JP2005049219A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 厳しい環境下でも使用が容易な走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 光ファイバ３２は、レーザダイオード３１からの光をカンチレバー１の表面に向けて照射する。照射された光は、レンズ３３により集光されて、カンチレバー１の表面に照射される。カンチレバー１の表面で反射された光は、レンズ４１１および４１２により集光されて、光ファイバ４２１および４２２に入力される。光ファイバ４２１および４２２を通過した光は、フォトダイオード４３１および４３２により受光される。受光量の変化に基づいて、カンチレバー１の傾きを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、光てこ法を用いた走査型プローブ顕微鏡に関する。

従来から、光てこ法を用いた走査型プローブ顕微鏡が知られている（例えば下記特許文献１や非特許文献１、２を参照）。なお、本明細書においては、走査型プローブ顕微鏡とは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）や磁気力顕微鏡など、光てこ法を用いることができる顕微鏡を意味するものとする。また、ＡＦＭには、探針を試料表面に接触させない形態と、接触させる形態とがある。この明細書における走査型プローブ顕微鏡は、両形態を含んでいる。

このような従来の走査型プローブ顕微鏡（以降の説明ではＳＰＭと略称することがある）では、カンチレバーの表面にレーザ光を照射し、反射光をフォトダイオードで受光する。この受光量の変化に基づいて、カンチレバーの変位を検出することができる。

ところで、従来のＳＰＭでは、受光量の増大を図るために、受光素子としてのフォトダイオードをカンチレバーの近傍に配置している。

しかしながら、フォトダイオードが試料の近傍にあると、試料に対して極低温、高真空または強磁場のような厳しい環境を与えようとしたときに、この環境がフォトダイオードに影響して測定が難しくなることがある。

また、従来のＳＰＭでは、カンチレバーを移動させて試料を走査することが難しいため、試料を移動させる必要があり、このため、装置が大型化したり、大きな試料を用いることが難しいという問題もある。

この問題を解決するために、光ファイバ干渉計によりカンチレバーの変位を検出しようとする提案もされている。しかしながら、この方法には、取り扱いが難しいという問題がある。

特開平６−３２３８４７号公報 Gerhard Meyer and Nabil M. Amer, Appl. Phys. Lett. 53, 1045 (1988) S. Alexander, L. Hellemans, O. Marti, J. Schneir, V. Elings, P. K. Hansma, Matt Longmire, and John Gurley, J. Appl Phys. 65, 164 (1989)

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、厳しい環境下でも使用が容易な走査型プローブ顕微鏡を提供しようとするものである。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、発光部と、受光部とを備えている。前記発光部は、発光素子と入力用導光体とを備えている。前記入力用導光体は、前記発光素子からの光を前記カンチレバーの表面に向けて照射する構成となっている。前記受光部は、出力用導光体と受光素子とを備えている。前記出力用導光体は、前記表面で反射した前記光を前記受光素子に導く構成となっている。

前記入力用導光体および出力用導光体を、いずれも光ファイバにより構成することができる。

前記出力用導光体を、複数の光ファイバにより構成することもできる。

前記複数の光ファイバの先端に、前記カンチレバーからの反射光を前記複数の光ファイバにそれぞれ集光するための略球形状のレンズをそれぞれ配置してもよい。さらに、前記レンズどうしの対向面をほぼ平面状とし、かつ、互いに隣接させることもできる。

前記カンチレバーの先端に探針を取り付けることもできる。

前記発光素子をレーザダイオードとしてもよい。

前記受光素子をフォトダイオードとしてもよい。

本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、厳しい環境下でも使用が容易な走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。

（実施形態の構成）
以下、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を、図１を参照して説明する。このＳＰＭは、カンチレバー１と、探針２と、発光部３と、受光部４とを備えている。

カンチレバー１は、その基部が支持された片持ち梁となっており、先端に加えられた力により先端位置が変位するようになっている。探針２は、カンチレバー１の先端下面に取り付けられている。これらの構成は従来のＳＰＭと同様である。

発光部３は、発光素子３１と入力用導光体３２とレンズ３３とを備えている。発光素子３１としては、例えばレーザダイオードである。発光素子３１は、図示しない回路により駆動されるようになっている。

