JP6729263B2

JP6729263B2 - 走査型プローブ顕微鏡

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Publication number: JP6729263B2
Application number: JP2016197951A
Authority: JP
Inventors: 池田　雄一郎; 雄一郎池田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: JP2018059833A

Description

本発明は、試料の表面に沿ってカンチレバーを走査させる走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

例えば光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーを試料の表面に沿って走査させ、カンチレバーの撓みを検出することにより、試料表面の凹凸画像を得ることができるようになっている（例えば、下記特許文献１参照）。この種の走査型プローブ顕微鏡には、カンチレバーに向けて光を照射する発光部と、カンチレバーからの反射光を受光する受光部とが備えられている。

試料表面を観察する際には、カンチレバーを試料表面に近付けるアプローチ動作が行われる。一般的なアプローチ動作では、カンチレバーが所定の速度で試料表面に近付けられ、試料表面に接触したときにカンチレバーが撓むことにより、カンチレバーからの反射光の角度が変化する。その結果、受光部において受光するカンチレバーからの反射光の位置が変化するため、その変化に基づいてカンチレバーが試料表面に接触したことを検出することができる。

試料表面に対するカンチレバーの接触を検出した場合には、カンチレバーの移動を停止させた後、試料をカンチレバーから一旦離間させる。その後、カンチレバーをゆっくりと試料表面に再度近付け、適切な位置でカンチレバーを停止させる。このようにしてカンチレバーのアプローチ動作が行われた後、試料表面に沿ってカンチレバーが走査される。

しかしながら、上記のような従来のアプローチ動作は、計測用のカンチレバーを用いて行われるため、カンチレバーを高速で試料表面に近付けた場合には、試料表面に対する接触時にカンチレバーが折れてしまうおそれがある。観察に要する時間を短縮するためには、アプローチ動作をできるだけ短時間で行うことが好ましいが、カンチレバーを高速で試料表面に近付けた場合には、試料表面に対する接触時にカンチレバーがさらに折れやすくなる。そのため、アプローチ動作を行う際のカンチレバーの移動速度には上限があった。

特許文献１に開示されている走査型プローブ顕微鏡では、計測用のカンチレバーとは別にＺ距離制御用のカンチレバーが設けられ、これらのカンチレバーが一体的に形成されたカンチレバー部が構成されている。このようなカンチレバー部が試料表面に対して高速で近付けられ、Ｚ距離制御用のカンチレバーが試料表面に接触したことが検出されると、カンチレバー部の移動速度が低速に切り替えられ、計測用のカンチレバーが試料表面に近付けられる。

特開２０００−２０６０２６号公報

しかしながら、上記のような従来の走査型プローブ顕微鏡では、計測用のカンチレバーとＺ距離制御用のカンチレバーが一体的に形成されていることに起因して、計測に悪影響が生じるおそれがある。

具体的には、計測用のカンチレバーが試料表面に沿って走査される際に、Ｚ距離制御用のカンチレバーも一緒に移動するため、計測用のカンチレバーに向けて照射した光の一部が、Ｚ距離制御用のカンチレバーにも入射するおそれがある。この場合、計測用のカンチレバーからの反射光だけでなく、Ｚ距離制御用のカンチレバーからの反射光も受光部で受光されることとなり、試料の計測の精度が低下するという問題がある。

