JP2006242875A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定できなくなるとか操作性を低下させること無く、カンチレバーの変位検出用光源による反射光のみを受光素子に入射するようにして、ノイズの低下を防ぎ正確な測定ができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、
自由端に先鋭化した前記探針を有するカンチレバー２と、カンチレバー２と試料３を相対的に移動させる試料移動機構４と、探針先端と試料３の間に働く相互作用によるカンチレバー２の自由端の変位を検出用光源５と受光素子１を用いて検出する変位検出機構とを遮光性を有する筺体８内に備え、筺体８の開口部に偏光子１０を備え、偏光子１０と偏光角度が直行するように偏光子１０と受光素子１との間の光路上に第二の偏光子９を備えるようにした
【選択図】 図２

Description

本発明は、先端に探針を備えたカンチレバーを用いて、試料表面の表面粗さや段差などの形状情報や、誘電率や粘弾性などの物理情報を計測する走査型プローブ顕微鏡に関する。特に、カンチレバーに光を照射して、その反射光を検出することで、カンチレバーの変位を測定する光てこ方式を用いた走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡とは、自由端に先鋭化した探針を有するカンチレバーと、カンチレバーと試料（被測定物）を相対的に移動させる試料移動機構を備えており、探針先端と試料との間に働く相互作用によるカンチレバーの自由端の変位を検出しながら、探針を試料表面に沿ってＸＹ方向に走査し、試料の表面形状や物性などの情報を３次元的に測定する装置である。

走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーの変位を検出する方法の一例として図１を参照して説明する。 図１に示すように、半導体レーザなどの変位検出用光源５からカンチレバー２に検出光を照射し、カンチレバー２の反射光が２分割または４分割されたフォトディテクターなどの検出部からなる受光素子１に入射し、受光素子１の分割された検出部のそれぞれの出力の差からカンチレバーの変位を検出するという、光てこ方式と呼ばれる方式が用いられている。

しかし、光てこ方式では、走査型プローブ顕微鏡が設置された環境の照明などの外部環境光やカンチレバーおよび試料を実体顕微鏡などで観察するための照明光などの外部光や、または変位検出用光源５からの検出光でカンチレバー以外の例えば試料表面からの反射光などの光が受光素子に入射することにより、受光素子で検出する変位信号にノイズ成分が発生する。それにより、カンチレバーの変位の検出精度が低下して正確な測定ができなくなる問題があった。

具体的な例としては、測定する部屋の蛍光灯の光が照射された状態で測定を行なうと、蛍光灯の光のちらつきは商用周波数に応じて１００または１２０Ｈｚであるため、１秒間に１００または１２０回受光素子１に入射する光が増減することになり、走査型プローブ顕微鏡で１ラインを１秒で測定している場合、走査型プローブ顕微鏡で測定された画像に１００または１２０本のスジ状の模様が現れることになる。また、蛍光灯から受光素子１に入射する光の強さが信号の強さに反映するため、光が強いほど試料の表面に高さの高いスジ状の形状があるかのように測定されてしまう。

そこで、ノイズの発生を防止するために、走査型プローブ顕微鏡本体を遮光性のカバーで覆う構造にして、測定中はカバーを閉じ、実体顕微鏡や光学顕微鏡などのための照射光を消したりして、外部からの光を遮断する方法が用いられていた。

しかし、測定中も実体顕微鏡や光学顕微鏡などでカンチレバーと試料を観察したいという要求や試料に光を照射して光化学反応させながら測定したいという要求があるが、上記の問題があった。

そこで、従来の照明光などの外部光や試料からの反射光が受光素子に入射しないような方法を用いた走査型プローブ顕微鏡の構成を図５に示す。

光てこ方式の変位検出用光源５から出射し、カンチレバー２で反射した反射光を集光レンズ１９で集光し、受光素子１と集光レンズ１９の間に変位検出用光源５からの反射光の光軸上に開口部を有する絞りユニット２０を備えて、カンチレバーからの反射光以外の光を遮断することでノイズの発生を防止するプローブ顕微鏡が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
しかし、カンチレバー２からの反射光を絞りユニット２０に通してから検出しているため、カンチレバーが大きく変位した場合に絞りユニットの開口部から反射光が外れて受光素子１で受光できなくなる。また、カンチレバーの交換のたびに、カンチレバーの位置がずれることにより反射光が絞りから外れて、受光素子に反射光が入らなくなるために、カンチレバーと絞りの位置を調整して光軸を合せ直す必要があり操作性が低下する問題があった。
特開平１１−２７１３４１号公報

