JP2000121534A

JP2000121534A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2000121534A
Application number: JP10297066A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Ito; 修一伊東
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】探針を試料表面にアプローチさせること無く、
試料の観察ポイントに対して探針を短時間且つ正確に位
置決めさせることが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供
する。【解決手段】試料２の表面を観察可能な観察光学系４
と、観察光学系を介して観察した試料の観察ポイントＡ
を含む領域に探針６を走査させるスキャナ８を有する走
査系１０と、観察光学系及び走査系に対して試料を移動
させるＸ及びＹステージ３０，３２と、走査系の走査領
域における探針と観察ポイントとの間の位置関係を光学
的に検出可能な検出光学系と、検出光学系の検出データ
に基づいて探針と観察ポイントとのずれ量を演算する演
算装置１２と、ずれ量を無くするようにＸ及びＹステー
ジ又はスキャナを選択的に制御し、探針を観察ポイント
に位置付けるスキャナコントローラ４４及びステージコ
ントローラ４６とを備える。

Description

【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ための走査型プ
ローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰ
Ｍ:Scanning Probe Microscope）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
移動させる中空円筒状スキャナとを備えている。そし
て、探針を試料に近接させると、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
気力等）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。このような測定
を総称してＳＰＭ測定と呼ぶ。更に、ＳＰＭ測定には、
試料の電位測定、トンネル電流測定、静電気力測定など
も含まれる。

【０００３】また、このような走査型プローブ顕微鏡に
おいて、試料表面上の測定ポイントに対して探針先端を
位置付けるために、中空円筒状スキャナ内には、試料表
面及び探針先端を同時に観察可能な観察光学系（具体的
には、対物レンズ）が挿入配置されている。そして、こ
の対物レンズを介して取り込まれた試料表面像及び探針
先端像との間の位置関係を目視観察しながら、中空円筒
状スキャナを駆動させて探針と試料とを相対的に移動さ
せることによって、試料表面上の測定ポイントに探針先
端を位置付けている。

【０００４】ところで、試料表面を観察する方法とし
て、例えば高倍率観察や低倍率観察、或いは、暗視野観
察等の種々の試料観察方法が知られているが、試料観察
方法の種類に対応して、対物レンズの外径は異なったも
のとなる。例えば高倍率観察では、直径の大きな複数の
レンズが用いられるため、これら大径のレンズを一体的
に組み合わせて成る対物レンズの外径は、必然的に大き
くならざるを得ない。また、例えば暗視野観察では、対
物レンズの外側に暗視野照明用の光路を増設しなければ
ならないため、その分だけ対物レンズの外径は、必然的
に大きくならざるを得ない。

【０００５】しかしながら、対物レンズの外周には、中
空円筒状スキャナが配置されているため、対物レンズの
外径を大きくするのには限界がある。このため、上述し
たような中空円筒状スキャナ内に対物レンズを配置挿入
させる構成では、使用可能な対物レンズの種類も特定さ
れてしまう。この結果、種々の観察方法に充分に対応で
きなくなってしまう。

【０００６】また、中空円筒状スキャナの走査範囲は、
スキャナの径寸法を小さくするに従って広くなることが
知られている。しかしながら、この中空円筒状スキャナ
内には、上述したような対物レンズが挿入配置されてい
るため、スキャナの径寸法を小さくするのには限界があ
る。このため、中空円筒状スキャナによる走査範囲を一
定以上に広げることが困難であった。

【０００７】つまり、種々の観察に対応する対物レンズ
を選択すると走査範囲が狭くなり、走査範囲を広げると
対物レンズの選択の幅が狭くなるというトレードオフが
あった。

【０００８】このような問題を解決するために、例えば
特開平３−４０３５６号公報には、中空円筒状スキャナ
と観察光学系（対物レンズ）とを分離、即ち、ＳＰＭ測
定系（実際は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ:Scannin
g Tunneling Microscope））と観察光学系とを分離して
配置した顕微鏡装置が提案されている。このような構成
によれば、観察光学系とＳＰＭ測定系との間で試料を往
復移動させながら、試料表面に対する観察及びＳＰＭ測
定が行われる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開平３−
４０３５６号公報の顕微鏡装置では、観察光学系によっ
て特定された測定用試料の観察ポイントに対して、ＳＰ
Ｍ測定系によってＳＰＭ測定する場合、測定用試料とは
別に、探針を観察ポイントに位置決めするための標準試
料を用意した後、この標準試料に対して探針をアプロー
チさせてＳＰＭ像を一々取り込んで、そのＳＰＭ像に基
づいて、探針を観察ポイントに位置決めしている。

【００１０】つまり、このような顕微鏡装置では、実際
に探針を試料の観察ポイントに位置決めする前に、測定
用試料とは別に標準試料を用意し、その標準試料に対す
るＳＰＭ測定像を一々取り込まなければならない。この
結果、無駄な時間がかかり、実際の位置決めまでに要す
る時間が長引くため、効率良くＳＰＭ測定を行うことが
できない。

