JP3950627B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - 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に係り、特に、プローブとしてカンチレバーを用い、カンチレバーがピエゾスキャナによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能となされ、カンチレバーの背面上にレーザ光を照射し、カンチレバー背面からのレーザの反射光を検出する構成を有する走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プローブとしてカンチレバーを用い、カンチレバーがピエゾスキャナによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能となされ、カンチレバーの背面上にレーザ光を照射し、カンチレバー背面からのレーザの反射光を検出する構成を有する走査型プローブ顕微鏡としては、原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡等が知られている。
【０００３】
ところで、原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡における走査方式としては、試料を走査する試料走査方式と、カンチレバーを走査するプローブ走査方式があるが、特に観察試料が大きい場合には後者のプローブ走査方式が用いられる。
【０００４】
また、プローブ走査方式にも種々の手法が提案されている。代表的なものとしては、レーザ光源を固定して集光レンズをピエゾスキャナに取り付けて走査を行うトラックスキャン（trak scan）方式、ピエゾスキャナの先端にレーザ光源を取り付けて走査を行う方式、２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナと高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナとの間にレーザ光源を配置して走査を行う方式等が知られている。
【０００５】
本発明は、２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナと高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナとの間にレーザ光源を配置して走査するプローブ走査方式を用いた顕微鏡に関するものである。なお、本明細書においては、Ｚ方向は高さ方向とし、Ｘ方向、Ｙ方向は共にＺ方向と直交し、且つ互いに直交する方向とする。従って、ＸＹ平面はＺ方向と直交する平面である。
【０００６】
この種の走査型プローブ顕微鏡の構成例を図４に示す。図４において、１はプローブであるカンチレバー、２はカンチレバーホルダ、３はホルダ支持部、４はＸＹピエゾスキャナ（以下、単にＸＹスキャナと称す）、５はＺピエゾスキャナ（以下、単にＺスキャナと称す）、６はレーザ光源支持部、７はレーザ光源、８、９、１０はミラー、１１は検出器、１２は位置調整機構、１３は筐体、Ｓは試料を示す。
【０００７】
まず、構成について説明する。
カンチレバー１はカンチレバーホルダ２の下端に着脱自在に取り付けられており、カンチレバーホルダ２の上端はホルダ支持部３に固定されている。ホルダ支持部３の内部は中空になっており、且つホルダ支持部３の下面のミラー９の反射面に対向する部分には開口が設けられている。そして、ホルダ支持部３の中空となされた内部にはミラー９が配置されている。このミラー９は支持部により筐体１３に固定されている。ホルダ支持部３と、レーザ光源支持部６との間にはＺスキャナ５が配置されている。Ｚスキャナ５は圧電体にＺ方向伸縮用電極が形成されたものであり、そのＺ方向伸縮用電極に印加される電圧に応じてＺスキャナ５はＺ方向に伸縮するように構成されている。レーザ光源支持部６の端部にはレーザ光源７が取り付けられている。レーザ光源７としては、レーザダイオードを用いればよい。
【０００８】
ＸＹスキャナ４の下端にはレーザ光源支持部６が取り付けられ、ＸＹスキャナ４の上端は筐体１３の上部に固定されている。即ち、ＸＹスキャナ４は、筐体１３の上部とレーザ光源支持部６との間に配置されている。ＸＹスキャナ４は圧電体にＸ方向走査用電極とＹ方向走査用電極が形成されたものである。従って、ＸＹスキャナ４の上端は筐体１３に固定されているから、Ｘ方向走査用電極及びＹ方向走査用電極に印加される電圧に応じてＸＹスキャナ４の下端が、図５の４、４′、４″で示すように湾曲して変位することになり、これによって、ＸＹスキャナ４から下に配置されている、レーザ光源支持部６、Ｚスキャナ５、ホルダ支持部３、カンチレバーホルダ２、ミラー１０及びカンチレバー１を一体として２次元走査を行うことができる。なお、図５ではＸ方向の変位のみを示している。
【０００９】
ミラー８は、位置調整機構１２により２軸（θy，θz）のあおりが調整可能となされている。位置調整機構１２が設けられている理由は次のようである。カンチレバーは交換されることがあり、カンチレバーを交換した場合にはレーザ光源７からのレーザ光が、ミラー８、ミラー９によりカンチレバー１の背面上に当たるようにアラインメント調整する必要があり、そのために位置調整機構１２によりミラー８の２軸（θy，θz）のあおりを調整できるようにしてあるのである。なお、位置調整機構１２は本発明の本質ではないので、詳細な説明は省略する。
【００１０】
ミラー１０はホルダ支持部３の下面に固定されている。検出器１１はミラー１０により反射されたレーザ光を検出するためのものであり、４分割されたフォトダイオードで構成されるのが通常である。
【００１１】
そして、ミラー８、９、カンチレバー１、ミラー１０、検出器１１は、レーザ光源７から放射されたレーザ光がミラー８で反射してミラー９に至り、ミラー９で反射されたレーザ光がカンチレバー１の背面に当たり、その反射光がミラー１０で反射して検出器１１に入射するように配置されている。
【００１２】
以上の構成の走査型プローブ顕微鏡によれば、例えば、検出器１１からの出力信号が一定になるようにＺスキャナ５に印加する電圧を制御しながら、ＸＹスキャナ４により２次元走査を行えば、試料Ｓの表面の像を観察することができる。
【００１３】
