JP6588278B2 - 走査プローブ顕微鏡および走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料の表面に探針を近接させて走査することにより、試料の表面形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定する走査プローブ顕微鏡およびその光軸調整方法に関する。

走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）は、カンチレバーの先端に取付けた探針を試料表面に近接又は接触させ、試料の表面形状を測定するものである。この走査プローブ顕微鏡として、レーザ光をカンチレバー先端の背面に照射し、その反射光を検出する、いわゆる光テコ方式を採用したものが知られている。光テコ方式では、カンチレバーに照射した光の反射光の位置ずれをカンチレバーの変位として検出し、カンチレバーの変位量を一定に保つようフィードバック制御しながら試料表面を走査する。そして、このフィードバック制御信号を高さや物性情報として、試料表面の表面形状や粘弾性等の物性を測定することができる。

ところで、光テコ方式では、カンチレバーから反射された反射光の強度が最も高くなるよう、カンチレバーにレーザ光を正確に合わせる必要がある。さらに反射光を検出する検出器の位置を調整する「光軸調整」が必要である。そこで、カンチレバーの直上に光学顕微鏡及びビデオカメラを設置すると共に、光学顕微鏡の光軸上にビームスプリッタを配置し、側方から出射されたレーザ光を、ビームスプリッタを介して下方に導いてカンチレバーに照射する技術が開発されている（特許文献１）。この技術によれば、レーザ光の一部がビームスプリッタを介して上方に向けられ、光学顕微鏡でレーザ光の位置を直接確認できるので、光軸調整が容易になる。
一方、レーザ光を斜めにカンチレバーに照射する場合、光学顕微鏡で確認可能なレーザ光のスポット位置と、カンチレバーに実際に照射するレーザ光の位置とが一致せず、しかもカンチレバーに照射するレーザ光を光学顕微鏡で直接視認できないので、光軸調整を勘で行わざるを得ず、熟練を要するという問題がある。そこで、カンチレバーの下方に光学顕微鏡の観察画像のピントが合う補助照射面を設けることで、カンチレバーに照射するレーザ光を視認できるようにし、光軸調整を容易にする技術が開発されている（特許文献２）。

特開2012-225722号公報 特開2014-44144号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、光学顕微鏡の光軸上にビームスプリッタ（反射部）が配置され、光学顕微鏡の光軸中心を遮るので、顕微鏡の分解能が低下するという問題がある。また、この技術はレーザ光を斜めにカンチレバーに照射する走査プローブ顕微鏡には適用することができない。
一方、特許文献２記載の技術の場合、補助照射面を設ける必要があるので、装置が複雑になったり、小型化が難しくなるという問題がある。また、作業者がレーザ光を見ながら手動で光軸調整をする点で、依然として光軸調整に熟練や時間を要する。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、走査プローブ顕微鏡に配置した対物レンズを用いて光テコの光軸調整を自動的に行える走査プローブ顕微鏡の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の走査プローブ顕微鏡は、試料の表面に近接させる探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーを水平面に対して所定の取付角で取り付けるカンチレバー支持部と、前記カンチレバー支持部に取り付ける前の前記カンチレバーを保持するカンチレバー供給機構と、前記カンチレバーの位置を調整する移動機構と、検出光を照射する光源部と、前記カンチレバーに設けられた反射面で反射された前記検出光を検出し、前記カンチレバーの変位を検出する検出部と、前記カンチレバーに対向して配置され、該カンチレバーの近傍を観察又は撮像する対物レンズと、を備えた走査プローブ顕微鏡であって、さらに、前記カンチレバーを前記カンチレバー支持部に取り付けないで前記カンチレバー供給機構に取り付けた状態で、前記対物レンズで撮像した前記検出光が前記試料の表面で反射されたスポット光のスポット位置を検出し、前記対物レンズで撮像した前記カンチレバー供給機構に取り付けられた状態の前記カンチレバーの位置を検出し、前記スポット位置、前記カンチレバーの位置、前記検出光の入射角、及び前記取付角に基づき、前記カンチレバーを前記カンチレバー供給機構から前記カンチレバー支持部に取り付けたときに前記反射面で前記検出光が反射されるように前記移動機構を制御する制御手段を備えることを特徴とする。
この走査プローブ顕微鏡によれば、制御手段は、カンチレバーの位置、検出光の入射角、及び取付角に基づき、カンチレバーの反射面に検出光が反射されるように、カンチレバーをカンチレバー支持部に取り付ける位置を幾何学的に自動計算する。そして、制御手段は、カンチレバーがこの取付位置に来るよう、移動機構を制御してカンチレバーをカンチレバー支持部に取り付けるので、対物レンズを用いて光テコの光軸調整を自動的に行える。

