JP2005172767A - レーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡を備えた複合型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】
走査型プローブ顕微鏡による観察開始時のプローブの高さ方向含めた位置決めを短時間になしうるようにする。
【解決手段】
走査型プローブ顕微鏡による観察開始時にそのプローブの位置決めを行なうには、一実施例では、はじめに、共焦点レーザ顕微鏡で試料１８の三次元形状観察を行ない、その三次元形状データを記憶部５１に記憶する。次にレボルバ１を回転させ、走査型プローブ顕微鏡を観察位置に待機させる。続いて共焦点レーザ顕微鏡の視野の中から、走査型プローブ顕微鏡のプローブ３７ａを近づける水平面内の位置（ＸＹ位置）を決定すると、ＸＹＺ位置制御部５０は記憶部５１に記憶されてそのいるＸＹ位置のＺ位置の近傍までプローブ３７ａを高速で近づける。
【選択図】 図３

Description

本発明は、共焦点レーザ顕微鏡や干渉型レーザ顕微鏡などのレーザ顕微鏡に走査型プローブ顕微鏡が組み込まれた複合型の顕微鏡に関するものである。

レーザ顕微鏡に走査型プローブ顕微鏡が組み込まれた複合型顕微鏡では、観察倍率の低いレーザ顕微鏡で広い（低倍率の）観察を行い、その視野（観察範囲）の中から狭い（高倍率の）観察をおこなうのが一般的である。

レーザ顕微鏡による視野内で走査型プローブ顕微鏡による観察位置を定めた後、走査型プローブ顕微鏡による観察を開始する際に、走査型プローブ顕微鏡のプローブの高さ方向の位置決めを行なう方法として、走査型プローブ顕微鏡に組み込まれた垂直位置移動機構とプローブが受ける力を検出する機構によりプローブを試料に十分近い距離まで近づける粗動技術が必要となる。

また、レーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡で光学系を共用するようにしたものにおいては、レーザ顕微鏡で得た試料表面の凹凸に関するデータを走査型プローブ顕微鏡での観測にも利用することが提案されている（特許文献1参照。）。

しかし、その提案の顕微鏡は、レーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡で光学系を共用しているもので、本発明が対象としている複合型顕微鏡とは対象が異なる。また走査型プローブ顕微鏡のプローブの位置決めはＸＹ平面内での位置決めに留まり、走査型プローブ顕微鏡での観察開始時の高さ方向の位置決めは行なっていない。
特開平７−１９８７３０号公報

従来の技術では、走査型プローブ顕微鏡のプローブが試料の表面に到達したかどうかを判定するために、逐次モニターしながら近づける必要がある。このときプロープを損傷させないために、十分ゆっくり近づける必要があった。そのため、従来の技術では、プローブを試料に近づけるのに比較的長い時間を要していた。

本発明は、レーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡で光学系を独立のものとして構成したものに関するものであり、そのような複合型顕微鏡で走査型プローブ顕微鏡による観察開始時のプローブの高さ方向を含めた位置決めを短時間になしうるようにすることを目的とするのである。

本発明の複合型顕微鏡は、試料を載置する試料ステージと、独立した光学系として構成されたレーザ顕微鏡及び走査型プローブ顕微鏡と、前記ステージ上に載置された試料に対して前記レーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡を選択的に位置決めする交換機構と、前記レーザ顕微鏡で得られた試料の三次元形状のデータを基にして前記走査型プローブ顕微鏡観察時の試料に対する高さ方向を含むプローブの位置決めを行なう粗動位置決め機構とを備えている。

前記交換機構は、例えば、回転によりレーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の一方を試料観測位置に位置決めするレボルバ機構である。
前記粗動位置決め機構の第１の例は、前記レーザ顕微鏡で得られた試料の三次元形状のデータを記憶しておくメモリ装置を備え、前記レーザ顕微鏡による視野内で走査型プローブ顕微鏡により観測する位置が指定されると前記メモリ装置に記憶されているその位置の所定の高さまで走査型プローブ顕微鏡のプローブの位置決めを行なうものである。

前記粗動位置決め機構の第２の例は、前記レーザ顕微鏡による視野内で走査型プローブ顕微鏡により観測する位置が指定されるとその位置の試料表面の高さを測定し、その位置の所定の高さまで走査型プローブ顕微鏡のプローブの位置決めを行なうものである。
前記レーザ顕微鏡は共焦点型レーザ顕微鏡と干渉型レーザ顕微鏡のいずれであってもよい。

前記粗動位置決め機構において、走査型プローブ顕微鏡のプローブを試料に近づける手段は、レーザ顕微鏡に組み込まれた垂直位置移動機構を用いてもよく、走査型プローブ顕微鏡に組み込まれた垂直位置移動機構を用いてもよく、又はこれらの２つを同時に用いてもよい。

本発明で走査型プローブ顕微鏡の語は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）及び磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などの既知の走査型プローブ顕微鏡を含む広い意味で使用している。

