JP4754363B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、試料の表面にプローブを近接させて走査することにより、試料の表面形状や光学特性、電気特性などの物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

周知のように、金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の光学特性や電気特性等の物性情報や試料の表面形状の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている。

これら走査型プローブ顕微鏡では、先端にプローブが設けられ、背面に反射面を有する長尺状のカンチレバーと、光を照射する光源と、この光源から照射された光を受光する受光部と、を備えたものが周知となっている（例えば、特許文献１参照。）。

図１０に、従来の走査型プローブ顕微鏡を示す。光源（レーザ)103からカンチレバー102の反射面に光を照射すると、反射面によって反射された光が受光部（２分割センサー）105に到達する。このとき、例えば試料112の凹凸形状に応じてカンチレバー102が撓むと、受光部105上のスポット位置がずれることになる。受光部105表面には２分割された光検出用のセンサが配置されており、スポット位置がずれることで、各々の光検出用センサの出力差が変化し、カンチレバー102の変位を測定することができ、その結果、試料の凹凸形状を測定することができる。このように構成された変位検出機構は一般に光てこ方式と呼ばれている。

光てこ方式の変位検出機構では、まず、光源103からの光をカンチレバー102背面の反射面に位置合わせを行う必要がある。このとき、試料112の直上または下側に対物レンズ（図示せず）を配置して、試料112面上に照射された光のスポットと、カンチレバー102を前記対物レンズで観察しながら、カンチレバー102の反射面に光源を動かしたり、あるいは光の光線をあおったりして位置合わせが行われている。

また、走査型プローブ顕微鏡では、試料の詳細測定を行う前に、初期観察を行って測定箇所を特定すると、効率の良い詳細測定が可能となる。そのため、試料やカンチレバーの上方や下方に、対物レンズや照明系を配置することにより、試料の光学顕微鏡像が得られ、これにより、例えば試料の表面の傷などが観察されて測定すべき箇所が特定される。また、該対物レンズにより光学特性を測定するためにプローブ先端に対して光の照射や集光が行われることもある。この対物レンズは前述した光てこの光のスポット位置合わせ用の対物レンズを兼ねることが多い。
特開平７−２６０８０３号公報

しかし、試料の位置合わせを行うために、試料やカンチレバーの上方や下方に、対物レンズや照明系を配置すると、上述の光源や受光部を設置するスペースが少なくなるため、光源からの光を上方から垂直に反射面にあてることができなくなる。そこで、光源からの光を斜め方向から反射面に照射することが考えられる。この場合、光のスポット観察用の対物レンズに対して、暗視野照明状態で光てこの光が試料に照射されるため、光てこの位置合わせ時に試料表面上の光のスポット観察が不可能となってしまう。

そのため、光てこの光源からの光をカンチレバー上の反射面に位置合わせする際に、試料表面上のどこの位置に光のスポットがあるかを観察できないので、カンチレバーや光源を動かす方向が判断できず、位置合わせが難しいという問題があった。

また、プローブ先端に設けた微小開口部から試料に光を照射し、試料の光学特性を観察する走査型近接場顕微鏡や、プローブ先端に導電コートを行い、プローブ先端で半導体の電気的特性を測定する走査型プローブ顕微鏡の場合、光てこの光源からの光が光学特性を測定するための光のノイズとなったり、あるいは半導体試料が光電反応して特性が変わってしまったりすることがある。この対策として、光てこの光源からの光の波長を試料特性や検出光に影響を及ぼさないような波長にすることが行われている。

しかしながら、光てこの光源を試料特性や検出光に影響を及ぼさないような紫外域や赤外域の波長にした場合、対物レンズに取り付けられたカメラの感度の関係により、観察が不可能であったり、観察可能であっても、高価なカメラを導入する必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、暗視野状態での照明や、観察が困難な波長に対して、光源からの光のスポット観察が可能となるような走査型プローブ顕微鏡を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。

試料の表面に近接させるプローブが設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーに設けられた反射面に光を照射する光源と、この光源から照射されて前記反射面によって反射された光を受光する受光部とを備え、この受光部内の受光位置によってカンチレバーの変位を検出する走査型プローブ顕微鏡において、光源から照射される光のスポットを観察するためのターゲット板を配置し、ターゲット板上に照射された光のスポットとカンチレバーの位置とを観察しながら、光のスポットの位置がカンチレバーの反射面になるように位置合わせを行うようにした。さらに、ターゲット板上の光のスポットをターゲット板表面の直上から観察するか、またはターゲット板の基板の材質を前記光源の光を透過する材質で形成してターゲット板表面のスポットを基板の下側から観察するようにした。