前記制御手段は、前記対物レンズで撮像した前記スポット光の形状が所定の円形度以上であるときに、前記スポット位置を検出してもよい。
スポット光が円形から乖離したいびつな形状である場合、検出光の入射が異常であると考えられる。そこで、この走査プローブ顕微鏡によれば、検出光が正常に入射しているか否かを判断することができる。

前記検出部の位置を調整する検出部移動機構をさらに備え、前記制御手段は、前記検出部で検出される前記検出光の強度が最大となるように前記検出部移動機構を制御してもよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、検出部の光軸調整も自動的に行うことができる。

前記制御手段は、前記対物レンズで撮像した前記スポット光の重心を前記スポット位置として検出し、前記カンチレバーの重心及び前記カンチレバーの長軸の方向を前記カンチレバーの位置として検出してもよい。
カンチレバーが自身の移動方向と斜めにカンチレバー供給機構に保持されている場合、カンチレバーが移動方向に対して斜めに移動してしまうため、上記取付位置に正確にカンチレバーを移動することが困難になる。そこで、カンチレバーが自身の移動方向と、カンチレバーの長軸の方向とのずれ角を検出することで、カンチレバーを上記取付位置に正確に移動できるようになる。

本発明の走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法は、試料の表面に近接させる探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーを水平面に対して所定の取付角で取り付けるカンチレバー支持部と、前記カンチレバー支持部に取り付ける前の前記カンチレバーを保持するカンチレバー供給機構と、前記カンチレバーの位置を調整する移動機構と、検出光を照射する光源部と、前記カンチレバーに設けられた反射面で反射された前記検出光を検出し、前記カンチレバーの変位を検出する検出部と、前記カンチレバーに対向して配置され、該カンチレバーの近傍を観察又は撮像する対物レンズと、を備えた走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法であって、前記カンチレバーを前記カンチレバー支持部に取り付けないで前記カンチレバー供給機構に取り付けた状態で、前記対物レンズで撮像した前記検出光が前記試料の表面で反射されたスポット光の前記スポット位置を検出するスポット位置検出工程と、前記対物レンズで撮像した前記カンチレバー供給機構に取り付けられた状態の前記カンチレバーの位置を検出するカンチレバー位置検出工程と、前記スポット位置、前記カンチレバーの位置、前記検出光の入射角、及び前記取付角に基づき、前記カンチレバーを前記カンチレバー供給機構から前記カンチレバー支持部に取り付けたときに前記反射面で前記検出光が反射されるよう、前記カンチレバーの取付位置を幾何学的に算出するカンチレバー取付位置算出工程と、前記カンチレバーが前記取付位置に来るよう、前記移動機構を制御して前記カンチレバーを前記カンチレバー支持部に取り付けるカンチレバー取付工程と、を有する。
この走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法によれば、カンチレバーの位置、検出光の入射角、及び取付角に基づき、カンチレバーの反射面に検出光が反射されるように、カンチレバーをカンチレバー支持部に取り付ける位置を幾何学的に自動計算する。そして、カンチレバーがこの取付位置に来るよう、移動機構を制御してカンチレバーをカンチレバー支持部に取り付けるので、対物レンズを用いて光テコの光軸調整を自動的に行える。

本発明の走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法において、前記スポット位置検出工程は、前記スポット光の画像データを取得する画像取得工程と、画像処理により前記スポット光の重心を前記スポット位置として取得するスポット位置取得工程と、前記スポット位置の取得の成否を判定するスポット位置取得判定工程と、を含んでもよい。
この走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法によれば、スポット位置の取得ができなかった場合には、スポット光の検出条件の変更等をして、スポット位置の再取得を確実に行うことができる。

前記スポット位置取得工程は、前記画像取得工程で取得した前記画像データを前処理する前処理工程と、前記画像データから前記スポット光の領域を判定するスポット領域判定工程と、を含んでもよい。
この走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法によれば、スポット光の領域を超えるノイズ等を排除して、スポット位置を精度よく取得できる。

前記スポット領域判定工程は、前記前処理した前記画像データを二値化する二値化工程と、二値化した前記画像データのうち最大の領域の円形度を算出する円形度算出工程と、前記円形度が閾値を超えているかを判定し、該閾値以上の場合に前記スポット光の重心として取得する円形度判定工程と、を含んでもよい。
スポット光が円形から乖離したいびつな形状である場合、検出光の入射が異常であると考えられる。そこで、この走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法によれば、検出光が正常に入射しているか否かを判断することができる。

