CN112955753B - 扫描型探针显微镜的光轴调整方法 - Google Patents

Abstract

扫描型探针显微镜包括：悬臂(2)，其在顶端部具有探针(7)；光学系统(80)，其向悬臂照射激光并且检测被悬臂反射的激光；拍摄部(10)，其用于在进行激光的光轴调整时对包含悬臂(2)的顶端的位置在内的范围进行拍摄；图像处理部(72)，其根据由拍摄部(10)生成的图像来检测探针的顶端的位置和激光的光斑的位置；光轴调整部(73)，其基于检测到的位置来调整激光的光轴；以及试样保持部(44)，其用于保持试样。试样保持部(44)包含镜(33)。

Description

扫描型探针显微镜的光轴调整方法

技术领域

本发明涉及扫描型探针显微镜和扫描型探针显微镜的光轴调整方法。

背景技术

在扫描型探针显微镜中使用被称作悬臂的形成有探针的悬臂梁。将悬臂的翘曲或振动的变化转换为照射到悬臂背面的激光的反射光的变化，并利用光电检测器来进行检测。在光电检测器中检测反射光的位置、强度以及相位等的变化并转换为各种各样的物理信息(例如参照专利文献1(日本特开2000－346782号公报))。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000－346782号公报

发明内容

发明要解决的问题

在扫描型探针显微镜中，在测量前，为了准确地向悬臂的背面照射激光，有时需要进行激光的光轴调整。在该情况下，由于悬臂较小，因此调整的允许误差为微米级。手动进行的光轴调整是较难且较复杂的作业。

由此，本发明的目的在于提供能够容易地进行光轴调整的扫描型探针显微镜和扫描型探针显微镜的光轴调整方法。

用于解决问题的方案

本发明的一技术方案的扫描型探针显微镜包括：悬臂，其在顶端部具有探针；光学系统，其在进行测量时向悬臂照射激光并且检测被悬臂反射的激光；拍摄部，其用于在进行激光的光轴调整时对包含悬臂的顶端的位置在内的范围进行拍摄；图像处理部，其根据由拍摄部生成的图像来检测探针的顶端的位置和激光的光斑的位置；光轴调整部，其基于检测到的位置来调整激光的光轴；以及试样保持部，其用于保持试样。试样保持部包含镜。

优选的是，试样保持部包含试样台，该试样台能够载置于镜的上侧。

由此，能够防止由于将试样直接载置于镜而导致镜损伤。

优选的是，在镜与所述试样台之间形成有间隙。

由此，能够进一步防止镜损伤。

由此，能够容易地进行光轴调整。

优选的是，试样台为金属制，试样保持部还具有磁体，该磁体配置于镜之下。

由此，能够利用磁体固定试样台。

优选的是，扫描型探针显微镜包括扫描器。试样保持部由试样台和能够安装于扫描器的配件构成。在配件的上表面形成有镜。在配件的内部埋设有磁体。

由此，能够在进行光轴调整时在镜之上不放置试样台，因此能够利用镜反射激光。

优选的是，在扫描器形成有圆柱形状的嵌入孔。配件具有圆板形状的上表面和圆柱形状的突出部。突出部构成为能够嵌插于嵌入孔。

由此，能够将配件安装于扫描器。

在本发明的扫描型探针显微镜的光轴调整方法中，扫描型探针显微镜包括：悬臂，其在顶端部具有探针；光学系统，其在进行测量时向悬臂照射激光并且检测被悬臂反射的激光；扫描器，其用于使试样移动；以及试样保持部，其用于保持试样。试样保持部包含：配件，其能够安装于扫描器，该配件在上表面形成有镜并且在内部埋设有磁体；以及试样台，其为金属制并且能够载置于镜之上。光轴调整方法包含以下步骤：设为在镜之上未载置试样台的状态的步骤；光学系统照射激光的步骤；对包含悬臂的顶端的位置在内的范围进行拍摄的步骤；根据通过拍摄生成的图像来检测探针的顶端的位置和激光的光斑的位置的步骤；以及基于检测到的位置来调整激光的光轴的步骤。

由此，能够在不配置与观察对象不同的反射率较高的试样的前提下进行光轴调整。

发明的效果

根据本发明，能够容易地进行光轴调整。

附图说明

图1是表示实施方式的扫描型探针显微镜1的结构的图。

图2是表示探针7、悬臂2以及支架15的图。

图3是在扫描型探针显微镜1中进行试样观察时的扫描器43的上部和试样保持部44的纵剖视图。

图4是表示将试样保持部44所包含的短轴型配件30安装于扫描器43之前的状态的图。

图5是在扫描型探针显微镜1中进行光轴调整时的扫描器43的上部的纵剖视图。

图6是表示拍摄图像IMG的例子的图。

图7是表示实施方式的激光的光轴调整步骤的流程图。

图8是表示图像处理部72和光轴调整部73的硬件结构的例子的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。

