JP3327041B2

JP3327041B2 - 原子間力顕微鏡

Info

Publication number: JP3327041B2
Application number: JP08362595A
Authority: JP
Inventors: 勝志中野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-04-10
Filing date: 1995-04-10
Publication date: 2002-09-24
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JPH08278316A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来の技術】近年、試料表面に探針を近づけて２次元
平面内で走査し、試料と探針との間に作用するトンネル
電流や原子間力などを検出することにより試料表面の微
細構造を観察する走査型プローブ顕微鏡の開発、改良が
盛んに行われている。図１１および図１２は、走査型プ
ローブ顕微鏡の一つである従来の原子間力顕微鏡の概念
構成図である。探針には、試料面上を走査するチップ１
０４とカンチレバー１０３とから構成されている。ま
た、表面を観察する試料１０７は、円筒型圧電駆動機構
の自由端側に配置される。この圧電駆動機構について
は、円筒状の圧電素子１００でできており、円筒型圧電
素子の内側に図示していないグランドの電極を持ち、外
側に４分割された電極１０２を持つ構成である。駆動方
法は、外側の対向する電極１０２に、グランドの電極に
対してそれぞれ正負反対の電圧を印加する。その結果、
円筒状の圧電素子１００は横方向にたわむことができ
る。この横方向に撓む現象を利用して、ＸあるいはＹ方
向の走査駆動が行われる。また、Ｚ方向の走査駆動は外
側の電極にそれぞれ同電圧のオフセットを印加する。円
筒状の圧電素子１００がＺ方向に伸縮変位することがで
きる。これらの動作を行うことにより３次元微動駆動が
実現されている。

【０００２】一般に、原子間力顕微鏡において用いられ
ている原子間力の検出方法は、光てこ法を用いて検出し
ている。この光てこ法の場合、光源１０５とカンチレバ
ー１０３の位置関係および光検出器１０６とカンチレバ
ー１０３の位置関係が相対的に不動でなければならな
い。従って、従来のカンチレバーと光てこ法を使った原
子間力顕微鏡における検出系は、固定されており、試料
側を走査することで試料表面の形状を観察していた。

【０００３】しかしながら、この試料駆動による走査方
法では、大面積の試料や質量の大きい試料の観察を行う
場合、走査が困難となる。よって、現在ではチップを有
するカンチレバー自体を走査して試料の表面を観察する
原子間力顕微鏡が要求されている。そのカンチレバーを
走査する原子間力顕微鏡の従来技術の一例として、カン
チレバーと光てこ法を用いた原子間力検出系を１つの構
造の中に組み込み、それら全体を走査することによっ
て、光源とカンチレバーの位置関係および光検出器とカ
ンチレバーの位置関係が相対的に保たれている方法であ
る（特開平６−８２２４９号に記載の技術）。

【０００４】一方、最近では、原子間力顕微鏡を光学顕
微鏡に搭載し、試料を同時観察することも行われてい
る。その方法として、対物レンズを包み込める大きさを
有した円筒状の圧電駆動素子を利用し、その一端を対物
レンズの鏡筒に固定する。また、他端には透明な板状の
部材を張り付け、その板状の部材にカンチレバーとチッ
ポを有した探針を固定する。この方法では、光学顕微鏡
で原子間力顕微鏡で走査している直上を観察するため
に、円筒型圧電駆動部材の内部に対物レンズを配置して
いる。（特開平２−２８１１０３号に記載の技術）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の光てこ法を利用
し、原子間力を検出するた原子間力顕微鏡では、大面積
の試料を測定しようとすると、その試料の質量により、
圧電駆動部材の共振周波数の低下を招き、観察が困難で
あった。また、従来の方法では、光てこ法による原子間
力の検出系全体を走査するため、必然的に走査する部材
が大きな質量を持つことになり、高速な走査は不可能で
あった。

【０００６】よって、本発明の目的は、原子間力検出用
の光が、探針走査時でも、常にカンチレバー上に照射す
ることができ、コンパクトで簡単な探針走査駆動装置を
有する原子間力顕微鏡を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、試料面に対し平行な平面において変位
可能な試料面走査用駆動部材と、その試料面走査用駆動
部材の一端に設けられ、先端が尖ったチップが受ける原
子間力に応じて撓み量が変化する片持ち梁と、その片持
ち梁に光を照射するための光源と、試料面走査用駆動部
材に設けられ、前記試料面走査用駆動部材の変位する端
からの距離が、前記試料面走査用駆動部材の変位する部
分の全長に対し２分の１となる位置に反射面を有した反
射部材と、複数に分割された受光面を有し、反射部材に
よって反射された片持ち梁からの反射光を前記受光面で
受光する受光部材とを備えることとした（請求項１記載
の発明）。

【０００８】更に、本発明では、反射部材については、
光源からの光を片持ち梁に照射し、かつ片持ち梁の反射
光を受光部材に照射することが好ましい（請求項２記載
の発明）。

【０００９】

【００１０】また、反射部材によって反射された前記光
源からの光を前記片持ち梁に照射し、かつ前記片持ち梁
からの反射光を反射部材に照射する照射部材を試料面走
査用駆動部材の一端に設けることが好ましい（請求項３
記載の発明）。

【００１１】また、本発明では、試料面走査用駆動部材
には、チューブ型圧電駆動部材からなることとした（請
求項４記載の発明）。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【作用】本発明によれば、光てこ法による原子間力の検
出は、カンチレバーの撓み量に応じ、反射光の光軸変化
を検出している。よって、この方法でカンチレバーの撓
み量を正確に検出するための必要条件は次の２点であ
る。カンチレバーへの入射光の光軸が変わらない。