また、カンチレバーを振動させながら試料表面に沿って走査させるような観察モードでは、計測用のカンチレバーと一緒にＺ距離制御用のカンチレバーも振動することになるため、カンチレバーの共振周波数を一定にすることが困難となる。そのため、計測に使用可能な観察モードが限られてしまうという問題もある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、計測用カンチレバーが試料表面に接触して折れるのを防止しつつ短時間でアプローチ動作を行うことができ、かつ、試料の計測の精度が低下するのを防止することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。また、本発明は、より多くの観察モードで試料の計測を行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。すなわち、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記特許文献１にあるような一体型のカンチレバーとは測定用途が異なるということである。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、計測用カンチレバーと、接触検出用カンチレバーと、変位機構と、逃がし機構と、少なくとも１つの発光部と、少なくとも１つの受光部と、制御部とを備える。前記計測用カンチレバーは、試料の表面に沿って走査される。前記接触検出用カンチレバーは、前記計測用カンチレバーよりも撓みやすく、試料に対する接触を検出するためのものである。前記変位機構は、試料に対する前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーの相対位置を変化させる。前記逃がし機構は、試料に接触した前記接触検出用カンチレバーを試料から退避させる。前記発光部は、前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーに向けて光を照射する。前記受光部は、前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーからの反射光を受光する。前記制御部は、前記変位機構により前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーを第１の速度で試料に近付けて、前記計測用カンチレバーよりも先に試料に接触する前記接触検出用カンチレバーの試料に対する接触を前記受光部における受光強度に基づいて検出し、その検出結果に基づいて前記逃がし機構により前記接触検出用カンチレバーを前記計測用カンチレバーよりも試料から離間する位置まで退避させた後、前記第１の速度よりも遅い第２の速度で前記変位機構により前記計測用カンチレバーを試料に近付ける。

このような構成によれば、計測用カンチレバーよりも撓みやすい接触検出用カンチレバーが、計測用カンチレバーよりも先に試料に接触するため、アプローチ動作時に高速でアプローチしても計測用カンチレバーが試料表面に接触して折れるのを防止することができる。また、接触検出用カンチレバーが試料に接触するまでは、計測用カンチレバー及び接触検出用カンチレバーが比較的速い第１の速度で試料に近付けられ、その後に比較的遅い第２の速度で計測用カンチレバーが試料に近付けられるため、短時間でアプローチ動作を行うことができる。

さらに、接触検出用カンチレバーは、試料に接触した後、計測用カンチレバーよりも試料から離間する位置まで退避されるため、接触検出用カンチレバーが計測に悪影響を与えるのを防止することができる。これにより、計測用カンチレバーが試料表面に沿って走査される際に、接触検出用カンチレバーからの反射光が受光部で受光されるのを防止することができるため、試料の計測の精度が低下するのを防止することができる。また、計測用カンチレバーを振動させながら試料表面に沿って走査させるなどの観察モードを行うことができるため、より多くの観察モードで試料の計測を行うことができる。

前記発光部は、前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーの両方に向けて光を照射する１つの共用発光部からなるものであってもよい。この場合、前記走査型プローブ顕微鏡は、前記共用発光部からの光の光路を切り替えることにより、その光を前記計測用カンチレバー又は前記接触検出用カンチレバーに対して選択的に照射させる光路切替機構をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、試料に対する接触検出用カンチレバーの接触を検出する際には、接触検出用カンチレバーにのみ光を照射して、接触検出用カンチレバーからの反射光を受光部で受光することができる。また、試料の表面に沿って計測用カンチレバーを走査させる際には、計測用カンチレバーにのみ光を照射して、計測用カンチレバーからの反射光を受光部で受光することができる。これにより、計測用カンチレバーが試料表面に沿って走査される際に、接触検出用カンチレバーからの反射光が受光部で受光されるのを確実に防止することができるため、試料の計測の精度が低下するのを効果的に防止することができる。

前記受光部は、前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーの両方からの反射光を受光する共用受光部からなるものであってもよい。

このような構成によれば、試料に対する接触検出用カンチレバーの接触を検出する際と、試料の表面に沿って計測用カンチレバーを走査させる際とで、同一の共用受光部により反射光が受光される。これにより、安価な構成で試料の計測を行うことができる。

前記受光部は、２軸方向に配列された複数の受光面により前記計測用カンチレバーからの反射光を受光する計測用受光部と、１軸方向に配列された複数の受光面により前記接触検出用カンチレバーからの反射光を受光する接触検出用受光部とを含んでいてもよい。

