JP2000329678A - プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、より信頼性の高い試料情報
を得ることのできるプローブ顕微鏡を提供することにあ
る。 【解決手段】 試料１１２とプローブ試料側先端部１１
８ａの間の距離を近接させ、該試料１１２とプローブ試
料側先端部１１８ａの間に働く相互作用を検出し、該両
者間に働く相互作用から試料１１２の表面情報を得るプ
ローブ顕微鏡において、前記プローブ１１８は可撓性を
有する針状プローブ１１８であり、該先端部１１８ａが
試料表面１１２と該先端部１１８ａの間に働く相互作用
の増減に応じた径を持つ円を描くように、該先端部１１
８ａを撓らせながらプローブ１１８を回転可能な加振手
段１２２と、該相互作用によるプローブ試料側先端部１
１８ａが描く回転円径の増減を検出し、該回転円径の増
減から該試料１１２とプローブ試料側先端部１１８ａの
間の距離情報を得る検出手段１２４と、を備えたことを
特徴とするプローブ顕微鏡１２０。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプローブ顕微鏡、特
に信頼性の高い試料情報を得ることのできるプローブ顕
微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、試料の表面の凹凸を的確に把握
するため、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が用いられ
る。このＳＴＭの測定原理は、金属製の深針を、導電性
試料に１ｎｍ程度までに近づけて、両者間に微小電圧を
印加すると電流が流れる。この電流は、トンネル電流と
よばれ、両者の距離の変化に敏感で、０．１ｎｍの変化
に対しほぼ最大１桁変化する。

【０００３】このため、金属製の深針を三次元駆動でき
る精密アクチュエータに取り付け、トンネル電流を一定
に保つように、測定試料表面を走査すれば、両者の距離
は一定に保たれ、深針は、試料の表面の凹凸を原子の尺
度でなぞることになる。このとき、精密アクチュエータ
に加えた電圧の変化を画像化すれば、これが試料表面の
形状に対応することになる。また、前記ＳＴＭでは観察
できなかった絶縁試料も、ＳＴＭから派生した原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）により可能となる。

【０００４】このＡＦＭは、前記ＳＴＭで用いるトンネ
ル電流の代わりに、測定試料表面と深針間に働く原子間
力（引力又は斥力）を検出する。ここで、ＡＦＭの深針
としては、図１に示すような金属製のカンチレバープロ
ーブ１０が用いられる。なお、同図（ａ）は正面図、同
図（ｂ）は上面図である。そして、このカンチレバープ
ローブ１０を同図（ａ）中、上下方向（ＶＶ方向）に微
小振動させつつ、測定試料表面１２に近づけると、両者
間に原子間力が働き、プローブ１０の振動振幅が変化す
る。

【０００５】このため、プローブ照射部１４からのプロ
ーブ光Ｌ１をプローブ１０に照射し、該プローブ１０か
らの透過ないし反射プローブ光Ｌ２の強度変化を光検出
器１６で検出する。この強度変化からプローブ１０の振
動振幅の変化情報を得る。そして、この振動振幅の変化
から両者間の距離を求め、振動振幅の変化を一定を保つ
ように、プローブの位置を固定し測定試料の載置された
ステージを駆動し測定試料表面を走査すれば、両者の距
離は一定に保たれ、プローブは測定試料表面の凹凸を的
確になぞることができる。

【０００６】また、前記金属製のカンチレバープローブ
１０を用い、同図（ａ）中、上下方向（ＶＶ方向）に振
動させる手法を用いると、測定試料表面１２の凹凸を的
確に把握できるものの、プローブ位置における試料の成
分等の解析ができない。このため、近年、光の波長より
小さい空間分解能を持ち、分光分析測定もできる近接場
光学顕微鏡が開発され、その応用が期待されている。こ
の顕微鏡には、測定試料表面に生じた光近接場を針状プ
ローブ先端部で散乱、集光して検出するコレクションモ
ードと、針状プローブ先端部から発生する近接場で測定
試料表面を照明し、該測定試料表面の散乱光ないし放出
光を、プローブ又は集光光学系により集光、検出するイ
ルミネーションモードという２つの方式がある。

【０００７】何れの場合も、光近接場は、測定試料表面
から数十ｎｍ程度の領域に生じているため、測定試料表
面とファイバプローブ間の距離は、この光の波長以下の
極微小な距離内で制御しなければならならない。この測
定試料表面とプローブ間の距離の制御には、シアフォー
スフィードバック法が一般的に用いられる。シアフォー
スフィードバック法では、図２に示すように、針状プロ
ーブ１８を測定試料面１２で一軸（ＶＨ方向）振動させ
ながら、測定試料表面１２に近接させる。なお、同図
（ａ）は正面図、同図（ｂ）は上面図である。

【０００８】そして、測定試料表面１２とプローブ１８
の間の距離が光近接場の距離内に入ると、両者間にシア
フォースが働き、該プローブ１８の振動振幅が変化す
る。このため、プローブ照射部１４からのプローブ光Ｌ
１をファイバプローブ１８に照射し、該プローブ１０か
らの透過ないし反射プローブ光Ｌ２の強度変化を光検出
器１６で検出する。この強度変化から針状プローブ１８
の振動振幅の変化情報を得る。

【０００９】そして、この振動振幅の変化から両者間の
距離を求め、針状プローブ１８の振動振幅の変化を一定
を保つように、プローブの位置を固定し測定試料の載置
されたステージを駆動し測定試料表面を走査すれば、両
者の距離は一定に保たれ、針状プローブ１８は、測定試
料表面１２の凹凸を原子の尺度で的確になぞることにな
る。このように針状プローブ１８を用いて、前記イルミ
ネーションモードやコレクションモードを行うことによ
り、測定試料表面１２の凹凸の把握に加えて、プローブ
位置における試料の成分等の解析も可能となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな針状プローブ１８にあっても、測定試料表面でプロ
ーブを一軸振動させ、測定試料表面とプローブの間に働
く原子間力の横ずれ成分を検出しているため、カンチレ
バープローブ１０で原子間力の縦方向成分を測定した場
合に比較し、感度が一桁以上も低下してしまう。また、
測定試料表面でプローブを一軸振動させるシアフォース
を用いると、測定試料表面の走査方向によっては、同一
の測定試料表面であるにもかかわらず、得られた測定試
料表面の凹凸画像には、差が生じるおそれがある。

【００１１】このため、前記針状プローブ１８にあって
も、測定結果の信頼性は、改善の余地が残されていたも
のの、これを解決することのできる技術がいまだ存在し
なかった。本発明は前記従来技術に鑑みなされたもので
あり、その目的は、より信頼性の高い試料情報を得るこ
とのできるプローブ顕微鏡を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明にかかるプローブ顕微鏡は、測定試料表面と
プローブ試料側先端部の間の距離を近接させ、該測定試
料表面とプローブ試料側先端部の間に働く相互作用を検
出し、該両者間に働く相互作用から該測定試料の表面情
報を得るプローブ顕微鏡において、加振手段と、検出手
段と、を備えることを特徴とする。ここで、前記プロー
ブは、可撓性を有する針状プローブである。

【００１３】また、前記加振手段は、前記プローブ試料
側先端部が、前記測定試料表面とプローブ試料側先端部
の間に働く相互作用の増減に応じた径を持つ円を描くよ
うに、該試料側先端部を撓らせながら該プローブを回転
可能なものである。前記検出手段は、前記測定試料表面
とプローブ試料側先端部の間に働く相互作用による、該
プローブ試料側先端部が描く回転円径の増減を検出し、
該回転円径の増減から、該測定試料表面とプローブ試料
側先端部の間の距離情報を得る。ここにいう円径とは、
真円、楕円などの形状を問わず、各種円の径をいう。

【００１４】なお、本発明において、前記加振手段は、
前記測定試料表面とプローブ試料側先端部の間の距離が
近接ないし離隔する方向にも該プローブを振動させつ
つ、前記検出手段は、前記測定試料表面とプローブ試料
側先端部の間に働く相互作用によるプローブ試料側先端
部が描く回転円径の増減を検出し、該回転円径の増減か
ら、該測定試料表面とプローブ試料側先端部の間の距離
情報を得ることが好適である。

【００１５】また、本発明において、前記加振手段は、
少なくとも前記プローブ試料側先端部が前記測定試料表
面とプローブ試料側先端部の間に働く相互作用の増減に
応じた径を持つ回転円を描くように、該試料側先端部を
撓らせながら該プローブを回転可能な、圧電素子及びモ
ータよりなる群から選ばれた一の駆動部材を含むことも
好適である。

【００１６】また、本発明において、前記検出手段は、
プローブ照射部と、光検出部と、信号処理部と、を備え
ることも好適である。ここで、プローブ照射部は、プロ
ーブにプローブ光を照射可能なものである。また、前記
光検出部は、前記プローブからの反射ないし透過プロー
ブ光を検出する。前記信号処理部は、前記光検出部で得
た反射ないし透過プローブ光から、前記プローブ試料側
先端部が描く回転円径の増減情報を得る。

【００１７】また、本発明において、前記検出手段は、
前記プローブ試料側先端部が描く回転円径の増減情報を
取得可能な、石英振動子及び圧電素子よりなる群から選
ばれた一の部材であることも好適である。また、本発明
において、前記プローブの試料側先端部とは反対側のほ
ぼ全周囲に亘って、前記加振手段としての対向配置の加
振電極対と、前記検出手段としての対向配置の検出電極
対を交互に配置した、例えば４分割以上などの分割型の
圧電素子とし、前記加振電極対による前記プローブ加振
と、前記検出電極対による前記回転円径の増減の検出
を、同時又は時分割に交互に行わせる制御手段を備える
ことも好適である。

【００１８】また、本発明において、前記測定試料表面
とプローブ試料側先端部の間に働く相互作用は、例えば
原子間力などの力学的相互作用であることも好適であ
る。また、本発明において、前記測定試料表面とプロー
ブ試料側先端部の間に働く相互作用は、光近接場である
ことも好適である。さらに、本発明において、走査手段
と、画像化手段と、を備えることも好適である。

