CN110389238B - 扫描型探针显微镜及悬臂移动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描型探针显微镜及悬臂移动方法，能够减少在进行液体中观察中的接近动作时产生的工夫。在接近动作中、基于来自光检测部(5)的检测信号检测到液面的情况下，光检测部移动处理部(13)使光检测部移动至在悬臂位于液体中的状态下来自悬臂的反射光入射的位置。在由光检测部移动处理部(13)进行光检测部(5)的移动后继续执行的接近动作中、来自悬臂的反射光入射至光检测部中的情况下，光轴调整处理部(11)对入射至光检测部(5)中的反射光的光轴进行调整。在由光轴调整处理部(11)进行光轴的调整后继续执行的接近动作中、基于来自光检测部(5)的检测信号检测到固体样品的表面的情况下，接近处理部(12)使接近动作停止。

Description

扫描型探针显微镜及悬臂移动方法

技术领域

本发明涉及具备沿固体样品的表面移动的悬臂的扫描型探针显微镜。

背景技术

例如在光杠杆方式的扫描型探针显微镜中，通过使悬臂的探针沿样品的表面移动，并且检测出悬臂的弯曲，从而能够获得样品的表面的凹凸图像(例如，参照下述专利文献1)。这种扫描型探针显微镜具备向悬臂照射光的光照射部、和接收来自悬臂的反射光的光检测部。

在进行样品表面的观察时，首先，进行将悬臂接近样品的动作(接近动作)。具体来说，通过使悬臂向垂直下方移动，从而使探针相对于样品表面慢慢接近。接下来，在来自光检测部的检测信号变为预先设定的目标值的情况下，判断为探针接触到了样品表面，并使悬臂的移动停止。由此，接近动作完成，其后通过使悬臂在水平方向上扫描来进行样品表面的观察。

有时进行液体中观察来作为进行样品表面的观察的方法之一。在液体中观察中，在将样品沉入液体中的状态下，使悬臂下降至液体中，并使探针接触样品表面。接下来，在液体中通过使悬臂在水平方向上扫描，从而能够进行液体中的样品表面的观察。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2014－211372号公报

发明内容

[发明要解决的问题]

在液体中观察时进行接近动作的情况下，在使悬臂相对于样品表面慢慢接近的过程中，探针会接触液面。此时，由于受到来自液面的阻力，悬臂会弯曲，并且来自光检测部的检测信号达到预先设定的目标值，从而接近动作会在液面上停止。在该情况下，操作人员需要在手动调整上述目标值的基础上使接近动作继续执行，因此存在费事的问题。

本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于，提供一种能够减少在进行液体中观察的情况下在接近动作时产生的工夫的扫描型探针显微镜及悬臂移动方法。

[用于解决问题的技术手段]

(1)本发明的扫描型探针显微镜具备悬臂、光照射部、光检测部、接近处理部、光检测部移动处理部、以及光轴调整处理部。所述悬臂沿固体样品的表面移动。所述光照射部向所述悬臂照射光。所述光检测部被设置为能够移动，并且接收来自所述悬臂的反射光。所述接近处理部通过使所述悬臂向配置于液体中的固体样品接近来进行接近动作。在所述接近动作中、基于来自所述光检测部的检测信号检测到液面的情况下，所述光检测部移动处理部使所述光检测部移动至在所述悬臂位于液体中的状态下来自所述悬臂的反射光入射的位置。在由所述光检测部移动处理部进行所述光检测部的移动后继续执行的所述接近动作中、来自所述悬臂的反射光入射至所述光检测部中的情况下，所述光轴调整处理部对入射至该光检测部中的反射光的光轴进行调整。在由所述光轴调整处理部进行光轴的调整后继续执行的所述接近动作中、基于来自所述光检测部的检测信号检测到固体样品的表面的情况下，所述接近处理部使所述接近动作停止。

根据这样的构成，在进行液体中观察的情况下，在接近动作中检测到液面时，在使光检测部移动了的基础上继续执行接近动作。由于光检测部被移动至在悬臂位于液体中的状态下来自悬臂的反射光入射的位置，因此在继续执行的接近动作中光检测部检测到光的情况下，能够确认悬臂位于液体中。此时，通过在对入射至光检测部中的反射光的光轴进行调整的基础上继续执行接近动作，从而能够基于接近动作中的来自光检测部的检测信号来对固体样品的表面进行检测，并使接近动作停止。