【００１６】カンチレバーの撓み量が一定である場
合、反射光を受光する光検出器の受光位置が変わらな
い。本発明者は、この２点に着目し、各方向における駆動部
材が駆動することによって、カンチレバーとチップの構
成を有した探針が移動してもカンチレバーへの入射光の
光軸が変化せず、かつ、カンチレバーの撓み量が一定で
ある場合、反射光の光軸に対して、反射光を受光する光
検出器の受光位置が変わらない光学系を発明した。

【００１７】また、本発明では、カンチレバーの付近に
光学顕微鏡を配置出来るようにするため、光源と受光部
材とを駆動部材上に配置しない構成を採った。そこで、
本発明では、試料面と平行な平面において変位し探針を
試料面に対し平行に移動させることができる駆動部材上
に、光源からの光をカンチレバーに照射するための反射
部材を設けることによって、光源からの光の光軸が、常
に一定の関係を持つようにした。この関係を保つため、
駆動部材が変位したとしても、常にカンチレバーに照射
できる様にするため、駆動部材が変位する部分の中心
（駆動部材が変位する全長と、駆動部材の端から反射部
材までの距離との比が２：１となるような位置）に反射
面が有るようにした。この様にすることで、例え駆動部
材が変位しても、反射部材によって反射された光源から
の光軸は、カンチレバーが固定された端において、カン
チレバーに対する入射光軸は、常に一定になる。

【００１８】また、カンチレバーの撓み量の変化は、あ
まり大きくないので、カンチレバーによって反射された
反射光を試料面走査用駆動部材に取り付けられた反射部
材で反射させ、受光部材に照射するようにしても構わな
い。この様にすることで、光源と受光部材とを近くにま
とめて配置できる。（この部分を削除：ところで、光源
からの光の光軸とカンチレバーからの反射光の光軸とが
ほとんど平行であるので、光源と受光部材とを配置する
ことが出来ないという場合には、光源からの光とカンチ
レバーからの反射光とを分割する分割部材とを反射部材
と光源との間に配置することでこの問題を解消すること
が出来る。）

【００１９】

【００２０】また、反射部材によって反射された光源か
らの光をカンチレバーに直接照射出来ないような場合
は、カンチチレバーを固定した試料面走査用駆動部材の
一端に反射部材によって反射された光源からの光をカン
チレバーに照射する照射部材を設けることが好ましい。
この照射部材は、試料面走査用駆動部材の一端に固定さ
れているので、試料面走査用駆動部材が撓むなどして変
位しても、反射部材からの反射光の光軸に対しては常に
同じ角度の反射面を有することになる。よって、常にカ
ンチレバーに光源からの光を照射することが出来る。以
下に、実施例でもって、本発明を更に詳しく説明する
が、本発明はこれに限られるものではない。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明にかかる実施例１に係る原
子間力顕微鏡を示した構成斜視図である。この原子間力
顕微鏡には、駆動部材として、２枚の圧電体を貼り合わ
し、それぞれの圧電体の一番面の広い面とその面に対向
する面の両面に電極を設けたバイモルフ型圧電駆動部材
１を用いた。このバイモルフ型圧電駆動部材１は、その
一端を支持基板６に固定されている。このバイモルフ型
圧電駆動部材１は、それぞれの圧電体に同方向の電圧を
印加した場合には、それぞれの圧電体が試料１４の面と
平行な軸であるＸ軸に平行で同じ方向に伸縮する。

【００２４】また、それぞれの圧電体に異方向の電圧を
印加した場合には、一方の圧電体がＸ軸に平行に収縮
し、他方の圧電体がＸ軸に平行に伸長することで、バイ
モルフ型圧電駆動部材１自体が撓む。この様にして、他
端がＸ軸とは異なるＹ軸と平行な方向に振ることができ
る圧電駆動部材である。このバイモルフ型圧電駆動部材
１を用いて試料面と平行なＸＹ平面において探針を駆動
することを可能としている。

【００２５】更にこの原子間力顕微鏡には、バイモルフ
型圧電駆動部材１の全長に対する中間の位置に、第２の
反射部材１０を設けた。そして、バイモルフ型圧電駆動
部材１の他端には、Ｚ方向用圧電駆動部材２を設けた。
このＺ方向用圧電駆動部材２は、試料面と垂直な方向に
複数の圧電体を積層した構成を有している。このＺ方向
用圧電駆動部材２を伸縮させることによって、Ｚ軸と平
行な方向に駆動することが出来る。また、更にバイモル
フ型圧電駆動部材１の他端には、第３の反射部材を設け
た。

【００２６】また、Ｚ方向用圧電駆動部材２の試料面側
の他端には、カンチレバー３１とチップ３２とを有した
探針３とを固定している。ところで、支持基板４は、試
料１４と探針３との位置調整を行うためのマイクロメー
ター１３を３カ所に設けた。更に支持基板４には、レー
ザー光源５、コリーメートレンズ６、偏光ビームスプリ
ッター７、λ／４板８及び４分割ポジションセンサーフ
ォトダイオード１２とが設けられている。このレーザー
光源５は、カンチレバー３１の撓み量を検出するための
光源であり、実施例１では半導体レーザーを用いた。ま
た、４分割ポジションセンサーフォトダイオードは、受
光面を十字に分割して４つの受光面を有したフォトダイ
オードである。これは、カンチレバーの撓み量を検出す
るためのもので、カンチレバーの撓みの変化による受光
面上の光スポットの移動量を検出する。コリーメートレ
ンズ６については、焦点がカンチレバー３１上で結ぶ様
な光学系である。

