JP2008134190A

JP2008134190A - カンチレバーホルダーおよびこれを備えた走査型プローブ顕微鏡

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Publication number: JP2008134190A
Application number: JP2006321949A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kami; 喜裕上
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2008-06-12
Also published as: EP1927845A1; US20080121800A1

Abstract

【課題】小型化されたカンチレバーを有するカンチレバーチップを容易に再現性良く高い位置精度で位置決めして保持するカンチレバーホルダーを提供する。
【解決手段】カンチレバーホルダーは、カンチレバーチップ１１０が載置されるガラス基板１３０と、ガラス基板１３０を保持している保持台１４０と、ガラス基板１３０の下面１３６に固定された振動子１３８と、ガラス基板１３０を介して振動子１３８に対向する位置にカンチレバーチップ１１０を位置決めして保持する保持機構とを有している。保持機構は、カンチレバーチップ１１０の支持部１１３を一方の端部で押さえるための押圧部材１２０と、押圧部材１２０を保持台１４０に係合する支点部材１２８と、押圧部材１２０の他方の端部を上方に付勢するプランジャー１４４とを有している。押圧部材１２０は、支持部１１３にぴったり合う切り欠き部１２２を有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）はプローブを走査して試料表面の情報を得る装置であり、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）などの総称である。

なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、プローブをその自由端にもつカンチレバー、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサー、プローブと試料とを相対的に走査するスキャナーを主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。この光てこ式の光学式変位センサーは、カンチレバー上に直径２〜１０μｍ程度の光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて生じる変化を二分割ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にあるプローブの変位を反映した電気信号を出力する。カンチレバーは、圧電素子などからなる励振機構により機械的共振周波数で励振されている。その振動振幅が一定になるようにスキャナーをＺ方向に制御しながら、同じくスキャナーをＸＹ方向に走査することにより、コンピューターのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示する。

このＡＦＭは、液体中の生きた生物試料の動く様子を光学顕微鏡より高い解像度で観察できる可能性があるとして注目されている。これまで生物試料の動く様子を観察できるのは光学顕微鏡だけであったが、光学顕微鏡は回折限界により光の波長以下の解像度で試料を観察するのは難しい。また、ナノメータオーダーの高い解像度を実現できる電子顕微鏡では、試料を液体中におくことは難しく、液体中の生きた生物試料の観察はできない。これに対しＡＦＭは、ナノメータオーダーの高い解像度を期待でき、液体中に試料があっても観察が可能である。

例えば特開２００５−２７４４６１号公報は、液中で生物試料を観察するためのＡＦＭを開示している。
特開２００５−２７４４６１号公報

ＡＦＭ観察像のビデオレートでの取得を目標にした高速ＡＦＭが開発検討されている。そのような像取得の高速化のためには、カンチレバーの小型化が必須であり、その条件を満たすカンチレバーの大きさは数μｍのオーダーとなる。

しかし、このように小型化されたカンチレバーは、小さいために、装置にセットする際や像測定のために調整する際に、下記のような不具合を引き起こす。

カンチレバーの交換後にカンチレバーの先端部が観察視野に入らず、カンチレバーの先端部を観察視野内に入れるために多大な時間を要することがある。

カンチレバーを効率的に励振させるためには、振動子の振動を確実かつ効率的にカンチレバーに伝える必要がある。前述の小型化されたカンチレバーは共振周波数が非常に高いため、高周波の振動子が利用されるが、周波数の高い振動子ほど媒体内を伝達する際の振動の吸収が大きいため、振動子とカンチレバーの機械的結合距離は最短となることが望ましい。カンチレバー交換後、振動子とカンチレバーの機械的結合距離が最短となるように配置位置が再現される必要がある。

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、小型化されたカンチレバーを有するカンチレバーチップを容易に再現性良く高い位置精度で位置決めして保持するカンチレバーホルダーおよびこれを備えた走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

