JP2014211372A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓ／Ｎ比を向上することができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更するための光路長変更機構（例えば光照射部移動機構６）を設ける。光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更することにより、光照射部２からの照射光の焦点をカンチレバー１に合わせることができる。これにより、光照射部２からの照射光の焦点がずれるのを防止し、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。特に、非常に小さい部材からなるカンチレバー１から照射光の一部がはみ出すのを効果的に防止することができるため、走査型プローブ顕微鏡において低下しやすいＳ／Ｎ比を効果的に向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料の表面に沿って移動させるための探針を有するカンチレバーを備えた走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

例えば光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーの探針を試料の表面に沿って移動させ、カンチレバーの撓みを検出することにより、試料の表面の凹凸画像を得ることができるようになっている（例えば、下記特許文献１参照）。この種の走査型プローブ顕微鏡には、カンチレバーに向けて光を照射する光照射部と、カンチレバーからの反射光を受光する受光部とが備えられている。

図４は、カンチレバー１０１に向けて光を照射する際の態様について説明するための図である。図４（ａ）に示すように、カンチレバー１０１は、光照射部からの照射光を反射させる反射面１１１を有している。この反射面１１１は、光照射部からの照射光の光軸Ｌに直交する方向に対して所定の傾斜角度θで傾斜している。

試料の表面の凹凸に沿ってカンチレバー１０１の探針１１２を移動させた場合には、カンチレバー１０１が撓み、反射面１１１の傾斜角度θが変化することにより、受光部において反射面１１１からの反射光を受光する位置が変化する。したがって、受光部における反射光の受光位置に基づいて、試料の表面の凹凸画像を得ることができる。

光照射部からの照射光は、例えば光学系により集光され、カンチレバー１０１の反射面１１１へと導かれる。通常、図４（ａ）に示すように、光照射部からの照射光の焦点Ｐが反射面１１１上に位置するように光学系が固定されることとなる。

特開２０１２−２２５７２２号公報

しかしながら、例えば光照射部からの照射光の波長特性が変化した場合には、光学系の収差などに起因して、照射光の焦点Ｐが反射面１１１上からずれるおそれがある。また、カンチレバー１０１などの変位検出系の組立誤差によっても、照射光の焦点Ｐが反射面１１１上からずれる場合がある。

このような場合、図４（ｂ）に示すような状態となり、カンチレバー１０１の反射面１１１における反射光の光量が低下するため、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題がある。特に、カンチレバー１０１は、例えば長さが１５０μｍ程度、幅が３０〜４０μｍ程度の非常に小さい部材であるため、照射光の焦点Ｐがずれると、照射光の一部がカンチレバー１０１の反射面１１１からはみ出しやすく、Ｓ／Ｎ比が低下しやすい。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、Ｓ／Ｎ比を向上すること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。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料の表面に沿って移動させるための探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーに向けて光を照射する光照射部と、前記カンチレバーからの反射光を受光する受光部と、前記光照射部から前記カンチレバーまでの光路長を変更するための光路長変更機構とを備えたことを特徴とする。

このような構成によれば、光照射部からカンチレバーまでの光路長を変更することにより、光照射部からの照射光の焦点をカンチレバーに合わせることができる。これにより、光照射部からの照射光の焦点がずれるのを防止し、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。特に、非常に小さい部材からなるカンチレバーから照射光の一部がはみ出すのを効果的に防止することができるため、走査型プローブ顕微鏡において低下しやすいＳ／Ｎ比を効果的に向上することができる。

前記光路長変更機構は、前記光照射部を照射光の光軸に沿って移動させるための光照射部移動機構を含むものであってもよい。

このような構成によれば、光照射部を照射光の光軸に沿って移動させるだけの簡単な構成で、光照射部からの照射光の焦点をカンチレバーに合わせることができる。しかも、照射光の光路中に設けられた光学系の位置を変化させたり、照射光の光軸の向きを変化させたりして、光照射部からの照射光の焦点をカンチレバーに合わせるような構成などと比べて、精度よく焦点を合わせることができる。