【００１１】更に、位置決めに際し、一々探針を標準試
料にアプローチさせなければならないため、測定試料を
測定する前に、探針が摩耗したり、破損してしまう場合
もある。

【００１２】本発明は、このような問題を解決するため
に成されており、その目的は、探針を試料表面にアプロ
ーチさせること無く、試料の観察ポイントに対して探針
を短時間且つ正確に位置決めさせることが可能な走査型
プローブ顕微鏡を提供することにある。

【００１３】

【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、試料を観
察可能な観察光学系と、この観察光学系から一定距離だ
け離間して配置され、且つ、観察光学系を介して観察し
た試料の観察ポイントを含む領域に探針を走査させるス
キャナを有する走査系と、観察光学系及び走査系に対し
て試料を相対的に移動させる移動機構と、走査系の走査
領域における探針と観察ポイントとの間の位置関係を光
学的に検出可能な検出光学系と、この検出光学系の検出
データに基づいて、探針と観察ポイントとの間のずれ量
を演算する演算装置と、この演算装置で演算されたずれ
量を無くするように移動機構又はスキャナを選択的に制
御することによって、探針を観察ポイントに位置付ける
制御手段とを備えている。

【００１４】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、
試料を観察可能な観察光学系と、この観察光学系から一
定距離だけ離間して配置され、且つ、観察光学系を介し
て観察した試料の観察ポイントを含む領域に探針を走査
させるスキャナを有する走査系と、観察光学系及び走査
系に対して試料を相対的に移動させる移動機構と、走査
系の走査領域における探針と観察ポイントとの間の位置
関係を光学的に検出可能な検出光学系と、この検出光学
系によって検出された探針と観察ポイントとの間の位置
関係に基づいて、探針を観察ポイントに位置決めする位
置決め手段とを備えている。

【００１５】

【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（ａ）を参
照して説明する。図１（ａ）に示すように、本実施の形
態の走査型プローブ顕微鏡は、試料２を観察可能な観察
光学系４と、この観察光学系４から一定距離だけ離間し
て配置され、且つ、観察光学系４を介して観察した試料
２の観察ポイントＡを含む領域に探針６を走査させるス
キャナ８を有する走査系１０と、観察光学系４及び走査
系１０に対して試料２を相対的に移動させる移動機構
と、走査系１０の走査領域における探針６と観察ポイン
トＡとの間の位置関係を光学的に検出可能な検出光学系
と、この検出光学系の検出データに基づいて、探針６と
観察ポイントＡとの間のずれ量を演算する演算装置１２
と、この演算装置１２で演算されたずれ量を無くするよ
うに移動機構又はスキャナ８を選択的に制御することに
よって、探針６を観察ポイントＡに位置付ける制御手段
とを備えている。

【００１６】観察光学系４は、試料観察用対物レンズ１
４と、この試料観察用対物レンズ１４を垂直方向（矢印
Ｚ方向）に上下動させる観察光学系用Ｚステージ１６
と、試料観察用対物レンズ１４を介して取り込まれた試
料２の光学像を観察表示装置１８に表示させるＣＣＤカ
メラ２０とを備えている。観察表示装置１８には、試料
２の光学像と共に、この試料２の観察ポイントＡの位置
を特定するための指標となるクロスカーソル２２が同時
に表示されるようになっている。

【００１７】なお、クロスカーソル２２は、互いに直交
する２直線の交差点上に試料２の観察ポイントＡを位置
付けることによって、観察ポイントＡの位置を特定する
ことができるように構成されている。また、観察光学系
用Ｚステージ１６は、図示しない駆動機構によって矢印
Ｚ方向に移動させることができるように構成されてい
る。

【００１８】走査系１０は、スキャナ８（例えば、その
可動端が３次元方向に移動する中空のチューブ型圧電体
スキャナ）と、このスキャナ８を支持しながら垂直方向
（矢印Ｚ方向）に上下動可能な走査系用Ｚステージ２４
とを備えている。スキャナ８の可動端には、カンチレバ
ー２６が取り付けられており、スキャナ８に印加する電
圧を制御して、カンチレバー２６先端の探針６を試料２
に沿って所定方向に所定量だけ移動させることによっ
て、試料２の表面情報（例えば、凹凸情報など）を測定
することができるようになっている。なお、スキャナ８
は、中空のチューブ型圧電体スキャナだけでなく、互い
に直交する３本の積層型圧電体から構成される既知のト
ライポッド型のスキャナを用いても良い。

【００１９】このような走査系１０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２６の撓み
状態を一定に維持しながら、探針６を試料２に沿って走
査することによって、探針６と試料２との間に働く相互
作用に基づく試料２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２６
を励振させた状態において、例えば振動中心と試料２表
面との間の距離を一定に維持しながら、探針６を試料２
に沿って走査することによって、探針６と試料２との間
に働く相互作用に基づく試料２の表面情報を測定するダ
イナミックモード測定法とがあるが、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。