このような構成によれば、試料に対する接触検出用カンチレバーの接触を検出する際には、接触検出用受光部により反射光が受光され、試料の表面に沿って計測用カンチレバーを走査させる際には、計測用受光部により反射光が受光される。接触検出用受光部は、１軸方向に配列された複数の受光面により接触検出用カンチレバーからの反射光を受光するため、安価な構成で試料に対する接触検出用カンチレバーの接触を確実に検出することができる。また、計測用受光部は、２軸方向に配列された複数の受光面により計測用カンチレバーからの反射光を受光するため、試料の表面に沿って走査される計測用カンチレバーの撓みを精度よく検出して試料の計測を行うことができる。

前記制御部は、前記接触検出用カンチレバーが試料に接触した後、当該接触検出用カンチレバーを試料の表面に沿って走査させ、その後に前記逃がし機構により前記接触検出用カンチレバーを前記計測用カンチレバーよりも試料から離間する位置まで退避させてもよい。

このような構成によれば、接触検出用カンチレバーを試料の表面に沿って走査させることにより、試料表面の凹凸を大まかに計測した後、計測用カンチレバーを試料の表面に沿って走査させることにより、試料表面の凹凸を詳細に計測することができる。これにより、計測用カンチレバーのみを用いて試料表面の凹凸を計測する観察モードとは異なる観察モードを設けることができるため、より多くの観察モードで試料の計測を行うことができる。

本発明によれば、計測用カンチレバーよりも撓みやすい接触検出用カンチレバーが、比較的速い第１の速度で試料に近付けられて、計測用カンチレバーよりも先に試料に接触するため、計測用カンチレバーが試料表面に接触して折れるのを防止しつつ短時間でアプローチ動作を行うことができる。また、接触検出用カンチレバーは、試料に接触した後、計測用カンチレバーよりも試料から離間する位置まで退避されるため、試料の計測の精度が低下するのを防止することができるとともに、計測用カンチレバーを振動させながら試料表面に沿って走査させる観察モードなど、より多くの観察モードで試料の計測を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。アプローチ動作を行う際の第１カンチレバー及び第２カンチレバーの動きを説明するための図であり、第２カンチレバーが試料の表面に接触した状態を示している。アプローチ動作を行う際の第１カンチレバー及び第２カンチレバーの動きを説明するための図であり、第２カンチレバーが試料から退避した状態を示している。第１受光部の構成について説明するための概略図である。第２受光部の構成について説明するための概略図である。図１の走査型プローブ顕微鏡の電気的構成を示したブロック図である。アプローチ動作時及び走査時における制御部の処理の一例を示したフローチャートである。アプローチ動作時及び走査時における制御部の処理の変形例を示したフローチャートである。アプローチ動作時及び走査時における制御部の処理の変形例を示したフローチャートである。別実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。この走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、例えば第１カンチレバー（計測用カンチレバー）１、第２カンチレバー（接触検出用カンチレバー）２、発光部３及び受光部４などを備え、試料Ｓの表面に沿って第１カンチレバー１を走査させることにより、試料Ｓの表面の凹凸画像を得るためのものである。受光部４は、第１受光部（計測用受光部）４１と第２受光部（接触検出用受光部）４２とからなる。

第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２は、それぞれ片持ち支持されたカンチレバーからなり、自由端側の先端部が試料Ｓの表面に接触する。第２カンチレバー２は、第１カンチレバー１よりも撓みやすく形成されている。具体的には、第２カンチレバー２を第１カンチレバー１よりも細長く形成したり、第１カンチレバー１よりも撓みやすい材料で形成したりすることにより、第２カンチレバー２を第１カンチレバー１よりも撓みやすくすることができる。第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２は、それぞれ複数種類の中から選択して着脱できるような構成となっていてもよい。

