JP6520629B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと略す）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のような走査型プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭと略す）に関する。

ＳＰＭは、試料表面に近接させたプローブを走査し、プローブと試料との間に働く作用（原子間力やトンネル電流等）を検出し、これを画像化することにより試料表面の形状を観察することができる装置である。図４は、ＳＰＭの一種であるＡＦＭの全体的な概略構成の一例を示す図である。ＡＦＭ（ＳＰＭ）１は、ステージ１１、カンチレバー１２、プローブ１３、レーザ光源（レーザダイオード）１４、コリメートレンズ１５、フォーカスレンズ１６、ビームスプリッタ１７、ミラー１８、検出器１９、光学顕微鏡２０から構成される（例えば特許文献１、２参照）。

ステージ１１上には、表面観察の対象物となる試料Ｓが載置される。ステージ１１は、駆動機構であるチューブスキャナ（図示略）により高さ方向（Ｚ方向）および試料表面方向（ＸＹ方向）に駆動することができ、これにより試料Ｓを三次元（ＸＹＺ）方向に移動させている。

カンチレバー１２は、その自由端側にプローブ１３が取り付けてあり、プローブ１３が試料Ｓの表面に近接すると、試料Ｓとプローブ１３との間で原子間力（引力または斥力）が作用する。この原子間力によりカンチレバー１２を撓ませようとする力が加わることになる。

一方、レーザ光源１４、コリメートレンズ１５、フォーカスレンズ１６により構成される集光光学系２１は、円筒状の鏡筒２２内に一体保持されており、レーザ光源１４から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ１５により集められて平行光にされた後にフォーカスレンズ１６により集光されるようにしてある。このようにして集光されたレーザ光は、カンチレバー１２の反射面に照射されて反射し、さらにミラー１８で反射されて検出器１９に導かれる。

検出器１９は、例えば４分割フォトダイオードが用いられ、カンチレバー１２の撓みによって検出器１９に入射する反射光の位置が変化すると、この変動を検出してフィードバック信号として出力することができるようにしてある。そして、このフィードバック信号を用いて、カンチレバー１２の撓み量が一定、すなわち、プローブ１３と試料Ｓ表面との距離を一定に保つように、駆動機構（チューブスキャナのＺ軸調整機構）をフィードバック制御することにより、フィードバック信号の強度が試料Ｓの凹凸を反映した変化量となる。したがって、このフィードバック信号に基づいて画像を形成することで試料Ｓ表面の凹凸を画像化するようにしている。

なお、レーザ光はフォーカスレンズ１６を通過後、ビームスプリッタ１７で光軸方向が屈曲され、光学顕微鏡２０の光軸Ｏと、レーザ光の光軸Ｌとが重なるようにしてある。
この光学顕微鏡２０は、ＡＦＭ（ＳＰＭ）１の使用者が試料Ｓを観察する際に使用するものであるが、それ以外に、集光光学系２１からのレーザ光のカンチレバー１２への照射位置を調整する際にも利用される。

すなわち、集光光学系２１は、レーザ光源１４、コリメートレンズ１５、フォーカスレンズ１６の各素子が、円筒状の鏡筒２２内に、光軸調整された状態で一体構造となるように組み立てられている。この鏡筒２２内部の調整作業は、予め装置メーカの技術者によって行われ、一旦調整された後は素子間の位置関係が変化しないように固定してある。そして、鏡筒２２は支持体となる顕微鏡ヘッド（図示略）に支持されるとともに、この鏡筒２２全体を光軸Ｌと直交する二次元方向（あるいは光軸Ｌ方向も含めた三次元方向）に移動させる位置調整機構（図示略）に取り付けてある。

ＡＦＭ１の使用者は、光学顕微鏡２０を覗きながら、位置調整機構のレーザ光調整ツマミ（図示略）を用いて、二次元（あるいは三次元）方向に鏡筒２２（集光光学系２１）を移動することにより、カンチレバー１２の反射面にレーザ光の照射位置を合わせる調整を行うことができるようにしてある。なお、使用者による鏡筒２２の位置調整は、鏡筒２２全体を動かして調整するのであって、上述したように使用者側では鏡筒２２内部の素子間の光軸調整は行わない。

