JP4914580B2 - 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、サンプルの表面形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定し、光学顕微鏡による観察機能を備えた走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

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、試料の粘弾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の中には、サンプルが載置されるサンプルホルダと、サンプルの表面に近接させる先端にプローブを有したカンチレバー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。）。 そして、これらサンプルホルダとプローブとをサンプル面内のＸ、Ｙ方向に相対的に走査させ、この走査中にカンチレバーの変位量を測定しながら、サンプルホルダまたはプローブをＺ方向に動作させて、サンプルとプローブの距離制御を行うことにより、表面形状や各種物性情報を測定するようになっている。

また、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡を組み合わせて、光学顕微鏡による明視野観察、暗視野観察、微分干渉観察、位相差観察、蛍光観察などから得られる情報からサンプル表面上の被測定箇所を特定し、被測定箇所にプローブを位置決めして、走査型プローブ顕微鏡により、さらに高分解能で表面形状や各種物性情報の測定が行われている。（例えば、特許文献２参照。）
図６に、従来の光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡の構成を示す。
光学顕微鏡として用いた倒立顕微鏡は、一般に市販されている倒立顕微鏡を使用している。

この倒立顕微鏡のフレーム133に取り付けられたステージ123上に走査型プローブ顕微鏡ユニット127が取り付けられている。

走査型プローブ顕微鏡ユニット127は、先端にプローブ121が設けられたカンチレバー119を保持するためのカンチレバーホルダと、カンチレバー119の変位を検出するための変位検出機構155、プローブ121をステージ123上のサンプル125にアプローチするための粗動機構、サンプル125とプローブ121を相対的にスキャンさせるための三軸微動機構、光学顕微鏡100の光軸に対してサンプル125を移動させるためのサンプル位置調整機構153、光軸に対してプローブ121を移動させるプローブ位置調整機構により構成される。

なお、図６では、前記したカンチレバーホルダ、粗動機構、三軸微動機構、プローブ位置調整機構は走査型プローブ顕微鏡ユニット127に組み込まれている。

ステージ123の下側には回転式レボルバ141に交換可能に複数個設けられた対物レンズ143が配置され、走査型プローブ顕微鏡ユニット127の上側には、サンプル125に照明するためのコンデンサレンズ付透過照明装置163が設けられている。
特開２０００−３４６７８４号公報 特開平８−３０４４２０号公報

しかしながら、上記のように倒立顕微鏡のフレームに取り付けられたステージ上に走査型プローブ顕微鏡ユニットを搭載した場合には、走査型プローブ顕微鏡ユニットによりステージ上の搭載物の質量が増えて、フレームの剛性不足により、走査型プローブ顕微鏡による像測定時に振動や音の影響を受けやすくなってしまう。

特に走査型プローブ顕微鏡ユニット用にステージを使用するためには市販の倒立顕微鏡用ステージでは剛性がまったく足りないため、ステージの厚さを増す必要があるが、この場合、ステージと走査型プローブ顕微鏡ユニットの合計の質量がさらに増加し、剛性が足りなくなってしまう。

また、対物レンズを交換可能とするためには、ステージの剛性を保ちつつ、回転式レボルバによる対物レンズの移動部分を確保する必要がある。さらに対物レンズの作動距離は数mm〜数百μmと微小であり、また、照明用コンデンサレンズの作動距離も十分な照明効率を確保するためには開口数０．５程度のコンデンサレンズでサンプルに対して約３０ｍｍ程度まで接近する必要がある。このような狭い空間に対物レンズを交換可能に走査型プローブ顕微鏡ユニットを構成することは非常に困難であり、多くの場合、各構成要素の剛性を犠牲にしながら各ユニットの構成要素の干渉部分を削り、各ユニットの小型化をはかる必要があった。

さらに、走査型プローブ顕微鏡ユニットや走査型プローブ顕微鏡ユニットが搭載されるステージも大きくなるため、測定場所の温度の変化により、各ユニットを構成する材料が熱膨張して、走査型プローブ顕微鏡の測定像に温度ドリフトの影響が現れていた。

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、光学顕微鏡の狭い空間に走査型プローブ顕微鏡ユニットの装置剛性を確保しながら各ユニットを配置し、対物レンズの交換や、照明用コンデンサレンズがそのまま使用でき、振動や音や温度変化の影響を受けず走査型プローブ顕微鏡による測定が可能な光学顕微鏡を備えた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。