また、ターゲット板表面に、光源からの光を散乱させる周期構造またはランダム構造を設けた。

この周期構造またはランダム構造は、ターゲット板の基板上に設けられた金属膜により構成した。この金属膜の構造は、スパッタ法によりターゲット板の基板上に金属膜を形成する工程と、金属膜上にレジスト膜を塗布する工程と、紫外線や電子線などのビームによりレジスト膜にパターンを形成する工程と、ウェットエッチングやドライエッチングなどのエッチング法によりレジスト膜のパターン部分の金属膜を除去する工程と、前記レジスト膜を酸素プラズマなどで除去する工程を少なくとも含んで作製した。

また、前記周期構造またはランダム構造は、前記ターゲット板表面上に形成された凹凸で作製した。

また、前記周期構造またはランダム構造は、前記ターゲット板表面を凹凸に作製した。

また、前記周期構造またはランダム構造は、前記ターゲット板上に散乱体を分散させた構造とした。

さらに、前記周期構造の周期またはランダム構造内の隣り合う構造体の間隔は、前記ターゲット板上に照射される光のスポット径以下になるようにで作製した。

また、ターゲット板の直上または、基板の下側に前記光源から照射される光のスポットを観察するための対物レンズを配置し、前記対物レンズに対して、前記光源から暗視野状態で光を照射するようにした。

このように散乱体によりターゲット板を構成することで、光源からの光を対物レンズに対して暗視野状態で照射した場合でも、ターゲット板上で光源からの光のスポットが散乱されるため、その散乱光を対物レンズで観察することで、光のスポット観察が可能となりスポットをカンチレバーの背面に容易に位置合わせすることが可能となる。

また、本発明では、前記ターゲット板表面に、前記光源の光の波長を励起することで、異なる波長の光を発光する物質を設けた。また、光源の光の波長が、波長７００ｎｍ以上または波長４００ｎｍ以下とし、前記ターゲット板上の発光物質により、波長４００ｎｍ以上かつ波長７００ｎｍ以下の波長を発光させるようにした。

このように構成することで、紫外域や赤外域など波長領域の光を使用した場合でも可視域の光に変換することにより、容易に光のスポット観察を行うことができる。

また、ターゲット板上に、走査型プローブ顕微鏡観察時のカンチレバー周囲の物質と同じ屈折率を有する物質を配置し、該物質内に前記カンチレバーを配置した状態で反射面に光のスポットの位置合わせを行うようにした。

このように構成することで、光のスポットの位置合わせ時と測定時のカンチレバー周囲の物質の屈折率の違いによるスポットのずれを防ぐことができる。

本発明によれば、前述のようにターゲット板上に周期構造またはランダム構造を有することで、光源からの光を対物レンズに対して暗視野状態で照射した場合でも、ターゲット板上で光のスポットが散乱されるため、前記対物レンズにより光のスポット観察が可能となり光のスポットをカンチレバーの背面に容易に位置合わせすることが可能となる。

その結果、変位検出機構のからの光を斜め方向からカンチレバーの反射面に照射することできるため、カンチレバー直上の空間が確保でき、試料の詳細測定を行う前の初期観察用の対物レンズや照明を試料により近接させることが可能となり、高分解能で被測定箇所の観察を行うことが可能となる。また、対物レンズにより光学特性を測定するために光の照射や集光を行う場合でも照射や検出の効率が向上する。

また、前記ターゲット板表面に、前記光源の光の波長を励起することで、異なる波長の光を発光する物質を設けることで、紫外域や赤外域の光を使用した場合でも可視域の光に変換することで、容易に光のスポット観察を行うことができる。

その結果、光てこの光が光学特性を測定するための光のノイズとなったり、あるいは半導体試料が光電反応して特性が変わってしまったりすることがなく、より高精度の測定を行うことができる。

さらに、ターゲット板上に、走査型プローブ顕微鏡観察時のカンチレバー周囲の物質と同じ屈折率を有する物質を配置し、該物質内に前記カンチレバーを配置した状態で反射面に光のスポットの位置合わせを行うようすることで、スポットの位置合わせ時と測定時のカンチレバー周囲の物質の屈折率の違いによるスポットのずれを防ぐことができる。

図１は本発明の実施例１である走査型プローブ顕微鏡の概観図である。

本実施例では、試料1の表面に近接させるプローブ2aが設けられたカンチレバー2と、試料1を平面内で走査しながら、プローブ2aと試料表面1の距離制御を行うための３軸微動機構3と、プローブ2aと試料1を近接させるための粗動機構4と、光源5と受光部6から構成される変位検出機構7と、前記光源5からの光を散乱させるターゲット板8と、プローブ2aと試料1の表面の観察を行う光学顕微鏡部9から構成される。