【００１９】ここで、前記走査手段は、前記検出手段で
得た前記測定試料表面とプローブ試料側先端部の間の距
離を一定に保つように、該測定試料表面を走査可能なも
のである。また、前記画像化手段は、前記走査手段の制
御情報を画像化し、前記測定試料表面の凹凸情報を画像
化する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の好適
な実施形態を説明する。図３には本発明の一実施形態に
かかる原子間力顕微鏡の概略構成が示されている。な
お、前記従来技術と対応する部分には符号１００を加え
て示し説明を省略する。同図に示す原子間力顕微鏡１２
０は、針状プローブ１１８と、加振手段１２２と、検出
手段１２４を含む。

【００２１】ここで、前記針状プローブ１１８は、例え
ば可撓性を有するファイバプローブを用いることができ
る。また、前記加振手段１２２は、例えばモータ１２６
と、回転体１２８を含み、この加振手段１２２は、回転
体１２８の下面に、プローブ１１８の試料側先端部１１
８ａとは反対側先端部１１８ｂを、モータ１２６の回転
軸Ｏ上を外し、設けている。

【００２２】また、この加振手段１２２は、プローブ試
料側先端部１１８ａが、測定試料表面１１２とプローブ
１１８の間に働く原子間力の増減に応じた径を持つ真
円、楕円等の円を描くように、該先端部１１８ａを撓ら
せながらプローブ１１８を回転させる。さらに、この加
振手段１２２は、測定試料表面１１２とプローブ１１８
の間の距離が近接ないし離隔する方向、つまり図中上下
方向にもプローブ１１８を振動させる。つまり、タッピ
ングする。

【００２３】前記検出手段１２４は、例えばプローブ照
射部１３０と、光検出部１３２と、信号処理部１３４を
含む。ここで、前記プローブ照射部１３０は、例えばレ
ーザダイオード（ＬＤ）等よりなり、プローブ１１８の
先端部１１８ａ近傍にプローブ光Ｌ１を照射する。ま
た、前記光検出部１３２は、プローブ１１８ａからの反
射ないし透過プローブ光Ｌ２を検出する。

【００２４】前記信号処理部１３４は、光検出部１２４
で得た反射ないし透過プローブ光Ｌ２から、プローブ試
料側先端部１１８ａが描く回転円の半径ｒ等の径の増減
情報を得る。この回転半径ｒの増減から測定試料表面１
１２とプローブ１１８の間の距離を求める。これをパー
ソナルコンピュータ１３６に供給する。

【００２５】つまり、本実施形態では、加振手段１２２
により、測定試料表面１１２とプローブ１１８の間の距
離が近接ないし離隔する方向、図中上下方向にプローブ
１１８を振動させ、測定試料表面１１２とプローブ１１
８の間に働く原子間力の増減に応じた径を持つ円を描く
ように、試料側先端部１１８ａを撓らせながらプローブ
１１８を回転させる。

【００２６】そして、本実施形態では、加振手段１２２
により、測定試料表面１１２とプローブ１１８の間の距
離を近接させ、検出手段１２４により、両者間に働く原
子間力によるプローブ先端部１１８ａが描く回転半径の
増減を検出し、該回転半径の増減から、該測定試料表面
１１２とプローブ１１８の間の距離情報を得る。なお、
本実施形態では、測定試料表面１１２を走査するため、
ＸＹＺの３軸ステージ１３８と、ステージ移動手段１４
０と、ステージ制御手段としてのパーソナルコンピュー
タ１３６を含む。

【００２７】ここで、ステージ移動手段１４０は、測定
試料１１２が置かれた３軸ステージ１３８をＸＹＺ方向
に移動可能である。また、パーソナルコンピュータ１３
６は、検出手段１２４からの測定試料表面１１２とプロ
ーブ試料側先端部１１８ａの間の距離情報が一定となる
ように、ステージ移動手段１４０を介して３軸ステージ
１３８の動作を制御する。

【００２８】そして、３軸ステージ１３８を駆動し測定
試料表面１１２を走査しながら、ステージ移動手段１４
０に加えた電圧のＺ成分、つまり図中上下方向の成分等
をコンピュータ１３６により画像化し、測定試料表面１
１２の凹凸画像を得る。これをモニタ１４２に表示す
る。また、本実施形態では、パーソナルコンピュータ１
３６の入力デバイス１４４を用いて各種の設定が可能で
ある。

【００２９】例えば、プローブ共振周波数などの設定が
可能であり、パーソナルコンピュータ１３６は、入力デ
バイス１４４からのプローブ共振周波数で加振手段１２
２の動作を駆動回路１４６を介して制御する。本実施形
態にかかる原子間力顕微鏡１２０は、概略以上のように
構成され、以下にその作用について説明する。すなわ
ち、３軸ステージ等により、プローブ１１８と測定試料
表面１１２との距離を、例えば１ｎｍ程度までに近づけ
ると、両者の間には原子間力（引力又は斥力）が働く。

【００３０】この原子間力（引力又は斥力）を検出手段
により検出し、３軸ステージによりこれが一定となるよ
うに試料表面を走査する。このために、測定試料表面１
１２を三次元駆動できる３軸ステージ１３８に載せ、原
子間力を一定に保つように測定試料表面１１２を走査す
れば、両者の距離は一定に保たれ、プローブ１１８は、
測定試料表面１１２の凹凸を原子の尺度でなぞることに
なる。

【００３１】このとき、コンピュータ１３６により、ス
テージ移動手段１４０に加えた電圧の縦方向成分の変化
を画像化すれば、これが測定試料表面１１２の形状に対
応することになる。ここで、測定試料表面１１２とプロ
ーブ１１８の間の距離を制御するため、プローブを測定
試料表面の一軸方向に振動させるシアフォースフィード
バック法が一般的に用いられる。しかしながら、このシ
アフォースを用いると、測定試料表面とプローブの間に
働く原子間力の横ずれ成分を検出することとなるので、
一般的なカンチレバープローブを用いて原子間力の縦方
向成分を検出した場合に比較し、感度が一桁以上低下し
てしまう。

【００３２】例えば、測定試料表面１１２の走査方向に
よっては、同一の測定試料表面であるにもかかわらず、
得られた測定試料表面の凹凸画像には、差が生じるおそ
れがある。そこで、本実施形態においては、前記シアフ
ォースに代えて、以下に示す手法を用いることとしてい
る。

【００３３】その作用について図４〜図６を参照しつつ
説明する。なお、図４は、プローブ１１８の回転状態を
示す斜視図、図５は同様の正面図、図６は同様の上面図
である。すなわち、本実施形態にかかる顕微鏡１２０で
は、図４に示すように、プローブ試料側先端部１１８ａ
が、測定試料表面１１２とプローブ試料側先端部１１８
の間に働く原子間力の増減に応じた半径ｒを持つ円を描
くように、該先端部１１８ａを撓らせながらプローブ１
１８を回転可能させている。

【００３４】そして、図５（ａ）に示すように、測定試
料表面（図示省略）とプローブ１１８の間の距離が十分
に離れた状態から、つまり両者の間に原子間力が働かな
い距離から、プローブ１１８を図中上下方向にも振動さ
せながら、測定試料表面とプローブ試料側先端部１１８
の間の距離を近接させる。すなわち、ステージを図中上
方向に駆動し、測定試料表面とプローブ１１８の間の距
離を近接させる。

【００３５】このとき、測定試料とプローブ１１８間の
距離は十分離れており、両者の間には原子間力が働いて
いないので、プローブ先端部１１８ａは、遠心力Ｆ０の
みの影響を受け、半径ｒの回転円を描く。そして、測定
試料表面１１２とプローブ１１８間の距離が近接する
と、両者の間には原子間力が働く。この原子間力の増減
に応じて、プローブ試料側先端部１１８ａが描く回転円
の半径ｒが変わる。

【００３６】例えば、同図（ｂ）に示すように、図中、
測定点Ｐ０からの原子間力（斥力Ｆ１）がプローブ試料
側先端部１１８ａに働くと、先端部１１８ａには、力成
分Ｆ２と力成分Ｆ３が働くので、先端部１１８ａは、図
中外側に引っ張られ、回転円径は、原子間力（斥力Ｆ
１）に応じた分Δｒだけ半径が増加する。つまり、原子
間力が働いていないときの回転円径をｒとすると、この
場合の回転半径は、ｒ＋Δｒとなる。

【００３７】一方、同図（ｃ）に示すように、図中、測
定点Ｐ０からの原子間力（引力Ｆ４）がプローブ先端部
１１８ａに働くと、先端部１１８ａには、力成分Ｆ５と
力成分Ｆ６が働くので、先端部１１８ａは、内側に引っ
張られ、回転円径は、原子間力（引力Ｆ４）に応じた分
Δｒだけ半径が減少する。つまり、原子間力が働いてい
ないときの回転半径をｒとすると、この場合の回転円径
は、ｒ−Δｒとなる。

【００３８】このように、本実施形態では、同図（ａ）
〜（ｃ）に示したように、原子間力の縦方向の成分、つ
まり図中、上下方向の原子間力の変化を、回転半径ｒの
増減として検出している。このような原子間力に応じた
回転半径ｒの増減を、図６に示すように、例えば測定点
Ｐ０の周囲に配置されたプローブ照射部１１４、光検出
部１１６により検出する。この回転半径ｒの増減情報か
ら、後段の信号処理部やコンピュータ１３６により、測
定試料表面１１２とプローブ１１８の間の距離を求めて
いる。

【００３９】この結果、本実施形態にかかる原子間力顕
微鏡１２０によれば、測定試料表面１１２とプローブ１
１８の間の距離の測定に、測定試料表面１１２とプロー
ブ１１８間に働く原子間力の縦方向成分を、回転半径ｒ
の増減として検出しているので、横ずれ成分、つまりシ
アフォースを用いた場合に比較し、検出感度の向上が図
られる。

【００４０】また、従来のようにプローブを、測定試料
表面で一軸方向に振動させると、検出手段の数と配置に
は制限があったのに対し、本実施形態にかかるプローブ
顕微鏡によれば、測定試料表面１１２とプローブ１１８
間に働く原子間力の縦方向成分を、回転半径ｒの増減と
して検出しているので、前記検出手段の配置と数には制
限がなくなる。

