JP3830662B2 - Optical axis adjustment mechanism of scanning probe microscope - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査型プローブ顕微鏡の光軸調整機構に関し、特に、例えば原子間力顕微鏡のごとき光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡において、レーザ光源から光検出器までの光軸調整の自動化を可能にする光軸調整機構に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5〜図8を参照して走査型プローブ顕微鏡での従来の光軸調整の仕方を説明する。図示された走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡であるとする。また光軸調整とは、原子間力顕微鏡の光てこ式光学検出系においてレーザ光源からのレーザ光が適切にカンチレバーの背面で反射して光検出器に入射するように設定することをいう。従来の光軸調整は、操作者の手動操作によって行われていた。図5はカンチレバーおよび光てこ式光学検出系を備える原子間力顕微鏡の要部の構成を概略的に示している。
【0003】
測定対象である試料101に対して、先端に探針102を有するカンチレバー103が配置されている。104はカンチレバーホルダの一部である。探針102と試料101の表面との距離は両者の間に原子間力が作用する程度の距離である。試料表面の凹凸形状の測定では探針102が試料表面に沿って移動することが必要であり、そのため探針と試料表面との距離は制御機構によって一定の距離に保持される。探針と試料表面の距離の変化はカンチレバー103のたわみ変形による変位によって検出される。カンチレバー103のたわみ変形による変位を検出する機構として光てこ式光学検出系が設けられる。光てこ式光学検出系は、レーザ光源105とミラー106,107と4分割光検出器108とから構成される。光てこ式光学検出系の光軸調整が完了し測定が行われる際には、レーザ光源105から出射されたレーザ光109はミラー106で反射され、カンチレバー103の背面に導かれ、カンチレバー背面で反射されたレーザ光109はさらにミラー107で反射され、4分割光検出器108の受光面に導かれる。カンチレバー103の変位は、4分割光検出器108上のレーザ光109の照射スポットの位置変化として検出される。またカンチレバー103の上方位置にはTVカメラ110を備えた光学顕微鏡111が配置され、光学顕微鏡111によってカンチレバー103の背面が観察される。なお4分割光検出器108から出力された検出信号は制御装置に送られ、当該検出信号によって表示装置にレーザ光の受光位置を表示することができる。光学顕微鏡111で観察された像はTVカメラ110により映像信号として制御装置に送られ、表示装置に表示される。図5で制御装置と表示装置の図示は説明の簡便化のため省略されている。
【0004】
上記構成においてミラー106,107には手動で操作される位置調整機構が設けられる。光軸調整は、測定を行う操作者がミラー106,107の位置調整機構を操作することにより行われる。従来の光軸調整は下記の2つのステップから成っていた。
【0005】
光軸調整の第1のステップは、カンチレバー103の背面の反射表面にレーザ光109の照射スポットを当てることである。カンチレバー103上のスポット位置の確認は、光学顕微鏡111で得られる像に基づいて行われる。その例を図6に示す。図6はカンチレバー103とその周辺部を光学顕微鏡111によって上方から見た像である。第1のステップでは、最終的にレーザ光109の照射スポットをカンチレバー103の背面に当てる。この操作は光学顕微鏡111による像を見ながらミラー106の位置調整機構を手動操作にすることにより行われる。112はカンチレバー103の背面に当てられたレーザ光の照射スポットを示している。カンチレバー103の背面に照射スポットを当てる前の段階では、レーザ光の照射スポットはカンチレバーホルダ104の上面に当てるようにすることが好ましい。113はカンチレバーホルダ104の上面に当てられた照射スポットを示している。このようにする理由は、カンチレバー103は空中に浮いているので、照射スポットがカンチレバー103の背面から外れていると、スポット位置を確認することが困難であるからである。このためスポット位置を確認しやすいカンチレバーホルダ104の上面に当てる。第1のステップの操作では、レーザ光の照射スポットを位置113から位置112に矢印114のように移動させることになる。図7は第1のステップでのレーザ光109の移動(矢印115)を示した側面図である
【0006】
光軸調整の第2のステップは、カンチレバー103の背面で反射されたレーザ光109に基づく照射スポットを4分割光検出器108の受光面の中心に当てることである。4分割光検出器108上のスポット位置の確認は、その検出信号に基づいて行われる。4分割光検出器における照射スポットの調整を図解したものが図8である。図8は4分割光検出器108の受光面およびその周辺領域におけるスポットの移動状態▲1▼〜▲4▼を示している。第2のステップでは、最終的にレーザ光109の照射スポット116を4分割光検出器108の受光面の中心位置に当てる。この操作はミラー107の位置調整機構を手動操作することにより行われる。
【0007】
ミラー107の位置調整機構を操作してレーザ光109を4分割光検出器108に導くとき、照射スポットが4分割光検出器108の受光面の一部に当たっていれば、受光面の中心に照射スポットを導くことは容易である。図8において▲2▼に示される状態である。すなわち4分割光検出器108では、その受光面を4つの部分a,b,c,dに分け、それらの検出信号をSa〜Sdとし、4分割光検出器108の全出力信号Ss、垂直変位成分Sv、水平変位成分Shは、それぞれ、Ss=Sa+Sb+Sc+Sd、Sv={(Sa+Sb)−(Sc+Sd)}/Ss、Sh={(Sa+Sc)−(Sb+Sd)}/Ssとして得られるので、Ssが最大になり、さらにSvとShが最小になるようにミラー107を調整すればよい。SvとShが共に0になればレーザ光109の照射スポット116は受光面の中心位置に設定されたことになる。
【0008】
一方、カンチレバー103は同じ規格のカンチレバーであっても表面のコーティング条件等の特性に応じてレーザ光の反射方向が大きくばらつき、レーザ光の照射スポットが4分割光検出器108から大きく離れた位置に当たることもある。この状態を図8の▲1▼に示す。116は照射スポットの位置である。この状態のときには、Ssは0であり、4分割光検出器108から出力される検出信号から何の情報も得られないので、スポット位置が完全に不明である。前述のように、第2のステップではミラー107を操作してSsの信号を得るようにするのであるが、現在どの位置にあるのかが分からないので、最初にどの方向に移動させるべきかが不明である。従来、現実的には、Ssを監視しながら照射スポット116を適当に大きく動かし、Ssの出力が出た段階で止めるようにしていた。このような状態は図8の▲2▼に対応するので、前述した通り、スポットを中心位置へ移動するように調整することができる。
【0009】
以上のごとく第1のステップと第2のステップを実行することにより、光てこ式光学検出系に関する光軸調整が完了した。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
光てこ式光学検出系における従来の光軸調整は、操作者の手動で行われており、第1ステップでカンチレバーに照射スポットを合わせるときに人の目が不可欠であり、第2ステップの初期段階で試行錯誤が必要な場合も生じるので、光軸調整を全自動化することが困難であった。カンチレバーにレーザ光の照射スポットを合わせることは画像処理等で対応することも可能であるが、装置の規模が大きくなる。また測定時に常に同じ形状のカンチレバーが使用されるとは限らないので、従来では、熟練の観察操作者が光学顕微鏡を覗きながら光軸調整を行うのが一般的であった。
【0011】
また4分割光検出器108から出力される検出信号を利用して光軸調整作業の自動化が図れないか、ということも考えられる。しかしながら、カンチレバーから反射されたレーザ光が4分割光検出器108の受光面から遠く離れ、当該受光面に当たらない状態が発生するため、実際には困難である。
