JP4262621B2

JP4262621B2 - 原子間力顕微鏡

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Publication number: JP4262621B2
Application number: JP2004090638A
Authority: JP
Inventors: 信明酒井; 喜裕上
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005274461A

Description

本発明は、原子間力顕微鏡に関する。本発明の原子間力顕微鏡は、主に生物試料の観察に用いられる走査型プローブ顕微鏡装置であって、生物試料のマニピュレーションや生物試料以外の試料の観察、加工なども行うことが可能な装置である。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（SCaＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）などの総称である。最近では試料表面にダイヤモンド製の探針を押しつけ圧痕をつけその圧痕のつき具合を解析して試料の固さなどを調べるナノインデンテータなどもこのＳＰＭの一つと位置づけられており、前述の各種の顕微鏡とともに広く普及している。

なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、機械的探針をその自由端にもつカンチレバー、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサー、機械的探針と試料とを相対的に走査するスキャナを主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。この光てこ式の光学式変位センサーは、カンチレバー上に直径２〜１０μｍ程度の光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて生じる変化を２分割ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作をとらえ電気信号として出力する。カンチレバーは、圧電素子などからなる励振機構により機械的共振周波数で励振されている。その振動振幅が一定になるようにスキャナをＺ方向に制御しながら、同じくスキャナをＸＹ方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示することができる。

このＡＦＭは、液体中の生きた生物試料の動く様子を光学顕微鏡より高い解像度で観察できる可能性があるとして注目されている。これまで生物試料の動く様子を観察できるのは光学顕微鏡だけであったが、光学顕微鏡は回折限界により光の波長以下の解像度で試料を観察するのは難しい。また、ナノメータオーダーの高い解像度を実現できる電子顕微鏡では、試料を液体中におくことは難しく、液体中の生きた生物試料の観察はできない。これに対しＡＦＭは、ナノメータオーダーの高い解像度を期待でき、液体中に試料があっても観察が可能であるからである。

以下に、ＡＦＭの背景技術の装置構成について図１〜図３を用いて説明する。図１において、背景技術のＡＦＭは、おおまかに倒立型光学顕微鏡機構と原子間力顕微鏡機構とからなる。後者は、カンチレバー１３、カンチレバーホルダ１２、液体２２、試料台２３、カンチレバーの変位を測定する、センサ光学系９と対物レンズ１１と位置ディテクタ１４とからなる光てこ式光学センサー機構、スキャナ保持台１７とスキャナ１８とマイクロメータ１９とからなる走査機構、モータ１０と可動支柱１５と固定支柱１６とからなるＺ粗動機構、コントローラ６、コンピュータ７とにより構成される。走査機構、光てこ式光学センサー機構、Ｚ粗動機構は、コントローラ６に接続され、コンピュータ７により制御される。また測定した結果はコンピュータ７で処理されモニターＴＶ上に表示することができる。

倒立型の光学顕微鏡機構は、顕微鏡鏡体１、照明光源ランプ４、ランプ光源５、ハーフミラー２０、ミラー２１、ＣＣＤカメラ２、テレビモニター３で構成され、主に試料の光学観察や、カンチレバー１３と光てこ式光学センサー機構のレーザ光の位置調整のために用いられる。顕微鏡鏡体１には板状構造部材８が通常のステージの代わりに取り付けられ固定されている。板状構造部材８の下側には、対物レンズ１１と原子間力顕微鏡のセンサ光学系が配置され、対物レンズ１１の光軸が板状構造部材８に垂直となるよう板状構造部材８に支持されている。対物レンズ１１は、倒立型の光学顕微鏡観察を行う為の対物レンズでもあり、光てこ式光学センサー機構の集光レンズの機能と併せ持っている。

対物レンズ１１の上方には、カンチレバー１３が配置され、その変位が光てこ式光学センサー機構によって測定される。カンチレバー１３は、板状構造部材８に対して５°〜１０°の範囲内の傾きをもつようカンチレバーホルダ１２により保持されている。カンチレバーホルダ１２には、カンチレバー１３をその機械的共振周波数で励振させるための圧電素子などからなる励振手段（図示しない）が設けられている。またカンチレバーホルダ１２には、生体試料観察に必要な液体２２がその表面張力を利用して置かれている。