ここで、ＡＦＭ（ＳＰＭ）１の集光光学系２１の内部構造と、装置メーカの技術者による集光光学系２１内部の調整作業について説明する。ＡＦＭ１における理想的な集光光学系２１は、レーザ光の集光性がＡＦＭ１の性能に影響するため、使用者が上記したレーザ光調整ツマミでカンチレバー１２の反射面にレーザ光が照射されるように調整する際に、照射されるスポット面積ができるだけ小さくなるようにすることが望ましい。

上記の理想的な集光光学系２１を構築するには、装置メーカの技術者によって、レーザ光源１４の発光点１４ａ（図５参照）と、コリメートレンズ１５の中心とが光軸Ｌ上で一致するように調整され、しかも、鏡筒２２内で理想的なコリメート光（平行光）が形成されるように、レーザ光源１４とコリメートレンズ１５との距離を調整できるようにしておく必要がある。
そのためには、集光光学系２１の内部に複数の微調整機構を設けて、素子間の距離や素子の角度を自由に調整できるようにすれば、確実に理想的な集光光学系２１を構築することができる。

しかしながら、近年はＳＰＭ（ＡＦＭ）装置全体の大きさを可能な限りコンパクト化することが求められており、例えばカンチレバー１２の反射面にレーザ光を集光する集光光学系２１についても、その取付空間が具体的には３〜５ｃｍ程度に制限されるため、複数の微調整機構を組み込むことは事実上困難である。さらには、装置サイズだけでなくコストの低減も求められるため、むやみに調整機構を設けず、簡略な構成にすることが望まれている。

このような理由から、現状では、集光光学系２１における調整機構を最小限に抑えるため、コリメートレンズ１５の光軸上の位置のみを調整する簡易的な調整機構が採用されている。
ここで、図５は従来の簡易的な調整機構を備えた集光光学系２１を示す断面図である。この集光光学系２１は、レーザ光源１４を保持する鏡筒２２と、コリメートレンズ１５、フォーカスレンズ１６を保持するレンズマウント２３とにより構成される。

鏡筒２２は中空の円筒形状をなし、鏡筒２２の中心軸の軸線が集光光学系２１の光軸Ｌとなるように各光学部品が配置されることを前提にした設計となっている。
すなわち、鏡筒２２の一端にレーザ光源１４が取り付けられ、このレーザ光源１４の発光点１４ａが光軸Ｌ上にくるように固定されている。なお、鏡筒２２の内周面には雌ネジ２４が刻設してある。

また、レンズマウント２３は中空の円筒体をなし、その外周面に刻設された雄ネジ２５が鏡筒２２の雌ネジ２４と螺合するようにしてあり、雄ネジ２５と雌ネジ２４が螺合した状態でレンズマウント２３の中心軸の軸線と鏡筒２２の軸線とが重なるように設計してある。
したがって、レンズマウント２３の中心軸の軸線も光軸Ｌと一致するように設計されており、レンズマウント２３の筒内の一端（レーザ光源１４に近い側の端部）にはコリメートレンズ１５、他端にはフォーカスレンズ１６が接着剤によって固定される。このようにしてレンズマウント２３を鏡筒２２に螺合させた状態で、コリメートレンズ１５、フォーカスレンズ１６の中心が光軸Ｌ上に配置されるようにしてある。

そして、レーザ光源１４の発光点１４ａの光軸Ｌ方向の位置がコリメートレンズ１５の焦点となるように、装置メーカの技術者によって雌ネジ２４に対する雄ネジ２５の螺合位置が調整され、その結果、コリメートレンズ１５によってコリメート光（平行光）を出射できるようになる。コリメートレンズ１５の位置調整完了後は、鏡筒２２の外側から鏡筒２２の側壁を貫通するイモネジ２６により、鏡筒２２に対してレンズマウント２３の位置が固定される。

また、レンズマウント２３の調整完了後、フォーカスレンズ１６にはレーザ光（コリメート光）が入射されるようになり、フォーカスレンズ１６を通過したレーザ光は、光軸Ｌ上におけるフォーカスレンズ１６の焦点位置に集光されるようになる。なお、この焦点位置は、カンチレバー１２の反射面付近となるようにしてある。

これにより、使用者は、この焦点位置（または焦点近傍の光軸Ｌ上）にカンチレバー１２の反射面がくるように、レーザ光調整ツマミを用いて鏡筒２２を移動することによりＳ／Ｎ比の高い測定が可能になる。