本発明は、ひとつには、カンチレバーチップを保持するカンチレバーホルダーである。このカンチレバーホルダーは、カンチレバーチップが載置されるガラス基板と、前記ガラス基板を保持する保持台と、前記ガラス基板の下面に固定された振動子と、前記ガラス基板を介して前記振動子に対向する位置に前記カンチレバーチップを位置決めして保持する保持機構とを有している。前記保持機構は、前記カンチレバーチップを前記ガラス基板に押圧するための押圧部材を含み、前記押圧部材は、前記カンチレバーチップの一部にぴったり合う切り欠き部を有している。

本発明は、ひとつには、上記のカンチレバーホルダーを備えた走査型プローブ顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーチップが載置されるガラス基板と、前記ガラス基板を保持する保持台と、前記ガラス基板の下面に固定された振動子と、前記ガラス基板を介して前記振動子に対向する位置に前記カンチレバーチップを位置決めして保持する保持機構と、試料を保持する試料台と、前記試料台を走査するスキャナーと、対物レンズを含む前記試料を観察するための観察光学系と、前記対物レンズの光軸に沿った前記保持台の位置を調整する位置調整機構とを有している。前記保持機構は、前記カンチレバーチップを前記ガラス基板に押圧するための押圧部材を含み、前記押圧部材は、前記カンチレバーチップの一部にぴったり合う切り欠き部を有しており、前記対物レンズは、前記ガラス基板の厚さと前記ガラス基板上に供給された液体とによる収差を補正する補正機能を有している。

本発明によれば、小型化されたカンチレバーを有するカンチレバーチップを容易に再現性良く高い位置精度で位置決めして保持するカンチレバーホルダーおよびそれを備えた走査型プローブ顕微鏡が提供される。

本実施形態は、カンチレバーチップを保持するカンチレバーホルダーを備えたステージに向けられている。本実施形態について説明する前に、本実施形態が適用される走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡の一従来例について説明する。

従来例の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を図８に示す。図８において、ＡＦＭは、カンチレバー１３、カンチレバー１３を保持するカンチレバーホルダー４０、試料を保持する試料台２３、センサー光学系９と対物レンズ１１と位置ディテクタ１４とからなる光てこ式光学センサー機構、スキャナー保持台４３とＸＹＺ走査を担うスキャナー１８と少なくとも二本のマイクロメーター１９（図８には一本のみが描かれている）とからなる走査機構、板状構造部材８に設けられた二本の支持部材４２（図８には一本のみが描かれている）と走査機構をＺ方向に粗動するためのＺ粗動ガイド４１とＺ粗動モーター１０とからなるＺ粗動機構、コントローラ６、コンピューター７を有している。走査機構と光てこ式光学センサー機構とＺ粗動機構は、コントローラ６に接続され、コンピューター７により制御される。また測定した結果はコンピューター７で処理されモニターＴＶ上に表示することができる。

ＡＦＭは倒立型光学顕微鏡を含んでいる。倒立型光学顕微鏡は、顕微鏡鏡体１、照明光源ランプ４、ランプ電源５、ハーフミラー２０、ミラー２１、ＣＣＤカメラ２、テレビモニター３で構成され、主に試料の光学観察や、カンチレバー１３と光てこ式光学センサー機構のレーザー光の位置調整のために用いられる。顕微鏡鏡体１には板状構造部材８が通常のステージの代わりに取り付けられ固定されている。板状構造部材８の下側には、対物レンズ１１とセンサー光学系９が配置され、対物レンズ１１の光軸が板状構造部材８に垂直となるよう対物レンズ１１が板状構造部材８に支持されている。対物レンズ１１は、顕微鏡観察を行うための対物レンズでもあり、光てこ式光学センサー機構の集光レンズの機能と併せ持っている。

