| 【発明の名称】 |
走査型プローブ顕微鏡 |
| 【発明者】 |
【氏名】伊東 修一
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| 【要約】 |
【課題】共振周波数が高く且つ剛性の高いスキャナを備えた走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】カンチレバー２０の探針２２を試料１６表面に沿ってＸＹ方向に走査させることが可能なＸＹ走査機構２４と、カンチレバーの探針を試料に対してＺ方向に移動させることが可能なＺ移動機構２６と、ＸＹ走査機構とＺ移動機構との間に設けられ且つカンチレバーの変位を検出することが可能な変位検出機構２８とを備えている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 カンチレバーの探針を試料表面に沿って水平方向に走査させることが可能な走査機構と、カンチレバーの探針を試料に対して垂直方向に移動させることが可能な移動機構と、走査機構と移動機構との間に設けられ且つカンチレバーの変位を検出することが可能な変位検出機構とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】 前記変位検出機構は、カンチレバーに変位測定用光を照射可能な光源と、カンチレバーからの反射光を受光し、その受光量に対応した電気信号を出力可能な受光素子とを有する変位センサを備えており、変位センサは、１つのユニット体に収容保持され、このユニット体が、走査機構と移動機構との間に配置されてい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。
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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、例えば原子オーダーの分解能で試料の表面情報を測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）の一例として、ビニッヒ(Binnig)やローラー(Rohrer)等によって、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）が発明されている。しかし、ＳＴＭでは、観察できる試料が導電性の試料に限られている。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要素技術を利用し、絶縁性の試料をナノメートルオーダーの分解能で観察できる装置として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic ForceMicroscope）が提案されている（特開昭６２−１３０３０２号公報参照）。
【０００３】また、近年では、光学顕微鏡をＡＦＭに組み込んで構成されたＳＰＭ装置が提案されており（特開平８−２８５８６５号公報参照）、このＳＰＭ装置は、例えば図４に示すように、カンチレバー２を試料４に対して移動させることが可能な電極が４分割された４分割スキャナ６と、探針１２先端と試料４との間に働く相互作用（原子間力、摩擦力、吸着力、接触力など）に基づく、カンチレバー２の自由端の撓み変位を光学的に検出可能な光てこ方式のカンチレバー変位センサ８と、スキャナ６内に挿入され、カンチレバー２の走査領域（即ち、試料４表面）を光学的に観察可能な光学顕微鏡用対物レンズ１０と備えている。
【０００４】そして、対物レンズ１０を介して走査領域にカンチレバー２の探針１２を位置付けた後、変位センサ８からのＺ変位信号に基づいてスキャナ６をＺ方向にフィードバック制御しながら、例えば探針１２先端と試料４表面との距離を一定に維持しつつ、探針１２を試料４に沿ってＸＹ走査させ、上記相互作用に基づく試料情報を検出して表示することができるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平８−２８５８６５号公報のＳＰＭ装置には、以下のような欠点がある。即ち、４分割スキャナ６の先端に変位センサ８及びカンチレバー２を共に搭載しているため、４分割スキャナ６の共振周波数が高くない。このため、４分割スキャナ６の走査速度を遅くせざるを得ず、この結果、測定時間を短縮化することができないといった問題がある。また、４分割スキャナ６の剛性が低いため、測定データに対して振動等の外乱ノイズの影響を受け易いといった問題もある。
【０００６】本発明は、このような問題点を解決するために成されており、その目的は、共振周波数が高く且つ剛性の高いスキャナを備えた走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００７】
