JP2024059249A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 対物レンズの開口数が比較的大きい場合であっても測定箇所を容易に決定可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 試料を走査するプローブと、前記プローブに対物レンズを介して励起光を照射する光源と、前記プローブで生じる蛍光を検出する検出器を備える走査型プローブ顕微鏡であって、前記対物レンズと前記試料との間に配置される反射部材と、前記反射部材の反射面を撮像する撮像装置をさらに備えることを特徴とする。
【選択図】図１

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は、微小な針形状のプローブで試料を走査することによって、試料の形状や物性値を画像化する装置である。

特許文献１には、窒素－空孔対を有するダイヤモンド(以下、ＮＶダイヤモンド)をプローブとし、当該プローブに励起光とマイクロ波を照射し、窒素－空孔対から放出される蛍光を収集する走査型プローブ顕微鏡が開示される。

特表２０１５-５２９３２８号公報

しかしながら特許文献１では、試料の中から測定箇所を容易に決定することに対する配慮がなされていない。多くの走査型プローブ顕微鏡では、比較的大きい開口数を有する対物レンズが使用されるため、対物レンズを介して得られる視野は狭く、測定箇所を決定するのに時間と手間を要する。

そこで本発明は、対物レンズの開口数が比較的大きい場合であっても測定箇所を容易に決定可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、試料を走査するプローブと、前記プローブに対物レンズを介して励起光を照射する光源と、前記プローブで生じる蛍光を検出する検出器を備える走査型プローブ顕微鏡であって、前記対物レンズと前記試料との間に配置される反射部材と、前記反射部材の反射面を撮像する反射面撮像装置をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、対物レンズの開口数が比較的大きい場合であっても測定箇所を容易に決定可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。

走査型プローブ顕微鏡の全体構成の一例を示す図である。 反射部材、反射面撮像装置、プローブ、マイクロ波アンテナの配置例を示す斜視図である。 プローブとマイクロ波アンテナの配置例を示す図である。 位置調整の手順の一例を示す図である。 試料の構造例を示す上面図である。 試料の構造例を示す断面図である。 反射面を低倍率で撮像した画像の一例を示す図である。 反射面を高倍率で撮像した画像の一例を示す図である。 試料を側方から低倍率で撮像した画像の一例を示す図である。 試料を側方から高倍率で撮像した画像の一例を示す図である。 反射部材の構造例を示す図である。 反射部材の構造例を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の実施例について説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。

図１は走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す図である。なお図１において、横方向をｘ軸、紙面に垂直な方向をｙ軸、縦方向をｚ軸とする。走査型プローブ顕微鏡は、試料ステージ７、プローブ３、光源１４、対物レンズ９、検出器１５、マイクロ波アンテナ６、反射部材２３、反射面撮像装置３４、コンピュータ２１を備える。以下、各部について説明する。

試料ステージ７は、試料１を保持するとともに、試料１の位置をｘｙｚ方向に制御する装置であり、例えばピエゾステージで構成される。試料ステージ７は、防振台８の上に配置される。

プローブ３は、試料ステージ７がｘｙｚ方向に移動することによって、試料１を走査する微小な針である。プローブ３は、発光点であるＮＶセンタ４を含むＮＶダイヤモンドやシリコンカーバイド等を有する。プローブ３はプローブ駆動部２の先端に固定され、プローブ駆動部２によって位置を制御されても良い。

光源１４は、プローブ３に励起光１８を照射する装置である。励起光１８は、例えば波長５３２ｎｍのレーザ光である。励起光１８が照射されるタイミングは光スイッチ１３の動作によって制御されても良い。

対物レンズ９は、プローブ３に含まれるＮＶセンタ４に励起光１８を集束させるレンズである。励起光１８は、対物レンズ９の光軸に沿ってＮＶセンタ４に照射される。対物レンズ９の位置は、例えばピエゾステージで構成される対物レンズ駆動部１０によって制御されても良い。