対物レンズ１１の上方には、カンチレバー１３が配置され、その変位が光てこ式光学センサー機構によって測定される。カンチレバー１３は、板状構造部材８に対して平行となるようカンチレバーホルダー４０により保持されている。カンチレバーホルダー４０には、カンチレバー１３をその機械的共振周波数で励振させるための圧電素子などからなる励振手段（図示しない）が設けられている。またカンチレバーホルダー４０には、試料観察に必要な液体２２がその表面張力を利用して置かれている。

ここで光てこ式光学センサー機構について図９を用いて説明する。光てこ式光学センサー機構は、半導体レーザー３３、コリメートレンズ３４、偏光ビームスプリッター３５、四分の一波長板３６、ハーフミラー３７からなるセンサー光学系９と対物レンズ１１および板状構造部材８の上方に配置された位置ディテクタ１４で構成される。位置ディテクタ１４は、二分割あるいは四分割されたフォトダイオード３０とプリアンプ回路基板３１からなる。

半導体レーザー３３から発せられたレーザー光をコリメートレンズ３４で平行光とし、偏光ビームスプリッター３５により片方の直線偏光成分の光のみを透過させる。透過された直線偏光のレーザー光は四分の一波長板３６で円偏光に変化された後、ハーフミラー３７で反射され、対物レンズ１１により集光されて、透明板３２、液体２２を介してカンチレバー１３に照射される。カンチレバー１３で反射されたレーザー光は、透明板３２、対物レンズ１１、ハーフミラー３７、四分の一波長板３６へと進む。四分の一波長板３６では円偏光が直線偏光に変換され偏光ビームスプリッター３５で反射されて位置ディテクタ１４に至る。カンチレバー１３の先端が変位するとその変位はフォトダイオード３０上のレーザー光スポットの位置変化に変換され、それに応じた電気信号がプリアンプ回路基板３１へと供給される。プリアンプ回路基板３１は、その電気信号を光てこセンサ出力信号、すなわち、カンチレバー１３の変位信号に変換して出力する。

図８に示すように、スキャナー１８は、スキャナー保持台４３の面４４に対して例えば８°の傾きをもって保持されている。ここでは８°としたが、５°〜１０°程度の範囲なら何度でもよい。スキャナー１８には試料台２３が設けられており、試料台２３は、マイクロメーター１９によりスキャナー１８を介して、スキャナー保持台４３の面４４に対して８°の傾きをもつ平面内で適宜粗動される。

Ｚ粗動機構は、走査機構を支持部材４２とＺ粗動ガイド４１とで三点支持し、Ｚ粗動モーター１０によりＺ粗動ガイド４１を伸縮させることにより、走査機構を板状構造部材８と垂直なＺ方向に粗動駆動する。

以下、本発明の一実施形態のカンチレバーホルダーを備えたステージについて説明する。

このカンチレバーホルダーに保持されるカンチレバーチップ１１０は、図４に示すように、プローブ１１１と、プローブ１１１を支持しているカンチレバー１１２と、カンチレバー１１２を支持している支持部１１３とを有している。プローブ１１１は鋭利な先端を有している。カンチレバー１１２は支持部１１３に片持ち支持され、自由端部にプローブ１１１を備えている。カンチレバー１１２は柔軟で、プローブ１１１に作用する力に応じて弾性変形する。

本実施形態のカンチレバーホルダーは、図１〜図３に示されるように、カンチレバーチップ１１０が載置されるガラス基板１３０と、ガラス基板１３０を保持している保持台１４０と、ガラス基板１３０の下面１３６に固定された振動子１３８と、ガラス基板１３０を介して振動子１３８に対向する位置にカンチレバーチップ１１０を位置決めして保持する保持機構とを有している。

保持機構は、カンチレバーチップ１１０の支持部１１３を一方の端部（以下、便宜上、第一の端部と呼ぶ）で押さえるための押圧部材１２０と、押圧部材１２０を保持台１４０に係合する支点部材１２８と、押圧部材１２０の他方の端部（以下、便宜上、第二の端部と呼ぶ）を上方に付勢するプランジャー１４４とを有している。

