JP2003014611A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定前の光学調整作業に要する時間の短縮が
簡単な構成によって達成された走査型プローブ顕微鏡を
提供する。 【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、探針２０９を自
由端に有するカンチレバー２０７と、これに光ビーム２
３１を照射する光源２２１と、カンチレバー２０７で反
射された光ビーム２３３を検出する光検出器２３５と、
光検出器２３５の検出情報に基づいてカンチレバー２０
７の変位を求める変位算出処理部と、光源２２１をその
射出光ビーム２３１の光軸に垂直な平面内で移動させる
光源位置制御部１０１と、試料２１１をＸＹ方向とＺ方
向に移動させる試料走査部２１３と、ＸＹ走査のための
ＸＹ走査駆動制御部２６４と、Ｚ走査のためのＺ走査駆
動制御部２６３と、試料２１１とカンチレバー２０７の
光学像を得る撮像部１００と、撮像部１００で得られる
情報を処理する画像処理部とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面の情報を
高い分解能で測定するための走査型プローブ顕微鏡等に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡の１つに原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）がある。この原子間力顕微鏡では、弾
性的にたわみ変形可能なカンチレバーの自由端に支持さ
れたプローブすなわち探針を試料に近接あるいは接触さ
せ、カンチレバーを試料の表面に沿って走査しながら、
試料表面の形状変化に応じて変化する探針試料間の原子
間力に応じて変化するカンチレバーのたわみ変形量すな
わち変位を検出し、この検出情報を探針の位置情報と関
連づけて処理することにより試料表面の形状を測定し得
る。

【０００３】カンチレバーのたわみ変形を検出する手段
としては、光テコ法を用いた光学的手法や光干渉計によ
る光学的手法やピエゾ抵抗を利用した電気的手法などが
あるが、最も簡便な光テコ法を用いた光学的手法が最も
多く用いられている。

【０００４】光てこ方式による変位検出系は、基本的
に、カンチレバーに光ビームを照射するための光源と、
カンチレバーで反射された光ビームを検出するための光
検出器とを備えている。カンチレバーで反射された光ビ
ームは、カンチレバーのたわみ変形に応じて光検出器に
対する入射位置が変化する。光検出器は、光ビームの入
射位置に対応した信号を出力し、この信号に基づいてカ
ンチレバーのたわみ変形量すなわち変位が求められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光てこ法による変位検
出系において、よく光源に用いられる半導体レーザーか
ら射出される直径３０μｍ以下の光ビームを幅３０μｍ
程度のカンチレバーの上面に照射する場合には、極めて
高精度な位置調整作業が必要となる。カンチレバーに対
する光ビームの照射位置が僅かでもずれると、光ビーム
の一部がカンチレバーの傍を通り抜け、これが試料表面
に当たって散乱した反射光が外乱光となって検出器に入
射するため、測定精度を一定レベルに維持することが難
しい。従って、高い検出精度を得るためには、光ビーム
はカンチレバーに対して高い精度で位置合わせされる必
要がある。

【０００６】しかしながら、これまで、光てこ法による
変位検出系の焦点位置に対するカンチレバーの位置合わ
せは一般に手動操作によって行なわれている。更に、検
査者の目視確認によって、変位センサの焦点位置に対す
るカンチレバーの光軸ずれ量の確認作業が行なわれてい
る。このため、高精度な光軸合わせを行なうことが困難
であると共に、位置調整に多くの時間を要してしまう。

【０００７】また、位置調整機構を独立に設ける必要が
あり、これは装置の大型化と製造コストの上昇を招いて
いる。特に走査型プローブ顕微鏡の分野では、μｍオー
ダーの高精度な位置決め分解能が要求されており、この
要求に応える位置調整機構は通常その構成が非常に複雑
であるため、そのぶん更なる装置の大型化と製造コスト
の上昇を招いている。

【０００８】光てこ法による変位検出系における光ビー
ムに対するカンチレバーの位置合わせを簡略する手法が
これまでにもいくつか提案されている。

【０００９】例えば、特開平１０−１０４２４５では、
光源とカンチレバーの間に、光ビームを走査し得る音響
光学変調器を配置し、測定中に光ビームのアライメント
調整を自動的に行なっている。また、カンチレバーを追
跡しながら光ビームを当てることができるので、高周波
走査にも適している。

【００１０】この走査型プローブ顕微鏡では、音響光学
変調器を用いて、走査中にカンチレバーを追従しながら
光ビームを制御するため、装置の高価格化と大型化を招
いている。

【００１１】また、特開平１０−２６７９４８には、試
料を走査可能な角度でカンチレバーを保持するホルダ
と、試料を載置した状態で所望の方向に移動自在なステ
ージに設けられ且つホルダをセット可能な複数のセット
ステーションと、ホルダを着脱自在に支持可能であって
且つ支持されたホルダを所望の方向にスライド可能な支
持ユニットと、セットステーションと支持ユニットとの
間の位置関係を相対的に変化させることによって、セッ
トステーションにセットされた所望のホルダを三次元方
向に相対的に移動可能な移動機構と、カンチレバーが所
望の位置に位置付けられるように、支持ユニットに支持
されたホルダをスライドさせることによってホルダの位
置を自動的に調整可能な位置調整機構とを備える走査型
プローブ顕微鏡が開示されている。