【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、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの探針を試料表面に沿って水平方向に走査させることが走査機構と、カンチレバーの探針を試料に対して垂直方向に移動させることが可能な移動機構と、走査機構と移動機構との間に設けられ且つカンチレバーの変位を検出することが可能な変位検出機構とを備えている。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡について、図１を参照して説明する。なお、本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡に適用可能な測定法としては、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。
【０００９】図１に示すように、本実施の形態では、固定された試料台１４上に載置した試料１６に対してカンチレバー２０先端の探針２２を所定方向に移動（走査）させることによって、探針２２先端と試料１６との間に働く相互作用に基づいて、試料１６の表面情報をＳＰＭ測定する探針走査型のプローブ顕微鏡１８を想定している。
【００１０】探針走査型のプローブ顕微鏡１８は、カンチレバー２０の探針２２を試料１６表面に沿ってＸＹ方向（水平方向）に走査させることが可能なＸＹ走査機構２４と、カンチレバー２０の探針２２を試料１６に対してＺ方向（垂直方向）に移動させることが可能なＺ移動機構２６と、ＸＹ走査機構２４とＺ移動機構２６との間に設けられ且つカンチレバー２０の変位を検出することが可能な変位検出機構２８とを備えている。
【００１１】なお、Ｚ移動機構２６における「移動」とは、試料１６の表面形状に応じて変化するカンチレバー２０の撓み状態を一定に保つためのフィードバック制御におけるＺ移動機構２６を用いたカンチレバー２０の「移動」を含むものとする。
【００１２】ＸＹ走査機構２４には、基端が固定ベース３０に固定され且つ例えば電極３２が４分割された円筒状の４分割型圧電体スキャナ３４が適用されており、この４分割型圧電体スキャナ３４は、所定の電圧を印加することによって、その先端（可動端）をＸＹ方向に変位させることができるようになっている。
【００１３】変位検出機構２８は、４分割型圧電体スキャナ３４の先端（可動端）に固定さており、カンチレバー２０の背面（探針２２が配置された面とは反対側の面）に変位測定用光を照射可能な光源（例えば、半導体レーザ）３６と、カンチレバー２０の背面からの反射光を受光し、その受光量に対応した電気信号を出力可能な受光素子３８とを備えている。そして、光源３６及び受光素子３８等から成る変位センサは、共に、１つのユニット体４０に収容保持されており、このユニット体４０が、４分割型圧電体スキャナ３４の先端（可動端）に固定されている。
【００１４】Ｚ移動機構２６には、基端がユニット体４０に固定され且つ例えば電極（図示しない）が分割されていないチューブ型圧電体スキャナ４２が適用されており、このチューブ型圧電体スキャナ４２は、所定の電圧を印加することによって、その先端（可動端）をＺ方向に変位させることができるようになっている。
【００１５】なお、カンチレバー２０は、チューブ型圧電体スキャナ４２の先端（可動端）に固定された保持部材４４に支持されている。また、保持部材４４には、光源３６からの変位測定用光及びカンチレバー２０の背面からの反射光が通過可能な開口４４ａが形成されており、カンチレバー２０は、その先端（探針２２）側の部分が開口４４ａ中の光路上に位置付けられるように、保持部材４４に支持されている。
【００１６】次に、本実施の形態の動作について説明する。まず、例えばチューブ型圧電体スキャナ４２の先端（可動端）をＺ方向に変位させて、カンチレバー２０の探針２２を試料１６表面に対して所定距離だけ近接させる。
【００１７】次に、例えば４分割型圧電体スキャナ３４の先端（可動端）をＸＹ方向に変位させて、ユニット体４０を所定の範囲でＸＹ方向に移動させると、このユニット体４０に収容保持された変位センサ（光源３６及び受光素子３８など）、及び、チューブ型圧電体スキャナ４２、並びに、このチューブ型圧電体スキャナ４２の先端に保持部材４４を介して支持されたカンチレバー２０は、共に一体的にＸＹ方向に移動する。
【００１８】このとき、カンチレバー２０の探針２２は、試料１６表面に沿ってＸＹ方向に走査され、試料１６表面の凹凸状態に応じて探針２２先端と試料１６表面との間の相互作用（例えば、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２０の先端が変位し、そのＺ方向の角度が変化する。