本申请的发明进行了以下研究。

由于手动进行的光轴调整较难，因而为了易于进行光轴调整，考虑使光轴调整自动化。

在光轴自动调整中考虑如下情况，例如利用光学显微镜或CCD(Charge CoupledDevice：电荷耦合元件)等拍摄部对悬臂和激光的光束光斑进行观察，使光学部件、激光源或悬臂自动移动从而向悬臂的背面照射光束光斑。

然而，在光轴自动调整中，若配置于悬臂的下方的试样的表面的反射率较低，则向拍摄部入射的激光的反射光量较少，因此在拍摄部中无法恰当地检测激光光斑的位置。因此，在进行光轴调整时，需要配置与观察对象不同的反射率较高的试样或镜。在进行光轴调整时，配置与观察对象不同的反射率较高的试样或镜的动作花费时间，导致测量前的作业复杂。由此，本申请的发明人对在进行光轴调整时能够在不配置与观察对象不同的反射率较高的试样或镜的前提下进行光轴自动调整的结构和方法进行了研究。

图1是表示实施方式的扫描型探针显微镜1的结构的图。

实施方式的扫描型探针显微镜1包括拍摄部10、图像处理部72、光轴调整部73、光学系统80、悬臂2、测量部14、驱动机构49、扫描器43、试样保持部44、驱动机构11。

悬臂2在其表面的自由端部即顶端具有探针7。试样S与探针7相对配置。悬臂2在探针7与试样S之间的原子力(引力或斥力)的作用下位移。试样S载置于试样保持部44上。

光学系统80在测量时向悬臂2的背面照射激光，并检测被悬臂2的背面反射的激光。光学系统80能够检测悬臂2的挠曲。光学系统80包括激光源60、作为第1镜的分束器3、作为第2镜的反射镜4、光检测器5。激光源60由发射激光的激光振荡器等构成。光检测器5由检测入射的激光的光电二极管等构成。自激光源60发射出的激光被分束器3反射而向悬臂2入射。激光被悬臂2反射并进一步被反射镜4反射，从而向光检测器5入射。通过使光检测器5对激光进行检测，从而能够测量悬臂2的位移。

驱动机构11通过使激光源60的位置变化，从而调整激光的光轴。

测量部14基于利用由光学系统80检测到的激光的位置的变化而得到的悬臂2的位移来测量试样S的特性。例如，测量部14根据悬臂2的位移的时间变化而制作表示作用力(力)的时间变化的力曲线。测量部14向驱动机构49发送用于驱动扫描器43的控制信号。

驱动机构49通过驱动扫描器43从而使载置于扫描器43的试样S与探针7之间的相对的位置关系发生变化。

拍摄部10在进行激光的光轴调整时对包含探针7的位置在内的范围进行拍摄。拍摄部10由光学显微镜、CCD照相机、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)照相机等构成。

利用驱动机构49将扫描器43在三维方向上驱动。扫描器43由在自外部施加的电压的作用下变形的压电元件构成。

试样保持部44供试样S载置。试样保持部44构成为能够安装于扫描器43。

图像处理部72基于自拍摄部10输出的拍摄图像来确定激光的光斑SP的位置和悬臂2的顶端TP的位置。

光轴调整部73基于利用图像处理部72确定的激光的光斑SP的位置与悬臂的顶端的位置来控制驱动机构11，从而使激光源60的位置变化，由此调整光轴。

图2是表示探针7、悬臂2以及支架15的图。如图2所示，探针7安装于悬臂2的顶端。支架15是支承悬臂2的构件。

图3是在扫描型探针显微镜1中进行试样观察时的扫描器43的上部和试样保持部44的纵剖视图。图4是表示将试样保持部44所包含的短轴(stub)型配件30安装于扫描器43之前的状态的图。图5是在扫描型探针显微镜1中进行光轴调整时的扫描器43的上部的纵剖视图。

在扫描器43的压电管511的上端面固定有大致圆环形状的基座部22，该基座部22在中央具有圆柱形状的嵌入孔23。在基座部22的周面沿水平方向拧入有固定螺钉24，在扫描器壳体510形成有缺口101，从而能够自横向转动该固定螺钉24。

试样保持部44包含短轴型配件30和试样台52。

短轴型配件30在下方形成有凸部31，并且在上表面形成有圆盘状的镜33。短轴型配件30在内侧埋设有磁体32。短轴型配件30为铝制。

短轴型配件30的凸部31嵌插于基座部22的嵌入孔23。通过将固定螺钉24紧固从而能够将短轴型配件30固定于基座部22。

在试样台52能够放置试样S。试样台52为金属制，呈圆板状。

在观察试样时，试样台52载置于镜33的上侧。能够利用短轴型配件30内的磁体32的吸引力来固定试样台52。在镜33与试样台52之间形成有间隙38。由此，能够防止因试样台52导致镜33受到损伤。

