JP3184949U - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】スキャナの頂部に試料を搭載し、その上方から光学顕微鏡で観察する構成の走査型プローブ顕微鏡であっても、試料の透過照明を行いつつ光学顕微鏡による試料の観察が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】スキャナ１のアクチュエータを筒状ピエゾ素子１１とし、その頂部の試料搭載部位には、筒状ピエゾ素子の空洞に連通する開口（貫通孔）を設けるとともに、筒状ピエゾ素子１１の空洞内を非接触のもとに通ってその先端が試料ホルダ３の近傍に至り、かつ、その先端には照明用光の照射手段１０３を配置した構成とすることで、照明用光の照射手段１０３からの照明光を、試料ホルダ３等を介して試料の裏面側に照射し、光学顕微鏡による観察時の透過照明を実現する。
【選択図】図２

Description

本考案は走査型プローブ顕微鏡に関し、更に詳しくは、走査を試料側で行い、かつ、試料の上方に探針を配した走査型プローブ顕微鏡に関する。

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）をはじめとする走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）においては、試料表面に探針を対向させた状態で両者を試料表面に沿って相対的に移動させることによって走査し、各位置における試料と探針との間の相互作用を精密に検出して、試料表面の形状や物性等の表面情報を得る。

すなわち、原子間力顕微鏡においては、カンチレバーの自由端近傍に形成されている探針を試料表面に対向させるとともに、そのカンチレバーの変位（撓み）を光てこ式センサなどの変位検出手段で検出し、探針の試料表面への対向位置を走査しながら、変位検出手段による変位検出結果が一定となるように探針と試料表面との間の距離をフィードバック制御し、そのフィードバック量から試料表面の３次元形状などを観察する。

また、走査型トンネル顕微鏡においては、試料表面に近接して対向させた探針と試料との間に流れるトンネル電流を検出して、その電流値が一定となるように探針と試料表面との間の距離をフィードバック制御し、そのフィードバック量から試料表面の形状等を観察する。

以上のような走査型プローブ顕微鏡において、試料に対する探針の走査は、試料側を水平面に沿う２次元方向に微動させる構造のものが多く、加えて、試料と探針との接近／離隔方向への移動も、試料側を微動させる構造が採用されることが多い。すなわち、汎用の走査型プローブ顕微鏡では、試料を搭載する試料ホルダを頂部に装着して３次元方向に微動させるスキャナを備え、その上方に探針を設けた構成が多用されている。

このような汎用の走査型プローブ顕微鏡におけるスキャナとしては、筒状ピエゾ素子、例えばチューブ状のピエゾ素子をアクチュエータとして用いたもの、すなわち、筒状ピエゾ素子の内面と外面の適宜位置に電極を形成し、その電極間に電位差を付与することによって変位を生起させるものであって、水平面上の２軸方向（Ｘ，Ｙ方向）への微動領域と鉛直方向（Ｚ方向）への微動領域とを上下に設けることで、３次元方向への微動を実現したものが多用されている（例えば特許文献１，２参照）。

また、走査型プローブ顕微鏡においては、光学顕微鏡による試料の事前観察、および試料とカンチレバーとの位置関係を把握して分析対象位置の決定等を行うことが必須であり、そのために、汎用の走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー（探針）の更に上方に試料表面並びにカンチレバー等を観察するための光学顕微鏡を配置したもの、あるいは配置できるようにしたものが多い（例えば特許文献３参照）。光学顕微鏡による観察のための照明は、落射照明もしくは側射照明等の反射型の照明が用いられる。

なお、生体観察専用の走査型プローブ顕微鏡として、試料を保持する試料ホルダを試料保持面が下向きとなるように配置し、スキャナによって３次元方向に微動させるとともに、その試料ホルダの下方にカンチレバーを設け、そのカンチレバーの更に下方に倒立顕微鏡を設けた構造のものが知られている（例えば特許文献４参照）。この倒立顕微鏡を用いた生体観察専用の走査型プローブ顕微鏡の装置構成は大掛かりで、走査型プローブ顕微鏡としての性能は劣るのであるが、このタイプの走査型プローブ顕微鏡においても、倒立顕微鏡による観察のための照明は、試料ホルダを挟んで対物レンズと反対側にスキャナが存在しているため、対物レンズと同じ方向、つまり下面に試料を保持する試料ホルダの下方からの反射照明が採用されている。