【００２７】これらレーザー光源５、コリーメートレン
ズ６、偏光ビームスプリッター７、λ／４板８及び４分
割ポジションセンサーフォトダイオード１２は、それぞ
れ支持基板１７に位置調整できるよう固定されている。
また、実施例１での原子間力顕微鏡は、先に説明した第
２の反射部材１０及び第３の反射部材１１の他に第１の
反射部材９とを有している。第１の反射部材９は、バイ
モルフ型圧電駆動部材１の長手方向での中間の位置より
Ｚ方向用圧電駆動部材２側で、かつ、バイモルフ型圧電
駆動部材の直上の支持基板４に固定されている。

【００２８】これらの反射部材は、レーザー光源５から
の光をカンチレバー３１へ入射し、カンチレバー３１の
反射光を４分割ポジションセンサーフォトダイオード１
２へ入射させるためのものである。具体的には、レーザ
ー光源５からの光を第１の反射部材９により、第２の反
射部材１０へ反射させる。更に第２の反射部材１０に入
射した光は、第２の反射部材によって第３の反射部材１
１へ反射させる。また更に第３の反射部材に入射した光
は、カンチレバー３２へ入射する。カンチレバー３２か
らの反射光は、逆の経路を辿って、４分割ポジションセ
ンサーフォトダイオード１２に入射される。

【００２９】次に、実施例１における原子間力顕微鏡の
カンチレバーの撓み量測定について説明する。レーザー
光源５の光は偏光しているため、あらかじめ偏光面と偏
光ビームスプリッター７により反射される様に調整して
おくことにより、偏光ビームスプリッター７で反射す
る。その反射した光はλ／４板８により円偏光となる。
円偏光となった光は、第１の反射部材９、第２の反射部
材１０、第３の反射部材１１を反射してゆきカンチレバ
ー３１に入射する。カンチレバー３１に入射した光は、
カンチレバー３１の撓み量に応じて光軸が変わって反射
する。カンチレバー３１によって反射された光は、第３
の反射部材１１、第２の反射部材１０、第１の反射部材
９を経て再びλ／４板８に入射する。ここでカンチレバ
ー３１からの反射光は、レーザー光源５からの入射光に
対し、偏光面が直交した偏光面を持つことになる。そし
て、偏光ビームスプリッター７を透過して４分割ポジシ
ョンセンサーフォトダイオード１２に入射し、光スポッ
トが発生する。この時、光スポットの位置を４分割ポジ
ションセンサーフォトダイオード１２のそれぞれの受光
面から得られる電流をデーターとして取り上げて、カン
チレバー３１の撓み量を算出する。

【００３０】カンチレバー３１の撓み量の算出について
具体的に図４を用いて説明する。カンチレバー３１の撓
み量が変化すると、カンチレバー３１を反射したレーザ
ー光の光軸が変化する。この反射光の光軸の変化は、４
分割ポジションセンサー１２における光のスポットの位
置の変化として表れる。この光のスポットの位置の変化
は、４分割ポジションセンサーフォトダイオード１２の
それぞれの受光面から得られる電流の相違によって検出
される。それぞれ４つの受光面から得られる電流をＩ／
Ｖ変換機４１ａ、４１ｂで、それぞれの電流に対応する
電圧に変換する。Ｉ／Ｖ変換機で変換された電圧は、差
動増幅器４２に入力される。そこで、それぞれの電圧の
差を算出し、ＣＰＵ４３に入力する。ＣＰＵ４３では、
それぞれの電圧の差から、カンチレバー３１の撓み量の
変化を算出する。次に、ＣＰＵ４３では、カンチレバー
３１が一定の撓み量になるようＺ方向用圧電駆動部材２
を変位させるようピエゾ駆動回路４４へＺ方向用圧電駆
動部材２を変位させる信号を出力する。また、ピエゾ駆
動回路４４からそれぞれの圧電駆動部材の伸縮量は、Ｃ
ＰＵ４３に入力される。ＣＰＵ４３では、それぞれの圧
電駆動部材の伸縮量から、それぞれの試料面の位置にお
ける凹凸の大きさを算出し、そのデーターをメモリー４
５に出力する。そして、このメモリー４５から、一括し
て位置のデーターとその位置における凹凸の情報を表示
装置４６に出力する。そして、表示装置４６では、３次
元的に試料表面の像を表示する。

【００３１】ところで、バイモルフ型圧電駆動部材１を
駆動させた場合に各反射部材がどの様な働きをするかを
説明する。バイモルフ型圧電駆動部材１を撓ませること
によって駆動させ、探針３を移動させた時を説明する。
図２は、バイモルフ型圧電駆動部材１を動作させた時の
状態を模式的に表した図である。（ａ）はバイモルフ型
圧電駆動部材１を撓ませた時を模式的に表した図であ
る。（ｂ）はバイモルフ型圧電駆動部材１が撓んだとき
の曲率半径をＲ₁とし、その曲率半径Ｒ₁の中心をＯ₁
とし、第２の反射部材１０とその反射部材に入射される
光軸とその反射部材によって反射された光軸との関係を
示した図である。図２では、第２の反射部材１０の位置
をＭ₁とし、バイモルフ型圧電駆動部材１の支持基板４
に固定された固定端と第２の反射部材１０までの距離を
ｄ₁とし、バイモルフ型圧電駆動部材１の他端をＢ₁と
した。

【００３２】バイモルフ型圧電駆動部材１の曲率半径Ｒ
₁の時のＡ₁Ｏ₁Ｂ₁の角度を２θ₁とすると、このと
き、第２の反射部材１０の反射面の角度変化は、図２
（ｂ）で示されたＭ₁とＯ₁を結ぶ線とＡ₁とＯ₁を結
ぶ線との角度と同じになる。よって、第２の反射部材１
０は、θ₁傾くことになる。第２の反射部材１０がθ₁
傾くと第２の反射部材の入射光の光軸と反射光の光軸の
なす角度は、２θ₁となり、反射された光の光軸は、曲
率半径Ｒ₁で撓んでいるバイモルフ型圧電駆動部材１の
他端における接線と同じになる。