本発明によれば、走査プローブ顕微鏡に配置した対物レンズを用いて光テコの光軸調整を自動的に行える。

本発明の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡のカンチレバーを取り付けた状態のブロック図である。 カンチレバーを取り付ける前に、光源部からのレーザ光を対物レンズで撮像した光路を示す図である。 図２の部分拡大図である。 対物レンズで撮像したレーザ光のスポット位置を検出する態様を示す模式図である。 対物レンズで撮像したカンチレバーの位置を検出する態様を示す模式図である。 レーザ光のスポット光の重心を検出するフローを示す図である。 スポット光の重心の検出のサブルーチンを示す図である。 スポット光の画像データをラベリングした一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡１００のカンチレバー４を取り付けた状態のブロック図、図２は、カンチレバー４を取り付ける前に、光源部１からのレーザ光Ｌ０を対物レンズ１７で撮像した光路を示す図、図３は図２のカンチレバー４近傍の部分拡大図である。
図１において、走査プローブ顕微鏡１００は、試料１８の表面に近接させる探針９９を先端に有するカンチレバー４と、カンチレバー４の下方に配置されて試料１８を載置する試料台（ステージ）１９と、光てこに用いるレーザ光（検出光）Ｌ０を照射する光源部（半導体レーザ光源）１と、第１反射部（第１ミラー）３と、レーザ光を受光する検出部（４分割光検出素子）６と、第２反射部（第２ミラー）５と、カンチレバー４及び試料１８に対向して配置される対物レンズ１７と、制御手段４０等を有する。なお、対物レンズ１７で集光された光は光学顕微鏡本体２５で観察又は撮像される。
走査プローブ顕微鏡１００は、対物レンズ１７のの光軸Ｏに対し、光源部１からレーザ光Ｌ０を斜めに照射するタイプとなっている。又、走査プローブ顕微鏡１００は、カンチレバー４側をスキャンして測定を行うレバースキャン方式となっている。

光源部１は、レーザ光を側方に照射する。第１反射部３は、光源部１から照射されるレーザ光Ｌ０を光軸Ｏに対して斜め下方に反射し、カンチレバー４の背面に設けられた反射面(図示せず)に導く。第２反射部５は、カンチレバー４の反射面で上方に反射されたレーザ光を側方に反射して検出部６へ導く。検出部６は第２反射部５よりも外側に配置され、受光面が側方を向いている。
制御手段４０は走査プローブ顕微鏡１００の動作を制御し、コントローラー、コンピュータ等を備えている。コンピュータは、制御基板、ＣＰＵ（中央制御処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。

試料台１９はＸＹステージ２８の上方に取り付けられ、ＸＹステージ２８はベース部（筐体）２２上に固定されている。ＸＹステージ２８は、試料台１９を水平面内で大まかに２次元移動させ、カンチレバー４と試料１８の位置関係を調整するものであり、制御手段４０によって動作が制御される。そして、試料台１９上に試料１８が載置され、試料１８が探針９９に対向配置されている。なお、ＸＹステージ２８上には、複数の交換用カンチレバーを保持したカンチレバー供給機構２９が配置されている（交換用カンチレバーは図示せず）。
カンチレバー４は、斜面ブロック１１内に設けられた真空配管３０により斜面ブロック１１に吸着固定され、斜面ブロック１１は、加振機（振動子）１３に固定されている。
斜面ブロック１１が特許請求の範囲の「カンチレバー支持部」に相当する。図１においては、斜面ブロック１１はカンチレバーを水平面（ｘｙ面）に対して右上がりとなる取付角θ（図３参照）で斜めに取り付けるようになっている。

走査プローブ顕微鏡１００においては、変位検出系とカンチレバーを取り付けた斜面ブロック１１が一体となり、光ヘッドを構成している。具体的には、ベース部２２の垂直方向のブーム部位の側面に粗動機構２１を介して連結部２６が取付けられている。
連結部２６の下面には、中央部が開口する微動機構（スキャナ）２０が取付けられている。又、微動機構２０の下面には、中央部が開口する枠状の光ヘッド筐体１６が固定されている。微動機構２０は、光ヘッド筐体１６を３次元に移動（微動）させるものであり、光ヘッド筐体１６をそれぞれｘｙ（試料１８の平面）方向に走査する２つの（２軸の）圧電素子と、光ヘッド筐体１６をｚ（高さ）方向に走査する圧電素子とを備えたフラットスキャナ（アクチュエータ）である。圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生する素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるがこれに限られない。