検出器１５は、プローブ３のＮＶセンタ４で生じる蛍光１９を検出する装置である。ＮＶセンタ４で生じた蛍光１９は、対物レンズ９と波長選別ミラー１７、波長選別フィルタ１６、レンズ２２、ピンホール３３を経由して検出器１５に達する。波長選別ミラー１７と波長選別フィルタ１６を経由することにより、例えば６００ｎｍ程度以上の蛍光１９のみが検出器１５に到達する。また径が数１０μｍ程度のピンホール３３とその前後に配置されるレンズ２２によって構成される共焦点光学系によって、ＮＶセンタ４の発光領域はｚ方向の１μｍ以下に限定される。

マイクロ波アンテナ６は、プローブ３にマイクロ波を照射するものであり、プローブ３から所定の距離、例えば５０μｍ以内に配置される。プローブ３に照射されるマイクロ波の波長を変えながら、蛍光１９を検出することにより、例えば磁場計測のもととなるゼーマン分裂に対応した光検出磁気共鳴(ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance)スペクトルが取得できる。マイクロ波アンテナ６はアンテナ駆動部５の先端に固定され、アンテナ駆動部５によって位置を制御されても良い。

反射部材２３は、試料１の上面を映す反射面２３Ａを有するものであり、対物レンズ９と試料１との間に配置される。反射部材２３は、対物レンズ９のワーキングディスタンス（Ｗ．Ｄ．）の中に納められるように構成される。例えばＷ．Ｄ．が４.５ｍｍである場合、直径２ｍｍのガラス管の先端を、ガラス管の中心軸に対して４５°で切断し、切断面に金属膜を形成することにより、金属膜を反射面２３Ａとする反射部材２３が構成される。なお、切断面と中心軸との角度は４５°に限定されない。また反射部材２３の位置や姿勢は、反射部材駆動部２４によって制御されても良い。

反射面撮像装置３４は、反射部材２３の反射面２３Ａを撮像する装置である。反射部材２３の反射面２３Ａに映る試料の１の上面を撮像した画像は、対物レンズ９を介するものではないので、比較的広い視野、例えば２ｍｍ角程度の視野を有する。そのため、反射面２３Ａを撮像した画像を利用することにより、試料１の中の測定箇所を容易に決めることができる。

また反射面撮像装置３４の位置や姿勢は、撮像装置駆動部２５によって制御されても良い。例えば、反射部材２３の側方に位置する反射面撮像装置３４を、撮像装置駆動部２５によってｚ方向に移動させて試料１の側方へ位置させることにより、試料１をｘ方向から撮像した画像を得ることができる。試料１を側方から撮像した画像も、対物レンズ９を介するものではないので、比較的広い視野を有する。

コンピュータ２１は、プログラムに従って各部の動作を制御するとともに、各種画像を生成・表示する装置である。

なお走査型プローブ顕微鏡は、試料１からの反射光を分離するフリップミラー１２と、分離された反射光を撮像する撮像装置２０を備えていても良い。撮像装置２０により得られる画像の視野は、対物レンズ９を介しているため比較的狭く、例えば２００μｍ角程度である。

図２を用いて、反射部材２３、反射面撮像装置３４、プローブ３、マイクロ波アンテナ６の配置例について説明する。反射部材２３、反射面撮像装置３４、プローブ３、マイクロ波アンテナ６の配置は、図１に例示されるような四者が同一平面に並ぶものに限定されない。図２には、反射部材２３の中心軸と反射面撮像装置３４の中心軸を含む面Ａと、プローブ３の中心軸とマイクロ波アンテナ６の中心軸を含む面Ｂとが交差する配置が例示される。なお面Ａと面Ｂとの交差角度は、９０°に近いことが好ましく、９０°が最良である。すなわち交差角度が９０°に近いほど、反射部材２３と反射面撮像装置３４の対とプローブ３とマイクロ波アンテナ６の対とを干渉させることなく反射部材２３を大きくすることができ、より広い視野で試料１の中の測定箇所を決めることができる。

また面Ａと面Ｂの少なくとも一方は対物レンズ９の光軸を含むことが好ましい。面Ａと面Ｂのいずれかに光軸が含まれることにより、測定箇所をより精度良く調整することができる。なお、面Ａと面Ｂがともに光軸を含む場合、面Ａと面Ｂの交差部は光軸と一致する。