【００１２】この走査型プローブ顕微鏡では、ＸＹステ
ージをＸＹ方向に移動させて、また交換用ホルダをＸＹ
方向にスライドさせることによって、カンチレバーの上
面を集光位置に位置付けている。落射光学像を観察でき
るカンチレバー観察用モニタには、カンチレバーの像と
クロスが画像表示され、位置検出回路は、クロスとレバ
ー像との間の位置関係に基づいて、クロス中心とカンチ
レバーの先端との間のずれ量を算出する。位置検出回路
からの算出結果に基づいてＸＹステージ移動機構を制御
して、ＸＹステージをＸＹ方向に自動的に移動させてい
る。

【００１３】この走査型プローブ顕微鏡では、カンチレ
バーを移動させるためのＸ，Ｙ，Ｚステージを必要と
し、さらに専用に自動調整用ＣＣＤカメラが落射光学系
に必要となるので、装置の大型化を招いている。さら
に、検出系の光軸合わせの機構を持たないため、検出系
の光軸合わせは手動で行なわれるので、検出系の光軸合
わせに多くの時間を必要とする。

【００１４】本発明は、測定前の光学調整作業に要する
時間の短縮が簡単な構成によって達成された走査型プロ
ーブ顕微鏡を提供する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、試料と相互作用する探針を自由端に有する弾
性的にたわみ変形可能なカンチレバーと、カンチレバー
に光ビームを照射するための光源と、カンチレバーで反
射された光ビームを検出するための光検出器と、光検出
器で検出される情報に基づいてカンチレバーの変位を求
める変位算出処理部と、光源から射出される光ビームの
光軸を移動させるための光軸移動手段と、載置された試
料を水平方向と垂直方向に移動させるための試料走査部
と、試料の水平方向走査のために試料走査部を制御する
水平走査駆動制御部と、試料の垂直方向走査のために試
料走査部を制御する垂直走査駆動制御部と、試料とカン
チレバーの光学像を得るための撮像手段と、撮像手段で
得られる情報を処理する画像処理部とを備えている。

【００１６】

【発明の実施の形態】第一実施形態 第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１に示す。図
１に示されるように、走査型プローブ顕微鏡は、試料２
１１と相互作用するプローブすなわち探針２０９を自由
端に有する弾性的にたわみ変形可能なカンチレバー２０
７を備えている。カンチレバー２０７は剛性の高いアー
ムによって保持されている。探針２０９はカンチレバー
２０７の先端部の下面から下方に突出している。

【００１７】走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー２
０７のたわみ変形を検出するための光てこ法による変位
検出系を有しており、この変位検出系は、カンチレバー
２０７に光ビーム２３１を照射するためのレーザー発振
器等の光源２２１と、カンチレバー２０７で反射された
光ビーム２３３を検出するための光検出器２３５と、光
検出器２３５で検出される情報に基づいてカンチレバー
２０７の変位を求める変位算出処理部とを備えている。
変位算出処理部は、光検出器２３５の出力信号をデジタ
ルデータに変換するＡ／Ｄ変換器２６１と、Ａ／Ｄ変換
器２６１からのデジタルデータを処理するデータ処理部
２６２とを含んでいる。

【００１８】変位検出系は、さらに、光源２２１からカ
ンチレバー２０７に至る光路上に配置された、光源２２
１からの光ビーム２３１を収束させるための収束レンズ
２６０を備えている。収束レンズ２６０は、カンチレバ
ー２０７の上面において、光ビーム２３１の径を適切な
大きさに絞る働きをする。

【００１９】また、走査型プローブ顕微鏡は、試料２１
１が載置される試料走査部２１３であって、載置された
試料２１１を水平方向すなわちＸＹ方向と垂直方向すな
わちＺ方向に移動させるための試料走査部２１３と、試
料２１１の水平方向走査すなわちＸＹ走査のために試料
走査部２１３を制御するＸＹ走査駆動制御部２６４と、
試料２１１の垂直方向走査すなわちＺ走査のために試料
走査部２１３を制御するＺ走査駆動制御部２６３とを備
えている。

【００２０】走査型プローブ顕微鏡は、さらに、試料２
１１とカンチレバー２０７の光学像を得るするための撮
像部１００と、撮像部１００で得られる情報を処理する
ための画像処理部とを備えている。画像処理部は、撮像
部１００の出力信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ
変換器１０３と、デジタルデータに変換されたＡ／Ｄ変
換器１０３からのデータを処理するデータ処理部１０４
とを含んでいる。

【００２１】また走査型プローブ顕微鏡は、光源２２１
をそこから射出される光ビーム２３１の光軸に垂直な平
面内で移動させるための光源位置制御部１０１を備えて
いる。光源位置制御部１０１は、より詳しくは、光源２
２１を移動させるための光源移動機構と、光源移動機構
を制御するための光源移動機構制御部とを含んでいる。
光源移動機構は、例えば図２に示されるように、光源を
Ｘ軸に沿って移動させるためのステッピングモーター２
２５と、光源をＹ軸に沿って移動させるためのステッピ
ングモーター２２６とを含む、光源を二本の軸に沿って
独立に移動し得る構造体である。