なお、ＸＹスキャナ４は図５に示すように、その下端部が湾曲して変位するのであるが、ＸＹスキャナ４の下にレーザ光源７とカンチレバー１が配置されているので、２次元走査中はミラー８及びミラー９におけるレーザ光の反射角度に関係なく、カンチレバー１の背面に合わせたレーザ光のスポットの位置はカンチレバー１に追従して変位することになる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す構成の走査型プローブ顕微鏡では、上述したように、カンチレバー１の背面に合わせたレーザ光はカンチレバー１に追従して変位するのであるが、レーザ光のスポットの位置はカンチレバー１の背面上の１点に常に固定されるわけではなく、ＸＹスキャナ４による走査範囲が大きくなると、レーザ光のスポットがカンチレバー１の背面上から外れてしまう場合があるという問題がある。
【００１５】
具体的には次のようである。
いま、図６に示すように走査を行っていない状態、即ち、レーザ光のスポットがカンチレバー１の背面上に合わせられている状態から、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極のみにある電圧を印加したとする。そして、このとき、図７に示すように、ＸＹスキャナ４の下端、即ちＸＹスキャナ４とレーザ光源支持部６との境界が図６に示す状態からＸ方向にαだけ変位し、レーザ光源支持部６からカンチレバー１までの部分が図６に示す状態から角度θだけ傾斜したとする。
【００１６】
そして、図６に示す状態から図７に示す状態になったとき、カンチレバー１がＸ方向にどれだけ変位したか、そのＸ方向変位量と、図６の状態におけるカンチレバー１の背面上のレーザ光のスポットの位置がＸ方向にどれだけ変位したか、そのＸ方向変位量を考える。なお、ここでは、図６に示すように、ＸＹスキャナ４の下端と、カンチレバー１の背面上のレーザ光のスポットを合わせる位置までのＺ方向の距離をβとし、ミラー８とミラー９のＸ方向の距離をｌとする。また、図６、図７では構成を簡略化して示している。
【００１７】
まず、カンチレバー１のＸ方向変位量は、図７から幾何学的に容易に求めることができ、
（カンチレバー１のＸ方向変位量）＝α＋βsinθ …(1)
となる。
【００１８】
次に、レーザ光のスポット位置のＸ方向変位量であるが、これも幾何学的に求めることができるが、ここでは次のような手法を用いる。
いま、図６に示す状態でカンチレバー１の背面上に合わせられているレーザ光のスポット、即ちレーザ光源７の鏡像を、ミラー９、ミラー８と逆に順次とっていき、レーザ光源７から放射されるレーザ光の直線上にそれらの鏡像の位置をとると、図８のＡで示すようである。図８のＡにおいて、Ｐはレーザ光源、Ｑはミラー８上におけるレーザ光のスポット位置、Ｒはミラー９上におけるレーザ光源の鏡像、Ｓはカンチレバー１の背面上のレーザ光源の鏡像を示している。そして、上述したところにより、図８のＡにおいて、線分ＱＲの長さはｌであり、線分ＰＱの長さと線分ＲＳの長さの和はβである。
【００１９】
さて、図６に示す状態から図７に示す状態にした場合におけるレーザ光のスポット位置のＸ方向変位量は、図８のＡで示す線分ＰＳを、Ｘ方向にαだけ平行移動させ、そこで角度θだけ回転させたときのＳのＸ方向の変位量と同じである。図８のＢはそれを示している。図８のＢにおいて、Ｐ′、Ｑ′、Ｒ′、Ｓ′は、それぞれ、図８のＡのレーザ光源Ｐ、ミラー８上におけるレーザ光のスポット位置Ｑ、ミラー９上におけるレーザ光源の鏡像Ｒ、カンチレバー１の背面上のレーザ光源の鏡像Ｓの移動先を示している。
【００２０】
そして、図８のＢにおいて、Ｓ′が、図８のＡのＳの位置からＸ方向にどれだけ移動したか、そのＸ方向変位量は、容易に求めることができ、
（レーザ光のスポット位置のＸ方向変位量）＝α＋（β＋ｌ）sinθ …(2)
となる。
【００２１】
以上のようであるので、図６に示す走査を行っていない状態から、図７に示すようにＸ方向に走査を行った場合、(1)式と(2)式とから、カンチレバー１のＸ方向変位量と、レーザ光のスポット位置のＸ方向変位量とは、ｌsinθだけ異なってくるのである。
以上はＸ方向に走査した場合について説明したが、Ｙ方向に走査した場合も同様である。
【００２２】
以上のように、図４に示す構成では、２次元走査を行うとＸＹスキャナ４の下端部が湾曲して変位するために、カンチレバー１と、カンチレバー１の背面上のレーザ光のスポットの走査中のＸ方向位置及びＹ方向位置は、レーザ光のスポットの方がｌsinθだけ、カンチレバー１よりも大きく変位してしまうのである。
【００２３】
従って、２次元走査の範囲が広くなればなる程、カンチレバー１の位置と、レーザ光のスポット位置とのズレは大きくなり、ある走査範囲以上では走査中にレーザ光のスポットがカンチレバー１の背面上から外れて、像の観察ができなくなる場合が生じてしまうのである。
【００２４】
そこで、本発明は、図４に示す構成において、ＸＹスキャナ４によって２次元走査を行った場合にも、カンチレバー１の位置と、レーザ光のスポット位置とのズレが生じることを防止し、広い走査範囲においても試料の像の観察を可能とする走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーの高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナと、レーザ光源と、カンチレバーとレーザ光源を一体として２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナとを備える走査型プローブ顕微鏡であって、Ｚピエゾスキャナには、ＸＹピエゾスキャナによる走査時に生じるカンチレバーの変位量と、レーザ光源からのレーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルするための位置ズレ補正用電極が形成されてなることを特徴とする。
また、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡は、筐体と、カンチレバーと、カンチレバーの高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナと、レーザ光源と、筐体に取り付けられ、レーザ光源から放射されたレーザ光を反射する第１のミラーと、筐体に取り付けられ、第１のミラーで反射されたレーザ光をカンチレバーの背面に向けて反射する第２のミラーと、カンチレバーとレーザ光源を一体として２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナとを備える走査型プローブ顕微鏡であって、レーザ光源は、ＸＹピエゾスキャナによる走査時に生じるカンチレバーの変位量と、レーザ光源からのレーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルするための位置ズレ補正用スキャナに取り付けられてなることを特徴とする。