ここで光てこ式光学センサー機構について図２を用いて説明する。光てこ式光学センサー機構は、半導体レーザ３３、コリメータレンズ３４、偏光ビームスプリッター３５、四分の一波長板３６、ハーフミラー３７からなるセンサ光学系９と対物レンズ１１および板状構造部材８の上方に配置された位置ディテクタ１４で構成される。位置ディテクタ１４は、２分割あるいは４分割されたフォトダイオード３０とプリアンプ回路基板３１からなる。

半導体レーザ３３から発せられたレーザ光をコリメータレンズ３４で平行光とし、偏光ビームスプリッター３５により片方の直線偏光成分の光のみを透過させる。透過された直線偏光のレーザ光は四分の一波長板３６で円偏光に変化された後、ハーフミラー３７で反射され、対物レンズ１１により集光されて、透明板３２、液体２２を介してカンチレバー１３に照射される。カンチレバー１３で反射されたレーザ光は、透明板３２、対物レンズ１１、ハーフミラー３７、四分の一波長板３６へと進む。四分の一波長板３６では円偏光が直線偏光に変換され偏光ビームスプリッター３５で反射して位置ディテクタ１４に至る。カンチレバー１３の先端が変位をするとその変位はフォトダイオード３０上のレーザ光スポットの位置変化に変換され、それに応じた電気信号がプリアンプ回路基板３１へと供給される。そしてプリアンプ回路基板３１は、その電気信号を光てこセンサ出力信号、すなわち、カンチレバー１３の変位信号に変換して出力する。

走査機構は、ＸＹＺ走査を担うスキャナ１８、スキャナ保持台１７、少なくとも２本のマイクロメータ１９（図１には１本のみが描かれている）とからなる。スキャナ１８には、試料台２３が設けられており、マイクロメータ１９によりスキャナ１８を介して、試料台２３をスキャナ保持台１７と平行なＸＹ平面内で粗動可能になっている。Ｚ粗動機構は、板状構造部材８に設けられた２本の支持部材１６（図１には１本のみが描かれている）、走査機構をＺ方向に粗動するためのＺ粗動ガイド１５、Ｚ粗動モータ１０からなる。このＺ粗動機構では、走査機構を支持部材１６とＺ粗動ガイド１５で３点支持し、Ｚ粗動モータ１０によりＺ粗動ガイド１５を伸縮させ、走査機構を板状構造部材８と垂直なＺ方向に沿うように粗動駆動する。

以上のように構成されたＡＦＭにおいては、測定時、つまりカンチレバー１３と試料が接触している時は、図３―Ａに示すように、スキャナ保持台１７と試料台２３の試料面とと板状構造部材８とはほぼ平行状態となる。またそれ以外では、図３―Ｂに示すように、Ｚ粗動ガイド１５を伸ばすことで試料をほぼＺ方向に回避させた状態になる。
特開2002-082037

しかしながら以上に説明した背景技術のＡＦＭには次の３つの問題がある。
１、カンチレバーが、対物レンズの光軸に垂直な面に対して５°〜１０°の範囲内の傾きをもつよう設置されている。カンチレバーの長さは１０μｍ程度あるので、カンチレバーの先端と根元に同時に焦点が合わない。これは、光学顕微鏡観察によるカンチレバーと光てこ式光学センサー機構によるレーザ光の位置調整を困難する。

２、カンチレバーが５°〜１０°の範囲内の傾きをもつよう設置されているので、カンチレバー先端の高さが高くなる。これは、表面張力によりカンチレバー全体を液体に浸すのを困難にする。液体の量も無駄に増えることにもなる。

３、測定状態、つまりカンチレバーと試料（試料台）が接触している状態では、試料面は対物レンズの光軸とほぼ垂直になり、カンチレバーから洩れたり透過したりしたレーザ光の試料面反射による戻り光が増える。これは、光てこ式光学センサーのノイズを増やす原因になる。近年のＡＦＭでは、高速化のためにカンチレバーのサイズが非常に小さくなっているので、レーザ光の試料面反射による戻り光は増える傾向にある。