図３を用いて、プローブ３とマイクロ波アンテナ６の配置例について説明する。プローブ３とマイクロ波アンテナ６の配置は、図１や図２に例示されるような対物レンズ９の光軸を介して両者が相対するものに限定されない。図３には、プローブ３とマイクロ波アンテナ６がｚ方向に並ぶ配置が例示される。なお図３では、プローブ３とマイクロ波アンテナ６は支持部材３６を介してプローブ駆動部２とアンテナ駆動部５にそれぞれ接続される。またプローブ駆動部２とアンテナ駆動部５は、光学定盤３２の上でｘｙ方向に稼働するベース板３５の上に積み重ねられる。このような構造により、プローブ３とマイクロ波アンテナ６との位置調整をやり直すことなく、試料１を付け替えることができる。すなわち、プローブ駆動部２とアンテナ駆動部５とによって位置調整されたプローブ３とマイクロ波アンテナ６は、ベース板３５の稼働によって試料１に対して位置調整される。

図４を用いて、図１の走査型プローブ顕微鏡におけるプローブ３、マイクロ波アンテナ６、試料１の位置調整の手順の一例についてステップ毎に説明する。

（Ｓ４０１）
プローブ３の位置が調整される。例えば検出器１５によって検出される蛍光１９に基づいて、プローブ３が対物レンズ９の光軸から所定の距離内に配置されるように、プローブ駆動部２がコンピュータ２１によって制御される。なお検出器１５によって蛍光１９を検出するとき、反射部材２３は対物レンズ９の光軸と重ならないように反射部材駆動部２４によって退避させられる。

（Ｓ４０２）
マイクロ波アンテナ６の位置が調整される。例えば反射面撮像装置３４によって得られる画像に基づいて、マイクロ波アンテナ６がプローブ３から所定の距離内に配置されるように、アンテナ駆動部５がコンピュータ２１によって制御される。Ｓ４０２では、反射部材駆動部２４によって反射部材２３が試料１と対物レンズ９との間に挿入される。

（Ｓ４０３）
図５Ａ及び図５Ｂに例示される試料１の位置の粗調整が実行される。図５Ａは試料パターン２７を有する試料１の上面図であり、図５Ｂは試料１の断面図である。

より具体的には、反射面撮像装置３４によって得られる図６Ａや図６Ｂに例示される撮像画像２８に基づいて、試料１の測定箇所が視野内に配置されるように、試料ステージ７がコンピュータ２１によって制御される。なお反射面撮像装置３４によって撮像するときには、反射部材駆動部２４によって反射部材２３が試料１と対物レンズ９との間に挿入される。図６Ａは反射部材２３の反射面２３Ａを低倍率で撮像した画像であり、２ｍｍ径程度の反射面２３Ａが映る反射面領域２９と反射面領域２９以外の領域が含まれる。低倍率で撮像された画像である図６Ａの撮像画像２８には、試料１やマイクロ波アンテナ６、プローブ３とともに、試料１の周囲に配置される給電パッド３０や給電線３１が映し出される。給電パッド３０と給電線３１は試料１に電流を供給するものであり、電流の供給により動作する試料１を観察するときに用いられる。図６Ｂは反射部材２３の反射面２３Ａを高倍率で撮像した画像であり、図６Ａの中央部が拡大された画像である。図６Ａの撮像画像２８のような比較的視野の広い画像を利用することにより、測定箇所の決定に要する時間と手間を低減できる。さらに図６Ｂの撮像画像２８のような比較的高倍率である画像を利用することにより、高い精度で試料１の位置を調整することができる。

なお図６Ａや図６Ｂの撮像画像２８とともに、図７Ａや図７Ｂに例示される撮像画像２８が試料１の位置調整に用いられても良い。図７Ａの撮像画像２８は、反射部材２３を介することなく、試料１を側方から撮像した画像であり、反射面撮像装置３４を対物レンズ９の光軸と平行に移動させてから撮像される。図７Ｂの撮像画像２８は、図７Ａよりも高倍率で撮像された画像である。図７Ａや図７Ｂの撮像画像２８を利用することにより、プローブ３及びマイクロ波アンテナ６と、試料１との距離を調整することができる。

