JP2004301728A - 顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする走査型プローブユニットを提供する。
【解決手段】走査型プローブユニット１は、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる対物レボルバ取付部２と、対物レボルバ取付部２に取付ネジ３によって連結された固定調整部４と、固定調整部４にＺ案内部５を介して連結されたスキャナ固定部９と、スキャナ固定部９によって支持されたスキャナ部組部３６と、スキャナ部組部３６をＺ方向に移動させるＺ駆動機構を有している。スキャナ部組部３６は、自由端に探針１１を持つレバー部を有するカンチレバー１０と、カンチレバー１０を支持するスキャナヘッド部６と、スキャナヘッド部６と共にカンチレバー１０を走査する三次元スキャナ７とを有している。スキャナヘッド部６は、探針１１の変位を検出する変位検出系を有している。
【選択図】 図１
【解決手段】走査型プローブユニット１は、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる対物レボルバ取付部２と、対物レボルバ取付部２に取付ネジ３によって連結された固定調整部４と、固定調整部４にＺ案内部５を介して連結されたスキャナ固定部９と、スキャナ固定部９によって支持されたスキャナ部組部３６と、スキャナ部組部３６をＺ方向に移動させるＺ駆動機構を有している。スキャナ部組部３６は、自由端に探針１１を持つレバー部を有するカンチレバー１０と、カンチレバー１０を支持するスキャナヘッド部６と、スキャナヘッド部６と共にカンチレバー１０を走査する三次元スキャナ７とを有している。スキャナヘッド部６は、探針１１の変位を検出する変位検出系を有している。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブすなわち探針を用いて試料表面を例えば原子オーダーの分解能で測定する走査型プローブユニット、特に、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、先端の尖ったプローブすなわち探針を、試料に対してｎｍのオーダーで接近させるとともに、試料の表面を走査させ、探針と試料との間に生じる原子間力などによる探針の変位等を測定することにより、試料表面の形状等の特性を測定する装置である。このため、走査型プローブ顕微鏡は、探針と、探針を走査する走査部と、探針の変位を測定する変位検出機構とを有している。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡の試料表面の測定範囲は数十μｍ平方程度の範囲である。そのような測定範囲の一部分の微小部分に探針の先端を目視で合わせることは非常に困難である。そのため、通常、走査型プローブ顕微鏡は、試料を平面内、例えば直交するＸ軸とＹ軸で定義されるＸＹ平面内で相対的に大きな変位量で変位させるためのＸＹステージと、走査型プローブ顕微鏡の測定範囲よりも大きな観察領域を有する観察光学系とを備えている。
【０００４】
つまり、通常の走査型プローブ顕微鏡は光学顕微鏡と組み合わされている。このように光学顕微鏡と組み合わされた光顕一体型は、例えば、特開２００２−３５０３２１号公報や特許第２８２４４６３号や特許第３０９３８９６号に開示されている。
【０００５】
特開２００２−３５０３２１号公報は、光顕別軸一体型走査型プローブ顕微鏡を開示している。この装置は、図１０に示すように、探針９０と、カンチレバー９１と、三次元スキャナ９２と、変位検出機構９３と、照明機構９４と、観察機構９５とを備える走査型プローブ顕微鏡本体９６を有している。走査型プローブ顕微鏡本体９６は、図１１に示すように、アリ溝１０１等を利用して光学顕微鏡１００に取り付けられる。
【０００６】
この装置では、まず、光学顕微鏡１００によって、走査型プローブ顕微鏡の測定範囲よりも大きな観察領域を光学的に観察して、測定位置を決定する。次に、光学顕微鏡１００に取り付けてあるＸＹステージ１０２を移動させて、走査型プローブ顕微鏡本体９６の探針を測定位置に略位置決めする。続いて、走査型プローブ顕微鏡本体９６に搭載されている観察機構９５を用いて、精密に探針位置と測定位置を調整し、走査型プローブ顕微鏡本体９６を用いてＳＰＭ測定を行なう。
【０００７】
なお、この装置では、Ｚ方向の粗調整や大きい段差試料測定時のアプローチは、走査型プローブ顕微鏡本体９６に搭載されているＺステージ１０３を用いて、走査型プローブ顕微鏡本体全体を上下動させて行なわれる。
【０００８】
特許第２８２４４６３号は、光顕切替一体型プローブ顕微鏡を開示している。この装置では、図１２に示すように、光学顕微鏡の対物レボルバ１１１には、対物レンズ１１６に加えて、微動素子ブロック１１０（走査型プローブユニット）が取り付けられる。微動素子ブロック１１０は、図１３に示すように、探針１２１と、これを走査する三次元スキャナである微動素子１２０とを有している。微動素子ブロック１１０の探針位置は対物レンズ１１６の光軸に一致している。
【０００９】
この装置では、まず、対物レンズ１１６を用いた光学顕微鏡観察により、試料１１２を光学的に観察しながら試料１１２を載せたＸＹステージ１１３を操作して、所望の測定範囲を位置決めする。次に、顕微鏡の対物レボルバ１１１を回転させ、微動素子ブロック１１０を試料１１２に上方に配置する。これにより、探針１２１は所望の観察範囲に位置決めされる。その後、微動素子ブロック１１０を用いてＳＰＭ測定を行なう。
【００１０】
なお、この装置では、Ｚ方向の粗調整や大きい段差試料測定時のアプローチは、ＸＹステージ１１３が載置されたＺステージ１１４によって行なわれる。
【００１１】
特許第３０９３８９６号は、光顕同軸一体型走査型プローブ顕微鏡を開示している。この装置は、図１４に示すように、変位検出光学系と観察光学系は結像レンズ１３１を共通に含んでいる。変位検出光学系は、変位検出器１３０と結像レンズ１３１とから構成され、探針１３３を支持するカンチレバー１３４の自由端の変位を検出する。また、観察光学系は、結像レンズ１３１と結像レンズ１３６と撮像素子１３５とから構成され、撮像素子１３５を光軸に沿って移動可能であり、これにより、試料１３２の表面とカンチレバー１３４とを光学的に観察できる。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−３５０３２１号公報
【００１３】
【特許文献２】
特許第２８２４４６３号
【００１４】
【特許文献３】
特許第３０９３８９６号
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００２−３５０３２１号に開示された光顕別軸一体型走査型プローブ顕微鏡は、光学顕微鏡で測定範囲を決定した後、走査型プローブ顕微鏡本体の探針位置まで、ＸＹステージによって試料を精密に移動させなければならないため、専用の精密ＸＹステージが必要となり、専用の精密ＸＹステージが必要なため装置全体のコストが高くなってしまう。
【００１６】
また、Ｚ方向の粗調整や大きい段差試料測定時のアプローチは、走査型プローブ顕微鏡本体に搭載されているＺステージを用いて、走査型プローブ顕微鏡本体全体を上下動させて行なっているため、駆動重量が大きく、駆動手段、例えばステッピングモータ等は大きい駆動力を有している必要がある。そのため、駆動手段の大型化、ひいては装置全体の大型化を招き、光学顕微鏡等への取り付けのための配置にも影響を及ぼしてしまう。配置的な制約の他、駆動手段の大型化により、駆動スピードによる熱的影響も大きく、アプローチ等の高速移動が難しくなる。
【００１７】
また、走査型プローブ顕微鏡本体にＺ駆動機構（Ｚステージ）が機械的（ネジ止め等）で固定されているため、ユーザの要望に応じてＺ駆動機構の取り付けを選択することが出来ず、例えば、既に光学顕微鏡にＺ駆動機構がある場合には、どちらか一方は使用しないことになるなど、装置のスペックを有効に活用できない。つまり、無駄が発生し、装置価格も高くなる。更に走査型プローブ顕微鏡本体と、Ｚ駆動機構が機械的に固定されているため、走査型プローブ検出部やＺ駆動機構の寿命や破損による取り替え、メンテナンス時の、お互いの測定軸、駆動軸のアライメント調整が容易に行なえず、調整工数が多大にかかってしまう。
【００１８】
また、特許第２８２４４６３号に開示された光顕切替一体型プローブ顕微鏡は、光学顕微鏡観察時の対物レンズ軸芯と、走査型ブローブ顕微鏡の観察時の微動素子フロックの測定芯を予め調整しておけば、精密なＸＹステージを使用しなくてよい。しかし、走査型プローブ顕微鏡の微動素子ブロックには、Ｚ方向の駆動機構が無く、特許第２８２４４６３号のＺ方向の待避や移動やアプローチには、試料を搭載し、上下動するＺステージが必要となり、装置コストが高くなってしまう。つまり、走査型プローブユニットを取り付ければ、ＳＰＭ測定が出来る状態でなく、どの装置にも取り付けて使用できると言うわけでない。
【００１９】
また、特許第３０９３８９６号に開示された光顕同軸一体型走査型プローブ顕微鏡は、観察光学系と変位検出光学系とが結像レンズを共有しており、観察光学系は撮像素子を上下動させることにより、探針と試料表面の両方の観察に対応している。走査型プローブ顕微鏡専用機であれば、撮像素子を上下動させる構成は可能であるが、通常の光学顕微鏡は、このような構成を備えてはいない。従って、通常の光学顕微鏡との組み合わせにおいて、観察光学系と変位検出光学系とで結像レンズを共通に用いる場合、観察光学系の結像位置と変位検出光学系の結像位置は同じ試料表面上になってしまい、カンチレバーの変位検出に影響を及ぼしてしまう。