【００４１】したがって、本実施形態においては、検出
手段、特に検出部１１６を例えば図６に示す測定点Ｐ０
の周囲の任意の位置に、所望の数だけ配置することがで
きるので、従来極めて困難であった、検出部１１６の配
置の自由度の向上が図られ、また検出部１１６の数を増
加すれば、検出感度の向上が図られる。

【００４２】また、本実施形態にかかる顕微鏡１２０に
よれば、試料とプローブ間に働く原子間力の増減に応じ
た径を持つ円を描くように、先端部１１８ａを撓らせな
がらプローブ１１８を回転可能プローブを回転させるの
で、シアフォース等を用いた場合には非常に困難であっ
た、測定試料表面１１２の走査方向によらず、等方的な
測定を良好に行うことができる。

【００４３】なお、本発明のプローブ顕微鏡は、前記構
成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種
種の変形が可能である。例えば、本実施形態にかかる顕
微鏡では、一般的な測定系に用いられる各種の機構に代
えて、以下に示す種種の機構を付加することが好まし
い。

【００４４】ＳＦディテクタ 例えば、プローブ１１８からの透過ないし反射プローブ
光Ｌ２は、一般にレンズ付き、あるいはレンズ無しのＰ
ＩＮフォトダイオード等で検出する。このレンズには、
球面、あるいは非球面レンズが用いられる。しかしなが
ら、レンズを用いると、検出手段の感度を上げることが
できる横方向の光に加えて、縦方向の光も集光してしま
う。

【００４５】このため、プローブの振幅、あるいは回転
半径の検出感度を低下させてしまうので、この点は、改
善の余地が残されていた。そこで、本実施形態にかかる
顕微鏡では、例えば図７に示すＳＦディテクタ１４８を
設けることが好ましい。同図に示すＳＦディテクタ１４
８は、プローブ１１８からの透過ないし反射プローブ光
Ｌ２を、２分割以上の分割型のフォトダイオードなどの
位置センサ１５０ａ，１５０ｂにより検出し、２つの光
量の差分を検出し、この差分からプローブ１１８の回転
半径ｒの増減を検出している。

【００４６】この結果、本実施形態にかかる顕微鏡によ
れば、同図に示すＳＦディテクタ１４８を用いると、プ
ローブ先端１１８ａからの透過ないしプローブ光Ｌ２
を、差分検出することができるので、感度の大幅な向上
を図ることが可能となる。また、本実施形態において
は、同図に示すＳＦディテクタ１４８を用いると、横方
向からの光のみを集めることができるので、プローブ１
１８の回転半径ｒの増減の検出感度を上げることも可能
となる。

【００４７】ＳＦ信号回路 例えばプローブを測定試料表面で一軸方向に振動させる
一般的なシアフォース法では、通常は、プローブの運動
を検出する検出手段の信号を、プローブを運動させる信
号の周波数にロックインして、該検出手段の信号をＤＣ
化していた。しかしながら、前記ロックインには時間が
かかり、プローブ顕微鏡では高速検出のための障害にな
っていた。また、ロックインを的確に行うための位相の
調整が必要であり、測定のための手間がかかるので、こ
の点は、改善の余地が残されていた。

【００４８】そこで、本実施形態にかかる顕微鏡では、
図７に示すＳＦ信号回路１５２を設けることも好まし
い。同図に示すＳＦ信号回路１５２は、例えば前記ＳＦ
ディテクタ１４８で得た信号の振幅強度をＤＣに変換す
る。このＳＦ信号回路１５２としては、例えば、実効値
に変換する絶対値回路、及びＲＭＳ／ＤＣコンバータな
どよりなる群から選ばれた一の回路が用いられる。

【００４９】この結果、本実施形態にかかる顕微鏡によ
れば、同図に示すＳＦ信号回路１５２を設けると、一般
的なロックインを行った場合に比較し、小規模でＳＦデ
ィテクタ１４８で得た信号のＤＣ化を行うことが可能と
なる。しかも、測定のための位相等の調整が必要がない
ので、測定系全体の高速化を図ることが可能となる。

【００５０】フィードバック回路 例えば、プローブ顕微鏡、特に原子間力顕微鏡の場合に
は、走査のためのフィードバック回路は、原子間力の変
化に対し原子間力が大きい場合も、小さい場合も一様に
応答する。このため、原子間力が小さい場合は不必要な
高精度に、また精度のいらない原子間力が小さい場合は
低精度に、また原子間力が大きい場合は精度が不足する
という欠点があり、この点は、改善の余地が残されてい
た。

【００５１】そこで、本実施形態にかかる顕微鏡では、
前記図７に示すフィードバック回路１５４を設けること
も好ましい。すなわち、同図に示すフィードバック回路
１５４は、原子間力の変化に対し対数的に、あるいは指
数関数的に応答するようにしている。この結果、本実施
形態にかかる顕微鏡は、同図に示すフィードバック回路
１５４を設けると、原子間力の変化に対し対数的に、あ
るいは指数関数的に応答するので、原子間力が小さい場
合は、間引いて、また原子間力が大きい場合は、密度を
高くフィードバックすることが可能となる。

【００５２】つまり、本実施形態にかかる顕微鏡は、同
図に示すフィードバック回路１５４を設けると、精度の
いらない原子間力が小さい場合は低精度に、また、より
精度の必要な原子間力が大きい場合は高精度に、それぞ
れ適切なフィードバックを行うことが可能となるので、
効率的に測定精度を上げることが可能となる。また、本
実施形態にかかる顕微鏡は、同図に示すフィードバック
回路１５４を用いると、原子間力が大きい場合には、フ
ィードバックの密度が高くなるため、フィードバックの
高速化と高安定化を図ることも可能となる。

【００５３】ＳＦ調整用表示機構 例えば、プローブ顕微鏡では、プローブ変位を検出する
ための検出器、あるいは光源の調整等の際は、通常は、
プローブと試料との距離の制御に用いられる信号をモニ
タしながら、それが最適になるように調整されるか、目
視で光が検出器に入っていることを確認しながら調整す
る。

【００５４】しかしながら、プローブと試料の距離の制
御に用いられる信号には、プローブ変位検出のための検
出器、光源、プローブの位置関係の他にも、プローブと
試料の距離などの様々な信号成分が含まれる。このた
め、前記調整を直感的に行うことができず、調整手順は
複雑で困難なものになっており、改善が強く望まれてい
た。そこで、本実施形態では、複数の光検出器の信号又
は分割検出器自体の信号を別個に表示可能な、例えば前
記図７に示すようなモニタ１４２と、その表示を元に、
前記調整が可能なパーソナルコンピュータ１３６などを
設けている。

【００５５】この結果、本実施形態にかかる顕微鏡で
は、同図に示すモニタ１４２やコンピュータ１３６等を
設け、複数の光検出器等の信号を別個にモニタ１４２に
表示し、そのモニタの表示を元にコンピュータ１３６に
より前記調整を行うことにより、検出器とプローブ光Ｌ
１の位置関係を、モニタ１４２で直接目視することがで
きるので、従来極めて困難であった前記調整が容易とな
る。

【００５６】加振手段、検出手段 また、前記構成では、回転半径ｒの増減を検出するた
め、プローブ１１８からの反射ないし透過プローブ光Ｌ
２の強度変化を用いた例について説明したが、本発明の
顕微鏡は、これに限定されるものではなく、これに代え
て、例えば石英振動子、及び圧電素子（ＰＺＴ）よりな
る群から選ばれた一の部品を用いることができる。

【００５７】また、前記構成では、加振手段としてモー
タを用いた例について説明したが、本発明の顕微鏡は、
これに限定されるものではなく、これに代えて、例えば
圧電素子などを用いることもできる。ここで、本実施形
態にかかる顕微鏡では、圧電素子としては、図８に示す
ように、プローブの後端側１１８ｂのほぼ全周囲に亘っ
て、加振手段としての対向配置の加振電極対１５６ａ，
１５６ｂと、検出手段としての対向配置の検出電極対１
５８ａ，１５８ｂが交互に配置された、例えば４分割以
上等の分割型円筒状圧電素子１６０を用いることが好ま
しい。

【００５８】この場合には、例えば制御手段としてのパ
ーソナルコンピュータ１３６等により、加振電極対１５
６ａ，１５６ｂによるプローブ１１８の加振と、検出電
極対１５８ａ，１５８ｂによる回転半径ｒの増減の検出
を、同時又は時分割に交互に行わせることも好適であ
る。これにより、加振手段と検出手段を別個独立に設け
た場合に比較し、省スペース化が図られるので、装置の
小型化が図られる。

【００５９】ＳＦ光学系 プローブ顕微鏡の光学系では、回転半径ｒの増減を検出
するため、レーザ光等のプローブ光Ｌ１を、遠方からプ
ローブに集光、照射し、反射プローブ光を遠方の検出部
で捉えることにより、プローブ１１８の周りの少なくと
も２方向にスペースを必要とする。また、プローブ１１
８を交換する毎に、プローブ光と検出部の両方の位置を
再調整する必要があった。

【００６０】また、プローブ光を照射するプローブ先端
部にプローブ光が届くようにするため、プローブ先端部
付近には、障害物がないようにする必要があるため、水
中測定などの使用を特殊な条件下での測定の妨げとなっ
ており、これらの点は、各種の測定を必要とするプロー
ブ顕微鏡では改善の余地があった。そこで、本実施形態
にかかる本実施形態にかかるプローブ顕微鏡は、図９に
示すＳＦ光学系１５９を設けることも好ましい。

【００６１】同図に示すＳＦ光学系１５９は、プローブ
照射部１１４と、光ファイバ１６２，１６４，１６６
と、１：１ファイバ分岐のファイバカプラ１６８と、光
検出部１１６と、レンズ１７０，１７２を含み、光ファ
イバ１６４で、プローブ１１８の振動数・振幅を干渉検
出する。すなわち、同図に示すＳＦ光学系１５９は、プ
ローブ１１８からの反射プローブ光Ｌ２と、ファイバカ
プラ１６８により分岐した一方のファイバ１６４の端面
での反射光Ｌ３の干渉光Ｌ４の波長を光検出部１１６で
検出し、プローブ１１８の回転半径ｒの増減を検出す
る。

