JP2016070790A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化することなく検出感度を向上させることが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】透明な材質で形成され、カンチレバー２１，２２で反射した反射光をカンチレバー２１，２２から走査面方向に遠ざかるように導くプリズム４１ａ，４１ｂと、プリズム４１ａ，４１ｂの内部で反射した反射光の光路の終端部位に設けられ、反射光を検出する光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂと、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂで検出された反射光の振幅或いは周波数に基づいて、カンチレバーの動作を検出する制御部４３を備える。また、プリズム４１ａ，４１ｂは、表面の少なくとも一部となる面にＡＲコートが形成され、その他の面の少なくとも一部に誘電体多層膜コートが形成される。そして、反射光をＡＲコートを介して導入し、誘電体多層膜コートで反射させて、反射光を光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂに導入する。【選択図】 図１

Description

本発明は、原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、高検出感度を保持した装置の小型化、及び多探針化を実現する技術に関する。

力学的特性、電気物性、磁気物性、熱物性測定等の微細な試料をナノメートルの分解能で観察可能な走査型プローブ顕微鏡 (ＳＰＭ；Scanning Probe Microscope)として、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Atomic Force Microscope）が知られている。原子間力顕微鏡は、光テコ方式のカンチレバーの先端に探針を設け、該探針を用いて試料を走査する。この際、カンチレバーに光を照射し、カンチレバーでの反射光を光検出器で検出して反射光の振幅或いは周波数の変動を測定する。試料と探針が接近すると分子間力が作用することにより、反射光の振幅或いは周波数が変動する。光検出器は、振幅或いは周波数の変動に基づいて探針の微細な動きを検出する。この検出結果をマッピングして試料の凹凸を認識する（例えば、特許文献１参照）。

このような原子間力顕微鏡では、カンチレバーから光検出器までの距離が長いほど検出感度が向上する。ところが、カンチレバーから光検出器までの距離を長くすると、装置全体が大型化するという問題が生じる。更に、感度を保持したまま多探針化及び探針間の接近を実現するとなると、空間的に光テコ方式は不利であるという問題が生じていた。

特開２００６−１３８８２１号公報

上述したように、従来における原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡は、検出感度を向上させようとすると、カンチレバーから光検出器までの距離を長くする必要があり、装置が大型化するという問題があった。また、感度を保持したまま多探針化及び探針間の接近を実現するとなると、空間的に光テコ方式は不利であるという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、装置を大型化することなく検出感度を向上させることが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。また、システム全体の小型化に伴い、低共振周波数ノイズを抑えることが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。更に、本発明は、多探針化を光テコ方式にて実現するにあたり、必要な空間が確保でき、且つ、探針間を接近させることが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、少なくとも一つのカンチレバーを有し、前記カンチレバーで試料を走査すると共に、前記カンチレバーに照射した光の反射光を検出して、試料の形状を検出する走査型プローブ顕微鏡において、透明な材質で形成され、厚みを有し前記カンチレバーの近傍に設けられて前記反射光を前記カンチレバーから走査面方向に遠ざかるように導く導光部材と、前記導光部材の内部で反射した前記反射光の光路の終端部位に設けられ、該反射光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出された反射光の振幅或いは周波数から、前記カンチレバーの変位を検出する制御部と、を備え、前記導光部材は、表面の少なくとも一部となる面に光透過膜が施され、その他の面の少なくとも一部に光反射膜が施され、前記反射光を光透過膜を介して導入し、光反射膜で反射させて、該反射光を前記光検出部に導くことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、試料台に置かれた試料に光を照射し、この反射光を検出して、前記試料の形状を検出する走査型プローブ顕微鏡において、透明な材質で形成され、厚みを有し前記試料台の近傍に設けられて前記反射光を前記試料台から走査面方向に遠ざかるように導く導光部材と、前記導光部材の内部で反射した前記反射光の光路の終端部位に設けられ、該反射光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出された反射光の照射位置から、前記試料の変位を検出する制御部と、を備え、前記導光部材は、表面の少なくとも一部となる面に光透過膜が施され、その他の面の少なくとも一部に光反射膜が施され、前記反射光を光透過膜を介して導入し、光反射膜で反射させて、該反射光を前記光検出部に導くことを特徴とする。