本発明は、上記問題点を解決し、カンチレバーの大きな変位で受光できなくなるとか操作性を低下させること無く、カンチレバーの変位を検出するための光源による反射光のみを受光素子に入射するようにして、ノイズの低下を防ぎ正確な測定ができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、自由端に先鋭化した前記探針を有するカンチレバーと、該カンチレバーと前記試料を相対的に移動させる試料移動機構と、前記探針先端と前記試料の間に働く相互作用による前記カンチレバーの自由端の変位を変位検出用光源と受光素子を用いて検出する変位検出機構とを遮光性を有する筺体内に備え、該筺体の開口部に第一の偏光板を備え、該第一の偏光板と偏光角度が直交するように該第一の偏光板と前記受光素子との間の光路上に第二の偏光板を備えるようにした。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、以下の効果を奏する。

すなわち、カンチレバーの変位を検出するため光源以外の照明光や装置が設置されている環境などの外部環境光が受光素子に入射しないようにすることで、変位信号中のノイズ成分を大きく減少できるために、受光素子での検出のＳ／Ｎ比が低下することがなく、高分解能かつ高精度な測定を実現することができる。

以下、本発明のプローブ顕微鏡の第１実施形態について図１を参照して説明する。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、図１に示すように、自由端に先鋭化した探針を有し、試料３の上方に配されたカンチレバー２と、該カンチレバー２を先端に取り付け部材を介して固定すると共に、電圧を印加したときに試料３表面に垂直なＺ方向に伸縮して、カンチレバー２を試料３表面に対して微小な距離で接近離間させるZ方向の微動素子６（Zアクチュエータ）と、試料３を相対的に移動させるパルスモータを用いたＸＹステージからなる試料移動機構４と、カンチレバー２先端の探針と試料３の間に働く相互作用によりカンチレバーの自由端の変位を検出する機構として、半導体レーザからなる変位検出用光源５と２分割または４分割フォトダイオードからなる受光素子１が備えられ、これらが遮光性を有する筺体８の内部に備えられ、筺体８に設けられた開口部に第一の偏光板１０を備え、第一の偏光板１０と偏光角度が直交するように第一の偏光板１０と受光素子１との間の光路上に第二の偏光板９を備え、また第三の偏光板７を変位検出用光源５とカンチレバー２の間に備え、変位検出用光源５の検出光が第二の偏光板の偏光角度と同一になるようにする。

本実施形態で用いる偏光板は、直線透過型の偏光子であるフィルム状の材料を用い、入射した光が透過した際に直線偏光するものである。

また、筺体８の外側には、試料５やカンチレバー２を観察するための光学顕微鏡１２と光学顕微鏡のための照明や試料に光化学反応させるため光源となる照明用光源１１とが備えられている。

照明用光源１１からの照明光や装置の設置環境からの外部環境光１８は第一の偏光板１０の偏光角度の成分のみが通過して筺体８へ入射される。

カンチレバー２や試料３などで光学顕微鏡１２の方向に反射された反射光は、該反射光が第一の偏光板１０の偏光角度と同一であるので、第一の偏光板１０を通過して光学顕微鏡１２に入射することができるので、光学顕微鏡１２でカンチレバー２や試料３を観察できる。また、カンチレバー２や試料３などで受光素子１の方向に反射された反射光は、第二の偏光板９の偏光角度と直交であるために通過することができず、受光素子１に入射されない。

そして、半導体レーザからなる変位検出用光源５から第三の偏光板を通過し偏光された検出光は、カンチレバー２で反射され、同じ偏光角度である第二の偏光板９を通過できるので受光素子１に入射することができる。ここで、受光素子１に入射した反射光は、受光素子１の分割されたフォトダイオードの境界に跨って検出され、反射光の検出時に個々のフォトダイオードでの電流変換された出力信号の大きさの差分からカンチレバーの変位量を測定する。尚、４分割されたフォトダイオードを用いた場合には、カンチレバーのそりとねじれの変位を検出することができる。

また、遮光性の筐体８に取り付けられた第一の偏光板１０と、受光素子１の前面に取り付けられた第二の偏光板９は偏光角度が正確に直角に調整されることが望ましいので、第一の偏光板１０と第二の偏光板９の少なくとも１つに、角度を調節するための回転する機構を設けることが望ましい。これにより、カンチレバー変位検出用光６をオフにした状態で、第一の偏光板１０と第二の偏光板９あるいはそれら両方を回転させて、受光素子１のフォトダイオードの出力の合計が最小となる様に第一の偏光板１０と第二の偏光板９の相対角度を調節することで、外部光が受光素子１に入射する量を最小にすることができる。

