JP2015004628A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 光テコ方式を採用した走査型プローブ顕微鏡をコンパクト化、振動ノイズの影響を低減するとともに、初期光学調整を簡単に行えるようにする。
【解決手段】 走査型プローブ顕微鏡は、先端に探針３を備えたカンチレバー１を備え、探針３の先端と試料表面間に作用する力によるカンチレバー１の動きを光源からの照射光を用いて検出する、光テコ方式を採用している。この光源をカンチレバー１の先端部に設け、この光源からの照射光を分割フォトダイオード６に向けて照射するようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、光テコ方式を採用した原子間力顕微鏡に代表される走査型プローブ顕微鏡の光源に関するものである。

本技術分野の背景技術として、特許文献１に示されるような、光テコ方式の原子間力顕微鏡が知られている。
図１は、従来の原子間力顕微鏡の概略図を示しており、カンチレバー１は、固定端２側で原子間力顕微鏡の本体に取り付けられており、その反対側の自由端には、試料表面に対向する面に探針３が取り付けられている。
原子間力顕微鏡の本体には、光源４が設置され、照射レンズ５を介して、カンチレバー１の反射面の一点に集光される。

探針３を試料表面に沿って走査すると、探針３の先端と試料表面との間で作用する原子間力により、カンチレバー１が上下方向に振動し、これに伴う反射面からの反射光の振動を分割フォトダイオード６で検出することで、探針３の振動が増幅された電気信号になり、原子レベルまでもの微小な対象試料表面の状態を解析することができる。

特許第３０４４２２５号公報

従来の光テコ方式原子間力顕微鏡においては、光源とレンズを原子間力顕微鏡本体に取り付け、カンチレバーまでの光路を確保しなければならないため、スペースが必要となる。
また、カンチレバーと光源が原子間力顕微鏡本体の別の構造的ユニットとして原子間力顕微鏡本体に取り付けられているため、原子間力顕微鏡本体に作用する振動に対し、異なる振動系で振動するため、原子間力顕微鏡が振動ノイズの影響を受けやすくなる。

さらに、光源から照射される光が、カンチレバー先端の反射面に集光するよう、光源の照射角度調整を厳密に行う必要があり、定期的に、また、カンチレバーを交換するたびにキャリブレーションを行わなければならない。しかし、光源からカンチレバー反射面までの光路長が存在するため、わずかな位置変化と角度変化でプローブの反射面への集光位置が大きく変化し、調整が非常に困難である。
そこで、本発明は、反射面に代え、カンチレバー自体に、光源を設けることにより、上記の問題点を解決することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の光テコ方式原子間力顕微鏡は、先端に探針を備えたカンチレバーを備え、探針の先端と試料表面間に作用する力によるカンチレバーの動きを光源からの照射光を用いて検出する、光テコ方式を採用した走査型プローブ顕微鏡において、光源をカンチレバーの先端部に設け、この光源からの照射光をフォトダイオードに向けて照射するようにした。

本発明によれば、カンチレバー自体に、光源を設けているので、原子間力顕微鏡本体に取り付け、カンチレバーまでの光路を確保する必要はなく、原子間力顕微鏡をコンパクトにすることができる。また、カンチレバーと光源が、同じ振動系に配置されるため、振動ノイズの影響を低減でき、しかも、カンチレバーと光源間に光路がないため、カンチレバー交換時などにも、初期調整が不要となる。

図１は、従来の原子間力顕微鏡の概略図を示す図である。 図２は、実施例１の全体構造を示す図である。 図３は、実施例１の上面図である。 図４は、実施例２の全体構造を示す図である。 図５は、実施例２の変形例を示す図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図２、図３は、実施例１の基本原理を示す。
なお、従来技術と共通する部位について、同一の符号を付している。
この実施例では、カンチレバー１の固定端２より右側部分はカンチレバー基盤になっている。このカンチレバー基盤は、カンチレバーホルダーに装着されており、このカンチレバーホルダーを介して、カンチレバー１が原子間力顕微鏡本体に装着されるようになっている。固定端２の反対側の自由端側には、ダイヤモンド、シリコン、及び窒化ケイ素等からなる探針３が、試料表面に対向するよう下面に取り付けられている。探針３の自由端側において、探針３の取付面に対し反対側となる面（以下、「背面」と称する。）には、探針３の直上方に位置して、レーザー発光素子７からなる光源が取り付けられている。
このレーザー発光素子７の周囲には、光の拡散を防止するための集光レンズとともに、集光レンズ８を支持する固定リング９が装着されている。