また、請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡は、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記位置ズレ補正用スキャナはチューブ型圧電体を用いて構成されてなることを特徴とする。
更に、請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡は、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記位置ズレ補正用スキャナは積層型圧電体を用いて構成されてなることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ発明の実施の形態について説明する。
［第１の実施形態］
図１に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態の構成を示す。図１において、２０は位置ズレ補正用電極を示す。なお、図１において、図４に示すものと同じ構成要素については同一の符号を付している。
【００２７】
図１に示す構成では、Ｚスキャナ５の圧電体には、Ｚ方向伸縮用電極の他に、位置ズレ補正用電極２０が形成されている。その他は図４に示すと同じである。
【００２８】
位置ズレ補正用電極２０には、Ｘ方向位置ズレ補正用電極と、Ｙ方向位置ズレ補正用電極がある。従って、Ｚスキャナ５のＺ方向伸縮用電極、及び位置ズレ補正用電極２０に電圧を印加することによって、ホルダ支持部３、カンチレバーホルダ２、ミラー１０及びカンチレバー１を一体としてＺ方向の位置を調整できるばかりでなく、カンチレバー１のＸ方向位置及び／またはＹ方向位置を変位させることができる。そして、Ｚスキャナ５の位置ズレ補正用電極２０に電圧を印加した場合には、Ｚスキャナ５の圧電体は、レーザ光源支持部６との取り付け部分から湾曲して変位することになるので、レーザ光源７の位置は変化しない。
【００２９】
従って、ＸＹスキャナ４に２次元走査用の信号を印加して走査を行う際に、Ｚスキャナ５の位置ズレ補正用電極２０に適宜な電圧を印加し、カンチレバー１がＸ方向及び／またはＹ方向に、上記のｌsinθだけ大きく変位させるようにすることによって、上述したカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルすることができる。
【００３０】
ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加したときに、レーザ光源支持部６からカンチレバー１までの部分がＸ方向、Ｙ方向にどれだけ移動し、何度の角度傾斜するかは、実験や理論計算によって知ることができ、また、位置ズレ補正用電極２０にどれだけの電圧を印加したときに、ホルダ支持部３からカンチレバー１までの部分がＸ方向、Ｙ方向にどれだけ移動し、何度の角度傾斜するかも、実験や理論計算によって知ることができるから、これらに基づいて、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加したときに位置ズレ補正用電極２０にどれだけの電圧を印加すればよいかを知ることができる。
【００３１】
従って、例えば、制御装置（図１には図示せず）によりＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極に走査用の電圧を印加すると共に、当該制御装置からＺスキャナ５の位置ズレ補正用電極２０に対して、カンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルできる電圧を印加することによって、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができる。
【００３２】
この位置ズレ補正用電極２０に印加する電圧としては、実際的には、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極に印加する電圧の波形及び振幅を適宜調整したものでよい。
【００３３】
以上のように、この走査型プローブ顕微鏡においては、レーザ光源支持部６より下側、即ちカンチレバー１の側にあるＺスキャナ５に位置ズレ補正用電極２０を形成し、ホルダ支持部３からカンチレバー１までを一体としてＸ方向及び／またはＹ方向に変位させることができるので、ＸＹスキャナ４によって２次元走査を行った場合、走査範囲が広くても従来のようにカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量にズレが生じることはなく、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができるものである。
【００３４】
［第２の実施形態］
次に、図２に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形態の構成を示す。図２において、３０は位置ズレ補正用スキャナを示す。なお、図２において、図４に示すものと同じ構成要素については同一の符号を付している。
【００３５】
図２に示す構成では、レーザ光源支持部６とレーザ光源７との間には位置ズレ補正用スキャナ３０が配置されている。その他は図４に示すものと同じである。
【００３６】
位置ズレ補正用スキャナ３０は、チューブ型圧電体にＸ方向位置ズレ補正用電極と、Ｙ方向位置ズレ補正用電極が形成されたものであり、これらのＸ方向位置ズレ補正用電極及び／またはＹ方向位置ズレ補正用電極に電圧を印加することによって、レーザ光源７をＸ方向及び／またはＹ方向に変位可能となされている。
【００３７】
従って、ＸＹスキャナ４に２次元走査用の信号を印加して走査を行う際に、位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向位置ズレ補正用電極及び／またはＹ方向位置ズレ補正用電極に適宜な電圧を印加し、レーザ光源７をＸ方向及び／またはＹ方向に、上記のｌsinθだけ小さく変位させるようにすることによって、上述したカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルすることができる。