従って本発明の目的は、上記課題を解決することで、操作性が良く、ノイズの少ない原子間力顕微鏡を提供することにある。

前記問題を解決し、前記目的を達成するために、本発明の原子間力顕微鏡においては、カンチレバーは、前記対物レンズの光軸に垂直な面である水平面とほぼ平行に配置され、試料保持台の試料面はカンチレバーと５ないし１０度の角度を成している。

また本発明の原子間力顕微鏡においては、スキャナ保持台には、試料面と「対物レンズの光軸に垂直な面である水平面」の成す角度が５°〜１０°の範囲に入るときに、「対物レンズの光軸に垂直な面である水平面」とほぼ平行になる面を備えている。

さらに本発明の原子間力顕微鏡においては、スキャナ保持台の「対物レンズの光軸に垂直な面である水平面」とほぼ平行になる面に、傾斜角を測る水準器が設けられている。

本発明の原子間力顕微鏡によれば、カンチレバーを対物レンズの光軸に垂直な面に対して平行に配置し、かつ試料面を対物レンズの光軸に垂直な面に対して５°〜１０°範囲内の傾きをもつよう配置することで、カンチレバーと光てこ式光学センサー機構によるレーザ光の位置調整が簡単になる。また、カンチレバー全体を液体に浸しやすくなるとともに、必要な液体も少なくなる。さらに、光てこ式光学センサー機構への不要な戻り光が減るので、ノイズを低減できる。

また、本発明の原子間力顕微鏡によれば、試料面の対物レンズの光軸に垂直な面に対する角度を調整するための水準器を備えているので、試料面と対物レンズの光軸に垂直な面との角度をコントロールし易くなり、またカンチレバーと試料面との距離も概略判断が可能になる。従って、本発明によれば、操作性が非常に良く、かつノイズの少ない原子間力顕微鏡を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を図４に示す。図1ないし図3を用いて説明した背景技術と同様の構成要素や同様の機能部材等には同じ番号と名称を用いるものとする。図４において、ＡＦＭは、おおまかに倒立型光学顕微鏡機構と原子間力顕微鏡機構とからなる。後者は、カンチレバー１３、カンチレバーホルダ４０、液体２２、試料台２３、カンチレバーの変位を測定する、センサ光学系９と対物レンズ１１と位置ディテクタ１４とからなる光てこ式光学センサー機構、スキャナ保持台４３とスキャナ１８とマイクロメータ１９とからなる走査機構、モータ１０とＺ粗動ガイド４１と支持部材４２とからなるＺ粗動機構、コントローラ６、コンピュータ７とからなる。走査機構、光てこ式光学センサー機構、Ｚ粗動機構は、コントローラ６に接続され、コンピュータ７により制御される。また測定した結果はコンピュータ７で処理されモニターＴＶ上に表示することができる。

倒立型の光学顕微鏡機構は、顕微鏡鏡体１、照明光源ランプ４、ランプ光源５、ハーブミラー２０、ミラー２１、ＣＣＤカメラ２、テレビモニター３で構成され、主に試料の光学観察や、カンチレバー１３と光てこ式光学センサー機構のレーザ光の位置調整のために用いられる。顕微鏡鏡体１には板状構造部材８が通常のステージの代わりに取り付けられ固定されている。板状構造部材８の下側には、対物レンズ１１と原子間力顕微鏡のセンサ光学系が配置され、対物レンズ１１の光軸が板状構造部材８に垂直となるよう板状構造部材８に支持されている。対物レンズ１１は、倒立型顕微鏡観察を行う為の対物レンズでもあり、光てこ式光学センサー機構の集光レンズの機能と併せ持っている。

対物レンズ１１の上方には、カンチレバー１３が配置され、その変位が光てこ式光学センサー機構によって測定される。カンチレバー１３は、板状構造部材８に対して平行となるようカンチレバーホルダ４０により保持されている。カンチレバーホルダ４０には、カンチレバー１３をその機械的共振周波数で励振させるための圧電素子などからなる励振手段（図示しない）が設けられている。またカンチレバーホルダ４０には、生体試料観察に必要な液体２２がその表面張力を利用して置かれている。