前記変位検出機構7の光源5は、波長670nmの半導体レーザを使用する。光源５からのレーザ光は、試料1の表面に垂直かつカンチレバー2の長軸を含む平面内で、プローブ先端2aを通り、試料1の表面に垂直な軸に対して、斜め上方からカンチレバー背面の反射面2bに集光される。反射面2bで反射したレーザ光の光は、カンチレバー2の長軸に垂直で前記反射面2bを通る軸に対して入射光と線対称な光軸上に配置され、受光面が２分割された半導体検出器よりなる受光部6に導かれ、受光面上に光のスポットを形成する。

プローブ2bと試料1を粗動機構4により近接させて、プローブ先端2aに原子間力が働く領域になると、カンチレバー2にたわみが生じる。このとき、受光面6上に形成されたレーザ光のスポットはカンチレバー2のたわみに応じて受光面上を移動する。

このとき、２分割された検出部の出力差を計測することによりカンチレバー2のたわみが測定される。カンチレバー2のたわみ量はプローブ2 aと試料1間の距離に依存するため、このたわみ量が一定となるように３軸微動機構3によりプローブ2aと試料1の表面間の距離を調整しながら、試料1の表面内でプローブ2aをスキャンすることにより、試料1表面の凹凸形状を測定することが可能となる。

ここで、測定に際して、光学顕微鏡9により、カンチレバー2と試料1の表面を観察してあらかじめ被測定箇所の位置合わせが行われる。このとき、光学顕微鏡9の対物レンズ10は試料1の表面の直上に配置されており、高倍率で開口数の高いレンズを使用することでより高精度の位置合わせが可能となる。このようなレンズは一般に作動距離が短く、試料1とカンチレバー2に近接させる必要がある。

本実施例では、変位検出機構7のレーザ光の光路を、対物レンズ10の光軸に対して斜め方向になるように構成しているため、カンチレバー2の直上に対物レンズ10を配置する空間を設けることができ、対物レンズ10を試料1とカンチレバー2に接近させることが可能となる。

一方、カンチレバー2は消耗品であり、通常、消耗するごとに交換される。カンチレバーを交換した場合、取付誤差やカンチレバーの形状の違いにより、変位検出機構7のレーザ光の光軸に対して、反射面2bの位置がずれてしまい、交換の都度、変位検出機構7の光軸またはカンチレバー2を動かして、反射面2bに変位検出機構7のレーザ光が照射されるように位置合わせを行う必要がある。

従来技術でのレーザ光の位置合わせは、試料面にもレーザ光を照射し、前記対物レンズ10により、カンチレバー2と試料表面のレーザ光によるスポットを同時に観察しながら行われる。

しかしながら、本実施例では、スポット観察用の対物レンズ10の光軸に対して、変位検出機構7の光軸が斜めとなっており、試料1で反射されたレーザ光は対物レンズ10に入射してこない暗視野照明の状態となっており、光学顕微鏡9で観察ができない。

そこで、本実施例では、試料1とカンチレバー2を少し離した状態で、カンチレバー2と試料1の間にターゲット板8を挿入し、このターゲット板8に照射されたスポットを観察することでスポット位置を認識するようにした。

前記ターゲット板8上には光を散乱させる周期構造またはランダム構造を有した凹凸形状が設けられており、この構造体でレーザ光が散乱される。そして、レーザ光の散乱光は対物レンズ10に入射できるようになり、それを集光して結像レンズ11でＣＣＤカメラ12上に投影してレーザ光の観察を行うようにした。

レーザ光を反射面2bに位置合わせしたあとは、ターゲット板8をカンチレバー2の下側から引き出し、変位検出機構7とカンチレバー2の位置関係を固定したままで、試料1をプローブ2aに接近させて走査型プローブ顕微鏡の測定が行われる。

ここで、図２乃至図５によりターゲット板の構造例を詳細に説明する。

図２（ａ）は、ターゲット板8の表面構造を示す平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）を部分拡大した平面図、図２（ｃ）は図２（ａ）を部分拡大した図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。

このターゲット板8はガラス基板14上に一辺が１μｍで厚さが20nmの格子状に周期的なクロムの膜15を形成した構造である。ここで、図１の変位検出機構7の試料1表面でのレーザ光のスポット径は直径１０μｍであり、周期構造の周期はスポット径の直径よりも小さくすることによりレーザ光のスポット内に散乱体が確実に存在する状態である。レーザ光のスポットはクロム15とガラス14の境界のエッジ部分で散乱されて対物レンズ10で観察することが可能となる。