因此，在接近动作中检测到液面的情况下，操作人员能够在使光检测部移动了的基础上继续执行接近动作，而无需手动调整光检测部的检测信号的目标值。因此，能够减少在进行液体中观察中的接近动作时产生的工夫。并且，在继续执行的接近动作中用光检测部检测到光的情况下，接近动作在对入射至光检测部中的反射光的光轴进行调整的基础上被继续执行，因此能够在其后来自光检测部的检测信号达到上述目标值时，准确地对固体样品的表面进行检测。

(2)优选所述接近处理部在由所述光轴调整处理部进行光轴的调整的过程中使所述悬臂的移动停止。

根据这样的构成，能够在悬臂移动至液体中后，在使悬臂的移动停止的状态下，对入射至光检测部中的反射光的光轴准确地进行调整。因此，能够在其后继续执行的接近动作中，基于来自光检测部的检测信号来对固体样品的表面准确地进行检测。

(3)所述扫描型探针显微镜也可以还具备位置计算处理部，所述位置计算处理部在所述悬臂位于液体中的状态下对来自所述悬臂的反射光入射的所述光检测部的位置进行计算。在该情况下，所述光检测部移动处理部也可以使所述光检测部移动至由所述位置计算处理部计算出的位置。

根据这样的构成，能够由位置计算处理部计算出合适的位置，来作为检测到液面时使光检测部移动的位置，并使光检测部移动至该位置。因此，能够在其后继续执行的接近动作，基于来自光检测部的检测信号准确地判断悬臂位于液体中的情况。

(4)本发明的悬臂移动方法是使用了扫描型探针显微镜的悬臂移动方法，所述扫描型探针显微镜使悬臂沿固体样品的表面移动，并且从光照射部向所述悬臂照射光，用光检测部接收来自所述悬臂的反射光，所述悬臂移动方法包含接近步骤、光检测部移动步骤、以及光轴调整步骤。在所述接近步骤中，通过使所述悬臂向配置于液体中的固体样品接近来进行接近动作。在所述光检测部移动步骤中，在所述接近动作中、基于来自所述光检测部的检测信号检测到液面的情况下，使所述光检测部移动至在所述悬臂位于液体中的状态下来自所述悬臂的反射光入射的位置。在所述光轴调整步骤中，在由所述光检测部移动步骤进行所述光检测部的移动后继续执行的所述接近动作中、来自所述悬臂的反射光入射至所述光检测部中的情况下，对入射至该光检测部中的反射光的光轴进行调整。在所述接近步骤中、在由所述光轴调整步骤进行光轴的调整后继续执行的所述接近动作中，基于来自所述光检测部的检测信号检测到固体样品的表面的情况下，使所述接近动作停止。

(5)优选在所述接近步骤中在由所述光轴调整步骤进行光轴的调整的过程中使所述悬臂的移动停止。

(6)所述悬臂移动方法也可以还包含位置计算步骤，计算出在所述悬臂位于液体中的状态下来自所述悬臂的反射光入射的所述光检测部的位置。在该情况下，也可以在所述光检测部移动步骤中，使所述光检测部移动至在所述位置计算步骤中计算出的位置。

[发明效果]

根据本发明，在接近动作中检测到液面的情况下，操作人员能够在使光检测部移动了的基础上继续执行接近动作，而无需手动调整光检测部的检测信号的目标值，因此能够减少在进行液体中观察中的接近动作时产生的工夫。

附图说明

图1是示出本发明的一实施方式的扫描型探针显微镜的构成例的概略图。

图2A是用于对在进行液体中观察时的具体的方法进行说明的概略图，示出了悬臂位于空气中的状态。

图2B是用于对在进行液体中观察时的具体的方法进行说明的概略图，示出了悬臂与液面接触了的状态。

图2C是用于对在进行液体中观察时的具体的方法进行说明的概略图，示出了光检测部移动后的状态。

图2D是用于对在进行液体中观察时的具体的方法进行说明的概略图，示出了悬臂位于液体中的状态。

图3是示出扫描型探针显微镜的电气构成的一例的框图。

图4是示出液体中观察时的接近动作的流程的流程图。

具体实施方式

1.扫描型探针显微镜的构成

图1是示出了本发明的一实施方式的扫描型探针显微镜的构成例的概略图。该扫描型探针显微镜(SPM)具备悬臂1、光照射部2、分束器3、镜子4以及光检测部5等，用于通过使悬臂1沿样品S的表面移动，来获得样品S的表面的凹凸图像。