入力用導光体３２は、この実施形態では、１本の光ファイバにより構成されている。入力用導光体３２は、発光素子３１の近傍からレンズ３３まで光を伝送する構成となっている。これにより、入力用導光体３２は、発光素子３１からの光をカンチレバー１の表面に向けて照射できるようになっている。

レンズ３３は、入力用導光体３２からの光を集光してカンチレバー１の表面に照射する構成となっている。この実施形態では、レンズ３３として平凸レンズが用いられている。

受光部４は、レンズ４１と、出力用導光体４２と、受光素子４３とを備えている。レンズ４１は、二つの球形状レンズ４１１および４１２から構成されている。二つの球形状レンズ４１１と４１２との対向面は、ほぼ平面状に形成され、かつ、隣接して接合されている（図１参照）。

出力用導光体４２は、この実施形態では、２本の光ファイバ４２１および４２２によって構成されている。ただし、光ファイバの本数としては、１本とすることも、３本以上とすることも可能である。光ファイバ４２１の一端は、球形状レンズ４１１で集められた光を受け入れるようになっている。光ファイバ４２２の一端は、球形状レンズ４１２で集められた光を受け入れるようになっている。光ファイバ４２１および４２２の他端は、受光素子４３まで延長されている。つまり、出力用導光体４２は、カンチレバー１の表面で反射した光を受光素子４３に導く構成となっている。

受光素子４３は、この実施形態では、二つのフォトダイオード４３１および４３２によって構成されている。フォトダイオード４３１は、光ファイバ４２１の他端に面する位置に配置されて、光ファイバ４２１からの光を受光するようになっている。フォトダイオード４３２は、光ファイバ４２２の他端に面する位置に配置されて、光ファイバ４２２からの光を受光するようになっている。受光素子４３は、図示しない回路に接続されており、各フォトダイオード４３１および４３２での受光による出力をそれぞれ取り出すことができるようになっている。

（実施形態の動作）
つぎに、前記のように構成された本実施形態のＳＰＭの動作について説明する。まず、発光素子３１を発光させる。これによる光は、入力用導光体３２とレンズ３３とを介してカンチレバー１の表面に照射される。カンチレバー１の表面で反射した光は、レンズ４１と出力用導光体４２とを介して、受光素子４３に照射される。受光素子４３では、受光量に応じた起電力が発生し、この起電力から受光量が算出される。

この状態で、従来のＳＰＭと同様に、試料に対して探針２を走査する。すると、探針と試料との相対移動に伴い、カンチレバー１の先端の位置が変化する。すると、カンチレバー１での光の反射角が変わり、レンズ４１に入射する光の量が変化する。例えば、レンズ４１１への光量が増加し、レンズ４１２への光量が減少する。これにより、フォトダイオード４３１および４３２における起電力が変動する。この変動に基づいて、カンチレバー１の変位量（つまりＡＦＭであれば試料の表面形状）を検出することができる。

この実施形態では、出力用導光体４２を用いているので、受光素子４３をカンチレバー１から離間させることができる。すると、カンチレバー１を極低温や強磁場のような過酷な状況に置いても、受光素子４３をその環境から隔離することができ、受光量の検出を精度良く行うことが可能となるという利点がある。つまり、過酷な環境下であっても、ＳＰＭを用いた測定が可能となる。

さらに、この実施形態では、入力用導光体３２により、発光素子３１もカンチレバー１から離間している。このため、この実施形態では、カンチレバー１と、レンズ３３と、入力用導光体３２の先端と、レンズ４１と、出力用導光体４２の先端とを、発光素子３１や受光素子４３とは独立して移動させることが可能となる。このため、カンチレバー１を試料に対して移動させることが容易となるという利点がある。これにより、この実施形態のＳＰＭによれば、試料を移動させる必要がなくなり、大きな試料を扱うことも可能になる。

また、この実施形態では、二つの光ファイバ４２１および４２２を用いて、二つのフォトダイオード４３１および４３２に光を照射しているので、差動検出が可能となり、出力として得られる信号強度を高めることができる。つまり微少な光量変化の検出が容易となる。