【００２０】このようなＳＰＭ測定において、撓み状態
を検出する方法として、本実施の形態の走査系１０に
は、光てこ方式の変位センサがスキャナ８の可動端に取
り付けられており、この変位センサは、カンチレバー２
６の背面（探針６が設けられている面とは反対側の面）
に変位測定用レーザー光を照射することが可能な光源７
０と、カンチレバー２６の背面から反射した反射光を受
光し、その受光位置及び受光量の変化に基づいて、カン
チレバー２６の変位状態を光学的に検出することが可能
な受光素子７２とを備えている。

【００２１】このような変位センサにおいて、変位測定
用レーザー光から出射されるレーザー光の照射位置即ち
スポット位置Ｐは、常に一定の位置に固定されている。
具体的には、このスポット位置Ｐは、後述する検出表示
装置３８のクロスカーソル４２の交差点から一定方向に
且つ一定距離だけ離間した位置に設定されている。

【００２２】また、本実施の形態に用いるカンチレバー
２６は、後述するように、探針６をクロスカーソル４２
の交差点に位置付けたとき、ＳＰＭ測定に最適な位置
（カンチレバー２６の変位状態を精度良く測定可能な位
置）に、上述したスポット位置Ｐが形成されるような種
類及び形状を成している。

【００２３】また、本実施の形態に適用した走査系１０
は、後述するＸ及びＹステージ３０，３２上にセットさ
れた試料２の表面に沿ってカンチレバー２６先端の探針
６を走査させることによって、試料２の表面情報をＳＰ
Ｍ測定する探針走査型の走査系を想定している。

【００２４】上述した観察光学系４と走査系１０とは、
筐体２８に対して矢印Ｘ方向に沿って互いに一定距離だ
け離間して整列固定されており、試料２は、後述する移
動機構によって、観察光学系４と走査系１０との間を往
復搬送される。

【００２５】本実施の形態に適用した移動機構は、試料
２を水平方向に移動可能に構成されており、具体的に
は、矢印Ｘ方向に移動可能なＸステージ３０と、このＸ
ステージ３０上に設けられ、且つ、Ｘステージ３０の移
動方向に直交する矢印Ｙ方向に移動可能なＹステージ３
２とを備え、試料２は、Ｙステージ３２上に載置される
ようになっている。そして、Ｘステージ３０を移動させ
ることによって、試料２を観察光学系４及び走査系１０
に選択的に位置付けることができるようになっている。

【００２６】検出光学系は、走査系１０の中空のスキャ
ナ８内に挿入配置され、且つ、カンチレバー２６先端の
探針６と試料２の観察ポイントＡとの位置関係を光学的
に検出可能な位置検出用対物レンズ３４と、この位置検
出用対物レンズ３４を垂直方向（矢印Ｚ方向）に上下動
させる検出光学系用Ｚステージ３６と、位置検出用対物
レンズ３４を介して取り込まれた探針６及び試料２の各
々の光学像を同時に検出表示装置３８に表示させるＣＣ
Ｄカメラ４０とを備えている。なお、検出光学系は、探
針６と試料２の観察ポイントＡとを光学的に検出できれ
ば良いため、スキャナ８の機能が優先されたＳＰＭ測定
に影響を与えない構成となっている。例えば、位置検出
用対物レンズ３４は、スキャナ８の径及びＳＰＭ測定に
おけるスキャナ８の移動量に対して優先的な配慮が成さ
れ、条件にあったものが選択される。また、検出表示装
置３８には、これら探針６及び試料２の各々の光学像と
共に、探針６と試料２の観察ポイントＡとの位置関係を
特定するための指標となるクロスカーソル４２が同時に
表示されるようになっている。

【００２７】なお、クロスカーソル４２は、互いに直交
する２直線の交差点上に、探針６又は試料２の観察ポイ
ントＡを選択的に位置付けることによって、探針６と観
察ポイントＡとの間の位置関係を特定することができる
ように構成されている。

【００２８】本実施の形態では、探針６は、予め、クロ
スカーソル４２の交差点上に位置決めされている。この
場合の位置決め方法としては、例えば、カンチレバー２
６のみを所定方向に所定量だけ移動させることが可能な
位置調整機構（図示しない）を用いて、カンチレバー２
６の位置調整を行うことによって、このカンチレバー２
６先端の探針６をクロスカーソル４２の交差点上に位置
決めする方法を適用することが可能である。そして、こ
のように探針６をクロスカーソル４２の交差点上に位置
決めすると、上述したように、カンチレバー２６には、
その背面のうちＳＰＭ測定に最適な位置にスポット位置
Ｐが形成される。

【００２９】制御手段は、走査系１０のスキャナ８に所
定の電圧を印加することによってスキャナ８の可動端を
ＸＹ方向に変位させて、カンチレバー２６先端の探針６
を試料２に沿って所定方向に所定量だけ移動させると共
に、受光素子７２の受光量の変化に基づいて、スキャナ
８を矢印Ｚ方向に変位させて探針６と試料２との距離を
制御するスキャナコントローラ４４と、Ｘ及びＹステー
ジ３０，３２を移動させるステージコントローラ４６と
を備えている。