先端にプローブを有するカンチレバーを備えた走査型プローブ顕微鏡ユニットと、サンプルを保持するサンプルホルダと、それらを支持する支持体とを有する走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部と、対物レンズを有した光学顕微鏡と、それを支持する支持体とを有する光学顕微鏡部と、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部及び前記光学顕微鏡部を固定するベースプレート部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡において、光学顕微鏡が倒立顕微鏡であり、プローブと対向側に、かつ、前記サンプルホルダおよび前記プローブとが該対物レンズの光軸上に位置するように走査型プローブ顕微鏡下方へ配置され、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部と光学顕微鏡部が、相互に独立して離間した支持構造を有し、該２つの支持構造が前記ベースプレート部を介して連結するように固定されるようにした。

また、光学顕微鏡部を倒立型顕微鏡とし、サンプルホルダに対して、プローブの対向側に光学顕微鏡の対物レンズが配置されるようにした。

このように、光学顕微鏡部を構成するフレームと走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部をベースプレート上で独立して構成することで、走査型プローブ顕微鏡ユニット部の質量が光学顕微鏡を構成するフレーム部に影響を与えず、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部の剛性を確保することができる。

また、光学顕微鏡部の対物レンズを複数個有し、これらの対物レンズを交換可能に配置されるようにした。

さらに、走査型プローブ顕微鏡ユニット部の上部に開口数０．５以上のコンデンサレンズを含む照明装置が配置した。

このように、対物レンズと照明装置にはさまれた狭い空間に対物レンズや照明装置と走査型プローブ顕微鏡ユニットの機械的な干渉を避け、対物レンズ交換時の対物レンズの退避行路を確保するためには走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部を薄くする必要がある。光学顕微鏡のフレーム部に走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部を取り付けた場合、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部の表面積が狭くなるため、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部の剛性を確保することができないが、光学顕微鏡部を構成するフレームと走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部を独立した部材で構成することで、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部の幅方向を広くすることができ、ベース部周囲の厚みを増して剛性を確保することができる。また、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部の固定も頑丈にすることが可能となる。

さらに、光学顕微鏡部に、サンプルの面内に対して対物レンズが移動可能な二軸ステージなどの移動手段を設けた。

これにより、走査型プローブ顕微鏡ユニットに設置されるサンプル位置調整機構と探針位置調整機構の２種類のステージのうちいずれか１種類のステージの機能が不要となり、走査型プローブ顕微鏡ユニットと走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部の剛性を増やすことが可能となる。

また、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部のうち、少なくとも走査型プローブ顕微鏡ユニットが載置されるテーブルと、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの合計質量の８０％以上を熱膨張整数が４×１０^-6／Ｋ以下の低膨張材料により構成した。

これにより、熱により各材料が膨張してもお互いに膨張量を補償することができ、熱によるドリフトの影響が抑制されて、走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。

さらに、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部に除振機能を持たせた。

これにより、走査型プローブ顕微鏡ユニット部の振動の影響が抑制されて、走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。

光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡を以上のように構成することで、装置剛性を確保でき、その結果、音や床振動の影響が抑制される。また、熱による走査型プローブ顕微鏡ユニットのドリフトも抑制される。これにより走査型プローブ顕微鏡像の測定精度が向上する。

また、対物レンズや対物レンズ交換機能、高効率の照明装置など市販の顕微鏡が有する機能をそのまま用いることができるため、システムの取扱も容易となる。

以下、本発明の光学顕微鏡付走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。

本実施例においては、カンチレバーを共振周波数付近で振動させながらサンプルに近づけ、振巾や位相の変化量により、プローブと試料間の距離を一定に保ちながら走査するＤＦＭモード（Dynamic Force Mode）による液中測定を行うものとする。

図１に本発明の第一実施例による光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡について（ａ）は光学顕微鏡付走査型プローブ顕微鏡の正面図であり、（ｂ）は（ａ）において符号Ａによって示す領域の拡大図を示す。

この光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡１は、光学顕微鏡として市販の倒立顕微鏡と組み合わせたものであり、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、ベースプレート部としての除振台２に設置された走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３と、この走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のテーブル１３に設けられた走査型プローブ顕微鏡ユニット部４と、走査型プローブ顕微鏡ユニット部４の下方に設けられた光学顕微鏡部（倒立顕微鏡）８と、この走査型プローブ顕微鏡ユニット部４の上方に設けられ、光学顕微鏡部８のフレーム部５０に連なる照明装置５とを備えている。

光学顕微鏡部８は、ＸＹステージ３１を介して除振台２に載置されている。このＸＹステージ３１は光学顕微鏡部８に設置された対物レンズ１０の光軸中心にサンプルを位置合わせするためのサンプル位置調整機構として作用する。