光てこ式光学センサー機構の構成については、図２を用いて説明した背景技術のＡＦＭと同等なので説明を省略する。

走査機構は、ＸＹＺ走査を担うスキャナ１８、スキャナ保持台４３、少なくとも２本のマイクロメータ１９（図４には１本のみが描かれている）とからなる。スキャナ１８は、スキャナ保持台４３の面４４に対して例えば８°の傾きをもって保持されている。本実施形態では８°としたが、５°〜１０°程度の範囲なら何度でもよい。スキャナ１８には試料台２３が設けられており、マイクロメータ１９によりスキャナ１８を介して、試料台２３をスキャナ保持台４３の面４４に対して８°の傾きをもつ面内で粗動可能になっている。

Ｚ粗動機構は、板状構造部材８に設けられた２本の支持部材４２（図４には１本のみが描かれている）、走査機構をＺ方向に粗動するためのＺ粗動ガイド４１、Ｚ粗動モータ１０からなる。このＺ粗動機構では、走査機構を支持部材４２とＺ粗動ガイド４１で３点支持し、Ｚ粗動モータ１０によりＺ粗動ガイド４１を伸縮させ、走査機構を板状構造部材８と垂直なＺ方向に沿うように粗動駆動する。

図６は、板状構造部材８を上方からみた配置図である。図６において、２本の支持部材４２および４２−２は位置ディテクタ１４を挟み、Ｚ粗動ガイド４１を頂点とする二等辺三角形を構成している。

図７は走査機構を下方からみた図である。図７において、スキャナ保持台４３には「点４５」、「溝４６」、「面４４と平行な平面４７」が設けられており、支持部材４２および４２−２とＺ粗動ガイド４１でキネマティックマウント式３点支持（点・溝・平面）により保持される構成になっている。

図８は走査機構を上方からみた図である。図８において、スキャナ保持台４３に２本のマイクロメータ１９および１９−２が設けられており、マイクロメータ１９および１９−２によりスキャナ１８を介して、試料台２３をスキャナ保持台４３の面４４に対して８°の傾きをもつ面内で粗動可能になっている。

以上のように構成されたＡＦＭにおいては、測定時、つまりカンチレバー１３と試料が接触している時は、図５―Ａに示すように、試料台２３の試料面が板状構造部材８に対して８°傾いた状態となる。一方、面４４と板状構造部材８が平行となる。また測定時以外では、図３―Ｂに示すように、Ｚ粗動ガイド１５を伸ばすことで試料をほぼＺ方向に回避させた状態になる。

以上のように構成されたＡＦＭにおいては、カンチレバー１３は対物レンズ１１の光軸に垂直な面に対して平行に配置される。従って、カンチレバー１３の光学顕微鏡観察が容易になる。すなわちカンチレバー１３と光てこ式光学センサー機構によるレーザ光の位置調整が簡単になる。また、カンチレバー１３全体を液体２２に浸しやすくなるとともに、必要な液体２２の量も少なくなる。

また以上のように構成されたＡＦＭにおいては、試料面は対物レンズの光軸に垂直な面に対して８°の傾きをもつよう配置されるので、試料面でのレーザ反射光が光てこ式光学センサー機構へ戻りにくくなる。従って、戻り光に起因するノイズを減らすことができる。

本発明の第２の実施の形態の原子間力顕微鏡の走査機構を図９〜図１０に示す。図９において、スキャナ１８、マイクロメータ１９および１９−２、試料台２３、スキャナ保持台４３は図８に示した走査機構と同一のものである。水準器５０は、面４４上に設けられた水準器である。この水準器５０は面４４の水平を測るもので、水準器５０がほぼ水平状態を示している場合、面４４は板状構造部材８とほぼ平行になる。すなわち、試料面が対物レンズの光軸に垂直な面に対して８°傾いた状態になる。

これによれば、試料面と対物レンズの光軸に垂直な面の成す角度をコントロールし易くなり、またカンチレバー１３と試料面との距離も概略判断が可能になる。これは、ＡＦＭの操作性の向上につながる。

カンチレバー１３と試料が接触している時に板状構造部材８に対して平行となる面、つまり、面４４と同様の機能を有する面は、スキャナ保持台４３上にではなく、スキャナ１８の上面にあってもよい。