カンチレバー１の背面には、図３に示すように、その固定端２からレーザー発光素子７に到るまで、電源供給用の配線１０が形成されており、電気的な結合を行うジョイント１１を介してレーザー発光素子７とレーザー発光素子駆動回路１２を接続している。なお、１３はレーザー発光素子駆動回路の電源である。
ジョイント１１としては、原子間力顕微鏡本体側のカンチレバーホルダーに、電気的接点を設け、カンチレバー１あるいは及びカンチレバーが付いている基盤を差し込むことによって、配線１０の基端部側末端に設けた端子を電気的に接続するようにしている。

このように構成することで、原子間力顕微鏡本体の電源１３から、レーザー発光素子駆動回路１２、ジョイント１１、カンチレバー１の背面に沿う配線１０を介して、レーザー発光素子７に電力が供給され、その放射光は、図３に示すように、固定リング９により、カンチレバー１の背面に装着された集光レンズ８で集光され、分割フォトダイオード６で受光される。

ここで、この実施例で使用されるカンチレバーとレーザー発光素子との関係について、説明する。
市販されているカンチレバーには、次のような仕様のものがある。
すなわち、固有振動数には、６０ｋＨｚ程度のものから１．６ＭＨｚ程度のものまで様々あり、各製造メーカーにおいて、独自の仕様でカンチレバーを製造・販売している。
材質は、単結晶シリコン製が主流であり、一部窒化ケイ素膜を使用したものがある。
大きさは、代表的なもので、長さ２４０μｍから４０μｍ、幅は２０μｍから５０μｍものまで各種あり、厚さは０．４μｍから４．６μｍのものが知られている。

カンチレバーの質量を概算すると、長さ２４０μｍ、幅４０μｍ、厚さ２．３μｍの単結晶シリコン製カンチレバーの場合、２４０×４０×２．３＝２２０８０μｍ³の体積となり、これにシリコンの密度２．３×１０^-12ｇ／μｍ³を乗算して５０７８４×１０^-12ｇとなる。
また、長さ１６０μｍ，幅４０μｍ，厚さ３．７μｍの単結晶シリコン製カンチレバーの場合、１６０×４０×３．７＝２３６８０μｍ³の体積となり、シリコンの密度２．３１０^-12ｇ／μｍ³を乗算して５４７０１×１０^-12ｇとなる。

一方、近年、光源としては、ミクロンレベルの超微細半導体レーザー素子（ＬＤ素子）が開発されており、例えば、素子１個当たり、４μｍ×０．３μｍの面積を持ち、出力（最小しきい値：１．５μＷ）の超微細半導体レーザーを利用する。
このようなＬＤ素子であれば、例えば、７００個程度の素子をカンチレバー１の背面に形成すれば、レーザー光の出力として十分であり、例えば、カンチレバー１の長手方向に、ＬＤ素子の幅の狭い辺を７０個、幅方向に１０個並べることで、長手方向が２１μｍ、４０μｍとなる。
ごく一般的な、長さ２４０μｍ、幅４０μｍ、厚さ２．３μｍ、質量５０７８４×１０^-12ｇのシリコン製カンチレバーの背面に搭載することが可能である。このとき、７００個のＬＤ素子の質量は、およそ７５０×１０^-12ｇ程度となる。