走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３は、除振台２から垂直に延びる４本の支柱１２により４隅を支持された、平板状のテーブル１３を備えて構成されるものである。このテーブル１３は熱膨張を抑えるためＦｅ−３６Ｎｉの成分からなる低膨張材料であるインバー材（熱膨張係数０．５〜２×１０^-6／Ｋ）を用いている。

ここで、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３は光学顕微鏡部８のフレーム部５０には固定されておらず、光学顕微鏡部３に対して独立している。

テーブル１３の中央部には、テーブル開口部１５が形成されており、このテーブル開口部１５内に、サンプルＳが載置されるサンプルホルダ１６が設けられており、このサンプルホルダ１６の中央にはサンプルホルダ開口部１７が形成されている。サンプルホルダ１６は、後述するサンプル微動機構部２７により、Ｚ方向に沿って微動するようになっている。なお、Ｚ方向とは、サンプルＳの表面およびサンプルホルダ１６に垂直な方向であって、光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡１の高さ方向をいう。

サンプルホルダ１６の上面には、上述の走査型プローブ顕微鏡ユニット部４が設置されている。走査型プローブ顕微鏡ユニット部４は、後述するプローブ微動機構部２６を備えており、このプローブ微動機構部２６には、クランク状のクランク固定部３０が設けられている。そして、クランク固定部３０により、プローブ微動機構部２６は、その中心がサンプルホルダ開口部１７に一致するように設置されている。

なお、プローブ微動機構部２６およびサンプル微動機構部２７は、走査型プローブ顕微鏡用三軸微動機構を構成するものである。

プローブ微動機構部２６の下面には、カンチレバー２０を支持するカンチレバーホルダ２２が設けられている。カンチレバーホルダ２２の中央には、ガラスからなるガラスホルダ２３が設けられている。

このガラスホルダ２３は、サンプルＳとガラスホルダ２３との間に、液の粘性による膜を形成させることにより、液中測定時の照明光の乱反射等を防止するためのものである。

なお、カンチレバー２０は、長尺状のものに限定されず、上面視して三角形状のものや、断面が円形で光ファイバーの先端を先鋭化して湾曲させた近接場顕微鏡用のベントプローブなども本発明に含まれる。

カンチレバー２０は、サンプルホルダ開口部１７の上方に設けられている。カンチレバー２０の先端には、先鋭化されたプローブ２１が設けられており、後端は、カンチレバーホルダー２２に固定されている。これにより、カンチレバー２０は、プローブ２１が設けられた先端側が自由端となるように片持ち支持されている。また、カンチレバー２０は、不図示の加振手段により、Ｚ方向に沿って所定の周波数及び振幅で振動され、さらに、プローブ微動機構部２６により、サンプルホルダ１６に対して、Ｘ、Ｙ方向に微動するようになっている。なお、ＸＹ方向とは、サンプルＳの表面およびサンプルホルダ１６に平行な互いに直交する方向であって、Ｚ方向と直交する方向をいう。さらに、Ｘ方向とは、光学顕微鏡付走査型プローブ顕微鏡ユニット１の幅方向をいい、Ｙ方向とは、光学顕微鏡付走査型プローブ顕微鏡ユニット１の奥行方向をいうものとする。

また、プローブ微動機構部２６の近傍には、モーター３７によってカンチレバー２０をＺ方向に粗動移動させるためのＺ粗動機構部３３が設けられており、Ｚ粗動機構部３３のＺ粗動機構ベース部３４が走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のテーブル１３に固定されている。このＺ粗動機構部３３の上面にはプローブ２１をＸＹ面内で移動させるためのプローブ位置調整機構３５が設けられており、このプローブ位置調整機構３５の上面に、前記クランク固定部３０が固定されている。

また、プローブ微動機構部２６の上方には、上述の照明装置５が設けられている。照明装置５は、照明光を発する光源４０と、この光源４０からの照明光を集光するためのコンデンサレンズ４１（開口数０．５２、作動距離３０ｍｍ）とを備えている。コンデンサレンズ４１は、倒立顕微鏡部８のフレーム部５０に連なる照明用支柱４２によって、プローブ微動機構部２６の中心上方に配されて、プローブ微動機構部２６に対して上下動可能に支持されている。なお、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３には照明装置５は固定されていない。

図２に図１のプローブ微動機構部２６部分を拡大した平面図を示す。

本実施形態におけるプローブ微動機構部２６は、図２に示すように、幅寸法の異なる矩形枠状の外フレーム４８および内フレーム４９を備えており、これら外フレーム４８および内フレーム４９は、インバー材により平面状に形成されている。また、外フレーム４８と内フレーム４９とは、Ｘ駆動部（第１の駆動部）５２とＹ駆動部（第１の駆動部）５１とを介して、互いに同心上に連結されており、外フレーム４８および内フレーム４９の上面は面一にして配されている。Ｘ駆動部５２は、外フレーム４８に形成されたＹ方向に延びるＸ側空洞部６０内に設置されており、Ｙ駆動部５１は、同様にＸ方向に延びるＹ側空洞部５７内に設置されている。