【００１９】このようなＸＹ走査中、光源３６から保持部材４４の開口４４ａを介してカンチレバー２０の背面に変位測定用光が照射されていると、カンチレバー２０の先端の変位量（角度変化量）に応じて、カンチレバー２０の背面からの反射光の反射角度が変化して、受光素子３８上のスポット位置が変化する。
【００２０】このとき、受光素子３８からは、スポット位置変化に対応した電気信号即ち変位信号が出力され、図示しないフィードバック制御回路は、この変位信号が一定になるように（即ち、探針２２先端と試料１６表面との間の距離（若しくは、相互作用）が一定になるように）、チューブ型圧電体スキャナ４２に制御電圧を印加して、その先端（可動端）をＺ方向に変位制御する。この場合、チューブ型圧電体スキャナ４２の先端（可動端）のＺ方向変位量は、試料１６表面の凹凸状態（若しくは、相互作用の変化）に対応しているため、ＸＹ走査中にフィードバック制御回路から出力される制御電圧に基づいて、チューブ型圧電体スキャナ４２の先端（可動端）のＺ方向変位量を検出することによって、試料１６の表面凹凸情報（相互作用に基づく試料情報）を測定することができる。
【００２１】本実施の形態において、カンチレバー２０と変位センサ（光源３６及び受光素子３８）は、共に一体的にＸＹＺ方向に移動する。従って、光源３６からの変位測定用光がカンチレバー２０の背面に照射され且つカンチレバー２０の背面からの反射光が受光素子３８上に照射されるように、カンチレバー２０と変位センサとの間の位置関係を設定すれば、上記のようなＸＹ走査を伴う測定中、光源３６からの変位測定用光がカンチレバー２０の背面から外れることは無い。
【００２２】ところで、光源３６は、図示しないが、例えば、半導体レーザ、レーザー出射方向調整機構、数個のレンズや数個の機械部品等により構成され、また、受光素子３８は、図示しないが、例えば、４分割フォトダイオード、機械部品から成る２次元調整機構等により構成される。
【００２３】この場合、変位センサ（光源３６及び受光素子３８など）全体の質量は、約４０ｇ程度になってしまうため、このような重量構造物である変位センサを従来技術（特開平８−２８５８６５号公報参照）のようにスキャナの先端に搭載すると（図４参照）、スキャナの共振周波数を高くすることができなくなってしまう。
【００２４】そこで、本実施の形態では、このような重量構造物である変位センサを固定ベース３０に接近させて配置するように、変位センサ（光源３６及び受光素子３８など）を収容保持したユニット体４０を４分割型圧電体スキャナ３４とチューブ型圧電体スキャナ４２との間に配置し、且つ、カンチレバー２０をチューブ型圧電体スキャナ４２の先端（可動端）に配置した。なお、カンチレバー２０の質量は、約１０ｍｇ程度、保持部材４４の質量は、約１ｇ以下に設定できるため、これらカンチレバー２０や保持部材４４をチューブ型圧電体スキャナ４２の先端（可動端）に取り付けても、チューブ型圧電体スキャナ４２の共振周波数を低下させることは無い。
【００２５】従って、本実施の形態の探針走査型のプローブ顕微鏡１８によれば、従来技術に比べて、より高い共振周波数を得ることが可能となる。また、本実施の形態の探針走査型のプローブ顕微鏡１８のうち、例えば固定ベース３０からカンチレバー２０までの全長が同一であると仮定して、変位センサ（光源３６及び受光素子３８など）を収容保持したユニット体４０を固定ベース３０から全長の約７０％程度の位置に配置したとすると、振動学の公式から、共振周波数は、従来技術に比べて約１．７倍に向上させることができる。そして、このように共振周波数を高くすれば、走査速度を向上させることができるため、測定時間の短縮化を実現することができる。具体的には、測定時間を従来技術に比べて約４３％程度短縮することができる。
【００２６】また、共振周波数が約１．７倍に向上すると、４分割型圧電体スキャナ３４及びチューブ型圧電体スキャナ４２から成るスキャナ全体の弾性定数を従来技術に比べて約３倍程度に向上させることができる。この結果、従来技術と同一の外乱振動に対するスキャナ全体の変位量を約１／３程度に減少させることができるため、外乱振動に対して剛性の高いスキャナを実現することができる。
【００２７】このように本実施の形態によれば、共振周波数が高く且つ剛性の高いスキャナを備えた走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。なお、上述した実施の形態では、固定ベース３０に固定された４分割圧電体スキャナ３４の先端（可動端）に変位センサ（光源３６及び受光素子３８など）を収容保持したユニット体４０を固定し、このユニット体４０の下側にカンチレバー２０を支持したチューブ型圧電体スキャナ４２を配置したが、これに代えて、例えば、チューブ型圧電体スキャナ４２を固定ベース３０に固定し、４分割圧電体スキャナ３４の先端（可動端）にカンチレバー２０を支持しても良い。即ち、固定ベース３０に固定されたチューブ型圧電体スキャナ４２の先端（可動端）に変位センサ（光源３６及び受光素子３８など）を収容保持したユニット体４０を固定し、このユニット体４０の下側にカンチレバー２０を支持した４分割圧電体スキャナ３４を配置しても良い。