前記光路長変更機構は、前記カンチレバーを前記光照射部からの照射光の光軸に沿って移動させるためのカンチレバー移動機構を含むものであってもよい。

このような構成によれば、カンチレバーを光照射部からの照射光の光軸に沿って移動させるだけの簡単な構成で、光照射部からの照射光の焦点をカンチレバーに合わせることができる。しかも、照射光の光路中に設けられた光学系の位置を変化させたり、照射光の光軸の向きを変化させたりして、光照射部からの照射光の焦点をカンチレバーに合わせるような構成などと比べて、精度よく焦点を合わせることができる。

前記走査型プローブ顕微鏡は、前記光照射部と前記カンチレバーとの間の光路中に設けられ、試料が沈められた液体の表面を押さえるための透光部材をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、光照射部とカンチレバーとの間の光路中に透光部材が設けられた構成であっても、光照射部からの照射光の焦点をカンチレバーに合わせることにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。

液体に試料を沈めた状態で試料を観察する場合、液体の表面の揺らぎが観察に与える悪影響を排除するために、液体の表面を透光部材により押さえた状態で、当該透光部材を透過させてカンチレバーに光を照射する場合がある。この場合、光照射部とカンチレバーとの間の光路中に透光部材が設けられることにより、光照射部からの照射光の焦点がずれるおそれがある。このような場合であっても、光照射部からカンチレバーまでの光路長を変更することにより、光照射部からの照射光の焦点をカンチレバーに合わせることができるため、Ｓ／Ｎ比を効果的に向上することができる。

本発明によれば、光照射部からの照射光の焦点をカンチレバーに合わせることができるため、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。 本発明の別の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。 液体に試料を沈めた状態で試料を観察する際の態様について説明するための概略図である。 カンチレバーに向けて光を照射する際の態様について説明するための図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。この走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、例えばカンチレバー１、光照射部２、ビームスプリッタ３、ミラー４及び受光部５などを備え、試料Ｓの表面に対してカンチレバー１を走査させることにより、試料Ｓの表面の凹凸画像を得るためのものである。

光照射部２は、例えば半導体レーザなどのレーザ光源を備えており、カンチレバー１に向けて光を照射することができる。光照射部２から照射された光は、ビームスプリッタ３を経て、カンチレバー１に入射する。カンチレバー１には、反射面１１が備えられており、当該反射面１１における反射光が、ミラー４で反射して受光部５により受光されるようになっている。受光部５としては、例えば４分割フォトダイオードなどのように、フォトダイオードを備えた構成を採用することができる。

光照射部２からカンチレバー１までの光路中には、例えばコリメートレンズやフォーカスレンズ（いずれも図示せず）などの他の光学部材が設けられていてもよい。この場合、光照射部２からの照射光をコリメートレンズにより平行光とした後、その平行光をフォーカスレンズで集光させてカンチレバー１側へと導くことができる。

ビームスプリッタ３の他、上記コリメートレンズ及びフォーカスレンズなどは、光照射部２からの照射光をカンチレバー１へと導くための光学系を構成している。ただし、光学系の構成は、これに限られるものではなく、上記のような各光学部材の少なくとも１つが備えられていないような構成などであってもよい。

カンチレバー１は、例えば長さが１５０μｍ程度、幅が３０〜４０μｍ程度の非常に小さい部材であり、反射面１１とは反対側の面に探針１２が設けられている。この探針１２を試料Ｓの表面に沿って移動させることにより、試料Ｓの表面の凹凸画像を得ることができるようになっている。

ここで、カンチレバー１の反射面１１は、光照射部２からの照射光の光軸Ｌに直交する方向に対して所定の傾斜角度θで傾斜している。したがって、試料Ｓの表面の凹凸に沿ってカンチレバー１の探針１２を移動させた場合には、カンチレバー１が撓み、反射面１１の傾斜角度θが変化する。このとき、受光部５において反射面１１からの反射光を受光する位置が変化するため、受光部５における反射光の受光位置に基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像を得ることができる。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡には、光照射部２を移動させるための光照射部移動機構６が備えられている。この光照射部移動機構６は、光照射部２からの照射光の光軸Ｌに直交する面内で、図１における紙面前後方向（Ｘ軸方向）及び上下方向（Ｙ軸方向）に光照射部２を移動させることができるだけでなく、図１における左右方向（Ｚ軸方向）、すなわち光照射部２からの照射光の光軸Ｌに沿った方向Ｄ１に光照射部２を移動させることができるような３軸移動機構により構成されている。光照射部移動機構６は、例えばモータ（図示せず）などの駆動源により駆動されるような構成であってもよいし、手動で光照射部２を移動させるような構成であってもよい。