図５に示すように、押圧部材１２０は、第一の端部に、ガラス基板１３０との接触を避けるために削って形成された傾斜部１２１と、カンチレバーチップ１１０の支持部１１３にぴったり合う切り欠き部１２２を有している。

図３に示すように、押圧部材１２０は中央付近に形成された貫通穴１２５を有している。支点部材１２８は、押圧部材１２０の貫通穴１２５を通り、保持台１４０に固定されている。支点部材１２８は貫通穴１２５より大きい径の上端部を有し、押圧部材１２０の上方向への動きを規制している。プランジャー１４４は保持台１４０にねじ込まれている。プランジャー１４４は、穴が形成された本体と、本体の穴の中に直列に収容されたコイルバネとピンとを含み、ピンはコイルバネによって上方に向けて付勢されている。押圧部材１２０は、第二の端部に、プランジャー１４４のピンの球状の先端部を受ける円錐溝１２６を有している。プランジャー１４４は、ピンの球状の先端部が押圧部材１２０の円錐溝１２６に係合している。押圧部材１２０は、支点部材１２８を支点として、第二の端部がプランジャー１４４により押し上げられる結果、第二の端部がガラス基板１３０に向けて押し下げられる。

カンチレバーチップ１１０は、プローブ１１１を上方に向けて、ガラス基板１３０の載置面１３２の上に載置される。カンチレバーチップ１１０の支持部１１３は押圧部材１２０の切り欠き部１２２に完全につまり奥に当たるまで挿入される。切り欠き部１２２はカンチレバーチップ１１０の載置面１３２に沿った動きを規制する。これによりカンチレバーチップ１１０が位置決めされる。また支持部１１３は押圧部材１２０によってガラス基板１３０に押し付けられ、これによりカンチレバーチップ１１０が固定される。カンチレバーチップ１１０の固定の強さはプランジャー１４４のコイルバネの圧縮量により決まる。

カンチレバーチップ１１０のプローブ１１１の周囲に位置するガラス基板１３０と試料台１９２の間の空間は、たんぱく質や有機化合物などの観察試料が機能する状態でこれらを保持するため、培養液などの液体１９４で満たされる。

図１と図２に示すように、ガラス基板１３０は、カンチレバーチップ１１０が載置される載置面１３２と、載置面１３２から連続して延びていて載置面１３２に対して傾斜している傾斜面１３４とを有している。図２から分かるように、傾斜面１３４は、載置面１３２に対して、保持機構によって位置決めされ保持されたカンチレバーチップ１１０のカンチレバー１１２が支持部１１３から延出している側に位置している。また、図３から分かるように、傾斜面１３４は、載置面１３２に対して、プローブ１１１からの距離が増大する側に傾斜している。ガラス基板１３０の載置面１３２と傾斜面１３４と下面１３６は鏡面に仕上げられ、反射防止膜が施されている。

ステージは、ホルダーに加えて、ホルダーを支持する高さ調整台１５０と、高さ調整台１５０を支持する固定台１６０と、ホルダーを固定台１６０に対して水平に移動させる水平移動機構と、ホルダーを固定台１６０に対して上下に移動させる高さ調整機構とを有している。

固定台１６０は中央部に開口部を有し、この開口部に対物レンズ２１０が固定されている。対物レンズ２１０は、ガラス基板１３０の厚さと液体１９４とによる収差を補正する補正環２１２を含んでいる。固定台１６０は、上面から突出した二つの支持ピン１６２を備えている。

高さ調整台１５０は、対物レンズ２１０が通る開口部を中央部に有している。また高さ調整台１５０は、その下面に、二つの支持ピン１６２をそれぞれ受ける円錐溝１５３（図６に示す）と長溝１５４（図７に示す）とを有している。高さ調整台１５０は、円錐溝１５３と長溝１５４が固定台１６０に設けられた支持ピン１６２に係合した状態で、固定台１６０の上方に配置されている。高さ調整台１５０には、支持ピン１６２から離れた位置に高さ調整ねじ１５５が設けられている。高さ調整ねじ１５５は、その先端部が高さ調整台１５０から下方に突出し、固定台１６０の上面に接している。高さ調整台１５０は、二つの支持ピン１６２と高さ調整ねじ１５５とによって、固定台１６０の上方に支持されている。