発光部３は、例えば半導体レーザなどのレーザ光源を備えており、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２に向けて光を照射する。発光部３から照射された光は、ミラー５１で反射し、第１カンチレバー１に入射する。発光部３とミラー５１との間の光路上には、ミラー６１を挿入可能となっている。ミラー６１を光路上に挿入した状態では、発光部３から照射された光がミラー６１で反射し、第２カンチレバー２に入射する。

このように、本実施形態では、発光部３が、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２の両方に向けて光を照射する１つの共用発光部を構成している。また、ミラー６１は、発光部３からの光を切り替える光路切替機構の一部を構成している。発光部３とミラー５１との間の光路に対してミラー６１を挿入又は退避させることにより、発光部３からの光を第１カンチレバー１又は第２カンチレバー２に対して選択的に照射させることができる。

第１カンチレバー１には、反射面１１が備えられており、当該反射面１１における反射光が、ミラー５２で反射して第１受光部４１により受光される。第１カンチレバー１における反射面１１とは反対側の面には、探針１２が設けられている。この探針１２を試料Ｓの表面に沿って走査させることにより、第１受光部４１における受光強度に基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像を得ることができる。

第２カンチレバー２には、反射面２１が備えられており、当該反射面２１における反射光が、ミラー６２で反射して第２受光部４２で受光される。第２カンチレバー２における反射面２１とは反対側の面には、探針２２が設けられている。この探針２２を試料Ｓの表面に接触させることにより、第２受光部４２における受光強度に基づいて、試料Ｓに対する第２カンチレバー２の接触を検出することができる。

試料Ｓの表面を観察する際には、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２を試料Ｓの表面に近付けるアプローチ動作が行われる。このアプローチ動作の際には、第１カンチレバー１よりも先に第２カンチレバー２が試料Ｓの表面に接触する。第２カンチレバー２には、当該第２カンチレバー２が試料Ｓの表面に接触したときに、試料Ｓから退避させて離間させるための逃がし機構７が取り付けられている。

図２及び図３は、アプローチ動作を行う際の第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２の動きを説明するための図である。図２は、第２カンチレバー２が試料Ｓの表面に接触した状態を示しており、図３は、第２カンチレバー２が試料Ｓから退避した状態を示している。

アプローチ動作を行う際には、まず、発光部３とミラー５１との間の光路にミラー６１を挿入させ、発光部３からの光をミラー６１で反射させて、第２カンチレバー２に照射させる。このとき、第２カンチレバー２に照射される光は、反射面２１で反射した後、ミラー６２で反射して第２受光部４２で受光される。この状態で、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２を所定の速度（第１の速度）で相対的に試料Ｓに近付ける。これにより、図２に示すように、第１カンチレバー１よりも先に第２カンチレバー２が試料Ｓの表面に接触する。

第２カンチレバー２が試料Ｓの表面に接触すると、第２カンチレバー２が撓むことにより、反射面２１からの反射光の角度が変化し、第２受光部４２における反射面２１からの反射光の受光位置が変化する。第２受光部４２は、複数の受光面を備えており、これらの受光面における受光強度の変化に基づいて、第２カンチレバー２の撓みによる受光位置の変化を検出し、その結果、試料Ｓの表面に対する第２カンチレバー２の接触を検出することができる。

試料Ｓの表面に対する第２カンチレバー２の接触を検出した場合には、図３に示すように、逃がし機構７により第２カンチレバー２が試料Ｓの表面から離間する位置まで退避される。この状態では、第２カンチレバー２が第１カンチレバー１よりも試料Ｓから離間した状態となる。逃がし機構７は、例えば圧電素子（図示せず）を含む構成であり、当該圧電素子に印加する電圧を制御することにより、第２カンチレバー２を変位させることができる。この例では、第２カンチレバー２を平行移動させるような構成が示されているが、このような構成に限らず、第２カンチレバー２を回転させるなどの他の態様で試料Ｓの表面から退避させてもよい。