次に図２のターゲット板8の散乱体の形状の製作方法を述べる。この製作方法は一般に行われているフォトマスクの製造方法により行われる。すなわち、スパッタ方式によりガラス板14上に金属膜であるクロム15を形成し、前記クロム15上にレジスト膜を塗布し、レーザビームによりレジスト膜にパターンを形成し、エッチング方式によりレジスト膜のパターン部分のクロム膜15を除去し、前記レジスト膜を除去することで製作される。

図３にターゲット板8の別の例を示す。図３（ａ）はターゲット板8の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面の拡大図である。このターゲット板8は、ガラス基板17上に溝を掘って断面視三角形状の凹凸18をつけた形状である。凹凸18の周期は１μｍ、高さは100nmである。このように基板上に凹凸18をつけることで凹凸18のエッジ部分でレーザ光のスポットが散乱される。

図４にターゲット板8について別の例の断面図を示す。図４のターゲット板8はガラス表面を砂番＃４００程度の研磨剤で研磨し、ランダムな粗さ構造とした例である。このようなターゲット板は一般に摺りガラスと呼ばれている。このターゲット板を使用すると表面の微小な凹凸によりスポットが散乱される。

図５にさらにターゲット板8について別の例を示す。図５(a)はターゲット板8の平面図、図５（ｂ）は図5(a)のＢ−Ｂ断面の拡大図である。厚さ0.17mmのガラス基板21上に直径1μm程度のビーズ22をランダムに並べた構造である。ビーズ22をポリビニルアルコールなどに溶かして、ガラス基板21上に垂らし、スピンコートし、表面を乾かすことで表面にビーズが並べられる。このときビーズとビーズの間隔はスポット径以下としている。この間隔は、ポリビニルアルコール内のビーズの濃度により調整可能である。このビーズによりスポットが散乱されてスポット観察を行うことができる。

なお、実施例１ではターゲット板の上方から観察する方式であるため、基板は透過性である必要はなく、ガラス以外にも、たとえば半導体基板や金属基板などを用いてもよい。

図６は本発明の実施例２である走査型プローブ顕微鏡の概観図である。

図６は、ターゲット板8上のスポットを、ターゲット板8を透過させてプローブ2aに対してターゲット板8の下側から観察する方式である。

本実施例では、試料1の表面に近接させるプローブ2aが設けられたカンチレバー2と、試料1を平面内で走査しながら、プローブ2aと試料1の表面の距離制御を行うための３軸微動機構30と、プローブ2aと試料1を近接させるための粗動機構（図示せず）と、光源5と受光部6から構成される変位検出機構7と、前記光源5からの光を散乱させるターゲット板8と、カンチレバー2と試料1表面の観察を行う光学顕微鏡部31から構成される。

前記変位検出機構7の光源5は、波長670nmの半導体レーザを使用して、試料1の表面に垂直かつカンチレバー2の長軸を含む平面内で、プローブ先端2aを通り、試料1の表面に垂直な軸に対して、斜め上方からカンチレバー背面の反射面2bに集光される。反射面2bで反射した光(レーザ光)は、カンチレバー2の長軸に垂直で前記反射面2bを通る軸に対して入射光と線対称な光軸上に配置され、受光面が２分割された半導体検出器よりなる受光部6に導かれ、受光面上にレーザ光のスポットを形成する。

プローブ2aと試料1を粗動機構により近接させて、プローブ先端2aに原子間力が働く領域になると、カンチレバー2にたわみが生じる。このとき、受光面6上のレーザ光のスポットはカンチレバー2のたわみに応じて受光面6上を移動する。

このとき、２分割された検出部の出力差を計測することによりカンチレバー2のたわみが測定される。カンチレバー2のたわみ量はプローブ2bと試料1の間の距離に依存するため、このたわみ量が一定となるように３軸微動機構30によりプローブ2aと試料1の表面間の距離を調整しながら、試料1の表面内をプローブ2aでスキャンすることにより、試料表面の凹凸形状を測定することが可能となる。