高さ調整ねじ１５５は送りねじであり、回転操作に応じて高さ調整台１５０からの先端部の突出量が変化する。高さ調整ねじ１５５のねじピッチは好ましくは０．２５ｍｍ以下であるとよい。高さ調整ねじ１５５の回転操作によって、高さ調整台１５０は固定台１６０に対して上下に移動される。つまり、高さ調整ねじ１５５は、高さ調整台１５０に支持されたホルダーを固定台１６０に対して上下に移動させる高さ調整機構を構成している。高さ調整ねじ１５５の回転操作に対して、高さ調整台１５０は正確には支持ピン１６２を支点として回動する。しかし、支持ピン１６２と高さ調整ねじ１５５の間の距離が長いため、高さ調整台１５０の傾きは実質的に無視してよい。

高さ調整台１５０はさらに、その上面に、三つの支持ピン１５２を有している。保持台１４０は高さ調整台１５０の上方に配置され、三つの支持ピン１５２によって支持されている。保持台１４０は、対物レンズ２１０を収容する開口部を中央部に有している。この開口部の上端をふさぐようにガラス基板１３０が保持台１４０に取り付けられている。

固定台１６０には、二つのリニアガイド１７２を備えたリニアガイド固定部材１７１が設けられている。リニアガイド固定部材１７１は、リニアガイド１７２を介して、二本の平行支持部材１７３を支持している。二本の平行支持部材１７３は連結部材１７４によって連結されている。平行支持部材１７３はリニアガイド固定部材１７１に対してリニアガイド１７２に沿って直線的に移動し得る。平行支持部材１７３は、磁石に吸着する鉄などの材料でできた先端部を有している。保持台１４０は、平行支持部材１７３の先端部が接する位置に固定された磁石１４７を有している。平行支持部材１７３の先端部は保持台１４０に固定された磁石１４７に接触しており、磁石１４７は平行支持部材１７３の先端部との接触を維持する。

固定台１６０には、二本の調整ねじ１８３をそれぞれ支持している二つの調整ねじ支持部材１８１が設けられている。調整ねじ１８３は送りねじであり、回転操作に応じて調整ねじ支持部材１８１からの先端部の突出量が変化する。調整ねじ１８３のねじピッチは好ましくは０．２５ｍｍ以下であるとよい。二本の調整ねじ１８３は互いに直交して延びている。調整ねじ１８３は、磁石に吸着する鉄などの材料でできた先端部を有している。保持台１４０は、調整ねじ１８３の先端部が接する位置に固定された磁石１４８を有している。調整ねじ１８３の先端部は保持台１４０に固定された磁石１４８に接触しており、磁石１４８は調整ねじ１８３の先端部との接触を維持する。

一方の調整ねじ１８３が回転操作されると、その調整ねじ１８３は調整ねじ支持部材１８１に対して進退する。調整ねじ１８３の進退に伴って、保持台１４０は固定台１６０に対して調整ねじ１８３の進退方向に移動する。その際、他方の調整ねじ１８３は保持台１４０の移動を妨げず、平行支持部材１７３は保持台１４０の移動に追従する。他方の調整ねじ１８３が回転操作された場合も同様である。すなわち、二本の調整ねじ１８３の適宜の回転操作によって保持台１４０は固定台１６０に対して水平に任意に移動される。つまり、リニアガイド固定部材１７１とリニアガイド１７２と平行支持部材１７３と連結部材１７４と調整ねじ支持部材１８１と調整ねじ１８３は、ホルダーを固定台１６０に対して水平に移動させる水平移動機構を構成している。