その後、発光部３とミラー５１との間の光路からミラー６１を退避させ、発光部３からの光をミラー５１で反射させて、第１カンチレバー１に照射させる。このとき、第１カンチレバー１に照射される光は、反射面１１で反射した後、ミラー５２で反射して第１受光部４１で受光される。この状態で、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２を所定の速度（第２の速度）で相対的に試料Ｓに近付ける。これにより、図３に示すように、第１カンチレバー１が試料Ｓの表面に接触又は近接し、アプローチ動作が終了する。

アプローチ動作が終了した後は、試料Ｓの表面に沿って第１カンチレバー１が走査される。試料Ｓは、ステージ１０上に水平に載置されている。ステージ１０は、例えば圧電素子（図示せず）を含む構成であり、当該圧電素子に印加する電圧を制御することにより、ステージ１０を変形させて、ステージ１０上の試料Ｓの位置を変化させることができる。これにより、試料Ｓの表面に沿って第１カンチレバー１を相対的に走査させることができる。

上述したアプローチ動作時の第２の速度は、第１の速度よりも遅い速度である。すなわち、第２カンチレバー２が試料Ｓに接触するまでは、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２が比較的速い第１の速度で試料Ｓに近付けられ、その後に比較的遅い第２の速度で第１カンチレバー１が試料Ｓに近付けられるため、短時間でアプローチ動作を行うことができる。このように比較的速い第１の速度で第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２を試料Ｓに近付ける場合であっても、第１カンチレバー１よりも撓みやすい第２カンチレバー２が、第１カンチレバー１よりも先に試料Ｓに接触するため、アプローチ動作時に高速でアプローチしても第１カンチレバー１が試料Ｓの表面に接触して折れるのを防止することができる。

さらに、第２カンチレバー２は、試料Ｓに接触した後、第１カンチレバー１よりも試料Ｓから離間する位置まで退避されるため、第２カンチレバー２が計測に悪影響を与えるのを防止することができる。これにより、第１カンチレバー１が試料Ｓの表面に沿って走査される際に、第２カンチレバー２からの反射光が第１受光部４１で受光されるのを防止することができるため、試料Ｓの計測の精度が低下するのを防止することができる。

また、第１カンチレバー１を振動させながら試料Ｓの表面に沿って走査させるなどの観察モードを行うことができるため、より多くの観察モードで試料Ｓの計測を行うことができる。具体的には、観察モードとしては、第１カンチレバー１の振幅に基づいて試料Ｓの計測を行うモード（ＡＭモード）や、第１カンチレバー１の周波数に基づいて試料Ｓの計測を行うモード（ＦＭモード）などが例示できる。ＡＭモードには、例えば試料Ｓの表面に第１カンチレバー１を接触させるコンタクトモードや、第１カンチレバー１を振動させ、振幅が一定になるように第１カンチレバー１と試料Ｓの表面との距離を変化させるダイナミックモードなどが含まれる。ＦＭモードでは、第１カンチレバー１を振動させ、共振周波数が一定になるように第１カンチレバー１と試料Ｓの表面との距離を変化させる。

上記のダイナミックモードやＦＭモードでは、第１カンチレバー１を振動させる必要があるため、第１カンチレバー１と第２カンチレバー２とが一体的に保持された構成では実行することが困難である。本実施形態では、第１カンチレバー１と第２カンチレバー２とが個別に保持されており、第１カンチレバー１のみを振動させることが可能となっている。そのため、第１カンチレバー１を振動させながら試料Ｓの表面に沿って走査させるダイナミックモードやＦＭモードなどの観察モードを行うことができ、より多くの観察モードで試料Ｓの計測を行うことができる。