Ｘ駆動部５２は、Ｙ方向に向けられた積層型のＸ側圧電素子６１を備えている。Ｘ側圧電素子６１には、その周囲を取り囲むように、上面視して略ひし形のＸ側変位拡大機構部６２が設けられている。そして、Ｘ側変位拡大機構部６２は、Ｘ側連結部６３を介して、内フレーム４９に連結されている。

また、Ｙ駆動部５１は、Ｘ方向に向けられた積層型のＹ側圧電素子５４を備えている。Ｙ側圧電素子５４には、上記と同様に、略ひし形のＹ側変位拡大機構部５５が設けられており、Ｙ側変位拡大機構部５５は、Ｙ側連結部５６を介して、内フレーム４９に連結されている。

内フレーム４９の四隅には、平行バネ６７が設置されている。

そして、Ｘ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４に電圧を印加することにより、Ｘ側変位拡大機構部６２およびＹ側変位拡大機構部５５が、それぞれＸ方向、Ｙ方向に拡大縮小し、これにより内フレーム４９をＸＹ方向に微動できるようになっている。

また、内フレーム４９の底面には、略矩形の基板６８が設けられている。基板６８の中央には、Ｚ方向にプローブ側貫通孔７０が形成されている。そして、このプローブ側貫通孔７０に、図１に示す光源４０からの照明光が通過するようになっている。

なお、基板６８の下面に、上述したように、カンチレバーホルダ２２を介してカンチレバー２０が設けられており、内フレーム４９のＸＹ方向の微動により、基板６８およびカンチレバーホルダ２２とともに、カンチレバー２０もＸＹ方向に微動するようになっている。

また、外フレーム４８および内フレーム４９の上面には、Ｙ方向微動量検出部７３およびＸ方向微動量検出部７４が設けられている。Ｙ方向微動量検出部７３は、内フレーム４９に固定されＸ方向に延びるＹ方向ターゲット７７と、外フレーム４８に固定され、Ｙ方向ターゲット７７のＹ方向の移動量を検出するＹ方向センサ７８とを備えている。

また、Ｘ方向微動量検出部７４は、同様にして内フレーム４９に固定されＹ方向に延びるＸ方向ターゲット８０と、外フレーム４８に固定されＸ方向ターゲット８０のＹ方向の移動量を検出するＸ方向センサ８１とを備えている。これらＹ方向センサ７８およびＸ方向センサ８１としては、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。

このような構成のもと、内フレーム４９がＸ方向に微動すると、Ｘ方向ターゲット８０もＸ方向に微動し、そのＸ方向の微動量をＸ方向センサ８１が検出するようになっている。また、内フレーム部４９がＹ方向に微動すると、Ｙ方向ターゲット７７もＹ方向に微動し、そのＹ方向の微動量をＹ方向センサ７８が検出するようになっている。すなわち、Ｘ方向センサ８１は、Ｘ方向ターゲット８０および内フレーム部４９を介して、カンチレバー２０のＸ方向の微動量を検出し、Ｙ方向センサ７８は、またＹ方向ターゲット７７および内フレーム部４９を介して、カンチレバー２０のＹ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。

Ｘ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８は、それぞれ演算部（算出手段）８３に電気的に接続されており、Ｘ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８からの検出結果が、演算部８３に入力されるようになっている。演算部８３は、検出結果に応じて、印加された電圧と微動量とによって、カンチレバー２０のＸＹ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。すなわち、演算部８３は算出手段として機能するものである。さらに、演算部８３は、各種制御を行う制御部８４に電気的に接続されており、算出結果を制御部８４に入力するようになっている。そして、この制御部８４によって、印加電圧に対して、プローブ微動機構部２７が線形に動作するように制御される。

また、プローブ微動機構部２６には、図１に示すように、プローブ変位検出手段としてレーザ光を発するレーザ光源４４と、このレーザ光源４４からのレーザ光を受光し、例えば４分割されたフォトディテクタ４５とが設けられている。これらレーザ光源４４およびフォトディテクタ４５は、カンチレバー２０の斜め上方に互いに対向して配置されている。そして、レーザ光源４４から出射されたレーザ光が、カンチレバー２０の上面に到達してそこで反射し、その反射光がフォトディテクタ４５に到達するようになっている。