請求項１に係る走査型プローブ顕微鏡（例えば、原子間力顕微鏡）では、カンチレバーの近傍に厚みを有する導光部材（例えば、プリズム）を設置し、カンチレバーにて反射した光（例えば、レーザ光）を導光部材内に導入して反射させ、光検出部（例えば、光ダイオード検出器）に導入する。そして、該光検出部で検出される光の振幅或いは周波数に基づいて、カンチレバーの変位を検出する。この際、導光部材内部で光が反射することにより、カンチレバーから光検出部までの光路を長くすることができるので、装置を大型化することなく検出感度を向上させることが可能となる。更に、多探針化を光テコ方式にて進めるにあたり、必要な空間を確保でき、且つ、探針間を接近させることが可能となる。また、多探針化が可能となれば、走査型プローブ顕微鏡の大きな欠点であった走査速度を速くすることが可能となり、ひいては、広領域に対する走査が可能となる。このことは、観たいところを早く探すことができる（試料測定の高速化）という利点を提供する。

請求項７に係る走査型プローブ顕微鏡（例えば、レーザ変位計）では、試料台の近傍に導光部材（例えば、プリズム）を設置し、試料にて反射した光（例えば、レーザ光）を導光部材内に導入して反射させ、光検出部（例えば、光ダイオード検出器）に導入する。そして、該光検出部で検出される光の照射位置に基づいて、試料の変位を検出する。この際、導光部材内部で光が反射することにより、試料から光検出部までの光路を長くすることができるので、装置を大型化することなく検出感度を向上させることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の、光学系及びカンチレバーの構成を模式的に示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡にて用いられるプリズムの構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 レーザ光の反射点から光ダイオード検出器までの距離と、検出感度の関係を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡にて用いられるプリズムの個数を変更した場合の平面図である。 第１実施形態の変形例に係る走査型プローブ顕微鏡にて用いられるプリズムの構成を示す側面図である。 第１実施形態の変形例に係り、ペンタプリズムを用いた場合の構成を示す側面図である。 本発明の第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡にて用いられるプリズムの構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 第２実施形態の変形例に係る走査型プローブ顕微鏡にて用いられるプリズムの構成を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の、光学系の構成及び試料を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の、光学系及び走査部の構成を模式的に示す説明図である。図１に示すように、この走査型プローブ顕微鏡は、２つのカンチレバー２１，２２を備えている。該カンチレバー２１，２２は、片持ち支持されており、先端部に探針２１ａ，２２ａが設けられている。そして、試料台（図示省略）の走査面上に置かれた試料を探針２１ａ，２２ａで走査することにより、該試料の形状を検出する。形状検出以外にも、２つの探針２１ａ，２２ａに電圧を印加して電気特性を測定する等の用途として用いることもできる。

更に、走査型プローブ顕微鏡は、レーザ光（光）を照射するレーザダイオード１１と、該レーザダイオード１１より出射されたレーザ光を導光する光ファイバ１２と、該光ファイバ１２の先端部に設けられたコリメータレンズ１３と、を有している。コリメータレンズ１３は、光ファイバ１２により導光されたレーザ光を対物レンズ１５の前側焦点Ｆ１にフォーカスを結ぶように調整し、対物レンズ１５の透過後は、平行光として出力する。或いは、カンチレバー２１，２２の背面に対して可能な限りＮＡ（numerical aperture）を小さくした状態でレーザ光をフォーカスさせる。

コリメータレンズ１３の出射側には、コリメータレンズ１３より出射されたレーザ光を略９０°の方向へ反射させるミラー１４と、該ミラー１４で反射したレーザ光を平行な光に変換する対物レンズ１５が設けられている。対物レンズ１５より出射したレーザ光は、カンチレバー２１の先端部に照射される。

上記と同様に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、レーザダイオード３１、光ファイバ３２、コリメータレンズ３３、及び、ミラー３４を備えており、ミラー３４で反射したレーザ光は、対物レンズ１５に入射する。従って、レーザダイオード３１より出射したレーザ光は、平行な光としてカンチレバー２２の先端部に照射される。

