JP2007003246A - 走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学顕微鏡を用いて試料裏面から観察を行いながら試料と探針の位置合わせを行うことが困難であったという点である。
【解決手段】 試料に対向する探針と、前記試料を置載面に置載する試料ステージと、前記試料ステージを前記置載面方向に走査すると共に、高さを変化させるスキャナと、を有し、前記探針と前記試料との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡において、前記試料ステージの少なくとも試料を置載する部分が光を透過し、前記試料ステージの置載面の裏面から前記試料を写すミラーと、前記ミラーからの像を受ける光学顕微鏡と、前記試料と前記探針を相対的に位置合わせする位置合手段と、を備え、前記光学顕微鏡の像に基づいて前記試料と前記探針の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡。
【選択図】 図３

Description

本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。

近年、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針と試料表面を相対的に走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像・磁気像・分光画像等を得るように成した走査形プローブ顕微鏡が注目されている。

走査形プローブ顕微鏡の垂直分解能は０．０１ｎｍ程度と優れているが走査範囲は数十μｍ角と広くない。このため、走査する試料の箇所を広範囲に観察可能な光学顕微鏡を用いて選別し、探針と試料の走査箇所を正確に位置合わせすることが重要となる。

図１は従来技術における、探針と試料の測定箇所の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡である。試料４はスキャナ５に固定されている。レーザ光源６からのレーザ光線をカンチレバー２に反射させるビームスプリッタ２０を通して光学顕微鏡１６を用いて上方から試料４を観察していた。
図６は光学顕微鏡１６における観察像である。この方法では、試料観察部分２３がカンチレバー２で隠れて見えないため、図示しない位置合わせ機構による位置合わせが行い難い。

図２は試料を倒立型顕微鏡を用いて裏面から観察を行う従来技術である。スライドガラス又はカバーガラス上に載せられた生体等の試料４の裏面から、倒立型顕微鏡１６を用いて観察を行い、位置合わせを行う。この場合、試料４は透明もしくは半透明のものに限定されるが、カンチレバーで視野が遮られないため探針の位置が確認し易く、観察効率が向上する。
しかし、図２のように探針１を備えたカンチレバー２がスキャナ５に固定されており、探針側を変位させることによりスキャンさせる構成においては、容易に倒立型顕微鏡１６を試料４の下方に配置することができるが、図１のように試料４がスキャナ１６に固定されており、試料側を変位させることによりスキャンする構成においては、試料４とスキャナ１６の間には倒立型顕微鏡を配置する空間がなく、また、スキャナ内部に倒立型顕微鏡を組み込むことは技術的に困難である。

なお、従来技術としては、試料台とスキャナの間に全反射ミラーを配置し、試料に光を照射する走査型近接場光学顕微鏡がある（例えば、特許文献１）。

特開平８−２２０１１３

本発明が解決しようとする問題点は、試料側をスキャンする走査形プローブ顕微鏡において、光学顕微鏡を用いて試料裏面から観察を行いながら試料と探針の位置合わせを行うことが困難であったという点である。

請求項１の発明は、試料に対向する探針と、前記試料を置載面に置載する試料ステージと、前記試料ステージを前記置載面方向に走査すると共に、高さを変化させるスキャナと、を有し、前記探針と前記試料との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡において、前記試料ステージの少なくとも試料を置載する部分が光を透過し、前記試料ステージの置載面の裏面から前記試料を写すミラーと、
前記ミラーからの像を受ける光学顕微鏡と、前記試料と前記探針を相対的に位置合わせする位置合手段と、を備え、前記光学顕微鏡の像に基づいて前記試料と前記探針の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡である。

請求項２の発明は、前記ミラーが前記試料ステージと前記スキャナの間に位置することを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡である。

請求項３の発明は、前記ミラーが前記置載面に対して４５°の反射面を有し、前記光学顕微鏡は前記置載面に平行な方向から前記ミラーに対向することを特徴とする請求項２に記載した走査形プローブ顕微鏡である。

請求項４の発明は、前記ミラーは、前記試料の下であって前記試料ステージと前記スキャナの間に位置する第１のミラーと、前記第１のミラーに対向し前記第１のミラーから反射された前記試料の像を前記載置面上方に反射する第２のミラーと、から構成され、前記光学顕微鏡を移動させる光学顕微鏡移動手段を、備えた請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記光学顕微鏡を移動させることにより、直上よりの試料像と裏面よりの試料像を得ることを特徴とした走査形プローブ顕微鏡である。

