取得部４１ａで取得された観察画像と、メモリ４２に記憶された形状情報とに基づいて、カンチレバー支持部２０に取り付けられたカンチレバー２１の種類を判定する。

ステップＳ１０５の処理において判定部４１ｂがカンチレバー２１の種類を判定できたときには、ステップＳ１０６の処理において、判定部４１ｂは判定情報を作成する。一方、ステップＳ１０５の処理において判定部４１ｂがカンチレバー２１の種類を判定できなかったときには、ステップＳ１０７の処理において、判定部４１ｂはカンチレバー２１の種類が判定できなかったことを表示装置４３に表示し、測定者自身が入力装置４４を用いてカンチレバー２１の種類を入力して、判定情報を作成する。

次に、ステップＳ１０６の処理又はステップＳ１０７の処理が終了したときには、ステップＳ１０８の処理において、算出部４１ｃは、観察画像取得部４１ａで取得された観察画像と、判定情報とに基づいて、光源部３０から照射されるレーザ光の位置とカンチレバー２１の照射面との位置関係を算出することができるか否かを判定する。光源部３０から照射されるレーザ光の位置とカンチレバー２１の照射面との位置関係を算出することができると判定したときには、ステップＳ１０９の処理において、算出部４１ｃは、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるために必要となるレーザ素子３０ａの移動方向と移動量とを表示装置４３に表示する。

一方、光源部３０から照射されるレーザ光の位置とカンチレバー２１の照射面との位置関係を算出することがでないと判定したときには、ステップＳ１０４の処理に戻る。
次に、ステップＳ１１０の処理において、測定者は、表示装置４３に表示されたレーザ素子３０ａの移動方向と移動量とを参考にして光学顕微鏡３３の観察画像を観察しながら、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように、光源部３０の駆動機構を用いてレーザ素子３０ａを移動させることで、レーザ光が照射されるスポットを調整する。

次に、ステップＳ１１１の処理において、測定者は、上部筐体１１を測定位置に移動させる。すなわち、光源部３０とカンチレバー支持部２０と変位測定部３１と光学顕微鏡３３とを測定位置に移動させる。このとき、光源部３０とカンチレバー支持部２０と変位測定部３１と光学顕微鏡３３とは、お互いの位置関係を維持したまま移動するので、上部筐体１１が測定位置に移動しても、レーザ光はカンチレバー２１の照射面に照射されることになる。

以上のように、本発明の走査型プローブ顕微鏡１によれば、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように容易に調整することができる。

＜他の実施形態＞
（１）上述した走査型プローブ顕微鏡１では、カンチレバー２１の種類を判定する判定部４１ｂを備える構成を示したが、判定部を備えないような構成としてもよい。
（２）上述した走査型プローブ顕微鏡１では、上部筐体１１は、ベース筐体１２に対して測定位置と準備位置とに移動機構３５によって移動可能となっている構成を示したが、上部筐体１１は固定されており、補助照射面３４と試料載置台３２（ベース筐体１２）が移動可能となっているような構成としてもよい。

本発明は、試料表面の観察に適した走査型プローブ顕微鏡等に使用することができる。

１走査型プローブ顕微鏡
２０カンチレバー支持部
２１カンチレバー
３０光源部
３１変位測定部
３２試料載置台
３２ａ載置面
３３光学顕微鏡
３４補助照射面

Claims

試料を載置する試料載置台と、
検出光を出射する光源部と、
前記検出光が照射されるための照射面を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーの照射面で反射した検出光を検出して、前記カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、
前記カンチレバーが着脱可能なカンチレバー支持部と、
前記カンチレバーの照射面に検出光を照射するために観察される光学顕微鏡とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、
さらに、前記走査型プローブ顕微鏡は、前記光源部と前記カンチレバー支持部と前記変位測定部と前記光学顕微鏡とを、お互いの位置関係を維持した状態で移動させる移動機構を備え、
前記光源部と前記カンチレバー支持部と前記変位測定部と前記光学顕微鏡とは、前記移動機構により、前記カンチレバーの下方に前記試料載置台が配置されて試料を測定する測定位置と、前記カンチレバーの下方に前記カンチレバーから所定距離内に補助照射面が配置されて前記カンチレバーの照射面に検出光が照射されるように調整するとともに、前記試料載置台に前記試料を載置する準備位置とに移動可能となっていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
複数種のカンチレバーのそれぞれの形状情報を記憶する記憶部と、
前記光学顕微鏡から観察画像を取得する制御部とを備え、
前記制御部は、前記観察画像と前記形状情報とに基づいて前記カンチレバー支持部に取り付けられたカンチレバーの種類を判定することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記制御部は、前記観察画像に基づいて前記光源部から照射される検出光の位置と、前記カンチレバーの照射面との位置関係を算出することを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。