【００２０】
本発明の目的は、対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、顕微鏡の対物レボルバに取り付け可能な顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットに向けられており、以下の各項に列記する顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを含んでいる。
【００２２】
１．本発明の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、（ａ）顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部に取り付けられる対物レボルバ取付部と、（ｂ）自由端に探針を有するレバー部を有するカンチレバーと、試料表面に対して探針を走査する三次元スキャナと、探針の変位を検出する変位検出系とを有するスキャナ部組部と、（ｃ）スキャナ部組部を対物レンズ取付部の軸に沿って移動可能に支持する支持機構と、（ｄ）スキャナ部組部を対物レンズ取付部の軸に沿って移動させる移動機構とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする。
【００２４】
２．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、スキャナ部組部が移動機構に非連結に接続されていることを特徴とする。
【００２５】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいては、支持機構と移動機構のアライメント調整が不要である。
【００２６】
３．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、スキャナ部組部と移動機構の非連結な接続が点接触または線接触または面接触であることを特徴とする。
【００２７】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、スキャナ部組部と移動機構の非連結な接続の様々な態様を提供する。
【００２８】
４．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、変位検出系は測定用光源とコリメートレンズと結像レンズとを有し、結像レンズは顕微鏡の観察光学系の結像レンズを兼ね、測定用光源は、その光射出端面がコリメートレンズと結像レンズによるレバー部の自由端の結像位置に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００２９】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいては、顕微鏡の観察光学系に影響されることなく、探針の変位検出を行なえる。
【００３０】
５．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、移動機構が対物レボルバ取付部に対して着脱可能であることを特徴とする。
【００３１】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいては、Ｚ駆動機構のメンテナンスや交換を容易に行なえる。
【００３２】
６．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、スキャナ部組部の移動距離を計測する計測系を更に備えていることを特徴とする。
【００３３】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいては、アプローチ動作を安全に高速に行なうことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００３５】
第一実施形態
一般に、顕微鏡の対物レボルバは、雌ネジを有する対物レンズ取付部を有している。これに対応して、対物レンズは、その雌ネジに合う雄ねじを有する対物レボルバ取付部を有している。対物レンズは、その中心軸すなわち光軸を、対物レンズ取付部の軸すなわち雌ネジの中心軸に合わせた状態で、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる。対物レボルバに取り付けられた対物レンズは、光学観察に実際に使用される際には、その光軸が垂直になる姿勢に配置される。
【００３６】
本実施形態は、このような顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる走査型プローブユニットすなわち顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットである。顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、実際にＳＰＭ測定に使用される際には、対物レンズと同様に、その中心軸が垂直になる姿勢に配置される。
【００３７】
以下では、実際にＳＰＭ測定に使用される姿勢を想定して、つまり、顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットの中心軸が垂直になっているものとして説明する。また、その状態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットの中心軸に平行な軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する軸をＸ軸とし、Ｚ軸とＸ軸の両方に直交する軸をＹ軸とする。さらに、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸に平行な方向をそれぞれＸ方向・Ｙ方向・Ｚ方向と呼ぶものとする。
【００３８】
図１は、本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを概略的に示している。
【００３９】
顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１は、顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部に取り付けられる対物レボルバ取付部２と、対物レボルバ取付部２に取付ネジ３によって連結された固定調整部４と、固定調整部４にＺ案内部５を介して連結されたスキャナ固定部９と、スキャナ固定部９によって支持されたスキャナ部組部３６とを有している。
【００４０】
対物レボルバ取付部２は、通常の対物レンズと同様、顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部の雌ネジに合う雄ねじを有している。対物レボルバ取付部２を通常の対物レンズと同様にして顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部にねじ込むことによって、顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１が顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる。
【００４１】
固定調整部４は、取付ネジ３を緩めることにより、対物レボルバ取付部２から取り外し可能である。さらに、固定調整部４は対物レボルバ取付部２に対して回転可能である。このため、対物レボルバ取付部２に対する軸周りの方向を調整することにより、走査型プローブユニット１の走査方向を調整できる。
【００４２】
スキャナ固定部９と固定調整部４はＺ案内部５を介して連結されており、スキャナ固定部９は固定調整部４に対してＺ方向に沿って移動し得る。つまり、Ｚ案内部５は、スキャナ部組部３６を対物レンズ取付部の軸に沿って移動可能に支持する支持機構を構成している。より詳しくは、図２に示されるように、Ｚ案内部５はリニアガイドで構成されており、リニアガイドのレール５ａがスキャナ固定部９に固定され、リニアガイドのレール５ｂが固定調整部４に固定されている。
【００４３】
スキャナ部組部３６は、自由端に探針１１を持つレバー部を有するカンチレバー１０と、カンチレバー１０を支持するスキャナヘッド部６と、スキャナヘッド部６と共にカンチレバー１０を走査する三次元スキャナ７とを有している。スキャナヘッド部６は、カンチレバー１０のレバー部の自由端の変位すなわち探針１１の変位を検出する変位検出系を有している。変位検出系については、後に図３を参照しながら詳しく説明する。
【００４４】
探針１１は、カンチレバー１０のレバー部の下面から下方に向かって突出している。カンチレバー１０は、探針１１以外の不所望な部分が試料表面に過剰に接近するのを避けるため、水平面に対して傾斜させてスキャナヘッド部６に取り付けられている。
【００４５】
探針１１が試料表面に非常に近づけられると、探針１１と試料表面の間に原子間力が発生する。カンチレバー１０のレバー部は柔軟で、探針１１に作用する原子間力に応じてＺ方向に撓み変形を起こす。つまり、レバー部の自由端すなわち探針１１がＺ方向に変位する。
【００４６】