また、本実施形態では、ミラー６１を用いて光路を切り替えることにより、試料Ｓに対する第２カンチレバー２の接触を検出する際には、第２カンチレバー２にのみ光を照射して、第２カンチレバー２からの反射光を第２受光部４２で受光することができる。また、試料Ｓの表面に沿って第１カンチレバー１を走査させる際には、第１カンチレバー１にのみ光を照射して、第１カンチレバー１からの反射光を第１受光部４１で受光することができる。これにより、コンタクトモードで第１カンチレバー１が試料Ｓの表面に沿って走査される際に、第２カンチレバー２からの反射光が第２受光部４２で受光されるのを確実に防止することができるため、試料Ｓの計測の精度が低下するのを効果的に防止することができる。

図４Ａは、第１受光部４１の構成について説明するための概略図である。第１受光部４１は、例えば４つの受光面４１１，４１２，４１３，４１４を備えている。これらの４つの受光面４１１，４１２，４１３，４１４は、中心点Ｃを中心にしてマトリクス状に対称配置されている。

具体的には、受光面４１１及び受光面４１２は、第１の軸方向Ｄ１に配列されている。受光面４１３及び受光面４１４も同様に、第１の軸方向Ｄ１に配列されている。また、受光面４１１及び受光面４１４は、第２の軸方向Ｄ２に配列されている。受光面４１２及び受光面４１３も同様に、第２の軸方向Ｄ２に配列されている。このように、４つの受光面４１１，４１２，４１３，４１４は、直交する２軸方向Ｄ１，Ｄ２に配列されている。

試料Ｓの計測時には、第１カンチレバー１の反射面１１からの反射光Ｌ１の中心が、例えば図４Ａに示すように、４つの受光面４１１，４１２，４１３，４１４の中心点Ｃに位置している。この状態で試料Ｓの表面に沿って第１カンチレバー１が走査されると、試料Ｓの表面形状に応じて第１カンチレバー１が撓み、図４Ａに破線で示すように、反射光Ｌ１の中心が中心点Ｃからずれる。

このような中心点Ｃに対する反射光Ｌ１のずれは、各受光面４１１，４１２，４１３，４１４における受光強度の変化に基づいて検出することができる。そして、中心点Ｃに対する反射光Ｌ１のずれが生じないようにフィードバック制御を行い、反射光Ｌ１の中心が常に中心点Ｃに位置するように制御を行うことにより、その制御信号に基づいて試料Ｓの表面の凹凸画像を得ることができる。

図４Ｂは、第２受光部４２の構成について説明するための概略図である。第２受光部４２は、１軸方向Ｄに配列された複数（例えば１０個）の受光面４２１を備えており、そのうちの所定数（例えば３個）の受光面４２１により第２カンチレバー２の反射面２１からの反射光を受光することができる。

アプローチ動作の際には、第２カンチレバー２が試料Ｓに近付けられ、試料Ｓの表面に接触することにより、例えば図４Ｂに実線で示す位置から破線で示す位置に反射光Ｌ２が移動する。このとき、各受光面４２１における受光強度の比に基づいて、反射光Ｌ２の位置（第２カンチレバー２の撓み量）を判定することができる。

そして、反射光Ｌ２の移動を検出した場合には、第２カンチレバー２が試料Ｓの表面に接触したと判断して、逃がし機構７により第２カンチレバー２を試料Ｓの表面から退避させる。

このように、本実施形態では、第２受光部４２が、１軸方向Ｄに配列された複数の受光面４２１により第２カンチレバー２からの反射光Ｌ２を受光するため、安価な構成で試料Ｓに対する第２カンチレバー２の接触を確実に検出することができる。また、第１受光部４１は、２軸方向Ｄ１，Ｄ２に配列された複数の受光面４１１，４１２，４１３，４１４により第１カンチレバー１からの反射光Ｌ１を受光するため、試料Ｓの表面に沿って走査される第１カンチレバー１の撓みを精度よく検出して試料Ｓの計測を行うことができる。