又、光ヘッド筐体１６の下面には光源側モジュール１０が取り付けられ、光源側モジュール１０の内部には、光源部１及び第１集光レンズ２が取付けられている。さらに、光源側モジュール１０には所定のミラーホルダを介して第１反射部３が取り付けられている。
そして、光ヘッド筐体１６の開口部に対物レンズ１７が設置され、開口部を通して下方のカンチレバー４及び試料１８に臨んでいる。

粗動機構２１は、連結部２６を垂直（Ｚ）方向に大まかに移動させるものであり、制御手段４０によって動作が制御される。粗動機構２１は、例えばステッピングモータから構成することができる。
微動機構２０の各圧電素子は、制御手段４０からの所定の制御信号（電圧）により、それぞれｘｙ方向及びｚ方向へ駆動する。

カンチレバー４は本体部とチップ部とを有し、本体部の側面に接したチップ部が片持ちバネの構造を構成している。カンチレバー４は斜面ブロック１１に取付けられ、斜面ブロック１１は、加振機（振動子）１３に固定されている。そして、加振機１３は加振電源（図示せず）からの電気信号により振動し、カンチレバー４及びその先端の探針９９を振動させる。カンチレバーの加振方法として、圧電素子、電場や磁場、光照射、電流の通電なども含まれる。加振機１３は、カンチレバーを共振周波数近傍で強制振動させるダイナミック・フォース・モード（ＤＦＭ測定モード）で、試料の形状を測定する際に用いる。
そして、加振機１３は光源側モジュール１０の下方に取り付けられ、カンチレバー４は光ヘッドの先端に配置されることになる。

さらに、光ヘッド筐体１６の下側には、光源側モジュール１０に対向して所定のミラーホルダが固定され、このミラーホルダに第２反射部５及び第２集光レンズ２３が取り付けられている。さらに、光ヘッド筐体１６には２軸調整ステージ１４が取り付けられ、２軸調整ステージ１４には２軸調整機構１４ａを介して検出部６が取り付けられている。そして、２軸調整機構１４ａを、Ｚ方向とＹ方向（又はＸ方向）の２方向に調整することで、受光強度が最も高くなるよう、検出部６の位置を調整する「光軸調整」を行うことができる。
２軸調整機構１４ａが特許請求の範囲の「検出部移動機構」に相当する。２軸調整機構１４ａは、例えばステッピングモータから構成することができる。

そして、微動機構２０の先端に取り付けられたカンチレバー４は、試料１８に対して、高さ（Ｚ）方向の位置を制御されつつ試料面（ＸＹ）内方向に走査される。このとき、まず、ＸＹステージ２８によってカンチレバー４を試料１８の表面内の任意の位置に位置決めした後、粗動機構２１によりカンチレバー４が試料１８に接触又は近接する高さ位置まで送られる。

試料１８とカンチレバー４の間に働く原子間力は、カンチレバー４の撓み方向の変位量として、検出部６へ入射されるレーザの光路の変化（入射位置）に反映される。従って、この入射位置からカンチレバー４の変位量が検出部６で検出されることになる。このようにして、試料１８と探針９９の間に働く原子間力によって生じるカンチレバー４の変位を上述の機構で検出し、カンチレバー４の振動振幅の減衰率が目標振幅となるように微動機構２０をｚ方向に変位させ、探針９９と試料１８の間に働く原子間力を制御する。そして、この状態で、微動機構２０をｘｙ方向に変位させて試料１８のスキャンを行い、ＤＦＭ測定モードで表面の形状や物性値をマッピングする。
このようにして、試料１８にカンチレバー４の探針９９を近接又は接触させたときのカンチレバー１の変位を、上述の光テコ方式で検出し、微動機構２０によりカンチレバー４の変位量を一定に保ちながら試料１８表面を走査し、測定を行うことができる。

制御手段４０は、プローブ顕微鏡１００の各動作を制御し、測定されたデータを取り込み制御し、表面形状測定、表面物性測定などを実現する。そして、ｘｙ面内の変位に対して、(i)高さの変位から３次元形状像を、(ii)共振状態の位相の値から位相像を、(iii)振動振幅の目標値との差により誤差信号像を、(iv)探針−試料間の物性値から多機能測定像を、制御手段４０上に表示し、解析や処理を行うことにより、プローブ顕微鏡として動作させる。