【００６２】この結果、本実施形態にかかるプローブ顕
微鏡によれば、同図に示すＳＦ光学系１５９を用いる
と、プローブ１１８の回転半径ｒの増減を検出する際
は、プローブ先端部１１８ａの極近傍に、光ファイバ１
６４の端面を配置すればよく、遠方から光学的に覗く必
要はない。また、本実施形態にかかるプローブ顕微鏡に
よれば、同図に示すＳＦ光学系１５９を用いると、プロ
ーブ交換時の調整は、光ファイバ１６４の端面の一箇所
を調整するだけでよい。

【００６３】また、本実施形態にかかるプローブ顕微鏡
によれば、同図に示すＳＦ光学系１５９を用いると、光
ファイバ１６４の端面とプローブ１１８を任意の雰囲気
下に置けばよいので、測定環境も選ばない。

【００６４】プローブ加振周波数設定の自動化機構 プローブの共振周波数の設定は、共振周波数を何らかの
方法で測定した後、別手段によってプローブ加振周波数
を設定する手法が一般的に用いられる。しかしながら、
この場合には、使用者は、少なくとも２回操作を行う必
要があり、手順が煩雑であったため、この点は改善の余
地が残されていた。そこで、本実施形態にかかるプロー
ブ顕微鏡では、図１０に示すプローブ加振周波数設定機
構１７４を設け、設定の自動化を行うことが好ましい。

【００６５】すなわち、同図に示すプローブ加振周波数
設定機構１７４は、ホワイトノイズ発生器１７６と、正
弦波発生器１７８を含む。そして、これらの発生器１７
６，１７８からの信号を圧電素子（ＰＺＴ）等の加振手
段１２２に供給している。

【００６６】すなわち、同図に示すプローブ加振周波数
設定機構１７４では、プローブの加振信号をホワイトノ
イズ発生器１７６からのホワイトノイズに切り替えて、
共振周波数を設定した後、或いは加振信号に正弦波発生
器１７８からの順次異なる周波数を加えて、強度を測定
による共振周波数測定した後、算出された共振周波数に
設定している。

【００６７】この結果、本実施形態にかかるプローブ顕
微鏡によれば、同図に示すプローブ加振周波数設定機構
１７４を用いると、１回の操作で共振周波数の測定と、
設定を行うことが可能となるので、操作容易化の向上を
図ることが可能となる。

【００６８】ステージ 例えば、プローブ顕微鏡では、プローブの位置を動かす
ことができないので、プローブを走査せずにプローブ位
置を固定し、ステージを走査することにより、測定試料
の表面を走査する手法が用いられる。このため、前記プ
ローブ顕微鏡の一般的な試料ステージとしては、例えば
図１１に示すように、円筒状等の圧電素子（ＰＺＴ）１
８０を下から立ち上げ、該圧電素子１８０の上に、測定
試料１１２のステージ１３８を設けたものがある。

【００６９】しかしながら、このようなステージを用い
ると、ヘッド全体の大きさが大きくなり、温度安定性が
悪い。また、この試料ステージとしては、図１２に示す
ように、前記圧電素子１８０を上からぶら下げる手法も
考えられる。しかしながら、この場合には、圧電素子１
８０に引っ張り応力が働くことにより、圧電素子１８０
と、この圧電素子１８０の各支持部材１８２，１８４の
接合面、あるいは圧電素子１８０自体の破壊を招くおそ
れがあり、この点は改善の余地が残されていた。

【００７０】そこで、本実施形態にかかるプローブ顕微
鏡では、前記一般的なステージを用いることは一応可能
であるが、これに代えて、例えば図１３〜図１４に示す
試料ステージを用いることも好ましい。なお、図１３
（ａ）はステージの縦断面図、同図（ｂ）は上面図であ
る。すなわち、同図に示す試料ステージ１８６では、駆
動機構としての円筒型圧電素子１８８を間に挟んで上側
支持部材１９０と下側支持部材１９２を設け、円筒型圧
電素子１８８をはじめ、これらの各支持部材１９０，１
９２の中空部にプローブ１１８を通している。

【００７１】そして、支持部材１９２の上に試料台１９
４を設け、各支持部材１９０，１９２により、圧電素子
１８８に常に圧縮応力がかかるようにしている。この結
果、本実施形態にかかる顕微鏡では、同図に示す試料ス
テージ１８６を用いると、駆動機構としての円筒状圧電
素子１８８の空洞部分（中空部分）をプローブのための
空間として有効的に利用することができるので、ヘッド
全体をコンパクト化することが可能となる。これによ
り、温度安定性の向上が図られる。

【００７２】また、本実施形態においては、同図に示す
試料ステージ１８６を用いると、圧電素子１８８には常
に圧縮応力が働くので、圧電素子１８８と各支持部材１
９０，１９２の接合面、又は圧電素子１８８自体の破壊
を防ぐことが可能となる。さらに、本実施形態において
は、前記各構成部材を、同様な構造を同芯円上に配置す
ることにより、移動距離の大きい多軸操作が可能とな
る。

【００７３】なお、前記圧電素子１８８としては、任意
のものを用いることができるが、例えば上下方向と、水
平面方向の２軸駆動を実現する５分割円筒状圧電素子、
及び上下方向の駆動を実現する積層型の円筒状圧電素子
（ドーナツ型）と、水平方向の２軸駆動を実現する４分
割圧電素子よりなる群から選ばれた一の圧電素子を用い
ることも可能である。

【００７４】試料ステージの構造 微動用の３軸ステージやプローブ位置の駆動機構とし
て、通常は、前記５分割円筒型圧電素子、３本の積層型
圧電素子を直交して組み合わせたもの、４分割円筒状圧
電素子（Ｘ，Ｙ）と、該圧電素子とは異なる位置に３つ
の積層型圧電素子を垂直に並べてＺ軸駆動機構したもの
等が用いられる。

【００７５】このうち、５分割円筒型円筒状圧電素子
は、Ｚ軸の駆動量を稼ぐために縦方向に長くする必要が
あり、温度変化により容易にドリフトが発生する。ま
た、移動量を稼ぐために、肉厚をできるだけ薄くする必
要があり、共振周波数が著しく低下し、高速な位置移動
ができない。また、前記３本の積層型圧電素子を直交し
たものでは、組み合わせの形状が非対称であり、非対称
なドリフトが発生する。

【００７６】また、前記４分割円筒状圧電素子（Ｘ，
Ｙ）と、圧電素子とは異なる位置に３つの積層型圧電素
子を垂直に並べてＺ軸駆動機構としたものでは、配置に
多大なスペースを必要とする。また、Ｚ軸として働く３
つの積層型圧電素子の移動量が全て等しいとは限らない
ので、移動に伴い傾きが発生する危険があり、また、圧
電素子の破壊を招く可能性もあり、これらの点は、改善
の余地が残されていた。そこで、本実施形態にかかる顕
微鏡では、図１４に示す駆動機構１９６を用いることも
好ましい。

【００７７】同図に示す駆動機構１９６は、上下方向に
駆動する穴あき型積層ピエゾ１９８と、平面方向２軸に
駆動する４分割円筒状圧電素子２００，２０２を上下方
向に近接して一体化している。この結果、本実施形態に
おいては、同図に示す駆動機構１９６を用いると、駆動
機構全体の全長をより短くしても、同じ駆動範囲を確保
することができるので、例えば５分割円筒状圧電素子を
用いた場合に比較し、圧電素子の温度変化に起因する熱
ドリフトを大幅に低減することが可能となる。

【００７８】また、本実施形態においては、同図に示す
駆動機構１９６を用いると、５分割円筒状圧電素子を用
いた場合に比較し、上下駆動部分の肉厚が非常に大きく
なるので、圧電素子全体の共振周波数が格段に増加し、
より高速に試料ステージを駆動することが可能となる。

【００７９】また、本実施形態においては、同図に示す
駆動機構１９６を用いると、同心円状の構造となるた
め、積層型圧電素子を３方向組み合わせた構造に比較
し、水平面方向の機械ドリフトが格段に低減することが
可能となる。なお、本実施形態において、同図に示す駆
動機構１９６は、試料ステージの駆動機構などに限られ
るものではなく、プローブ位置の駆動にも用いることが
可能である。

【００８０】試料交換機構 測定試料を交換する方法としては、従来より種種の方法
が用いられ、例えば顕微鏡の側方からＶ溝に沿って試料
ステージを挿入するなどの方法が一般的に用いられる。
しかしながら、この場合には、構造が対称性を欠いてい
るので、不慮の方向にドリフトしてしまう。また、この
場合には、試料ステージの面が決まっているので、試料
の厚みによって試料表面の絶対位置が変わってしまう。

【００８１】また、試料ステージの面が決まっているの
で、測定可能な試料の厚みに制限があり、これらの点
は、ステージを駆動することにより試料表面を走査する
原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡などのプローブ顕微
鏡では改善の余地があった。そこで、本実施形態にかか
るプローブ顕微鏡では、図１５に示す試料ステージ２０
４を用いることも好ましい。

【００８２】すなわち、同図に示す試料交換機構２０４
は、支持部材２０６，２０８の両者に直接、ねじ溝２１
０，２１２を切ってあり、両者を螺合可能にしている。
また、同図に示す試料交換機構２０４は、支持部材２０
６，２０８が十分に肉厚に作られている。このため、支
持部材のねじ込む量を調節することにより、ステージの
高さを調整することが可能である。

【００８３】例えば同図（ａ）に示す状態の支持部材２
０６に、さらに支持部材２０８をねじ込むと、同図
（ｂ）に示すようにプローブ１１８と測定試料１１２間
の距離を近接させることができる。また、同図に示す試
料交換機構２０４は、支持部材２０６の下方に貫通穴が
設けられている。このため、同図に示す試料交換機構２
０４は、支持部材２０６の下方の貫通穴から光学的試料
観察、光照射、集光などを行うことが可能である。

【００８４】この結果、本実施形態にかかる顕微鏡によ
れば、同図に示す試料交換機構２０４を用いると、各構
成部材の構造が同心円状であるので、水平方向のドリフ
トが少なくなる。また、本実施形態にかかる顕微鏡によ
れば、同図に示す試料交換機構２０４を用いると、支持
部材２０８の支持部材２０６へのねじ込む量を調整する
ことにより、測定試料１１２の厚みに合わせて、ステー
ジの高さを変化させることができるので、より広範囲の
厚みの測定試料を測定することが可能となる。

