JP2020085562A - 走査型プローブ顕微鏡の光軸調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】観察対象とは異なる反射率の高い試料を配置することなく、光軸調整をすることができる走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡の光軸調整方法を提供する。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、先端部に探針７を有するカンチレバー２と、レーザ光をカンチレバーに照射し、カンチレバーで反射されたレーザ光を検出する光学系８０と、レーザ光の光軸調整時にカンチレバー２の先端の位置を含む範囲を撮影するための撮影部１０と、撮影部１０で生成された画像から探針の先端の位置と、レーザ光のスポットの位置を検出する画像処理部７２と、検出した位置に基づいて、レーザ光の光軸を調整する光軸調整部７３と、試料を保持するための試料保持部４４とを備える。試料保持部４４は、ミラー３３を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡の光軸調整方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーと呼ばれる探針が形成された片持ち梁を使用する。カンチレバーの反りまたは振動の変化を、カンチレバー背面に照射したレーザの反射光の変化に変換してフォトディテクタによって検出する。フォトディテクタでは、反射光の位置、強度、および位相等の変化を検出して、様々な物理情報に変換をする（たとえば、特許文献１（特開２０００−３４６７８２号公報）を参照）。

特開２０００−３４６７８２号公報

走査型プローブ顕微鏡では、測定前には、カンチレバーの背面にレーザ光が正しく照射されるように、レーザ光の光軸調整が必要になる場合がある。その場合、カンチレバーは小さいため、調整のトレランスがミクロンオーダとなる。手動での光軸調整は難しく、煩雑な作業である。

それゆえに、本発明の目的は、光軸調整を容易に行うことができる走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡の光軸調整方法を提供することである。

本発明のある局面の走査型プローブ顕微鏡は、先端部に探針を有するカンチレバーと、測定時に、レーザ光をカンチレバーに照射し、カンチレバーで反射されたレーザ光を検出する光学系と、レーザ光の光軸調整時にカンチレバーの先端の位置を含む範囲を撮影するための撮影部と、撮影部で生成された画像から探針の先端の位置と、レーザ光のスポットの位置を検出する画像処理部と、検出した位置に基づいて、レーザ光の光軸を調整する光軸調整部と、試料を保持するための試料保持部とを備える。試料保持部は、ミラーを含む。

好ましくは、試料保持部は、ミラーの上側に載置可能な試料台を含む。
これによって、試料をミラーに直接載置することによって、ミラーが傷つくのを防止できる。

好ましくは、ミラーと前記試料台との間に間隙が形成されている。
これによって、ミラーが傷つくのをさらに防止できる。

これによって、光軸調整を容易に行うことができる。
好ましくは、試料台は、金属製であり、試料保持部は、さらに、ミラーの下に配置される磁石を有する。

これによって、試料台を磁石で固定することができる。
好ましくは、走査型プローブ顕微鏡は、スキャナを備える。試料保持部は、スキャナに取り付け可能なアタッチメントと、試料台によって構成される。アタッチメントの上面にミラーが形成される。アタッチメントの内部に磁石が埋設されている。

これによって、光軸調整時には、ミラーの上に試料台が置かれないようにすることができるので、ミラーによって、レーザ光を反射することができる。

好ましくは、スキャナには、円柱形状の嵌入穴が形成される。アタッチメントは、円板形状の上面と、円柱形状の突出部とを有する。突出部が、嵌入穴に嵌挿可能に構成される。

これによって、スキャナにアタッチメントを取り付けることができる。
本発明の走査型プローブ顕微鏡の光軸調整方法において、走査型プローブ顕微鏡は、先端部に探針を有するカンチレバーと、測定時に、レーザ光をカンチレバーに照射し、カンチレバーで反射されたレーザ光を検出する光学系と、試料を移動させるためのスキャナと、試料を保持するための試料保持部とを備える。試料保持部は、スキャナに取り付け可能であり、上面にミラーが形成され、内部に埋設された磁石とを含むアタッチメントと、ミラーの上に載置可能であり、金属製の試料台とを含む。光軸調整方法は、ミラーの上に試料台が載置されない状態にするステップと、光学系が、レーザ光を照射するステップと、カンチレバーの先端の位置を含む範囲を撮影するステップと、撮影によって生成された画像から探針の先端の位置と、レーザ光のスポットの位置を検出するステップと、検出した位置に基づいて、レーザ光の光軸を調整するステップとを含む。