図３に示すように、ガラス基板１３０の上方には、試料を保持する試料台１９２と、試料台１９２をＸＹＺ方向に走査するＸＹＺスキャナー１９１とが配置される。試料台１９２とＸＹＺスキャナー１９１は水平面すなわちガラス基板１３０の載置面１３２に対して傾けられており、試料台１９２の下面はガラス基板１３０の傾斜面１３４とほぼ平行になっている。傾き角度は例えば８度程度である。試料台１９２に保持された試料とカンチレバーチップ１１０のプローブ１１１との位置合わせのため、ＸＹＺスキャナー１９１は傾いた平面内で移動可能に支持される。ＸＹＺスキャナー１９１は、例えば、図８に関連して説明した走査機構に組み込まれ、スキャナー１８に代えて適用され、スキャナー保持台４３に保持される。

対物レンズ２１０の下方向には、ダイクロイックミラー２４０が配置されている。ダイクロイックミラー２４０は水平面に対して４５度傾いている。ダイクロイックミラー２４０は、カンチレバー変位検出用レーザー光の波長付近の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過する。

ダイクロイックミラー２４０には、レーザー光源２２０から射出されたカンチレバー変位検出用レーザー光が側方から入射する。ダイクロイックミラー２４０に入射したレーザー光は、ダイクロイックミラー２４０によって上方に反射され、対物レンズ２１０を通ってカンチレバーチップ１１０のカンチレバー１１２の先端部に照射される。カンチレバー１１２の先端部で反射された光は、同じ光路を通り、変位検出部２３０に導かれる。変位検出部２３０は、入射する光に基づいて、カンチレバー１１２の先端部の変位すなわちプローブ１１１の変位を検出する。

ダイクロイックミラー２４０には、照明光学系２５０から射出された照明光が下方から入射する。ダイクロイックミラー２４０に入射した照明光は、ダイクロイックミラー２４０を透過し、対物レンズ２１０を通って試料とカンチレバー１１２に照射される。試料とカンチレバー１１２からの反射光は、同じ光路を通り、観察光学系２６０に導かれる。観察光学系２６０はＣＣＤビデオカメラなどにより試料とカンチレバー１１２の観察画像を取得する。取得された光学画像はモニターなどの表示装置２７０に表示される。

ここで、レーザー光源２２０と変位検出部２３０で概略的に示した検出系は、例えば、図８と図９に関連して説明した光てこ式光学センサー機構で構成される。また、照明光学系２５０と観察光学系２６０で概略的に示した光学系は、例えば、図８に関連して説明した、照明光源ランプ４、ハーフミラー２０、ミラー２１、ＣＣＤカメラ２などで構成される。

次に上述したステージを適用した走査型プローブ顕微鏡における動作を説明する。

カンチレバーホルダーに対するカンチレバーチップ１１０のセットは次のように行う。カンチレバーチップ１１０をガラス基板１３０の載置面１３２の上にプローブ１１１を上に向けて載置する。押圧部材１２０の第二の端部を指で押し下げ、押圧部材１２０の第一の端部を上方に持ち上げる。持ち上げられた押圧部材１２０の第一の端部の切り欠き部１２２にカンチレバーチップ１１０の支持部１１３を挿入する。挿入は完全に、つまり支持部１１３が切り欠き部１２２の背面に当たるまで行う。これにより、カンチレバーチップ１１０は再現性良く位置決めされ、支持部１１３はガラス基板１３０を介して振動子１３８に対向する。その後、指を離す。これにより、支持部１１３が押圧部材１２０によってガラス基板１３０に押し付けられ、カンチレバーチップ１１０が固定される。

カンチレバーチップ１１０のセット後、プローブ１１１の周辺を培養液などの液体１９４で満たす。ガラス基板１３０の厚さや液体１９４の厚さにより生じる収差は、対物レンズ２１０に設けられている補正環２１２によってあらかじめ補正してある。つまり、使用するホルダーを高さ調整台１５０の上に設置する前に、対物レンズ２１０の補正環２１２を回転操作して、予想される収差を補正しておく。これにより、観察光学系２６０により得られる観察像は輪郭のはっきりしたものとなる。また、カンチレバー変位検出用レーザー光はカンチレバー１１２上に良好に小さいスポットを形成する。