【００３３】つまり、バイモルフ型圧電駆動部材１の撓
みがどのくらいになっても第２の反射部材１０からの反
射光の光軸は、バイモルフ型圧電駆動部材１の他端にお
ける接線と平行になりバイモルフ型圧電駆動部材１が撓
んでも、第２の反射部材１０からの反射光は、バイモル
フ型圧伝駆動部材１の延長上に設けられた第３の反射部
材１１の同じところに入射することができるということ
である。

【００３４】ところで、バイモルフ型圧電駆動部材１を
長手方向（Ｘ軸と平行な方向）に駆動した場合は、第２
の反射部材からの反射光の光軸とバイモルフ型圧電駆動
部材１の軸とは、平行であるのでバイモルフ型圧電駆動
部材１に固定された第３の反射部材１１には、必ず第２
の反射部材からの反射光が照射される。ところで、第２
の反射部材１０と第３の反射部材１１だけでは、レーザ
ー光源５を支持基板４に固定してカンチレバー３１に光
を照射する事が出来ないので、実施例１では、更にバイ
モルフ型圧電駆動部材１の直上に設けた第１の反射部材
９を設けている。そこで実施例１では、この第１の反射
部材９を使い、光をＸ軸に対しほぼ平行になるように第
２の反射部材１０に入射させている。そのことについ
て、次に説明する。

【００３５】第２の反射部材１０が、バイモルフ型圧電
駆動部材１が撓むことによって、ＸＹ平面上においてθ
の角度変化したときの状態を模式的に図３に示した。図
３の（ａ）は、第２の反射部材の反射面の法線上から見
たときの模式図である。図３の（ｂ）は、ＸＹ平面の法
線上から見たときの模式図である。図３の（ｃ）は斜視
したときの模式図である。ところで、Ｏは第２の反射部
材の受光位置である。Ｏ’はＸＹ平面に対する法線上の
点であり、Ｏから発した法線上である。ＢＯはＸＹ平面
における入射光軸を示しており、ＤＯはＸＹ平面上にお
ける第２の反射部材の反射面からの法線を示している。
また、ＯＣは第２の反射部材によって反射された反射光
軸を示している。ＡＯは第１の反射部材９によって反射
された光が第２の反射部材１０に入射する光軸を示して
おり、ＥＦＯで形成される面は、第２の反射部材の反射
面に対して、垂直な面を示している。点Ｏ’、Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは、それぞれＯから等しい距離にある。
説明上ここでの説明では、これらの各点とＯからの距離
を１とする。

【００３６】バイモルフ型圧電駆動部材１が駆動したこ
とにより、第２の反射部材１０がθ角度変化したとき、
第２の反射部材１０の反射面の法線がＥＯからＦＯにな
る。これに従い、第２の反射部材１０を反射した反射光
の光軸が、ＢＯ方向からＯＣ方向になる。ところで、Ｏ
ＣとＤＯとが成す角度をθ’とすると、θ’はθより小
さくなる。その理由は図３（ａ）を用いて説明する。入
射する光の光軸ＡＯと第２の反射部材の反射面の法線Ｆ
Ｏのなす角度と、反射した光の光軸ＯＣと法線ＦＯとの
なす角度とは等しい。この入射光軸ＡＯと反射光軸ＯＣ
とをそれぞれＸＹ平面上に写影投射したときのそれぞれ
のＤＯに対する角度は異なってしまう。このことからθ
に比べθ’は小さくなる。

【００３７】次にθ’の角度をθで表してみる。ところ
で第１の反射部材９によって反射された光が、第２の反
射部材１０への入射する光軸とＸＹ平面との角度をα、
入射光軸と弧Ｏ’Ｂとの交点をＡとし、点Ａと軸ＯＯ’
との距離ｄとすると式（１）の様に表すことが出来る。ｄ＝ｃｏｓα ・・・（１）点ＡをＸＹ平面に写影投射し、そのときの線ＤＯと点
Ａ、及び線ＤＯと点Ｃとの距離をｈとすると、式（２）
の様に表すことが出来る。

【００３８】ｈ＝ｓｉｎθ’＝ｄ×ｓｉｎθ ・・・（２）次に式（１）を式（２）に代入すると式（３）の様にな
る。ｓｉｎθ’＝ｃｏｓα×ｓｉｎθ ・・・（３）ところで、バイモルフ型圧電駆動部材１の中点における
角度変化は、非常に小さいのでｓｉｎθ＝θ、ｓｉｎ
θ’＝θ’と置き換えると、 θ’＝θ×ｃｏｓα ・・・（４）となる。第１の反射部材９の位置と試料面からの距離
と、第２の反射部材１０の位置と試料面からの距離と
は、第１の反射部材９へ入射させる光軸を第２の反射部
材１０へ近づけることで近づけることが出来るので、α
を１０度程度とすることができる。ここでαを１０度と
代入すると、式（５）の様に表すことが出来る。

【００３９】θ’＝０．９８θ ・・・（５）この式（５）からわかるように第２の反射部材における
入射光軸と反射光軸のＸＹ平面への写影投射したときの
角度は、１．９７θとなりほぼ２θに近似した角度とな
る。よって、第１の反射部材９からの反射光を第２の反
射部材１０へ照射し、第２の反射部材１０からの反射光
を第３の反射部材１１へ照射するときに、バイモルフ型
圧電駆動部材１が撓んで変位した場合に、微妙な光軸の
ズレが起きるが、至って微小な誤差のためカンチレバー
の撓み量を検出には、影響が少ない。