これによって、観察対象とは異なる反射率の高い試料を配置することなく、光軸調整をすることができる。

本発明によれば、光軸調整を容易に行うことができる。

実施形態の走査型プローブ顕微鏡１の構成を表わす図である。 探針７、カンチレバー２およびホルダ１５を表わす図である。 走査型プローブ顕微鏡１において試料観察を行う際のスキャナ４３の上部および試料保持部４４の縦断面図である。 試料保持部４４に含まれるスタブ型アタッチメント３０をスキャナ４３に装着する前の状態を表わす図である。 走査型プローブ顕微鏡１において光軸調整を行う際のスキャナ４３の上部の縦断面図である。 撮影画像ＩＭＧの例を表わす図である。 実施形態のレーザ光の光軸調整手順を表わすフローチャートである。 画像処理部７２および光軸調整部７３のハードウエア構成の例を表わす図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
本出願の発明は、以下を検討した。

手動での光軸調整は難しいため、光軸調整を容易にするには、光軸調整を自動化することが考えられる。

光軸自動調整では、例えば、カンチレバーとレーザ光のビームのスポットを光学顕微鏡またはＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの撮影部で観察し、ビームのスポットがカンチレバーの背面に照射される様に、光学部品、レーザ光源、または、カンチレバーを自動で移動させることが考えられる。

しかしながら、光軸自動調整では、カンチレバーの下方に配置した試料の表面の反射率が低いと、撮影部に入射されるレーザの反射光量が少ないため、撮影部では、レーザスポットの位置を適切に検出することができない。そのため、光軸調整の際に、観察対象とは異なる反射率の高い試料またはミラーを配置する必要がある。光軸調整の際に、観察対象とは異なる反射率の高い試料またはミラーを配置する動作は手間がかかり、測定前の作業を煩雑にする。それゆえ、本出願の発明者は、光軸調整の際に、観察対象とは異なる反射率の高い試料またはミラーを配置することなく、光軸自動調整が可能な構成および方法について検討した。

図１は、実施形態の走査型プローブ顕微鏡１の構成を表わす図である。
実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、撮影部１０と、画像処理部７２と、光軸調整部７３と、光学系８０と、カンチレバー２と、測定部１４と、駆動機構４９と、スキャナ４３と、試料保持部４４と、駆動機構１１とを備える。

カンチレバー２は、表面の自由端部である先端に探針７を有する。試料Ｓは、探針７に対向して配置されている。探針７と試料Ｓとの間の原子間力（引力または斥力）によって、カンチレバー２が変位する。試料Ｓは、試料保持部４４上に載置される。

光学系８０は、測定時に、レーザ光をカンチレバー２の裏面に照射し、カンチレバー２の裏面で反射されたレーザ光を検出する。光学系８０は、カンチレバー２のたわみを検出することができる。光学系８０は、レーザ光源６０と、第１のミラーであるビームスプリッタ３と、第２のミラーである反射鏡４と、光検出器５とを備える。レーザ光源６０は、レーザ光を発射するレーザ発振器などによって構成される。光検出器５は、入射されるレーザ光を検出するフォトダイオードなどによって構成される。レーザ光源６０から発射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３で反射されて、カンチレバー２に入射される。レーザ光は、カンチレバー２で反射され、さらに反射鏡４によって反射されて、光検出器５に入射される。光検出器５がレーザ光を検出することによって、カンチレバー２の変位を測定することができる。

駆動機構１１は、レーザ光源６０の位置を変化させることによって、レーザ光の光軸を調整する。

測定部１４は、光学系８０で検出されるレーザ光の位置の変化によって得られるカンチレバー２の変位に基づいて、試料Ｓの特性を測定する。たとえば、測定部１４は、カンチレバー２の変位の時間変化から作用力（フォース）の時間変化を表わすフォースカーブなどを作成する。測定部１４は、スキャナ４３を駆動するための制御信号を駆動機構４９へ送る。

駆動機構４９は、スキャナ４３を駆動することによって、スキャナ４３に載置された試料Ｓと探針７との間の相対的な位置関係を変化させる。

撮影部１０は、レーザ光の光軸調整時に探針７の位置を含む範囲を撮影する。撮影部１０は、光学顕微鏡、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラなどによって構成される。

スキャナ４３は、駆動機構４９によって３次元方向に駆動される。スキャナ４３は、外部から印加される電圧によって変形するピエゾ素子によって構成される。

試料保持部４４は、試料Ｓを載置する。試料保持部４４は、スキャナ４３に取り付け可能に構成される。

画像処理部７２は、撮影部１０から出力される撮影画像に基づいて、レーザ光のスポットＳＰの位置およびカンチレバー２の先端ＴＰの位置を特定する。

光軸調整部７３は、画像処理部７２によって特定されたレーザ光のスポットＳＰの位置とカンチレバーの先端の位置とに基づいて、駆動機構１１を制御することによって、レーザ光源６０の位置を変化させることによって、光軸を調整する。