特開２０１２−２２５７２２号公報 特開２０１４−２１１３７２号公報

上記の集光光学系２１では、鏡筒２２とレンズマウント２３とは軸線が一致するように配置され、コリメートレンズ１５のレンズ中心とレーザ光源（レーザダイオード）１４の発光点１４ａとは、光軸Ｌ上に存在するように調整された状態で固定されることを前提としている。

しかしながら、上述したように集光光学系２１では、コリメートレンズ１５の光軸Ｌ方向の位置調整を可能にするため、鏡筒２２とレンズマウント２３とが雌ネジ２４と雄ネジ２５とにより螺合されている。一般に、ネジ溝の加工は、平坦面の加工に比してネジ部分の加工精度が十分ではないため、ネジ部分でガタツキが生じることになる。また、鏡筒２２とレンズマウント２３とをイモネジ２６によって固定する際に位置ずれが生じやすく、ネジ溝にガタツキがある場合はさらに位置ずれしやすくなる。

図６、７に、集光光学系２１の内部で位置ずれが生じた状態の模式図を示す。なお、図６はレンズマウント２３の中心軸の軸線が鏡筒２２の中心軸の軸線に対して平行に位置ずれして、コリメートレンズ１５の中心が光軸Ｌから外れた状態であり、図７はレンズマウント２３の軸線が鏡筒２２の軸線に対して傾斜した状態を示している。
いずれの場合も、理想的なコリメート光が得られず、その結果、フォーカスレンズ１６によって形成される焦点でのスポット面積が理想状態よりも広がってしまう。
したがって、装置メーカの技術者は、このような不具合が発生しないように調整作業を行う必要があるため、調整には熟練を要するとともに、時間と手間も要していた。

そこで本発明は、集光光学系２１内部の素子の光軸調整を容易に行うことができるＳＰＭを提供することを目的とする。また、本発明は、集光光学系２１内部において光軸の軸ずれが生じにくい構造のＳＰＭを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明の走査型プローブ顕微鏡は、レーザ光源、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光にするコリメートレンズ、前記平行光にされたレーザ光を集光するフォーカスレンズからなる集光光学系と、前記集光光学系からのレーザ光を反射させる反射面を備えたカンチレバーと、前記カンチレバーで反射されたレーザ光を検出する検出器とを備え、前記集光光学系が、一端にレーザ光源が固定された円筒状の鏡筒と、前記鏡筒の内側に同軸に配置され、前記レーザ光源に近い側の端部にコリメートレンズが固定され、反対側の端部にフォーカスレンズが固定された円筒状のレンズマウントからなり、前記レンズマウントの外周面と前記鏡筒の内周面とに刻設されたネジ溝により、前記レンズマウントが前記鏡筒に対し軸方向に移動可能に構成された走査型プローブ顕微鏡において、前記レンズマウントの外周面と前記鏡筒の内周面との間にリング状の弾性部材を取り付けるようにしている。

本発明によれば、集光光学系には、ネジ溝で螺合するレンズマウントの外周面と鏡筒の内周面との間に、リング状の弾性部材が取り付けられる。この弾性部材により、周面全体を均等に付勢することができるので、ネジの加工精度によるガタツキを吸収することができるとともに、調整作業時の軸出しが容易になる。また、弾性部材の付勢力によりレンズマウントを固定することができるので、従来のようなイモネジによる固定も不要になる。

上記発明において、前記弾性部材は、軸方向に沿って前記ネジ溝を中間に挟んでその両側にそれぞれ取り付けられるようにしてもよい。
これにより、レンズマウントを両端で弾性部材により付勢することになるので、さらに軸出し調整が容易になる。

上記発明において、前記レンズマウントの外周面と前記鏡筒の内周面とは、前記ネジ溝が形成される部分よりも前記レーザ光源に近い側が小径で平坦な周面とされ、当該小径部分に前記弾性部材の一方が取り付けられるようにしてもよい。
これにより、鏡筒にレンズマウントをねじ込む際に、レーザ光源に近い側の弾性部材が鏡筒のネジ溝（雌ネジ）に接触することがなくなるので、調整時にレンズマウントをねじ込む際に弾性部材が傷付きにくくなる。

