| 【発明の名称】 |
カンチレバー変位検出装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大野 修
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| 【要約】 |
【課題】カンチレバーからの反射光のみを確実に取り込むことによって、カンチレバーの変位を正確に検出可能なカンチレバー変位検出装置を提供する。
【解決手段】カンチレバー変位検出装置１６は、アクチュエータ１４の可動端に取り付けられた変位検出装置本体１８と、この変位検出装置本体に支持された変位検出光学系とを備えており、カンチレバー１０は、ホルダ２２を介して変位検出装置本体に所定の傾斜角度で取り付けられている。変位検出光学系は、変位検出用光をカンチレバーの背面に集光させる光源部２０と、カンチレバーの背面からの反射光のみを受光可能な受光部２１とを備えており、受光部には、カンチレバーからの反射光を受光して、その受光量及び受光位置に対応した電気信号を出力する受光素子２８と、カンチレバーからの反射光のみを受光素子に向けて射出し且つそれ以外の光をほぼ遮光可能な絞りユニット３０とが設けられている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 変位検出用光をカンチレバーに向けて集光させることが可能な光源部と、カンチレバーから反射した反射光のみを受光可能な受光部とを備えており、この受光部には、カンチレバーの背面から反射した反射光を受光して、その受光量に対応した電気信号を出力することが可能な受光素子と、カンチレバーから反射した反射光のみを受光素子に向けて射出し、且つ、それ以外の光をほぼ遮光可能な絞りユニットとが設けられていることを特徴とするカンチレバー変位検出装置。
【請求項２】 前記絞りユニットは、前記受光素子の受光面上に直接貼り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバー変位検出装置。
【請求項３】 前記受光素子は、前記絞りユニット内に一体的に収容されていることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバー変位検出装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーの変位を検出するためのカンチレバー変位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のカンチレバー変位検出装置を用いた走査型プローブ顕微鏡は、自由端に尖鋭化した探針を持つカンチレバーと、探針と試料とを相対的に移動させるスキャナとを備えている。そして、探針を試料に対向して近接させると、探針先端と試料表面との間に働く相互作用（原子間力、斥力、引力、粘性、磁気力など）によって、カンチレバーの自由端が変位する。この自由端に生じる変位量を電気的あるいは光学的に検出しながら、探針を試料表面に沿ってＸＹ方向に相対的に走査することによって、試料の表面情報等（例えば、凹凸情報）を三次元的に測定している。
【０００３】このような走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーとしては、極めて微弱な相互作用を検出できるように、できるだけ柔軟である一方、共振周波数が高いことが望まれている。従って、このような相反する要求を満足するために、カンチレバーは、可能な限り小型化することが望まれている。実際には、幅４０μｍ、長さ１００〜２００μｍ程度のカンチレバーが多用されている。
【０００４】このような小型のカンチレバーの変位を検出するためのカンチレバー変位検出装置としては、例えば特開平９−１５２５０号公報に開示されたような光てこ方式の変位センサが一般的に用いられている。
【０００５】図３に示すように、光源（図示しない）から出射した変位検出用光Ｌをカンチレバー２の背面（探針４が形成された面とは反対側の面）に集光させると、カンチレバー２が変位していない場合には、カンチレバー２からの反射光は、２分割フォトディテクタ６の中心に入射する。これに対して、探針４先端と試料８表面との間に働く相互作用によって、カンチレバー２が変位すると、その変位量に対応して、２分割フォトディテクタ６上のスポット位置が変動する。
【０００６】２分割フォトディテクタ６は、スポット位置の変化に対応した変位信号を出力することができるようになっているため、この変位信号の変化を計測することによって、カンチレバー２の変位を検出することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来のカンチレバー変位検出装置では、小型のカンチレバー２に対して正確に変位検出用光Ｌを集光させることは困難であり、変位検出用光Ｌの一部が漏れ光Ｌａとなって、カンチレバー２から外れて試料８に照射されてしまう場合がある。漏れ光Ｌａが試料８表面に照射されると、試料８表面の凹凸形状や反射率の相違等に対応した反射光や散乱光が試料８から発生して、２分割フォトディテクタ６に入射してしまう場合がある。
【０００８】このような反射光や散乱光が２分割フォトディテクタ６に入射されると、その反射光や散乱光の光量変化に対応した電気信号が、ノイズとなって上記の変位信号に重畳され、カンチレバー２の変位を正確に検出できなくなってしまう。