【００４０】その影響を減らしたい場合には、光軸のズ
レはバイモルフ型圧電駆動部材１の撓み量に比例して、
光軸のズレの大きさが決まるため、ピエゾ駆動回路４４
からバイモルフ型圧電駆動部材１の撓み量に関する信号
をＣＰＵ４３に入力し、その信号をもとにしてＣＰＵ４
３でカンチレバーの撓み量に関するデーターに補正をす
ればよい。

【００４１】以上のとおり説明をした実施例１の原子間
力顕微鏡は、探針３の近傍には第３の反射部材１１しか
ないため、光学顕微鏡の対物レンズ５１を図５の様に配
置できる。この様にすることで、狭い範囲で微小な試料
表面を実施例１の原子間力顕微鏡で観察しながら、広範
囲を光学顕微鏡で同時に観察することができ、原子間力
顕微鏡で観察した対象を光学顕微鏡で見ながら、使用者
がすばやく原子間力顕微鏡の探針３を所定の位置に移動
させることが出来る。

【００４２】（実施例２）本発明に係る実施例２を図６
に示す。この原子間力顕微鏡は、実施例１のバイモルフ
型圧電駆動部材１及びＺ方向用圧電駆動部材２の代わり
にチューブ型圧電駆動部材６１を設けた。また、支持基
板４の代わりに支持基板６３、６４とを設けた。この支
持基板６３には、実施例１と同じレーザー光源５、コリ
ーメーターレンズ６、偏光ビームスプリッター７、λ／
４板８が設けられている。また、更にチューブ型圧電駆
動部材６１が固定されている。そして、レーザー光源５
からの光を第１の反射部材９に照射する第４の反射部材
６２を有している。この第４の反射部材６２は、レーザ
ー光源５からの光を第１の反射部材９に照射させるだけ
のものであるので、レーザー光源５からの光を直接、第
１の反射部材９に照射できるように配置すれば、設けな
くとも構わない。

【００４３】また、支持基板６４と支持基板６３とは、
脱着可能になっている。そのほか実施例１と同じ符号を
付した部材は、実施例１と同じ部材であるので説明を省
略する。ところで、このチューブ型圧電駆動部材６１
は、円筒上の圧電体に、内側全面に電極を設け、更に外
側に複数の電極を設けたものであり、内側に設けた電極
と外側に設けた電極とに電圧を印加し、内側に対して外
側に設けられたそれぞれの電極に任意の電圧を印加する
ことで任意の位置に探針３を移動させることが出来る。
試料面に対し平行に探針３を移動させる場合、このチュ
ーブ型圧電駆動部材６１をバイモルフ型圧電駆動部材１
と同様に撓みを生じさせて探針３を移動させるので、実
施例１と同じ方法でレーザー光源５からの光をカンチレ
バー３１に照射することが出来る。

【００４４】この実施例２では、レーザー光源５からの
光は、偏光ビームスプリッター７、λ／４板を経て、第
４の反射部材６２に反射されて、第１の反射部材９に入
射する。そこで、第１の反射部材９を反射した光は、チ
ューブ型圧電駆動部材６１が駆動すると反射面の角度が
変化する第２の反射部材１０に照射し、反射されてカン
チレバー３１に照射される。そして、カンチレバー３１
を反射した反射光は、再び第２の反射部材１０に到達し
て、第１の反射部材９へ反射される。そして、第１の反
射部材９、第４の反射部材６２、λ／４板８を経て、偏
光ビームスプリッター７を透過し４分割ポジションセン
サーフォトダイオード１２に到達する。このとき、カン
チレバー３１の撓み量が変化していれば、４分割ポジシ
ョンセンサーフォトダイオード１２上の光スポットの位
置が変化し、そのときの４分割ポジションセンサーフォ
トダイオード１２のそれぞれの受光面からの電流を検出
してカンチレバーの撓み量を検出することが出来る。こ
の様に実施例２で挙げたチューブ型圧電駆動部材６１よ
うな一つの圧電駆動部材で３次元的に駆動できる部材を
用いれば、第３の反射部材を設けることなくカンチレバ
ー３１に光源からの光を照射することが出来、かつ反射
光を４分割ポジションセンサーフォトダイオード１２ま
で導くことが出来る。（実施例３）次に本発明に係る実施例３の原子間力顕微
鏡について説明する。

【００４５】図７に示したものは、実施例３の原子間力
顕微鏡の斜視構成図である。実施例３では、実施例１で
のバイモルフ型圧電駆動部材１の代わりに一端が支持基
板４に固定されていて、試料面と平行な平面におけるＸ
方向に伸縮可能なＸ方向用圧電駆動部材７１と、両端に
ヒンジ７４ａ、７４ｂを設け、Ｘ方向とは垂直な方向で
試料面と平行に伸縮可能なＹ方向用圧電駆動部材７２と
を設けた。そして、ヒンジ７４ｂは、屈曲しないブロッ
ク部分を有している。このＸ方向用圧電駆動部材７１の
他端はヒンジ７４ｂのブロック部分に固定されていて、
Ｙ方向用圧電駆動部材７２が伸縮すると、Ｘ方向用圧電
駆動部材が撓む様になっている。また、Ｘ方向用圧電駆
動部材７１が伸縮したときは、ヒンジ７４ａ、ヒンジ７
４ｂが屈曲することで、Ｙ方向用圧電駆動部材７２は屈
曲しないようになっている。

【００４６】ところで、ヒンジ７４ｂのブロック部分に
は、試料面に対し垂直に伸縮することが出来るＺ方向用
圧電駆動部材７３を設けている。また、Ｚ方向用圧電駆
動部材７３の試料面側の一端には、探針３が設けられて
いる。これらＸ方向用圧電駆動部材７１とＹ方向用圧電
駆動部材７２とＺ方向用圧電駆動部材７３とで、探針３
を任意の位置に移動させることが出来る。