また、カンチレバー２１，２２上方の近傍には、水平方向に厚みを有するプリズム４１ａ，４１ｂ（厚みを有する導光部材）が設けられており、カンチレバー２１，２２で反射したレーザ光は、該プリズム４１ａ，４１ｂ内に導入される。導入されたレーザ光は、プリズム４１ａ，４１ｂの表面適所に接して設けられ、且つ、レーザ光の光路の終端部位に設けられたレーザ光検出用の光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂ（光検出部）で検出される。プリズム４１ａ，４１ｂの詳細については、後述する。

各光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂは、一例として４分割とされた光ダイオード検出器が用いられ、各光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂで検出された検出信号は、制御部４３に出力される。制御部４３は、入力された検出信号に基づいて、レーザ光の変位を算出し、算出された変位に基づいて、カンチレバー２１，２２の移動量を求め、ひいては試料の凹凸を求める。具体的には、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂは、４つの受光領域を備えており、各受光領域で検出された反射光の振幅或いは周波数を検出する。そして、制御部４３は、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂで検出される反射光の振幅或いは周波数が一定値を保持するように、試料台のステージの上下方向位置を移動させる。そして、この移動量をマッピングして、試料の凹凸を検出する。

制御部４３は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、制御用ボード、各種ドライバ等の記憶手段からなる一体型のコンピュータシステムとして構成することができる。

また、ミラー１４の上方には、撮像光学系１６が設置されており、該撮像光学系１６にてカンチレバー２１，２２の状況を撮像し、撮像した画像をモニタ（図示省略）に表示することにより、操作者にカンチレバー２１，２２の状況を視認できるようにしている。

次に、プリズム４１ａ，４１ｂの詳細な構成について説明する。図２は、プリズム４１ａ，４１ｂの構成を示す説明図であり、図２（ａ）は平面図（図１の上方から見た図）、図２（ｂ）は側面図である。プリズム４１ａ，４１ｂは、ガラス、或いは透明なプラスチック等の材質で構成することができる。図２（ａ）に示すように、プリズム４１ａ，４１ｂは、上方から見た際に二等辺三角形と正方形を組み合わせた五角形状をなしている。そして、各プリズム４１ａ，４１ｂの正方形となる領域の表面には、全体が円形状をなす４分割の光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂが設けられている。

また、図２（ｂ）に示すように、プリズム４１ａ，４１ｂは、欠切面ｃ１，ｃ２を有する側面視五角形状をなしており、カンチレバー２１，２２で反射した光は、欠切面ｃ１，ｃ２からプリズム４１ａ，４１ｂ内に入射する。この際、欠切面ｃ１，ｃ２は、カンチレバー２１，２２で反射したレーザ光がほぼ直交するように形成されている。換言すれば、反射光の入射面として形成された欠切面ｃ１，ｃ２は、反射光が入射する方向が、屈折を抑えられる法線方向となるように形成されている。勿論、カンチレバー２１，２２で反射する反射光の光路は該カンチレバー２１，２２の変位に伴って変化するので、カンチレバー２１，２２が変位していない状態での反射光等、任意の状態の反射光の方向を基準として法線方向を決定する。

更に、プリズム４１ａ，４１ｂの上面及び下面の適所には、ＡＲコートｆ１（光透過膜）、または、誘電体多層膜コートｆ２（光反射膜）が施されている。詳細には、欠切面ｃ１，ｃ２、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂの取り付け面となる領域は、可視光及び光テコ用の光源波長を透過する特性を有するＡＲコートｆ１とされている。それ以外の上面、及び下面は、光テコ用の光源波長を反射する特性を有する誘電体多層膜コートｆ２とされている。

従って、カンチレバー２１，２２で反射したレーザ光は、光路Ｌ１，Ｌ２に示すように欠切面ｃ１，ｃ２からプリズム４１ａ，４１ｂ内に入射し、その後、誘電体多層膜コートｆ２が施された表面で反射し、走査面方向（カンチレバー２１，２２に照射されるレーザ光の方向に対して直交する面の方向）に遠ざかるように導かれて、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂに入射することになる。