光照射部2例如具备半导体激光器等激光光源，向悬臂1照射光。从光照射部2照射的光经过分束器3入射至悬臂1。悬臂1具备反射面1A，该反射面1A中的反射光被镜子4反射从而被光检测部5接收。例如能够采用像4分割光电二极管等那样具备光电二极管的构成来作为光检测部5。

在从光照射部2到悬臂1的光路中也可以设置有例如准直透镜、聚焦透镜(均未图示)等其他的光学构件。在该情况下，能够在由准直透镜将来自光照射部2的照射光转换为平行光后，用聚焦透镜使该平行光聚光从而引导至悬臂1一侧。

除了分束器3之外，上述准直透镜以及聚焦透镜等构成用于将来自光照射部2的照射光引导至悬臂1的光学系统。但是，光学系统的构成并非限定于此，也可以是不具备上述那样的各光学构件的至少1个的构成。

悬臂1例如是长度为150μm左右、宽度为30～40μm左右的非常小的构件，在与反射面1A相反一侧的表面设置有探针1B。通过使该探针1B沿样品S的表面移动，从而能够获得样品S的表面的凹凸图像。

这里，悬臂1的反射面1A相对于与来自光照射部2的照射光的光轴L正交的方向以规定的倾斜角度θ倾斜。因此，在使悬臂1的探针1B沿样品S的表面的凹凸移动的情况下，悬臂1会弯曲，反射面1A的倾斜角度θ会发生变化。此时，由于在光检测部5中接收来自反射面1A的反射光的位置发生变化，从而来自光检测部5的检测信号发生变化，因此能够基于来自光检测部5的检测信号来获得样品S的表面的凹凸图像。

在本实施方式中，悬臂1以及光检测部5分别以能够移动的方式构成。具体来说，设置有悬臂移动机构6和光检测部移动机构7，该悬臂移动机构6以能够移动的方式对悬臂1进行保持，该光检测部移动机构7以能够移动的方式对光检测部5进行保持。

悬臂移动机构6能够沿入射至悬臂1的光的光轴L来使悬臂1移动。在该例中，悬臂移动机构6虽然是使悬臂1沿垂直方向移动的构成，但不限定于这样的构成，也可以是使悬臂1在与垂直方向交叉的方向上移动的构成。

光检测部移动机构7能够使光检测部5沿与入射至光检测部5中的光的光轴L正交的方向移动。在该例中，光检测部移动机构7是使光检测部5沿垂直方向移动的构成，但不限定于这样的构成，也可以是使光检测部5在与垂直方向交叉的方向上移动的构成。

2.液体中观察的具体的方法

图2A～图2D是用于对在进行液体中观察时的具体的方法进行说明的概略图。例如通过将液体收纳于培养皿等容器9，在将样品(固体样品)S沉入该液体中的状态下使悬臂1沿样品S的表面进行扫描，从而能够进行液体中的样品S的表面的观察(液体中观察)。

虽然图1未示出，但如图2A～图2D所示，从光照射部2照射向悬臂1的光透过透明板8入射至悬臂1的反射面1A。因此，虽然相对于透明板8在正交方向上入射的来自光照射部2的光不发生折射地到达反射面1A，但来自反射面1A的反射光会以相对于透明板8倾斜的角度入射，并在透过透明板8的过程中发生折射，之后被镜子4反射从而被引导至光检测部5。透明板8例如由玻璃形成，并作为对悬臂1进行保持的保持部起作用。

在进行液体中观察时，最初如图2A所示那样，悬臂1相对于液面向上方分离。在该状态下，来自悬臂1的反射面1A的反射光入射至光检测部5中。接近动作通过使悬臂1从该状态向配置于液体中的样品S接近来进行。