次に、図２、図３を参照し、本発明の特徴部分である光軸調整について説明する。
図２は、カンチレバー４を斜面ブロック１１に取り付ける前の状態（つまり、ＸＹステージ２８上のカンチレバー供給機構２９にカンチレバー４を保持した状態）で、光源部１からのレーザ光Ｌ０を対物レンズ１７で撮像した光路を示す。レーザ光Ｌ０は試料１８の表面上の点Ｑで反射され、対物レンズ１７の光軸Ｏに沿って入射して光学顕微鏡本体２５の撮像素子（ＣＣＤ素子）でスポット光として撮像される（図４参照）。
一方、図３に示すように、斜面ブロック１１にカンチレバー４を取り付けた状態では、光源部１からのレーザ光Ｌ０は、カンチレバー４の反射面との交点Ｐで反射され、反射光Ｌ１となって第２反射部５に入射し、検出部６で検出される。

ところが、交点Ｐを試料１８の表面に投影した点Ｐ１は点Ｑと一致せずに変位Ｄだけずれており、しかもカンチレバー４に照射したレーザ光Ｌ０の交点Ｐでのスポット光（反射光Ｌ１）は対物レンズ１７の視野外にあるので撮像できない。一方、取付角θ及びレーザ光Ｌ０の入射角（光軸Ｏとのなす角）φは既知であるので、点Ｑの座標がわかれば、交点Ｐの座標（即ち、カンチレバー４を斜面ブロック１１に取り付ける位置）は幾何学的に決まるので、光軸調整を行えることになる。

具体的には、まず図４に示すように、カンチレバー４を斜面ブロック１１に取り付けない状態で、制御手段４０は、試料１８表面の点Ｑで反射されたレーザ光Ｌ０のスポット光を対物レンズ１７で撮像し、画像処理によってレーザ光Ｌ０のスポット位置（図４ではスポット光の重心Ｇ１）を検出する（スポット位置検出工程 図６のＳ１００）。又、図５に示すように、カンチレバー４を斜面ブロック１１に取り付けない状態（つまり、カンチレバー供給機構２９にカンチレバー４を保持した状態）で、制御手段４０は、レーザ光Ｌ０を照射しないでカンチレバー４を対物レンズ１７で撮像し、画像処理によってカンチレバー４の位置（図５ではカンチレバー４の重心Ｇ２）を検出する（カンチレバー位置検出工程 図６のＳ１４）。重心Ｇ２は、例えばカンチレバー４の輪郭を画像処理にて抽出して求めることができる。

図５の処理を行う理由は、カンチレバー供給機構２９に保持されたカンチレバー４の現在の位置を検出しないと、目標とする交点Ｐまでのカンチレバー４の移動量を計算できないからである。
また、図５の処理に当たっては、カンチレバー４が自身の移動方向（カンチレバー４を動かす微動機構２０のｘ方向またはｙ方向）と斜めにカンチレバー供給機構２９に保持されたり、カンチレバー４の長さ方向の中心軸（カンチレバー４の長軸Ｌの延長線）又はエッジ４ｅがｘ方向またはｙ方向に対して直角でない場合がある。この場合、ｘ方向またはｙ方向に対して、カンチレバー４が斜めに移動してしまうため、正確にカンチレバー４を交点Ｐに移動することが困難になる。そこで、ｘ方向またはｙ方向と探針９９の長軸Ｌの方向とのずれ角、又はｘ方向またはｙ方向とエッジ４ｅとのずれ角を検出することで、カンチレバー４を交点Ｐに正確に移動できるようになる。
ここで、カンチレバー４の長軸Ｌの方向は、カンチレバー４の基部に繋がるカンチレバー（本体）４のエッジ４ｅと垂直であるか、又はエッジ４ｅと既知の角度であるので、エッジ４ｅを画像処理で抽出することで、長軸Ｌの方向を検出することができる。