【００３０】なお、スキャナコントローラ４４は、スキ
ャナ８の可動端をＸＹ方向に変位させるだけで無く、探
針６を試料２に対してアプローチする時に、走査系１０
の走査系用Ｚステージ２４を矢印Ｚ方向に移動させる。
つまり、ＳＰＭ測定前に、スキャナコントローラ４４
は、探針６と試料２との間に働く相互作用（物理量）が
所望の値となるまで走査系用Ｚステージ２４を矢印Ｚ方
向に移動させる（アプローチ）。そして、この後に、ス
キャナコントローラ４４は、実際のＳＰＭ測定を行うた
め、スキャナ８に電圧を印加し、その可動端に位置する
探針６と試料２表面との距離をＺ方向にフィードバック
制御しつつ、探針６を試料２表面に沿って走査させる。

【００３１】このような走査型プローブ顕微鏡におい
て、観察光学系４の試料観察用対物レンズ１４の光軸
と、走査系１０の探針６先端との間の距離は、Ｘ₀ に設
定されている。

【００３２】次に、本発明の走査型プローブ顕微鏡の動
作について説明する。まず、Ｘステージ３０を矢印Ｘ方
向に移動させて、Ｙステージ３２上に載置されている試
料２を観察光学系４の試料観察用対物レンズ１４の光軸
下（観察視野内）に位置付ける（例えば、図１（ａ）の
一点鎖線で示す状態）。

【００３３】次に、観察光学系用Ｚステージ１６によっ
て試料観察用対物レンズ１４を垂直方向（矢印Ｚ方向）
に上下動させて、試料２に対するピントを合わせる。こ
の状態は、常に観察表示装置１８に表示されており、観
察表示装置１８を目視観察しながらＸステージ３０又は
Ｙステージ３２を選択的に微動させることによって、ク
ロスカーソル２２の交差点上に試料２の観察ポイントＡ
を位置付ける。この結果、試料２の観察ポイントＡの位
置が特定される。なお、試料２の観察ポイントＡの位置
データは、一時的に、演算装置１２にメモリされる。

【００３４】試料２の観察ポイントＡをクロスカーソル
２２の交差点上に位置付けた状態を維持しつつ、続い
て、観察光学系４（試料観察用対物レンズ１４）の光軸
と走査系１０の探針６先端との間の距離Ｘ₀ だけ、Ｘス
テージ３０を矢印Ｘ方向に移動させて、試料２の観察ポ
イントＡを検出光学系の位置検出用対物レンズ３４の光
軸下（観察視野内）に大まかに位置付ける。

【００３５】このとき、検出表示装置３８に表示された
探針６及び試料２を目視観察しながら、検出光学系用Ｚ
ステージ３６によって位置検出用対物レンズ３４を垂直
方向（矢印Ｚ方向）上下動させて、探針６に対するピン
トを合わせると、探針６と観察ポイントＡとの間には、
多少のズレが生じていることが分かる。

【００３６】本実施の形態では、上述したように予めク
ロスカーソル４２の交差点上に探針６が位置決めされて
いるため、この状態において、探針６の位置座標（ｘ
１，ｙ１）が特定され、特定した探針６の位置座標（ｘ
１，ｙ１）は、一時的に、演算装置１２にメモリされ
る。

【００３７】続いて、検出表示装置３８の表示画面を目
視観察しながら、検出光学系用Ｚステージ３６によって
位置検出用対物レンズ３４を垂直方向（矢印Ｚ方向）に
上下動させて、試料２に対するピントを合わせる。そし
て、例えばＸステージ３０又はＹステージ３２を選択的
に微動させることによって、観察表示装置１８上で特定
した試料２の観察ポイントＡをクロスカーソル４２の交
差点上に位置付ける。この結果、Ｘステージ３０又はＹ
ステージ３２の移動量に基づいて、試料２の観察ポイン
トＡの位置座標（ｘ２，ｙ２）が特定され、特定した試
料２の観察ポイントＡの位置座標（ｘ２，ｙ２）は、一
時的に、演算装置１２にメモリされる。この場合、試料
２の観察ポイントＡの位置座標（ｘ２，ｙ２）を特定す
る方法としては、上述した方法以外に、例えば、交差点
を観察ポイントＡに位置付けるようにクロスカーソル４
２自身を移動し、その移動量に基づいて位置座標（ｘ
２，ｙ２）を特定する方法、或いは、試料２の観察ポイ
ントＡに探針６を位置付るようにスキャナ８の可動端を
ＸＹ方向に変位させてカンチレバー２６を移動させた際
に、このスキャナ８に印加した電圧値に基づいて位置座
標（ｘ２，ｙ２）を特定する方法を適用することが可能
である。

【００３８】演算装置１２では、探針６の位置座標（ｘ
１，ｙ１）と試料２の観察ポイントＡの位置座標（ｘ
２，ｙ２）とを比較演算（ｘ１−ｘ２，ｙ１−ｙ２）し
て、探針６と観察ポイントＡとのずれ量（Δｘ，Δｙ）
を算出する。そして、このずれ量（Δｘ，Δｙ）データ
は、ステージコントローラ４６又はスキャナコントロー
ラ４４に選択的に出力される。