図３に示されるように、三次元スキャナ７は、スキャナ固定部９に固定されたスキャナ取付固定部２２と、スキャナ取付固定部２２に固定されたスキャナ固定部２１と、スキャナ固定部２１に一端が固定されたＸＹ走査部３４と、ＸＹ走査部３４の自由端に接続部２３を介して一端が固定されたＺ走査部２４とを有している。
【００４７】
スキャナ取付固定部２２は、図示していないアリ機構やネジ止め等によってスキャナ固定部９に固定される。Ｚ走査部２４の自由端には、スキャナヘッド部６が固定されている。
【００４８】
ＸＹ走査部３４は、スキャナヘッド部６と共にそれに支持されたカンチレバー１０の探針１１を、ＸＹ方向に走査し、Ｚ走査部２４は、スキャナヘッド部６と共にそれに支持されたカンチレバー１０の探針１１を、Ｚ方向に移動させる。
【００４９】
ＸＹ走査部３４とＺ走査部２４は共に、円筒形状の圧電体を用いたチューブスキャナで構成されているが、これに限定されるものではなく、Ｚ走査部２４は積層型圧電体で構成されてもよい。また、スキャナ固定部２１と接続部２３は貫通孔を有している。ＸＹ走査部３４とＺ走査部２４の内側空間とスキャナ固定部２１と接続部２３の貫通孔は、三次元スキャナ７の内側を通る光の通路を提供し、三次元スキャナ７の内側を通しての光学的観察を可能にしている。
【００５０】
スキャナ固定部２１は、スキャナ取付固定部２２にネジ２０によって固定されており、ネジ２０を緩めることにより、スキャナ取付固定部２２から取り外し可能である。このにより、ＸＹ走査部３４とＺ走査部２４とスキャナヘッド部６を含む構造体は、スキャナ固定部９から容易に取り外すことができる。これは、ＸＹ走査部３４やＺ走査部２４やスキャナヘッド部６の故障や寿命の際に必要な交換作業を容易にする。
【００５１】
図３に示されるように、スキャナヘッド部６は、測定光ビームを発する測定用光源と、測定光ビームの形状を整える絞り３０と、測定光ビームを平行化するコリメートレンズ２９と、測定光ビームをカンチレバー１０のレバー部の自由端部に方向付けるハーフプリズム２８と、測定光ビームを収束させる結像レンズ２７と、カンチレバー１０のレバー部の自由端部で反射された測定光ビームを反射するミラー２６と、ミラー２６で反射された測定光ビームを受光する受光素子２５とを有している。
【００５２】
これらは、探針１１の変位を検出する変位検出系を構成している。この変位検出系は、いわゆる光てこ法の光学系で構成されているが、これは限定されるものではなく、光干渉方式等の他の方式の光学系で構成されてもよい。
【００５３】
測定用光源からの測定光ビームを効率良く受光素子２５に伝達するため、ハーフプリズム２８は、測定用光源から射出される測定光の偏光と同じ偏向の光のみを反射する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や、測定用光源から射出される測定光の波長と同じ波長の光のみを反射するダイクロイックミラ一で構成されるとよい。
【００５４】
結像レンズ２７は、図示されていない顕微鏡の観察光学系の一部を構成している。つまり、結像レンズ２７は、顕微鏡の観察光学系の結像レンズとしても働く。結像レンズ２７は、ハーフプリズム２８によって、顕微鏡の観察光学系の図３の上方に位置する部分と光学的に結合されている。
【００５５】
測定用光源は、図４に示されるように、その光射出端面がコリメートレンズ２９と結像レンズ２７のレンズ系によるカンチレバー１０のレバー部の自由端部の結像位置に位置するように配置されている。従って、測定用光源は、結像レンズ２７とコリメートレンズ２９によるレンズ系による試料１６の表面の結像位置３３の後方に位置している。
【００５６】
図１に示されるように、顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１は、更に、固定調整部４に対してスキャナ部組部３６を、対物レボルバの対物レンズ取付部の軸に沿って移動させる移動機構、言い換えれば、Ｚ方向に移動させるＺ駆動機構を有している。Ｚ駆動機構は、固定調整部４に固定されたＺ駆動軸１５と、スキャナ固定部９に接するジョイント部１４と、Ｚ駆動軸１５の回転軸の回転運動をジョイント部１４の直線運動に変換する駆動伝達部１２と１３と、スキャナ固定部９を下方に付勢する弾性部材８とから構成されている。
【００５７】
Ｚ駆動軸１５は、例えばボールネジで構成される。しかし、Ｚ駆動軸１５は、これに限定されるものではなく、滑りネジ等で構成されてもよい。Ｚ駆動軸１５は、例えばステッピングモ一夕を備えており、ステッピングモ一夕によってその回転軸が回転される。
【００５８】
ジョイント部１４は、例えば、先端にボールを備えたナットで構成されており、それ自身の回転によってＺ軸に沿って直線的に移動する。ジョイント部１４の先端のボールはスキャナ固定部９に非連結に接続されている。ここで、非連結に接続されているとは、接触はしているが、何らかの機械的な機構を介して接続されてはおらず、容易に離れ得る接続を言う。例えば、ジョイント部１４はスキャナ固定部９に点接触している。非連結な接続は、点接触に限定されるものではなく、線接触や面接触であってもよい。
【００５９】
駆動伝達部１２と１３は、例えば歯車で構成されている。駆動伝達部１２と１３はＺ駆動軸１５の回転軸の回転をジョイント部１４であるナットに伝え、これによりジョイント部１４はＺ軸に沿って直線的に移動する。
【００６０】
ジョイント部１４は、先端にボールを備えたナットに限定されるものではなく、普通のネジやノックピン等で構成されてもよい。ジョイント部１４は、Ｚ軸に沿って移動可能であり、スキャナ固定部９と機械的に接続されていない、どのような構成であってもよい。
【００６１】
このようなＺ駆動機構は、ジョイント部１４とスキャナ固定部９が機械的に接続されていないため、Ｚ駆動軸１５とＺ案内部５の間のアライメント調整が不要である。
【００６２】
弾性部材８は、例えばスプリングバネで構成される。しかし、弾性部材８は、これに限定されるものではなく、他の弾性変形可能な適当な部材で構成されてもよい。弾性部材８は固定調整部４に対してスキャナ固定部９を下方に移動させる下向きの力を発生させる。これにより、弾性部材８はジョイント部１４からの上向きの力とのバランスを取り、スキャナ部組部３６のＺ方向への駆動を滑らかにする。
【００６３】
次に、顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１の動作について、図１と図５と図６を用いて説明する。以下では、取り付け筐体は、走査型レーザ顕微鏡として説明する。なお、走査型レーザ顕微鏡は、レーザ光源から射出されたレーザ光を、カルバノスキャナ等の二次元又は一次元スキャナによって試料に走査し、試料からの反射光をフォトマルチプライヤ等の受光素子で輝度情報を受光し、画像化する既知の装置である。
【００６４】
まず、図５に示されるように、走査型レーザ顕微鏡の対物レボルバ５２の対物レンズ取付部の一つに顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１を取り付ける。図５では、対物レボルバ５２の別の対物レンズ取付部には、対物レンズ５０が取り付けられている。図５には示されていないが、対物レボルバ５２の上方には、走査型レーザ顕微鏡の光学系が配置されている。
【００６５】
最初に、この対物レンズ５０を試料に対面させて配置し、走査型レーザ顕微鏡を用いて、試料表面の像を取得し、より詳細に測定したい位置を決定した後、ＸＹステージ５１を用いて位置合わせた後、対物レボルバ５２を回転させ、走査型プローブユニットを試料に対面するように配置する。なお、対物レンズ５０の中心位置と走査型プローブユニット１の中心位置は、対物レボルバ５２を回転させた際に両者が略一致するように、例えば図１の取付ネジ３を用いて予め調整されている。
【００６６】
次に、図５の待避状態から図６の状態に、探針１１を試料１６の表面に近づけるアプローチ動作を行なう。この場合、予め対物レンズ５０の結像位置と走査型プローブユニット１の探針１１と位置関係が既知であれば、例えば両者の相対距離が１ｍｍであると分かっていれば、対物レボルバ５２を回転させて走査型プローブユニット１を所定位置に配置した後、１ｍｍアプローチ動作を行なえばよい。さらに、アプローチ動作は、例えば、最初の０．９ｍｍを高速で、残りの０．１ｍｍを低速で行なうとよい。これにより、試料１６に対するアプローチ動作が高速で行なえる。
【００６７】
このとき、Ｚ駆動機構では、まず、アプローチ動作の指令により、図示していないステッピングモ一夕が駆動され、ステッピングモータに連結されているボールネジ１５が回転され、その回転が駆動伝達部１２と１３を介してジョイント部１４に伝達され、ジョイント部１４が下方に移動される。ジョイント部１４の下方への移動に伴い、スキャナ固定部９は、弾性部材８によって下方に押されていることと相俟って、滑らかに下降する。その結果、スキャナ固定部９に支持されているスキャナ部組部３６、従ってスキャナヘッド部６が下降する。その後、スキャナヘッド部６の下降は、探針１１による測定可能状態の位置で停止され、アプローチ動作を完了する。
【００６８】
アプローチ動作終了後、走査型レーザ顕微鏡で取得した像により詳細に測定したい試料１６位置の測定を行なう。
【００６９】