ここで、測定に際して、光学顕微鏡31により、プローブ2aと試料1の表面を観察してあらかじめ被測定箇所の位置合わせが行われる。本実施例では、3軸微動機構30の中心部分に透過穴30aが設けられており、光学顕微鏡31の対物レンズ32はプローブ2aに対して試料1の下面に配置されている。また、試料1の直上には、光学顕微鏡観察に使用する照明用の光源34と、光源34からの光を集光して試料1に照射するためのコンデンサレンズ33がカンチレバー２の上方に配置されている。対物レンズ32で観察された光学顕微鏡像はミラー35で光路を曲げられて結像レンズ36によりＣＣＤカメラ37に導かれる。これらのコンデンサレンズ33や対物レンズ32は高倍率で開口数の高いレンズを使用することでより高精度の位置合わせが可能となる。このようなレンズは一般に作動距離が短く、試料1とカンチレバー2に近接させる必要がある。本実施例では倍率60倍、開口数0.7、作動距離1.5mmの対物レンズ32と、開口数0.55、作動距離30mmのコンデンサレンズ33を用いた。

本実施例では、変位検出機構7の光路を、対物レンズ33の光軸に対して斜め方向になるように構成しており、また試料1の下面側の３軸微動機構30にも透過穴30aを設けているため、カンチレバー2直上にコンデンサレンズ33を、試料1の下面に対物レンズ32を配置する空間を設けることができ、高精度の観察が可能となる。

本実施例でも、レーザ光のスポット観察用の対物レンズ32の光軸に対して、変位検出機構7の光軸が斜めとなっており、試料1で反射された光は対物レンズ32に入射してこない暗視野照明の状態となっており、光学顕微鏡31で観察ができない。

そこで、本実施例では、試料1とカンチレバー2を少し離した状態で、カンチレバー2と試料1の間にターゲット板8を挿入し、このターゲット板8に照射されたレーザ光のスポットを観察することでスポット位置を認識するようにした。

このとき、表面観察用の対物レンズ32を兼用してもよいが、試料1の表面に対してターゲット板1の表面までの作動距離が長くなり、ターゲット板8上のスポットを探すためには広範囲が観察できる対物レンズの方がスポット観察には適しているため、光学顕微鏡で一般的に用いられている、レボルバなどの対物レンズ交換機構（図示せず）で、倍率１０倍、開口数0.3、作動距離16mmの対物レンズに交換してスポット観察を行った。

前記ターゲット板8上には光を散乱させる周期構造またはランダム構造が設けられており、この構造体でスポットを散乱させて、散乱光を対物レンズ32で集光し、結像レンズ36でＣＣＤカメラ37上に投影してスポットの観察を行うようにした。このターゲット板8は図２乃至図５に示した実施例１で使用したものと同様の構成としターゲット板の基板はターゲット板の裏面から観察可能なように、ターゲット板の表面で散乱された光が透過できるように石英ガラスで作製した。

レーザ光のスポットを反射面2bに位置合わせしたあとは、ターゲット板8をカンチレバー2の下側から引き出し、変位検出機構7とカンチレバー2の位置関係を固定したままで、試料1をプローブ2aに接近させて走査型プローブ顕微鏡の測定が行われる。

図７は本発明の実施例３である走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型近接場顕微鏡の概観図である。

図７の実施例も図６の実施例２と同じく、ターゲット板8上のレーザ光のスポットを、ターゲット板8を透過させてプローブ51に対してターゲット板8の下側から観察する方式である。

本実施例では、光ファイバーを先鋭化し、長軸に対して先端を曲げ、プローブ先端に直径50nmの開口部を形成し、開口部以外をアルミニウムで被膜して遮光したベント型の光ファイバープローブ51を使用した。この光ファイバープローブの末端51cに、波長532nmの半導体レーザ54のレーザ光を集光レンズ53により集光し、光ファイバープローブ51に導入する。このように構成することで、プローブ先端51aの開口部にエバネッセント場が形成される。

本実施例では、カンチレバーの代わりに光ファイバーの長軸方向がカンチレバーとして機能する光ファイバープローブ51を用い、試料1を平面内で走査しながら、プローブ51aと試料1の表面の距離制御を行うための３軸微動機構30と、プローブ51aと試料1を近接させるための粗動機構（図示せず）と、光源41と受光部42から構成される変位検出機構40と、前記光源41からの光を散乱させるターゲット板8と、光ファイバープローブ51と試料1の表面の観察を行う光学顕微鏡部43から構成される。

本実施例の試料1は、波長532nmの光で励起され、波長600nm程度の蛍光を発する蛍光色素で染色したＤＮＡとした。

前記変位検出機構40の光源41は、前記試料1からの蛍光と光源41の光を分離するため、波長830nmのスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を用いた。

この光源41を試料1の表面に垂直かつ光ファイバープローブ51の長軸を含む平面内で、プローブ先端51aを通り、試料1の表面に垂直な軸に対して、斜め上方から光ファイバープローブの背面に設けた反射面51bに集光させた。反射面51bで反射した光は、光ファイバープローブ51の長軸に垂直で前記反射面51bを通る軸に対して入射光と線対称な光軸上に配置され、受光面が２分割された半導体検出器よりなる受光部42に導かれ、受光面上にスポットを形成する。