次に、上述のように構成された本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の作用について説明する。それぞれのレーザダイオード１１，３１よりレーザ光を照射すると、各レーザ光は、光ファイバ１２，３２、コリメータレンズ１３，３３、ミラー１４，３４、対物レンズ１５を経由して、カンチレバー２１，２２に照射される。この際、カンチレバー２１，２２に照射されるレーザ光は、該カンチレバー２１，２２の背面の幅よりも幅狭の平行光である。すると、該カンチレバー２１，２２で反射した反射光は、図２（ｂ）に示した光路Ｌ１，Ｌ２を経由して光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂに照射される。図１に示した制御部４３は、４分割の光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂに照射された反射光に基づいて、反射光の照射位置を精密に検出することができる。また、検出した反射光の振幅或いは周波数を検出することができる。

この状態で、制御部４３の制御により、２つのカンチレバー２１，２２に所望の周波数となる参照信号を与えて各カンチレバー２１，２２を振動させる。この際、各カンチレバー２１，２２に与える参照信号の周波数或いは波長が異なるように制御すれば、双方の参照信号による干渉を防止できる。即ち、カンチレバー２１に第１の周波数で振動する第１参照信号を与え、カンチレバー２２に第２の周波数で振動する第２参照信号を与える。

次いで、試料を載置した試料台を走査し、試料がカンチレバー２１，２２に接近すると、探針２１ａ，２２ａと試料との分子間力等により、カンチレバー２１，２２の振幅或いは共振周波数が変化する。その結果、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂで検出される反射光の振幅或いは周波数が変化する。制御部３７は、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂで検出される反射光の振幅或いは周波数を検出し（これを、検出振幅、検出周波数という）、該検出振幅、或いは検出周波数が一定値となるように、試料台の高さ方向のステージを移動させる。そして、このステージの移動量をマッピングすることにより、試料の凹凸を求める。

カンチレバー２１，２２を振動させる際の励振振幅を大きくすると、試料から得られる信号は励振振幅信号に埋もれてしまう。よって、探針の励振振幅以下の高さを持つ試料を測定することは難しい。そのため、探針２１ａ，２２ａの振幅をできる限り小さくすることにより、試料の検出感度を向上させることができる。

この際、レーザ光の反射面から光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂまでの光路Ｌ１，Ｌ２が長いほど、試料の検出感度が向上する。以下、図３を参照して、図２に示した光路Ｌ１，Ｌ２と検出感度の関係について説明する。図３に示すように、レーザ光ｘ１が照射され、カンチレバーｙ１でレーザ光が反射すると、カンチレバーｙ１が通常状態（変位していない状態）である場合には、光路ｘ２の方向にレーザ光が反射する。一方、カンチレバーｙ１に変位が生じてレーザ光の反射角度が変化すると、例えば光路ｘ３の方向にレーザ光が反射する。光路ｘ２とｘ３のなす角度をΔθとすると（図３では、理解を容易にするために変位角度Δθを誇張して示している）、カンチレバーｙ１から光ダイオード検出器の入射面までの距離Ｌｘが長いほど、光ダイオード検出器に入射するレーザ光の変位Δｘは大きくなる。即ち、距離Ｌｘを大きくすることにより、検出感度を向上させることができる。

しかし、距離Ｌｘを長く設定すると、設置スペースが大型化するので、装置構成として距離Ｌｘを長く設定することには限界がある。本実施形態では、プリズム４１ａ，４１ｂを用いて、カンチレバー２１，２２で反射したレーザ光をプリズム４１ａ，４１ｂ内で反射させることにより、装置を大型化することなく、カンチレバー２１，２２から光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂまでの距離を長くしている。こうして、カンチレバー２１，２２の変位を高い感度で検出することが可能となり、試料の検出感度を向上させることが可能となる。