（Ｓ４０４）
試料１の位置の微調整が実行される。例えば撮像装置２０によって得られる高倍率で高精細に撮像された画像に基づいて、測定箇所が視野の中心に配置されるように、試料ステージ７がコンピュータ２１によって制御される。撮像装置２０によって画像を得るとき、反射部材２３は対物レンズ９の光軸と重ならないように反射部材駆動部２４によって退避させられる。なおＳ４０４の微調整は、反射面撮像装置３４によって得られる画像に基づいて行われても良い。

図４を用いて説明した手順によって、プローブ３、マイクロ波アンテナ６、試料１の位置調整が完了する。特にＳ４０３において、反射面撮像装置３４によって反射部材２３の反射面の画像が利用されることにより、試料１の中から適切な測定箇所を容易に決定することができる。

実施例１では、ガラス管の先端を４５°の傾斜角で切断し、切断面に形成された反射面２３Ａを有する反射部材２３について説明した。実施例２では、反射面２３Ａとともに貫通穴２６を有する反射部材２３について説明する。なお、反射部材２３以外の構成は、実施例１と同じであるので説明を省略する。
図８Ａを用いて、貫通穴２６を有する反射部材２３の一例について説明する。図８Ａに例示される反射部材２３は、実施例１と同様に４５°の傾斜角を有する切断面に反射面２３Ａが形成されるとともに、対物レンズ９の光軸が通る貫通穴２６が反射面２３Ａの中央部に設けられる。

図８Ｂを用いて、貫通穴２６を有する反射部材２３の他の例について説明する。図８Ｂに例示される反射部材２３は、三角柱の側面に反射面２３Ａが形成されるとともに、反射面２３Ａの中央部に貫通穴２６が設けられる。図８Ｂの貫通穴２６も対物レンズ９の光軸が通るように設けられる。

図８Ａや図８Ｂのような貫通穴２６が設けられることにより、図４のＳ４０１やＳ４０４において、反射部材２３を退避させることなく検出器１５による検出や撮像装置２０による撮像が可能になる。その結果、プローブ３、マイクロ波アンテナ６、試料１の位置調整に要する手間が軽減される。

以上、本発明の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１：試料、２：プローブ駆動部、３：プローブ、４：ＮＶセンタ、５：アンテナ駆動部、６：マイクロ波アンテナ、７：試料ステージ、８：防振台、９：対物レンズ、１０：対物レンズ駆動部、１２：フリップミラー、１０：対物レンズ駆動部、１２：フリップミラー、１３：光スイッチ、１４：光源、１５：検出器、１６：波長選別フィルタ、１７：波長選別ミラー、１８：励起光、１９：蛍光、２０：撮像装置、２１：コンピュータ、２２：レンズ、２３：反射部材、２３Ａ：反射面、２４：反射部材駆動部、２５：撮像装置駆動部、２６：貫通穴、２７：試料パターン、２８：撮像画像、２９：反射面領域、３０：給電パッド、３１：給電線、３２：光学定盤、３３：ピンホール、３４：反射面撮像装置、３５：ベース板、３６：支持部材

Claims (8)

1. 試料を走査するプローブと、
   前記プローブに対物レンズを介して励起光を照射する光源と、
   前記プローブで生じる蛍光を検出する検出器を備える走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記対物レンズと前記試料との間に配置される反射部材と、
   前記反射部材の反射面を撮像する反射面撮像装置をさらに備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記プローブにマイクロ波を照射するマイクロ波アンテナをさらに備え、
   前記プローブの中心軸と前記マイクロ波アンテナの中心軸とを含む第一の面と、前記反射部材の中心軸と前記反射面撮像装置の中心軸とを含む第二の面とは交差することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記第一の面と前記第二の面の少なくとも一方は、前記対物レンズの光軸を含むことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. 請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記第一の面と前記第二の面との交差部は、前記光軸と一致することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
5. 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記反射部材は、前記対物レンズの光軸が通る貫通穴を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
6. 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記反射面撮像装置を前記対物レンズの光軸と平行に移動させる撮像装置駆動部をさらに備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
7. 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記プローブにマイクロ波を照射するマイクロ波アンテナと、
   前記マイクロ波アンテナの位置を制御するアンテナ駆動部と、
   前記プローブの位置を制御するプローブ駆動部をさらに備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
8. 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記プローブは、窒素－空孔対を有するダイヤモンドまたはシリコンカーバイドを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

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