尚、本願における光学系の構成の場合、アプローチ動作終了後、この走査型プローブユニットにて測定を行なう前に、走査型レーザ顕微鏡によって、試料１６の位置とカンチレバー１０の探針１１位置を確認することが可能である。つまり、走査型レーザ顕微鏡を動作させ、試料表面からの反射光を受光し、表示手段８０に像を表示させることにより、例えば図７に示されるように、試料表面８３とカンチレバー上の探針８１と、スキャナヘッド部６の変位検出系の測定光ビームのスポット８２が観察される。
【００７０】
走査型レーザ顕微鏡の観察光学系の結像位置は試料上であり、カンチレバーはその結像位置から光軸に沿ってずれているが、カンチレバーは、試料位置と探針位置を確認するには問題ないレベルで表示される。
【００７１】
さらに、スキャナヘッド部６の変位検出系の結像位置はカンチレバー上であるため、スキャナヘッド部６の変位検出系は、走査型レーザ顕微鏡の観察光学系に影響されることなく、探針の変位検出を行なえる。言い換えれば、走査型レーザ顕微鏡の観察光学系は、変位検出に影響を与えることなく、試料表面の観察を行なえる。
【００７２】
表示画面上にクロス等のスーパーインポーズ等を表示させ、予め探針位置を記録しておき、試料観察時には、一旦、カンチレバーを待避させて（抜いて）、像を取得してもよい。
【００７３】
このように、本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１は、スキャナ部組部３６のみをＺ方向に移動させるＺ駆動機構を備えているため、対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする。また、走査型プローブユニットの小型化、Ｚ移動の高速移動を行なうことが出来る。
【００７４】
また、Ｚ駆動機構は、ジョイント部１４がスキャナ部組部３６を支持するスキャナ固定部９と機械的に接続されていないため、スキャナ部組部３６をガイドするＺ案内部５との間のアライメント調整が不要である。
【００７５】
第二実施形態
図８は、本発明の第二実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを示している。図８において、図１中の部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７６】
本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１Ａは、その殆どの構成は第一実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットと同じであるが、スキャナ部組部３６をＺ方向に移動させるＺ駆動機構が固定調整部に対して着脱可能である点において相違している。
【００７７】
このため、図８に示されるように、固定調整部材６１は、ボールネジ１５と駆動伝達部１２と１３とジョイント部１４とから成るＺ駆動機構を固定するためのネジ６０を有している。ボールネジ１５と駆動伝達部１２と１３とジョイント部１４とから成るＺ駆動機構は、Ｚ駆動機構を所定位置に配置してネジ６０を締めることにより固定調整部材６１に固定され、ネジ６０を緩めることにより固定調整部材６１から取り外せる。
【００７８】
このように、本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１Ａにおいては、スキャナ部組部３６をＺ方向に移動させるＺ駆動機構が取り外し可能であるため、Ｚ駆動機構のメンテナンスや交換を容易に行なえる。
【００７９】
第三実施形態
図９は、本発明の第三実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを示している。図９において、図１中の部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００８０】
本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１Ｂは、その殆どの構成は第一実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットと同じであるが、スキャナ部組部のＺ方向の移動距離を計測する計測系７０を有している点において相違している。
【００８１】
計測系７０は、測定時のアプローチ動作において、スキャナ部組部３６のＺ方向の移動距離を計測する。これにより、探針位置と試料表面までの移動距離をより正確に把握することができる。その結果、より高速なアプローチを行なうことが可能になる。
【００８２】
計測系７０は、例えば、リニアスケール（ガラススケールを用いた透過型や磁気スケール）やレーザ測長器で構成されるが、特にこれらに限定されるものではなく、スキャナ部組部３６の移動距離を測長できさえすれば、どのような構成であってもよい。
【００８３】
このように、本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１Ｂは、スキャナ部組部３６のＺ方向の移動距離を計測する計測系７０を有しているため、アプローチ動作を安全に高速に行なうことができる。
【００８４】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べたが、本発明は、これらの実施の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において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００８５】
例えば、第一実施形態ないし第三実施形態においては、走査型レーザ顕微鏡に取り付けられる走査型プローブユニットを例にあげて、本発明の走査型プローブユニットについて説明したが、本発明の走査型プローブユニットが取り付けられる対象は、特に走査型レーザ顕微鏡に限定されるものではない。本発明の走査型プローブユニットは、通常の光学顕微鏡や、観察手段を有する検査装置など、それらに類するいかなる装置に取り付けられてもよい。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを概略的に示している。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットの断面図である。
【図３】図１に示された顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットのスキャナ部組部を示している。
【図４】図３に示されたスキャナ部組部内の変位検出部の光学系であり、特に光源が結像レンズとコリメートレンズによるカンチレバーの結像位置に配置されている状態を示している。
【図５】図１に示された顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットであり、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられたアプローチ前の状態を示している。
【図６】図１に示された顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットであり、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられたアプローチ後の状態を示している。
【図７】図１に示された顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットが取り付けられた走査型レーザ顕微鏡において観察される試料表面と探針を示している。
【図８】第二実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを概略的に示している。
【図９】第三実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを概略的に示している。
【図１０】特開２００２−３５０３２１号公報に開示された光顕別軸一体型走査型プローブ顕微鏡の走査型プローブ顕微鏡本体の構成を示している。
【図１１】図１０に示された走査型プローブ顕微鏡本体を含む光顕別軸一体型走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示している。
【図１２】特許第２８２４４６３号に開示された光顕切替一体型プローブ顕微鏡の構成を示している。
【図１３】図１２に示された微動素子ブロック１１０の構成を示している。
【図１４】特許第３０９３８９６号に開示された光顕同軸一体型走査型プローブ顕微鏡の光学系を示している。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ…顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット、２…対物レボルバ取付部、３…取付ネジ、４…固定調整部、５…Ｚ案内部、６…スキャナヘッド部、７…三次元スキャナ、８…弾性部材、９…スキャナ固定部、１０…カンチレバー、１１…探針、１２、１３…駆動伝達部、１４…ジョイント部、１５…ボールネジ、２７…結像レンズ、２８…ハーフプリズム、２９…コリメートレンズ、３１…光源、３６…スキャナ部組部、５２…対物レボルバ、６０…ネジ、６１…固定調整部材、７０…計測系。