このようにして、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバー２１，２２の近傍にプリズム４１ａ，４１ｂ（導光部材）を設置し、レーザダイオード１１，３１より照射され、カンチレバー２１，２２にて反射したレーザ光をプリズム４１ａ，４１ｂ内に導入する。レーザ光は、プリズム４１ａ，４１ｂ内にて走査面の外側に向けて反射し、プリズムの外周面側の表面に設けられた光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂにて検出される。制御部４３は、各光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂで検出されたレーザ光の照射位置に基づいて、カンチレバー２１，２２の変位を検出する。

この際、レーザ光がプリズム４１ａ，４１ｂ内を反射することにより、カンチレバー２１，２２から光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂまでの距離を長く設定することができ、試料の検出感度を向上させることができる。

また、図２（ｂ）に示したように、プリズム４１ａ，４１ｂには、欠切面ｃ１，ｃ２が形成されており、カンチレバー２１，２２で反射したレーザ光は、欠切面ｃ１，ｃ２の表面に対して略直交するように入射するので、光路を安定させることができ、反射光の検出感度を向上させることが可能となる。

また、プリズム４１ａ，４１ｂを用いることにより、光テコ方式を用いた場合の光学系を小型化することができ、その結果、ノイズとなる低周波共振周波数を抑制できる。換言すれば、光学系を小型することにより、低周波共振周波数を抑制できるので、ノイズの影響を低減でき、感度を向上させることができる。

更には、ノイズの低減化により、多探針化を図ることができ、ひいては、試料検出の高速化、及び広領域化を図ることができる。また、様々な機能性を持ったカンチレバーを使用することにより、複数の物性特性を同時に測定することが可能となる。

更に、図２（ａ）に示したように、平面視五角形状のプリズム４１ａ，４１ｂを用いている。詳細には、各プリズム４１ａ，４１ｂは、平面視した際に一方の端部が幅狭とされ、他方の端部が幅広とされた形状を有し、カンチレバー２１，２２の先端部を中心とし、この中心に幅狭とされた端部が位置するように、配置されている。従って、カンチレバーの個数が３以上となり、これに応じて３以上のプリズムを配置する必要が生じた場合であっても、プリズムを設置する個数を容易に増加することが可能となる。

例えば、カンチレバーを３個搭載する場合には、図４（ａ）に示すように、平面視した際に、角度１２０度毎にずらした位置となるようにプリズムＰを配置すればよい。同様に、カンチレバーを４個搭載する場合、及び８個搭載する場合には、図４（ｂ），（ｃ）に示すように、プリズムＰを配置すればよい。即ち、同一の構成で複数個のカンチレバー及びプリズムを設置することができるので、大きな設計変更を要せずにカンチレバーの個数変更が可能となる。

更に、図２（ｂ）に示したように、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂは、走査面方向の外側（カンチレバー２１，２２の先端から離れた位置）に設けられるので、検出感度を向上させる目的で大きめの光ダイオード検出器を用いた場合でも、機構的な干渉（衝突）を回避することができる。

また、プリズム４１ａ，４１ｂの表面に、ＡＲコートｆ１（光透過膜）、誘電体多層膜コートｆ２（光反射膜）を施すことにより、プリズム表面でのレーザ光を透過する領域と反射する領域を設定しているので、容易な方法でレーザ光を反射させて、走査面方向の外側にレーザ光を導くことが可能となる。更に、レーザ光を走査面方向の外側に導くことにより、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂをカンチレバー２１，２２に対して離れた場所に設置することができるので、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂを小型化する必要がない。換言すれば、大型の光ダイオード検出器を採用することにより、反射光を検出する面積が増加するので、対物レンズ１５を透過後の平行光が拡がった場合でもこれを確実に検出することが可能となる。

更に、プリズム４１ａ，４１ｂ、及び光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂが装置全体の下方に設けられるので、装置の重心を低くすることができ、装置を重量的に安定化させることが可能となる。

また、プリズム４１ａ，４１ｂの表面に光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂが接して設けられるので、検出感度を向上させることができ、且つ、取り付ける作業を容易に行うことが可能となる。

更に、カンチレバー２１，２２に照射する光は、該カンチレバー２１，２２の背面の幅よりも幅狭の平行光であるので、確実にカンチレバー２１，２２の背面にレーザ光を照射することができる。