【００８５】なお、前記構成に加えて、図１６に示すよ
うに直接試料１１２を載せる試料台２１４を、さらに中
間に設け、該試料台２１４を固定すれば、支持部材２０
８の回転にかかわらず、該試料台２１４が回転しないよ
うにすることも可能となる。

【００８６】プローブ交換機構 例えば、近接場光学顕微鏡などのプローブ顕微鏡では、
プローブの交換の際は、光ファイバを部材と部材の間を
通すための光ファイバのプローブと反対の端を通す必要
があった。しかしながら、この場合には、光ファイバが
からまったり、切れたりすることがあり、取り扱いが面
倒であった。

【００８７】また、この場合には、プローブの位置の周
りにはステージや柱があり、スペースが少なく、交換し
難い構造であった。また、プローブ交換のためにプロー
ブ部分の位置を変える構造をつけた場合は、全体の共振
周波数が低下し、ドリフトや振動の影響を受けやすく、
これらの点は改善の余地が残されていた。

【００８８】そこで、本実施形態にかかるプローブ顕微
鏡、特に近接場光学顕微鏡では、図１７に示すプローブ
交換機構２１５を用いることが好ましい。なお、同図
（ａ）は下面図、同図（ｂ）は同様の縦断面図である。
すなわち、同図（ａ）に示すように、試料ステージ２１
６の中心部には、十分大きな貫通穴２１７があいてい
る。

【００８９】そして、プローブ交換の際は、同図（ｂ）
に示すようなプローブ固定部２２０が貫通穴２１７より
ステージ２１６をくぐり抜けて、該ステージ２１６の下
面から突出した状態でプローブ１１８を交換することと
している。また、本実施形態では、同図に示すプローブ
交換機構を用いると、ステージ部分２１６と、プローブ
固定部２２０には、それぞれスリワリ２２４，２２２が
入っており、プローブ１１８の交換時には、該スリワリ
２２２，２２４を用いてファイバ１１８を貫通穴２１７
に通すことも可能である。

【００９０】この結果、本実施形態にかかる顕微鏡で
は、同図に示すプローブ交換機構２１５を用いると、プ
ローブの交換時、プローブ１１８の周りには、障害物が
なくなるので、交換が容易となる。また、本実施形態に
かかる顕微鏡では、同図に示すプローブ交換機構２１５
を用いると、交換のための不要な構造を設ける必要がな
いので、構造を頑強にすることが可能となり、ドリフト
や振動の影響を受け難くなる。

【００９１】また、本実施形態にかかる顕微鏡では、同
図に示すプローブ交換機構２１５を用いると、前記スリ
ワリ２２２，２２４を介すことにより光ファイバを絡ま
せることなく、容易にプローブ固定部２２０にプローブ
１１８を取り付けることが可能となる。

【００９２】ステージ粗動機構（その１） 低温で動作する試料ステージの粗動機構には、圧電素子
が一般的に用いられる。その駆動法としては、例えばイ
ンチワークやステージ面に直交して配置した円筒状の圧
電素子に、鋸歯状の印加電圧を加える慣性駆動法などが
知られている。しかしながら、このような駆動法では、
試料ステージは、ステップ状に動作するので、正確に位
置合わせすることができない。

【００９３】また、実際の移動量は、ステージの摩擦に
依存しているため、経時変化があり、前記粗動機構は、
一般的な測定系の試料ステージの粗動機構としては十分
に使用できるが、本実施形態にかかるプローブ顕微鏡の
ように微小試料等も扱う場合には、前記問題点は、改善
する余地がある。そこで、本実施形態にかかる顕微鏡で
は、粗動ステージとして、例えば図１８に示す粗動ステ
ージ２２５を用いることが好ましい。

【００９４】同図に示す粗動ステージ２２５は、ステー
ジ２２６の一側面をバイモルフ２２８で押して駆動する
こととしている。この結果、本実施形態にかかる顕微鏡
では、同図に示す粗動ステージ２２５を用いると、バイ
モルフ２２８への印加電圧を変えることで、図中、破線
で示されるように、バイモルフ２２８はステージ２２６
側に沿ったり、図中、実線で示されるように元の状態に
戻るので、ステージ２２６を、例えば図中左方向の任意
の位置に、滑らかに位置決めすることが可能となる。

【００９５】また、本実施形態にかかる顕微鏡では、同
図に示す粗動ステージ２２５を用いると、ステージ２２
６の移動量は、バイモルフ２２８の特性にのみよるた
め、経時変化を大幅に低減することが可能となる。

【００９６】ステージ粗動機構（その２） 前述のように低温で動作する試料ステージの粗動機構に
は、一般的に圧電素子が用いられる。例えば、インチワ
ークやステージ面に直交して配置した円筒状圧電素子
に、鋸歯状の印加電圧を加えることによる慣性駆動法等
が知られている。これらの駆動法では、ステージ面に対
して各部材を立体的に組み上げる必要があり、温度安定
性が悪くなり、ドリフトが大きい。

【００９７】また、駆動方向が直線方向に限られ、回転
運動することができず、このような粗動機構は、一般的
な測定系の試料ステージの粗動機構としては十分に使用
できるが、本実施形態にかかるプローブ顕微鏡のよう
に、各種の駆動が必要となる場合には、前記粗動機構を
そのまま用いると不便が生じる。そこで、本実施形態に
かかる顕微鏡では、図１９（ａ）に示す粗動ステージ２
２９を用いることも好ましい。

【００９８】同図に示す粗動ステージ２２９は、ステー
ジ２２６の一側面に直接貼り付けられ、一端が自由端に
なっている圧電素子２３０が用いられる。そして、この
ような圧電素子２３０に、任意波形の印加電圧をかける
ことにより、同図（ｂ）に示すように、圧電素子２３０
の一端が縮み、元に戻ることで、ステージ２２６に慣性
力を与えてステージ２２６を、例えばｘ方向に動かすこ
ととしている。

【００９９】なお、前記図１９に示す粗動ステージ２２
９では、ステージ２２６の一側面に１つの圧電素子２３
０を設け、例えばステージ２２６をｘ方向に移動した例
について説明したが、これに代えて、図２０に示すよう
に、圧電素子２３０ａ〜２３０ｄをステージ２２６の４
側面に配置すれば、ＸとＹの２軸とも、前後に動かすこ
とが可能である。また、図２１に示すように、圧電素子
２３０ａ〜２３０ｈを、ステージ２２６の各４辺に、２
つづつ十分間隔を空けて配置すれば、前記ＸとＹの２軸
に加えて、回転も可能となる。

【０１００】この結果、本実施形態にかかる顕微鏡によ
れば、前記図１９〜図２１に示す粗動ステージを用いる
と、ステージ２２６の側面に、圧電素子２３０等の全て
の部材を収めることができる。このため、粗動機構も含
めたステージを薄くできるので、縦（Ｚ）方向の温度安
定性を高めることができる。

【０１０１】さらに、図２１に示す粗動ステージを用い
ると、圧電素子２３０をステージ２２６の各４辺に、２
つづつ十分間隔を空けて配置しているので、従来極めて
困難であった回転運動も行うことができる。

【０１０２】ステージダイナミックレンジの拡大 プローブ顕微鏡では、ステージの走査には、通常は、１
つの圧電素子が駆動機構として用いられる。そして、圧
電素子のスキャン範囲を超えた場合は、別の２回の測定
に分けて独立に行う必要がある。このため、プローブ顕
微鏡では、ステージの駆動機構としての圧電素子のスキ
ャン範囲をできるだけ大きく設計する必要がある。

【０１０３】しかしながら、現実的な圧電素子のスキャ
ン範囲には限界がある。また、スキャン範囲を大きくす
ればするほど、ステージが巨大化し、また測定の安定性
が悪くなる傾向にあり、これらの点は改善の余地が残さ
れていた。そこで、本実施形態にかかる顕微鏡は、図２
２に示す複合型３軸ステージ２３２を用いることも好ま
しい。

【０１０４】同図に示す複合型３軸ステージ２３２は、
微動用の３軸ステージ２３４と、粗動用の３軸ステージ
２３６を含む。ここで、前記微動用の３軸ステージ２３
４は、駆動機構として、例えば圧電素子などが用いら
れ、その上に試料１１２が置かれた状態で、例えば図２
２中、ＸＹＺの３軸方向に微小移動する。

【０１０５】また、前記粗動用の３軸ステージ２３６
は、駆動機構として、例えばステッピングモータ等が用
いられ、プローブ１１８をつるした状態で、例えば同図
中、ＸＹＺの３軸方向に、前記微動用の３軸ステージ２
３４に比較し高速に移動可能である。

【０１０６】そして、微動用の３軸ステージ２３４をス
キャン中、必要なスキャン範囲を超えた際は、粗動用の
３軸ステージ２３６を必要量駆動する。その後に、再
度、微動用の３軸ステージ２３４を駆動し、データを結
合すれば、ステージの移動量は、十二分に確保すること
が可能となるので、圧電素子等の微動用の３軸ステージ
２３４のスキャン範囲を超えた測定も、前記問題を生じ
ることなく行うことが可能となる。したがって、装置を
コンパクト、かつ、高安定に組むことも可能となる。

【０１０７】測定中のＺ退避機構 従来のプローブ顕微鏡では、温度ドリフト、試料位置の
ずれ、極端な試料傾きや凹凸等によって、マッピング測
定中にプローブと試料が衝突し、プローブ又は試料が損
なわれるおそれがあり、この点は、改善する余地があっ
た。そこで、本実施形態にかかる顕微鏡では、前記図２
２に示すように、測定中に、パーソナルコンピュータ１
３６がＺ軸のスキャン範囲のある値を超えてプローブ１
１８と試料１１２が接近したと判断した場合には、該パ
ーソナルコンピュータ１３６が、測定を中止して、粗動
用の３軸ステージ２３６を駆動して、プローブと試料１
１２の間の距離を離すようにしている。

【０１０８】つまり図中、Ｚ軸方向である上方にプロー
ブ１１８を移動している。この結果、本実施形態にかか
る顕微鏡では、このような測定中のＺ退避機構を用いる
と、温度ドリフト、試料位置のずれ、極端な試料傾きや
凹凸等によって、マッピング測定中にプローブと試料が
衝突し、プローブ又は試料が損なわれることを防ぐこと
が可能となる。