以上のようにして、制御手段４０は、レーザ光Ｌ０のスポット位置Ｇ１，カンチレバー４の位置Ｇ２、レーザ光Ｌ０の入射角φ、及び取付角θに基づき、カンチレバー４を斜面ブロック１１に取り付けたときにカンチレバー４の反射面に交点Ｐでレーザ光Ｌ０が反射されるように、カンチレバー４を斜面ブロック１１に取り付ける位置を幾何学的に計算する（カンチレバー取付位置算出工程 図６のＳ１６）。
制御手段４０は、カンチレバー４が上述の取付位置に来るように粗動機構２１を制御し、斜面ブロック１１をＺ方向へ移動（降下）させてカンチレバー供給機構２９に接近させ、さらにカンチレバー４に接触させる。粗動機構２１が特許請求の範囲の「移動機構」に相当する。カンチレバー供給機構２及びカンチレバー４は既知の高さであるので、その高さになるよう、粗動機構２１を制御すればよい。
そして、制御手段４０は真空配管３０のバルブを制御し、カンチレバー４を斜面ブロック１１に吸引させて取り付ける（カンチレバー取付工程 図６のＳ１８）。これにより、カンチレバー４の反射面でレーザ光Ｌ０が反射されるような光軸調整を自動的に行うことができる。

そして、検出部６からの出力信号（ＡＤＤ信号）の強度、カンチレバー４の縦方向の撓み（ＤＩＦ）信号及び横方向の捩じれ（ＦＭＭ）信号を調整し、カンチレバーの反射面と検出部６との位置合わせを経て光てこの調整が完了する。
検出部６側の光軸調整は一般にオペレータが行うが、後述するように制御手段４０が自動的に行うこともできる。

次に、図６〜図８を参照し、制御手段４０が行うスポット位置検出の処理フローについて説明する。
図６は、レーザ光Ｌ０のスポット光の重心Ｇ１を検出するフロー、図７はスポット光の重心Ｇ１の検出のサブルーチンを示す。
図６において、制御手段４０は、対物レンズ１７（および光学顕微鏡本体２５）で撮像したレーザ光Ｌ０のスポット光の画像データを取得し（ステップＳ２：画像取得工程）、画像処理により重心Ｇ１を検出する（ステップＳ１００：スポット位置取得工程）。次に、ステップＳ４（スポット位置取得判定工程）で、制御手段４０はステップＳ１００の検出が成功したか否かを判定し、「Ｙｅｓ」であれば、重心Ｇ１を取得し（ステップＳ６）、処理を終了する。
一方、ステップＳ４で「Ｎｏ」であれば、次に、ステップＳ８で、制御手段４０はステップＳ１００の検出条件を３回変更したか否かを判定する。ステップＳ８で「Ｙｅｓ」であれば、重心Ｇ１の検出がうまく行かなかったとみなし、重心Ｇ１の検出が失敗した旨のエラー表示を行い（ステップＳ１２）、処理を終了する。ステップＳ８で「Ｎｏ」であれば、検出条件を変更し（ステップＳ１０）、ステップＳ１００に戻る。
なお、検出条件の変更とは、例えば画像を白黒に２値化するときの閾値の変更が挙げられる。

次に、図７の重心Ｇ１の検出のサブルーチンについて説明する。まず、制御手段４０は、ステップＳ２で取得したスポット光の画像データの前処理（サイズの変更、グレースケールへの変換等）を適宜行う（ステップＳ１０２：前処理工程）。次に、制御手段４０は、画像処理に用いる各種パラメータを設定する（ステップＳ１０４）。各種パラメータとしては、後述する二値化処理の閾値が挙げられる。
次に、ステップＳ１０６で、制御手段４０はステップＳ１０４のパラメータの設定が３回以下か否かを判定する。ステップＳ１０６で「Ｎｏ」であれば、パラメータの設定がうまく行かなかったとみなし、重心Ｇ１の検出が失敗した旨のエラー表示を行い（ステップＳ１２４）、処理を終了する。一方、ステップＳ１０６で「Ｙｅｓ」であれば、制御手段４０は画像データを二値化する（ステップＳ１０８：二値化工程）。

次に、制御手段４０は、二値化した画像データ中に、白い部分（二値化閾値を超えた部分）があるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０で「Ｙｅｓ」であれば、制御手段４０は白い部分をラベリングする（ステップＳ１１２）。ラベリングは公知の画像処理であり、白の部分が連続した画素に同じ番号を割り当てる。そして、制御手段４０は、画像データ中に、所定の大きさ以下のラベリング領域があるか否かを判定する（ステップＳ１１４）。ステップＳ１１４で「Ｙｅｓ」であれば、ラベリング領域のうち、最大の領域の円形度を計算する（ステップＳ１１６：円形度算出工程）。なお、所定の大きさを超えるラベリング領域は、ノイズ等を含んでいると考えられるので、ステップＳ１１４の処理は、ノイズ等を排除するものである。所定の大きさとは、例えば画素数が１００を超えるラベリング領域をいう。
なお、図８に示す例では、画像データ中に、白の部分が連続した３つのラベリング領域Ｉａ〜Ｉｃが存在するが、そのうち領域Ｉａが最も大きい（最も多くの白の画素を含む）ので、領域Ｉａの円形度を計算することとなる。円形度も公知の画像処理であり、図８に示す例では、領域Ｉａの面積Ｓ（画素数）と、周囲長ＰＬから、円形度＝（４π×Ｓ）／（ＰＬ×ＰＬ）で計算される。
また、ステップＳ１０４〜Ｓ１１６が「スポット領域判定工程」に相当する。