また、多探針化をテコ方式にて進めるにあたり、必要な空間が確保でき、且つ、探針を接近させることが可能となる。

［第１実施形態の変形例の説明］
次に、上述した第１実施形態の変形例について説明する。第１実施形態では、図２（ｂ）に示したように、欠切面ｃ１，ｃ２を有する側面視が五角形状のプリズム４１ａ，４１ｂを用いる場合について説明した。本発明はこれに限られるものではなく、図５に示すように、側面視長方形状とされたプリズム４１ｃ，４１ｄを用いることもできる。この構成は、カンチレバーの取り付け角度をより水平にすることにより、実現可能となる。この場合、反射光の入射方向がプリズム４１ｃ，４１ｄの表面に対して直交しないことになるが、プリズム４１ｃ，４１ｄの構成を簡素化できるので、製造コストの削減を図ることができる。また、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

更に、図６に示すように、ペンタプリズム１７ａ，１７ｂを用いることも可能である。図６に示すように、ペンタプリズム１７ａ，１７ｂは、反射光がほぼ直交して入射する入射面ｃ３，ｃ４を備えている。また、５つの面のうち、レーザ光を透過させる面には、ＡＲコートｆ１が施されている。また、レーザ光を反射させる面には、誘電体多層膜コートｆ２が施されている。従って、カンチレバー２１，２２で反射した反射光は、光路Ｌ２１，Ｌ２２を経由して光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂに照射されることになる。

そして、このようなペンタプリズム１７ａ，１７ｂを用いる場合においても、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。光学系は、前述した図１と同一であり、プリズムの構成のみが相違する。図７は、第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡に用いられるプリズム５１の構成を示す説明図であり、図７（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図７（ａ），（ｂ）に示すように、プリズム５１（導光部材）は、円柱形状をなしている。そして、該円柱形状の中心軸が図１に示したカンチレバー２１，２２の先端部と一致するように配置される。また、第１実施形態と同様に、プリズム５１は、ガラス、或いは透明なプラスチック等で構成されている。

プリズム５１の上面及び下面の中心部近傍には、可視光及び光テコ用の光源波長を透過するＡＲコートｆ１（光透過膜）が施されている。プリズム５１の上面の外周部には、２つの光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂが設置されている。そして、プリズム５１表面の、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂが設置される領域にはＡＲコートが施されている。また、ＡＲコートが施されている表面以外の領域には、光テコ用の光源波長を反射する誘電体多層膜コートｆ２（光反射膜）が施されている。

そして、このように構成された第２実施形態に係るプリズム５１では、レーザダイオード１１，３１（図１参照）より照射されたレーザ光は、プリズム５１の中央部のＡＲコートｆ１が施された領域を通過して、カンチレバー２１，２２に照射される。そして、該カンチレバー２１，２２で反射したレーザ光は、ＡＲコートｆ１が施された表面からプリズム５１内に導入され、更に、誘電体多層膜コートｆ２が施された表面で反射して、走査面の外側方向へ導光され、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂに照射される。従って、上述した第１実施形態と同様に、カンチレバー２１，２２から光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂまでのレーザ光の光路長を長くすることができる。その結果、装置を大型化することなくカンチレバー２１，２２による試料の検出感度を向上させることができる。

また、第２実施形態に係るプリズム５１では、円柱形状をなすプリズム５１の、中心軸近傍の表面には、レーザ光を透過するＡＲコートｆ１が施されているので、図１に示したレーザダイオード１１，３１より照射されたレーザ光はこのＡＲコートｆ１が施されている領域を通過してカンチレバー２１，２２に照射される。

また、円柱形状のプリズム５１を用いることにより、撮像光学系１６（図１参照）にてカンチレバー２１，２２を撮像する際に、可視光がプリズム５１を透過することになる。この際、撮像光学系１６にて撮像される画像にひずみ（ディストーション）が生じることになる。しかし、ソフト的にディストーション補正を行うことにより、ひずみを解消することができる。即ち、可視光がプリズム５１を透過することによる画像ひずみの影響を回避することができ、プリズム５１を設置することによる影響を防止できる。