【0012】
さらに第2ステップで試行錯誤する工程を自動化することも可能であるが、この場合、効率的に工程を自動化するためにはカンチレバーで反射されたレーザ光のスポットが比較的に4分割光検出器の受光面の近傍に存在することが必要である。
【0013】
本発明の目的は、上記課題を解決することにあり、光てこ式光学検出系の走査型プローブ顕微鏡において光てこ式光学検出系の光軸調整作業を自動化し、経験の少ない観察者にも容易に測定操作できる走査型プローブ顕微鏡の光軸調整機構を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の光軸調整機構は、上記目的を達成するため、次の通り構成される。
第1の光軸調整機構(請求項1に対応)は、試料に対向するように配置される探針を備えたカンチレバーと、レーザ光源からレーザ光を第1反射器でカンチレバーへ導いて照射させ、カンチレバーから反射されたレーザ光を第2反射器で光検出器へ導いて入射するように構成された光てこ式光学検出系とを備える走査型プローブ顕微鏡に適用されるものであり、第1反射器の反射方向を変える第1調整部と、第2反射器の反射方向を変える第2調整部と、カンチレバーに光軸調整用振動を与える加振部と、光検出器から出力される検出信号に基づいて第1調整部と第2調整部の動作を制御する制御手段とから構成される。かかる構成によって、加振部でカンチレバーに光軸調整用振動を生じさせることにより光検出器の受光面と重なるレーザ光拡大照射領域を形成し、制御手段は光検出器の検出信号に基づき第1調整部と第2調整部の動作を制御して光てこ式光学検出系の光軸調整を自動的に行う。
上記の構成では、レーザ光を光検出器に入射させるに当たって、カンチレバーに光軸調整用振動を生じさせることにより、レーザ光をカンチレバーの背面に照射させたときには、光検出器の受光面の周辺で、レーザ光の照射スポットではなく、拡大照射領域を形成させ、これにより容易、迅速、かつ確実に光検出器でレーザ光を検出できるようにする。その結果、制御手段では、光検出器から出力される検出信号を監視することによって、光てこ式光学検出系の光軸調整を自動的に行うことが可能になる。
第2の光軸調整機構(請求項2に対応)は、上記第1の構成において、加振部は上下振動用圧電素子とねじれ振動用圧電素子からなり、光軸調整用振動は上下振動用圧電素子による上下振動とねじれ振動用圧電素子によるねじれ振動が合成されて形成されることを特徴とする。上下振動とねじれ振動を合成すると、これによって作られる拡大照射領域は矩形の形状に形成され、広い面積の照射領域を作ることができる。
第3の光軸調整機構(請求項3に対応)は、上記の各構成において、最初に第1調整部の動作が制御されて第1反射器の反射方向が設定され、次に第2調整部の動作が制御されてレーザ光の照射スポットが光受光面の中心に位置するように第2反射器の反射方向が設定されることを特徴とする。光軸調整は、第1反射器の反射方向と第2反射器の反射方向を個別に調整するように構成される。
第4の光軸調整機構(請求項4に対応)は、上記第3の構成において、第2調整部の動作が制御される際に、加振部による光軸調整用振動が次第に低減され、レーザ光拡大照射領域が照射スポットに変えられることを特徴とする。この構成によれば、レーザ光による照射領域が通常の照射スポットになったとしても、光検出器の出力信号において必ず和信号を得ることが可能となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0016】
図1〜図4を参照して本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の光軸調整機構を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は一例として原子間力顕微鏡である。図1はカンチレバーと光てこ式光学検出系を備えた一般的な原子間力顕微鏡の要部の構成を示している。
【0017】
図1で中央の下方に支持フレーム11が配置され、支持フレーム11には試料12を載せ置くためのXYZスキャナ13が設けられている。図示された例では試料12は水平に配置され、その上面が観察すべき面となっている。試料12はXYZスキャナ13によって水平方向(XY方向)および垂直方向(Z方向)に移動される。XYZスキャナ13のそばには支柱14が設けられ、支柱14の上部には、加振用圧電部15を介してカンチレバー16が取り付けられている。カンチレバー16の先部は試料12に向かっており、先端に微小な探針17が取り付けられている。探針17の先端は試料12の表面に対して極めて微小な距離にて接近した状態にある。18は各種の演算処理を行う演算制御装置であり、例えばコンピュータで構成されている。
【0018】
なお実際の装置としては、カンチレバー16や加圧用振動素子15の大きさは極めて微細のものである。しかしながら、図1では図解の便宜を考慮して誇張し大きく描かれている。
【0019】
加振用圧電部15とカンチレバー16の部分の拡大図を図2に示す。加振用圧電部15は支柱14の先端に固定されている。加振用圧電部15は3つの要素15a,15b,15cからなっている。15aは上下振動用圧電素子、15b,15cはねじれ振動用圧電素子である。上下振動用圧電素子15aによってカンチレバー16は矢印19のごとく上下動し、ねじれ振動用圧電素子15b,15cによってカンチレバー16に矢印20のごとくねじれが生じる。上下振動用圧電素子15aは第1発振器21から与えられる交流信号で駆動され、ねじれ振動用圧電素子15b,15cは第2発振器22から与えられる各々逆位相の交流信号で駆動される。第1発振器21と第2発振器22の発振動作(出力される交流信号の電圧、周波数、位相)は上記演算制御装置18からの制御信号に基づいて制御される。カンチレバー16の基端は加振用圧電部15の下面に固定される。以上の構成において、測定時には探針17が試料12の表面に接近させられ、探針と試料との間で原子間力が作用する状態に保持される。
【0020】
カンチレバー16の先端の探針17で試料12の表面を走査して試料表面の凹凸形状を測定するとき、探針17と試料表面の間の間隔が一定に保持されるようにカンチレバー16の位置が制御される。カンチレバーの位置制御は、XYZスキャナ13で試料12の位置を変化させ、カンチレバー16と試料12の相対的位置関係を変化させることにより行われる。XYZスキャナ13の動作も演算制御装置18の制御により行われる。
【0021】
カンチレバー16の上方には光学検出系が設けられている。光学検出系とカンチレバーの組合せでカンチレバーの変位を検出する光てこ式光学検出系が構成される。光てこ式光学検出系は、カンチレバー16の背面にレーザ光を照射することにより、カンチレバー16のたわみ変形による変位を検出する機構である。光てこ式光学検出系は、レーザ光源23と、第1ミラー24と、第2ミラー25と、4分割光検出器26とから構成される。第1ミラー24と第2ミラー25の各々は、ミラーの反射方向を変えるためのあおり機構27,28を備えている。あおり機構27によって第1ミラー24の取付け角が変更され、あおり機構28によって第2ミラー25の取付け角が変更される。レーザ光源23から出射されたレーザ光29は第1ミラー24で反射され、カンチレバー16の背面に導かれる。カンチレバー16の背面で反射されたレーザ光29は第2ミラー25で反射され、4分割光検出器26の受光面の方向に導かれる。光てこ式光学検出系において測定のための光軸調整が完了した状態では、レーザ光源23からのレーザ光は第1ミラー24で反射されてカンチレバー16の背面に入射され、さらにカンチレバー16の背面で反射されたレーザ光は第2ミラー25で反射されて4分割光検出器26に入射された状態に維持される。本実施形態による原子間力顕微鏡の光てこ式光学検出系における光軸調整は自動的に行われる。
【0022】
上記あおり機構27,28はそれぞれ演算制御装置18から与えられる制御信号を入力し、この制御信号によってあおり機構の動作が制御される。あおり機構の動作は光軸調整を行うときに制御され、それによって第1ミラー24と第2ミラー25の取付け角が適切に調整される。また4分割光検出器26から出力される検出信号(前述のSa,Sb,Sc,Sd)は演算制御装置18に入力される。演算制御装置18内には光軸調整を自動的に行うための機能部(光軸調整部)が内蔵される。光軸調整部は、4分割光検出器26の検出信号を監視しながら、あおり機構27,28の動作を制御して第1ミラー24と第2ミラー25の取付け角を適切な角度に設定し、光軸調整を行う。