また、実施形態２の水準器５０の代わりに、図１０に示すように、１方向水準器を２つ（水準器５１と水準器５２）用いても同様の効果が得られる。水準器５１だけを用いても最低限の効果は得られる。さらに、実施形態１および２に示したマイクロメータ１９および１９−２は、図１１に示すマイクロメータ１９−３および１９−４ように、４５°傾けて配置してもよい。

本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更がされてもよい。

倒立型の光学顕微鏡機構と原子間力顕微鏡機構とからなる背景技術の装置構成を示す図である。背景技術の装置の光てこ式光学センサー機構を示す図である。背景技術の装置のスキャナ保持台と板状構造部材の関係を示す図である。本発明の第１実施形態の原子間力顕微鏡を示す図である。本発明の第１実施形態のスキャナ保持台と板状構造部材の関係を示す図である。本発明の第１実施形態の板状構造部材８を上方からみた配置図をしめす図である。本発明の第１実施形態の走査機構を下方からみた図である。本発明の第１実施形態の走査機構を上方からみた図である。本発明の第２実施形態の原子間力顕微鏡の走査機構を示す図である。本発明の第２実施形態の原子間力顕微鏡の走査機構を示す図である。本発明のマイクロメータの配置を示す図である。

符号の説明

１：顕微鏡鏡体
２：CCDカメラ
３：テレビモニター
４：照明光源ランプ
５：ランプ光源５
６：コントローラ
７：コンピュータ
８：板状構造部材
９：センサ光学系
１０：Ｚ粗動モータ
１１：対物レンズ
１２：カンチレバーホルダ
１３：カンチレバー
１４：位置ディテクタ
１５：Ｚ粗動ガイド
１６：支持部材
１７：スキャナ保持台
１８：スキャナ
１８−２：スキャナ
１９：マイクロメータ
１９−２：マイクロメータ
１９−３：マイクロメータ
１９−４：マイクロメータ
２０：ハーフミラー
２１：ミラー
２２：液体
２３：試料台
２４：（なし）
２５：（なし）
２６：（なし）
２７：（なし）
２８：（なし）
２９：（なし）
３０：フォトダイオード
３１：プリアンプ回路基板
３２：透明板
３３：半導体レーザ
３４：コリメータレンズ
３５：偏光ビームスプリッター
３６：四分の一波長板
３７：ハーフミラー
３８：（なし）
３９：（なし）
４０：カンチレバーホルダ
４１：Ｚ粗動ガイド
４２：支持部材
４３：スキャナ保持台
４４：面
４５：点
４６：溝
４７：平面
４８：（なし）
４９：（なし）

５０：水準器
５１：水準器
５２：水準器

Claims

試料を保持する試料面を有する試料台と、
前記試料台を保持し、前記試料面に平行な方向と前記試料面に垂直な方向に走査動作させるスキャナと、
前記スキャナを保持し粗動位置調整するスキャナ保持台と、
前記スキャナ保持台を保持する鏡体と、
前記試料に対峙して配置されるカンチレバーと、
前記カンチレバーを保持するカンチレバー保持機構と、
前記カンチレバー保持機構上に設けられた液体と、
対物レンズと、
前記対物レンズを含む光学顕微鏡の照明光学機構および観察光学機構と、
カンチレバーの変位状態を検出する前記対物レンズを含む光学式変位検出機構とを有する原子間力顕微鏡において、
前記カンチレバーは、前記対物レンズの光軸に垂直な面である水平面と略平行に配置され、
試料保持台の試料面はカンチレバーと５ないし１０度の角度を成していることを特徴とする原子間力顕微鏡。
前記スキャナ保持台には、前記試料面と「前記対物レンズの光軸に垂直な面である水平面」とが５ないし１０度の角度を成しているときに、「前記対物レンズの光軸に垂直な面である水平面」と略平行になる面を備えていることを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
前記スキャナ保持台の「前記対物レンズの光軸に垂直な面である水平面と略平行になる面」には、水準器が設けられていることを特徴とする請求項２記載の原子間力顕微鏡。