［第２実施形態の変形例の説明］
次に、第２実施形態の変形例について説明する。第２実施形態では、図７（ａ）に示したように、円柱形状のプリズム５１の上面の２箇所に光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂを設置する例について説明したが、カンチレバーの個数を３以上とした場合には、この個数に応じて光検出器を設けることができる。例えば、カンチレバーの個数を８個とした場合には、図８の平面図に示すように、円柱形状のプリズム５１の上面の８箇所にそれぞれ等間隔で光ダイオード検出器Ｑを設置すればよい。このように、第２実施形態に係る円柱形状のプリズム５１では、カンチレバーの個数が変更された場合でもプリズム５１自体を変更せずに、光ダイオード検出器の個数を変更すればよいので、融通性に富み、設計変更等を容易に行うことが可能となる。

［第３実施形態の説明］
図９は、本発明の第３実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の、光学系の構成及び試料を模式的に示す説明図である。図９に示す走査型プローブ顕微鏡は、前述した図１に示した走査型プローブ顕微鏡と対比して、カンチレバー２１，２２を備えないレーザ変位計である点で相違している。それ以外の構成は、図１と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

次に、第３実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の作用について説明する。この走査型プローブ顕微鏡では、試料台の上に試料５０を載置し、この試料を水平方向に走査する。こうすることにより、対物レンズ１５より出力される平行なレーザ光が試料５０に照射され、該試料５０で反射することになる。そして、試料５０にて反射する反射光は光路が変化するので、光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂで反射光の照射位置を検出することにより、試料の凹凸を検出することができる。

この場合においても、試料５０で反射した反射光が光ダイオード検出器４２ａ，４２ｂに到達するまでの光路長を長くすることができるので、試料５０の検出感度を向上させることができる。

そして、高速で広範囲を走査する際には、初めに、第３実施形態で示したレーザ変位計（図９）を用いて試料を走査し、試料の存在位置を絞り込んだ後に、第１，第２実施形態に示した走査型プローブ顕微鏡を用いて試料５０を走査することにより、短時間で高い感度での検出が可能となり、測定効率を向上させることが可能となる。

上述した実施形態では、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一例として、原子間力顕微鏡を実施例として説明した。本発明は、光テコ方式であるため、既に販売されているカンチレバーの交換及び適用制御機材を使用することにより、多くのアプリケーションに適用することができる。具体的には、プローブと試料との間の電流測定に使用される電流測定ＡＦＭ（Ｃ−ＡＦＭ、Conductive-AFM）、表面電位を観察するために使用されるケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ；Kevin Force Probe Microscope）、強誘電体マッピング・キャパシタンス測定等に使用される電気力顕微鏡（ＥＦＭ：Electric Force Microscopy）、磁性材料をコーティングしたプローブを使用した磁化分布を観察することに使用される走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Magnetic Force）、プローブの左右のねじれを同時に観察することで、試料表面の相対的な摩擦力を観察する摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ：Friction Force）、複素インピーダンスの測定が可能な走査型マイクロ波顕微鏡（ＳＭＭ：Microwave and Millimeter-Wave Microscopy）、近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning near field optical Microscopy）等、種々の原子間力顕微鏡に適用可能である。

これらに加えて、一般的な走査型プローブ顕微鏡にも適用可能であるため、高周波信号を使ったＲＦ（Radio Frequency）−ＳＴＭ技術を使った走査型トンネル顕微鏡（特開２０１２−１８１０１５号公報「走査型トンネル顕微鏡およびこれを用いたナノスケール表面観察法」を参照）においても適用することが可能である。

以上、本発明の走査型プローブ顕微鏡を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、レーザダイオード１１，３１の代わりに、スーパールミネッセンスダイオードやファイバーレーザダイオード等を用いることもできる。また、反射光を検出するための検出部として、光ダイオード検出器の代わりに、ＰＳＤ（半導体位置検出素子）や、ＣＣＤ（電荷結合素子）、或いはＣＭＯＳ（シーモスイメージセンサ）を用いることも可能である。