【００２２】ステッピングモーターは、これに入力され
るパスル信号に従って光源２２１を細かいステップで移
動させる。例えば、０．１μｍ／パルスの設定において
は、光源位置制御部１０１からの１０パルスの正方向の
信号の入力に対して、光源２２１は正の方向に正確に１
μｍ移動される。このステップの設定は、モータの特性
と送り機構の設計により、所望の値に決められる。この
ような光源移動機構は、光源２２１のＸＹ位置を高精度
に調整し得る。

【００２３】さらに走査型プローブ顕微鏡は、光検出器
２３５をこれに入射する光ビーム２３３の光軸に垂直な
平面内で移動させるための検出器位置制御部１０２を備
えている。検出器位置制御部１０２は、より詳しくは、
光検出器２３５を移動させるための（図示しない）検出
器移動機構と、この検出器移動機構を制御するための検
出器移動機構制御部とを含んでいる。検出器移動機構
は、例えば、光源移動機構と同様に、二つのステッピン
グモータにより光検出器２３５を二本の軸に沿って独立
に移動し得る構造体である。

【００２４】試料走査部２１３は、例えばチューブスキ
ャナーであり、それに載置された試料２１１の下方から
の光学観察を可能にする形態を有している。例えば、試
料走査部２１３は、この分野で広く使用されているチュ
ーブスキャナーであり、その内側の空洞は、その下方か
らの光学観察のための光路の空間を与える。また、撮像
部１００は、チューブスキャナー２１３の下方に配置さ
れており、チューブスキャナー２１３の内側の空間を介
して、下方から試料２１１とカンチレバー２０７の光学
像を取り得る。

【００２５】試料走査部２１３は、チューブスキャナー
に限定されるものではなく、その下方からの光学観察を
可能にする形態の任意のスキャナーやアクチュエーター
が適用可能である。

【００２６】光源２２１から射出される光ビーム２３１
は、収束レンズ２６０によって収束性ビームに変えられ
て、カンチレバー２０７に照射される。カンチレバー２
０７で反射された光ビーム２３３は、光検出器２３５に
入射し、その受光面にスポットを形成する。光検出器２
３５は、スポットの位置を反映した信号を出力する。光
検出器２３５の受光面に形成されるスポットは、カンチ
レバー２０７の変形に応じて移動する。従って、光検出
器２３５の出力に従ってスポットの位置を求めることに
より、カンチレバー２０７の変形を求めることができ
る。

【００２７】光てこ法によるカンチレバー２０７の変位
検出系においては、まず、カンチレバー２０７に照射さ
れる光ビーム２３１は、カンチレバー２０７に対して正
しく位置調整される必要がある。

【００２８】以下、このカンチレバー２０７と光ビーム
２３１の位置合わせについて説明する。この走査型プロ
ーブ顕微鏡は、生物試料等の透明な試料を測定の対象と
している。このため、ＣＣＤカメラ等の撮像部１００
は、位置合わせの対象であるカンチレバー２０７と光ビ
ーム２３１の両方を含む光学像を取得し得る。

【００２９】光ビーム２３１がカンチレバー２０７から
外れている場合、光ビーム２３１はカンチレバー２０７
で反射されてＣＣＤカメラ１００に到達し得ないため、
ＣＣＤカメラ１００で得られる光学像は、光ビーム２３
１が見える画像となる。他に照明光が無ければ、視野内
の背景が暗く、光ビーム２３１の明るさが支配的である
ため、容易にカンチレバー２０７と区別することができ
る。一方、光ビーム２３１がカンチレバー２０７に当た
っている場合には、光ビーム２３１がカンチレバー２０
７で遮られてＣＣＤカメラ１００に到達し得ないため、
ＣＣＤカメラ１００で得られる光学像は、全体的に暗い
画像になる。

【００３０】ＣＰＵ２５７からの駆動指令により光源位
置制御部１０１を駆動し、前述の光源移動機構により光
源２２１をその射出光ビーム２３１の光軸に垂直な平面
内で二次元的に移動させて、光ビーム２３１を観察視野
内で、例えば図３に示されるように、映像信号の走査と
同様のラスター走査する。

【００３１】ＸＹ移動ステップ毎に、ＣＣＤカメラの出
力の総和を、その点のデータとして取得する。ＸＹ移動
ステップ毎の各点における輝度データーは、全画面の画
像データー輝度総和に比例しているので、画像上の光ビ
ーム強度分布に基づいてカンチレバー２０７の先端位置
が求められる。

【００３２】例えば、図４に示されるＣＣＤカメラによ
る画像上において、光ビーム２３１の位置が（Ｘ１，Ｙ
１）の座標位置のとき、輝度総和画像としてのデータは
同じ座標（Ｘ１，Ｙ１）上のデータに相当し、この輝度
データをＣＣＤカメラによる画像の総和輝度Ｙ＝Σ（Ｘ
ｎ，Ｙｎ）とする。つぎに、図５に示されるように、
（Ｘ２，Ｙ１）の位置に移動して同様な処理を行ない、
最終的に一画面のカンチレバー画像を得る。最終的に得
られるカンチレバー２０７の画像は、図６に示されるも
のとなる。