在进行光轴调整时，在镜33之上未载置试样台52。激光不会被试样台52遮挡而是向镜33入射，反射的激光不会被试样台52遮挡而是向拍摄部10入射。

图6是表示拍摄图像IMG的例子的图。

在拍摄图像IMG中包含悬臂2的顶端TP和激光的光束光斑SP。能够根据激光的光束光斑SP的中心O1的像素的位置(x1，y1)与悬臂2的顶端TP的中心O2的像素的位置(x2，y2)来确定激光源60的移动方向和移动量，以使激光的光束光斑SP的中心O1与悬臂2的顶端TP的中心O2一致。

图7是表示实施方式的激光的光轴调整步骤的流程图。例如在更换悬臂2时和测量试样S的物理属性之前实施该光轴调整。

在步骤S101中，设为在短轴型配件30的镜33之上未载置试样台52的状态。

在步骤S102中，激光源60辐射激光。

在步骤S103中，拍摄部10对包含悬臂2的顶端在内的范围进行拍摄。

在步骤S104中，图像处理部72确定自拍摄部10输出的拍摄图像中的激光的光斑SP的中心O1的像素的位置(x1，y1)和悬臂2的顶端TP的中心O2的像素的位置(x2，y2)。

在步骤S105中，光轴调整部73基于(x1，y1)和(x2，y2)输出控制驱动机构11的控制信号来使激光源60移动，以使激光的光斑SP的中心O1的位置与安装有探针7的悬臂2的顶端的中心O2的位置一致。驱动机构11根据控制信号使激光源60的位置变化，由此调整激光的光轴。

如上所述，根据本实施方式，在进行激光的光轴调整时，通过将试样台52拆除，从而能使激光向镜33入射并反射。由此，能够利用拍摄部来检测激光光斑，因此，在进行激光的光轴调整时，能够省去配置与观察对象不同的反射率较高的试样或镜的时间。在本实施方式中，由于试样未直接载置于镜之上，因此能够防止损伤镜。由于在试样台与镜之间形成有间隙，因此能够进一步防止镜损伤。

(变形例)

本发明并不限定于上述的实施方式，例如还包含以下这样的变形例。

(1)试样台

在上述的实施方式中，设为试样保持部包含试样台并且在试样台载置试样的结构，但并不限定于此。也可以对镜面实施涂敷以避免镜受到损伤，从而能在镜面直接载置试样。

(2)间隙

在上述的实施方式中，设为在镜与试样台之间形成有间隙的结构，但并不限定于此。也可以设为在镜之上直接载置试样台。

(3)光轴调整载置

为了调整激光的光轴，驱动机构11使激光源60的位置进行变化，但并不限定于此。也可以设为利用其他的驱动机构使支承悬臂2的支架15的位置进行变化，由此调整激光的光轴。或者，利用其他的驱动机构使分束器3的位置进行变化，由此调整激光的光轴。

(4)图像处理部和光轴调整部

图8是表示图像处理部72和光轴调整部73的硬件结构的例子的图。图像处理部72和光轴调整部73的硬件包括处理器1100、利用总线1300而与处理器1100连接的存储器1200。

通过使CPU(Central Processing Unit：中央处理器)等处理器1100执行存储于存储器1200的程序，从而实现图像处理部72和光轴调整部73。另外，也可以通过使多个处理器和多个存储器协作来执行上述结构要素的功能。

应该认为此次公开的实施方式在所有方面仅为例示而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明表示而是由权利要求书表示，意在包含与权利要求等同的意义和范围内的所有变更。

附图标记说明

1、扫描型探针显微镜；2、悬臂；3、分束器；4、反射镜；5、光检测器；7、探针；10、拍摄部；11、49、驱动机构；14、测量部；15、支架；22、基座部；23、嵌入孔；24、固定螺钉；30、短轴型配件；31、凸部；32、磁体；33、镜；38、间隙；43、扫描器；44、试样保持部；52、试样台；60、激光源；72、图像处理部；73、光轴调整部；80、光学系统；101、缺口；510、扫描器壳体；511、压电管；1100、处理器；1200、存储器；S、试样。

Claims (1)

1.一种扫描型探针显微镜的光轴调整方法，其中，

所述扫描型探针显微镜包括：

悬臂，其在顶端部具有探针；

光学系统，其在进行测量时向所述悬臂照射激光并且检测被所述悬臂反射的所述激光；以及

试样保持部，其包括镜和能够载置于所述镜之上的试样台，该试样保持部用于保持试样，

该扫描型探针显微镜的光轴调整方法包含以下步骤：

设为在所述镜之上未载置所述试样台的状态的步骤；

所述光学系统照射所述激光的步骤；

对包含所述悬臂的顶端的位置在内的范围进行拍摄的步骤；

根据通过所述拍摄生成的图像来检测所述探针的顶端的位置和所述激光的光斑的位置的步骤；以及

基于所述检测到的位置来调整所述激光的光轴的步骤。