【００４７】そして、Ｘ方向用圧電駆動部材７１の長手
方向の中間位置には、第２の反射部材１０が設けられて
おり、また、第３の反射部材１１は、ヒンジ７４ｂのブ
ロック部分に設けられている。そして、第１の反射部材
９は、実施例１と同様なころに取り付けられている。と
ころで、レーザー光源５からカンチレバー３１に光が入
射する経路およびカンチレバー３１の反射光が４分割ポ
ジションセンサーフォトダイオード１２に反射光が入射
する経路は、実施例１と同じである。よってここでの説
明は省略する。また、実施例１と同一な符号を付された
部材は、実施例１と同じものなので説明を省略する。

【００４８】ところで、実施例３におけるＸ方向用圧電
駆動部材７１に発生する撓み方は、自由端に集中荷重す
る片持ち梁の撓み方である。よって、図８を参考にして
説明すると、片持ち梁の長さをｋ、自由端に作用する集
中荷重をＰ、自由端からの距離ｘにおける、梁の傾きを
νとすると式（６）として表される。

【００４９】

【数１】

【００５０】次に梁の自由端の傾きと梁の中心の傾きと
を比較するため、式（６）にｘ＝０とｘ＝１／２を代入
し、比率を算出すると、梁の自由端の傾き：梁の中心の
傾き＝４：３となる。このことから、Ｘ方向用圧電駆動
部材７１の中央に設けられた第２の反射部材の角度変化
が実施例１の第２の反射部材の起こす角度変化に比べて
大きくなることがわかる。そこで、式（４）から、第２
の反射部材に入射するＸＹ平面との角度αを調整するこ
とで第２の反射部材１０で反射される角度θ’を小さく
させる。実施例３でも、実施例１、２と同様に第２の反
射部材１６によって反射された光の角度を自由端の振れ
た角度の１／２にしなければならない。そのようにする
ため、第２の反射部材１０にによって反射される光の角
度θ’を（２／３）θにすればよいので、式（３）よ
り、α＝４８．２度の角度にすればよい。この様にし
て、第２の反射部材に入射する角度を４８．２度になる
ように第１の反射部材の位置および角度を調整すること
によって探針を走査中でも常にカンチレバーに光が照射
されるようになる。

【００５１】（実施例４）図９に示した図は、本発明に
係る実施例４の原子間力顕微鏡についての斜視構成図で
ある。実施例１で挙げられた符号と同じ符号のものは、
実施例１と同じものなので、ここでの説明は省略する。

【００５２】実施例４では、実施例１でのバイモルフ型
圧電駆動部材１の代わりに、Ｘ方向に複数の圧電体を積
層し、Ｘ方向にのみ伸縮可能なＸ方向用圧電駆動部材９
１と、Ｙ方向に複数の圧電体を積層し、Ｙ方向にのみ伸
縮可能なＹ方向用圧電駆動部材９２とを設けた。Ｘ方向
用圧電駆動部材９１は、一端がヒンジ９４ａを介して支
持基板４に固定されている。そして、Ｘ方向用圧電駆動
部材９１の他端には、ブロック９６が固定されている。
また、Ｙ方向用圧電駆動部材９２は、一端がヒンジ９４
ｂを介して支持基板４に固定されており、他端がヒンジ
９４ｃを介してブロック９６に固定されている。この様
にＸ方向用圧電駆動部材９１とＹ方向用圧電駆動部材９
２とはヒンジ９４ｃとブロック９６とを介して互いに直
角に取り付けられている。

【００５３】ところで、ヒンジ９４ａ、９４ｂ、９４ｃ
は、Ｘ方向とＹ方向とを含むＸＹ平面に対して屈曲可能
な部材であり、Ｘ方向用圧電駆動部材９１またはＹ方向
用圧電駆動部材９２が駆動して変位することで、これら
のヒンジ９４が屈曲する。よって、実施例４ではＸ方向
用圧電駆動部材９１及びＹ方向用圧電駆動部材９２が変
位しても、撓むことが無い。この様にすることでＸ方向
用圧電駆動部材９１及びＹ方向用圧電駆動部材９２に応
力が掛からなくなるため、各圧電駆動部材が割れるとい
った問題が解消されるようになった。

【００５４】ところで、ブロック９６には、支持体で支
持された反射面を有した第３の反射部材１１が固定され
ている。また、ブロック９６には、試料面に対して垂直
な方向に伸縮可能なＺ方向用圧電駆動部材９３が取り付
けられている。また、このＺ方向用圧電駆動部材９３の
試料面側の一端には探針３が設けられている。また、Ｘ
方向用圧電駆動部材９１には、レーザー光源５から発し
第１の反射部材９によって反射された光を第３の反射部
材１１へ反射するための部材である第２の反射部材９５
を設けている。この第２の反射部材９５は、ヒンジ９４
ａの屈曲する中心から第２の反射部材９５までの距離
と、第２の反射部材９５から第３の反射部材１１を経て
カンチレバー３１までの距離とが同じになる位置に反射
面を有するよう固定しており、この位置でレーザー光か
らの光を反射している。

【００５５】実施例４におけるカンチレバー撓み量の検
出方法は、実施例１と同じなので省略する。次に、Ｙ方
向用圧電駆動部材９２が駆動した場合、レーザー光源５
から発した光がカンチレバー３１に照射することについ
て説明する。図１０は、Ｙ方向用圧電駆動部材９２が駆
動して変位したとき、Ｘ方向用圧電駆動部材９１がヒン
ジ９４ａを中心に傾いた角度を表した図である。