【００３８】
ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加したときに、レーザ光源支持部６からカンチレバー１までの部分がＸ方向、Ｙ方向にどれだけ移動し、何度の角度傾斜するかは、実験や理論計算によって知ることができ、また、位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向位置ズレ補正用電極、Ｙ方向位置ズレ補正用電極にどれだけの電圧を印加したときに、レーザ光源７がＸ方向、Ｙ方向にどれだけ移動し、何度の角度傾斜するかも、実験や理論計算によって知ることができるから、これらに基づいて、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加したときに位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加すればよいかを知ることができる。
【００３９】
従って、例えば、制御装置（図２には図示せず）によりＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極に走査用の電圧を印加すると共に、当該制御装置から位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向位置ズレ補正用電極、Ｙ方向位置ズレ補正用電極に対して、カンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルできる電圧を印加することによって、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができる。
【００４０】
この位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向位置ズレ補正用電極、Ｙ方向位置ズレ補正用電極に印加する電圧としては、実際的には、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極に印加する電圧の波形及び振幅を適宜調整したものでよい。
【００４１】
以上のように、この走査型プローブ顕微鏡においては、レーザ光源支持部６とレーザ光源７との間に位置ズレ補正用スキャナ３０を配置し、レーザ光源７をＸ方向及び／またはＹ方向に変位させることができるので、ＸＹスキャナ４によって２次元走査を行った場合、走査範囲が広くても従来のようにカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量にズレが生じることはなく、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができるものである。
【００４２】
［第３の実施形態］
次に、図３に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３の実施形態の構成を示す。図３において、４０は位置ズレ補正用スキャナを示す。なお、図３において、図４に示すものと同じ構成要素については同一の符号を付している。
【００４３】
図４においては、レーザ光源支持部６のレーザ光源７が取り付けられる部分には、積層型圧電体を用いた位置ズレ補正用スキャナ４０が配置されている。図３に示す構成の考え方は図２に示すものと同じであるが、図２では位置ズレ補正用スキャナ３０はチューブ型圧電体で構成されているが、図３では位置ズレ補正用スキャナ４０は積層形圧電体を用いて構成されている。図２に示す第２の実施形態と、図３に示す第３の実施形態の差異はこれだけであり、その他は第２の実施例で説明したものと同じである。
【００４４】
従って、この走査型プローブ顕微鏡によれば、レーザ光源支持部６のレーザ光源７が取り付けられる部分に位置ズレ補正用スキャナ４０を配置し、レーザ光源７をＸ方向及び／またはＹ方向に変位させることができるので、ＸＹスキャナ４によって２次元走査を行った場合、走査範囲が広くても従来のようにカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量にズレが生じることはなく、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形態の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３の実施形態の構成を示す図である。
【図４】２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナと高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナとの間にレーザ光源を配置して走査するプローブ走査方式を用いた走査型プローブ顕微鏡の構成例を示す図である。
【図５】走査時におけるＸＹスキャナ４の動きを説明するための図である。
【図６】発明が解決しようとする課題を説明するための図である。
【図７】発明が解決しようとする課題を説明するための図である。
【図８】発明が解決しようとする課題を説明するための図である。
【符号の説明】
１…プローブであるカンチレバー、２…カンチレバーホルダ、３…ホルダ支持部、４…ＸＹピエゾスキャナ（ＸＹスキャナ）、５…Ｚピエゾスキャナ（Ｚスキャナ）、６…レーザ光源支持部、７…レーザ光源、８、９、１０…ミラー、１１…検出器、１２…位置調整機構、１３…筐体、Ｓ…試料。
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、プローブとしてカンチレバーを用い、カンチレバーがピエゾスキャナによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能となされ、カンチレバーの背面上にレーザ光を照射し、カンチレバー背面からのレーザの反射光を検出する構成を有する走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プローブとしてカンチレバーを用い、カンチレバーがピエゾスキャナによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能となされ、カンチレバーの背面上にレーザ光を照射し、カンチレバー背面からのレーザの反射光を検出する構成を有する走査型プローブ顕微鏡としては、原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡等が知られている。