【0023】
本実施形態による自動の光軸調整では、上記光軸調整部が、4分割光検出器26から出力される検出信号を監視しながら、第1発振器21と第2発振器22を動作させ、カンチレバー16を上下振動とねじれ振動で複合的に振動させる。カンチレバー16に複合振動を起こすと、カンチレバー16の背面にレーザ光の照射スポットが形成された場合、当該複合振動が起きていないときに比較して、入射したレーザ光がカンチレバー背面で煽られ、カンチレバー背面で反射したレーザ光がその先でさらに拡大した照射領域となる。この状態を図2に示す。入射されたレーザ光29は、上下振動19とねじれ振動20によって、カンチレバー16の背面で反射した後に拡大照射領域30を形成する。当該拡大照射領域30は、上下振動とねじれ振動によって本来の照射スポット(図8で示した従来の通常の照射スポット116)が高速に移動することにより作られるものであるから、必然的に四角の領域として形成される。
【0024】
次に図3と図4を参照して光軸調整を自動的に行う方法を説明する。光軸調整は例えばカンチレバーの交換のときに行われる。原子間力顕微鏡においてカンチレバーは消耗品であり、頻繁に交換されるので、カンチレバーを交換したときには光軸調整が行われる。カンチレバー16を加振用圧電部15に取り付けた段階で、カンチレバー16の背面にレーザ光29が入射し照射スポットを形成されている保証はない。そこで光軸の自動調整が行われる。
【0025】
光軸の自動調整では、レーザ光源23からレーザ光を出力させた状態で、最初にあおり機構27を動作させて第1ミラー24の取付け角度を変更し、カンチレバー16の先部の近傍でレーザ光29を走査させる。レーザ光29の走査動作では、好ましくはカンチレバー16の長手方向に対して走査方向が実質的に直交するように移動させ、かつ当該長手方向に少しずつ移動させる。図3において31はレーザ光29の移動軌跡を示す。なお図3で示された移動軌跡31は誇張して描かれており、実際には図示されたほど大きく変化させることはない。一方、カンチレバー16では、前述の通り加振用圧電部15の上下振動用圧電素子15aとねじれ振動用圧電素子15b,15cによって上下振動とねじれ振動を生じさせている。カンチレバー16でかかる振動が発生しているときに、図3に示すごとき走査動作を行うレーザ光29がカンチレバー16の一部を横切ると、図2で説明した通り面積が広い拡大照射領域30が作られる。
【0026】
拡大照射領域30が作られる段階では、第2ミラー25のあおり機構28は特別に調整されておらず、第2ミラー25は例えば標準的な取付け角度で設定されている。しかし、作られた拡大照射領域30は面積が広いため、4分割光検出器26の受光面にレーザ光29が当たる可能性は極めて高い。従って4分割光検出器26の検出信号を監視しながら、あおり機構28の動作を制御して図3に示すごとくレーザ光29を走査すれば、第1ミラー24の取付け角がいかなるときに、レーザ光29がカンチレバー16の背面に照射され照射スポットが形成されているかを判定することができる。
【0027】
上記の状態を図4の表で説明する。図4に示した表では、カンチレバー16にレーザ光29の照射スポットが当たっている場合と、当たっていない場合に関して、従来方式と本発明とを比較して図解している。従来方式では、直径が約3mmの円形受光面を有する4分割光検出器26に対して直径が約1mmのレーザ光の照射スポット116が照射されるため、4分割光検出器26で照射スポット116を検出することは極めて難しい。これに対して、本発明の光軸調整の仕方では、4分割光検出器26の受光面に対して前述の拡大照射領域30が作られる。拡大照射領域30は照射スポット116に比較して相当に大きな面積を有しており、その結果、拡大照射領域30の一部が4分割光検出器26の受光面に重なる可能性が極めて高い。このように、本発明の光軸調整では、第1ミラー24の取付け角を調整するとき、カンチレバー16を加振用圧電部15で所定の振動状態に保持しているため、4分割光検出器26の受光面に対して広い面積の拡大照射領域30が形成され、4分割光検出器26で確実にレーザ光29を捕らえることができる。従って4分割光検出器26の出力信号を監視することによって、レーザ光29がカンチレバー16の背面で照射スポットを形成したか否かを判定することができる。レーザ光29の照射スポットがカンチレバー背面に形成された状態で第1ミラー24の取付け角が固定される。
【0028】
次の段階ではあおり機構28の動作を制御して第2ミラー25の調整を行う。第2ミラー25の取付け角の調整は、4分割光検出器26の4つの部分a〜dの各出力信号の和(Ss)が最大になるように、あおり機構28で第2ミラー25の取付け角を変更し、4分割光検出器26の受光面上の拡大照射領域30の位置を調整する。このようにして比較的大まかに光軸調整を自動的に行うことができる。
【0029】
最終的には、加振用圧電部15によるカンチレバー16の振動状態を終了した状態で、本来のレーザ光の照射スポットを4分割光検出器26の中心に位置するように第2ミラー25を調整する。ただしカンチレバー16の振動状態を急に止めると、照射スポットが小さくなりすぎて、上記和信号を得られない場合がある。そこで、第1発振器21と第2発振器22の出力信号を徐々に小さくしながら和信号を確実に取得し、得られた和信号が最大となるように第2ミラー25を調整する。カンチレバー16の振動状態が終了したとき、すなわち第1発振器21と第2発振器22の出力が0になったときには、4分割光検出器26上のレーザ光29の照射スポットは図8の▲3▼の状態にある。その後は、4分割光検出器26から出力された検出信号に基づいて垂直変位成分Svと水平変位成分Shが最小になるように第2ミラー25の調整を行う。第2ミラー25の取付け角の調整は、演算制御装置18の制御信号であおり機構28の動作を制御することにより行われる。
【0030】
以上の工程で明らかなように光てこ式光学検出系の光軸調整は演算制御装置18の制御によって自動的に行われる。
【0031】
上記実施形態では原子間力顕微鏡について説明したが、これに限定されず、光てこ式光学検出系を備える走査型プローブ顕微鏡に本発明による光軸調整機構を適用できる。拡大照射領域30は、カンチレバー16に対し上下振動とねじれ振動が合成されてなる振動を与えることによって形成されたが、広い面積を有する拡大照射領域を4分割光検出器26の周囲に形成できるのであれば、任意の光軸調整用の振動を与えることができる。
【0032】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡において、光検出器の近くに形成されるレーザ光の照射領域が拡大されるようにカンチレバーに光軸調整用振動を与えるように構成したため、従来では経験のある測定操作者によって行われていた光軸調整を、光検出器から出力される検出信号を監視することによって自動的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光軸調整機構を備えた走査型プローブ顕微鏡の概略的な構成図である。
【図2】カンチレバーと加振用圧電部の拡大斜視図である。
【図3】第1ミラーの取付け角を変化させてレーザ光を走査させる状態を示す斜視図である。
【図4】カンチレバーの背面にレーザ光の照射スポットを当てるときの従来方式と本願発明の方式とを比較する解説図である。
【図5】従来の光軸調整を説明するための概略側面図である。
【図6】カンチレバー部分の拡大平面図である。
【図7】カンチレバー部分の拡大側面図である。
【図8】4分割光検出器の受光面でスポット位置を中心に移動させる制御状態を示す図である。
【符号の説明】
11 支持フレーム
12 試料
13 XYZスキャナ
15 加振用圧電部
15a 上下振動用圧電素子
15b,15c ねじれ振動用圧電素子
16 カンチレバー
17 探針
18 演算制御装置
21 第1発振器
22 第2発振器
23 レーザ光源
24 第1ミラー
25 第2ミラー
26 4分割光検出器
27,28 あおり機構
29 レーザ光