図２は、探針７、カンチレバー２およびホルダ１５を表わす図である。図２に示すように、探針７は、カンチレバー２の先端に取り付けられる。ホルダ１５は、カンチレバー２を支持する部材である。

図３は、走査型プローブ顕微鏡１において試料観察を行う際のスキャナ４３の上部および試料保持部４４の縦断面図である。図４は、試料保持部４４に含まれるスタブ型アタッチメント３０をスキャナ４３に装着する前の状態を表わす図である。図５は、走査型プローブ顕微鏡１において光軸調整を行う際のスキャナ４３の上部の縦断面図である。

スキャナ４３のピエゾチューブ５１１の上端面には、中央に円柱形状の嵌入穴２３を有する略ドーナツ形状の台座部２２が固着されている。台座部２２の周面には水平方向に固定ネジ２４が螺入されており、その固定ネジ２４を横方向から回すことができるように、スキャナハウジング５１０には切欠き１０１が形成されている。

試料保持部４４は、スタブ型アタッチメント３０と、試料台５２とを含む。
スタブ型アタッチメント３０は下方に凸部３１が形成されるとともに、上面には円盤状のミラー３３が形成されている。スタブ型アタッチメント３０は、内側には磁石３２が埋設されている。スタブ型アタッチメント３０は、アルミ製である。

台座部２２の嵌入穴２３にスタブ型アタッチメント３０の凸部３１が嵌挿される。固定ネジ２４を締め付けることによって、スタブ型アタッチメント３０を台座部２２に固定できる。

試料台５２には、試料Ｓを載せることができる。試料台５２は、金属製であり、円板状である。

試料の観察時には、ミラー３３の上側に試料台５２が載置される。スタブ型アタッチメント３０内の磁石３２の吸引力によって、試料台５２を固定することができる。ミラー３３と試料台５２の間には、隙間３８が形成されている。これによって、試料台５２によってミラー３３に傷がつくのを防止できる。

光軸調整時には、ミラー３３の上に試料台５２が載置されない。レーザ光が試料台５２によって遮らずに、ミラー３３に入射されて、反射されたレーザ光が試料台５２によって遮らずに、撮影部１０に入射される。

図６は、撮影画像ＩＭＧの例を表わす図である。
撮影画像ＩＭＧには、カンチレバー２の先端ＴＰと、レーザ光のビームのスポットＳＰが含まれる。レーザ光のビームのスポットＳＰの中心Ｏ１の画素の位置（ｘ１，ｙ１）とカンチレバー２の先端ＴＰの中心Ｏ２の画素の位置（ｘ２，ｙ２）とから、レーザ光のビームのスポットＳＰの中心Ｏ１が、カンチレバー２の先端ＴＰの中心Ｏ２と一致するために、レーザ光源６０の移動方向および移動量を特定することができる。

図７は、実施形態のレーザ光の光軸調整手順を表わすフローチャートである。この光軸調整は、たとえば、カンチレバー２の交換時、および試料Ｓの物性の測定前に実施される。

ステップＳ１０１において、スタブ型アタッチメント３０のミラー３３の上に試料台５２が載置されていない状態にする。

ステップＳ１０２において、レーザ光源６０は、レーザ光を放射する。
ステップＳ１０３において、撮影部１０がカンチレバー２の先端の含む範囲を撮影する。

ステップＳ１０４において、画像処理部７２は、撮影部１０から出力される撮影画像におけるレーザ光のスポットＳＰの中心Ｏ１の画素の位置（ｘ１，ｙ１）と、カンチレバー２の先端ＴＰの中心Ｏ２の画素の位置（ｘ２，ｙ２）とを特定する。

ステップＳ１０５において、光軸調整部７３は、（ｘ１，ｙ１）と（ｘ２，ｙ２）とに基づいて、レーザ光のスポットＳＰの中心Ｏ１の位置が、探針７が取り付けられているカンチレバー２の先端の中心Ｏ２の位置と一致するように、レーザ光源６０を移動させるために駆動機構１１を制御する制御信号を出力する。駆動機構１１は、制御信号に従って、レーザ光源６０の位置を変化させることによって、レーザ光の光軸を調整する。

以上のように、本実施の形態によれば、レーザ光の光軸調整時に、試料台５２が取り除かれることによって、レーザ光をミラー３３に入射させて、反射させる。これによって、撮影部で、レーザスポットを検出することができるため、レーザ光の光軸調整時に、観察対象とは異なる反射率の高い試料またはミラーを配置する手間を省くことができる。本実施の形態では、試料は、直接ミラーの上に載置されないので、ミラーを傷つけることを防止できる。試料台とミラーの間に隙間が形成されているので、ミラーが傷つくのをさらに防止できる。