【０００９】本発明は、上述の問題を解決するために成されており、その目的は、カンチレバーからの反射光のみを確実に取り込むことによって、カンチレバーの変位を正確に検出することが可能なカンチレバー変位検出装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するために、本発明のカンチレバー変位検出装置は、変位検出用光をカンチレバーに向けて集光させることが可能な光源部と、カンチレバーから反射した反射光のみを受光可能な受光部とを備えており、この受光部には、カンチレバーの背面から反射した反射光を受光して、その受光量に対応した電気信号を出力することが可能な受光素子と、カンチレバーから反射した反射光のみを受光素子に向けて射出し、且つ、それ以外の光をほぼ遮光可能な絞りユニットとが設けられている。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係るカンチレバー変位検出装置について、図１及び図２を参照して説明する。なお、本実施の形態のカンチレバー変位検出装置を用いた走査型プローブ顕微鏡の測定法としては、探針接触圧設定時のカンチレバーの撓み状態を一定に維持しながら、カンチレバーを励振させること無く探針を試料に沿って走査することによって、試料の表面情報を測定するスタティックモード測定法と、所定の共振周波数でカンチレバーを励振させた状態において、振動中心と試料表面との間の距離を一定に維持しながら、探針を試料に沿って走査することによって、試料の表面情報を測定するダイナミックモード測定法とが知られているが、以下の説明では、両測定法を総称して単にＳＰＭ測定ということとする。
【００１２】図１に示すように、本実施の形態では、その一例として、固定された試料（図示しない）に対してカンチレバー１０先端の探針１２を所定方向に移動（走査）させることによって、試料の表面情報をＳＰＭ測定する探針走査型のプローブ顕微鏡を想定している。
【００１３】探針走査型のプローブ顕微鏡は、カンチレバー１０の探針１２を試料表面に対して３次元方向に走査させることが可能なアクチュエータ１４（例えば、チューブ型圧電体スキャナ）を備えており、本実施の形態のカンチレバー変位検出装置１６は、このアクチュエータ１４に支持されている。なお、探針走査型のプローブ顕微鏡は、アクチュエータ１４に印加する電圧を制御することによって、カンチレバー１０の探針１２を試料に沿って所定方向に所定量だけ移動させることができるように構成されている。
【００１４】カンチレバー変位検出装置１６には、アクチュエータ１４の可動端に取り付けられた変位検出装置本体１８と、この変位検出装置本体１８に支持された変位検出光学系とが設けられており、カンチレバー１０は、ホルダ２２を介して変位検出装置本体１８に所定の傾斜角度で取り付けられている。
【００１５】変位検出光学系は、変位検出用光をカンチレバー１０の背面（探針１２が配置された面とは反対側の面）に向けて集光させることが可能な光源部２０と、カンチレバー１０の背面から反射した反射光のみを受光可能な受光部２１とから構成されており、光源部２０及び受光部２１は、夫々、光源部２０からの変位検出用光がカンチレバー１０の背面を経由して受光部２１の所望の位置（後述する）に導光されるように位置決め調整可能になっている。
【００１６】光源部２０には、例えば半導体レーザ２４と、この半導体レーザ２４から出射したレーザー光即ち変位検出用光をカンチレバー１０の背面に向けて集光させる集光レンズ２６とが設けられている。
【００１７】受光部２１には、カンチレバー１０の背面から反射した反射光を受光して、その受光量及び受光位置に対応した電気信号を出力することが可能な受光素子２８（例えば、２分割フォトダイオード）と、カンチレバー１０の背面から反射した反射光のみを受光素子２８に向けて射出し且つそれ以外の光をほぼ遮光可能な絞りユニット３０とが設けられている。
【００１８】絞りユニット３０は、図示しない固定部材によって所望の位置に固定されており、図２（ａ）に示すように、遮光性を有する薄板部材３２と、この薄板部材３２に形成された所定径を有する円形穴３４とから構成されている。なお、薄板部材３２は、光学的に不透明であれば特にその材質には限定されない。
【００１９】円形穴３４の径寸法Ｄ１は、ＳＰＭ測定中にカンチレバー１０が変位した場合でも、カンチレバー１０の背面からの反射光を円形穴３４を介して受光素子２８に導光させることができるように設計されている。
【００２０】この場合、カンチレバー１２の背面からの反射光を円形穴３４に確実に導光させるために、例えば絞りユニット３０とカンチレバー１０の背面との間の光路中に、集光レンズ３６を配置して、この集光レンズ３６によって、カンチレバー１０の背面からの反射光を絞りユニット３０の円形穴３４の中心に集光させるように構成することが好ましい。
【００２１】このような構成によれば、カンチレバー１０が変位していない状態では、カンチレバー１０の背面からの反射光は、集光レンズ３６によって絞りユニット３０の円形穴３４の中心に集光した後、この円形穴３４を通過して受光素子２８の中央に照射される。
【００２２】これに対して、ＳＰＭ測定中、探針１２先端と試料表面との間に働く相互作用（原子間力、斥力、引力、粘性、磁気力など）によって、カンチレバー１０先端が変位したとき、その変位状態に対応して、絞りユニット３０の円形穴３４に集光したカンチレバー１０の背面からの反射光は、図中矢印Ｓ方向（以下、集光点移動方向Ｓという）に移動する。
【００２３】従って、円形穴３４の径寸法Ｄ１を充分に確保しておけば、ＳＰＭ測定中、集光レンズ３６によって円形穴３４方向に導光されたカンチレバー１０の背面からの反射光は、円形穴３４以外の他の部分で蹴られること無く、この円形穴３４を通過して受光素子２８に照射される。