本発明では、レーザ顕微鏡で得られた試料の三次元形状のデータを基にして走査型プローブ顕微鏡観察時の試料に対する高さ方向を含むプローブの位置決めを行なうようにしたので、走査型プローブ顕微鏡のプローブを試料表面に近づけるときに、表面に到達したかどうかを逐次モニターする必要がなくなり、より速やかに近づけることが可能となり、すなわち走査型プローブ顕微鏡の粗動時間を短縮させることができる。

図１から３により一実施例を説明する。一実施例としては、走査型プローブ顕微鏡として原子間力顕微鏡、レーザ顕微鏡として共焦点レーザ顕微鏡を使用したものを示す。
図1は一実施例を示す外観斜視図である。１は共焦点レーザ顕微鏡のレボルバで、交換機構の一例である。そのレボルバ１の対物レンズ取付部に共焦点レーザ顕微鏡の対物レンズ２と、走査型プローブ顕微鏡３が取り付けられている。走査型プローブ顕微鏡３はレボルバ1に対し、垂直位置移動機構４を介して取り付けられている。レボルバ1はステージ５に対し、共焦点レーザ顕微鏡の垂直位置移動機構６を介して垂直方向に移動可能に支持されている。

ステージ５上には水平位置移動機構７を介して試料８が載置され、試料８が水平面内でＸＹ方向に位置決めされるようになっている。
走査型プローブ顕微鏡３の先端部にはカンチレバー３７が設けられ、カンチレバー３７の先端にプローブ（探針）３７ａが取り付けられている。

図１は共焦点レーザ顕微鏡で試料表面を観察する態様を表わしており、図２はレボルバ１を回転させて走査型プローブ顕微鏡３を観察位置に位置決めした状態を示している。

次に、図３によりこの実施例のさらに詳細な説明を行う。
図３の左側部分は共焦点レーザ顕微鏡を表わしている。１１はレーザ発振器で、発生したレーザ光１２はハーフミラー又はビームスプリッタ１３を透過して対物レンズ１４により試料１８上に焦点を結ぶ。１８からの反射光は再びレンズ１４で集光され、ハーフミラー１３又はビームスプリッタにより反射されてレンズ１５でピンホール１６の位置に焦点を結ぶ。１７はピンホールを透過した光の強度を検出する光強度検出器である。

試料１８はステージ上に載置されている。ステージは平面内のＹ方向に位置決めするＹステージ２１、Ｘ方向に位置決めするＸステージ２０及び高さ方向のＺ方向に位置決めするＺステージ１９からなっている。図１ではステージ５上に水平位置移動機構７が設けられているが、これはＸステージ２０とＹステージ２１に相当する。図１での垂直位置移動機構６は、図３の実施例ではＺステージ１９に対応する。

この共焦点レーザ顕微鏡では、光強度検出器１７の前にピンホール１６が設けられているので、共焦点レーザ顕微鏡を観察位置に位置決めしたとき、試料１８に対してＺ方向（高さ方向）に焦点の合った光だけがピンホール１６を透過して光強度検出器１７に到達することができる。光強度検出器１７による光強度信号をモニターしながら、試料１８のＸＹＺ位置を走査させ、光強度検出器１７に光が到達したときのＸＹＺ位置を記憶しておけば、試料１８の三次元形状を取得することができる。

図３の右側部分は走査型プローブ顕微鏡である。カンチレバー３７の取付け部分はＸＹスキャナ３１とＺスキャナ３２により平面内と高さ方向に走査される。Ｚスキャナ３２は図１における垂直位置移動機構に対応する。

カンチレバー３７の先端のプローブ３７aの変位を検出するために、レーザ発振器３３が設けられており、レーザ発振器３３から発生したレーザ光３４はプローブ３７aで反射し、さらにミラー３５で反射されてレーザスポット位置検出器３６に入射する。レーザスポット位置検出器３６の出力電圧はレーザ光３４の入射位置によって変化するので、その出力電圧によってカンチレバー３７の変位が検出される。

この走査型プローブ顕微鏡を観察位置に位置決めしたとき、試料１８から力を受けたときに変位を生ずるカンチレバー３７にレーザ光３４を照射しておき、その反射光がレーザスポット位置検出器３６に入射するようにしておく。その状態で、カンチレバー３７を試料１８から力を受ける程度に近づけ、試料１８に対してカンチレバー３７をＸＹスキャナ３１を使ってＸＹ方向に走査したときに、レーザスポット位置検出器３６の出力をモニターし、この値が一定になるようにＺスキャナ３２を使ってＺ位置を制御する。
このとき、ＸＹ位置に対するＺ位置を取得すれば、試料の三次元形状を取得することができる。