このような光照射部移動機構６は、光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更するための光路長変更機構を構成している。すなわち、光照射部２を照射光の光軸Ｌに沿ってカンチレバー１側（ビームスプリッタ３側）に近づければ、光照射部２からカンチレバー１までの光路長が短くなり、カンチレバー１側（ビームスプリッタ３側）から遠ざければ、光照射部２からカンチレバー１までの光路長が長くなる。このとき、光照射部２が照射光の光軸Ｌに沿って移動するため、カンチレバー１の反射面１１に対する照射光の入射位置は変化しないようになっている。

例えば発振波長の異なる半導体レーザを使用する場合などのように、光照射部２からの照射光の波長特性が変化した場合には、光学系の収差などに起因して、照射光の焦点が反射面１１上からずれるおそれがある。また、カンチレバー１などの変位検出系の組立誤差によっても、照射光の焦点が反射面１１上からずれる場合がある。

本実施形態では、光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更することにより、光照射部２からの照射光の焦点をカンチレバー１に合わせることができる。これにより、光照射部２からの照射光の焦点がずれるのを防止し、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。特に、非常に小さい部材からなるカンチレバー１から照射光の一部がはみ出すのを効果的に防止することができるため、走査型プローブ顕微鏡において低下しやすいＳ／Ｎ比を効果的に向上することができる。

また、本実施形態では、光照射部２を照射光の光軸Ｌに沿って移動させるだけの簡単な構成で、光照射部２からの照射光の焦点をカンチレバー１に合わせることができる。しかも、照射光の光路中に設けられた光学系の位置を変化させたり、照射光の光軸Ｌの向きを変化させたりして、光照射部２からの照射光の焦点をカンチレバー１に合わせるような構成などと比べて、精度よく焦点を合わせることができる。

光照射部２をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能な２軸移動機構を備えた走査型プローブ顕微鏡においては、２軸移動機構を３軸移動機構に交換するだけで、容易に上記効果を奏することができる。ただし、光照射部移動機構６は、３軸移動機構により構成されるものに限らず、例えば２軸移動機構とは別に、光照射部２を照射光の光軸Ｌに沿って移動させるための機構が備えられた構成などであってもよい。

図２は、本発明の別の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。この走査型プローブ顕微鏡は、光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更するための光路長変更機構の構成のみが図１の場合とは異なり、他の構成については図１の場合と同様であるため、同様の構成については、図に同一符号を付して詳細な説明を省略することとする。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡には、カンチレバー１を移動させるためのカンチレバー移動機構７が備えられている。このカンチレバー移動機構７は、光照射部２からの照射光の光軸Ｌに沿った方向Ｄ２にカンチレバー１を移動可能な状態で保持している。カンチレバー移動機構７は、例えばモータ（図示せず）などの駆動源により駆動されるような構成であってもよいし、手動でカンチレバー１を移動させるような構成であってもよい。

このようなカンチレバー移動機構７は、光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更するための光路長変更機構を構成している。すなわち、カンチレバー１を照射光の光軸Ｌに沿って光照射部２側（ビームスプリッタ３側）に近づければ、光照射部２からカンチレバー１までの光路長が短くなり、光照射部２側（ビームスプリッタ３側）から遠ざければ、光照射部２からカンチレバー１までの光路長が長くなる。このとき、カンチレバー１が照射光の光軸Ｌに沿って移動するため、カンチレバー１の反射面１１に対する照射光の入射位置は変化しないようになっている。