【００２４】このような構成によれば、ＳＰＭ測定中、カンチレバー１０の背面からの反射光は、集光レンズ３６を介して絞りユニット３０の円形穴３４に集光した後、その大部分の反射光が円形穴３４を通過して受光素子２８に照射される。また、ＳＰＭ測定中にカンチレバー１０の背面以外の部分（例えば、試料表面）から反射した反射光は、絞りユニット３０の薄板部材３２でほぼ遮光されるため、受光素子２８にほとんど照射されることは無い。この結果、受光素子２８から出力される電気信号には、従来技術のようなノイズが重畳されることはほとんど無く、この電気信号は、カンチレバー１０の変位状態（例えば、変位量、変位方向など）に対応した出力特性となる。従って、この電気信号の変化を計測することによって、カンチレバー１０の変位を正確に検出することが可能となる。
【００２５】なお、上述した実施の形態では、薄板部材３２に円形穴３４を形成した絞りユニット３０を用いたが、例えば図２（ｂ）に示すように、集光点移動方向Ｓに沿って延出した長円状穴３８を薄板部材３２に形成しても上述した作用効果を実現することができる。
【００２６】このような長円状穴３８によれば、集光点移動方向Ｓに沿って充分な光通過領域を確保することができるため、集光レンズ３６を介して絞りユニット３０の長円状穴３８に集光したカンチレバー１０の背面からの反射光は、長円状穴３８以外の他の部分で蹴られること無く、この長円状穴３８を通過して受光素子２８に照射される。
【００２７】また、上述した実施の形態では、受光素子２８と絞りユニット３０とを分離した状態で光路上に配置しているが、例えば図２（ｃ）に示すように、受光素子２８の受光面２８ａ上に絞りユニット３０を直接貼り付けても良い。
【００２８】具体的には、図２（ｃ）に示した絞りユニット３０は、遮光性を有し且つ受光素子２８の受光面２８ａ上に直接貼り付け可能な薄板部材４０と、この薄板部材４０に形成された切欠部４２とから構成されており、切欠部４２は、集光点移動方向Ｓに沿って延出している。なお、薄板部材４０は、光学的に不透明であれば特にその材質には限定されない。
【００２９】このような構成によれば、絞りユニット３０を受光素子２８と一体的に構成することができるため、絞りユニット３０と受光素子２８との間の位置合わせを容易に行うことができると共に、その交換も容易となる。
【００３０】具体的には、絞りユニット３０と受光素子２８との間の位置合わせに際し、例えばカンチレバー１０が変位していない状態において、カンチレバー１０から集光レンズ３６を介して受光素子２８の受光面２８ａに集光したスポットＰが、受光面２８ａの中央位置（２分割線２８ｂに対して対称な位置）に形成されているものとすると、このスポットＰの両側（即ち、２分割線２８ｂに沿った両側）が均等に遮光されるように切欠部４２を位置決めすれば良い。
【００３１】更に、上述した実施の形態では、受光素子２８と絞りユニット３０とを分離した状態で光路上に配置しているが、例えば図２（ｄ）に示すように、絞りユニット３０内に受光素子２８を収容して、絞りユニット３０と受光素子２８とを一体としたユニット状に構成しても良い。
【００３２】具体的には、図２（ｄ）に示した絞りユニット３０は、遮光性を有し且つ受光素子２８を収容可能な筐体４４と、この筐体４４に形成された切欠部４６とから構成されており、切欠部４６は、集光点移動方向Ｓに沿って延出している。なお、筐体３３は、光学的に不透明であれば特にその材質には限定されない。
【００３３】このような構成によれば、絞りユニット３０内に受光素子２８を収容して一体的に構成することができるため、絞りユニット３０と受光素子２８との間の位置合わせを容易に行うことができると共に、その交換も容易となる。
【００３４】具体的には、絞りユニット３０内に受光素子２８を収容するに際し、例えばカンチレバー１０が変位していない状態において、カンチレバー１０から集光レンズ３６を介して受光素子２８の受光面２８ａに集光したスポットＰが、受光面２８ａの中央位置（２分割線２８ｂに対して対称な位置）に形成されているものとすると、このスポットＰの両側（即ち、２分割線２８ｂに沿った両側）が均等に遮光されるように切欠部４６を位置決めすれば良い。
【００３５】なお、上述した実施の形態では、探針走査型のプローブ顕微鏡を想定したが、固定した探針に対して試料を所定方向に移動させることによって、試料の表面情報をＳＰＭ測定する試料走査型のプローブ顕微鏡にも本実施の形態のカンチレバー変位検出装置を用いることが可能である。試料走査型の走査型プローブ顕微鏡は、特に図示しないが、アクチュエータの可動端に試料を載置することができるようになっており、アクチュエータに印加する電圧を制御することによって、試料を探針に対して所定方向に移動させることができるように構成されている。
【００３６】
【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーからの反射光のみを確実に取り込むことによって、カンチレバーの変位を正確に検出することが可能なカンチレバー変位検出装置を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００３７６
【氏名又は名称】オリンパス光学工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月２３日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外４名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２７１３４１ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月８日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−７３９２１ |
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