また、上記発明において、前記レンズマウントの外周面と前記鏡筒の内周面は、前記レーザ光源に近い側が小径、中央が中径、遠い側が大径の三段構造で、かつ、中径部分に前記ネジ溝が刻設され、小径部分と大径部分は平坦面とされ、小径部分と大径部分に前記弾性部材が取り付けられるようにしてもよい。
これにより、大径の平坦面が誤って中径のネジ溝の位置までねじ込まれることがなくなるので、両側の弾性部材のどちらも傷付きにくくなる。

本発明に係るＳＰＭの集光光学系の構成を示す断面図。 本発明における集光光学系の別の構成を示す図１同様の断面図。 本発明における集光光学系のさらに別の構成を示す図１同様の断面図。 ＡＦＭの全体構成の一例を示す概略図。 従来の集光光学系の構成を示す断面図。 集光光学系の軸ずれ状態の一例を示す模式図。 集光光学系の軸ずれ状態の別の一例を示す模式図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態であるＳＰＭにおける集光光学系３１の構成を示す断面図である。
なお、集光光学系３１の構成のうち、図５で説明したものと同じ構成部分については同符号を付すことにより説明の一部を省略する。
また、集光光学系３１以外のＳＰＭの構成については図４に示したものと同様であるため、図４を参照することにより説明を省略する。

本発明に係るＳＰＭの集光光学系３１は、従来の集光光学系２１と同様に、一端側にレーザ光源１４を保持する円筒状の鏡筒３２と、一端（レーザ光源１４に近い側の端部）にコリメートレンズ１５、他端にフォーカスレンズ１６を保持する円筒状のレンズマウント３３とから構成される。

この鏡筒３２とレンズマウント３３とは、レーザ光源１４の発光点１４ａ、コリメートレンズ１５およびフォーカスレンズ１６のレンズの中心が光軸Ｌ上に配置されるように軸出し調整を行う必要があるが、その調整作業を従来よりも容易に行うための工夫が施されている。
すなわち、レンズマウント３３の外周面には、軸線方向に沿って、その両端付近に平坦面４１、４２が形成され、それらを挟んで中間に雄ネジ３５が刻設してある。平坦面４１、４２には溝４３、４４が形成してあり、この溝に弾性部材となるＯリング４５、４６が嵌入してある。

また、鏡筒３２には、レーザ光源１４が取り付けられる片側の端部を除いてレンズマウント３３を螺合することが可能な内径寸法の中空空間が設けてある。この中空部分の内周面に、軸線方向に沿って雄ネジ３５と螺合するための雌ネジ３４が刻設してある。中空部分の両端は平坦面４７、４８としてあり、レンズマウント３３のＯリング４５、４６がこの平坦面４７、４８に接して付勢力が働くようにしてある。
なお、Ｏリング４５、４６は鏡筒３２とレンズマウント３３とを密封する目的で取り付けるものではないため、付勢力を付与する目的上では必ずしも接触面を平坦面とする必要はなくネジ溝としても問題はないが、雌ネジ３４とＯリング４５、４６とが接触し続けるとＯリング４５、４６の表面に傷が入りやすくなるので、本実施形態のように接触面を平坦面４７、４８とする方が望ましい。

次に、鏡筒３２とレンズマウント３３との調整作業について説明する。なお、この調整作業における前提条件として２つの軸出し作業、すなわちレーザ光源１４の発光点１４ａを鏡筒３２の軸線に一致させて固定しておく作業と、レンズマウント３３の軸線にコリメートレンズ１５およびフォーカスレンズ１６のレンズの中心を一致させて固定しておく作業が必要であるが、これらは鏡筒３２やレンズマウント３３における加工精度の高い平坦な加工面に素子を取り付ける作業であり、従来と同様に、装置メーカの技術者が調整治具を用いて正確に調整するようにしておくことができる。よって、ここではこれら各素子の鏡筒３２またはレンズマウント３３に対する取付位置の調整は完了しているものとする。

本発明では、鏡筒３２に対するレンズマウント３３の位置調整、より具体的には両者を螺合させた状態で軸線を一致させ、一本の光軸Ｌ上にレーザ光源１４の発光点１４ａと、コリメートレンズ１５およびフォーカスレンズ１６の中心が配置されるようにするとともに、コリメートレンズ１５の焦点位置に、レーザ光源１４の発光点１４ａが一致するように調整して理想的なコリメート光が形成されるようにする調整を行うことを目的とする。