【００３９】演算装置１２において、ずれ量（Δｘ，Δ
ｙ）がある程度大きいものと判断された場合、ずれ量
（Δｘ，Δｙ）データは、ステージコントローラ４６に
出力される。ステージコントローラ４６は、このずれ量
（Δｘ，Δｙ）データに基づいて、Ｘステージ３０をΔ
ｘだけ、そして、Ｙステージ３２をΔｙだけ夫々微動さ
せて、探針６と試料の観察ポイントＡとを一致させる。

【００４０】これに対して、演算装置１２において、ず
れ量（Δｘ，Δｙ）が微小なものであると判断された場
合、ずれ量（Δｘ，Δｙ）データは、スキャナコントロ
ーラ４４に出力される。スキャナコントローラ４４は、
このずれ量（Δｘ，Δｙ）データに基づいて、スキャナ
８に所定の電圧（オフセット電圧）を印加してスキャナ
８の可動端を変位させて、カンチレバー２６先端の探針
６をΔｘ及びΔｙに微動させて、探針６と試料の観察ポ
イントＡとを一致させる。

【００４１】この後、スキャナコントローラ４４によっ
て走査系用Ｚステージ２４を矢印Ｚ方向に移動させて探
針６を試料２表面にアプローチさせるだけで、直ちに、
試料２の観察ポイントＡに対する所望のＳＰＭ測定を開
始することができる。

【００４２】また、演算装置１２によって算出されたず
れ量（Δｘ，Δｙ）データは、それ以降、演算装置１２
にメモリされる。従って、観察光学系４によって特定し
た新たな観察ポイントを検出光学系の位置検出用対物レ
ンズ３４の光軸下（観察視野内）に位置付ける場合で
も、演算装置１２にメモリされたずれ量（Δｘ，Δｙ）
を無くするように、ステージコントローラ４６又はスキ
ャナコントローラ４４が、対応するＸＹステージ３０，
３２又はスキャナ８を動作制御することによって、短時
間に且つ正確に、試料２の新たな観察ポイントに対して
探針６を位置決めすることができる。

【００４３】更に、本実施の形態によれば、従来技術の
ように標準試料を別途用意し、実際に探針６を試料２の
観察ポイントＡに位置決めする前に、探針６を標準試料
にアプローチして、その標準試料に対するＳＰＭ測定像
を一々取り込む必要が無いため、実際の位置決めまでに
要する時間が短縮され、効率良くＳＰＭ測定を行うこと
ができる。この結果、試料２を測定する前に、探針６が
摩耗したり、破損してしまうことも無い。

【００４４】なお、上述した実施の形態では、検出光学
系用Ｚステージ３６によって位置検出用対物レンズ３４
を垂直方向（矢印Ｚ方向）に上下動させて、試料２又は
探針６に対するピントを合わせているが、検出光学系用
Ｚステージ３６を用いること無く、例えば複数枚のレン
ズで位置検出用対物レンズ３４が構成されている場合に
は、これら複数枚のレンズを相互に移動させることによ
って、試料２又は探針６に対するピントを合わせても良
い。

【００４５】また、焦点深度の長い位置検出用対物レン
ズ３４を用いて、試料２又は探針６の双方にピントが合
うようにしておくことも好ましい。ところで、カンチレ
バー２６は、ＳＰＭ測定の目的や方法等によって、その
種類や形状が異なるため、上述したようにスポット位置
Ｐとクロスカーソル４２の交差点との位置関係を固定し
た状態において、探針６をクロスカーソル４２の交差点
に位置付けたとき、スポット位置ＰがＳＰＭ測定に最適
な位置（カンチレバー２６の変位状態を精度良く測定可
能な位置）からずれてしまう場合がある。

【００４６】本実施の形態では、このようなスポット位
置Ｐのずれを解消する方法として、以下の２通りの方法
を用いることができる。第１の方法として、探針６をク
ロスカーソル４２の交差点上に位置付けた状態におい
て、例えば図１（ｂ）に示すように、光源位置調節機構
７４を用いて光源７０の位置を調節する。そして、この
光源７０からの変位測定用レーザー光の出射方向を変え
る（図中点線参照）。この結果、種類や形状が異なるカ
ンチレバー２６に対応して、スポット位置ＰをＳＰＭ測
定に最適な位置Ｐ′或いはＰ″に変えることができる。
この場合、スポット位置Ｐ′，Ｐ″に対応して変化する
カンチレバー２６からの反射光の照射位置に対応して、
受光素子７２の位置を矢印方向に調節する必要がある。

【００４７】第２の方法として、上述したようにスポッ
ト位置Ｐを固定した状態において、例えば図１（ｃ）に
示すように、まず、このスポット位置ＰがＳＰＭ測定に
最適な位置に形成されるように位置調整機構（図示しな
い）を用いてカンチレバー２６を位置付ける。次に、ク
ロスカーソル４２自身をＸＹ方向に移動させて、その交
差点を探針６に位置付ける（図中点線参照）。この結
果、種類や形状が異なるカンチレバー２６に対応して、
探針６がクロスカーソル４２の交差点上に位置決めされ
ると共に、ＳＰＭ測定に最適な位置にスポット位置Ｐが
形成される。