30 拡大照射領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical axis adjustment mechanism of a scanning probe microscope, and in particular, in an optical axis adjustment mechanism from a laser light source to a photodetector in a scanning probe microscope having an optical lever type optical detection system such as an atomic force microscope. The present invention relates to an optical axis adjustment mechanism that enables automation.
[0002]
[Prior art]
A conventional method for adjusting the optical axis in a scanning probe microscope will be described with reference to FIGS. It is assumed that the illustrated scanning probe microscope is an atomic force microscope. The optical axis adjustment means that the laser beam from the laser light source is appropriately reflected on the back surface of the cantilever and is incident on the photodetector in the optical lever optical detection system of the atomic force microscope. Conventional optical axis adjustment has been performed manually by an operator. FIG. 5 schematically shows a configuration of a main part of an atomic force microscope including a cantilever and an optical lever type optical detection system.
[0003]
A cantilever 103 having a probe 102 at the tip is arranged with respect to the sample 101 to be measured. Reference numeral 104 denotes a part of the cantilever holder. The distance between the probe 102 and the surface of the sample 101 is such a distance that an atomic force acts between them. The measurement of the concavo-convex shape on the sample surface requires the probe 102 to move along the sample surface, and therefore the distance between the probe and the sample surface is held at a constant distance by the control mechanism. The change in the distance between the probe and the sample surface is detected by the displacement due to the bending deformation of the cantilever 103. An optical lever type optical detection system is provided as a mechanism for detecting a displacement due to the bending deformation of the cantilever 103. The optical lever type optical detection system includes a laser light source 105, mirrors 106 and 107, and a quadrant photodetector 108. When the optical axis adjustment of the optical lever type optical detection system is completed and measurement is performed, the laser beam 109 emitted from the laser light source 105 is reflected by the mirror 106, guided to the back surface of the cantilever 103, and reflected by the back surface of the cantilever 103. The laser beam 109 is further reflected by the mirror 107 and guided to the light receiving surface of the quadrant photodetector 108. The displacement of the cantilever 103 is detected as a change in the position of the irradiation spot of the laser beam 109 on the quadrant photodetector 108. An optical microscope 111 having a TV camera 110 is disposed above the cantilever 103, and the back surface of the cantilever 103 is observed by the optical microscope 111. The detection signal output from the quadrant photodetector 108 is sent to the control device, and the light receiving position of the laser beam can be displayed on the display device by the detection signal. The image observed with the optical microscope 111 is sent to the control device as a video signal by the TV camera 110 and displayed on the display device. In FIG. 5, illustration of the control device and the display device is omitted for the sake of simplicity of explanation.
[0004]
In the above configuration, the mirrors 106 and 107 are provided with a position adjusting mechanism that is manually operated. The optical axis adjustment is performed by the operator who performs measurement operating the position adjustment mechanism of the mirrors 106 and 107. Conventional optical axis adjustment consists of the following two steps.