当接近动作开始时，首先，悬臂1的探针1B如图2B所示那样与液面接触。此时，悬臂1弯曲，由此，来自反射面1A的反射光的光路发生变化，光检测部5中的反射光的受光位置发生变化。随之，来自光检测部5的检测信号发生变化，因此能够基于该检测信号的变化，来检测到悬臂1的探针1B与液面的接触(液面检测)。

如图2C所示，在接近动作中检测到液面的情况下，光检测部5被移动至来自反射面1A的反射光不会入射的位置。移动后的光检测部5的位置是在悬臂1位于液体中的状态下来自反射面1A的反射光入射的位置。来自反射面1A的反射光的光路根据容器9内的液体的折射率而发生变化，因此能够基于液体的折射率，计算出在悬臂1位于液体中的状态下来自反射面1A的反射光入射的光检测部5的位置。

光检测部5被移动至通过像上述那样计算出的位置后，当接近动作被继续执行时，悬臂1进入液体中，来自反射面1A的反射光入射至光检测部5中。像这样，在移动后的光检测部5中检测到来自反射面1A的反射光的情况下，判断为悬臂1位于液体中。此时，光检测部5的位置被微调整，从而入射至光检测部5中的反射光的光轴L得到调整。

在光轴调整中，光检测部5的位置被微调整，以使来自反射面1A的反射光入射至光检测部5中的基准位置。上述基准位置例如是光检测部5的受光面的中心位置，并且是来自光检测部5的检测信号变为基准值(例如0V)的位置。通过相对于该基准值设置规定的阈值作为目标值，能够在来自光检测部5的检测信号达到目标值时，判断为悬臂1的探针1B接触到样品S的表面。

也就是说，在悬臂1位于液体中的状态下进行了光轴调整后，接近动作被继续执行，如图2D所示那样进一步使悬臂1向样品S接近。然后，当悬臂1的探针1B与样品S的表面接触时，悬臂1弯曲，从而来自反射面1A的反射光的光路发生变化，光检测部5中的反射光的受光位置发生变化。随之，来自光检测部5的检测信号发生变化，因此能够基于该检测信号的变化，来对悬臂1的探针1B接触到样品S的表面的情况进行检测(样品表面检测)。

在检测到样品S的表面时，悬臂1的移动被停止，接近动作完成。其后，通过使悬臂1在水平方向上扫描来进行样品S的表面的观察。

3.电气构成

图3是示出了扫描型探针显微镜的电气构成的一例的框图。扫描型探针显微镜除了具备上述光检测部5、悬臂移动机构6以及光检测部移动机构7以外，还具备控制部10等。控制部10例如是包含CPU(Central Processing Unit，中央处理器)的构成，CPU通过执行程序，来作为光轴调整处理部11、接近处理部12、光检测部移动处理部13以及位置计算处理部14等起作用。

光轴调整处理部11对入射至光检测部5中的来自悬臂1的反射光的光轴L进行调整。也就是说，光轴调整处理部11基于来自光检测部5的检测信号对光检测部移动机构7进行控制，对光检测部5的位置进行微调整，从而将光轴L调整至使来自光检测部5的检测信号成为基准值的位置。

接近处理部12通过对悬臂移动机构6进行控制，使悬臂1向样品S接近，从而来进行接近动作。在进行液体中观察时，接近动作从悬臂1相对于液面向上方分离了的位置开始，并且在使悬臂1向配置于液体中的样品S慢慢接近后，在基于来自光检测部5的检测信号检测到样品S的表面时，接近动作完成。

在接近动作中变为图2B所示那样的状态、基于来自光检测部5的检测信号检测到液面的情况下，光检测部移动处理部13对光检测部移动机构7进行控制来使光检测部5移动。此时，光检测部5如图2C所示移动至来自悬臂1的反射光不会入射的位置。该位置是在悬臂1位于液体中的状态下来自悬臂1的反射光入射的位置。

位置计算处理部14计算出由光检测部移动处理部13使光检测部5移动的位置、即在悬臂1位于液体中的状态下来自悬臂1的反射光入射的光检测部的位置。在接近动作中检测到液面的情况下，光检测部移动处理部13就使光检测部5移动至由位置计算处理部14计算出的位置。位置计算处理部14的运算基于容器9内的液体的折射率、各光学构件(悬臂1、光照射部2、分束器3、镜子4以及光检测部5等)的位置关系等来进行。