請求項５の発明は、前記第１のミラーは前記置載面に対して４５°の反射面を有し、前記第２のミラーは前記置載面に対して２２５°の反射面を有することを特徴とする請求項４に記載した走査形プローブ顕微鏡である。

本発明により試料ステージ下方にミラーを配置することで試料を裏面から観察することが可能となり、試料と探針の位置合わせが正確にできるようになった。

また、試料ステージとスキャナの間にミラーを配置することにより、試料とミラーの距離が短くなることによって試料と光学顕微鏡の距離が短くなり、光学顕微鏡の解像度を向上させることができる。特に、スキャナにミラーを固定すると構造上有利である。

さらに、ミラーを２個用いて光学顕微鏡を移動させることにより、試料裏面からの像と試料直上からの像を得ることができる。

以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。

原子間力顕微鏡のコンタクトモードは、試料表面と探針間の原子間斥力を用いて観察・測定を行う。片持ちばりであるカンチレバーの端に取り付けた探針を試料表面に近づけていくと、試料と探針の間に原子間力が働くことから、この原子間力を利用して探針と試料との距離制御に基づき試料表面の観察を行うものである。ここで、原子間力は、試料と探針が離れている間は引力が働き、近づいてくると斥力が働くので、この原子間力によって片持ちばりがたわむ。そこで、レーザを用いた光てこ方式などでこの片持ちばりのたわみを検出して、原子間力が一定となるようにピエゾ素子を用いた駆動手段により探針又は試料をＺ方向に制御して試料表面上を二次元的に走査を行い、試料の凹凸像の観察を行う。

本発明の構成を図３を用いて説明する。図３は原子間力顕微鏡のコンタクトモードの構成図である。円筒形状のピエゾ素子から構成されＸＹＺ方向に変位自在なスキャナ５の下面にスキャナ粗動機構２１が設置されている。また、スキャナ５の上面には試料ステージ１５が設置されており、試料ステージ１５上面には試料４が置載されている。試料ステージ１５はＬ字板状に形成されており、スキャナ５との間は空間を有している。また、試料４ステージの試料４が置載される面は透明なガラスで構成されている。試料４ステージは試料４より小さい穴が形成されていてもよい。試料４は透明、半透明又は組織が疎らで光が透過するものが用いられる。

スキャナ５上面には試料ステージ１５の試料４置載面に対し４５°の反射面を有し、試料４の裏面を写すミラー１７が設置されている。ミラー１７の反射面に対向する位置に光学顕微鏡１６が試料ステージ１５の試料置載面に平行に設置されている。光学顕微鏡１６にはＣＣＤ２５が内蔵されており、受けた像を図示しないモニタに表示する。光学顕微鏡２６には照明光源２６も内蔵されており、受けた像は透過するハーフミラーにより９０°反射して光学顕微鏡１６の光軸と同軸方向に照明光を照射する。また、光学顕微鏡にはＸＹＺ方向に変位自在な光学顕微鏡粗動機構が設置されており、位置の微調整を行う。すなわち、光学顕微鏡１６によりミラー１７を経て、試料４裏面が観察できるように構成されている。

また、試料４表面に対向して、先端に探針１を有するカンチレバー２が設置されている。カンチレバー２はシリコン等の弾性体により構成されている。レーザ光源６からはスプリッタ２０を経てカンチレバー２先端にレーザ光線２４が照射され、カンチレバー２先端から反射したレーザ光線２４の反射スポットは検出器７で検出している。検出器７には４分割フォトダイオードを使用し、それぞれの検出信号量の差を演算回路によって演算することで位置情報を得いる。

検出器７はバンドパスフィルタが内蔵されたプレアンプ８に電気的に接続され、プレアンプ８はエラーアンプ９に接続されている。すなわち、光てこ方式で検出されたカンチレバー２のたわみ（変位）に相当する信号がエラーアンプ９に入力されるよう構成されている。エラーアンプ９はフィルタ１１を経てスキャナＺドライバ１３に接続されている。フィルタ１１は途中分岐してコンピュータ１２に接続されている。また、コンピュータ１２はスキャナＸＹドライバ１４に接続されている。

以上、図３における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。まず、光学顕微鏡１６のフォーカスをカンチレバー２に合わせ、図示しないカンチレバー粗動機構を用いてカンチレバー２を光学顕微鏡の視野の真ん中に移動させる。次に、光学顕微鏡１６を用いて試料４にフォーカスを合わせて試料４裏面を観察し、試料４のどの部分を詳細に観察するかを決定する。図６は光学顕微鏡で見た試料４の像であり、２３は決定した試料観察部分である。次に、試料４と探針１の位置会手段であるスキャナ粗動機構２１を用いて試料観察部分２３を探針１の下に移動させ、試料４と探針１の位置合わせを行う。図８は顕微鏡で見た像である。試料４及び試料ステージ１５は光を透過するため試料４の上方にある探針１の位置を確認することができる。すなわち、透明な試料４を裏面から観察するため、試料４と探針１の位置合わせが正確に出来る。もちろん、カンチレバー２を移動させて位置合わせを行ってもよい。