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブすなわち探針を用いて試料表面を例えば原子オーダーの分解能で測定する走査型プローブユニット、特に、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、先端の尖ったプローブすなわち探針を、試料に対してｎｍのオーダーで接近させるとともに、試料の表面を走査させ、探針と試料との間に生じる原子間力などによる探針の変位等を測定することにより、試料表面の形状等の特性を測定する装置である。このため、走査型プローブ顕微鏡は、探針と、探針を走査する走査部と、探針の変位を測定する変位検出機構とを有している。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡の試料表面の測定範囲は数十μｍ平方程度の範囲である。そのような測定範囲の一部分の微小部分に探針の先端を目視で合わせることは非常に困難である。そのため、通常、走査型プローブ顕微鏡は、試料を平面内、例えば直交するＸ軸とＹ軸で定義されるＸＹ平面内で相対的に大きな変位量で変位させるためのＸＹステージと、走査型プローブ顕微鏡の測定範囲よりも大きな観察領域を有する観察光学系とを備えている。
【０００４】
つまり、通常の走査型プローブ顕微鏡は光学顕微鏡と組み合わされている。このように光学顕微鏡と組み合わされた光顕一体型は、例えば、特開２００２−３５０３２１号公報や特許第２８２４４６３号や特許第３０９３８９６号に開示されている。
【０００５】
特開２００２−３５０３２１号公報は、光顕別軸一体型走査型プローブ顕微鏡を開示している。この装置は、図１０に示すように、探針９０と、カンチレバー９１と、三次元スキャナ９２と、変位検出機構９３と、照明機構９４と、観察機構９５とを備える走査型プローブ顕微鏡本体９６を有している。走査型プローブ顕微鏡本体９６は、図１１に示すように、アリ溝１０１等を利用して光学顕微鏡１００に取り付けられる。
【０００６】
この装置では、まず、光学顕微鏡１００によって、走査型プローブ顕微鏡の測定範囲よりも大きな観察領域を光学的に観察して、測定位置を決定する。次に、光学顕微鏡１００に取り付けてあるＸＹステージ１０２を移動させて、走査型プローブ顕微鏡本体９６の探針を測定位置に略位置決めする。続いて、走査型プローブ顕微鏡本体９６に搭載されている観察機構９５を用いて、精密に探針位置と測定位置を調整し、走査型プローブ顕微鏡本体９６を用いてＳＰＭ測定を行なう。
【０００７】
なお、この装置では、Ｚ方向の粗調整や大きい段差試料測定時のアプローチは、走査型プローブ顕微鏡本体９６に搭載されているＺステージ１０３を用いて、走査型プローブ顕微鏡本体全体を上下動させて行なわれる。
【０００８】
特許第２８２４４６３号は、光顕切替一体型プローブ顕微鏡を開示している。この装置では、図１２に示すように、光学顕微鏡の対物レボルバ１１１には、対物レンズ１１６に加えて、微動素子ブロック１１０（走査型プローブユニット）が取り付けられる。微動素子ブロック１１０は、図１３に示すように、探針１２１と、これを走査する三次元スキャナである微動素子１２０とを有している。微動素子ブロック１１０の探針位置は対物レンズ１１６の光軸に一致している。
【０００９】
この装置では、まず、対物レンズ１１６を用いた光学顕微鏡観察により、試料１１２を光学的に観察しながら試料１１２を載せたＸＹステージ１１３を操作して、所望の測定範囲を位置決めする。次に、顕微鏡の対物レボルバ１１１を回転させ、微動素子ブロック１１０を試料１１２に上方に配置する。これにより、探針１２１は所望の観察範囲に位置決めされる。その後、微動素子ブロック１１０を用いてＳＰＭ測定を行なう。
【００１０】
なお、この装置では、Ｚ方向の粗調整や大きい段差試料測定時のアプローチは、ＸＹステージ１１３が載置されたＺステージ１１４によって行なわれる。
【００１１】
特許第３０９３８９６号は、光顕同軸一体型走査型プローブ顕微鏡を開示している。この装置は、図１４に示すように、変位検出光学系と観察光学系は結像レンズ１３１を共通に含んでいる。変位検出光学系は、変位検出器１３０と結像レンズ１３１とから構成され、探針１３３を支持するカンチレバー１３４の自由端の変位を検出する。また、観察光学系は、結像レンズ１３１と結像レンズ１３６と撮像素子１３５とから構成され、撮像素子１３５を光軸に沿って移動可能であり、これにより、試料１３２の表面とカンチレバー１３４とを光学的に観察できる。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−３５０３２１号公報
【００１３】
【特許文献２】
特許第２８２４４６３号
【００１４】
【特許文献３】
特許第３０９３８９６号
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００２−３５０３２１号に開示された光顕別軸一体型走査型プローブ顕微鏡は、光学顕微鏡で測定範囲を決定した後、走査型プローブ顕微鏡本体の探針位置まで、ＸＹステージによって試料を精密に移動させなければならないため、専用の精密ＸＹステージが必要となり、専用の精密ＸＹステージが必要なため装置全体のコストが高くなってしまう。
【００１６】
また、Ｚ方向の粗調整や大きい段差試料測定時のアプローチは、走査型プローブ顕微鏡本体に搭載されているＺステージを用いて、走査型プローブ顕微鏡本体全体を上下動させて行なっているため、駆動重量が大きく、駆動手段、例えばステッピングモータ等は大きい駆動力を有している必要がある。そのため、駆動手段の大型化、ひいては装置全体の大型化を招き、光学顕微鏡等への取り付けのための配置にも影響を及ぼしてしまう。配置的な制約の他、駆動手段の大型化により、駆動スピードによる熱的影響も大きく、アプローチ等の高速移動が難しくなる。
【００１７】
また、走査型プローブ顕微鏡本体にＺ駆動機構（Ｚステージ）が機械的（ネジ止め等）で固定されているため、ユーザの要望に応じてＺ駆動機構の取り付けを選択することが出来ず、例えば、既に光学顕微鏡にＺ駆動機構がある場合には、どちらか一方は使用しないことになるなど、装置のスペックを有効に活用できない。つまり、無駄が発生し、装置価格も高くなる。更に走査型プローブ顕微鏡本体と、Ｚ駆動機構が機械的に固定されているため、走査型プローブ検出部やＺ駆動機構の寿命や破損による取り替え、メンテナンス時の、お互いの測定軸、駆動軸のアライメント調整が容易に行なえず、調整工数が多大にかかってしまう。
【００１８】
また、特許第２８２４４６３号に開示された光顕切替一体型プローブ顕微鏡は、光学顕微鏡観察時の対物レンズ軸芯と、走査型ブローブ顕微鏡の観察時の微動素子フロックの測定芯を予め調整しておけば、精密なＸＹステージを使用しなくてよい。しかし、走査型プローブ顕微鏡の微動素子ブロックには、Ｚ方向の駆動機構が無く、特許第２８２４４６３号のＺ方向の待避や移動やアプローチには、試料を搭載し、上下動するＺステージが必要となり、装置コストが高くなってしまう。つまり、走査型プローブユニットを取り付ければ、ＳＰＭ測定が出来る状態でなく、どの装置にも取り付けて使用できると言うわけでない。
【００１９】
また、特許第３０９３８９６号に開示された光顕同軸一体型走査型プローブ顕微鏡は、観察光学系と変位検出光学系とが結像レンズを共有しており、観察光学系は撮像素子を上下動させることにより、探針と試料表面の両方の観察に対応している。走査型プローブ顕微鏡専用機であれば、撮像素子を上下動させる構成は可能であるが、通常の光学顕微鏡は、このような構成を備えてはいない。従って、通常の光学顕微鏡との組み合わせにおいて、観察光学系と変位検出光学系とで結像レンズを共通に用いる場合、観察光学系の結像位置と変位検出光学系の結像位置は同じ試料表面上になってしまい、カンチレバーの変位検出に影響を及ぼしてしまう。
【００２０】
本発明の目的は、対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、顕微鏡の対物レボルバに取り付け可能な顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットに向けられており、以下の各項に列記する顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを含んでいる。
【００２２】
１．本発明の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、（ａ）顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部に取り付けられる対物レボルバ取付部と、（ｂ）自由端に探針を有するレバー部を有するカンチレバーと、試料表面に対して探針を走査する三次元スキャナと、探針の変位を検出する変位検出系とを有するスキャナ部組部と、（ｃ）スキャナ部組部を対物レンズ取付部の軸に沿って移動可能に支持する支持機構と、（ｄ）スキャナ部組部を対物レンズ取付部の軸に沿って移動させる移動機構とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする。
【００２４】
２．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、スキャナ部組部が移動機構に非連結に接続されていることを特徴とする。
【００２５】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいては、支持機構と移動機構のアライメント調整が不要である。
【００２６】