【０００３】
ところで、原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡における走査方式としては、試料を走査する試料走査方式と、カンチレバーを走査するプローブ走査方式があるが、特に観察試料が大きい場合には後者のプローブ走査方式が用いられる。
【０００４】
また、プローブ走査方式にも種々の手法が提案されている。代表的なものとしては、レーザ光源を固定して集光レンズをピエゾスキャナに取り付けて走査を行うトラックスキャン（trak scan）方式、ピエゾスキャナの先端にレーザ光源を取り付けて走査を行う方式、２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナと高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナとの間にレーザ光源を配置して走査を行う方式等が知られている。
【０００５】
本発明は、２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナと高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナとの間にレーザ光源を配置して走査するプローブ走査方式を用いた顕微鏡に関するものである。なお、本明細書においては、Ｚ方向は高さ方向とし、Ｘ方向、Ｙ方向は共にＺ方向と直交し、且つ互いに直交する方向とする。従って、ＸＹ平面はＺ方向と直交する平面である。
【０００６】
この種の走査型プローブ顕微鏡の構成例を図４に示す。図４において、１はプローブであるカンチレバー、２はカンチレバーホルダ、３はホルダ支持部、４はＸＹピエゾスキャナ（以下、単にＸＹスキャナと称す）、５はＺピエゾスキャナ（以下、単にＺスキャナと称す）、６はレーザ光源支持部、７はレーザ光源、８、９、１０はミラー、１１は検出器、１２は位置調整機構、１３は筐体、Ｓは試料を示す。
【０００７】
まず、構成について説明する。
カンチレバー１はカンチレバーホルダ２の下端に着脱自在に取り付けられており、カンチレバーホルダ２の上端はホルダ支持部３に固定されている。ホルダ支持部３の内部は中空になっており、且つホルダ支持部３の下面のミラー９の反射面に対向する部分には開口が設けられている。そして、ホルダ支持部３の中空となされた内部にはミラー９が配置されている。このミラー９は支持部により筐体１３に固定されている。ホルダ支持部３と、レーザ光源支持部６との間にはＺスキャナ５が配置されている。Ｚスキャナ５は圧電体にＺ方向伸縮用電極が形成されたものであり、そのＺ方向伸縮用電極に印加される電圧に応じてＺスキャナ５はＺ方向に伸縮するように構成されている。レーザ光源支持部６の端部にはレーザ光源７が取り付けられている。レーザ光源７としては、レーザダイオードを用いればよい。
【０００８】
ＸＹスキャナ４の下端にはレーザ光源支持部６が取り付けられ、ＸＹスキャナ４の上端は筐体１３の上部に固定されている。即ち、ＸＹスキャナ４は、筐体１３の上部とレーザ光源支持部６との間に配置されている。ＸＹスキャナ４は圧電体にＸ方向走査用電極とＹ方向走査用電極が形成されたものである。従って、ＸＹスキャナ４の上端は筐体１３に固定されているから、Ｘ方向走査用電極及びＹ方向走査用電極に印加される電圧に応じてＸＹスキャナ４の下端が、図５の４、４′、４″で示すように湾曲して変位することになり、これによって、ＸＹスキャナ４から下に配置されている、レーザ光源支持部６、Ｚスキャナ５、ホルダ支持部３、カンチレバーホルダ２、ミラー１０及びカンチレバー１を一体として２次元走査を行うことができる。なお、図５ではＸ方向の変位のみを示している。
【０００９】
ミラー８は、位置調整機構１２により２軸（θy，θz）のあおりが調整可能となされている。位置調整機構１２が設けられている理由は次のようである。カンチレバーは交換されることがあり、カンチレバーを交換した場合にはレーザ光源７からのレーザ光が、ミラー８、ミラー９によりカンチレバー１の背面上に当たるようにアラインメント調整する必要があり、そのために位置調整機構１２によりミラー８の２軸（θy，θz）のあおりを調整できるようにしてあるのである。なお、位置調整機構１２は本発明の本質ではないので、詳細な説明は省略する。
【００１０】
ミラー１０はホルダ支持部３の下面に固定されている。検出器１１はミラー１０により反射されたレーザ光を検出するためのものであり、４分割されたフォトダイオードで構成されるのが通常である。
【００１１】
そして、ミラー８、９、カンチレバー１、ミラー１０、検出器１１は、レーザ光源７から放射されたレーザ光がミラー８で反射してミラー９に至り、ミラー９で反射されたレーザ光がカンチレバー１の背面に当たり、その反射光がミラー１０で反射して検出器１１に入射するように配置されている。
【００１２】
以上の構成の走査型プローブ顕微鏡によれば、例えば、検出器１１からの出力信号が一定になるようにＺスキャナ５に印加する電圧を制御しながら、ＸＹスキャナ４により２次元走査を行えば、試料Ｓの表面の像を観察することができる。
【００１３】
なお、ＸＹスキャナ４は図５に示すように、その下端部が湾曲して変位するのであるが、ＸＹスキャナ４の下にレーザ光源７とカンチレバー１が配置されているので、２次元走査中はミラー８及びミラー９におけるレーザ光の反射角度に関係なく、カンチレバー１の背面に合わせたレーザ光のスポットの位置はカンチレバー１に追従して変位することになる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す構成の走査型プローブ顕微鏡では、上述したように、カンチレバー１の背面に合わせたレーザ光はカンチレバー１に追従して変位するのであるが、レーザ光のスポットの位置はカンチレバー１の背面上の１点に常に固定されるわけではなく、ＸＹスキャナ４による走査範囲が大きくなると、レーザ光のスポットがカンチレバー１の背面上から外れてしまう場合があるという問題がある。
【００１５】
具体的には次のようである。
いま、図６に示すように走査を行っていない状態、即ち、レーザ光のスポットがカンチレバー１の背面上に合わせられている状態から、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極のみにある電圧を印加したとする。そして、このとき、図７に示すように、ＸＹスキャナ４の下端、即ちＸＹスキャナ４とレーザ光源支持部６との境界が図６に示す状態からＸ方向にαだけ変位し、レーザ光源支持部６からカンチレバー１までの部分が図６に示す状態から角度θだけ傾斜したとする。