【００５６】まず、Ｙ方向用圧電駆動部材９２が駆動し
ていないときは、第２の反射部材９５への入射光の光軸
と反射光の光軸は一緒である。次にＹ方向用駆動部材９
２が駆動したときは、第２の反射部材への入射光の光軸
と反射光の光軸は異なる。この様子を図１０（ａ）に示
す。次に図１０（ｂ）では、Ｘ方向用圧電駆動部材９１
が傾いたときの軸をＯ₂Ｂ₂で表せる。ところで、Ｏ₂は
ヒンジ９４ａの屈曲する中心である。また、Ａ₂は、Ｙ
方向用圧電駆動部材９２が駆動したときの第２の反射部
材９５がレーザー光源からの光を受光する位置である。
Ｂ₂は、Ｙ方向用圧電駆動部材９２が駆動した場合の第
２の反射部材９５から第３の反射部材１１までの距離
と、第３の反射部材１１からカンチレバー３１までの距
離を合わせた距離を直線的に示した場合の位置である。
Ｃ₂は、Ｙ方向用圧電駆動部材９２が変位していないと
きに、第２の反射部材９５がレーザー光源５からの光を
受光する位置である。Ｌ₂は、ヒンジ９４ａの屈曲する
中心Ｏ₂からＣ₂までの距離である。

【００５７】Ｙ方向用圧電駆動部材９２が駆動したとき
に、Ｘ方向用圧電駆動部材９１は、Ｏ₂を中心にθ₂傾
くとする。この時の第２の反射部材９５の反射面は、入
射した光軸に対してＡ₂Ｃ₂の線と同じ傾きを持つ。第２
の反射部材９５もθ₂傾くことになる。この時の第２の
反射部材９５への入射光と反射光の光軸の関係は、２θ
₂となる。よって、第２の反射部材９５によって反射さ
れた光は、Ｂ₂に到達する。その証明は、次の通りであ
る。

【００５８】三角形Ｏ₂Ａ₂Ｃ₂と三角形Ｂ₂Ａ₂Ｃ₂とに
着眼して、角Ｏ₂Ｃ₂Ａ₂と角Ｂ₂Ｃ₂Ａ₂はそれぞれ同じであ
り、かつ直角である。Ｏ₂Ｃ₂との距離とＣ₂Ｂ₂との距離同じである。また、三角形Ｏ₂Ａ₂Ｃ₂のＡ₂Ｃ₂と三角形Ｂ₂Ａ₂Ｃ
₂のＡ₂Ｃ₂とは、共通である。

【００５９】以上の、、から、三角形Ｏ₂Ａ₂Ｃ₂
と三角形Ｂ₂Ａ₂Ｃ₂は合同である。そして、三角形Ｏ₂
Ａ₂Ｃ₂と三角形Ｂ₂Ａ₂Ｃ₂は線Ａ₂Ｃ₂に対し線対称で
ある。ここで、レーザー光が第２の反射部材９５の反射
面Ａ₂Ｃ₂により反射されなければ、レーザー光はＯ₂に
達する。そのＯ₂に達するレーザー光が、反射面Ａ₂Ｃ₂
により反射されたなら、Ｏ₂の線Ａ₂Ｃ₂に対し線対称な
点Ｂ₂に反射されるのである。よって、Ｙ方向用圧電駆
動部材９２の変位量がどのくらいでも、第３の反射部材
１１に第２の反射部材９５からの反射光を照射すること
が出来る。

【００６０】ところで、Ｘ方向用圧電駆動部材９１を駆
動した場合については、駆動量が圧電駆動部材９１に比
べ十分に小さいので、第２の反射部材９５は、常にヒン
ジ９４ａの屈曲する中心からカンチレバー３１までの距
離のほぼ中央に位置するため、レーザー光源からの光を
カンチレバー３１に照射することができる。ところで、
実施例４においても、実施例１と同様に第１の反射部材
９から第２の反射部材９５へレーザー光源５からの光を
反射する際、図１０に示すようにＸ方向用圧電駆動部材
９１の伸縮方向に必ずしも平行に入射しない。しかしな
がら、実施例１で図３で用いて説明したとおり、Ｘ方向
用圧電駆動部材９１の軸とは、ほとんど誤差の範囲内で
入射するので問題ない。しかし、この誤差が問題になる
ような場合は、実施例１と同様な方法で誤差を修正でき
る。

【００６１】ところで、以上に挙げた実施例について、
第３の反射部材から反射された光の光軸をカンチレバー
の反射面に対して垂直になるよう、第３の反射部材の反
射面を取り付ければ、カンチレバー３１が撓んで変化す
る４分割ポジションセンサーフォトダイオード１２上の
反射光の変化が大きくなり、測定検出感度が高く取れる
ことが出来る。

【００６２】ところで、この様に以上に挙げた実施例
１、３、４における原子間力顕微鏡は、圧電駆動部材に
よって支持する原子間力を検出するための部材が、２つ
の反射部材だけであるので、走査する質量を比較的小さ
くすることができ、探針３をＸ方向及びＹ方向のどちら
の方向に対して、高速に走査することが出来る。また、
走査させる質量が小さくなったため、共振周波数を高く
することが出来る。この様に共振周波数を高く出来るこ
とで、振動に対する影響が少なくなり、探針３を走査し
ても分解能を高くすることが出来る。

【００６３】また、カンチレバー３１へ入射する光およ
びカンチレバー３１から反射された光は、同じ経路を辿
るため、λ／４板８や偏光ビームスプリッター７を第１
の反射部材９とレーザー光源５との間に挿入すること
で、レーザー光源５と４分割ポジションセンサーフォト
ダイオード１２とを近くに配置することができら。よっ
て、以上に挙げた実施例における原子間力顕微鏡は、従
来のものに比べコンパンクトになった。