３．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、スキャナ部組部と移動機構の非連結な接続が点接触または線接触または面接触であることを特徴とする。
【００２７】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、スキャナ部組部と移動機構の非連結な接続の様々な態様を提供する。
【００２８】
４．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、変位検出系は測定用光源とコリメートレンズと結像レンズとを有し、結像レンズは顕微鏡の観察光学系の結像レンズを兼ね、測定用光源は、その光射出端面がコリメートレンズと結像レンズによるレバー部の自由端の結像位置に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００２９】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいては、顕微鏡の観察光学系に影響されることなく、探針の変位検出を行なえる。
【００３０】
５．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、移動機構が対物レボルバ取付部に対して着脱可能であることを特徴とする。
【００３１】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいては、Ｚ駆動機構のメンテナンスや交換を容易に行なえる。
【００３２】
６．本発明の別の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、第１項の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいて、スキャナ部組部の移動距離を計測する計測系を更に備えていることを特徴とする。
【００３３】
この顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットにおいては、アプローチ動作を安全に高速に行なうことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００３５】
第一実施形態
一般に、顕微鏡の対物レボルバは、雌ネジを有する対物レンズ取付部を有している。これに対応して、対物レンズは、その雌ネジに合う雄ねじを有する対物レボルバ取付部を有している。対物レンズは、その中心軸すなわち光軸を、対物レンズ取付部の軸すなわち雌ネジの中心軸に合わせた状態で、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる。対物レボルバに取り付けられた対物レンズは、光学観察に実際に使用される際には、その光軸が垂直になる姿勢に配置される。
【００３６】
本実施形態は、このような顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる走査型プローブユニットすなわち顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットである。顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットは、実際にＳＰＭ測定に使用される際には、対物レンズと同様に、その中心軸が垂直になる姿勢に配置される。
【００３７】
以下では、実際にＳＰＭ測定に使用される姿勢を想定して、つまり、顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットの中心軸が垂直になっているものとして説明する。また、その状態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットの中心軸に平行な軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する軸をＸ軸とし、Ｚ軸とＸ軸の両方に直交する軸をＹ軸とする。さらに、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸に平行な方向をそれぞれＸ方向・Ｙ方向・Ｚ方向と呼ぶものとする。
【００３８】
図１は、本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを概略的に示している。
【００３９】
顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１は、顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部に取り付けられる対物レボルバ取付部２と、対物レボルバ取付部２に取付ネジ３によって連結された固定調整部４と、固定調整部４にＺ案内部５を介して連結されたスキャナ固定部９と、スキャナ固定部９によって支持されたスキャナ部組部３６とを有している。
【００４０】
対物レボルバ取付部２は、通常の対物レンズと同様、顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部の雌ネジに合う雄ねじを有している。対物レボルバ取付部２を通常の対物レンズと同様にして顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部にねじ込むことによって、顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１が顕微鏡の対物レボルバに取り付けられる。
【００４１】
固定調整部４は、取付ネジ３を緩めることにより、対物レボルバ取付部２から取り外し可能である。さらに、固定調整部４は対物レボルバ取付部２に対して回転可能である。このため、対物レボルバ取付部２に対する軸周りの方向を調整することにより、走査型プローブユニット１の走査方向を調整できる。
【００４２】
スキャナ固定部９と固定調整部４はＺ案内部５を介して連結されており、スキャナ固定部９は固定調整部４に対してＺ方向に沿って移動し得る。つまり、Ｚ案内部５は、スキャナ部組部３６を対物レンズ取付部の軸に沿って移動可能に支持する支持機構を構成している。より詳しくは、図２に示されるように、Ｚ案内部５はリニアガイドで構成されており、リニアガイドのレール５ａがスキャナ固定部９に固定され、リニアガイドのレール５ｂが固定調整部４に固定されている。
【００４３】
スキャナ部組部３６は、自由端に探針１１を持つレバー部を有するカンチレバー１０と、カンチレバー１０を支持するスキャナヘッド部６と、スキャナヘッド部６と共にカンチレバー１０を走査する三次元スキャナ７とを有している。スキャナヘッド部６は、カンチレバー１０のレバー部の自由端の変位すなわち探針１１の変位を検出する変位検出系を有している。変位検出系については、後に図３を参照しながら詳しく説明する。
【００４４】
探針１１は、カンチレバー１０のレバー部の下面から下方に向かって突出している。カンチレバー１０は、探針１１以外の不所望な部分が試料表面に過剰に接近するのを避けるため、水平面に対して傾斜させてスキャナヘッド部６に取り付けられている。
【００４５】
探針１１が試料表面に非常に近づけられると、探針１１と試料表面の間に原子間力が発生する。カンチレバー１０のレバー部は柔軟で、探針１１に作用する原子間力に応じてＺ方向に撓み変形を起こす。つまり、レバー部の自由端すなわち探針１１がＺ方向に変位する。
【００４６】
図３に示されるように、三次元スキャナ７は、スキャナ固定部９に固定されたスキャナ取付固定部２２と、スキャナ取付固定部２２に固定されたスキャナ固定部２１と、スキャナ固定部２１に一端が固定されたＸＹ走査部３４と、ＸＹ走査部３４の自由端に接続部２３を介して一端が固定されたＺ走査部２４とを有している。
【００４７】
スキャナ取付固定部２２は、図示していないアリ機構やネジ止め等によってスキャナ固定部９に固定される。Ｚ走査部２４の自由端には、スキャナヘッド部６が固定されている。
【００４８】
ＸＹ走査部３４は、スキャナヘッド部６と共にそれに支持されたカンチレバー１０の探針１１を、ＸＹ方向に走査し、Ｚ走査部２４は、スキャナヘッド部６と共にそれに支持されたカンチレバー１０の探針１１を、Ｚ方向に移動させる。
【００４９】
ＸＹ走査部３４とＺ走査部２４は共に、円筒形状の圧電体を用いたチューブスキャナで構成されているが、これに限定されるものではなく、Ｚ走査部２４は積層型圧電体で構成されてもよい。また、スキャナ固定部２１と接続部２３は貫通孔を有している。ＸＹ走査部３４とＺ走査部２４の内側空間とスキャナ固定部２１と接続部２３の貫通孔は、三次元スキャナ７の内側を通る光の通路を提供し、三次元スキャナ７の内側を通しての光学的観察を可能にしている。
【００５０】
スキャナ固定部２１は、スキャナ取付固定部２２にネジ２０によって固定されており、ネジ２０を緩めることにより、スキャナ取付固定部２２から取り外し可能である。このにより、ＸＹ走査部３４とＺ走査部２４とスキャナヘッド部６を含む構造体は、スキャナ固定部９から容易に取り外すことができる。これは、ＸＹ走査部３４やＺ走査部２４やスキャナヘッド部６の故障や寿命の際に必要な交換作業を容易にする。
【００５１】