【００１６】
そして、図６に示す状態から図７に示す状態になったとき、カンチレバー１がＸ方向にどれだけ変位したか、そのＸ方向変位量と、図６の状態におけるカンチレバー１の背面上のレーザ光のスポットの位置がＸ方向にどれだけ変位したか、そのＸ方向変位量を考える。なお、ここでは、図６に示すように、ＸＹスキャナ４の下端と、カンチレバー１の背面上のレーザ光のスポットを合わせる位置までのＺ方向の距離をβとし、ミラー８とミラー９のＸ方向の距離をｌとする。また、図６、図７では構成を簡略化して示している。
【００１７】
まず、カンチレバー１のＸ方向変位量は、図７から幾何学的に容易に求めることができ、
（カンチレバー１のＸ方向変位量）＝α＋βsinθ …(1)
となる。
【００１８】
次に、レーザ光のスポット位置のＸ方向変位量であるが、これも幾何学的に求めることができるが、ここでは次のような手法を用いる。
いま、図６に示す状態でカンチレバー１の背面上に合わせられているレーザ光のスポット、即ちレーザ光源７の鏡像を、ミラー９、ミラー８と逆に順次とっていき、レーザ光源７から放射されるレーザ光の直線上にそれらの鏡像の位置をとると、図８のＡで示すようである。図８のＡにおいて、Ｐはレーザ光源、Ｑはミラー８上におけるレーザ光のスポット位置、Ｒはミラー９上におけるレーザ光源の鏡像、Ｓはカンチレバー１の背面上のレーザ光源の鏡像を示している。そして、上述したところにより、図８のＡにおいて、線分ＱＲの長さはｌであり、線分ＰＱの長さと線分ＲＳの長さの和はβである。
【００１９】
さて、図６に示す状態から図７に示す状態にした場合におけるレーザ光のスポット位置のＸ方向変位量は、図８のＡで示す線分ＰＳを、Ｘ方向にαだけ平行移動させ、そこで角度θだけ回転させたときのＳのＸ方向の変位量と同じである。図８のＢはそれを示している。図８のＢにおいて、Ｐ′、Ｑ′、Ｒ′、Ｓ′は、それぞれ、図８のＡのレーザ光源Ｐ、ミラー８上におけるレーザ光のスポット位置Ｑ、ミラー９上におけるレーザ光源の鏡像Ｒ、カンチレバー１の背面上のレーザ光源の鏡像Ｓの移動先を示している。
【００２０】
そして、図８のＢにおいて、Ｓ′が、図８のＡのＳの位置からＸ方向にどれだけ移動したか、そのＸ方向変位量は、容易に求めることができ、
（レーザ光のスポット位置のＸ方向変位量）＝α＋（β＋ｌ）sinθ …(2)
となる。
【００２１】
以上のようであるので、図６に示す走査を行っていない状態から、図７に示すようにＸ方向に走査を行った場合、(1)式と(2)式とから、カンチレバー１のＸ方向変位量と、レーザ光のスポット位置のＸ方向変位量とは、ｌsinθだけ異なってくるのである。
以上はＸ方向に走査した場合について説明したが、Ｙ方向に走査した場合も同様である。
【００２２】
以上のように、図４に示す構成では、２次元走査を行うとＸＹスキャナ４の下端部が湾曲して変位するために、カンチレバー１と、カンチレバー１の背面上のレーザ光のスポットの走査中のＸ方向位置及びＹ方向位置は、レーザ光のスポットの方がｌsinθだけ、カンチレバー１よりも大きく変位してしまうのである。
【００２３】
従って、２次元走査の範囲が広くなればなる程、カンチレバー１の位置と、レーザ光のスポット位置とのズレは大きくなり、ある走査範囲以上では走査中にレーザ光のスポットがカンチレバー１の背面上から外れて、像の観察ができなくなる場合が生じてしまうのである。
【００２４】
そこで、本発明は、図４に示す構成において、ＸＹスキャナ４によって２次元走査を行った場合にも、カンチレバー１の位置と、レーザ光のスポット位置とのズレが生じることを防止し、広い走査範囲においても試料の像の観察を可能とする走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーの高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナと、レーザ光源と、カンチレバーとレーザ光源を一体として２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナとを備える走査型プローブ顕微鏡であって、Ｚピエゾスキャナには、ＸＹピエゾスキャナによる走査時に生じるカンチレバーの変位量と、レーザ光源からのレーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルするための位置ズレ補正用電極が形成されてなることを特徴とする。
また、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡は、筐体と、カンチレバーと、カンチレバーの高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナと、レーザ光源と、筐体に取り付けられ、レーザ光源から放射されたレーザ光を反射する第１のミラーと、筐体に取り付けられ、第１のミラーで反射されたレーザ光をカンチレバーの背面に向けて反射する第２のミラーと、カンチレバーとレーザ光源を一体として２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナとを備える走査型プローブ顕微鏡であって、レーザ光源は、ＸＹピエゾスキャナによる走査時に生じるカンチレバーの変位量と、レーザ光源からのレーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルするための位置ズレ補正用スキャナに取り付けられてなることを特徴とする。
また、請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡は、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記位置ズレ補正用スキャナはチューブ型圧電体を用いて構成されてなることを特徴とする。
更に、請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡は、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記位置ズレ補正用スキャナは積層型圧電体を用いて構成されてなることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ発明の実施の形態について説明する。