[0005]
The first step of adjusting the optical axis is to apply an irradiation spot of the laser beam 109 to the reflective surface on the back surface of the cantilever 103. Confirmation of the spot position on the cantilever 103 is performed based on an image obtained by the optical microscope 111. An example is shown in FIG. FIG. 6 is an image of the cantilever 103 and its periphery viewed from above with the optical microscope 111. In the first step, the irradiation spot of the laser beam 109 is finally applied to the back surface of the cantilever 103. This operation is performed by manually operating the position adjustment mechanism of the mirror 106 while viewing the image by the optical microscope 111. Reference numeral 112 denotes a laser beam irradiation spot applied to the back surface of the cantilever 103. In a stage before the irradiation spot is applied to the back surface of the cantilever 103, it is preferable that the irradiation spot of the laser beam is applied to the upper surface of the cantilever holder 104. Reference numeral 113 denotes an irradiation spot applied to the upper surface of the cantilever holder 104. The reason for this is that the cantilever 103 is floating in the air, so that it is difficult to confirm the spot position if the irradiation spot is off the back surface of the cantilever 103. Therefore, the spot position is applied to the upper surface of the cantilever holder 104 where it is easy to confirm. In the operation of the first step, the laser beam irradiation spot is moved from the position 113 to the position 112 as indicated by the arrow 114. FIG. 7 is a side view showing the movement (arrow 115) of the laser beam 109 in the first step.
[0006]
The second step of adjusting the optical axis is to apply an irradiation spot based on the laser beam 109 reflected by the back surface of the cantilever 103 to the center of the light receiving surface of the quadrant photodetector 108. Confirmation of the spot position on the quadrant photodetector 108 is performed based on the detection signal. FIG. 8 illustrates the adjustment of the irradiation spot in the quadrant photodetector. FIG. 8 shows spot movement states {circle around (1)} to {circle around (4)} on the light receiving surface of the quadrant photodetector 108 and its peripheral region. In the second step, the irradiation spot 116 of the laser beam 109 is finally applied to the center position of the light receiving surface of the quadrant photodetector 108. This operation is performed by manually operating the position adjustment mechanism of the mirror 107.
[0007]
When the laser beam 109 is guided to the quadrant photodetector 108 by operating the position adjustment mechanism of the mirror 107, if the irradiation spot hits a part of the light receiving surface of the quadrant photodetector 108, the irradiation spot is centered on the light receiving surface. It is easy to guide. This is the state indicated by (2) in FIG. That is, in the quadrant photodetector 108, the light receiving surface is divided into four parts a, b, c, and d, and their detection signals are Sa to Sd, the total output signal Ss of the quadrant photodetector 108, and the vertical displacement. The component Sv and the horizontal displacement component Sh are obtained as Ss = Sa + Sb + Sc + Sd, Sv = {(Sa + Sb) − (Sc + Sd)} / Ss, Sh = {(Sa + Sc) − (Sb + Sd)} / Ss, respectively. Then, the mirror 107 may be adjusted so that Sv and Sh are minimized. When both Sv and Sh are 0, the irradiation spot 116 of the laser beam 109 is set at the center position of the light receiving surface.
[0008]
On the other hand, even if the cantilever 103 is a cantilever of the same standard, the reflection direction of the laser beam greatly varies depending on the characteristics of the surface coating condition and the like, and the irradiation spot of the laser beam hits a position far from the quadrant photodetector 108. Sometimes. This state is shown in (1) of FIG. Reference numeral 116 denotes an irradiation spot position. In this state, Ss is 0, and no information can be obtained from the detection signal output from the quadrant photodetector 108, so the spot position is completely unknown. As described above, in the second step, the mirror 107 is operated to obtain the Ss signal. However, since it is not known which position it is currently in, it is unknown which direction it should be moved first. It is. Conventionally, in practice, the irradiation spot 116 is moved appropriately and appropriately while monitoring Ss, and stopped when the output of Ss is output. Since such a state corresponds to (2) in FIG. 8, as described above, the spot can be adjusted to move to the center position.
[0009]
As described above, the optical axis adjustment for the optical lever type optical detection system is completed by executing the first step and the second step.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional optical axis adjustment in the optical lever type optical detection system is performed manually by the operator, and human eyes are indispensable when the irradiation spot is aligned with the cantilever in the first step, and the initial stage of the second step. In some cases, trial and error are necessary, so it is difficult to fully automate the optical axis adjustment. The laser beam irradiation spot can be aligned with the cantilever by image processing or the like, but the scale of the apparatus increases. Further, since cantilevers having the same shape are not always used at the time of measurement, conventionally, it has been common for a skilled observation operator to adjust the optical axis while looking through an optical microscope.
[0011]
It is also conceivable that the optical axis adjustment operation can be automated using the detection signal output from the quadrant photodetector 108. However, since the laser beam reflected from the cantilever is far from the light receiving surface of the quadrant photodetector 108 and does not hit the light receiving surface, it is actually difficult.
[0012]
Further, it is possible to automate the process of trial and error in the second step. In this case, in order to automate the process efficiently, the spot of the laser beam reflected by the cantilever is relatively divided into four parts. It is necessary to exist in the vicinity of the light receiving surface.
[0013]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and automates the optical axis adjustment work of the optical lever optical detection system in the scanning probe microscope of the optical lever optical detection system, and is easy for an observer with little experience. It is another object of the present invention to provide an optical axis adjustment mechanism for a scanning probe microscope that can perform measurement operations.
[0014]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The optical axis adjustment mechanism of the scanning probe microscope according to the present invention is configured as follows to achieve the above object.
The first optical axis adjusting mechanism (corresponding to claim 1) includes a cantilever having a probe arranged so as to face the sample, and a laser beam from the laser light source is guided to the cantilever by the first reflector and irradiated. The laser beam reflected from the cantilever is applied to a scanning probe microscope including an optical lever type optical detection system configured to guide the laser beam reflected by the second reflector to the photodetector. A first adjustment unit that changes the reflection direction of the reflector, a second adjustment unit that changes the reflection direction of the second reflector, an excitation unit that applies vibration for adjusting the optical axis to the cantilever, and a detection output from the photodetector It is comprised from the control means which controls operation | movement of a 1st adjustment part and a 2nd adjustment part based on a signal. With this configuration, the excitation unit generates vibration for adjusting the optical axis of the cantilever, thereby forming a laser beam expansion irradiation region that overlaps the light receiving surface of the photodetector, and the control means performs the first operation based on the detection signal of the photodetector. The operation of the adjusting unit and the second adjusting unit is controlled to automatically adjust the optical axis of the optical lever type optical detection system.