【００４８】この第２の方法では、クロスカーソル４２
自身をＸＹ方向に移動させているため、カーソル４２の
ＸＹ方向への移動量（Δｘ′、Δｙ′）に基づいて、演
算装置１２は、探針６と観察ポイントＡとのずれ量（Δ
ｘ±Δｘ′，Δｙ±Δｙ′）を算出する。そして、この
ずれ量（Δｘ±Δｘ′，Δｙ±Δｙ′）データをステー
ジコントローラ４６又はスキャナコントローラ４４に選
択的に出力することによって、上述した実施の形態と同
様に、探針６と試料の観察ポイントＡとを一致させるこ
とができる。

【００４９】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（ａ）を参照して説
明する。図２（ａ）に示すように、本実施の形態の走査
型プローブ顕微鏡において、検出光学系の位置検出用対
物レンズ３４は、走査系１０の中空のスキャナ８の外側
に隣接して配置されており、上述した第１の実施の形態
と同様に、検出光学系用Ｚステージ３６によって垂直方
向（矢印Ｚ方向）に上下動させることができるように構
成されている。

【００５０】また、スキャナ８の可動端には、ヘッド４
８が取り付けられており、このヘッド４８には、探針６
又は試料２の光学像を位置検出用対物レンズ３４に導光
させる２個の反射ミラー５０，５２が設けられている。

【００５１】その他の構成は、上述した第１の実施の形
態と同様であるため、その説明及び図示は共に省略す
る。本実施の形態の動作は、探針６又は試料２の光学像
が２個の反射ミラー５０，５２を介して位置検出用対物
レンズ３４に導光される点を除いて、第１の実施の形態
と同様であるため、その説明は省略する。

【００５２】本実施の形態によれば、中空のスキャナ８
内に光学部品を全く無くすることができるため、スキャ
ナ８の径寸法を自由に変更することが可能となる。具体
的には、上述した第１の実施の形態の構成では、スキャ
ナ８内に位置検出用対物レンズ３４が挿入配置されてい
るため、スキャナ８の径寸法を小さくするのには限界が
あったが、本実施の形態では、スキャナ８の径寸法を自
由に小さくすることが可能となる。この結果、スキャナ
８の径寸法を小さくして、所望とする最適なスキャナの
応答性や走査性を得ることが可能となる。

【００５３】なお、その他の効果は、上述した第１の実
施の形態と同様であるため、その説明は省略する。次
に、本発明の第３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（ｂ）を参照して説明する。

【００５４】図２（ｂ）に示すように、本実施の形態の
走査型プローブ顕微鏡において、観察光学系４は、その
内部に、検出光学系を一体的に組み込んで構成されてい
る。具体的には、本実施の形態に適用した観察光学系４
は、光路切換機構によって、観察光学系４の観察視野内
に位置付けられた試料２（図１参照）からの光学像、又
は、走査系１０の走査領域における試料２及び探針６の
各々の光学像を選択的にＣＣＤカメラ２０を介して観察
表示装置１８上に表示させることができるように構成さ
れている。

【００５５】光路切換機構として、本実施の形態では、
その一例として、走査系１０における試料２及び探針６
に向かう光路中に挿脱可能な第１のシャッタ５４と、観
察光学系４の観察視野内の試料２に向かう光路中に挿脱
可能な第２のシャッタ５６とを備えている。

【００５６】このような構成において、観察光学系４の
観察視野内の試料２を観察する場合には、第１のシャッ
タ５４を閉じて、第２のシャッタ５６を開く。このと
き、試料２からの光学像は、観察用対物レンズ５８によ
って取り込まれた後、ハーフミラー６０から結像レンズ
６２を介してＣＣＤカメラ２０に結像し、観察表示装置
１８上に表示される。

【００５７】これに対して、走査系１０における試料２
及び探針６の位置関係を検出する場合には、第１のシャ
ッタ５４を開き、第２のシャッタ５６を閉じる。このと
き、査定系１０における試料２及び探針６からの各々の
光学像は、反射ミラー６３から検出用対物レンズ６４を
介して取り込まれた後、ハーフミラー６０から結像レン
ズ６２を介してＣＣＤカメラ２０に結像され、観察表示
装置１８上に表示される。

【００５８】本実施の形態によれば、試料２の観察ポイ
ントＡの観察及び特定、並びに、査定系１０における探
針６と試料２の観察ポイントＡとの位置関係の検出を、
観察光学系４の１つのＣＣＤカメラ２０及び１つの観察
表示装置１８を併用して行うことができる。このため、
走査型プローブ顕微鏡の構成を簡略化することが可能と
なると共に、製造コストを低減することが可能となる。