特開２００５−２５７５０２号公報 特開２００５−２４１３９２号公報 特開２０００−３３８０２７号公報 特開２００５−２７４４６１号公報

ところで、走査型プローブ顕微鏡において、試料を光学顕微鏡で鮮明に明るく観察するためには、その観察部位に対して相応の照明を設ける必要があることは勿論であるが、従来の落射照明等の反射型の照明では、反射率の高い不透明試料については鮮明に観察することができるものの、生体試料やフィルム等では鮮明に観察できない場合がある。

このような透明試料に対しては透過照明による光学顕微鏡観察が望ましいのであるが、コンパクトで性能の良好な汎用の走査型プローブ顕微鏡においては、試料ホルダをスキャナの頂部に装着してその上に試料を搭載し、その更に上方に光学顕微鏡を配置している関係上、試料を下方から照らして上方から光学顕微鏡で観察することはできない。

本考案はこのような実情に鑑みてなされたもので、スキャナの頂部に試料を搭載し、その上方から光学顕微鏡で観察できるように構成された走査型プローブ顕微鏡であっても、試料の透過照明を行いつつ光学顕微鏡で試料を観察することのできる走査型プローブ顕微鏡の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本考案の走査型プローブ顕微鏡は、頂部に試料を搭載して試料走査のために少なくとも２次元方向に微動するスキャナの上方に、試料に対向する探針が配置されているとともに、その探針の更に上方に光学顕微鏡が配置された走査型プローブ顕微鏡において、上記スキャナのアクチュエータが、中心軸に沿った空洞を有してなる筒状ピエゾ素子であり、かつ、このスキャナの試料搭載部位には、上記筒状ピエゾ素子の空洞に連通する開口が形成されているとともに、基端部が装置の固定部位に固定され、上記筒状ピエゾ素子の空洞内を当該筒状ピエゾ素子に対して非接触のもとに通ってその先端部が上記試料搭載部位の近傍に至り、かつ、その先端部に照明用光の照射手段を有する支持部材を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本考案においては、上記スキャナの試料搭載部位には、ホルダ装着機構を介して試料ホルダが装着され、試料はその試料ホルダ上に搭載されるとともに、その試料ホルダおよびホルダ装着機構に、上記筒状ピエゾ素子の空洞に連通する貫通孔がそれぞれ形成されている構成（請求項２）を採用することができる。

また、本考案においては、上記照明用光の照射手段がＬＥＤランプであり、そのＬＥＤランプが上記支持部材の先端部に固定されている構成（請求項３）、あるいは、上記照明用光の照射手段が、別置された光源ランプの光を導く光ファイバであり、その光ファイバが上記支持部材の内側を通ってそのファイバ端が上記試料ホルダの近傍で開口している構成（請求項４）を採用することができる。

本考案は、汎用の走査型プローブ顕微鏡のスキャナのアクチュエータとして、中心軸に沿った空洞を有してなる筒状ピエゾ素子を使用可能であることを利用するとともに、その頂部の試料搭載部位に筒状ピエゾ素子の空洞に連通する開口を形成して、上記の空洞を介して照明光の照射を行うことで課題を解決しようとするものである。

すなわち、スキャナのアクチュエータに筒状ピエゾ素子を用い、その空洞内に非接触のもとに支持部材を挿入する。支持部材の基端部は装置（走査型プローブ顕微鏡本体）の適宜の固定部位に固定し、先端部をスキャナ頂部の試料搭載部位近傍にまで至らせ、その先端部に照明用光の照射手段を設ける。そして、スキャナの頂部の試料搭載部位には、筒状ピエゾ素子の空洞に連通する開口を形成する。この構成により、スキャナの頂部に搭載された試料を挟んでその上方に光学顕微鏡が、下方に照明用光の照射手段が位置し、その照明光が試料搭載部位に形成された開口を介して試料の下面に照射されることになり、スキャナ上に搭載された試料の透過照明が実現する。

本考案によれば、スキャナの頂部に試料ホルダを介して試料を搭載するとともに、その上方に探針を配置し、更にその上方に光学顕微鏡を設けた汎用の走査型プローブ顕微鏡において、光学顕微鏡による試料の観察時に透過照明を行うことができ、生体試料やフィルム等の透明試料を光学顕微鏡によって鮮明に観察することが可能となる。

しかも、筒状ピエゾ素子をスキャナのアクチュエータに用いた走査型プローブ顕微鏡にあっては、試料の搭載部位に開口を形成するとともに、支持部材の固定を工夫するだけで、既存のものを利用して簡単に透過照明機能を持つ走査型プローブ顕微鏡に改良することができるという利点もある。