図３において、カンチレバー２の端に取り付けた探針１を試料４表面に近づけていくと、次第に試料４と探針１の間に原子間力が働くことから、カンチレバー２が変位する。カンチレバー２の先端が上下に変位し検出器７の反射スポットの位置がずれると検出信号量の差の演算結果に変化が生じる。

エラーアンプ９はこの結果を受けて基準電圧からの誤差が最小となる出力をフィルタ１１を経てスキャナＺドライバ１３（Ｚ駆動部）に送る。このフィードバック回路によって、例えばカンチレバー２が上方に変位した場合にはスキャナ５のＺピエゾ素子が縮み、探針１−試料４間の距離を一定に保持する。この時のＺ動を制御している信号（フィルタ１１の出力）が表面の凹凸像信号に相当する。コンピュータ１２からスキャナＸＹドライバ１４に送られるスキャン信号によりピエゾスキャナ５が２次元的にスキャンされ、その時の凹凸像信号を輝度信号としてコンピュータ１２で処理することで凹凸像が得られる。

すなわち、このように走査形プローブ顕微鏡は探針１と試料４間に作用する原子間力を一定に保持するフィードバック制御下で試料４表面上を走査し、この時のＺ駆動電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。

以上、動作について説明したが、本発明により試料ステージ１５裏面方向にミラー１７を配置することにより試料４を裏面から観察することが可能となり、透明な試料４と探針１の位置合わせが正確にできるようになるという効果が得られる。

また、試料ステージとスキャナの間にミラーを配置することにより、試料とミラーの距離が短くなることによって試料と光学顕微鏡の距離が短くなり、光学顕微鏡の解像度を向上させることができる。特に、スキャナにミラーを固定すると構造上有利である。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、ノンコンタクトモードの走査形プローブ顕微鏡に適用してもよい。
また、図５のようにミラー１７は４５°以外の角度に傾斜していてもよい。この場合、光学顕微鏡は水平方向ではなく、試料４の裏面が観察できるように傾斜させて構成する。
さらに、光学顕微鏡はＣＣＤが接続されないものでもよい。

本発明の構成を図４を用いて説明する。図４は原子間力顕微鏡の要部の図である。スキャナ粗動機構２１を有し、円筒形状のピエゾ素子から構成されＸＹＺ方向に変位自在なスキャナ５の上面に試料ステージ１５が設置されており、試料ステージ１５上面には試料４が置載されている。試料ステージ１５は不透明な材料で構成され、試料４を置載する部分は穴が形成されており、試料４は試料ステージ１５に置載された穴より大きい薄いガラス板で支持されている。試料４は透明、半透明又は組織が疎らで光が透過するものが用いられる。また、スキャナ５上面には試料ステージ１５の試料置載面に対し４５°の反射面をもった試料４の裏面を写す第１のミラー１８が設置されている。第１のミラー１８の反射面に対向する位置に直角２等辺三角形で、試料ステージ１５の試料置載面に対し２２５°の反射面をもった第２のミラー１９が設置されており、第２のミラー１９の上方には光学顕微鏡１６が設置されている。つまり、光学顕微鏡１６により第２のミラー１９及び第１のミラー１８を経て、試料４裏面が観察できるように構成されている。そして、試料４は光を透過するため試料４の上方にあるものも確認することができる。また、光学顕微鏡１６はＸＹＺ方向に変位自在な光学顕微鏡粗動機構２２に設置されており、後述するカンチレバー２上方に移動自在である。

さて、試料４に対向して、先端に探針１を有するカンチレバー２が設置されている。レーザ光源６からはスプリッタ２０を経てカンチレバー２先端にレーザ光線２４が照射され、カンチレバー２先端から反射したレーザ光線の２４反射スポットは検出器７で検出している。スプリッタ２０はレーザ光源６からのレーザ光線２４は９０°反射するが、試料４からの光は透過する。よって、光学顕微鏡１６が試料４の上方に位置した場合、スプリッタ２０を経て試料４を観察出来る。検出器７には４分割フォトダイオードを使用し、それぞれの検出信号量の差を演算回路によって演算することで位置情報を得いる。検出器７に接続する図示しない制御回路は実施例１と同様の回路が接続されている。