In the above configuration, when the laser beam is incident on the photodetector, the optical axis adjustment vibration is generated in the cantilever so that the laser beam is irradiated on the back surface of the cantilever. The enlarged irradiation region is formed instead of the laser beam irradiation spot, so that the laser beam can be detected easily, quickly and reliably by the photodetector. As a result, the control means can automatically adjust the optical axis of the optical lever type optical detection system by monitoring the detection signal output from the photodetector.
In the second optical axis adjustment mechanism (corresponding to claim 2), in the first configuration, the excitation unit includes a vertical vibration piezoelectric element and a torsional vibration piezoelectric element, and the optical axis adjustment vibration is for vertical vibration. It is characterized in that it is formed by synthesizing the vertical vibration by the piezoelectric element and the torsional vibration by the torsional vibration piezoelectric element. When the vertical vibration and the torsional vibration are combined, the enlarged irradiation region formed by this is formed in a rectangular shape, and an irradiation region having a wide area can be formed.
In the third optical axis adjustment mechanism (corresponding to claim 3), in each of the above configurations, the operation of the first adjustment unit is first controlled to set the reflection direction of the first reflector, and then the second adjustment is performed. The operation of the unit is controlled, and the reflection direction of the second reflector is set so that the irradiation spot of the laser beam is positioned at the center of the light receiving surface. The optical axis adjustment is configured to individually adjust the reflection direction of the first reflector and the reflection direction of the second reflector.
The fourth optical axis adjustment mechanism (corresponding to claim 4), in the third configuration, when the operation of the second adjustment unit is controlled, the vibration for optical axis adjustment by the excitation unit is gradually reduced, The laser beam expansion irradiation region can be changed to an irradiation spot. According to this configuration, even if the irradiation area by the laser beam becomes a normal irradiation spot, it is possible to always obtain a sum signal in the output signal of the photodetector.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0016]
The optical axis adjustment mechanism of the scanning probe microscope according to the present invention will be described with reference to FIGS. This scanning probe microscope is an atomic force microscope as an example. FIG. 1 shows a configuration of a main part of a general atomic force microscope including a cantilever and an optical lever type optical detection system.
[0017]
In FIG. 1, a support frame 11 is disposed below the center, and the support frame 11 is provided with an XYZ scanner 13 for placing a sample 12 thereon. In the illustrated example, the sample 12 is arranged horizontally, and the upper surface thereof is a surface to be observed. The sample 12 is moved in the horizontal direction (XY direction) and the vertical direction (Z direction) by the XYZ scanner 13. A support column 14 is provided near the XYZ scanner 13, and a cantilever 16 is attached to the upper portion of the support column 14 via a vibrating piezoelectric portion 15. The tip of the cantilever 16 faces the sample 12, and a minute probe 17 is attached to the tip. The tip of the probe 17 is close to the surface of the sample 12 at a very small distance. Reference numeral 18 denotes an arithmetic control device that performs various arithmetic processes, and is constituted by, for example, a computer.
[0018]
In an actual apparatus, the cantilever 16 and the pressurizing vibration element 15 are extremely fine. However, FIG. 1 is exaggerated and drawn for convenience of illustration.
[0019]
FIG. 2 shows an enlarged view of the portions of the vibrating piezoelectric portion 15 and the cantilever 16. The vibrating piezoelectric portion 15 is fixed to the tip of the support column 14. The exciting piezoelectric portion 15 includes three elements 15a, 15b, and 15c. 15a is a piezoelectric element for vertical vibration, and 15b and 15c are piezoelectric elements for torsional vibration. The cantilever 16 moves up and down as indicated by the arrow 19 by the vertical vibration piezoelectric element 15a, and the cantilever 16 is twisted as indicated by the arrow 20 by the torsional vibration piezoelectric elements 15b and 15c. The vertical vibration piezoelectric element 15 a is driven by an AC signal supplied from the first oscillator 21, and the torsional vibration piezoelectric elements 15 b and 15 c are driven by opposite-phase AC signals supplied from the second oscillator 22. The oscillating operations (voltage, frequency and phase of the output AC signal) of the first oscillator 21 and the second oscillator 22 are controlled based on the control signal from the arithmetic control device 18. The base end of the cantilever 16 is fixed to the lower surface of the vibrating piezoelectric portion 15. In the above configuration, the probe 17 is brought close to the surface of the sample 12 at the time of measurement, and the atomic force is maintained between the probe and the sample.
[0020]
When the surface of the sample 12 is scanned with the probe 17 at the tip of the cantilever 16 to measure the concavo-convex shape of the sample surface, the position of the cantilever 16 is set so that the distance between the probe 17 and the sample surface is kept constant. Be controlled. The position control of the cantilever is performed by changing the position of the sample 12 with the XYZ scanner 13 and changing the relative positional relationship between the cantilever 16 and the sample 12. The operation of the XYZ scanner 13 is also performed under the control of the arithmetic control device 18.
[0021]
An optical detection system is provided above the cantilever 16. A combination of the optical detection system and the cantilever constitutes an optical lever type optical detection system that detects the displacement of the cantilever. The optical lever type optical detection system is a mechanism that detects a displacement caused by the deformation of the cantilever 16 by irradiating the back surface of the cantilever 16 with a laser beam. The optical lever type optical detection system includes a laser light source 23, a first mirror 24, a second mirror 25, and a quadrant photodetector 26. Each of the first mirror 24 and the second mirror 25 includes tilt mechanisms 27 and 28 for changing the reflection direction of the mirror. The tilting mechanism 27 changes the mounting angle of the first mirror 24, and the tilting mechanism 28 changes the mounting angle of the second mirror 25. The laser light 29 emitted from the laser light source 23 is reflected by the first mirror 24 and guided to the back surface of the cantilever 16. The laser beam 29 reflected from the back surface of the cantilever 16 is reflected by the second mirror 25 and guided in the direction of the light receiving surface of the quadrant photodetector 26. In the state where the optical axis adjustment for measurement is completed in the optical lever type optical detection system, the laser light from the laser light source 23 is reflected by the first mirror 24 and incident on the back surface of the cantilever 16, and further on the back surface of the cantilever 16. The reflected laser light is reflected by the second mirror 25 and maintained in a state where it is incident on the quadrant photodetector 26. The optical axis adjustment in the optical lever optical detection system of the atomic force microscope according to this embodiment is automatically performed.