【００２８】次に、本発明の第２の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡について、図２を参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、第１の実施の形態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】図２に示すように、本実施の形態は、探針走査型のプローブ顕微鏡１８の改良であって、Ｚ移動機構２６には、基端がユニット体４０に固定され且つ先端（可動端）に保持部材４４を介してカンチレバー２０を支持した積層型圧電体４６が適用されている。
【００３０】この積層型圧電体４６は、所定の電圧を印加することによって、その先端（可動端）をＺ方向に変位させることができるようになっている。また、カンチレバー２０と光源３６との間の光路中にハーフミラー４８を介在させ、このハーフミラー４８の近傍には、ハーフミラー４８を介してカンチレバー２６と試料１６を観察するための光学顕微鏡５０を配置している。ハーフミラー４８は、支持部材５２を介してユニット体４０に固定されている。
【００３１】なお、その他の構成は、第１の実施の形態と同一であるため、その説明は省略する。本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の動作は、第１の実施の形態と同一であるが、Ｚ移動機構２６として積層型圧電体４６を用いたことによって、カンチレバー２０の上側にスペースが形成され、装置の構成上の自由度が向上する。そこで、本実施の形態では、このスペースにハーフミラー４８及び光学顕微鏡５０を配置し、光学顕微鏡５０からハーフミラー４８を介してカンチレバー２０及び試料１６までの観察光路を形成している。このため、カンチレバー２０をＸＹＺ方向に走査中又はその前後において、光学顕微鏡５０を用いてカンチレバー２０及び試料１６の観察や、カンチレバー２０と試料１６との間の位置関係を観察することが可能となる。また、光学顕微鏡５０は、カンチレバー２０及び試料１６を表示するあめのモニタ（図示しない）を備えており、このモニタ上でカンチレバー２０に照射されるレーザー光の位置調整を行うことができる。
【００３２】なお、本実施の形態の他の作用効果は、第１の実施の形態と同一であるため、その説明は省略する。また、上述した第１及び第２の実施の形態の探針走査型のプローブ顕微鏡１８は、いずれも図３に示すような測定装置に組み込むことが可能である。
【００３３】例えば図３（ａ）に示された測定装置において、探針走査型のプローブ顕微鏡１８は、観察光学系５４と共にスライダ５６に固定されており、このスライダ５６は、固定台５８上に立ち上げられた案内アーム６０に沿って図中矢印Ｓ方向にスライド自在に構成されている。そして、固定台５８には、試料１６を載置可能な試料ステージ６２が固定されている。
【００３４】このような測定装置によれば、例えば観察光学系５４によって試料１６を観察した後、スライダ５６をスライドさせて、探針走査型のプローブ顕微鏡１８を試料１６上に位置付けることによって、例えば観察光学系５４で観察した試料１６の観察部分のＳＰＭ測定を行うことができる。
【００３５】また、例えば図３（ｂ）に示された測定装置において、探針走査型のプローブ顕微鏡１８は、観察光学系５４と共に、固定台６４上に立ち上げられたアーム６６に固定されている。そして、固定台６４には、試料１６を載置した状態で図中矢印Ｓ方向に移動可能な試料ステージ６８が設けられている。
【００３６】このような測定装置によれば、例えば観察光学系５４によって試料１６を観察した後、試料ステージ６８をスライドさせて、試料１６を探針走査型のプローブ顕微鏡１８の測定領域下に位置付けることによって、例えば観察光学系５４で観察した試料１６の観察部分のＳＰＭ測定を行うことができる。
【００３７】
【発明の効果】本発明によれば、共振周波数が高く且つ剛性の高いスキャナを備えた走査型プローブ顕微鏡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１１−２７１３４２ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月８日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−７３９２３ |
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