以下、本発明のプローブ顕微鏡の第２実施形態について図２を参照して説明する。
なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、変位検出用光源５のレーザ光を第二の偏光板の偏光角度が同一になるような第三の偏光板７を変位検出用光源５とカンチレバー２の間に備えたが、第２実施形態では、変位検出用光源５から出射されるレーザ光自体が直線偏光である点である。

本実施形態では、変位検出用光源５部分の構成を図３に示し、その他の部分は第１実施形態と同様である。半導体レーザからなる直線偏光を出射する変位検出用光源５からのレーザ光は、第一のハーフミラー１４で反射し、カンチレバー２に照射される。そして、カンチレバーの反射光は第二の偏光板９を介して、受光素子１に入射させる。このとき、変位検出用光源５と第二の偏光板９との少なくとも１つに備えられた角度を調整する回転機構で変位検出用光源５からの反射光と、第二の偏光板９との偏光角度を一致させることにより、受光素子１で検出される出力が最大になるように調整する。

尚、本実施形態ではハーフミラーを用いたが、第１実施形態と同様にハーフミラーを用いず、変位検出用光源５からのレーザ光を直接カンチレバー２に照射してもよい。

また、本実施形態では、図２に示すように、照明用光源１１の照明光は筺体８の外部に備えた第二の１３ハーフミラーで反射し、筺体８内部に備えられた第一の１４ハーフミラーを直進してカンチレバー２や試料３を照明する。変位検出用光源５からの検出光は第一のハーフミラー１４で反射して、照明用光源１１の照明光のカンチレバー２や試料３からの反射光で、光学顕微鏡１２で観察される反射光の光軸と一致させる。

なお、光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡ではカンチレバー２に変位検出用光を照射するため、カンチレバー２が加熱され、カンチレバー２が反り返る現象が起きることが問題になることがある。しかし、第１実施形態では偏光されていない変位検出用光がカンチレバー２に照射されているが、第２実施形態では直線偏光された変位検出用光がカンチレバー２に照射されるため、第２実施形態の方がカンチレバー２に照射される光量が少ない。そのため、第２実施形態では変位検出用光によってカンチレバー２が加熱され反り返るという現象を抑える効果もある。

以下、本発明のプローブ顕微鏡の第３実施形態について図３を参照して説明する。
なお、第３実施形態において、第１および第２実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。

第３実施形態と、第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、第３実施形態では、変位検出用光源５から出射される直線偏光のレーザ光を円偏光する回転機構を備えた第一の１／４波長板と、さらに円偏光されたレーザ光を直線偏光にする回転機構を備えた第二の第一の１／４波長板を備えた点である。

本実施形態では、図３に示すように、変位検出用光源５から出射された直線偏光のレーザ光を、第一の１／４１／４波長板１５で円偏光に変換させ、再度第二の１／４波長板１６にて直線偏光に変換させる。本実施形態では、変位検出用光源５と第一の１／４波長板１５と第二の１／４波長板１６のいずれか又は両方に、角度を調整するための調整機構を備え、第二の１／４波長板１６から出射された直線偏光された検出光が、第１または第２実施形態のようにカンチレバー２照射され、その反射光が第二の偏光板９を介して受光素子１に検出されように、変位検出用光源５と第一の１／４波長板１５と第二の１／４波長板１６のいずれか又は両方の調整機構を調整するようにする。

また、本実施形態では変位検出用光源５と第一の１／４波長板１５と第二の１／４波長板１６を遮光性のカバー１７で覆い、カバー１７に有する開口部から直線偏光されたレーザ光が出射するようにした。

尚、本実施形態では円偏光から直線偏光に変換する第二の１／４波長板１６の代わりに、偏光板を備えて円偏光から偏光板の偏光面の成分のみがカバー１７に有する開口部から出射するようにしても良い。そして、偏光板は角度を調整する回転機構を有し、第二の偏光板の偏光面と一致するように調整する。

また、、上記各実施形態において、試料やカンチレバーを観察するための光学顕微鏡としたが、実体顕微鏡でもよく、ＣＣＤ（電荷結合素子）を接続して観察像をモニターに表示しても良い。