（変形例）
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、たとえば、以下のような変形例も含む。

（１）試料台
上記の実施形態では、試料保持部が試料台を含み、試料台に試料を載置されるものとしたが、これに限定されるものではない。ミラーに傷がつかないように、ミラー面にコーティングを施すことによって、ミラー面に直接試料を載置するものとしてもよい。

（２）隙間
上記の実施形態では、ミラーと試料台の間に隙間が形成されるものとしたが、これに限定されるものではない。ミラーの上に直接試料台が載置されるものとしてもよい。

（３）光軸調整載置
レーザ光の光軸を調整するために、駆動機構１１が、レーザ光源６０の位置を変化させたが、これに限定されるものではない。別の駆動機構が、カンチレバー２を支持するホルダ１５の位置を変化させることによって、レーザ光の光軸を調整することとしてもよい。あるいは、別の駆動機構が、ビームスプリッタ３の位置を変化させることによって、レーザ光の光軸を調整することとしてもよい。

（４） 画像処理部および光軸調整部
図８は、画像処理部７２および光軸調整部７３のハードウエア構成の例を表わす図である。画像処理部７２および光軸調整部７３のハードウエアは、プロセッサ１１００と、プロセッサ１１００とバス１３００で接続されたメモリ１２００とを備える。

ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサ１１００がメモリ１２００に記憶されたプログラムを実行することにより、画像処理部７２および光軸調整部７３が実現される。また、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して上記構成要素の機能を実行するものとしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 走査型プローブ顕微鏡、２ カンチレバー、３ ビームスプリッタ、４ 反射鏡、５ 光検出器、７ 探針、１０ 撮影部、１１，４９ 駆動機構、１４ 測定部、１５ ホルダ、 ２２ 台座部、２３ 嵌入穴、２４ 固定ネジ、３０ スタブ型アタッチメント、３１ 凸部、３２ マグネット、３３ ミラー、３８ 隙間、４３ スキャナ、４４ 試料保持部、５２ 試料台、６０ レーザ光源、７２ 画像処理部、７３ 光軸調整部、８０ 光学系、１０１ 切欠き、５１０ スキャナハウジング、５１１ ピエゾチューブ、１１００ プロセッサ、１２００ メモリ、Ｓ 試料。

Claims (7)

1. 先端部に探針を有するカンチレバーと、
   測定時に、レーザ光を前記カンチレバーに照射し、前記カンチレバーで反射されたレーザ光を検出する光学系と、
   前記レーザ光の光軸調整時に前記カンチレバーの先端の位置を含む範囲を撮影するための撮影部と、
   前記撮影部で生成された画像から前記探針の先端の位置と、前記レーザ光のスポットの位置を検出する画像処理部と、
   前記検出した位置に基づいて、前記レーザ光の光軸を調整する光軸調整部と、
   試料を保持するための試料保持部とを備え、
   前記試料保持部は、
   ミラーを含む、走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記試料保持部は、前記ミラーの上側に載置可能な試料台を含む、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記ミラーと前記試料台との間に隙間が形成されている、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記試料台は、金属製であり、
   前記試料保持部は、さらに、
   前記ミラーの下に配置される磁石を有する、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. スキャナを備え、
   前記試料保持部は、前記スキャナに取り付け可能なアタッチメントと、前記試料台によって構成され、
   前記アタッチメントの上面に前記ミラーが形成され、前記アタッチメントの内部に前記磁石が埋設されている、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記スキャナには、円柱形状の嵌入穴が形成され、
   前記アタッチメントは、円板形状の上面と、円柱形状の突出部とを有し、
   前記突出部が、前記嵌入穴に嵌挿可能に構成される、請求項５記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 走査型プローブ顕微鏡の光軸調整方法であって、
   前記走査型プローブ顕微鏡は、
   先端部に探針を有するカンチレバーと、
   測定時に、レーザ光を前記カンチレバーに照射し、前記カンチレバーで反射されたレーザ光を検出する光学系と、
   試料を移動させるためのスキャナと、
   試料を保持するための試料保持部とを備え、
   前記試料保持部は、
   前記スキャナに取り付け可能であり、上面にミラーが形成され、内部に埋設された磁石とを含むアタッチメントと、
   前記ミラーの上に載置可能であり、金属製の試料台とを含み、
   前記ミラーの上に前記試料台が載置されない状態にするステップと、
   前記光学系が、レーザ光を照射するステップと、
   前記カンチレバーの先端の位置を含む範囲を撮影するステップと、
   前記撮影によって生成された画像から前記探針の先端の位置と、前記レーザ光のスポットの位置を検出するステップと、
   前記検出した位置に基づいて、前記レーザ光の光軸を調整するステップとを含む、走査型プローブ顕微鏡の光軸調整方法。

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