【０１０９】自動接近機構 例えば、原子間力顕微鏡などの場合、プローブと試料と
の間の距離を十分に離した位置から、原子間力信号に変
化が現れるまで順次読み取りながら、プローブと試料と
の間の距離を変化させるのが一般的であった。この場
合、プローブと試料が十分に離れている場所でも、信号
の読み取りを行うため、不要な時間がかかり、この点に
関しては、改善の余地が残されていた。

【０１１０】そこで、本実施形態にかかる顕微鏡では、
前記図２２に示すような試料１１２とプローブ１１８間
の距離を、圧電素子などの微動用の３軸ステージ２３４
を用いて近づけ、原子間力信号を読み取り、フィードバ
ックがかからなかった場合は、微動用の３軸ステージ２
３４を用いて再度近づけ、読み取りを繰り返す。これを
フィードバックがかかるまで繰り返し、フィードバック
がかかったら停止することとしている。

【０１１１】また、前記接近に先立って、側面上方から
プローブ１１８と測定試料１１２との関係を観察するＣ
ＣＤカメラ２３７等からの画像をモニタ１４２で見なが
ら、手動にてプローブ１１８と測定試料１１２との距離
をモニタ１４２の解像度程度まで接近させることも可能
である。この結果、本実施形態にかかる顕微鏡によれ
ば、プローブ１１８と測定試料１１２との距離が明らか
に離れている部分は、粗動用の３軸ステージ２３６を用
いて高速に移動し、必要最小限の部分だけ信号を読み取
りながら、粗動用の３軸ステージ２３４を移動するの
で、前記接近にかかる時間を格段に短縮化することが可
能となる。

【０１１２】近接場光学顕微鏡 また、前記構成では、試料とプローブ間の相互作用に、
原子間力を用いた原子間力顕微鏡を想定し、試料表面の
形状等を把握する例について説明したが、本発明のプロ
ーブ顕微鏡は、これに限定されるものではなく、試料と
プローブ間の相互作用に光近接場を用いた近接場光学顕
微鏡でもよい。また、本発明のプローブ顕微鏡は、試料
の表面形状を把握するものに限定されるものではなく、
プローブ位置における試料の成分等の分析をすることも
可能である。

【０１１３】その際は、例えば以下に示す近接場光学顕
微鏡を用いることも好ましい。図２３には本発明の一実
施形態にかかる近接場光学顕微鏡の概略構成が示されて
いる。同図に示す近接場光学顕微鏡２３８は、単色光源
２４０からのレーザ光Ｌ６をレンズ２４２で平行光束と
し、ビームスプリッタ２４４、収束レンズ２４６を介し
てプローブ１１８内に導入する。

【０１１４】そして、光近接場をプローブ１１８の先端
部１１８ａから測定試料１１２に照射する。測定試料１
１２からの反射光、散乱光、発光、蛍光、ラマン光等の
光Ｌ７を、同一のプローブ１１８の先端部１１８ａから
集光し、レンズ２４６、ビームスプリッタ２４４、さら
にはレンズ２４８を介して検出器２５０に導入してい
る。つまり、本実施形態では、プローブ１１８から励起
光としてのレーザ光Ｌ６を照射し、同一のプローブ１１
８で試料１１２からの光Ｌ７を集光している。

【０１１５】ここで、従来の近接場光学装置を用いて振
動分光学的ラマン分光や赤外分光を行う際には、プロー
ブから光を照射し、外部のレンズや鏡で、反射光、散乱
光、発光、蛍光、ラマン光を集光するイルミネーション
モードがある。また、外部から照射された光による反射
光、散乱光、発光、蛍光、ラマン光をプローブで集光す
るコレクションモードもある。しかしながら、これらの
モードでは、試料ステージ付近に集光のための対物レン
ズを組み込んだり、レーザを導入するための光学系を別
途、組み込む必要があり、装置が煩雑になる。

【０１１６】また、反射測定の場合には、プローブが集
光のために、或いはレーザ導入のために影になってしま
うので、集光又は照射効率が悪く、また、試料ステージ
とプローブと干渉しないようにするため、対物レンズの
倍率を大きくとることができない。また、イルミネーシ
ョンモードの場合は、フォトンの吸収機構によっては、
照射された部分より広い面積から発光してしまい、空間
分解能を著しく損なう場合がある。

【０１１７】そこで、本実施形態にかかる近接場光学顕
微鏡２３８は、前記問題を解決するため、同図に示すよ
うに、プローブ先端部１１８ａより、光源２４０からの
光Ｌ６を照射し、試料１１２からの光Ｌ７を、同一のプ
ローブ１１８で集光している。この結果、本実施形態に
かかる顕微鏡２３８によれば、散乱近接場光の照射と集
光を１つのプローブ１１８で実現することができるの
で、集光系の配置が非常に容易となる。また、本実施形
態にかかるプローブ顕微鏡２３８によれば、集光を行う
プローブ１１８を試料表面１１２に対し非常に接近させ
ることができるので、試料１１２からの散乱近接場光の
集光に、まるで非常に高倍率のレンズを用いたかのよう
に、高効率で集光することができる。

【０１１８】なお、同図に示す顕微鏡２３８による、前
記イルミネーション−コレクションモードを、プローブ
１１８から励起光を照射し、同じプローブ１１８でラマ
ン光を集光する近接場ラマン分光装置に用いることも可
能である。また、前記イルミネーション−コレクション
モードを、プローブ１１８から赤外光を照射し、同じプ
ローブ１１８で赤外光を集光する近接場赤外分光装置に
用いることも可能である。

【０１１９】また、前記イルミネーション−コレクショ
ンモードを、プローブ１１８から励起光を試料１１２に
照射し、同じプローブ１１８で励起光により励起された
測定試料１１２のラマン散乱光を集光する近接場ラマン
分光装置に用いることも可能である。さらに、前記イル
ミネーション−コレクションモードを、プローブ１１８
から赤外光を試料１１２に照射し、同じプローブ１１８
で測定試料１１２からの反射光を集光する近接場赤外分
光装置に用いることも可能である。

【０１２０】ビームスプリッタ ところで、前記図２３に示した近接場光学顕微鏡２３８
において、ビームスプリッタ２４４として、１：１の比
率で分ける一般的なビームスプリッタを用いると、プロ
ーブ１１８により集光された試料１１２からの光Ｌ７
は、集光された量の半分しか取り出すことができず、高
感度に試料の光を取り出す場合の妨げとなっていた。

【０１２１】これは一般的な測定系に用いた場合には問
題が生じないが、特に本実施形態にかかる近接場光学顕
微鏡の光学系に用いた場合には、検出光としての近接場
光は、一般的な検出光に比較し微弱な光であるため、他
の測定系に明るさが必要であり、前記集光された量の半
分しか取り出せないという問題は、深刻な問題であっ
た。そこで、本実施形態にかかる近接場光学顕微鏡２３
８では、前記イルミネーション−コレクションモードを
行うためのビームスプリッタ２４４として、１：１でな
い非対称ビームスプリッタ、ローパスフィルタ、バンド
リジェクションフィルタ、バンドパスフィルタ、ファイ
バカプラよりなる群から選ばれた１つの光学部品を用い
ている。

【０１２２】この結果、本実施形態にかかる近接場光学
顕微鏡２３８によれば、前記１：１でない非対称ビーム
スプリッタを用いると、入射光を１：１の比率で分ける
一般的なビームスプリッタを用いた場合に比較し、プロ
ーブから取り出した目的の光を５０％以上の効率で取り
出すことができるので、満足のゆく明るさが得られる。

【０１２３】試料面観察機構 光ファイバを用いた近接場光学用プローブや、ＳＴＭに
用いられる金属プローブでは、配置上、真上からの顕微
鏡観察が困難であった。また、凹面ミラー等を用いて観
察することも考えられるが、その配置が制限されるの
で、見込み角を大きくとれない等の問題がある。これに
より、十分な分解能が得られない場合がある。

【０１２４】ここで、一般的な測定系では十分な分解能
でも、より高分解能が求められる本実施形態にかかる顕
微鏡で用いるには、見込み角を大きくとれず、高分解能
化が困難な点は、改善の余地が残されていた。そこで、
本実施形態にかかる顕微鏡では、図２４に示す試料面観
察機構２５２を用いることが好ましい。同図に示す試料
面観察機構２５２は、プローブ１１８のホルダの根元、
あるいはプローブアタッチメントの下部などのホルダ２
５４に、ミラー２５６が取り付けられる。

【０１２５】そして、そのミラー２５６を介して、さら
にレンズ２５８，２６０を介して測定試料表面１１２の
顕微鏡像Ｌ８を、ＣＣＤ２６２等により観察することに
より、測定試料表面１１２の真上からの観察を可能にし
ている。この結果、本実施形態にかかる顕微鏡では、同
図に示す試料面観察機構２５２を用いると、安価な構成
で、従来極めて困難であった容易に真上から観察するこ
とが可能となる。

【０１２６】また、本実施形態にかかる顕微鏡では、同
図に示す試料面観察機構２５２を用いると、顕微鏡の対
物レンズなどの配置が容易となり、見込み角をより大き
くとれるので、満足のゆく高分解能を得ることも可能と
なる。なお、前記ミラー２５６としては、穴あきミラ
ー、スリワリミラー、穴あきプリズム、スリワリプリズ
ム、アタッチメントを直接ミラー加工したミラー面など
よりなる群から選ばれた一の光学部品を用いることが可
能となる。

【０１２７】また、前記ミラー２５６を介して顕微分
光、あるいはマクロ分光を行うことにより、マクロ分光
と顕微分光と近接場プローブ分光を行うことのできる原
子間力顕微鏡を得ることが可能となる。

【０１２８】ファイバ端面観察機構 例えば、近接場光学顕微鏡などのプローブ顕微鏡では、
プローブにレーザ光を導入する調整は、プローブ先端部
から射出されるレーザ光の強度を確認しつつ、位置調整
を行うか、ファイバ端面からのレーザ反射光を観察しな
がら調整していた。しかしながら、この場合には、ファ
イバのコアとレーザ光との位置関係を認識することがで
きず、直感的に調整する必要があり、時間がかかるの
で、この点は、改善の余地が残されていた。