さらに、本実施例におけるサンプル微動機構部２７は、図３および図４に示すように、略長方形状に形成された機構本体部８６と、この機構本体部８６から、機構本体部８６の厚さ方向（すなわちＺ方向）に交差する方向（すなわちＸ方向）に延出する延出部８７とを備えている。機構本体部８６と延出部８７はインバー材により構成される。

延出部８７の厚さ寸法Ｒは、機構本体部の厚さ寸法Ｍよりも小さく設定されている。そして、延出部８７の上面と機構本体部８６の上面とは略同一にされており、これにより、延出部８７の下方には、スペースＪが設けられている。

延出部８７には、Ｚ方向に向けられたサンプルホルダ側貫通孔１０９が形成されており、このサンプルホルダ側貫通孔１０９内に、上述のサンプルホルダ１６が載せられている。

機構本体部８６には、延出部８７の延出方向と反対方向に延びる本体固定部９１が設けられている。本体固定部９１は、図１に示すテーブル１３の所定の位置に固定されており、これにより、機構本体部８６が片持ち支持されている。

また、機構本体部８６の内部に、空洞部９３が設けられている。空洞部９３の上内壁部９４のＸ方向の両端のうち、本体固定部９１が設けられた方の端部には、第１平行バネ１０１が設けられており、延出部８７が設けられた方の端部には、第２平行バネ１０２が設けられている。一方、下内壁部９７のＸ方向の両端のうち、延出部８７が設けられた方の端部には、第３平行バネ１０３が、本体固定部９１が設けられた方の端部には、第４平行バネ１０４が設けられている。また、第２平行バネ１０２の近傍には、上内壁部９４から下方に向けて延びる下方壁部９５が設けられており、第４平行バネ１０４の近傍には、下内壁部９７から上方に向けて延びる上方壁部９６が設けられている。すなわち、下方壁部９５および上方壁部９６が、互いに反対方向に延ばされて対向して配置されている。

そして、これら下方壁部９５と上方壁部９６との間に、一端が下方壁部９５に固定され、他端が上方壁部９６に固定されて、Ｘ方向に向けられた積層型のＺ側圧電素子９０が配置され、Ｚ駆動部（第２の駆動部）８５が構成される。

Ｚ駆動部８５は、図２で上述したＸ駆動部５２およびＹ駆動部５１とは、物理的に分離して別個に設けられたものであり、それぞれ独立して機能するものである。

さらに、機構本体部８６の下端には、Ｘ方向に延びる底壁部１０７が設けられている。この底壁部１０７のＸ方向の両端のうち、本体固定部９１が設けられた方の端部は、機構本体部８６の側壁に一体的に固定されており、延出部８７が設けられた方の端部は、自由端となっている。この底壁部１０７の先端部には、演算部８３に接続されたＺ方向微動量検出部１０８が設けられている。Ｚ方向微動量検出部１０８には、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。

このような構成のもと、Ｚ側圧電素子９０に電圧を印加すると、Ｚ側圧電素子９０が伸縮するようになっている。そして、Ｚ側圧電素子９０が伸びると、下方壁部９５および上方壁部９６がＸ方向外方に押圧され、上方壁部９６は固定端付近を中心に図３における時計方向に回転するとともに、下方壁部９５も固定端付近を中心に時計方向に回転し、結果として、第１から第４の平行バネ１０１，１０２，１０３，１０４に案内されて、延出部８７がＺ方向に移動し、延出部８７に連結されたサンプルホルダ１６がＺ方向に移動するようになっている。このとき、Ｚ方向微動量検出部１０８により、機構本体部８６の微動量が検出されるようになっている。すなわち、Ｚ方向微動量検出部１０８は、Ｚ駆動部の底面の動きを検出し、機構本体部８６を介して、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。そして、演算部８３が、Ｚ方向微動量検出部１０８の検出結果に応じて、印加された電圧と実際の微動量とによって、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。この算出結果は制御部８４に入力され、この制御部８４によって、印加電圧に対して、ステージ微動機構部２７が線形に動作するように制御される。

なお、Ｚ方向については、単にＺ方向微動量検出部１０８により微動量を検出し、それを走査型プローブ顕微鏡像の高さ上方として表示させてもよい。

このように構成されたサンプル微動機構２７は、小型かつ高剛性であり、プローブ微動機構部２６に比べて共振周波数が高く高速動作が可能となっている。

さらに、本実施例においては、図１に示すように、スペースＪに対物レンズ１０が設けられている。すなわち、倒立顕微鏡部８の上端に、レボルバ（配置変更手段）９が設けられており、このレボルバ９に、それぞれ倍率の異なる複数の対物レンズ１０が設けられている。そして、レボルバ９を回すことにより、複数の対物レンズ１０の配置が変更されるようになっており、複数の対物レンズ１０をスペースＪ内の観察位置Ｋに選択的に配置することができるようになっている。