【００３３】信号処理上、検出信号は、ＣＣＤカメラ１
００出力をＡ／Ｄ変換器１０３でデジタル変換し、デー
タ処理部１０４において一画面の画像データの加算処理
を行ない、その結果をＣＰＵ２５７へ送る。一画面毎の
加算のタイミングは、予め一画素に設定した移動ステッ
プ分をレーザー発振器２２１が移動後に、ＣＰＵ２５７
から加算開始信号を発生し、そのタイミングでデータ処
理部１０４で加算を行なう。これを、各移動ステップ毎
繰り返し、最終的に一画面走査して終わる。得られた総
和の光ビーム強度を、画像情報として視野に対応した画
像データとして記憶し、各画素のデータが例えば２５６
階調のデータとして一旦記憶される。

【００３４】その後、その画像データから、カンチレバ
ー２０７のアウトラインを割り出す為の二値化の画像処
理を行なう。閾値は、例えば、カンチレバー２０７に光
ビーム２３１が触れていないときの最大輝度の半分の値
が選ばれる。この二値化により、ノイズなどの不要な成
分が除去された画像データが得られ、カンチレバー２０
７の輪郭のはっきりした画像が得られる。これはほぼ、
図６と同じものとなる。

【００３５】次に、カンチレバー２０７の形状の三角形
の頂点の座標を割り出す。このため、まず最初に、横方
向の各ラインを比較して、暗い部分（カンチレバー２０
７）が狭くなる方向を見つける。例えば、図７において
は、ｎライン上の暗い部分（カンチレバー２０７に相
当）に比べて、ｎ＋１ライン上の暗い部分の幅が長いの
で、その下方向に先端が位置していることが分かる。そ
のまま下方向に対して同様の処理を、横ラインに暗い部
分が検出できなくなるまで繰り返し行なう。これによ
り、カンチレバー２０７の先端の位置座標が求められ
る。以上の画像データからの位置検出処理は、ＣＰＵ２
５７において行なわれる。

【００３６】カンチレバー２０７の先端位置が求められ
た後、レーザー発振器２２１をその位置に移動させて、
カンチレバー２０７に対する光ビーム２３１の位置を合
わせる。中心位置の決定には、検出画像上のレーザーの
ビーム径を考慮した位置を中心として定め、レーザーが
完全にカンチレバー２０７の先端部に載るようにする。

【００３７】もし、ここで位置ずれがわずかに発生した
場合、最終的な位置合わせは以下の処理を続けて行な
う。左右方向どちらかに微少ステップで光源２２１を移
動させ、そのステップ毎にＣＣＤカメラの出力の一画面
の輝度の総和を検出する。輝度の総和の値が低下する方
向が、光ビーム２３１がカンチレバー２０７に隠れる方
向である。左右方向に関して輝度の総和の値が最小にな
る点を求める。次に、上下方向に対しても同様の処理を
行ない、上下方向に関して輝度の総和の値が最小になる
点を求める。このように求められた点に光ビーム２３１
を合わせることにより、光ビーム２３１はカンチレバー
２０７の先端部の好適な位置に合わせられる。

【００３８】実際に、移動ステップについては、視野と
カンチレバー２０７、レーザーのビーム径に依存するの
で一概には言えないが、より高い精度が必要な場合や最
終的な微少な位置合わせにおいては、光源の移動ステッ
プは細かく行なわれるとよい。

【００３９】このようにしてカンチレバー２０７と光ビ
ーム２３１の位置合わせは終了する。カンチレバー２０
７と光ビーム２３１の位置合わせの終了後、光検出器２
３５が光ビーム２３３に対して適正な位置にあれば、そ
のまま測定に入ることができる。

【００４０】しかしながら、光ビーム２３３に対する光
検出器２３５の位置は、適正な位置からずれているのが
通常である。そのため、通常は、カンチレバー２０７と
光ビーム２３１の位置合わせの終了後に、光ビーム２３
３と光検出器２３５の位置合わせが必要である。

【００４１】光検出器２３５は、通常、隣接した二つの
受光領域を有する二分割フォトダイオードか、マトリッ
クス状に配列された隣接する四つの受光領域を有する四
分割フォトダイオードである。光検出器２３５は、二分
割フォトダイオードか四分割フォトダイオードかに応じ
て、図示しない検出器移動機構によって一軸または二軸
に移動可能に支持されている。検出器移動機構は、例え
ば、光源移動機構と同様な構成である。

【００４２】光検出器２３５が二分割フォトダイオード
である場合、二分割フォトダイオード２３５は、図８に
示されるように、Ｘ軸に平行な境界線によって区画され
ている二つの受光領域Ａ・Ｂを有している。これらの受
光領域Ａ・Ｂに形成される光ビーム２３３のスポットＳ
は、カンチレバー２０７のＺ軸に沿った移動に応じてＹ
軸に沿って移動する。

【００４３】二分割フォトダイオード２３５は、光ビー
ム２３３のスポットＳの中心がちょうど二つの受光領域
Ａ・Ｂの境界線上に位置するように、光ビーム２３３に
対する位置が調整される。この調整あるいは位置合わせ
は、Ａ／Ｄ変換器２６１・データ処理部２６２・ＣＰＵ
２５７・検出器位置制御部１０２によって行なわれる。