次に、制御手段４０は、ステップＳ１１６で計算した円形度が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１８：円形度判定工程）。スポット光が円形から乖離したいびつな形状である場合、レーザ光Ｌ０の入射が異常であると考えられるので、ステップＳ１１８の判定により、レーザ光Ｌ０が正常に入射しているか否かを判断することができる。円形度の閾値は、例えば５０％に設定することができる。
ステップＳ１１８で「Ｙｅｓ」であれば、制御手段４０は領域Ｉａの重心を計算し、所定の記憶手段に格納して（ステップＳ１２０）、処理を終了する。画像処理による重心の計算も公知であり、領域Ｉａを構成する各画素のX座標の平均と、Y座標の平均から重心の座標が求められる。

一方、ステップＳ１１０、Ｓ１１４、Ｓ１１８のいずれかで「Ｎｏ」であれば、二値化閾値を変更し（ステップＳ１２２）、ステップＳ１０４に戻る。
なお、ステップＳ１１０で「Ｎｏ」の場合、閾値が高過ぎて白い部分が検出されなかったことになるので、二値化閾値を低くする。また、ステップＳ１１４、Ｓ１１８で「Ｎｏ」の場合、閾値が低過ぎてノイズを検出したことになるので、二値化閾値を高くする。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、走査プローブ顕微鏡の測定モードとは限定されず、上述のＤＦＭ測定モードの他、探針と試料の間の原子間力を一定に保って試料の表面形状を測定するコンタクト・モードや、ノンコンタクト測定モードを例示できる。
又、走査プローブ顕微鏡は試料の表面形状を測定するものに限らず、探針を近接又は接触させて走査するものであれば、試料の各種の物性情報を測定するものでもよい。
光源部、検出光、検出部、移動機構、対物レンズの種類や、カンチレバー支持部へのカンチレバーの取り付け方法も上記実施形態に限定されない。また、カンチレバー４が固定され、試料１８側をスキャンするサンプルスキャン方式であってもよい。
また、上記実施形態では、スポット光の重心Ｇ１、及びカンチレバー４の重心Ｇ２を、それぞれスポット位置及びカンチレバーの位置として検出したが、これに限られない。例えば、探針９９の尖った先端をカンチレバーの位置と仮定して検出してもよい。

制御手段４０が、検出部６で検出される反射光Ｌ１（図１、図３参照）の受光強度が最大となるように、２軸調整機構１４ａを制御してもよい（光検出側調整工程）。これにより、検出部６の光軸調整も自動的に行うことができる。この場合、２軸調整機構１４ａを動かしたときの受光強度の大小により、２軸調整機構１４ａの移動量をフィードバック制御することにより、最適な検出部６の位置が求められる。
また、スポット光のスポット位置を検出する際、検出光を試料１８の表面に照射する代わりに、所定のスポット反射面（ミラー）を設置し、この反射面に検出光を照射した反射光をスポット光として撮像してもよい。例えば、試料１８の種類や表面状態によっては、試料１８の表面からの反射光Ｌ２の強度が十分でないことがあるが、スポット反射面（ミラー）からの反射光は一定の強度を確保できるので、スポット光を撮像し易くなり、光軸調整をし易くなるという効果もある。
また、上記の実施形態における図６のステップＳ８、または図７のステップＳ１０６では、検出条件又はパラメータの設定の変更回数を３回としたが、任意の回数でよい。

１ 光源部
４ カンチレバー
６ 検出部
１１ カンチレバー支持部
１４ａ 検出部移動機構
１７ 対物レンズ
１８ 試料
２１ 移動機構
４０ 制御手段
９９ 探針
１００ 走査プローブ顕微鏡
Ｏ 対物レンズの光軸
Ｌ０，Ｌ１ 検出光
Ｇ１ スポット位置
Ｇ２ カンチレバーの位置
φ 検出光の入射角
θ カンチレバーの取付角

Claims (8)