さらに、この実施形態では、二つの光ファイバ４２１および４２２を用いているので、一つの光ファイバを用いる場合に比較して、安定した測定が可能となる。すなわち、一つの光ファイバを用いた場合は、そのファイバで受光した光量の増減とカンチレバー１の変位とを対応させることになる。しかしながら、これでは、外乱（例えば照射量自体の変化やノイズ）により誤差が発生する。また、カンチレバー１の変位がある程度以上に大きくなると、受光量の減少により、それ以上の変位を検出することができなくなる。この実施形態によれば、二つの光ファイバを用いているので、外乱を打ち消すことができ、一つの光ファイバを用いた場合に較べて、測定誤差を減少させることができる。さらには、この実施形態によれば、測定できるカンチレバー１の変位の範囲を増大させることもできる。

また、この実施形態では、レンズ４１として、二つの球形状レンズ４１１および４１２を用いているので、カンチレバー１からの反射光を光ファイバ４２１および４２２にそれぞれ集光させて入力することができる。しかも、両レンズ４１１および４１２の対向面が略平面状とされ、かつ隣接されているので、その設置空間を小さくすることができるという利点がある。

前記実施形態のＳＰＭをＡＦＭとして用いて、下記条件の下で測定を行った。結果を図２に示す。

（測定条件）
コントローラ：ＪＯＥＬ社製ＪＳＴＭ４２００Ｄ
光源：波長６８０ｎｍのレーザダイオード（ＨＬ６７３８ＭＧ、日立製）
入力用導光体：シングルモード光ファイバ（ＦＳ−ＳＮ−３２２４、３Ｍ製）
入力用レンズ：外径１ｍｍの平凸レンズ（４５５８９−Ｅ、Edmund industrial optics製）
入力用レンズの焦点距離：約３ｍｍ
カンチレバー及び探針：ＡＣ−ｍｏｄｅ Ｓｉカンチレバー（ＮＳＣ１２Ｃ、μｍａｓｈ社製）
カンチレバーから受光用レンズまでの距離：約３ｍｍ
球形状レンズ（受光用）：４５５３８−Ｅ、Edmund industrial optics製を加工
出力用導光体：マルチモードファイバ（FIP100110125、Polymicro Technologies社製）
受光素子：ＳｉＰＩＮフォトダイオード（S7797、浜松フォトニクス社製を差動検出器として使用）
試料：ＳｒＴｉＯ_３基板（単位格子ステップを有する）
試料の測定範囲：５μｍ×５μｍ

この条件下において、図２に示されるトポ像を得ることができた。ステップ−テラス構造が観察できる。測定できる振幅は、０．４オングストローム以下も可能となっている。

なお、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、レンズ４１の代わりに他の集光機構、例えば透明な錐体を用いても良い。また、レンズ４１を用いなくとも良い。この場合は、出力用導光体４２の一端をカンチレバー１に十分近づける必要がある。

同様に、レンズ３３の代わりに他の集光機構を用いたり、その設置を省略することも可能である。後者の場合は、入力用導光体３２の先端をカンチレバー１に十分近づける必要がある。

レンズ４１等の設置を省くことができれば、装置を小型化でき、光学系が単純となるので、カンチレバー１を試料に対して移動させることが一層容易となる。

本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の概略的な構成を示す説明図である。 本発明の一実施例による測定結果を示す写真である。

符号の説明

１ カンチレバー
２ 探針
３ 発光部
３１ 発光素子（レーザダイオード）
３２ 入力用導光体（光ファイバ）
３３ レンズ
４ 受光部
４１ レンズ
４１１・４１２ 球形状レンズ
４２ 出力用導光体
４２１・４２２ 光ファイバ
４３ 受光素子
４３１・４３２ フォトダイオード

Claims (7)

1. カンチレバーと、発光部と、受光部とを備え、前記発光部は、発光素子と入力用導光体とを備え、前記入力用導光体は、前記発光素子からの光を前記カンチレバーの表面に向けて照射する構成となっており、前記受光部は、出力用導光体と受光素子とを備え、前記出力用導光体は、前記表面で反射した前記光を前記受光素子に導く構成となっていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記入力用導光体および出力用導光体は、いずれも光ファイバにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記出力用導光体は、複数の光ファイバにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記複数の光ファイバの先端には、前記カンチレバーからの反射光を前記複数の光ファイバにそれぞれ集光するための略球形状のレンズがそれぞれ配置されており、前記レンズどうしの対向面は、ほぼ平面状とされ、かつ、互いに隣接されていることを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記カンチレバーの先端には探針が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記発光素子はレーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記受光素子はフォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。