【００５９】なお、その他の構成及び作用効果について
は、第１の実施の形態と同様であるため、その説明及び
図示は省略する。以上説明した第１〜第３の実施の形態
では、観察光学系４と走査系１０を筐体２８に固定した
状態において、Ｘ及びＹステージ３０，３２によって、
試料２を移動させるように構成した走査型プローブ顕微
鏡について説明した。

【００６０】しかし、本発明は、このような構成に限定
されることは無く、例えば、Ｘステージ３０又はＹステ
ージ３２のいずれか一方に観察光学系４と走査系１０を
取り付け、Ｘステージ３０又はＹステージ３２のいずれ
か他方に試料２をセットさせるように、走査型プローブ
顕微鏡を構成しても、上述した各実施の形態と同様の作
用効果を実現することができる。

【００６１】例えば図３に示された走査型プローブ顕微
鏡において、ベース６６から矢印Ｘ方向に向かって立ち
上げられたアーム６８にＸステージ３０を矢印Ｘ方向に
移動可能に取り付けて、このＸステージ３０に観察光学
系４と走査系１０を配置している。そして、ベース６６
上には、矢印Ｙ方向に移動可能にＹステージ３２を配置
して、このＹステージ３２上に試料２をセットする（第
１の変形例）。

【００６２】なお、その他の構成は、上述した第１の実
施の形態と同様であるため、その説明及び図示は省略す
る。このような第１の変形例に係る構成によれば、矢印
ＸＹ方向に拡大した大型の試料２に対する観察ポイント
Ａの特定、及び、この観察ポイントＡに対する探針２の
位置決めに良好に対応することができる。

【００６３】なお、その他の作用効果は、第１の実施の
形態と同様であるため、その説明は省略する。また、上
述した第１〜第３の実施の形態（図１及び図２参照）及
び第１の変形例（図３参照）では、光てこ方式の変位セ
ンサによってカンチレバー２６の変位状態を光学的に検
出するように構成した。しかし、この構成に代えて、例
えばピエゾ抵抗層が形成されたカンチレバー２６を用い
ても、上述した各実施の形態及び変形例と同様の作用効
果を実現することが可能である（第２の変形例）。この
ピエゾ抵抗層が形成されたカンチレバー２６（「集積型
ＳＰＭセンサー」）については、特開平６−２７３１５
７号公報に詳細に説明されており、ここでの具体的な説
明は省略する。

【００６４】ただし、この第２の変形例では、ピエゾ抵
抗層の抵抗値の変化（即ち、ピエゾ抵抗層を流れる電流
値の変化）に基づいて、カンチレバー２６の変位状態を
電気的に直接検出しているため、上述した各実施の形態
及び変形例に用いたような変位センサは不要となる。

【００６５】この第２の変形例では、上述した第１〜第
３の実施の形態及び第１の変形例のように、検出表示装
置３８の表示画面上において、探針６と試料２の観察ポ
イントＡとの間のずれ量を算出する必要は無く、検出表
示装置３８の表示画面を目視観察しながら位置決め手段
即ち位置調整機構（図示しない）によってカンチレバー
２６を移動させて、探針６を観察ポイントＡに位置決め
すれば良い。

【００６６】なお、探針６を観察ポイントＡに位置決め
する方法としては、例えば、スキャナ８に所定の電圧を
印加して可動端をＸＹ方向に変位させることによって、
カンチレバー２６の探針６を所定方向に所定量だけ移動
させて観察ポイントＡに位置決めしても良い。この場
合、スキャナ８が位置決め手段として機能する。

【００６７】Ｘステージ３０によって試料２を観察光学
系４と走査系１０とに往復搬送する際のずれ量は、Ｘス
テージ３０の機械的な誤差に起因した固定値であり、変
動することは無いため、検出表示装置３８の表示画面上
において、上述した位置決め手段によって探針６を観察
ポイントＡに位置決めしておけば、観察表示装置１８の
クロスカーソル２２の交差点上に位置決めされた新たな
観察ポイントは、必ず且つ正確に、検出表示装置３８の
表示画面上の探針６に位置付けられる。

【００６８】また、例えば、検出表示装置３８の表示画
面を目視観察しながらクロスカーソル４２を移動させ
て、その交差点を試料２の観察ポイントＡに位置決めす
る方法も好ましい。この場合、クロスカーソル４２が位
置決め手段として機能する。

【００６９】この方法によれば、クロスカーソル４２の
交差点は、Ｘステージ３０の機械的な誤差に起因した観
察ポイントＡのずれ量を目視的に確認することが可能な
指標となる。従って、この指標としてのクロスカーソル
４２の交差点に探針６を位置決めしておけば、観察表示
装置１８のクロスカーソル２２の交差点上に位置決めさ
れた新たな観察ポイントを検出表示装置３８の表示画面
上の探針６に正確且つ確実に位置付けることができる。