また、集光レンズ８、これを支持する固定リング９については、例えば、酸化シリコンをエッチングによる微細加工で形成した場合、集光レンズ１７は約３０００×１０^-12ｇ、固定リング８は約１５×１０^-12ｇとなる。したがって、全体では、配線１０を含め、カンチレバー１に加算される質量は、およそ４０００×１０^-12ｇであり、カンチレバー１の全体質量に対し、７〜８％程度の質量が加算されることになる。
一般に、カンチレバーの質量が大きくなると、固有振動数が低下し、応答性、分解能の悪化を招くが、７〜８％程度の質量は、ほぼ誤差の範囲なので、さほど大きな影響はなく、表面凹凸計測、摩擦係数計測、粘弾性計測、硬度計測等の用途を選択したり、カンチレバーの材質や形状を微小に変更することにより、吸収することが可能である。

実施例１では、カンチレバー１の背面にレーザー発光素子７を設けたが、実施例２では、カンチレバー自体をレーザー光を案内する導波路とし、原子間力顕微鏡本体に設けられたレーザー発信器からの放射光を先端部に案内する。
図４は実施例２の基本原理を示す図である。
カンチレバー１の基端部は、原子間力顕微鏡本体に装着されており、先端部には、試料に対向するよう、探針３が設けられている。

カンチレバー１の材質としては、例えば、光ファイバのコアとして用いられている完全フッ素系ポリマー、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートなどの樹脂を選択し、表面をクラッド材料１ａで被覆することにより、カンチレバー１自体を光ファイバとして機能させる。

原子間力顕微鏡本体又は外部に設けられたレーザー発信器２０から出力されたレーザー光は、本体側光ファイバ２１、光ファイバジョイント２２を介して、カンチレバー１の先端まで導かれるようになっている。先端から照射されたレーザー光は、カンチレバー１の先端に設けた反射ミラー２３により、分割フォトダイオード６に向けて反射される。
光ファイバジョイント２２は、原子間力顕微鏡本体側のカンチレバーホルダーと一体的に形成されており、カンチレバー１を差し込むことによって、その固定端側末端をカンチレバーホルダーを通して光学的に接続するようにしている。なお、図４は、実施例２の構成を分かりやすくするため、要部であるカンチレバー１を拡大した図である。

なお、分割フォトダイオード６を、カンチレバー１の水平方向に配置できる場合には、図５に示すように、光ファイバを構成するカンチレバー１の先端部に球面加工部３０を形成し、これにより光を集光するようにして、球面加工部３０から照射されるレーザー光を直接分割フォトダイオード６に照射させるようにしてもよい。
上記説明では検出に使う光をレーザー光にしたが、レーザー光以外の光でも検出可能である。

以上説明したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、原子間力顕微鏡をコンパクト化するとともに、振動ノイズの影響を低減でき、しかも、初期調整を簡単に行うことが可能となるので、特に、様々な計測や検査等を行うことが必要な研究所や工場の製品検査ライン等において広く採用されることが期待できる。

１ カンチレバー
２ カンチレバーの固定端
３ 探針
４ 光源
５ 照射レンズ
６ 分割フォトダイオード
７ レーザー発光素子
８ 集光レンズ
９ 固定リング
１０ 電源供給用の配線
１１ ジョイント
１２ レーザー発光素子駆動回路
１３ 電源
２０ レーザー発信器
２１ 本体側光ファイバ
２２ 光ファイバジョイント
２３ 反射ミラー
３０ 球面加工部

Claims (3)

1. 先端に探針を備えたカンチレバーを備え、前記探針の先端と試料表面間に作用する力による前記カンチレバーの動きを光源からの照射光を用いて検出する、光テコ方式を採用した走査型プローブ顕微鏡において、
   前記光源を前記カンチレバーの先端部に設け、該光源からの照射光をフォトダイオードに向けて照射するようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記光源が、前記カンチレバー先端部の背面に装着した超微細半導体レーザー（ＬＤ）素子等の微小な発光素子からなる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. 前記光源を前記カンチレバーの外部に配置したレーザー発信器とし、該レーザー発信器から出力されるレーザー光を、前記カンチレバーの基端部から先端部に向けて延びる導波路を介して、前記カンチレバーの先端に導き、該先端から前記フォトダイオードに向けてレーザー光を照射するようにした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。
   
   

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