本考案の実施形態の構成を示す模式図。 図１に示すスキャナの縦断面図。 図２に示すスキャナの頂部近傍の拡大図。 本考案の実施形態における透過照明ユニットの縦断面図。

以下、図面を参照しつつ本考案の実施の形態について説明する。
図１は本考案を原子間力顕微鏡に適用した実施の形態の構成を表す模式図である。

試料Ｗはスキャナ１の頂部にホルダ装着機構２を介して装着された試料ホルダ３上に保持される。スキャナ１は、試料ホルダ３上の試料Ｗをその表面に沿うＸ，Ｙ方向に微動させると同時に、その表面に直交するＺ方向に微動させることができる。

試料ホルダ３の上方には、先端（自由端）部に試料Ｗの表面に対向する探針４ａが設けられてなるカンチレバー４が配置されている。このカンチレバー４の変位（撓み）は、レーザダイオード５、ビームスプリッタ６、ミラー７およびフォトダイオード８からなる公知の光てこ式の変位検出機構により検出される。すなわち、レーザダイオード５から出力された光は、ビームスプリッタ６によりカンチレバー４の上面に導かれ、その反射光がミラー７を介してフォトダイオード８に入射する。このフォトダイオード８は、カンチレバー４のＺ方向への移動による反射光の移動方向に受光面が２分割されており、その各受光面への入射光量の変化からカンチレバー４のＺ方向への変位を求めることができる。

スキャナ１をＸ，Ｙ方向に微動させながら、各位置における変位検出結果が一定となるようにスキャナ１をＺ方向にフィードバック制御することにより、各位置でのフィードバック量から試料Ｗの凹凸などの表面情報が得られる。

カンチレバー４の上方には光学顕微鏡９が設けられており、この光学顕微鏡９によって、試料ホルダ３上の試料Ｗの事前観察や試料Ｗとカンチレバー４との位置調整等を行うことができる。この光学顕微鏡９による試料観察時の照明は、従来と同様に落射照明ないしは側射照明のための照明装置（図示せず）によって行われるほか、本実施形態の特徴として、試料Ｗが透明試料である場合には、必要に応じて透過照明を行うことができる。
以下にその透過照明のための構造について説明する。

図２はスキャナ１の縦断面図であり、図３はその頂部近傍の拡大図である。このスキャナ１は、筒状ピエゾ素子１１をアクチュエータとして備えており、その外周は所定の空隙を開けてスキャナカバー１２で覆われている。スキャナカバー１２の底部には内フランジ１２ａが固定されており、筒状ピエゾ素子１１はその下端面が内フランジ１２ａに対して固定されている。また、筒状ピエゾ素子１１の上端面には、ホルダ装着機構２を介して試料ホルダ３が装着されている。

ホルダ装着機構２は、筒状ピエゾ素子１１の上端面に固着された略円環状の試料ホルダ台座部２ａと、その試料ホルダ台座部２ａの孔に挿入されたスタブ型アタッチメント２ｂ、そのスタブ型アタッチメント２ｂに埋め込まれた永久磁石２ｃ、および、スタブ型アタッチメント２ｂ（例えば特開２００５−２４１３９２号に開示のもの）を試料ホルダ台座部２ａに対して固定する固定ねじ２ｄによって構成されている。試料ホルダ３は平板状の磁性体からなり、スタブ型アタッチメント２ｂの上面に載置されることにより、永久磁石２ｃによって吸引固定される。

以上のホルダ装着機構２の構造自体は公知であるが、本実施形態の特徴は、スタブ型アタッチメント２ｂ並びにそれに埋め込まれている永久磁石２ｃ、および試料ホルダ３のそれぞれに貫通孔ｈが形成されている点であり、これらの各貫通孔ｈは筒状ピエゾ素子１１の中心に存在する空洞に連通している。

そして、筒状ピエゾ素子１１の空洞内には、透過照明ユニットのランプ支持部材１００が筒状ピエゾ素子１１に対して非接触のもとに挿入されている。このランプ支持部材１００は、図４にその縦断面図を示すように、基端部にフランジ部１０２を備えるとともに、そのフランジ部１０２にロッド部１０１が一体に形成された形状を有し、フランジ部１０２がスキャナカバー１２の下端部の内フランジ１２ａ（図２参照）に固定され、ロッド部１０１が筒状ピエゾ素子１１の空洞内に挿入されており、その先端が筒状ピエゾ素子１１の上端部の試料ホルダ台座部２ａの近傍にまで至り、その先端にＬＥＤランプ１０３が取り付けられている。ＬＥＤランプ１０３は、ロッド部１０２内を通る配線１０４によってスイッチ付き電源１０５に接続されている。