ここでの観察位置Ｋとは、サンプルホルダ１６の下方であって、サンプルホルダ開口部１７に一致する位置をいい、試料Ｓを観察するための位置とする。

また、対物レンズ１０は、観察位置Ｋにおいて、倒立顕微鏡８に設けられたフォーカシングダイヤル８ａを操作することによりＺ方向に上下動することができるようになっている。

複数の対物レンズをレボルバの回転により交換する際に、対物レンズの軌道と走査型プローブ顕微鏡ユニット部４、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３が干渉しないように、サンプル微動機構２７とテーブル１３には逃げが設けられている。

ここで、対物レンズ１０はサンプルＳに焦点を合わせた状態で交換をする場合が多い。このときテーブル１３との干渉をなくすためにはテーブルの厚さを薄くする必要がある。本発明では、光学顕微鏡部８と走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３を独立して構成しているため、テーブル１３の面積を大きくすることができ、テーブル１３中央部以外の部分の肉厚を厚くすることができ、さらに、厚くすることで質量が重くなっても、光学顕微鏡部８とは独立した支柱１２によりテーブルを支えることができるため、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３に高い剛性を確保させることが可能となった。

また、走査型プローブ顕微鏡ユニット部４と走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のテーブル１３の材料を実質的に同一とし、温度によるひずみの少ない低膨張金属であるインバー材（熱膨張係数０．５〜２×１０^-6／Ｋ）により構成し、温度によるひずみ自体を抑えるとともに、ひずみが生じた場合でもお互いにひずみ量を補償しあえるように構成した。

ここで、実質的に同一とは、ユニットの構成上１００％同じ材料で構成することは不可能であるため、本実施例においては走査型プローブ顕微鏡ユニット部４と走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のテーブル１３の合計質量のうち８０％をインバー材で構成した。

例えば、プローブ微動機構２６に取り付けられるカンチレバーホルダー２２のフレームは軽さを重視してチタンで構成し、ガラスホルダ２３を保持している。また、Ｚ粗動機構部３３のガイド部（図示せず）やモータ３７、サンプル機構部２７やプローブ微動機構部２６の圧電素子、各ユニットに使用されているネジ、プローブ変位検出手段４４、４５などはコストや機能上の問題によりインバー材以外の材料を用いた。

また、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３の支柱１２は温度により膨張収縮しても走査型プローブ顕微鏡像自体には影響を与えないため、ステンレスにより構成しコストを削減したが、テーブル１３と同じインバー材で構成してもよい。

なお、低膨張金属としては、Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏを成分とするスーパーインバー材（熱膨張係数０〜１．５×１０^-6／Ｋ）を用いてもよい。また、低膨張材料以外でも、実質的に同一材料であれば、温度によるひずみ量をお互いに補償しあえるため温度ドリフトを抑制することが可能である。

次に、このように構成された本実施例における光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡１の作用について説明する。

まず、サンプルＳを不図示の液中セルを介してサンプルホルダ１６に載置する。そして、光源４０からサンプルＳに向けて照明光を照射する際に、その照明光は、プローブ側貫通孔７０を通り、サンプルＳを透過して、さらにサンプルホルダ側開口部１７を通ることにより、観察位置Ｋに配された対物レンズ１０に到達する。これによって、対物レンズ１０を介して、サンプルＳの状態が観察が可能となり、ＸＹステージ３１により光学顕微鏡８全体を動かして、サンプルＳ上の被測定箇所を特定させる。

このとき、レボルバ９を回すと、当初の対物レンズ１０がスペースＪを通って観察位置Ｋから外れ、他の対物レンズ１０が観察位置Ｋに配置される。これにより、適切な倍率の対物レンズ１０が選択される。

また、フォーカシングダイヤル８ａを操作すると、対物レンズ１０が上方に移動し、対物レンズ１０がサンプルＳに近接し、フォーカシングすることができる。

これによってサンプルＳの光学的観察が行われ、この結果に応じて、プローブ顕微鏡による測定が行われる。

プローブ顕微鏡による測定を行うには、サンプルＳの表面とプローブ２１の位置を、倒立顕微鏡８の光学像を見ながら、プローブ位置調整機構３５で位置合わせをする。

次に、レーザ光源４４およびフォトディテクタ４５の位置を調整する。すなわち、レーザ光源４４から照射したレーザ光Ｌが、カンチレバー２０の上面で反射し、フォトディテクタ４５に確実に入射するよう位置調整を行う。