光ファイバープローブ51は、ピエゾ素子により構成される振動子52によりプローブ先端51aを試料1に垂直な面内で光ファイバープローブ51の共振周波数近傍で加振させている。プローブ51bと試料1を粗動機構により近接させて、プローブ先端51aに原子間力が働く領域になると、光ファイバープローブ51の振幅が変化する。このとき、受光面42上のスポットは光ファイバープローブ51の変位に応じて受光面42上を移動する。

このとき、２分割された検出部の出力差を計測することにより光ファイバープローブ51の振幅が測定される。光ファイバープローブ51の振幅量はプローブ51aと試料1の間の距離に依存するため、この振幅量が一定となるように３軸微動機構30によりプローブ51aと試料1の表面間の距離を調整しながら、試料1の表面内でプローブ51aをスキャンすることにより、試料1の表面の凹凸形状を測定することが可能となる。

このとき、試料1の下面に配置された対物レンズ32で、プローブ開口部51aに発生したエバネッセント光で励起されて試料1から発光される蛍光を集光し、ダイクロイックミラー44と吸収フィルタ45で励起光成分と蛍光成分を分離し、結像レンズ46で結像し、さらに、ローパスフィルタ47により蛍光成分のみを光電子増倍管48より構成される検出器に導くことで試料1の局所的な光学特性を観察することができる。

ここで、測定に際して、光学顕微鏡43により、プローブ51aと試料1の表面を観察してあらかじめ被測定箇所の位置合わせが行われる。本実施例では、3軸微動機構30の中心部分に透過穴30aが設けられており、光学顕微鏡43の対物レンズ32はプローブ51aに対して試料1の下面に配置されている。また、試料1の直上には、光学顕微鏡観察に使用する照明用の光源34と、光源34からの光を集光して試料に照射するためのコンデンサレンズ33が配置されている。対物レンズ32で観察された光学顕微鏡像は結像レンズ49によりＣＣＤカメラ50に導かれる。これらのコンデンサレンズ33や対物レンズ32は高倍率で開口数の高いレンズを使用することでより高精度の位置合わせが可能となる。また、対物レンズ32は近接場光により励起された蛍光を集光する働きもあるため、集光効率向上のために高い開口数を持つ必要がある。このようなレンズは一般に作動距離が短く、試料とカンチレバーに近接させる必要がある。本実施例では倍率100倍、開口数1.3、作動距離0.2mmの対物レンズ32と、開口数0.55、作動距離30mmのコンデンサレンズ33を用いた。

本実施例においても、変位検出機構40の光路を、対物レンズ32の光軸に対して斜め方向になるように構成しており、また試料1の下面側の３軸微動機構30にも透過穴30aを設けているため、光ファイバープローブ51直上にコンデンサレンズ33を、試料1の下面に対物レンズ32を配置する空間を設けることができ、高精度の観察が可能となり、近接場光で励起された蛍光の集光効率も向上する。

本実施例でも、スポット観察用の対物レンズ32の光軸に対して、変位検出機構40の光軸が斜めとなっており、試料1で反射された光は対物レンズ32の中に入ってこず、暗視野照明の状態となっており、光学顕微鏡の観察ができない。

そこで、本実施例では、試料と光ファイバープローブ51を少し離した状態で、光ファイバープローブ51と試料1の間にターゲット板8を挿入し、このターゲット板8に照射されたスポットを観察することでスポット位置を認識するようにした。

本実施例では、表面観察用の対物レンズ32を兼用してもよいが、試料1の表面に比べてターゲット板8の表面までの作動距離が長くなり、ターゲット板8上のスポットを探すためには広範囲が観察できる対物レンズの方がスポット観察には適しているため、光学顕微鏡で一般的に用いられている、レボルバなどの対物レンズ交換機構（図示せず）で、倍率１０倍、開口数0.3、作動距離16mmの対物レンズに交換してスポット観察を行った。

前記ターゲット板8上には光を散乱させる周期構造またはランダム構造が設けられており、この構造体でスポットを散乱させて、散乱光を対物レンズで集光し、結像レンズ49でＣＣＤカメラ50上に投影してスポットの観察を行うようにした。このターゲット板8は図２乃至図５に示した実施例１で使用したものと同様の構成としターゲット板8の基板はターゲット板の裏面から観察可能なように、ターゲット板の表面で散乱された光が透過できるように石英ガラスで作製した。