以上、図４における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。基本的な動作は実施例１と同様であるが、まず、光学顕微鏡１６を光学顕微鏡粗動機構２２により移動させ、第２のミラー１９及び第１のミラー１８を経て試料４裏面が観察できるように位置及び焦点を合わせる。次に、試料４のどの部分を詳細に観察するかを決定し、試料４と探針１の位置合手段であるスキャナ粗動機構２２を用いて試料４と探針１の位置合わせを行う。この場合、試料４を裏面から観察するため、試料４と探針１の位置合わせが正確に出来る。

また、不透明な試料４を観察する場合は光学顕微鏡を１６’の位置まで光学顕微鏡粗動機構２２を用いて移動させ、試料４を直上からスプリッタ２０を通して観察する。この場合、図７のようにカンチレバー２を越しに試料４を観察することになるため、カンチレバー２の真下の試料４は観察し難くなる。

以上、動作について説明したが、本発明により試料ステージ裏面方向にミラーを配置することにより試料を裏面から観察することが可能となり、試料と探針の位置合わせが正確にできるようになるという効果が得られる。また、試料が光を透過しないため試料裏面方向から試料と探針の位置あわせができない場合でも、光学顕微鏡を移動させ試料をカンチレバー上方から観察することにより、試料と探針の位置合わせを行うことができる。

従来技術における上方からの探針と試料の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡を示す図である。 従来技術における倒立型光学顕微鏡を用いて探針と試料の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡を示す図である。 本発明による１つのミラーを用いて試料裏面から観察し、探針と試料の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡を示す図である。 本発明による２つのミラーを用いて試料裏面から観察し、探針と試料の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡を示す図である。 本発明による１つのミラーを用いて斜め方向から試料裏面から観察し、探針と試料の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡を示す図である。 従来技術における直上からカンチレバーと試料を光学顕微鏡により観察した図である。 本発明における試料裏面からからカンチレバーと試料を光学顕微鏡により観察した図である。 本発明における試料裏面からからカンチレバーと試料を光学顕微鏡により観察した図である。

符号の説明

１ 探針
２ カンチレバー
３ 圧電素子
４ 試料
５ スキャナ
６ レーザ光源
７ 検出器
８ プレアンプ
９ エラーアンプ
１０ 基準入力
１１ フィルタ
１２ コンピュータ
１３ スキャナＺドライバ
１４ スキャナＸＹドライバ
１５ 試料ステージ
１６ 光学顕微鏡
１７ ミラー
１８ 第１のミラー
１９ 第２のミラー
２０ スプリッタ
２１ スキャナ粗動機構
２２ 光学顕微鏡粗動機構
２３ 試料観察部分
２４ レーザ光線
２５ ＣＣＤ
２６ 照明光源

Claims (5)

1. 試料に対向する探針と、前記試料を置載面に置載する試料ステージと、前記試料ステージを前記置載面方向に走査すると共に、高さを変化させるスキャナと、を有し、前記探針と前記試料との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡において、
   前記試料ステージの少なくとも試料を置載する部分が光を透過し、
   前記試料ステージの置載面の裏面から前記試料を写すミラーと、
   前記ミラーからの像を受ける光学顕微鏡と、
   前記試料と前記探針を相対的に位置合わせする位置合手段と、を備え、
   前記光学顕微鏡の像に基づいて前記試料と前記探針の位置合わせを行う走査形プローブ顕微鏡。
2. 前記ミラーが前記試料ステージと前記スキャナの間に位置することを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡。
3. 前記ミラーが前記置載面に対して４５°の反射面を有し、
   前記光学顕微鏡は前記置載面に平行な方向から前記ミラーに対向すること、を特徴とする請求項２に記載した走査形プローブ顕微鏡。
4. 前記ミラーは、前記試料の下であって前記試料ステージと前記スキャナの間に位置する第１のミラーと、前記第１のミラーに対向し前記第１のミラーから反射された前記試料の像を前記載置面上方に反射する第２のミラーと、から構成され、
   前記光学顕微鏡を移動させる光学顕微鏡移動手段を、備えた請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
   前記光学顕微鏡を移動させることにより、直上よりの試料像と裏面よりの試料像を得ることを特徴とした走査形プローブ顕微鏡。
5. 前記第１のミラーは前記置載面に対して４５°の反射面を有し、前記第２のミラーは前記置載面に対して２２５°の反射面を有することを特徴とする請求項４に記載した走査形プローブ顕微鏡。
   

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