尚、このプローブ変位検出手段であるレーザ光源とフォトディテクタの調整は、初めに行っておいてもよい。

それから、モーター３７を駆動して、Ｚ粗動機構部３３により、カンチレバー２０を粗動移動させて、カンチレバー２０を液中セルの培養液に浸漬させる。そして、カンチレバー２０先端部のプローブ２１をサンプルＳの表面近傍に位置させる。

この状態から、不図示の加振手段により、カンチレバー２０を介してプローブ２１を、Ｚ方向に沿って所定の周波数および振幅で振動させる。

そして、図２に示すＸ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４に電圧を印加する。すると、Ｘ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４が伸縮し、Ｘ側変位拡大機構部６２およびＹ側変位拡大機構部５５を介して、内フレーム４９がＸＹ方向に微動する。これにより、プローブ２１がサンプルＳ上を所定の走査速度でラスタースキャンする。

このとき、内フレーム４９がＸＹ方向に微動すると、Ｘ方向ターゲット８１およびＹ方向ターゲット７８がそれぞれＸ方向、Ｙ方向に微動し、そのＸ、Ｙ方向の微動量がＸ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８によって検出される。これら検出結果は演算部８３に入力されて、カンチレバー２０のＸＹ方向の微動量の誤差が算出され、この算出結果が制御部８４に入力される。このように、ＸＹ方向の微動量を補正することによって、Ｘ側圧電素子６１やＹ側圧電素子５４のヒステリシスやクリープに影響されず、ＸＹ方向に線形に動作する。

走査の際、サンプルＳの凹凸に応じて、プローブ２１とサンプルＳの表面との距離が変化すると、原子間力や間欠的な接触力によりプローブ２１が斥力または引力を受けるので、カンチレバー２０の振動状態が変化し、振巾や位相が変化する。この振巾や位相の変化は、フォトディテクタ４５の異なる２対の分割面の出力差（ＤＩＦ信号と呼ぶ）として検出される。このＤＩＦ信号は、不図示のＺ電圧フィードバック回路に入力される。そして、Ｚ電圧フィードバック回路は、ＤＩＦ信号により振巾や位相が同じになるように、図３に示すＺ側圧電素子９０に電圧を印加する。

Ｚ側圧電素子９０は、電圧が印加されることにより高速で伸縮を繰り返す。Ｚ側圧電素子９０が伸縮すると、延出部８７を介してサンプルホルダ１６が非常に高い周波数でＺ方向に移動し、サンプルホルダ１６上のサンプルＳがＺ方向に移動する。これにより、上記走査の際、プローブ２１とサンプルＳの表面との間の距離が常に一定に保たれる。

また、サンプルホルダ１６がＺ方向に移動すると、Ｚ方向微動量検出部１０８により、機構本体部８６の微動量が検出され、この検出結果に応じて、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量の誤差が算出される。そして、その算出結果が制御部８４に入力され、Ｚ方向に線形に動作させることができる。

なお、Ｚ方向移動量検出部１０８により微動量を検出し、それをＳＰＭ像の高さ情報として表示させてもよい。この場合、より高速走査が可能となる。

このようにして、Ｘ側、Ｙ側、Ｚ側圧電素子６１、５４、９０に印加した電圧、またはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向センサ８１、７８、１０８の信号を制御部８４に入力し、画像化することでサンプルＳの表面の形状像を測定することができる。また、プローブ２１とサンプルＳとの間に働くいろいろな力や物理作用を測定することで、粘弾性、サンプルＳの表面電位分布、サンプルＳの表面の漏れ磁界分布、近接場光学像等の各種の物性情報の測定を行うことができる。

以上のように光学顕微鏡付走査型プローブ顕微鏡を構成することで、装置剛性を確保でき、その結果、音や床振動の影響が抑制されて走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。

また、対物レンズや対物レンズ交換機能、高効率の照明装置など市販の顕微鏡が有する機能をそのまま用いることができるため、システムの取扱も容易となる。

図５は本発明の第二実施例の光学顕微鏡付走査型プローブ顕微鏡の正面図である。本実施例は走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３と除振台２以外は第一実施例と同一の構成であり詳細な説明は省略する。

本実施例では除振台の代わりにベースプレート部５１上に走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３と光学顕微鏡部８が設置されており、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３の支柱部１２に除振するための空気バネ６が設けられている。
本実施例のように走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３に除振機能を持たせることで、走査型プローブ顕微鏡による測定時の床振動の影響を、低コストで狭い設置スペースでも実現することができる。