本実施形態のような構成であっても、光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更することにより、光照射部２からの照射光の焦点をカンチレバー１に合わせることができる。これにより、光照射部２からの照射光の焦点がずれるのを防止し、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。特に、非常に小さい部材からなるカンチレバー１から照射光の一部がはみ出すのを効果的に防止することができるため、走査型プローブ顕微鏡において低下しやすいＳ／Ｎ比を効果的に向上することができる。

また、本実施形態では、カンチレバー１を光照射部２からの照射光の光軸Ｌに沿って移動させるだけの簡単な構成で、光照射部２からの照射光の焦点をカンチレバー１に合わせることができる。しかも、照射光の光路中に設けられた光学系の位置を変化させたり、照射光の光軸Ｌの向きを変化させたりして、光照射部２からの照射光の焦点をカンチレバー１に合わせるような構成などと比べて、精度よく焦点を合わせることができる。

なお、図２においては図示しないが、光照射部２をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能な２軸移動機構が、別途設けられていてもよい。

以上の実施形態において、図１では、光照射部移動機構６により光路長変更機構を構成し、図２では、カンチレバー移動機構７により光路長変更機構を構成する場合について説明した。しかし、このような構成に限らず、光照射部移動機構６及びカンチレバー移動機構７の両方で光路長変更機構を構成してもよい。また、光照射部移動機構６やカンチレバー移動機構７とは異なる機構により、光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更するような構成であってもよい。

図３は、液体８に試料Ｓを沈めた状態で試料Ｓを観察する際の態様について説明するための概略図である。液体８中での試料Ｓの表面の変化を観察する場合などには、図３のように試料Ｓを液体８に沈めた状態で、試料Ｓの表面に沿ってカンチレバー１の探針１２を移動させる場合がある。

このような場合には、光照射部２からの照射光が、液体８を透過してカンチレバー１の反射面１１に入射し、反射面１１からの反射光が、液体８を透過して受光部５側へと導かれることとなる。このとき、液体８の表面に揺らぎが生じた場合には、受光部５における受光強度にノイズが生じ、正確な観察を行うことができない。そこで、この例では、試料Ｓが沈められた液体８の表面を押さえるための透光部材９が設けられている。

透光部材９は、例えばガラス板などの透明な板状部材により構成されており、光照射部２とカンチレバー１との間の光路中に、光軸Ｌに対して直交するように設けられている。このような透光部材９により液体８の表面を押さえた状態で、透光部材９を透過させてカンチレバー１に光を照射することにより、液体８の表面の揺らぎが観察に与える悪影響を排除することができる。

しかし、この場合、光照射部２とカンチレバー１との間の光路中に透光部材９が設けられることにより、光照射部２からの照射光の焦点がずれるおそれがある。このような場合であっても、上記実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、光照射部２からカンチレバー１までの光路長を変更することにより、光照射部２からの照射光の焦点をカンチレバー１に合わせることができるため、Ｓ／Ｎ比を効果的に向上することができる。

以上の実施形態のような走査型プローブ顕微鏡は、例えば原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、静電気力顕微鏡などのような各種の顕微鏡として使用することができる。すなわち、上記のような各種の顕微鏡に本発明を適用することにより、Ｓ／Ｎ比が向上された顕微鏡を提供することができる。

１ カンチレバー
２ 光照射部
３ ビームスプリッタ
４ ミラー
５ 受光部
６ 光照射部移動機構
７ カンチレバー移動機構
８ 液体
９ 透光部材
１１ 反射面
１２ 探針

Claims (4)

1. 試料の表面に沿って移動させるための探針を有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーに向けて光を照射する光照射部と、
   前記カンチレバーからの反射光を受光する受光部と、
   前記光照射部から前記カンチレバーまでの光路長を変更するための光路長変更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. 前記光路長変更機構は、前記光照射部を照射光の光軸に沿って移動させるための光照射部移動機構を含む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. 前記光路長変更機構は、前記カンチレバーを前記光照射部からの照射光の光軸に沿って移動させるためのカンチレバー移動機構を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記光照射部と前記カンチレバーとの間の光路中に設けられ、試料が沈められた液体の表面を押さえるための透光部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。

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