ここで、変位検出機構の光源41の波長は830nmで赤外光である、スポットの観察に用いるＣＣＤカメラ50は通常830nmの光の感度は持ち合わせているが、一般的に可視域のカラー観察画質をよくするために赤外光カットするフィルターが入っている。このため、たとえば、エレクトロントラッピング剤を粉末状にして、図２乃至図５に示したターゲット板8のいずれかに塗布することにより、光源41からの赤外光の光がターゲット板8で反射または透過した際に可視光に変換されて、特殊なＣＣＤカメラを用いなくてもスポットの観察が可能となる。

スポットを反射面51bに位置合わせしたあとは、ターゲット板8を光ファイバープローブ51の下側から引き出し、変位検出機構40と光ファイバープローブ51の位置関係を固定したままで、試料1をプローブ51aに接近させて走査型プローブ顕微鏡の測定が行われる。

図８は本発明の実施例４である走査型プローブ顕微鏡の一種である電流測定用走査型プローブ顕微鏡の概観図である。

図８の実施例は図１の実施例１と同じく、ターゲット板8上のスポットを、ターゲット板8の直上から観察する方式であり、図１と同一の構成部分については説明を省略する。

本実施例では試料1として半導体試料を用いた。この試料は可視域の波長を当てた場合には光電反応により試料の特性が変わってしまうため、変位検出機構61の光源62に波長1300nmの半導体レーザを用い、試料の特性が変わらないようにしている。

本実施例でも実施例3で前述したエレクトロントラッピング剤を粉末状にして図２乃至図５に示したターゲット板のいずれかに塗布して、赤外光を可視光に変換して、スポットの観察を行った。

この装置でカンチレバー60とプローブ60aに導電コートを施し、試料1とプローブ60a間にバイアス電圧を印加し、試料1とプローブ60aを接触させ押圧を一定にして、Ｉ/Ｖアンプ64を経由させて電流測定を行うことで試料表面の電気特性が測定される。

図９は本発明の実施例５である走査型プローブ顕微鏡の概観図である。

本実施例は測定環境以外は、図６の実施例２と同一であり、同一箇所の説明は省略する。

本実施例は、溶液中で走査型プローブ顕微鏡の測定を行うための装置である。
溶液中で測定行うために、試料1とカンチレバーホルダ70に設けられた光学的透明なウインド71間に表面張力により溶液の膜72を作り、この溶液内72にカンチレバー2を配置して、測定が行われる。

このとき変位検出機構7の光源5は溶液72の外に配置され、光源5からの光（レーザ光）は、大気中から石英ガラスからなるウィンド71を経由して溶液内72に進入し、カンチレバー2に設けられた反射面2bで反射されて、再びウィンド71を経由し大気中に設けられた受光部6に導かれる。

ターゲット板8で光（レーザ光）のスポットを観察しながら光軸合わせを行う際に、大気中で調整を行った場合、測定時にはカンチレバー2が溶液73中に浸かった状態であるため、ウィンド71や溶液73部分で光線が屈折し、光軸ずれが発生する。このため、本実施例では、ターゲット板8での光軸調整時にも測定時と同じ溶液でカンチレバー周囲を満たして、ウィンド71を介して光軸調整を行うようにした。

このように構成することで、測定環境を変えた場合でも光軸ずれなく測定ができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

たとえば、ターゲット板は図２乃至図５のものに限定されず、たとえば図２においてクロムの代わりに金、アルミニウムなどの金属膜を使ってもよい。

また、図５においてビーズを蛍光ビーズとし、認識しやすい波長に変換してもよい。

また、透過側からスポットを観察する場合の基板はガラスの他にも、スポットの波長を透過させる基板であれば使用可能である。

また、変位検出機構はすべてカンチレバー背面から照射するようにしたが、変位検出機構の構成や入射方向はこの方式に限定されず、たとえば、試料の上下面いずれかに配置した対物レンズを通過させて、カンチレバーの背面や、プローブが設けられている側に反射させてもよい。