図３に示されるように、スキャナヘッド部６は、測定光ビームを発する測定用光源と、測定光ビームの形状を整える絞り３０と、測定光ビームを平行化するコリメートレンズ２９と、測定光ビームをカンチレバー１０のレバー部の自由端部に方向付けるハーフプリズム２８と、測定光ビームを収束させる結像レンズ２７と、カンチレバー１０のレバー部の自由端部で反射された測定光ビームを反射するミラー２６と、ミラー２６で反射された測定光ビームを受光する受光素子２５とを有している。
【００５２】
これらは、探針１１の変位を検出する変位検出系を構成している。この変位検出系は、いわゆる光てこ法の光学系で構成されているが、これは限定されるものではなく、光干渉方式等の他の方式の光学系で構成されてもよい。
【００５３】
測定用光源からの測定光ビームを効率良く受光素子２５に伝達するため、ハーフプリズム２８は、測定用光源から射出される測定光の偏光と同じ偏向の光のみを反射する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や、測定用光源から射出される測定光の波長と同じ波長の光のみを反射するダイクロイックミラ一で構成されるとよい。
【００５４】
結像レンズ２７は、図示されていない顕微鏡の観察光学系の一部を構成している。つまり、結像レンズ２７は、顕微鏡の観察光学系の結像レンズとしても働く。結像レンズ２７は、ハーフプリズム２８によって、顕微鏡の観察光学系の図３の上方に位置する部分と光学的に結合されている。
【００５５】
測定用光源は、図４に示されるように、その光射出端面がコリメートレンズ２９と結像レンズ２７のレンズ系によるカンチレバー１０のレバー部の自由端部の結像位置に位置するように配置されている。従って、測定用光源は、結像レンズ２７とコリメートレンズ２９によるレンズ系による試料１６の表面の結像位置３３の後方に位置している。
【００５６】
図１に示されるように、顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１は、更に、固定調整部４に対してスキャナ部組部３６を、対物レボルバの対物レンズ取付部の軸に沿って移動させる移動機構、言い換えれば、Ｚ方向に移動させるＺ駆動機構を有している。Ｚ駆動機構は、固定調整部４に固定されたＺ駆動軸１５と、スキャナ固定部９に接するジョイント部１４と、Ｚ駆動軸１５の回転軸の回転運動をジョイント部１４の直線運動に変換する駆動伝達部１２と１３と、スキャナ固定部９を下方に付勢する弾性部材８とから構成されている。
【００５７】
Ｚ駆動軸１５は、例えばボールネジで構成される。しかし、Ｚ駆動軸１５は、これに限定されるものではなく、滑りネジ等で構成されてもよい。Ｚ駆動軸１５は、例えばステッピングモ一夕を備えており、ステッピングモ一夕によってその回転軸が回転される。
【００５８】
ジョイント部１４は、例えば、先端にボールを備えたナットで構成されており、それ自身の回転によってＺ軸に沿って直線的に移動する。ジョイント部１４の先端のボールはスキャナ固定部９に非連結に接続されている。ここで、非連結に接続されているとは、接触はしているが、何らかの機械的な機構を介して接続されてはおらず、容易に離れ得る接続を言う。例えば、ジョイント部１４はスキャナ固定部９に点接触している。非連結な接続は、点接触に限定されるものではなく、線接触や面接触であってもよい。
【００５９】
駆動伝達部１２と１３は、例えば歯車で構成されている。駆動伝達部１２と１３はＺ駆動軸１５の回転軸の回転をジョイント部１４であるナットに伝え、これによりジョイント部１４はＺ軸に沿って直線的に移動する。
【００６０】
ジョイント部１４は、先端にボールを備えたナットに限定されるものではなく、普通のネジやノックピン等で構成されてもよい。ジョイント部１４は、Ｚ軸に沿って移動可能であり、スキャナ固定部９と機械的に接続されていない、どのような構成であってもよい。
【００６１】
このようなＺ駆動機構は、ジョイント部１４とスキャナ固定部９が機械的に接続されていないため、Ｚ駆動軸１５とＺ案内部５の間のアライメント調整が不要である。
【００６２】
弾性部材８は、例えばスプリングバネで構成される。しかし、弾性部材８は、これに限定されるものではなく、他の弾性変形可能な適当な部材で構成されてもよい。弾性部材８は固定調整部４に対してスキャナ固定部９を下方に移動させる下向きの力を発生させる。これにより、弾性部材８はジョイント部１４からの上向きの力とのバランスを取り、スキャナ部組部３６のＺ方向への駆動を滑らかにする。
【００６３】
次に、顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１の動作について、図１と図５と図６を用いて説明する。以下では、取り付け筐体は、走査型レーザ顕微鏡として説明する。なお、走査型レーザ顕微鏡は、レーザ光源から射出されたレーザ光を、カルバノスキャナ等の二次元又は一次元スキャナによって試料に走査し、試料からの反射光をフォトマルチプライヤ等の受光素子で輝度情報を受光し、画像化する既知の装置である。
【００６４】
まず、図５に示されるように、走査型レーザ顕微鏡の対物レボルバ５２の対物レンズ取付部の一つに顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１を取り付ける。図５では、対物レボルバ５２の別の対物レンズ取付部には、対物レンズ５０が取り付けられている。図５には示されていないが、対物レボルバ５２の上方には、走査型レーザ顕微鏡の光学系が配置されている。
【００６５】
最初に、この対物レンズ５０を試料に対面させて配置し、走査型レーザ顕微鏡を用いて、試料表面の像を取得し、より詳細に測定したい位置を決定した後、ＸＹステージ５１を用いて位置合わせた後、対物レボルバ５２を回転させ、走査型プローブユニットを試料に対面するように配置する。なお、対物レンズ５０の中心位置と走査型プローブユニット１の中心位置は、対物レボルバ５２を回転させた際に両者が略一致するように、例えば図１の取付ネジ３を用いて予め調整されている。
【００６６】
次に、図５の待避状態から図６の状態に、探針１１を試料１６の表面に近づけるアプローチ動作を行なう。この場合、予め対物レンズ５０の結像位置と走査型プローブユニット１の探針１１と位置関係が既知であれば、例えば両者の相対距離が１ｍｍであると分かっていれば、対物レボルバ５２を回転させて走査型プローブユニット１を所定位置に配置した後、１ｍｍアプローチ動作を行なえばよい。さらに、アプローチ動作は、例えば、最初の０．９ｍｍを高速で、残りの０．１ｍｍを低速で行なうとよい。これにより、試料１６に対するアプローチ動作が高速で行なえる。
【００６７】
このとき、Ｚ駆動機構では、まず、アプローチ動作の指令により、図示していないステッピングモ一夕が駆動され、ステッピングモータに連結されているボールネジ１５が回転され、その回転が駆動伝達部１２と１３を介してジョイント部１４に伝達され、ジョイント部１４が下方に移動される。ジョイント部１４の下方への移動に伴い、スキャナ固定部９は、弾性部材８によって下方に押されていることと相俟って、滑らかに下降する。その結果、スキャナ固定部９に支持されているスキャナ部組部３６、従ってスキャナヘッド部６が下降する。その後、スキャナヘッド部６の下降は、探針１１による測定可能状態の位置で停止され、アプローチ動作を完了する。
【００６８】
アプローチ動作終了後、走査型レーザ顕微鏡で取得した像により詳細に測定したい試料１６位置の測定を行なう。
【００６９】
尚、本願における光学系の構成の場合、アプローチ動作終了後、この走査型プローブユニットにて測定を行なう前に、走査型レーザ顕微鏡によって、試料１６の位置とカンチレバー１０の探針１１位置を確認することが可能である。つまり、走査型レーザ顕微鏡を動作させ、試料表面からの反射光を受光し、表示手段８０に像を表示させることにより、例えば図７に示されるように、試料表面８３とカンチレバー上の探針８１と、スキャナヘッド部６の変位検出系の測定光ビームのスポット８２が観察される。
【００７０】
走査型レーザ顕微鏡の観察光学系の結像位置は試料上であり、カンチレバーはその結像位置から光軸に沿ってずれているが、カンチレバーは、試料位置と探針位置を確認するには問題ないレベルで表示される。
【００７１】
さらに、スキャナヘッド部６の変位検出系の結像位置はカンチレバー上であるため、スキャナヘッド部６の変位検出系は、走査型レーザ顕微鏡の観察光学系に影響されることなく、探針の変位検出を行なえる。言い換えれば、走査型レーザ顕微鏡の観察光学系は、変位検出に影響を与えることなく、試料表面の観察を行なえる。
【００７２】
表示画面上にクロス等のスーパーインポーズ等を表示させ、予め探針位置を記録しておき、試料観察時には、一旦、カンチレバーを待避させて（抜いて）、像を取得してもよい。
【００７３】
このように、本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１は、スキャナ部組部３６のみをＺ方向に移動させるＺ駆動機構を備えているため、対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする。また、走査型プローブユニットの小型化、Ｚ移動の高速移動を行なうことが出来る。
【００７４】
また、Ｚ駆動機構は、ジョイント部１４がスキャナ部組部３６を支持するスキャナ固定部９と機械的に接続されていないため、スキャナ部組部３６をガイドするＺ案内部５との間のアライメント調整が不要である。
【００７５】
第二実施形態