５０はＸＹＺ位置制御部であり、５１はＸＹＺ位置記憶部である。ＸＹＺ位置制御部５０は、共焦点レーザ顕微鏡による観察時には、ステージ１９，２０，２１にそれぞれ制御信号２２．２３，２４を送ってＸＹＺ方向の走査を行ない、光強度検出器１７による光強度信号２５を入力して光強度検出器１７に光が到達したときのＸＹＺ位置をＸＹＺ位置記憶部に記憶していく。ＸＹＺ位置制御部５０はまた、走査型プローブ顕微鏡による観察時には、ＸＹスキャナ３１に制御信号３８，３９を送ってＸＹ方向の走査を行ない、レーザスポット位置検出器３６のレーザスポット位置信号４１を入力してこの値が一定になるようにＺスキャナ３２に制御信号４０を送ってＺ位置を制御する。

ＸＹＺ位置制御部５０はさらに、走査型プローブ顕微鏡による観察開始時にそのプローブ３７ａの位置決めを行なう。その動作を説明する。
はじめに、共焦点レーザ顕微鏡で試料１８の三次元形状観察を行ない、その三次元形状データを記憶部５１に記憶する。次にレボルバ１を回転させ、走査型プローブ顕微鏡を観察位置に待機させる。続いて共焦点レーザ顕微鏡の視野の中から、走査型プローブ顕微鏡のプローブ３７ａを近づける水平面内の位置（ＸＹ位置）を決定すると、ＸＹＺ位置制御部５０は記憶部５１に記憶されてそのいるＸＹ位置でのＺ位置までプローブ３７ａを高速で近づける。プローブ３７ａを近づける方法としては、Ｚステージ１９を駆動する方法、Ｚスキャナ３２を駆動する方法、又はその両方を併用する方法のいずれ方法であってもよい。
この場合、共焦点レーザ顕微鏡による三次元形状観察によりその位置の高さはすでに得られて記憶部５１に記憶されているため、その高さまで一気にプローブ３７ａを近づけることができる。

本発明は、他の実施例として、共焦点レーザ顕微鏡で予め試料の三次元形状観察を行なっていないものも含む。その場合は、走査型プロープ顕微鏡のプローブを近づける水平面内の位置を決定した後、その位置のみ高さを共焦点レーザ顕微鏡で計測し記憶部５１に記憶する。次にレボルバ１を回転させ、走査型プローブ顕微鏡を観察位置に待機させる。続いて、記憶した高さまで一気にプローブ３７ａを近づける。
走査型プローブ顕微鏡とレーザ顕微鏡の組合せは、実施例のものに限らない。他の組合せにおいても本発明は同様に適用することができる。

本発明は、レーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡をともに備えているため、低倍率から高倍率まで、広い範囲の倍率で試料表面を観察するのに利用することができる。

一実施例をレーザ顕微鏡での観察時の状態で示す概略正面図である。 同実施例を走査型プローブ顕微鏡での観察時の状態で示す概略正面図である。 同実施例を詳細に示すブロック図である。

符号の説明

１ レボルバ
２，１４ 対物レンズ
３ 走査型プローブ顕微鏡
４，６ 垂直位置移動機構
７ 水平位置移動機構
８，１８ 試料
１１，３３ レーザ発振器
１２，３４ レーザ光
１３ ハーフミラー又はビームスプリッタ
１５ レンズ
１６ ピンホール
１７ 光強度検出器
１９ Ｚステージ
２０ Ｘステージ
２１ Ｙステージ
５０ ＸＹＺ位置制御部
５１ ＸＹＺ位置記憶部
３１ ＸＹスキャナ
３２ Ｚスキャナ
３６ レーザスポット位置検出器
３７ カンチレバー
３７ａ プローブ

Claims (5)

1. 試料を載置する試料ステージと、
   独立した光学系として構成されたレーザ顕微鏡及び走査型プローブ顕微鏡と、
   前記ステージ上に載置された試料に対して前記レーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡を選択的に位置決めする交換機構と、
   前記レーザ顕微鏡で得られた試料の三次元形状のデータを基にして前記走査型プローブ顕微鏡観察時の試料に対する高さ方向を含むプローブの位置決めを行なう粗動位置決め機構とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記交換機構は回転によりレーザ顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の一方を試料観測位置に位置決めする機構である請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記粗動位置決め機構は前記レーザ顕微鏡で得られた試料の三次元形状のデータを記憶しておくメモリ装置を備え、前記レーザ顕微鏡による視野内で走査型プローブ顕微鏡により観測する位置が指定されると前記メモリ装置に記憶されているその位置の所定の高さまで走査型プローブ顕微鏡のプローブの位置決めを行なうものである請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記粗動位置決め機構は前記レーザ顕微鏡による視野内で走査型プローブ顕微鏡により観測する位置が指定されるとその位置の試料表面の高さを測定し、その位置の所定の高さまで走査型プローブ顕微鏡のプローブの位置決めを行なうものである請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記レーザ顕微鏡は共焦点型レーザ顕微鏡又は干渉型レーザ顕微鏡である請求項１から４のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
   

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