観察像の輪郭がはっきりしない場合には、対物レンズ２１０の焦点位置とカンチレバー１１２の位置とが光軸方向にずれていることが原因であるので、高さ調整ねじ１５５を回転させて、カンチレバー１１２の輪郭がはっきりするように、カンチレバー１１２の光軸方向の位置を調整する。

カンチレバー変位検出用レーザー光のスポットがカンチレバー１１２上に位置していない場合には、調整ねじ１８３を回転操作してカンチレバーチップ１１０を水平面内に移動させ、カンチレバー変位検出用レーザー光のスポットをカンチレバー１１２上に配置して、カンチレバー１１２で反射されるカンチレバー変位検出用レーザー光の量が最大となるようにする。

上記の調整を行うことにより、カンチレバー１１２からの反射光は毎回ほぼ一定の強度となり、良好な観察像が再現性良く得られる。

カンチレバー変位検出用レーザー光のスポットとカンチレバー１１２との位置合わせが完了した後、振動子１３８にＡＣ電圧信号を印加する。印加するＡＣ電圧信号の周波数は、液中におけるカンチレバーチップ１１０の共振周波数近傍であることが好ましい。振動子１３８が振動すると、この振動はガラス基板１３０を介してカンチレバーチップ１１０に伝播し、カンチレバー１１２をある振幅をもって振動させる。一般に液中では水などの抵抗でカンチレバー１１２の先端部は振動振幅を得にくい。しかし、本実施形態では、振動子１３８とカンチレバーチップ１１０の位置合わせの再現性が高く、また、両者間に介在する物体はヤング率の高いガラス基板１３０だけであり、振動子１３８の振動はほとんど減衰することなく効率良くカンチレバー１１２に伝播するため、安定した振動振幅が得られる。

次にプローブ１１１の上方にＸＹＺスキャナー１９１に保持された試料台１９２を近接配置する。試料台１９２とプローブ１１１とを位置合わせするため、ＸＹＺスキャナー１９１を傾いた平面内で移動させる。従来の装置では、図１０に示すように、透明板３２の上面が平坦であるため、透明板３２の上面に対して傾いた平面内で試料台２３を移動させた際に、試料台２３が透明板３２の上面と干渉すなわち接触するおそれがある。これに対して本実施形態では、ガラス基板１３０は、載置面１３２に対して、保持機構によって位置決めされ保持されたカンチレバーチップ１１０のカンチレバー１１２が延出している側が傾斜面１３４となっており、さらに試料台１９２は傾斜面１３４に平行な平面内で移動されるので、試料台１９２がガラス基板１３０の上面と干渉すなわち接触するおそれがまったくない。

ガラス基板１３０の載置面１３２と傾斜面１３４と下面１３６は鏡面に仕上げられ、反射防止膜が施されているため、レーザー光や照明光の乱反射によるノイズの影響も受けにくい。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施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。

本発明の一実施形態のカンチレバーホルダーを備えたステージの斜視図である。図１に示したステージの平面図である。図２に示したIII-III線に沿ったステージの断面図である。図１〜図３のカンチレバーホルダーに保持されるカンチレバーチップを示している。カンチレバーチップの支持部を押さえる押圧部材の端部を拡大して示している。図１〜図３に示した高さ調整台の下面に形成された円錐溝を示している。図１〜図３に示した高さ調整台の下面に形成された長溝を示している。図１〜図３に示したカンチレバーホルダーを備えたステージが適用される走査型プローブ顕微鏡の一従来例を示している。図８の走査型プローブ顕微鏡に含まれる光てこ式光学センサー機構を示している。図８の走査型プローブ顕微鏡の透明板周辺部を拡大して示している。