図８は、本発明の第二実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを示している。図８において、図１中の部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７６】
本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１Ａは、その殆どの構成は第一実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットと同じであるが、スキャナ部組部３６をＺ方向に移動させるＺ駆動機構が固定調整部に対して着脱可能である点において相違している。
【００７７】
このため、図８に示されるように、固定調整部材６１は、ボールネジ１５と駆動伝達部１２と１３とジョイント部１４とから成るＺ駆動機構を固定するためのネジ６０を有している。ボールネジ１５と駆動伝達部１２と１３とジョイント部１４とから成るＺ駆動機構は、Ｚ駆動機構を所定位置に配置してネジ６０を締めることにより固定調整部材６１に固定され、ネジ６０を緩めることにより固定調整部材６１から取り外せる。
【００７８】
このように、本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１Ａにおいては、スキャナ部組部３６をＺ方向に移動させるＺ駆動機構が取り外し可能であるため、Ｚ駆動機構のメンテナンスや交換を容易に行なえる。
【００７９】
第三実施形態
図９は、本発明の第三実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを示している。図９において、図１中の部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００８０】
本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１Ｂは、その殆どの構成は第一実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットと同じであるが、スキャナ部組部のＺ方向の移動距離を計測する計測系７０を有している点において相違している。
【００８１】
計測系７０は、測定時のアプローチ動作において、スキャナ部組部３６のＺ方向の移動距離を計測する。これにより、探針位置と試料表面までの移動距離をより正確に把握することができる。その結果、より高速なアプローチを行なうことが可能になる。
【００８２】
計測系７０は、例えば、リニアスケール（ガラススケールを用いた透過型や磁気スケール）やレーザ測長器で構成されるが、特にこれらに限定されるものではなく、スキャナ部組部３６の移動距離を測長できさえすれば、どのような構成であってもよい。
【００８３】
このように、本実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット１Ｂは、スキャナ部組部３６のＺ方向の移動距離を計測する計測系７０を有しているため、アプローチ動作を安全に高速に行なうことができる。
【００８４】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べたが、本発明は、これらの実施の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において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００８５】
例えば、第一実施形態ないし第三実施形態においては、走査型レーザ顕微鏡に取り付けられる走査型プローブユニットを例にあげて、本発明の走査型プローブユニットについて説明したが、本発明の走査型プローブユニットが取り付けられる対象は、特に走査型レーザ顕微鏡に限定されるものではない。本発明の走査型プローブユニットは、通常の光学顕微鏡や、観察手段を有する検査装置など、それらに類するいかなる装置に取り付けられてもよい。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、対物レボルバを有するすべての顕微鏡においてＳＰＭ測定を行なうことを可能にする顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを概略的に示している。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットの断面図である。
【図３】図１に示された顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットのスキャナ部組部を示している。
【図４】図３に示されたスキャナ部組部内の変位検出部の光学系であり、特に光源が結像レンズとコリメートレンズによるカンチレバーの結像位置に配置されている状態を示している。
【図５】図１に示された顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットであり、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられたアプローチ前の状態を示している。
【図６】図１に示された顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットであり、顕微鏡の対物レボルバに取り付けられたアプローチ後の状態を示している。
【図７】図１に示された顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットが取り付けられた走査型レーザ顕微鏡において観察される試料表面と探針を示している。
【図８】第二実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを概略的に示している。
【図９】第三実施形態の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットを概略的に示している。
【図１０】特開２００２−３５０３２１号公報に開示された光顕別軸一体型走査型プローブ顕微鏡の走査型プローブ顕微鏡本体の構成を示している。
【図１１】図１０に示された走査型プローブ顕微鏡本体を含む光顕別軸一体型走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示している。
【図１２】特許第２８２４４６３号に開示された光顕切替一体型プローブ顕微鏡の構成を示している。
【図１３】図１２に示された微動素子ブロック１１０の構成を示している。
【図１４】特許第３０９３８９６号に開示された光顕同軸一体型走査型プローブ顕微鏡の光学系を示している。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ…顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット、２…対物レボルバ取付部、３…取付ネジ、４…固定調整部、５…Ｚ案内部、６…スキャナヘッド部、７…三次元スキャナ、８…弾性部材、９…スキャナ固定部、１０…カンチレバー、１１…探針、１２、１３…駆動伝達部、１４…ジョイント部、１５…ボールネジ、２７…結像レンズ、２８…ハーフプリズム、２９…コリメートレンズ、３１…光源、３６…スキャナ部組部、５２…対物レボルバ、６０…ネジ、６１…固定調整部材、７０…計測系。
Claims (6)
- 顕微鏡の対物レボルバに取り付け可能な顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニットであり、
顕微鏡の対物レボルバの対物レンズ取付部に取り付けられる対物レボルバ取付部と、
自由端に探針を有するレバー部を有するカンチレバーと、試料表面に対して探針を走査する三次元スキャナと、探針の変位を検出する変位検出系とを有するスキャナ部組部と、
スキャナ部組部を対物レンズ取付部の軸に沿って移動可能に支持する支持機構と、
スキャナ部組部を対物レンズ取付部の軸に沿って移動させる移動機構とを備えていることを特徴とする顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット。 - スキャナ部組部は移動機構に非連結に接続されていることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット。
- スキャナ部組部と移動機構の非連結な接続は点接触または線接触または面接触であることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット。
- 変位検出系は測定用光源とコリメートレンズと結像レンズとを有し、結像レンズは顕微鏡の観察光学系の結像レンズを兼ね、測定用光源は、その光射出端面がコリメートレンズと結像レンズによるレバー部の自由端の結像位置に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット。
- 移動機構は対物レボルバ取付部に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット。
- スキャナ部組部の移動距離を計測する計測系を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡対物レボルバ取付型走査型プローブユニット。
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