4.液体中观察时的接近动作

图4是示出了液体中观察时的接近动作的流程的流程图。在液体中观察时进行接近动作时，首先，在如图2A所示悬臂1相对于液面向上方分离了的状态下，由光轴调整处理部11进行光轴调整(步骤S101)。其后，由接近处理部12对悬臂移动机构6进行控制，接近动作开始(步骤S102)。在接近动作中，使悬臂1向配置于液体中的样品S接近(接近步骤)。

在接近动作中、基于来自光检测部5的检测信号检测到液面的情况下(在步骤S103中的“是”)，由位置计算处理部14计算出使光检测部5移动的位置(步骤S104：位置计算步骤)。此时计算出的光检测部5的位置是如上所述在悬臂1位于液体中的状态下来自悬臂1的反射光入射的位置。

其后，光检测部移动处理部13对光检测部移动机构7进行控制，由此，光检测部5被移动至由位置计算处理部14计算出的位置(步骤S105：光检测部移动步骤)。在该光检测部5的移动中，悬臂1的移动被停止，由此，接近动作被停止。然后，在使光检测部5移动后，接近动作被继续执行，由此，悬臂1被移动至液体中(步骤S106)。

当悬臂1移动至液体中时，来自悬臂1的反射光入射至被预先移动了的光检测部5中，由此，在光检测部5检测到光(在步骤S107中“是”)。像这样，在由光检测部移动处理部13进行光检测部5的移动后继续执行的接近动作中、来自悬臂1的反射光入射至光检测部5中的情况下，光轴调整处理部11对光检测部移动机构7进行控制，由此，入射至光检测部5中的反射光的光轴被再次调整(步骤S108：光轴调整步骤)。在该光轴调整中，悬臂1的移动被停止从而接近动作被停止。

其后，接近动作被继续执行，并且在基于来自光检测部5的检测信号检测到样品S的表面的情况下，(在步骤S109中“是”)，悬臂1的移动被停止从而接近动作被停止(步骤S110)。这样一来，液体中观察时的接近动作完成，其后样品S的表面的观察通过悬臂1在水平方向上扫描来进行。

5.作用效果

(1)在本实施方式中，在进行液体中观察的情况下，如图2B所示，在接近动作中检测到液面时(在图4的步骤S103中“是”)，在如图2C所示使光检测部5移动了的基础上，接近动作被继续执行(步骤S105以及S106)。由于光检测部5被移动至在悬臂1位于液体中的状态下来自悬臂1的反射光入射的位置，因此在如图2D所示在继续执行的接近动作中光检测部5检测到光的情况下(在步骤S107中“是”)，能够确认悬臂1位于液体中。此时，通过在对入射至光检测部5中的反射光的光轴L进行了调整的基础上继续执行接近动作(步骤S108)，从而能够基于该接近动作中的来自光检测部5的检测信号对样品S的表面进行检测，并使接近动作停止(步骤S109以及S110)。

因此，在接近动作中检测到液面的情况下，能够在使光检测部5移动了的基础上使接近动作继续执行，而无需操作人员手动对光检测部5的检测信号的目标值进行调整。因此，能够减少在进行液体中观察中的接近动作时产生的工夫。并且，在继续执行的接近动作中用光检测部5检测到光的情况下，由于接近动作在对入射至光检测部5中的反射光的光轴L进行了调整的基础上被继续执行，因此能够在其后来自光检测部5的检测信号达到上述目标值时，可靠地对样品S的表面进行检测。

(2)另外，在本实施方式中，在悬臂1移动至液体中后，能够在使悬臂1的移动停止的状态下，对入射至光检测部5中的反射光的光轴L准确地进行调整。因此，能够在其后继续执行的接近动作中，基于来自光检测部5的检测信号来对样品S的表面准确地进行检测。

(3)进一步地，在本实施方式中，能够由位置计算处理部14计算出合适的位置(步骤S104)来作为在检测到液面时使光检测部5移动的位置，并使光检测部5移动至该位置(步骤S105)。因此，能够在其后继续执行的接近动作中，基于来自光检测部5的检测信号来对悬臂位于液体中的情况准确地进行确认。