【００４４】Ａ／Ｄ変換器２６１は、受光領域Ａ・Ｂの
各出力信号ａ・ｂをデジタルデータに変換して、これを
データ処理部２６２に送る。データ処理部２６２は、受
光領域Ａ・Ｂの出力信号ａ・ｂの差信号ａ−ｂを求め、
これをＣＰＵ２５７に送る。差信号ａ−ｂの符号は、光
ビーム２３３のスポットＳのＹ軸に沿った移動方向に依
存し、差信号ａ−ｂの大きさは、光ビーム２３３のスポ
ットＳの中心が受光領域Ａ・Ｂの境界線に近づくときに
減少し、遠ざかるときに増大する。

【００４５】ＣＰＵ２５７は、これらを解析してスポッ
トＳの中心が受光領域Ａ・Ｂの境界線に近づく方向を探
し、差信号ａ−ｂが０となるように検出器移動機構を駆
動するための信号を求め、これを検出器位置制御部１０
２に送る。

【００４６】このような制御の結果、二分割フォトダイ
オード２３５は、受光領域Ａ・Ｂの各出力の差信号ａ−
ｂが０となるように、つまり光ビーム２３３のスポット
Ｓの中心がちょうど二つの受光領域Ａ・Ｂの境界線上に
来る位置に配置される。つまり、光ビーム２３３と光検
出器２３５の位置合わせが終了する。

【００４７】光検出器２３５が四分割フォトダイオード
である場合、四分割フォトダイオード２３５は、図９に
示されるように、Ｘ軸に平行な境界線とＹ軸に平行な境
界線とによって区画されている四つの受光領域Ａ・Ｂ・
Ｃ・Ｄを有している。これらの受光領域Ａ・Ｂ・Ｃ・Ｄ
に形成される光ビーム２３３のスポットＳは、カンチレ
バー２０７のＺ軸に沿った移動すなわちたわみ変形に応
じてＹ軸に沿って移動し、またカンチレバー２０７のそ
の長手軸周りの回転すなわちねじれに応じてＸ軸に沿っ
て移動する。

【００４８】四分割フォトダイオード２３５は、光ビー
ム２３３のスポットＳの中心がちょうど二本の境界線の
交点上に位置するように、光ビーム２３３に対する位置
が調整される。この調整あるいは位置合わせは、Ａ／Ｄ
変換器２６１・データ処理部２６２・ＣＰＵ２５７・検
出器位置制御部１０２によって行なわれる。

【００４９】Ａ／Ｄ変換器２６１は、受光領域Ａ・Ｂ・
Ｃ・Ｄの各出力信号ａ・ｂ・ｃ・ｄをデジタルデータに
変換して、これをデータ処理部２６２に送る。データ処
理部２６２は、信号（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）を求め、こ
れをＣＰＵ２５７に送る。信号（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）
の符号は、スポットＳのＹ軸に沿った移動方向に依存
し、信号（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）の大きさは、スポット
Ｓの中心がＸ軸に平行な境界線に近づくときに減少し、
遠ざかるときに増大する。

【００５０】ＣＰＵ２５７は、これらを解析してスポッ
トＳの中心がＸ軸に平行な境界線に近づく方向を探し、
信号（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）が０となるように検出器移
動機構を駆動するための信号を求め、これを検出器位置
制御部１０２に送る。この制御により、四分割フォトダ
イオード２３５は、光ビーム２３３のスポットＳの中心
がちょうどＸ軸に平行な境界線上に来る位置に配置され
る。

【００５１】続いて、データ処理部２６２は、信号（ａ
＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）を求め、これをＣＰＵ２５７に送
る。信号（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）の符号は、スポットＳ
のＸ軸に沿った移動方向に依存し、信号（ａ＋ｂ）−
（ｃ＋ｄ）の大きさは、スポットＳの中心がＹ軸に平行
な境界線に近づくときに減少し、遠ざかるときに増大す
る。

【００５２】ＣＰＵ２５７は、これらを解析してスポッ
トＳの中心がＹ軸に平行な境界線に近づく方向を探し、
信号（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）が０となるように検出器移
動機構を駆動するための信号を求め、これを検出器位置
制御部１０２に送る。この制御の結果、四分割フォトダ
イオード２３５は、光ビーム２３３のスポットＳの中心
がちょうどＸ軸に平行な境界線とＹ軸に平行な境界線の
交点上に来る位置に配置される。つまり、光ビーム２３
３と光検出器２３５の位置合わせが終了する。

【００５３】ここまでに述べたカンチレバー２０７と光
ビーム２３１の位置合わせに続いて光ビーム２３３と光
検出器２３５の位置合わせの終了によって、走査型プロ
ーブ顕微鏡による測定（ＳＰＭ測定）の準備が整う。