更に、上記した第１，第２実施形態では、２個以上のカンチレバーを備える例について説明したが、本発明は、これに限定されず、１個のカンチレバーを備えた走査型プローブ顕微鏡についても適用可能であることは勿論である。

また、プリズムの構成は、前述した各実施形態、変形例で示した構成に限定されるものではなく、カンチレバー、或いは試料で反射した反射光を少なくとも１回反射させて反射光の光路を長くすることができる構成のものであれば、適用することが可能である。

更に、レーザ変位計等に適用することにより、容易に光路長を長くすることができ、検出感度を向上させることに寄与することができる。

１１ レーザダイオード
１２ 光ファイバ
１３ コリメータレンズ
１４ ミラー
１５ 対物レンズ
１６ 撮像光学系
１７ａ，１７ｂ ペンタプリズム
２１，２２ カンチレバー
２１ａ，２２ａ 探針
３１ レーザダイオード
３２ 光ファイバ
３３ コリメータレンズ
３４ ミラー
４１ａ，４１ｂ プリズム
４１ｃ，４１ｄ プリズム
４２ａ，４２ｂ 光ダイオード検出器
４３ 制御部
５０ 試料
５１ プリズム
Δθ 変位角度
Δｘ 変位
Ｌ１，Ｌ２ 光路
Ｌ２１，Ｌ２２ 光路
ｃ１，ｃ２ 欠切面
ｃ３，ｃ４ 入射面
ｆ１ ＡＲコート（可視光及び光テコ用の光源波長を透過する）
ｆ２ 誘電体多層膜コート（光テコ用の光源波長を反射する）

Claims (7)

1. 少なくとも一つのカンチレバーを有し、前記カンチレバーで試料を走査すると共に、前記カンチレバーに照射した光の反射光を検出して、試料の形状を検出する走査型プローブ顕微鏡において、
   透明な材質で形成され、厚みを有し前記カンチレバーの近傍に設けられて前記反射光を前記カンチレバーから走査面方向に遠ざかるように導く導光部材と、
   前記導光部材の内部で反射した前記反射光の光路の終端部位に設けられ、該反射光を検出する光検出部と、
   前記光検出部で検出された反射光の振幅或いは周波数から、前記カンチレバーの変位を検出する制御部と、を備え、
   前記導光部材は、表面の少なくとも一部となる面に光透過膜が施され、その他の面の少なくとも一部に光反射膜が施され、前記反射光を光透過膜を介して導入し、光反射膜で反射させて、該反射光を前記光検出部に導くこと
   を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記導光部材は、前記反射光が入射する方向が法線方向となる入射面を備えること
   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. 前記導光部材は複数設けられ、各導光部材は、平面視した際に、一方の端部が幅狭とされ、他方の端部が幅広とされた形状を有し、前記カンチレバーの先端部を中心とし、この中心に前記幅狭とされた端部が位置するように、各導光部材を配置したこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記導光部材は円柱形状を成し、該導光部材の外周部表面に、前記光検出部を搭載したこと
   を特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記光検出部は、前記導光部材の表面に接して設けられることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記カンチレバーに照射する光は、前記カンチレバーの背面に対して平行光、或いはカンチレバーの背面に対してＮＡ（numerical aperture）を小さくした状態で光をフォーカスさせること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 試料台に置かれた試料に光を照射し、この反射光を検出して、前記試料の形状を検出する走査型プローブ顕微鏡において、
   透明な材質で形成され、厚みを有し前記試料台の近傍に設けられて前記反射光を前記試料台から走査面方向に遠ざかるように導く導光部材と、
   前記導光部材の内部で反射した前記反射光の光路の終端部位に設けられ、該反射光を検出する光検出部と、
   前記光検出部で検出された反射光の照射位置から、前記試料の変位を検出する制御部と、を備え、
   前記導光部材は、表面の少なくとも一部となる面に光透過膜が施され、その他の面の少なくとも一部に光反射膜が施され、前記反射光を光透過膜を介して導入し、光反射膜で反射させて、該反射光を前記光検出部に導くこと
   を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

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