[0022]
Each of the tilt mechanisms 27 and 28 receives a control signal supplied from the arithmetic and control unit 18, and the operation of the tilt mechanism is controlled by the control signal. The operation of the tilt mechanism is controlled when the optical axis is adjusted, whereby the mounting angles of the first mirror 24 and the second mirror 25 are appropriately adjusted. Further, detection signals (Sa, Sb, Sc, Sd described above) output from the quadrant photodetector 26 are input to the arithmetic control device 18. The arithmetic control unit 18 incorporates a function unit (optical axis adjustment unit) for automatically performing optical axis adjustment. The optical axis adjustment unit controls the operation of the tilt mechanisms 27 and 28 while monitoring the detection signal of the quadrant photodetector 26 and sets the mounting angle of the first mirror 24 and the second mirror 25 to an appropriate angle. Adjust the optical axis.
[0023]
In the automatic optical axis adjustment according to the present embodiment, the optical axis adjustment unit operates the first oscillator 21 and the second oscillator 22 while monitoring the detection signal output from the quadrant photodetector 26, and the cantilever 16. Is oscillated in combination with vertical vibration and torsional vibration. When composite vibration is generated in the cantilever 16, when an irradiation spot of laser light is formed on the back surface of the cantilever 16, the incident laser light is beaten on the back surface of the cantilever compared to when the composite vibration is not generated, and the cantilever 16 The laser beam reflected from the back surface becomes an irradiation region further enlarged beyond that. This state is shown in FIG. The incident laser beam 29 is reflected by the back surface of the cantilever 16 by the vertical vibration 19 and the torsional vibration 20, and then forms an enlarged irradiation region 30. The enlarged irradiation region 30 is formed by moving the original irradiation spot (the conventional normal irradiation spot 116 shown in FIG. 8) at a high speed by vertical vibration and torsional vibration. It is formed as a region.
[0024]
Next, a method for automatically adjusting the optical axis will be described with reference to FIGS. The optical axis adjustment is performed, for example, when the cantilever is replaced. In the atomic force microscope, the cantilever is a consumable item and is frequently replaced. Therefore, when the cantilever is replaced, the optical axis is adjusted. There is no guarantee that the laser beam 29 is incident on the back surface of the cantilever 16 and an irradiation spot is formed at the stage where the cantilever 16 is attached to the vibrating piezoelectric portion 15. Therefore, automatic adjustment of the optical axis is performed.
[0025]
In the automatic adjustment of the optical axis, with the laser light output from the laser light source 23, the tilting mechanism 27 is first operated to change the mounting angle of the first mirror 24, and the laser light near the tip of the cantilever 16 is changed. 29 is scanned. In the scanning operation of the laser light 29, the scanning direction is preferably moved so that the scanning direction is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the cantilever 16, and is moved little by little in the longitudinal direction. In FIG. 3, reference numeral 31 denotes a movement locus of the laser beam 29. Note that the movement trajectory 31 shown in FIG. 3 is exaggerated and is not actually changed as much as shown. On the other hand, in the cantilever 16, the vertical vibration and the torsional vibration are generated by the vertical vibration piezoelectric element 15 a and the torsional vibration piezoelectric elements 15 b and 15 c of the excitation piezoelectric portion 15 as described above. When the vibration is generated in the cantilever 16, when the laser beam 29 that performs the scanning operation as shown in FIG. 3 crosses a part of the cantilever 16, an enlarged irradiation region 30 having a large area is formed as described in FIG. It is done.
[0026]
At the stage where the enlarged irradiation region 30 is formed, the tilt mechanism 28 of the second mirror 25 is not specifically adjusted, and the second mirror 25 is set at a standard mounting angle, for example. However, since the enlarged irradiation region 30 thus produced has a large area, the possibility that the laser light 29 will strike the light receiving surface of the quadrant photodetector 26 is extremely high. Therefore, if the laser beam 29 is scanned as shown in FIG. 3 by controlling the operation of the tilt mechanism 28 while monitoring the detection signal of the four-divided photodetector 26, the laser beam 29 can be mounted at any angle. It is possible to determine whether the light 29 is irradiated on the back surface of the cantilever 16 to form an irradiation spot.
[0027]
The above state will be described with reference to the table of FIG. In the table shown in FIG. 4, the case where the irradiation spot of the laser beam 29 hits the cantilever 16 and the case where it does not hit are compared with the conventional method and the present invention. In the conventional method, the irradiation spot 116 of the laser beam having a diameter of about 1 mm is irradiated to the quadrant photodetector 26 having a circular light receiving surface having a diameter of about 3 mm. Is extremely difficult to detect. In contrast, in the method of adjusting the optical axis according to the present invention, the above-described enlarged irradiation region 30 is formed on the light receiving surface of the quadrant photodetector 26. The enlarged irradiation region 30 has a considerably larger area than the irradiation spot 116, and as a result, there is a very high possibility that a part of the enlarged irradiation region 30 overlaps the light receiving surface of the quadrant photodetector 26. As described above, in the optical axis adjustment according to the present invention, when the mounting angle of the first mirror 24 is adjusted, the cantilever 16 is held in a predetermined vibration state by the vibrating piezoelectric portion 15, so that the four-divided photodetector is used. An enlarged irradiation region 30 having a wide area is formed with respect to the light receiving surface 26, and the laser light 29 can be reliably captured by the quadrant photodetector 26. Therefore, by monitoring the output signal of the quadrant photodetector 26, it can be determined whether or not the laser beam 29 has formed an irradiation spot on the back surface of the cantilever 16. The mounting angle of the first mirror 24 is fixed in a state where the irradiation spot of the laser beam 29 is formed on the back surface of the cantilever.
[0028]
In the next stage, the operation of the tilt mechanism 28 is controlled to adjust the second mirror 25. Adjustment of the mounting angle of the second mirror 25 is performed by mounting the second mirror 25 with the tilt mechanism 28 so that the sum (Ss) of the output signals of the four portions a to d of the four-split photodetector 26 is maximized. The angle is changed and the position of the enlarged irradiation region 30 on the light receiving surface of the quadrant photodetector 26 is adjusted. In this way, the optical axis adjustment can be automatically performed relatively roughly.