【００５４】ＳＰＭ測定において、カンチレバー２０７
の探針２０９が試料２１１に、両者間に相互作用が生じ
る距離、例えば原子間力が発生する距離に近づけられ
る。ＸＹ走査駆動制御部２６４からの駆動信号の供給に
従って駆動される走査部すなわちチューブスキャナー２
１３によって試料２１１が移動され、探針２０９が試料
２１１の表面に沿ってＸＹ走査される。ＸＹ走査の間、
カンチレバー２０７は、探針２０９と試料２１１の間の
相互作用に応じて、Ｚ軸に沿って変位する。このため、
光検出器２３５の出力は、探針２０９と試料２１１の間
の相互作用に応じて変動する。

【００５５】例えば、光検出器２３５が二分割フォトダ
イオードである場合、図８に示される受光領域Ａ・Ｂの
配列とその出力信号ａ・ｂに対して、差信号ａ−ｂは、
カンチレバー２０７のＺ軸に沿った変位に応じて変化す
る。従って、ＸＹ走査の間の多数の位置における差信号
ａ−ｂを検出し、これをＸＹ走査信号と関連づけて処理
することによって、試料２１１の表面形状が測定され得
る。あるいは、ＸＹ走査の間、差信号ａ−ｂを一定に例
えば０に保つようにＺ走査駆動制御部２６３によりチュ
ーブスキャナー２１３をフィードバック制御し、ＸＹ走
査信号とＺ走査信号を関連づけて処理することによっ
て、試料２１１の表面形状が測定され得る。

【００５６】例えば、光検出器２３５が四分割フォトダ
イオードである場合、カンチレバー２０７のＺ軸に沿っ
た変位に加えてカンチレバー２０７のねじれをも検出し
得る。すなわち、図９に示される受光領域Ａ・Ｂ・Ｃ・
Ｄの配列とその出力信号ａ・ｂ・ｃ・ｄに対して、信号
（ａ＋ｃ）一（ｂ＋ｄ）はカンチレバー２０７の変位に
応じて変化し、信号（ａ＋ｂ）一（ｃ＋ｄ）はカンチレ
バー２０７のねじれに応じて変化する。

【００５７】従って、ＸＹ走査の間、信号（ａ＋ｃ）一
（ｂ＋ｄ）を一定に保つようにＺ走査駆動制御部２６３
によりチューブスキャナー２１３をフィードバック制御
することにより、探針２０９は試料２１１の表面から一
定距離離れた軌跡を描く。このため、ＸＹ走査信号とＺ
走査信号を関連づけて処理することによって、試料２１
１の表面形状が測定され得る。

【００５８】カンチレバー２０７のねじれは、試料表面
に存在する垂直に近い形状部分に探針２０９が衝突する
ことにより生じる。従って、カンチレバー２０７のねじ
れを表す信号（ａ＋ｂ）一（ｃ＋ｄ）が所定値を越える
場合には、Ｚ走査駆動制御部２６３はＣＰＵ２５７の指
令により、試料２１１を探針２０９から離すようにチュ
ーブスキャナー２１３を制御する。

【００５９】このようにして得られる試料２１１の表面
形状のデータは、ＣＰＵ２５７の内部において画像化さ
れ、その画像は表示部２５５に表示される。

【００６０】本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、
カンチレバー２０７と光ビーム２３１の位置合わせが自
動的に行なわれるので、加えて光ビーム２３３と光検出
器２３５の位置合わせも自動的に行なわれるので、測定
前の準備作業に要する時間が短縮される。これにより、
測定の所要時間が短縮される。特に、カンチレバー２０
７の交換を途中に含む測定では、その所要時間が効果的
に短縮される。

【００６１】また、位置合わせに用いられる撮像部に
は、走査型プローブ顕微鏡と組み合わされる透過型光学
顕微鏡に搭載されているＣＣＤカメラを兼用できるの
で、前述の自動位置合わせに必要な構成を、最小限のシ
ステムの変更で対応できる。

【００６２】第二実施形態 第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡について図１０〜
図１２を参照して説明する。本実施形態の走査型プロー
ブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と類
似している。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成
を図１０に示す。図１０において、第一実施形態の走査
型プローブ顕微鏡の部材と同等の部材は同一の参照符号
で示されており、その詳しい説明は省略する。

【００６３】図１０に示されるように、本実施形態の走
査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ
顕微鏡の構成に加えて、収束レンズ２６０をこれを通過
する光ビーム２３１の光軸に沿って移動させるためのレ
ンズ位置制御部１１０を備えている。レンズ位置制御部
１１０は、より詳しくは、収束レンズ２６０を移動させ
るための（図示しない）レンズ移動機構と、この検出器
移動機構を制御するためのレンズ移動機構制御部とを含
んでいる。レンズ移動機構は、例えば、一つステッピン
グモータによりレンズを一本の軸に沿って移動し得る構
造体である。

【００６４】光源２２１から射出された光ビーム２３１
は、カンチレバー２０７の上面において焦点が合ってい
ると好ましい。図１１に示されるように、光ビーム２３
１の焦点がカンチレバー２０７の上面に合っていない状
態では、光ビーム２３１の一部がカンチレバー２０７で
遮られずにその傍を通り抜けるため、撮像部１００で得
られる画像の輝度の総和は高い値を有する。その輝度値
は、図１２に示されるように、焦点位置に近づくにつれ
て減少し、焦点位置から遠ざかるにつれて増加する。