符号の説明

１…顕微鏡鏡体、２…ＣＣＤカメラ、３…テレビモニター、４…照明光源ランプ、５…ランプ電源、６…コントローラ、７…コンピューター、８…板状構造部材、９…センサー光学系、１０…Ｚ粗動モーター、１１…対物レンズ、１３…カンチレバー、１４…位置ディテクタ、１８…スキャナー、１９…マイクロメーター、２０…ハーフミラー、２１…ミラー、２２…液体、２３…試料台、３０…フォトダイオード、３１…プリアンプ回路基板、３２…透明板、３３…半導体レーザー、３４…コリメートレンズ、３５…偏光ビームスプリッター、３６…四分の一波長板、３７…ハーフミラー、４０…カンチレバーホルダー、４１…Ｚ粗動ガイド、４２…支持部材、４３…スキャナー保持台、４４…面、１１０…カンチレバーチップ、１１１…プローブ、１１２…カンチレバー、１１３…支持部、１２０…押圧部材、１２１…傾斜部、１２２…切り欠き部、１２５…貫通穴、１２６…円錐溝、１２８…支点部材、１３０…ガラス基板、１３２…載置面、１３４…傾斜面、１３６…下面、１３８…振動子、１４０…保持台、１４４…プランジャー、１４７…磁石、１４８…磁石、１５０…高さ調整台、１５２…支持ピン、１５３…円錐溝、１５４…長溝、１５５…高さ調整ねじ、１６０…固定台、１６２…支持ピン、１７１…リニアガイド固定部材、１７２…リニアガイド、１７３…平行支持部材、１７４…連結部材、１８１…調整ねじ支持部材、１８３…調整ねじ、１９１…ＸＹＺスキャナー、１９２…試料台、１９４…液体、２１０…対物レンズ、２１２…補正環、２２０…レーザー光源、２３０…変位検出部、２４０…ダイクロイックミラー、２５０…照明光学系、２６０…観察光学系、２７０…表示装置。

Claims

カンチレバーチップが載置されるガラス基板と、
前記ガラス基板を保持する保持台と、
前記ガラス基板の下面に固定された振動子と、
前記ガラス基板を介して前記振動子に対向する位置に前記カンチレバーチップを位置決めして保持する保持機構とを有し、
前記保持機構は、前記カンチレバーチップを前記ガラス基板に押圧するための押圧部材を含み、前記押圧部材は、前記カンチレバーチップの一部にぴったり合う切り欠き部を有している、カンチレバーホルダー。
前記カンチレバーチップは、プローブと、このプローブを先端部で支持しているカンチレバーと、カンチレバーを支持している支持部とからなり、
前記ガラス基板は、前記カンチレバーチップが載置される載置面と、前記載置面から連続して延びていて前記載置面に対して傾斜している傾斜面とを有し、
前記傾斜面は前記載置面に対して、前記保持機構によって位置決めされ保持されたカンチレバーチップのカンチレバーが支持部から延出している側に位置するとともに、前記プローブからの距離が増大する側に傾斜している、請求項１に記載のカンチレバーホルダー。
カンチレバーチップが載置されるガラス基板と、
前記ガラス基板を保持する保持台と、
前記ガラス基板の下面に固定された振動子と、
前記ガラス基板を介して前記振動子に対向する位置に前記カンチレバーチップを位置決めして保持する保持機構と、
試料を保持する試料台と、
前記試料台を走査するスキャナーと、
対物レンズを含む前記試料を観察するための観察光学系と、
前記対物レンズの光軸に沿った前記保持台の位置を調整する位置調整機構とを有しており、
前記保持機構は、前記カンチレバーチップを前記ガラス基板に押圧するための押圧部材を含み、前記押圧部材は、前記カンチレバーチップの一部にぴったり合う切り欠き部を有し、
前記対物レンズは、前記ガラス基板の厚さと前記ガラス基板上に供給された液体とによる収差を補正する補正機能を有している、走査型プローブ顕微鏡。