なお、フランジ部１０２には、図示は省略するが、筒状ピエゾ素子１１の電極に接続される配線や、試料ホルダ台座部２ａに接続される試料接地用の既存の配線を通過させるための切欠き等が適宜の位置に設けられる。

以上の構成において、スイッチ付き電源１０５を操作してＬＥＤランプ１０３を点灯させると、その光はスタブ型アタッチメント２ｂ、永久磁石２ｃ、および試料ホルダ３に形成された貫通孔ｈを通って試料ホルダ３上の試料Ｗの裏面に照射される。したがって、透明試料の観察時には透過照明のもとに光学顕微鏡９による観察が可能となる。これにより、従来の反射光では観察が難しく、走査型プローブ顕微鏡の位置決めができなかった試料についても、簡単な操作によって正確な試料の事前観察とカンチレバーの位置決めとが可能となる。

また、以上の実施の形態においては、走査型プローブ顕微鏡本体は特に設計変更等を行うことなくそのまま用いて、図４に例示した透過照明ユニットをスキャナに取り付けるだけで試料の透過照明を実現しているので、既存の装置にも簡単に透過照明機能を付与することができる。

なお、以上の実施の形態においては、透過照明ユニットの光源としてＬＥＤランプを用いた例を示したが、これに代えて、別置した適宜の光源ランプからの光を、光ファイバで筒状ピエゾ素子１１の内部に導くようにしてもよい。この場合、上記した実施の形態と同等のランプ支持部材１００を用いてその内側に光ファイバを挿入して支持し、そのファイバ端を試料ホルダ台座部２ａの近傍に位置させるようにすればよい。

また、以上の実施の形態においては、スキャナの頂部に試料ホルダを介して試料を搭載した例を示したが、場合によってはスキャナの頂部に直接的に試料を搭載することもある。本考案はそのような装置構成のもとに走査型プローブ顕微鏡を使用する場合にも有効であり、要は、スキャナの試料搭載部位に、筒状ピエゾ素子の空洞に連通する開口が設けられていれば、上記した例と同等の作用効果を奏することができるものである。

また、本考案は上記の実施形態に示した原子間力顕微鏡のほか、走査型トンネル顕微鏡など、他の種類の走査型プローブ顕微鏡にも等しく適用し得ることは言うまでもない。

１ スキャナ
１１ 筒状ピエゾ素子
１２ スキャナカバー
１２ａ 内フランジ
２ ホルダ装着機構
２ａ 試料ホルダ台座部
２ｂ スタブ型アタッチメント
２ｃ 磁石
２ｄ 固定ねじ
３ 試料ホルダ
４ カンチレバー
４ａ 探針
５ レーザダイオード
６ ビームスプリッタ
７ ミラー
８ フォトダイオード
９ 光学顕微鏡
１００ ランプ支持部材
１０１ ロッド部
１０２ フランジ部
１０３ ＬＥＤランプ（照射手段）
１０４ 配線
１０５ スイッチ付き電源

Claims (4)

1. 頂部に試料を搭載して試料走査のために少なくとも２次元方向に微動するスキャナの上方に、試料に対向する探針が配置されているとともに、その探針の更に上方に光学顕微鏡が配置された走査型プローブ顕微鏡において、
   上記スキャナのアクチュエータが、中心軸に沿った空洞を有してなる筒状ピエゾ素子であり、かつ、このスキャナの試料搭載部位には、上記筒状ピエゾ素子の空洞に連通する開口が形成されているとともに、基端部が装置の固定部位に固定され、上記筒状ピエゾ素子の空洞内を当該筒状ピエゾ素子に対して非接触のもとに通ってその先端部が上記試料搭載部位の近傍に至り、かつ、その先端部に照明用光の照射手段を有する支持部材を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 上記スキャナの試料搭載部位には、ホルダ装着機構を介して試料ホルダが装着され、試料はその試料ホルダ上に搭載されるとともに、その試料ホルダおよびホルダ装着機構に、上記筒状ピエゾ素子の空洞に連通する貫通孔がそれぞれ形成されてい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. 上記照明用光の照射手段がＬＥＤランプであり、そのＬＥＤランプが上記支持部材の先端部に固定されている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. 上記照明用光の照射手段が、別置された光源ランプの光を導く光ファイバであり、その光ファイバが上記支持部材の内側を通ってそのファイバ端が上記試料ホルダの近傍で開口している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。

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