［第１の実施形態］
図１に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態の構成を示す。図１において、２０は位置ズレ補正用電極を示す。なお、図１において、図４に示すものと同じ構成要素については同一の符号を付している。
【００２７】
図１に示す構成では、Ｚスキャナ５の圧電体には、Ｚ方向伸縮用電極の他に、位置ズレ補正用電極２０が形成されている。その他は図４に示すと同じである。
【００２８】
位置ズレ補正用電極２０には、Ｘ方向位置ズレ補正用電極と、Ｙ方向位置ズレ補正用電極がある。従って、Ｚスキャナ５のＺ方向伸縮用電極、及び位置ズレ補正用電極２０に電圧を印加することによって、ホルダ支持部３、カンチレバーホルダ２、ミラー１０及びカンチレバー１を一体としてＺ方向の位置を調整できるばかりでなく、カンチレバー１のＸ方向位置及び／またはＹ方向位置を変位させることができる。そして、Ｚスキャナ５の位置ズレ補正用電極２０に電圧を印加した場合には、Ｚスキャナ５の圧電体は、レーザ光源支持部６との取り付け部分から湾曲して変位することになるので、レーザ光源７の位置は変化しない。
【００２９】
従って、ＸＹスキャナ４に２次元走査用の信号を印加して走査を行う際に、Ｚスキャナ５の位置ズレ補正用電極２０に適宜な電圧を印加し、カンチレバー１がＸ方向及び／またはＹ方向に、上記のｌsinθだけ大きく変位させるようにすることによって、上述したカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルすることができる。
【００３０】
ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加したときに、レーザ光源支持部６からカンチレバー１までの部分がＸ方向、Ｙ方向にどれだけ移動し、何度の角度傾斜するかは、実験や理論計算によって知ることができ、また、位置ズレ補正用電極２０にどれだけの電圧を印加したときに、ホルダ支持部３からカンチレバー１までの部分がＸ方向、Ｙ方向にどれだけ移動し、何度の角度傾斜するかも、実験や理論計算によって知ることができるから、これらに基づいて、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加したときに位置ズレ補正用電極２０にどれだけの電圧を印加すればよいかを知ることができる。
【００３１】
従って、例えば、制御装置（図１には図示せず）によりＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極に走査用の電圧を印加すると共に、当該制御装置からＺスキャナ５の位置ズレ補正用電極２０に対して、カンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルできる電圧を印加することによって、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができる。
【００３２】
この位置ズレ補正用電極２０に印加する電圧としては、実際的には、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極に印加する電圧の波形及び振幅を適宜調整したものでよい。
【００３３】
以上のように、この走査型プローブ顕微鏡においては、レーザ光源支持部６より下側、即ちカンチレバー１の側にあるＺスキャナ５に位置ズレ補正用電極２０を形成し、ホルダ支持部３からカンチレバー１までを一体としてＸ方向及び／またはＹ方向に変位させることができるので、ＸＹスキャナ４によって２次元走査を行った場合、走査範囲が広くても従来のようにカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量にズレが生じることはなく、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができるものである。
【００３４】
［第２の実施形態］
次に、図２に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形態の構成を示す。図２において、３０は位置ズレ補正用スキャナを示す。なお、図２において、図４に示すものと同じ構成要素については同一の符号を付している。
【００３５】
図２に示す構成では、レーザ光源支持部６とレーザ光源７との間には位置ズレ補正用スキャナ３０が配置されている。その他は図４に示すものと同じである。
【００３６】
位置ズレ補正用スキャナ３０は、チューブ型圧電体にＸ方向位置ズレ補正用電極と、Ｙ方向位置ズレ補正用電極が形成されたものであり、これらのＸ方向位置ズレ補正用電極及び／またはＹ方向位置ズレ補正用電極に電圧を印加することによって、レーザ光源７をＸ方向及び／またはＹ方向に変位可能となされている。
【００３７】
従って、ＸＹスキャナ４に２次元走査用の信号を印加して走査を行う際に、位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向位置ズレ補正用電極及び／またはＹ方向位置ズレ補正用電極に適宜な電圧を印加し、レーザ光源７をＸ方向及び／またはＹ方向に、上記のｌsinθだけ小さく変位させるようにすることによって、上述したカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルすることができる。
【００３８】
ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加したときに、レーザ光源支持部６からカンチレバー１までの部分がＸ方向、Ｙ方向にどれだけ移動し、何度の角度傾斜するかは、実験や理論計算によって知ることができ、また、位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向位置ズレ補正用電極、Ｙ方向位置ズレ補正用電極にどれだけの電圧を印加したときに、レーザ光源７がＸ方向、Ｙ方向にどれだけ移動し、何度の角度傾斜するかも、実験や理論計算によって知ることができるから、これらに基づいて、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加したときに位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極にどれだけの電圧を印加すればよいかを知ることができる。