[0029]
Finally, the second mirror 25 is adjusted so that the original laser beam irradiation spot is positioned at the center of the four-split photodetector 26 in a state where the vibration state of the cantilever 16 by the excitation piezoelectric portion 15 is finished. To do. However, if the vibration state of the cantilever 16 is suddenly stopped, the irradiation spot may be too small to obtain the sum signal. Therefore, the sum signal is reliably acquired while gradually decreasing the output signals of the first oscillator 21 and the second oscillator 22, and the second mirror 25 is adjusted so that the obtained sum signal becomes maximum. When the oscillation state of the cantilever 16 ends, that is, when the outputs of the first oscillator 21 and the second oscillator 22 become 0, the irradiation spot of the laser beam 29 on the quadrant photodetector 26 is (3) in FIG. It is in the state of. Thereafter, the second mirror 25 is adjusted so that the vertical displacement component Sv and the horizontal displacement component Sh are minimized based on the detection signal output from the quadrant photodetector 26. The adjustment of the mounting angle of the second mirror 25 is performed by controlling the operation of the mechanism 28 as a control signal of the arithmetic control device 18.
[0030]
As is apparent from the above steps, the optical axis adjustment of the optical lever type optical detection system is automatically performed under the control of the arithmetic and control unit 18.
[0031]
Although the atomic force microscope has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and the optical axis adjustment mechanism according to the present invention can be applied to a scanning probe microscope including an optical lever type optical detection system. The enlarged irradiation region 30 is formed by applying a vibration obtained by combining the vertical vibration and the torsional vibration to the cantilever 16, but an enlarged irradiation region having a wide area can be formed around the quadrant photodetector 26. Any vibration for adjusting the optical axis can be provided.
[0032]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, in the scanning probe microscope equipped with the optical lever type optical detection system, the cantilever is enlarged so that the irradiation area of the laser beam formed near the photodetector is enlarged. Because it is configured to give vibration for adjusting the optical axis to the optical axis, the optical axis adjustment that has been performed by an experienced measurement operator in the past is automatically performed by monitoring the detection signal output from the photodetector. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning probe microscope provided with an optical axis adjusting mechanism according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged perspective view of a cantilever and an excitation piezoelectric unit.
FIG. 3 is a perspective view showing a state in which laser light is scanned by changing the mounting angle of the first mirror.
FIG. 4 is an explanatory diagram comparing a conventional method and a method of the present invention when a laser beam irradiation spot is applied to the back surface of a cantilever.
FIG. 5 is a schematic side view for explaining conventional optical axis adjustment.
FIG. 6 is an enlarged plan view of a cantilever part.
FIG. 7 is an enlarged side view of a cantilever part.
FIG. 8 is a diagram showing a control state in which the spot position is moved around the light receiving surface of the quadrant photodetector.
[Explanation of symbols]
11 Support frame
12 samples
13 XYZ scanner
15 Piezoelectric unit for vibration
15a Piezoelectric element for vertical vibration
15b, 15c Torsional vibration piezoelectric element
16 Cantilever
17 Probe
18 Arithmetic control device
21 First oscillator
22 Second oscillator
23 Laser light source
24 First mirror
25 Second mirror
26 Quadrant photodetector
27, 28 tilt mechanism
29 Laser light
30 Extended irradiation area

Claims (4)

試料に対向するように配置される探針を備えたカンチレバーと、レーザ光源からレーザ光を第1反射器で前記カンチレバーへ導いて照射させ、前記カンチレバーから反射されたレーザ光を第2反射器で光検出器へ導いて入射するように構成された光てこ式光学検出系とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
前記第1反射器の反射方向を変える第1調整部と、
前記第2反射器の反射方向を変える第2調整部と、
前記カンチレバーに光軸調整用振動を与える加振部と、
前記光検出器から出力される検出信号に基づいて前記第1調整部と前記第2調整部の動作を制御する制御手段とを備え、
前記加振部で前記カンチレバーに光軸調整用振動を生じさせることにより前記光検出器の受光面と重なるレーザ光拡大照射領域を形成し、前記制御手段は前記光検出器の前記検出信号に基づき前記第1調整部と前記第2調整部の動作を制御して前記光てこ式光学検出系の光軸調整を自動的に行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の光軸調整機構。
A cantilever having a probe arranged so as to face the sample, a laser beam from a laser light source is guided to the cantilever by a first reflector, and the laser beam reflected from the cantilever is irradiated by a second reflector In a scanning probe microscope comprising an optical lever type optical detection system configured to be guided and incident on a photodetector,
A first adjustment unit for changing a reflection direction of the first reflector;
A second adjustment unit for changing a reflection direction of the second reflector;
An excitation unit for applying vibration for adjusting the optical axis to the cantilever;
Control means for controlling operations of the first adjustment unit and the second adjustment unit based on a detection signal output from the photodetector;
A laser beam expansion irradiation region that overlaps a light receiving surface of the photodetector is formed by generating vibration for adjusting the optical axis of the cantilever by the excitation unit, and the control means is based on the detection signal of the photodetector. An optical axis adjustment mechanism for a scanning probe microscope, wherein the optical axis adjustment of the optical lever type optical detection system is automatically performed by controlling the operations of the first adjustment unit and the second adjustment unit.
前記加振部は上下振動用圧電素子とねじれ振動用圧電素子からなり、前記光軸調整用振動は前記上下振動用圧電素子による上下振動と前記ねじれ振動用圧電素子によるねじれ振動が合成されて形成されることを特徴とする請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡の光軸調整機構。The excitation unit includes a vertical vibration piezoelectric element and a torsional vibration piezoelectric element, and the optical axis adjustment vibration is formed by combining vertical vibration by the vertical vibration piezoelectric element and torsional vibration by the torsional vibration piezoelectric element. The optical axis adjusting mechanism of the scanning probe microscope according to claim 1. 最初に前記第1調整部の動作が制御されて前記第1反射器の反射方向が設定され、次に前記第2調整部の動作が制御されて前記レーザ光の照射スポットが前記光受光面の中心に位置するように前記第2反射器の反射方向が設定されることを特徴とする請求項1または2記載の走査型プローブ顕微鏡の光軸調整機構。First, the operation of the first adjustment unit is controlled to set the reflection direction of the first reflector, and then the operation of the second adjustment unit is controlled so that the irradiation spot of the laser beam is on the light receiving surface. The optical axis adjustment mechanism of the scanning probe microscope according to claim 1 or 2, wherein the reflection direction of the second reflector is set so as to be positioned at the center. 前記第2調整部の動作が制御される際に、前記加振部による前記光軸調整用振動が次第に低減され、前記レーザ光拡大照射領域が前記照射スポットに変えられることを特徴とする請求項3記載の走査型プローブ顕微鏡の光軸調整機構。When the operation of the second adjustment unit is controlled, the vibration for optical axis adjustment by the excitation unit is gradually reduced, and the laser beam expansion irradiation region is changed to the irradiation spot. 4. An optical axis adjustment mechanism of a scanning probe microscope according to 3.
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