【００７０】更に、この方法によれば、検出表示装置３
８の表示画面上に試料２（観察ポイントＡ）を表示させ
なくても、指標としてのクロスカーソル４２の交差点に
探針６を位置決めするだけで済むため、例えば、試料測
定前（試料２がセットされていない状態）の準備段階に
おいて、カンチレバー２６を交換した場合、この新たな
カンチレバー２６の探針６をクロスカーソル４２の交差
点に位置決めすることによって、観察ポイントＡのずれ
量を考慮した全ての位置調整や初期設定を完了させるこ
とができる。

【００７１】なお、測定環境（温度、湿度等）の変化に
応じて、観察ポイントＡのずれ量が変化することも考え
られるので、測定が一旦終了した後に、再度、測定を開
始するときには、観察ポイントＡのずれ量を再調整する
ことが好ましい。この再調整に際しては、測定終了時の
観察ポイントＡのずれ量を演算装置１２に記憶させてお
き、このずれ量を基準に再調整を行うことが好ましい。
このように構成することにより、測定開始時にずれ量の
変化がなければ、その状態ですぐ測定を始めることが可
能であり、また、このずれ量を基準に再調整すれば、初
めから調整を行うのに対して測定の初期設定が容易であ
る。

【００７２】また、観察光学系４は、走査系１０と分離
されており、光学系の設計上の制約がないため、大型試
料に対する高倍率観察、多モード光学顕微鏡観察（暗視
野観察、蛍光観察など）が容易になり、更に、このよう
な光学観察と広範囲ＳＰＭ測定を両立することができ
る。

【００７３】また、観察光学系４は、光学顕微鏡だけで
なく他の測定装置（測定顕微鏡）としても良い。例え
ば、特開平９−１３３８６９号公報に記載された「共焦
点走査型光学顕微鏡」を装着することが好ましい。この
共焦点走査型光学顕微鏡は、レーザー光源からの光ビー
ムが試料上に走査された際、試料から反射される光ビー
ム、若しくは、試料を透過する光ビームに基づいて、試
料像（イメージ像）を構成する顕微鏡装置である。

【００７４】この装置を走査型プローブ顕微鏡と組み合
わせることで、本発明は、光学顕微鏡による試料像を基
準に観察ポイントＡを特定するだけでなく、上記「共焦
点走査型光学顕微鏡」により得られた試料像（イメージ
像）に基づいて観察ポイントＡを特定することが可能で
ある。また、共焦点走査型光学顕微鏡だけでなく、他の
測定装置（光学的な測長器や段差測定器など）と走査型
プローブ顕微鏡とを組み合わせることにより、各々の検
査装置の特性を生かした多角的な試料検査を行うことが
できる。なお、本発明において、他の測定装置は、試料
を観察可能な観察光学系に含まれるものとする。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、探針を試料表面にアプ
ローチさせること無く、試料の観察ポイントに対して探
針を短時間且つ正確に位置決めさせることが可能な走査
型プローブ顕微鏡を提供することができる。

【００７６】また、本発明によれば、観察光学系と走査
系とを分離して配置したことによって、大型試料に対す
る高倍率観察、多モード光学顕微鏡観察が容易になり、
さらに、このような光学観察と広範囲ＳＰＭ測定を両立
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、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の全体の構成を概略的に示す図、
（ｂ）は、カンチレバー上のスポット位置のずれを解消
する第１の方法を説明するための図、（ｃ）は、カンチ
レバー上のスポット位置のずれを解消する第２の方法を
説明するための図。

【図２】（ａ）は、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の主要な構成を概略的に示す図、
（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係る走査型プロ
ーブ顕微鏡の主要な構成を概略的に示す図。

【図３】本発明の第１の変形例に係る走査型プローブ顕
微鏡の構成を示す図。

【符号の説明】

２試料４観察光学系６探針８スキャナ１０走査系１２演算装置３０Ｘステージ３２Ｙステージ４４スキャナコントローラ４６ステージコントローラＡ観察ポイント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ１２Ｂ 5/00 Ｔ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を観察可能な観察光学系と、この観察光学系から一定距離だけ離間して配置され、且
つ、観察光学系を介して観察した試料の観察ポイントを
含む領域に探針を走査させるスキャナを有する走査系
と、観察光学系及び走査系に対して試料を相対的に移動させ
る移動機構と、走査系の走査領域における探針と観察ポイントとの間の
位置関係を光学的に検出可能な検出光学系と、この検出光学系の検出データに基づいて、探針と観察ポ
イントとの間のずれ量を演算する演算装置と、この演算装置で演算されたずれ量を無くするように移動
機構又はスキャナを選択的に制御することによって、探
針を観察ポイントに位置付ける制御手段とを備えている
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】試料を観察可能な観察光学系と、この観察光学系から一定距離だけ離間して配置され、且
つ、観察光学系を介して観察した試料の観察ポイントを
含む領域に探針を走査させるスキャナを有する走査系
と、観察光学系及び走査系に対して試料を相対的に移動させ
る移動機構と、走査系の走査領域における探針と観察ポイントとの間の
位置関係を光学的に検出可能な検出光学系と、この検出光学系によって検出された探針と観察ポイント
との間の位置関係に基づいて、探針を観察ポイントに位
置決めする位置決め手段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。