1. 試料の表面に近接させる探針が設けられたカンチレバーと、
   前記カンチレバーを水平面に対して所定の取付角で取り付けるカンチレバー支持部と、
   前記カンチレバー支持部に取り付ける前の前記カンチレバーを保持するカンチレバー供給機構と、
   前記カンチレバーの位置を調整する移動機構と、
   検出光を照射する光源部と、
   前記カンチレバーに設けられた反射面で反射された前記検出光を検出し、前記カンチレバーの変位を検出する検出部と、
   前記カンチレバーに対向して配置され、該カンチレバーの近傍を観察又は撮像する対物レンズと、を備えた走査プローブ顕微鏡であって、
   さらに、前記カンチレバーを前記カンチレバー支持部に取り付けないで前記カンチレバー供給機構に取り付けた状態で、前記対物レンズで撮像した前記検出光が前記試料の表面で反射されたスポット光のスポット位置を検出し、前記対物レンズで撮像した前記カンチレバー供給機構に取り付けられた状態の前記カンチレバーの位置を検出し、前記スポット位置、前記カンチレバーの位置、前記検出光の入射角、及び前記取付角に基づき、前記カンチレバーを前記カンチレバー供給機構から前記カンチレバー支持部に取り付けたときに前記反射面で前記検出光が反射されるように前記移動機構を制御する制御手段を備えることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
2. 前記制御手段は、前記対物レンズで撮像した前記スポット光の形状が所定の円形度以上であるときに、前記スポット位置を検出する請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
3. 前記検出部の位置を調整する検出部移動機構をさらに備え、
   前記制御手段は、前記検出部で検出される前記検出光の強度が最大となるように前記検出部移動機構を制御する請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡。
4. 前記制御手段は、前記対物レンズで撮像した前記スポット光の重心を前記スポット位置として検出し、前記カンチレバーの重心及び前記カンチレバーの長軸の方向を前記カンチレバーの位置として検出する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の走査プローブ顕微鏡。
5. 試料の表面に近接させる探針が設けられたカンチレバーと、
   前記カンチレバーを水平面に対して所定の取付角で取り付けるカンチレバー支持部と、
   前記カンチレバー支持部に取り付ける前の前記カンチレバーを保持するカンチレバー供給機構と、
   前記カンチレバーの位置を調整する移動機構と、
   検出光を照射する光源部と、
   前記カンチレバーに設けられた反射面で反射された前記検出光を検出し、前記カンチレバーの変位を検出する検出部と、
   前記カンチレバーに対向して配置され、該カンチレバーの近傍を観察又は撮像する対物レンズと、を備えた走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法であって、
   前記カンチレバーを前記カンチレバー支持部に取り付けないで前記カンチレバー供給機構に取り付けた状態で、前記対物レンズで撮像した前記検出光が前記試料の表面で反射されたスポット光の前記スポット位置を検出するスポット位置検出工程と、
   前記対物レンズで撮像した前記カンチレバー供給機構に取り付けられた状態の前記カンチレバーの位置を検出するカンチレバー位置検出工程と、
   前記スポット位置、前記カンチレバーの位置、前記検出光の入射角、及び前記取付角に基づき、前記カンチレバーを前記カンチレバー供給機構から前記カンチレバー支持部に取り付けたときに前記反射面で前記検出光が反射されるよう、前記カンチレバーの取付位置を幾何学的に算出するカンチレバー取付位置算出工程と、
   前記カンチレバーが前記取付位置に来るよう、前記移動機構を制御して前記カンチレバーを前記カンチレバー支持部に取り付けるカンチレバー取付工程と、
   を有する走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法。
6. 前記スポット位置検出工程は、
   前記スポット光の画像データを取得する画像取得工程と、
   画像処理により前記スポット光の重心を前記スポット位置として取得するスポット位置取得工程と、
   前記スポット位置の取得の成否を判定するスポット位置取得判定工程と、
   を含む請求項５に記載の走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法。
7. 前記スポット位置取得工程は、
   前記画像取得工程で取得した前記画像データを前処理する前処理工程と、
   前記画像データから前記スポット光の領域を判定するスポット領域判定工程と、
   を含む請求項６に記載の走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法。
8. 前記スポット領域判定工程は、
   前記前処理した前記画像データを二値化する二値化工程と、
   二値化した前記画像データのうち最大の領域の円形度を算出する円形度算出工程と、
   前記円形度が閾値を超えているかを判定し、該閾値以上の場合に前記スポット光の重心として取得する円形度判定工程と、
   を含む請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡の光軸調整方法。