【０１２９】そこで、本実施形態にかかる顕微鏡は、図
２５に示すファイバ端面観察機構２６４を用いることも
好ましい。同図に示すファイバ端面観察機構２６４は、
例えばプローブ１１８から近接場光を測定試料に照射
し、該プローブ、あるいは集光レンズなどにより、該測
定試料からの散乱近接場光を集光する近接場光学顕微鏡
などを想定している。そして、このプローブ１１８につ
ながる光ファイバのプローブ側とは反対側の光ファイバ
端面２６５に、プローブ１１８に導入する単色光源２６
６からのレーザ光Ｌ６をレンズ２６８、ビームスプリッ
タ２７０、レンズ２７２を介して照射している。

【０１３０】このとき、同図に示すファイバ端面観察機
構２６４は、光ファイバ端面２６５に白色光源２７４か
らの白色光Ｌ９を直接照射している。この結果、本実施
形態にかかる顕微鏡によれば、ファイバコア２７６とレ
ーザ光の位置関係を、白色光源２７４からの光Ｌ９の照
射により、レンズ２７２、ビームスプリッタ２７０、レ
ンズ２７８及びＣＣＤ２８０により直接観察しながら、
ファイバコア２７６とレーザ光Ｌ６の位置を調整するこ
とが可能となる。

【０１３１】したがって、同図に示すファイバ端面観察
機構２６４を用いると、調整すべき方向をその都度、確
認することができるので、従来のように直感的に調整し
た場合に比較し、前記調整を迅速に、かつ、容易に行う
ことが可能となる。

【０１３２】位置調整機構 光学素子やステージ等の部品の３軸方向、つまりＸＹＺ
方向の位置決めを行う際は、互いに直交する３軸方向
に、各位置調整の軸が突出したものが一般的に用いられ
る。しなしながら、前記調整のために互いに直交する３
軸方向からアクセスするように組み込まれると、構成が
複雑となる。また、３軸方向から調整する必要があり、
作業が面倒であった。

【０１３３】このため、比較的に簡略な測定系で用いる
には問題とならない複雑な構成や操作であっても、一般
的な測定系に比較し、より多機能を備えるために各種の
操作が必要となる本実施形態にかかるプローブ顕微鏡で
は、構成の簡略化や操作容易化が必要となり、前記問題
は改善の余地が残されていた。そこで、本実施形態にか
かる顕微鏡では、図２６に示す位置調整機構２８１を用
いることも好ましい。

【０１３４】同図に示す位置調整機構２８１は、位置調
整用ネジ２８２と、三角ブロック２８３と、を含む。こ
こで、前記位置調整用ネジ２８２は、操作側の端部に取
手２８４が設けられており、この取手２８４を回転させ
ると、図中、ｉ方向に移動する。また、前記三角ブロッ
ク２８３は、取手側の斜面２８３ａが位置調整用ネジ２
８２の先端部２８２ａと当接し、その対向面２８３ｂが
ステージ等の部品２８６に固定されている。

【０１３５】この三角ブロック２８３は、位置調整用ネ
ジ２８２が図中ｉ方向に移動すると、その斜面２８３ａ
の傾斜方向の図中ｊ方向のみに移動可能となるように、
その移動方向が、スライダ等（図示省略）により規制さ
れている。そして、ＸＹＺ３軸の位置を調整するには、
同図に示す位置調整機構２８１を３つ設ける。すなわ
ち、Ｘ軸用三角ブロックがＸ方向のみに移動可能となる
ように、Ｘ軸用三角ブロックの斜面の向きと、Ｘ軸用ス
ライダ等が規制するＸ軸用三角ブロックの移動可能な方
向を考慮し、ステージ等の部品２８６のある面に、同図
に示す位置調整機構２８１をＸ軸方向の位置調整用とし
て設ける。

【０１３６】また、Ｚ軸用三角ブロックがＺ方向のみに
移動可能となるように、Ｚ軸用三角ブロックの斜面の向
きと、Ｚ軸用スライダ等が規制するＺ軸用三角ブロック
の移動可能な方向を考慮し、ステージ等の部品２８６
の、前記Ｘ軸用の位置調整機構が設けられた面と同一の
面に、位置調整機構２８１をＺ軸方向の位置調整用とし
て設ける。

【０１３７】また、Ｙ軸用三角ブロックがＹ方向のみに
移動可能となるように、Ｙ軸用三角ブロックの斜面の向
きと、Ｙ軸用スライダ等が規制するＹ軸用三角ブロック
の移動可能な方向を考慮し、前記ステージ等の部品２８
６のＸ軸用の位置調整機構とＺ軸用の位置調整機構が設
けられた面と同一の面に、位置調整機構２８１をＹ軸方
向の位置調整用として設ける。

【０１３８】このように、同一の方向からＸＹＺ３軸の
位置調整が可能となるように、各位置調整用ネジの取手
の方向を考慮している。この結果、本実施形態にかかる
顕微鏡では、前述のように同図に示す位置調整機構２８
１を３つ、各軸方向の位置調整用に用いると、ＸＹＺ３
軸の位置調整をする際は、使用者は同一の方向からアク
セスすることが可能となるので、構成の簡略化と、操作
容易化が図られる。

【０１３９】なお、三角ブロック２８３の傾面２８３ａ
の傾斜角度θを適当に決めることにより、位置調整用ネ
ジ２８２の取手２８４の回転を拡大、又は縮小すること
が可能となる。つまり、前記三角ブロック２８３の斜面
２８３ａの傾斜角度θを大きくすれば、前記位置調整用
ネジ２８２の取手２８４の回転を拡大することが可能と
なる。一方、前記三角ブロック２８３の斜面２８３ａの
傾斜角度θを小さくすれば、前記位置調整用ねじ２８２
の取手２８４の回転を縮小することができるので、位置
調整機構２８１の設けられた部品２８６を適宜、かつ、
容易に位置決めすることが可能となる。

【０１４０】反射集光系 例えば、測定試料からの光を集光し、検出又は分光する
測定系においては、一般に、単一の対物レンズを用いて
集光していた。この場合、光を集めることのできる見込
み角は限られており、高感度測定の場合には光量が不足
してしまう。また、複数のレンズを用いることも考えら
れるが、これらの光を有効に結合する方法が知られず、
効率的に感度を上げることができなかったため、前記光
量不足の解決の手段としては採用するには至らなかっ
た。

【０１４１】そして、一般的な測定系では、特に問題と
はならない光量の不足であっても、一般的な測定系に比
較し、より微小な試料に関して、より高精度な測定が要
求される原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡などのプロ
ーブ顕微鏡では、多少の光量不足が深刻な検出精度の低
下を生じる場合があり、これを解決することのできる技
術の開発が急務である。

【０１４２】そこで、本実施形態にかかる顕微鏡では、
図２７に示す反射集光系２８８を用いることも好まし
い。同図に示す反射集光系２８８は、測定試料１１２の
周囲に、複数の対物レンズ２９０，２９２，２９４，２
９６を配置する。そして、これらの対物レンズ２９０〜
２９６により、測定試料１１２の測定点Ｐ０からの発
光、散乱光、透過光などの測定点Ｐ０における成分情報
等を含む光Ｌ１０ａ〜Ｌ１０ｄを集光する。

【０１４３】この各対物レンズ２９０，２９２，２９
４，２９６からの光Ｌ１０ａ〜Ｌ１０ｄを、各光カプラ
２９８〜３０４を用いて分光器、或いは検出器の入射ス
リット３０６に縦方向に並べて入射することにより各光
Ｌ１０ａ〜Ｌ１０ｄを結合している。この結果、本実施
形態にかかる顕微鏡では、同図に示す反射集光系２８８
を用いると、分光器や検出器の光の利用効率は、入射ス
リット３０６の縦方向の位置によらず、異なる光Ｌ１０
ａ〜Ｌ１０ｄを縦方向に分けて導入することにより、集
光量を上げることが可能となる。

【０１４４】したがって、従来極めて困難であった、集
光した光Ｌ１０ａ〜Ｌ１０ｄの光量に比例して感度を上
げることが可能となる。これにより、同図に示す反射集
光系２８８は、一般的な測定系に比較し大光量の光が必
要な原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡などのプローブ
顕微鏡にも、良好に用いることが可能となる。

【０１４５】光学シャッタ 分光器などに使用される光学シャッタの駆動部材には、
例えば電磁磁石、モータ、ステッピングモータ等が一般
的に用いられる。しかしながら、前記一般的な駆動部材
を用いると、多かれ少なかれシャッタの開閉時に振動が
発生する。この振動が通常の測定系では問題とならない
ものであっても、原子間力顕微鏡や近接場光学顕微鏡な
どのプローブ顕微鏡のように、プローブの微小振動を検
出する測定系の場合、特に振動に敏感であり、前記光学
シャッタの開閉時の振動さえも、測定に悪影響を及ぼし
てしまうおそれがあった。

【０１４６】そこで、本実施形態にかかる顕微鏡では、
例えば図２８に示す光学シャッタ３０８を用いることが
好ましい。同図（ａ）において、シャッタ本体３１０の
駆動機構には、振動のないバイモルフ３１２を用い、一
方が基台３１４に固定され、他方がシャッタ本体３１０
に固定されている。

【０１４７】そして、バイモルフ３１２は、電圧印加に
より、同図（ｂ）に示すようにシャッタ本体３１０側の
先端部が、例えば図中時計周りに反ったり、元の状態に
戻る。これにより、シャッタ本体３１０も図中、時計周
り、又は反時計周りに駆動する。この結果、本実施形態
においては、前記分光器等の光学シャッタに、同図に示
す光学シャッタ３０８を用いると、バイモルフ３１２自
体、何の振動も発生せず、またバイモルフ３１２にかか
る電圧で、シャッタ本体３１０の位置を正確に決めるこ
ともできるので、光学シャッタ本体３１０の位置出しの
ための突き当てによる振動もなくなる。

【０１４８】したがって、同図に示す光学シャッタ３０
８は、他の測定系に比較し、特に振動に敏感な原子間力
顕微鏡や近接場光学顕微鏡などの分光器や検出器などの
光学シャッタとしても、良好に用いることができる。