【００６５】ＣＰＵ２５７は、撮像部１００で得られる
画像の輝度の総和に基づいて、その値が低下する収束レ
ンズ２６０の移動方向を探し、輝度の値が最小となるよ
うにレンズ位置制御部１１０を制御する。この制御の結
果、収束レンズ２６０は、カンチレバー２０７の上面で
光ビーム２３１の焦点が合う位置に配置される。

【００６６】本実施形態では、第一実施形態と同様に、
カンチレバー２０７と光ビーム２３１の位置合わせと光
ビーム２３３と光検出器２３５の位置合わせが自動的に
行なわれる。これにより、第一実施形態と同様に、測定
前の準備作業に要する時間が短縮される。また本実施形
態では、これに加えて、光ビーム２３１の焦点が自動的
にカンチレバー２０７の上面に合わせられる。

【００６７】第三実施形態 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡について図１３を
参照して説明する。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡
は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と類似してい
る。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を図１３
に示す。図１３において、第一実施形態の走査型プロー
ブ顕微鏡の部材と同等の部材は同一の参照符号で示され
ており、その詳しい説明は省略する。

【００６８】図１３に示されるように、本実施形態の走
査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ
顕微鏡の構成に加えて、カンチレバー２０７から光検出
器２３５に至る光路上に配置された、カンチレバー２０
７からの光ビーム２３３を分離するための光分離素子３
００を備えている。光分離素子３００は、例えばハーフ
ミラーであるが、同等の機能を有する他の任意の光学素
子、例えば偏光ビームスプリッター等が適用可能であ
る。

【００６９】また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡
では、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成と異
なって、撮像部１００は、試料２１１を透過した光では
なく、光分離素子３００によって分離された光を受けて
いる。このため、撮像部１００は、試料走査部２１３の
下方ではなく、例えば、カンチレバー２０７から光検出
器２３５に至る光路の側方に配置される。

【００７０】従って、試料走査部２１３は、チューブス
キャナーの様に、試料２１１が載置される箇所の下方に
光学観察を可能にする空間を有している必要はない。こ
のため、試料走査部２１３は、そのような空間を持たな
いスキャナーやアクチュエーターも適用可能であり、例
えばトライポッドアクチュエーターであってもよい。

【００７１】本実施形態では、撮像部１００で得られる
画像の輝度は、第一実施形態で得られる画像の輝度と反
対になる。つまり、第一実施形態では暗い所を検出する
ことによりカンチレバー２０７の位置を検出している
が、本実施形態では明るい所を検出することによりカン
チレバー２０７の位置を検出する。このように、信号処
理は、輝度に関する部分が第一実施形態の反対になる点
を除いては、第一実施形態と全く同様に行なわれる。

【００７２】その結果、第一実施形態と同様に、カンチ
レバー２０７と光ビーム２３１の位置合わせと光ビーム
２３３と光検出器２３５の位置合わせが自動的に行なわ
れる。これにより、第一実施形態と同様に、測定前の準
備作業に要する時間が短縮される。

【００７３】本実施形態において、撮像部１００と光検
出器２３５のハーフミラー３００に対する光学的な配置
関係は互いに交換されてもよい。すなわち、撮像部１０
０がハーフミラー３００を透過した光を受け、光検出器
２３５がハーフミラー３００で反射された光を受けるよ
うに、撮像部１００と光検出器２３５が配置されてもよ
い。

【００７４】第四実施形態 第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡について図１４を
参照して説明する。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡
は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と類似してい
る。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を図１４
に示す。図１４において、第一実施形態の走査型プロー
ブ顕微鏡の部材と同等の部材は同一の参照符号で示され
ており、その詳しい説明は省略する。

【００７５】図１４に示されるように、本実施形態の走
査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ
顕微鏡の構成と比較して、光源位置制御部１０１が省か
れており、その代わりに追加的に、光源２２１からカン
チレバー２０７に至る光路上に配置された、光源２２１
からの光ビーム２３１の光軸を変更するための光学要素
１１１と、光学要素を駆動するための光学要素駆動部１
１２とを備えている。

【００７６】光学要素１１１は、光ビーム２３１の光軸
を変更し得る任意の光学素子や光学デバイスを含む。例
えば、光学要素１１１は、これを透過する光ビーム２３
１の光軸を平行に移動し得る、光軸に対する傾きが変更
可能な支持された平行平板などを用いる。また光学要素
１１１は、これで反射された光ビーム２３１の光軸の方
向を変更し得る、光軸に対する傾きが変更可能に支持さ
れたミラーや、ガルバノミラ一であってもよい。さらに
は、光学要素１１１は、位置制御可能な素子であっても
よい。

【００７７】本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、
第一実施形態と同様に、カンチレバー２０７と光ビーム
２３１の位置合わせと光ビーム２３３と光検出器２３５
の位置合わせが自動的に行なわれる。これにより、第一
実施形態と同様に、測定前の準備作業に要する時間が短
縮される。

【００７８】これまで、いくつかの実施形態について図
面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述
した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【００７９】顕微鏡透過観察を行なわないシステムでは
ＣＣＤカメラを有していないので、カンチレバー位置合
わせにＣＣＤカメラでなく、ＰＤ・ＰＭＴ・ＣＭＤ等の
他の光電変換素子が用いられてもよい。この場合、積算
処理部が簡素化されるという優位点がある。