更に、上記各実施形態において、試料やカンチレバーを観察するための光学顕微鏡１２と照明用光源１１を筺体８の外側に備えたが、筺体８の内部に備えても良い。その場合、筺体８内部の照明用光源から出射する照明光を偏光板で偏光させるが、第二の偏光板の変更角度と直行になるように調整する。これにより、照明用光源からの照明光が受光素子に入射することを防止できる。このときに、照明用光源にカバーを覆い偏光板からのみ照明光が出射するようにすることが望ましく、筺体８に開口部はなくてもよい。

尚、上記各実施形態において、偏光子として直線透過型の偏光板に限らず、偏光板の設置される位置を変更することにより反射型の偏光板でも構わない。

また、上記各実施形態において、変位検出用光は偏光されて受光素子１に入射するため、従来技術で用いられていた変位検出用光に比べて光量が低下し、それに伴い信号とノイズのＳ／Ｎ比が低下する。それを防止するために偏光された後の変位検出用光の光量が従来技術で用いられていた変位検出用光と同じ光量になるように、変位検出用光源５の出力を上げて使用しても良い。

本発明に係る第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概要図である。 本発明に係る第２実施形態の走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概要図である。 本発明に係る第３実施形態の走査型プローブ顕微鏡の検出構成を示す概要図である。 光てこ方式を用いた走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概要図である。 従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概要図である。

符号の説明

１ 受光素子
２ カンチレバー
３ 試料（被測定物）
４ 試料移動機構
５ 変位検出用光源
６ 微動素子
７ 第三の偏光板
８ 筐体
９ 第二の偏光板
１０ 第一の偏光板
１１ 照明用光源
１２ 光学顕微鏡（実体顕微鏡）
１３ 第二のハーフミラー
１４ 第一のハーフミラー
１５ 第一の１／４波長板
１６ 第二の１／４波長板
１７ カバー
１８ 外部環境光
１９ 集光レンズ
２０ 絞りユニット

Claims (13)

1. 探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、
   自由端に先鋭化した前記探針を有するカンチレバーと、該カンチレバーと前記試料を相対的に移動させる試料移動機構と、前記探針先端と前記試料の間に働く相互作用による前記カンチレバーの自由端の変位を変位検出用光源と受光素子を用いて検出する変位検出機構とを遮光性を有する筺体内に備え、
   該筺体の開口部に第一の偏光板を備え、該第一の偏光板と偏光角度が直交するように該第一の偏光板と前記受光素子との間の光路上に第二の偏光板を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、
   自由端に先鋭化した前記探針を有するカンチレバーと、該カンチレバーと前記試料を相対的に移動させる試料移動機構と、前記探針先端と前記試料の間に働く相互作用による前記カンチレバーの自由端の変位を変位検出用光源と受光素子を用いて検出する変位検出機構とを遮光性を有する筺体内に備え、
   前記試料や前記カンチレバーを照明するための照明用光源を前記筺体外に配置し、前記照明用光源の前面に第一の偏光板を備え、該第一の偏光板と偏光角度が直交するように該第一の偏光板と前記受光素子との間の光路上に第二の偏光板を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 請求項１または2記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   前記第一の偏光板が、直線透過型偏光板であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. 請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   前記筐体に備えられた前記第一の偏光板の偏光角度を調整するための回転機構を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   第二の偏光板の偏光角度を調整するための回転機構を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
6. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   変位検出用光源とカンチレバーの間に、直線透過型偏光板からなる第三の偏光板を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
7. 請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   第三の偏光板の偏光角度を調整するための回転機構を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
8. 請求項１乃至３の少なくとも1項記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   変位検出用光源が直線偏光のレーザ光源であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
9. 請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡において、
   変位検出用光源の偏光角度を調整するための回転機構を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
10. 請求項６項記載の走査型プローブ顕微鏡において、
    前記変位検出用光源からの直線偏光の検出光を円偏光にするために第一の１／４波長板を備え、さらに円偏光された検出光を直線偏光にするための第二の１／４波長板を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
11. 請求項１０項記載の走査型プローブ顕微鏡において、
    前記第一の１／４波長板と前記第二の１／４波長板の少なくとも１つに、偏光角度を調整するための回転機構を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
12. 請求項６項記載の走査型プローブ顕微鏡において、
    前記変位検出用光源からの直線偏光の検出光を円偏光にするために第一の１／４波長板を備え、さらに円偏光された検出光を直線偏光にするための直線透過型偏光板からなる第四の偏光板を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
13. 請求項１２項記載の走査型プローブ顕微鏡において、
    前記第一の１／４波長板と前記第四の偏光版の少なくとも１つに、偏光角度を調整するための回転機構を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

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