【０１４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかるプロ
ーブ顕微鏡によれば、プローブを、可撓性を有する例え
ばファイバプローブなどの針状プローブとし、加振手段
により、該プローブ試料側先端部が、測定試料表面とプ
ローブ間に働く原子間力や、光近接場等の相互作用の増
減に応じた径を持つ円を描くように、該先端部を撓らせ
ながらプローブを回転させ、検出手段により、前記両者
間に働く相互作用によるプローブ先端部が描く回転円径
の増減を検出し、該回転円径の増減から該測定試料表面
とプローブ間の距離情報を得ることとした。この結果、
本発明においては、両者間に働く相互作用によるプロー
ブ試料側先端部が描く回転円径の増減を検出することに
より、縦方向成分の相互作用を検出することとなるの
で、一般的なシアフォースなどの横ずれ成分を検出した
場合に比較し、検出感度の向上が図られる。しかも、可
撓性を有する例えばファイバプローブ等の針状プローブ
を用いることにより、一般的な金属製カンチレバープロ
ーブでは非常に困難であったプローブ位置における試料
表面の成分などの解析も同時に行うことができる。ま
た、本発明においては、測定試料表面とプローブ間に働
く相互作用による該プローブ先端部が描く回転円径の増
減を検出し、該回転円径の増減から、該測定試料表面と
プローブ間の距離情報を得ることとしたので、検出手段
の配置と数等には制限がない。したがって、従来極めて
困難であった、検出手段の各構成部材に関しては、配置
の自由度が図られると共に、検出手段の数を増やせば、
得られる反射ないし透過プローブ光強度等の距離情報量
が多くなるので、より高感度検出を行うことができる。
また、本発明にかかるプローブ顕微鏡によれば、測定試
料表面とプローブ間に働く相互作用による該プローブ試
料側先端部が描く回転円径の増減を検出することによ
り、一般的なシアフォースなどの横ずれ成分を検出した
場合や、単に縦方向に振動するカンチレバープローブを
用いた場合には、非常に困難であった、測定試料表面の
走査方向によらない、等方的な測定を行うことができ
る。なお、本発明においては、少なくとも前記プローブ
試料側先端部が、前記測定試料表面とプローブ間に働く
相互作用の増減に応じた径を持つ円を描くように、該先
端部を撓らせながらプローブを回転可能な、圧電素子及
びモータよりなる群から選ばれた一の駆動部材を用いる
ことにより、簡略な構成で、前記プローブ加振を良好に
行うことができる。また、本発明においては、検出手段
として、プローブ試料側先端部にプローブ光を照射可能
なプローブ照射部と、該プローブ先端部からの反射ない
し透過プローブ光を検出する光検出部と、該光検出部で
得た反射ないし透過プローブ光からプローブ試料側先端
部が描く回転円径の増減情報を得る信号処理部を含むも
の、あるいはプローブ試料側先端部が描く回転円径の増
減情報を取得可能な石英振動子及び圧電素子よりなる群
から選ばれた一の部材を用いることにより、簡略な構成
で、前記回転円径の増減情報を良好に得ることができ
る。また、本発明においては、プローブの試料側先端部
とは反対側のほぼ全周囲に亘って、加振手段としての対
向配置の加振電極対と、検出手段としての対向配置の検
出電極対を交互に配置した、例えば４分割以上等の分割
型の圧電素子とし、制御手段により、前記加振電極対に
よるプローブ加振と、前記検出電極による回転円径増減
の検出を、同時又は時分割に交互に行わせることによ
り、加振手段と検出手段を別個独立に設けた場合に比較
し省スペース化が図られる。これにより装置の小型化が
図られる。さらに、本発明においては、走査手段によ
り、検出手段で得た測定試料表面とプローブ間の距離を
一定に保つように、該測定試料を走査し、画像化手段に
より、走査手段の制御情報を画像化し、測定試料表面の
凹凸情報を画像化することにより、試料の表面の凹凸情
報を的確に把握することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のカンチレバープローブを用いた原子間力
顕微鏡の測定原理の説明図であり、同図（ａ）は正面
図、同図（ｂ）上面図である。

【図２】針状プローブを用いた従来のプローブ顕微鏡の
測定原理の説明図であり、同図（ａ）は正面図、同図
（ｂ）上面図である。

【図３】本発明の一実施形態にかかる原子間力顕微鏡の
概略構成の説明図である。

【図４】，

【図５】，

【図６】図３に示した顕微鏡において特徴的な、測定原
理の説明図であり、図４は斜視図、図５は側面図、図６
は上面図である。

【図７】，

【図８】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において好
適な、プローブ加振機構、回転円径検出機構の説明図で
ある。

【図９】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において好
適な、回転円径検出機構の説明図である。

【図１０】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、プローブ加振周波数設定機構の説明図である。

【図１１】，

【図１２】従来の試料ステージの問題点の説明図であ
る。

【図１３】，

【図１４】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、試料ステージの概略構成の説明図である。

【図１５】，

【図１６】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、試料交換機構の概略構成の説明図である。

【図１７】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、プローブ交換機構の概略構成の説明図である。

【図１８】，

【図１９】，

【図２０】，

【図２１】，

【図２２】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、ステージ駆動機構の説明図である。

【図２３】本発明の一実施形態にかかる近接場光学顕微
鏡の概略構成の説明図である。

【図２４】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、試料面観察機構の説明図である。

【図２５】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、ファイバ端面観察機構の説明図である。

【図２６】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、位置調整機構の説明図である。

【図２７】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、反射集光系の説明図である。

【図２８】本発明の一実施形態にかかる顕微鏡において
好適な、光学シャッタの説明図である。

【符号の説明】

１１８…プローブ １２０…原子間力顕微鏡（プローブ顕微鏡） １２２…加振手段 １２４…検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 成田 貴人 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 久田 秀穂 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 宮島 達哉 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 斎藤 修 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 渡辺 伸一郎 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 斎藤 臣也 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 阿久津 耕二 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 照山 晋 東京都八王子市石川町2967番地の５ 日本 分光株式会社内 (72)発明者 大津 元一 東京都品川区豊町３−１−８−101 Ｆターム(参考） 2F063 AA43 CA09 DA01 DB05 DC08 DD02 EA16 FA07 JA04 LA05 ZA02 2F069 AA60 DD19 GG04 GG52 GG59 GG62 HH02 JJ14 LL03 MM21 MM34

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定試料表面とプローブ試料側先端部の
   間の距離を近接させ、該測定試料表面とプローブ試料側
   先端部の間に働く相互作用を検出し、該両者間に働く相
   互作用から該測定試料の表面情報を得るプローブ顕微鏡
   において、 前記プローブは可撓性を有する針状プローブであり、 前記プローブ試料側先端部が、前記測定試料表面とプロ
   ーブ試料側先端部の間に働く相互作用の増減に応じた径
   を持つ円を描くように、該試料側先端部を撓らせながら
   該プローブを回転可能な加振手段と、 前記測定試料表面とプローブ試料側先端部の間に働く相
   互作用によるプローブ試料側先端部が描く回転円径の増
   減を検出し、該回転円径の増減から該測定試料表面とプ
   ローブ試料側先端部の間の距離情報を得る検出手段と、 を備えたことを特徴とするプローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプローブ顕微鏡におい
   て、 前記加振手段は、前記測定試料表面とプローブ試料側先
   端部の間の距離が近接ないし離隔する方向にも該プロー
   ブを振動させつつ、 前記検出手段は、前記測定試料表面とプローブ試料側先
   端部の間に働く相互作用によるプローブ試料側先端部が
   描く回転円径の増減を検出し、該回転円径の増減から該
   測定試料表面とプローブ試料側先端部の間の距離情報を
   得ることを特徴とするプローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のプローブ顕微鏡に
   おいて、 前記加振手段は、少なくとも前記プローブ試料側先端部
   が前記測定試料表面とプローブ試料側先端部の間に働く
   相互作用の増減に応じた径を持つ円を描くように、該試
   料側先端部を撓らせながら該プローブを回転可能な、圧
   電素子及びモータよりなる群から選ばれた一の駆動部材
   を含むことを特徴とするプローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れかに記載のプローブ
   顕微鏡において、 前記検出手段は、前記プローブにプローブ光を照射可能
   なプローブ照射部と、 前記プローブからの反射ないし透過プローブ光を検出す
   る光検出部と、 前記光検出部で得た反射ないし透過プローブ光から、前
   記プローブ試料側先端部が描く回転円径の増減情報を得
   る信号処理部と、 を備えたことを特徴とするプローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 請求項１〜４の何れかに記載のプローブ
   顕微鏡において、 前記検出手段は、前記プローブ試料側先端部が描く回転
   円径の増減情報を取得可能な、石英振動子及び圧電素子
   よりなる群から選ばれた一の部材であることを特徴とす
   るプローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れかに記載のプローブ
   顕微鏡において、 前記プローブの試料側先端部とは反対側のほぼ全周囲に
   亘って、前記加振手段としての対向配置の加振電極対
   と、前記検出手段としての対向配置の検出電極対を交互
   に配置した分割型の圧電素子とし、 前記加振電極対による前記プローブ加振と、前記検出電
   極対による前記回転円径の増減の検出を、同時又は時分
   割に交互に行わせる制御手段を備えたことを特徴とする
   プローブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 請求項１〜６の何れかに記載のプローブ
   顕微鏡において、 前記測定試料表面とプローブ試料側先端部の間に働く相
   互作用は、力学的相互作用であることを特徴とするプロ
   ーブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 請求項１〜７の何れかに記載のプローブ
   顕微鏡において、 前記測定試料表面とプローブ試料側先端部の間に働く相
   互作用は、光近接場であることを特徴とするプローブ顕
   微鏡。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれかに記載のプロー
   ブ顕微鏡において、 前記検出手段で得た測定試料表面とプローブ試料側先端
   部の間の距離を一定に保つように、該測定試料表面を走
   査可能な走査手段と、 前記走査手段の制御情報を画像化し、前記測定試料表面
   の凹凸情報を画像化する画像化手段と、 を備えたことを特徴とするプローブ顕微鏡。