【００８０】光源や光検出器やレンズの移動機構は、ス
テッピングモータを利用した機構に限定されるものでな
く、微少移動可能であれば任意の移動機構が適用可能で
ある。

【００８１】光ビームの走査は、ラスター走査に限定さ
れるものではなく、データ処理と画像化が適切に行なえ
さえすればよく、往復ラスター走査や円走査などの他の
任意の走査も適用可能である。

【００８２】

【発明の効果】本発明によれば、測定前の光学調整作業
に要する時間の短縮が簡単な構成によって達成された走
査型プローブ顕微鏡が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を
示している。

【図２】光源を移動させるための光源移動機構の構成を
概念的に示している。

【図３】撮像部によって得られるカンチレバーとラスタ
ー走査される光ビームの透過観察画像を示している。

【図４】撮像部によって得られるカンチレバーと（Ｘ
１，Ｙ１）の座標位置にある光ビームの画像を示してい
る。

【図５】撮像部によって得られる図４の画像に対する輝
度総和画像を示している。

【図６】光源の走査によって得られるカンチレバーの画
像を示している。

【図７】カンチレバーの先端を検出する手法を説明する
ための図である。

【図８】二分割フォトダイオードに含まれる二つの受光
領域Ａ・Ｂとその配列を示している。

【図９】四分割フォトダイオードに含まれる四つの受光
領域Ａ・Ｂ・Ｃ・Ｄとその配列を示している。

【図１０】第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成
を示している。

【図１１】カンチレバーに照射される光ビームが、カン
チレバーの上面において焦点が合っていない状態を示し
ている。

【図１２】撮像部で得られる画像の輝度の総和の値とレ
ンズ位置との関係を示している。

【図１３】第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成
を示している。

【図１４】第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成
を示している。

【符号の説明】

１００ 撮像部 １０１ 光源位置制御部 １０３ Ａ／Ｄ変換器 １０４ データ処理部 ２０７ カンチレバー ２０９ 探針 ２１３ 試料走査部 ２２１ 光源 ２３５ 光検出器 ２５７ ＣＰＵ ２６３ Ｚ走査駆動制御部 ２６４ ＸＹ走査駆動制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA06 AA07 AA49 BB25 CC00 DD00 DD06 FF01 FF04 FF23 FF26 FF44 FF67 GG04 HH04 HH12 JJ03 JJ05 JJ18 JJ22 JJ26 KK01 LL04 LL13 LL46 MM03 MM14 MM24 PP03 PP22 QQ03 QQ24 SS02 SS13 UU01 UU02 UU03 UU07 2F069 AA04 AA06 AA17 AA60 DD12 DD15 DD16 DD25 DD30 EE26 GG04 GG06 GG07 GG52 GG58 GG63 HH05 HH09 HH30 JJ07 JJ14 JJ25 LL03 MM04 MM32 MM34 NN08 QQ05

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料と相互作用する探針を自由端に有す
   る弾性的にたわみ変形可能なカンチレバーと、 カンチレバーに光ビームを照射するための光源と、 カンチレバーで反射された光ビームを検出するための光
   検出器と、 光検出器で検出される情報に基づいてカンチレバーの変
   位を求める変位算出処理部と、 光源から射出される光ビームの光軸を移動させるための
   光軸移動手段と、 載置された試料を水平方向と垂直方向に移動させるため
   の試料走査部と、 試料の水平方向走査のために試料走査部を制御する水平
   走査駆動制御部と、 試料の垂直方向走査のために試料走査部を制御する垂直
   走査駆動制御部と、 試料とカンチレバーの光学像を得るための撮像手段と、 撮像手段で得られる情報を処理する画像処理部とを備え
   ている走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 光軸移動手段は、 光源をそこから射出される光ビームの光軸に垂直な平面
   内で移動させるための光源位置制御部を備えている、請
   求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 光検出器をこれに入射する光ビームの光
   軸に垂直な平面内で移動させるための検出器位置制御部
   を更に備えている、請求項１に記載の走査型プローブ顕
   微鏡。
4. 【請求項４】 光源からカンチレバーに至る光路上に配
   置された、光源からの光ビームを収束させるための収束
   レンズと、 収束レンズをこれを通る光ビームの光軸に沿って移動さ
   せるためのレンズ位置制御部とを更に備えている、請求
   項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 試料走査部は、それに載置された試料の
   下方からの光学観察を可能にする形態を有し、 撮像手段は、試料の下方に配置された撮像部を有してい
   る、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 撮像手段は、 カンチレバーから光検出器に至る光路上に配置された、
   カンチレバーからの光ビームを分離する光分離素子と、 光分離素子によって分離された光ビームを受ける撮像部
   とを有している、請求項１に記載の走査型プローブ顕微
   鏡。
7. 【請求項７】 光軸移動手段は、 光源からカンチレバーに至る光路上に配置された、光源
   からの光ビームの光軸を変更するための光学要素と、 光学要素を駆動するための光学要素駆動部とを備えてい
   る、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。