また、プローブと試料間の制御方式は、コンタクトモード、振動モード、ねじりモード、シアフォースモードなどプローブの変位検出を伴う任意の方式が使用可能である。

さらに、ターゲット板の形状は周期的でもよいし、ランダム形状でもよい。

また、ターゲット板は試料表面とプローブ間に抜き差し方式としたが、たとえば、試料が透過性の場合には試料の下面側に配置してもよい。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施例を示す概観図である。 （ａ）金属膜方式のターゲット板の表面構造を示す平面図 （ｂ）図２（ａ）を部分拡大した平面図 （ｃ）図２（ｂ）の断面図 （ａ）凹凸方式のターゲット板の表面構造を示す平面図 （ｂ）図３（ａ）のＢ-Ｂ断面の拡大図 （ａ）ガラスを研磨したターゲット板の断面図 （ａ）ビーズを配列して作製したターゲット板の平面図 （ｂ）図５（ａ）の拡大断面図 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の実施例を示す概観図である。 本発明に係る走査型近接場顕微鏡の第３の実施例を示す概観図である。 本発明に係る電流測定用走査型プローブ顕微鏡の第４の実施例を示す概観図 である。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第５の実施例を示す概観図である。 従来の走査型プローブ顕微鏡用を示す概観図である。

符号の説明

１ サンプル
２、６０ カンチレバー
３、３０ ３軸微動機構
４ 粗動機構
５、４１、６２ 光源
６、４２、６３ 受光部
７、４０、６１ 変位検出機構
８、１３、１６、１９、２０ ターゲット板
９、３１、４３ 光学顕微鏡
１０、３２ 対物レンズ
１１、３６、４６、４９ 結像レンズ
１２、３７、５０ ＣＣＤカメラ
１４、１７、２１ 基板
１５ 金属膜
１８ 凹凸
２２ ビーズ
３３ コンデンサレンズ
３４ 光源
４８ 光電子増倍管
５１ 光ファイバープローブ
５４ 半導体レーザ
６４ Ｉ/Ｖアンプ
７０ カンチレバーホルダ
７１ ウインドウ

Claims (12)

1. 試料の表面に近接させるプローブが設けられたカンチレバーと、
   該カンチレバーに設けられた反射面に光を照射する光源と、
   該光源から照射されて前記反射面によって反射された光を受光する受光部と、
   前記カンチレバーの直上または前記試料の下側に配置された対物レンズと、
   を備え、
   前記カンチレバーまたは前記試料からの反射光が前記対物レンズの光軸に対して斜めにかつ暗視野状態になるように前記光源から光が照射され、前記対物レンズにより前記カンチレバーと前記試料表面に照射された前記光源によるスポットを同時に観察しながら前記スポットを前記カンチレバーに設けられた反射面に位置合わせし、前記受光部内の受光位置により前記カンチレバーの変位を検出する走査型プローブ顕微鏡において、
   前記試料の直上または下側に前記光源から照射される光のスポットを投影させるためのターゲット板を配置し、
   前記ターゲット板の基板上に前記光源から照射された光を散乱させる周期構造またはランダム構造を形成し、
   該ターゲット板上に照射された散乱された光のスポットと前記カンチレバーの位置とを観察しながら、該光のスポットの位置が前記カンチレバーの反射面に当るように位置合わせを行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記ターゲット板表面に照射された光のスポットを前記ターゲット板表面の直上から観察することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記ターゲット板の基板の材質が、前記光源の光を透過する材質で形成され、前記ターゲット板表面に照射された光のスポットを前記基板の下側から観察することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記周期構造またはランダム構造が、前記ターゲット板の基板上に設けられた金属膜により構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記周期構造またはランダム構造が、スパッタ法により前記ターゲット板の基板上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜上にレジスト膜を塗布する工程と、ビームにより前記レジスト膜にパターンを形成する工程と、エッチング法により前記レジスト膜のパターン部分の前記金属膜を除去する工程と、前記レジスト膜を除去する工程を少なくとも含んで作製されたものであることを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記周期構造またはランダム構造が、前記ターゲット板の基板の表面が凹凸に形成された構成であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記周期構造またはランダム構造が、前記ターゲット板の基板上に散乱体を分散させた構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記周期構造の周期またはランダム構造内の隣り合う構造体の間隔が、前記光源から前記ターゲット板上に照射される光のスポット径以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 前記ターゲット板表面に、前記光源から前記ターゲット板表面に照射される光の波長を励起することで、ターゲット板で反射または透過した際に前記光の波長が変化させる発光物質を設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 波長が７００ｎｍ以上の赤外領域または４００ｎｍ以下の紫外領域の前記光源の光が、前記ターゲット板上に設けられた前記発光物質により、４００ｎｍ以上かつ７００ｎｍ以下の波長に変化して発光させることを特徴とする請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
11. 前記ターゲット板上に、走査型プローブ顕微鏡観察時のカンチレバー周囲の物質と同じ屈折率を有する物質を配置し、該物質内に前記カンチレバーを配置した状態で、カンチレバーの反射面に光のスポットの位置合わせを行うことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
12. 前記ターゲット板が抜き差し可能に設置した請求項１乃至１１のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。

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