【００６４】また、以上に挙げた実施例における原子間
力顕微鏡では、探針３の上にレーザー光源や４分割ポジ
ションセンサーフォトダイオードを設けていないため、
光学顕微鏡の対物レンズを探針の直上、直下及び真横に
配置することが出来る。従来の原子間力顕微鏡と比較し
て、以上に挙げた実施例では、探針上にレーザー光源や
４分割ポジションセンサーフォトダイオードを配置する
ことを避けることが出来るため、薄型に出来る。よっ
て、光学顕微鏡にこの原子間力顕微鏡を搭載する際に
は、光学顕微鏡の設計変更や改造が不要であり、既存の
光学顕微鏡の機能を最大限に活用しながら、原子間力顕
微鏡との同時観察を行うことを可能とした。また、原子
間力顕微鏡を狭い範囲内で観察し、同時に広い範囲内を
光学顕微鏡で観察することができるため、顕微鏡として
の利用価値が格段に向上することができる。

【００６５】ところで、以上に挙げた実施例での第１の
反射部材、第２の反射部材および第３の反射部材は、鏡
でもまたはプリズムでも良い。レーザー光の光軸を変え
られるものであればいっこうに構わない。また、カンチ
レバーからの反射光が十分強いものであれば、λ／４板
と偏光ビームスプリッターの変わりに、ハーフミラーを
用いることでも構わない。

【００６６】

【発明の効果】本発明では、試料面と平行な平面におい
て変位可能な試料面走査用駆動部材に反射部材を設け、
その設ける位置を試料面走査用駆動部材の変位する部分
の全長に対し、反射部材から試料面走査用駆動部材の変
位する端からの距離が２分の１となる位置に固定するこ
とで、片持ち梁の直上または直下に光源や受光部材を設
けずに片持ち梁の変位量を検出することが出来、かつ、
非常にコンパクトな原子間力顕微鏡が得られるようにな
った。

【００６７】更に、従来の原子間力顕微鏡に比べ、空間
スペースが少ない割には、カンチレバーから受光部材ま
での光路の長さが長いので、その長さに比例して、受光
部材における光スポットの位置の変化量も大きくなるよ
って、カンチレバーの撓み量の検出感度も非常に良くな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】：本発明に係る実施例１の原子間力顕微鏡の斜
視構成図である。

【図２】：実施例１におけるバイモルフ型圧電駆動部材
が変位したときの圧電駆動部材の様子と第２の反射部材
によって反射された光の光軸との関係を示した図であ
る。

【図３】：実施例１における第１の反射部材からの反射
光が第２の反射部材に入射し、そして反射されたときの
光の光軸を示した図である。

【図４】：実施例１におけるカンチレバーの撓み量を算
出する構成を示したブロック図である。

【図５】：実施例１における原子間力顕微鏡に光学顕微
鏡の対物レンズを設けたときの図である。

【図６】：本発明に係る実施例２の原子間力顕微鏡の斜
視構成図である。

【図７】：本発明に係る実施例３の原子間力顕微鏡の斜
視構成図である。

【図８】：実施例３のＸ方向用圧電駆動部材７１に発生
する撓み方の説明図である。

【図９】：本発明に係る実施例４の原子間力顕微鏡の斜
視構成図である。

【図１０】：実施例４についてのＹ方向用圧電駆動部材
が変位したときの圧電駆動部材の様子と第２の反射部材
によって反射された光の光軸との関係を示した図であ
る。

【図１１】：従来の原子間力顕微鏡の構成図である。

【図１２】：従来の原子間力顕微鏡の構成図である。

【符号の説明】

１バイモルフ型圧電駆動部材２Ｚ方向用圧電駆動部材３探針３１カンチレバー３２チップ４、６３、６４支持基板５レーザー光源６コリーメートレンズ７偏光ビームスプリッター８ λ／４板９第１の反射部材１０第２の反射部材１１第３の反射部材１２４分割ポジションセンサーフォトダイオード１３マイクロメーター１４試料５１対物レンズ６１チューブ型圧電駆動部材６２第４の反射部材７１、９１Ｘ方向用圧電駆動部材７２、９２Ｙ方向用圧電駆動部材７３、９３Ｚ方向用圧電駆動部材７４、９４ヒンジ９５第２の反射部材９６ブロック１００円筒状の圧電体１０２電極１０３カンチレバー１０４チップ１０５光源１０６光検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 11/30 102 G01B 21/30 H01J 37/28 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料面に対し平行な平面において変位可
能な試料面走査用駆動部材と、前記試料面走査用駆動部材の一端に設けられ、先端が尖
ったチップが受ける原子間力に応じて撓み量が変化する
片持ち梁と、前記片持ち梁に光を照射するための光源と、前記試料面走査用駆動部材に設けられ、前記試料面走査
用駆動部材の変位する端からの距離が、前記試料面走査
用駆動部材の変位する部分の全長に対し、２分の１とな
る位置に反射面を有した反射部材と、複数に分割された受光面を有し、前記反射部材によって
反射された前記片持ち梁からの反射光を前記受光面で受
光する受光部材とを備えたことを特徴とする原子間力顕
微鏡。
【請求項２】前記反射部材は、前記光源からの光を前
記片持ち梁に照射し、かつ前記片持ち梁の反射光を前記
受光部材に照射することを特徴とする請求項１記載の原
子間力顕微鏡。
【請求項３】前記反射部材によって反射された前記光
源からの光を前記片持ち梁に照射し、かつ、前記片持ち
梁からの反射光を前記反射部材に照射する照射部材を前
記試料面走査用駆動部材の一端に設けたことを特徴とす
る請求項１又は２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４】前記試料面走査用駆動部材は、チューブ
型圧電駆動部材からなることを特徴とする請求項１に記
載の原子間力顕微鏡。