【００３９】
従って、例えば、制御装置（図２には図示せず）によりＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極に走査用の電圧を印加すると共に、当該制御装置から位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向位置ズレ補正用電極、Ｙ方向位置ズレ補正用電極に対して、カンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルできる電圧を印加することによって、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができる。
【００４０】
この位置ズレ補正用スキャナ３０のＸ方向位置ズレ補正用電極、Ｙ方向位置ズレ補正用電極に印加する電圧としては、実際的には、ＸＹスキャナ４のＸ方向走査用電極、Ｙ方向走査用電極に印加する電圧の波形及び振幅を適宜調整したものでよい。
【００４１】
以上のように、この走査型プローブ顕微鏡においては、レーザ光源支持部６とレーザ光源７との間に位置ズレ補正用スキャナ３０を配置し、レーザ光源７をＸ方向及び／またはＹ方向に変位させることができるので、ＸＹスキャナ４によって２次元走査を行った場合、走査範囲が広くても従来のようにカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量にズレが生じることはなく、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができるものである。
【００４２】
［第３の実施形態］
次に、図３に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３の実施形態の構成を示す。図３において、４０は位置ズレ補正用スキャナを示す。なお、図３において、図４に示すものと同じ構成要素については同一の符号を付している。
【００４３】
図４においては、レーザ光源支持部６のレーザ光源７が取り付けられる部分には、積層型圧電体を用いた位置ズレ補正用スキャナ４０が配置されている。図３に示す構成の考え方は図２に示すものと同じであるが、図２では位置ズレ補正用スキャナ３０はチューブ型圧電体で構成されているが、図３では位置ズレ補正用スキャナ４０は積層形圧電体を用いて構成されている。図２に示す第２の実施形態と、図３に示す第３の実施形態の差異はこれだけであり、その他は第２の実施例で説明したものと同じである。
【００４４】
従って、この走査型プローブ顕微鏡によれば、レーザ光源支持部６のレーザ光源７が取り付けられる部分に位置ズレ補正用スキャナ４０を配置し、レーザ光源７をＸ方向及び／またはＹ方向に変位させることができるので、ＸＹスキャナ４によって２次元走査を行った場合、走査範囲が広くても従来のようにカンチレバー１の変位量と、レーザ光のスポット位置の変位量にズレが生じることはなく、常に、レーザ光のスポットをカンチレバー１の背面上に合わせることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形態の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３の実施形態の構成を示す図である。
【図４】２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナと高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナとの間にレーザ光源を配置して走査するプローブ走査方式を用いた走査型プローブ顕微鏡の構成例を示す図である。
【図５】走査時におけるＸＹスキャナ４の動きを説明するための図である。
【図６】発明が解決しようとする課題を説明するための図である。
【図７】発明が解決しようとする課題を説明するための図である。
【図８】発明が解決しようとする課題を説明するための図である。
【符号の説明】
１…プローブであるカンチレバー、２…カンチレバーホルダ、３…ホルダ支持部、４…ＸＹピエゾスキャナ（ＸＹスキャナ）、５…Ｚピエゾスキャナ（Ｚスキャナ）、６…レーザ光源支持部、７…レーザ光源、８、９、１０…ミラー、１１…検出器、１２…位置調整機構、１３…筐体、Ｓ…試料。
Claims (4)
- カンチレバーと、
カンチレバーの高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナと、
レーザ光源と、
カンチレバーとレーザ光源を一体として２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナと
を備える走査型プローブ顕微鏡であって、
Ｚピエゾスキャナには、ＸＹピエゾスキャナによる走査時に生じるカンチレバーの変位量と、レーザ光源からのレーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルするための位置ズレ補正用電極が形成されてなる
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 筐体と、
カンチレバーと、
カンチレバーの高さ方向の制御を行うためのＺピエゾスキャナと、
レーザ光源と、
筐体に取り付けられ、レーザ光源から放射されたレーザ光を反射する第１のミラーと、
筐体に取り付けられ、第１のミラーで反射されたレーザ光をカンチレバーの背面に向けて反射する第２のミラーと、
カンチレバーとレーザ光源を一体として２次元的な走査を行うＸＹピエゾスキャナと
を備える走査型プローブ顕微鏡であって、
レーザ光源は、ＸＹピエゾスキャナによる走査時に生じるカンチレバーの変位量と、レーザ光源からのレーザ光のスポット位置の変位量のズレをキャンセルするための位置ズレ補正用スキャナに取り付けられてなる
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 前記位置ズレ補正用スキャナはチューブ型圧電体を用いて構成されてなることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記位置ズレ補正用スキャナは積層型圧電体を用いて構成されてなることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
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