集光光学系３１では、装置メーカの技術者が調整する際に、Ｏリング４５、４６を装着した状態でレンズマウント３３を鏡筒３２にねじ込んでいく。この際、Ｏリング４５、４６は鏡筒３２の内周面に接して周囲から均等に付勢されながらねじ込まれることになり、ネジ溝部分の加工精度が十分ではない場合にはガタツキが生じるが、そのガタツキがＯリング４５、４６によって吸収されて大きく偏ることがなくなるので、簡単に軸線どうしを一致させて光軸Ｌ上に各素子を配置する調整を行うことができる。

（変形実施形態）
図２は本発明の他の一実施形態であるＳＰＭの集光光学系５１の構成を示す断面図である。ここでは、レーザ光源１４に近い側のＯリング４６が接する平坦面５８と、対応する平坦面５２の内径を、雌ネジ３４と雄ネジ３５の形成面よりも一段小さくしてある。
このようにすることで、レンズマウント３３を鏡筒３２にねじ込む際に、レーザ光源１４に近い側のＯリング４６を、雌ネジ３４に接することなく平坦面５８の位置まで挿入することができるので、調整時も含めてＯリング４６の表面を傷付きにくくすることができる。なお、Ｏリング４５は雌ネジ３４より手前側の平坦面４７に接しているので、本実施例では段差を設けていない。

図３は本発明のさらに他の一実施形態であるＳＰＭの集光光学系７１の構成を示す断面図である。ここではレーザ光源１４に近い側のＯリング４６が接する上下の平坦面６２、６８の内径を、雌ネジ３４と雄ネジ３５の形成面よりも一段小さくするだけでなく、レーザ光源１４から遠い側の上下の平坦面６１、６７の内径を、雌ネジ３４と雄ネジ３５の形成面よりも一段大きくすることで、レンズマウント３３の外周面および鏡筒３２の内周面が三段構造となるようにしてある。これにより、レンズマウント３３が過度にねじ込まれて、Ｏリング４５が誤って雌ネジ３４に接触することを防ぐことができる。

また、これまで説明した各実施形態では、Ｏリング４５、４６をレンズマウント３３の両端にそれぞれ設けたが、いずれか一方に設けた場合であっても、Ｏリングを設けていない従来構造に比して、十分に軸出しの調整作業が容易になる。

本発明は、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に利用することができる。

１ 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）
１２ カンチレバー
１３ プローブ
１４ レーザ光源
１４ａ 発光点
１５ コリメートレンズ
１６ フォーカスレンズ
１９ 検出器
２０ 光学顕微鏡
３１ 集光光学系
３２ 鏡筒
３３ レンズマウント
３４ 雌ネジ
３５ 雄ネジ
４１、４２、４７、４８ 平坦面
４５、４６ Ｏリング（弾性部材）
Ｌ 光軸

Claims (4)

1. レーザ光源、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光にするコリメートレンズ、前記平行光にされたレーザ光を集光するフォーカスレンズからなる集光光学系と、
   前記集光光学系からのレーザ光を反射させる反射面を備えたカンチレバーと、
   前記カンチレバーで反射されたレーザ光を検出する検出器とを備え、
   前記集光光学系が、一端にレーザ光源が固定された円筒状の鏡筒と、前記鏡筒の内側に同軸に配置され、前記レーザ光源に近い側の端部にコリメートレンズが固定され、反対側の端部にフォーカスレンズが固定された円筒状のレンズマウントからなり、
   前記レンズマウントの外周面と前記鏡筒の内周面とに刻設されたネジ溝により、前記レンズマウントが前記鏡筒に対し軸方向に移動可能に構成された走査型プローブ顕微鏡において、
   前記レンズマウントの外周面と前記鏡筒の内周面との間にリング状の弾性部材を取り付けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記弾性部材は、軸方向に沿って前記ネジ溝を中間に挟んでその両側にそれぞれ取り付けられる請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記レンズマウントの外周面と前記鏡筒の内周面とは、前記ネジ溝が形成される部分よりも前記レーザ光源に近い側が小径で平坦な周面とされ、
   当該小径部分に前記弾性部材の一方が取り付けられる請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記レンズマウントの外周面と前記鏡筒の内周面は、前記レーザ光源に近い側が小径、中央が中径、遠い側が大径の三段構造で、かつ、中径部分に前記ネジ溝が刻設され、小径部分と大径部分は平坦面とされ、小径部分と大径部分に前記弾性部材が取り付けられる請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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