6.变形例

在以上实施方式中，对像在接近动作中由位置计算处理部14计算出使光检测部5移动的位置那样的构成进行了说明。然而，不限定于这样的构成，使光检测部5移动的位置例如可以预先计算出来并存储于存储部(未图示)中，也可以作为根据每种液体的种类预先确定的值存储于存储部中。

另外，使用图4进行了说明的液体中观察时的接近动作并非限定于像所有的步骤均由控制部10的控制自动地进行那样的构成，也可以至少一部分的步骤由操作人员手动进行。

符号说明

1 悬臂

1A 反射面

1B 探针

2 光照射部

3 分束器

4 镜子

5 光检测部

6 悬臂移动机构

7 光检测部移动机构

8 透明板

9 容器

10 控制部

11 光轴调整处理部

12 接近处理部

13 光检测部移动处理部

14 位置计算处理部。

Claims (6)

1.一种扫描型探针显微镜，其特征在于，具备：

悬臂，其沿固体样品的表面移动；

光照射部，其向所述悬臂照射光；

光检测部，其被设置为能够移动，并且接收来自所述悬臂的反射光；

接近处理部，其通过使所述悬臂向配置于液体中的固体样品接近来进行接近动作；

光检测部移动处理部，在所述接近动作中、基于来自所述光检测部的检测信号检测到液面的情况下，所述光检测部移动处理部使所述光检测部移动至在所述悬臂位于液体中的状态下来自所述悬臂的反射光入射的位置；以及

光轴调整处理部，在由所述光检测部移动处理部进行所述光检测部的移动后继续执行的所述接近动作中、来自所述悬臂的反射光入射至所述光检测部中的情况下，所述光轴调整处理部微调整所述光检测部的位置以使所述反射光入射至所述光检测部的基准位置，由此对入射至该光检测部中的反射光的光轴进行调整，

在由所述光轴调整处理部进行光轴的调整后继续执行的所述接近动作中、基于来自所述光检测部的检测信号检测到固体样品的表面的情况下，所述接近处理部使所述接近动作停止。

2.根据权利要求1所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，

所述接近处理部在由所述光轴调整处理部进行光轴的调整的过程中使所述悬臂的移动停止。

3.根据权利要求1或2所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，

还具备位置计算处理部，所述位置计算处理部计算出在所述悬臂位于液体中的状态下来自所述悬臂的反射光入射的所述光检测部的位置，

所述光检测部移动处理部使所述光检测部移动至通过所述位置计算处理部计算出的位置。

4.一种悬臂移动方法，其使用了扫描型探针显微镜，所述扫描型探针显微镜使悬臂沿固体样品的表面移动，并且从光照射部向所述悬臂照射光，用光检测部接收来自所述悬臂的反射光，

所述悬臂移动方法的特征在于，包含：

接近步骤，通过使所述悬臂向配置于液体中的固体样品接近来进行接近动作；

光检测部移动步骤，在所述接近动作中、基于来自所述光检测部的检测信号检测到液面的情况下，使所述光检测部移动至在所述悬臂位于液体中的状态下来自所述悬臂的反射光入射的位置；以及

光轴调整步骤，在由所述光检测部移动步骤进行所述光检测部的移动后继续执行的所述接近动作中、来自所述悬臂的反射光入射至所述光检测部中的情况下，微调整所述光检测部的位置以使所述反射光入射至所述光检测部的基准位置，由此对入射至该光检测部中的反射光的光轴进行调整，

在所述接近步骤中，在由所述光轴调整步骤进行光轴的调整后继续执行的所述接近动作中、基于来自所述光检测部的检测信号检测到固体样品的表面的情况下，使所述接近动作停止。

5.根据权利要求4所述的悬臂移动方法，其特征在于，

在所述接近步骤中，在由所述光轴调整步骤进行光轴的调整的过程中使所述悬臂的移动停止。

6.根据权利要求4或5所述的悬臂移动方法，其特征在于，

还包含位置计算步骤，计算出在所述悬臂位于液体中的状态下来自所述悬臂的反射光入射的所述光检测部的位置，

在所述光检测部移动步骤中，使所述光检测部移动至在所述位置计算步骤中计算出的位置。

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