なお、第一実施例、第二実施例において、プローブ変位検出手段は、前述の方式に限定されず、例えば、カンチレバー２０自体に抵抗体を設けて、カンチレバー２０の撓みに伴う抵抗値変化により測定を行う方式なども本発明に含まれる。

また、上記実施例では、Ｘ側圧電素子６１、Ｙ側圧電素子５４およびＺ側圧電素子９０を積層型の圧電素子としたが、これに限ることはなく、適宜変更可能である。例えば、スタック型の圧電素子としたり、またはボイスコイルなどを用いたりすることも可能である。

また、プローブ微動機構部２６またはサンプル微動機構部２７に、円筒状の圧電素子を用いることも可能である。

また、ＤＦＭモードによる観察としたが、これに限ることはなく、コンタクトＡＦＭやなどの種々のモードに適用可能である。さらに、近接場顕微鏡にも適用することができる。 さらに、液中測定としたが、これに限ることはなく、大気中であってもよい。

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。

本発明に係る光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡の第１の実施例を示す図であって、（ａ）は走査型プローブ顕微鏡の正面図、（ｂ）は（ａ）において符号Ａによって示す領域の拡大図である。 図１のプローブ微動機構部を拡大して示す平面図である。 図１のサンプル微動機構部を拡大して示す平面図である。 図３のサンプル微動機構部を示す底面図である。 本発明に係る光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡の第２の実施例を示す図であって、（ａ）は走査型プローブ顕微鏡の正面図、（ｂ）は（ａ）において符号Ａによって示す領域の拡大図である。 従来の光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡の外観図である。

符号の説明

１ 光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡
２ 除振台（ベースプレート部）
３ 走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部
４ 走査型プローブ顕微鏡ユニット部
５ 照明装置
６ 空気バネ
８ 光学顕微鏡部（倒立顕微鏡）
９ レボルバ（配置変更手段）
１０ 対物レンズ
１２ 支柱
１３ テーブル
１６ サンプルホルダ
２０ カンチレバー
２１ プローブ
２２ カンチレバーホルダー
２６ プローブ微動機構
２７ サンプル微動機構
３１ ＸＹステージ
３３ Ｚ粗動機構部
３５ プローブ位置調整機構
４０ 光源
４１ コンデンサレンズ
４２ 照明用支柱
４４ レーザ光源（プローブ変位検出手段）
４５ フォトダイオード（プローブ変位検出手段）
５０ 光学顕微鏡フレーム部
５１ ベースプレート部
Ｓ サンプル

Claims (10)

1. 先端にプローブを有するカンチレバーを備えた走査型プローブ顕微鏡ユニットと、
   サンプルを保持するサンプルホルダと、それらを支持する支持体とを有する走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部と、
   対物レンズおよび照明装置を有した倒立型光学顕微鏡と、それを支持するフレームとを有する倒立型光学顕微鏡部と、
   前記走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部及び前記倒立型光学顕微鏡部を固定するベースプレート部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡において、
   前記対物レンズが前記サンプルホルダを介して前記プローブと対向側に、かつ、前記サンプルホルダおよび前記プローブとが該対物レンズの光軸上に位置するように前記走査型プローブ顕微鏡下方へ配置され、
   前記照明装置が前記走査型プローブ顕微鏡ユニット上方に配置され、
   当該走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部と前記光学顕微鏡部が、それぞれ相互に独立して離間した支持構造を有し、該２つの支持構造が前記ベースプレート部を介して連結するように固定され、
   前記倒立型光学顕微鏡部に、前記サンプルの面内に対して前記対物レンズと前記照明装置を一体で移動せしめる前記倒立型光学顕微鏡全体を移動可能な移動手段を設け、
   前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに前記カンチレバーを前記サンプルに対して移動せしめる移動機構を設けたこと、を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記光学顕微鏡部が対物レンズを複数個有し、該対物レンズが交換可能に配置された請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記照明装置に、開口数０．５以上のコンデンサレンズが含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部のうち、少なくとも走査型プローブ顕微鏡ユニットが載置されるテーブルと、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが実質的に同一の材質で構成される請求項１乃至３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記材質が、低膨張材料である請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが載置されるテーブルと、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの全質量のうち、８０％以上が同一の材質で構成される請求項４又は５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記材質の熱膨張係数が４×１０^-6／Ｋ以下である請求項４乃至６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部に除振手段を備えた請求項１乃至７のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 前記走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部の支持構造が、前記ベースプレート部に片端を固定され、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部を前記ベースプレート部から空間部を隔てた位置で支持する支持部を含み、該空間部に対物レンズが配置された請求項１乃至８のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 前記支持部が、除振手段を備えた請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。

Images