図５は、図１の走査型プローブ顕微鏡の電気的構成を示したブロック図である。この走査型プローブ顕微鏡には、上述した発光部３、受光部４及び逃がし機構７の他に、光路切替機構６、変位機構８及び制御部９などが備えられている。

制御部９は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成であり、ＣＰＵがプログラムを実行することにより各部の動作を制御することができる。制御部９は、発光部３を制御して光を照射するとともに、受光部４から検出信号が入力される。制御部９は、受光部４（第２受光部４２）からの入力信号に基づいて、上述の通り逃がし機構７の動作を制御する。

光路切替機構６は、発光部３からの光を切り替えることにより、その光を第１カンチレバー１又は第２カンチレバー２に対して選択的に照射させる。光路切替機構６には、上述したミラー６１の他、発光部３とミラー５１との間の光路に対してミラー６１を挿入又は退避させるための機構（図示せず）などが含まれる。

変位機構８は、試料Ｓに対する第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２の相対位置を変化させる。すなわち、変位機構８は、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２を一体的に変位させて試料Ｓとの間の距離を変化させてもよいし、試料Ｓを変位させて第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２との間の距離を変化させてもよい。変位機構８は、例えばステッピングモータ（図示せず）を備えている。このような変位機構８は、ステージ１０と比較して高速で長距離の移動が可能であるという長所がある一方で、移動の分解能が大きいため、従来のようにアプローチ動作で計測用のカンチレバーを最初に試料表面に接触させる場合には、数ステップでカンチレバーが試料表面に接触して折れてしまうほどの移動距離になってしまうという短所がある。そのため、従来の構成では、計測用のカンチレバーを試料表面に近付ける速度に上限があり、アプローチ動作に時間がかかっていた。

図６は、アプローチ動作時及び走査時における制御部９の処理の一例を示したフローチャートである。アプローチ動作時には、まず、変位機構８により第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２が第１の速度で変位され、試料Ｓに近付けられる（ステップＳ１０１）。このとき、光路切替機構６によりミラー６１は光路上に挿入されており、発光部３からの光はミラー６１で反射して第２カンチレバー２の反射面２１に照射され、当該反射面２１からの反射光がミラー６２を介して第２受光部４２に入射している。

そして、第２受光部４２における受光強度に基づいて、試料Ｓに対する第２カンチレバー２の接触が検出されると（ステップＳ１０２でＹｅｓ）、変位機構８の動作が停止された後（ステップＳ１０３）、逃がし機構７により第２カンチレバー２が第１カンチレバー１よりも試料Ｓから離間する位置まで退避される（ステップＳ１０４）。このとき、光路切替機構６によりミラー６１が光路上から退避されることにより光路が切り替えられ（ステップＳ１０５）、発光部３からの光はミラー５１で反射して第１カンチレバー１の反射面１１に照射され、当該反射面１１からの反射光がミラー５２を介して第１受光部４１に入射する状態となる。

その後、変位機構８により第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２が第２の速度で変位され、再び試料Ｓに近付けられる（ステップＳ１０６）。上述の通り、第２の速度は、第１の速度よりも遅い速度である。そして、第１受光部４１における受光強度に基づいて、試料Ｓに対する第１カンチレバー１の接触が検出されると（ステップＳ１０７でＹｅｓ）、変位機構８の動作が停止された後（ステップＳ１０８）、ステージ１０上の試料Ｓの位置を変化させることにより第１カンチレバー１の位置が計測に適した位置に調整される（ステップＳ１０９）。上記の計測に適した位置は、観察モードに応じて異なる位置となる。

このようにして第１カンチレバー１のアプローチ動作が終了すると、設定されている観察モードで試料Ｓの計測が行われる。すなわち、第１カンチレバー１が試料Ｓの表面に沿って走査されることにより（ステップＳ１１０）、試料Ｓの表面の凹凸画像のデータが取得される。

図７Ａ及び図７Ｂは、アプローチ動作時及び走査時における制御部９の処理の変形例を示したフローチャートである。この例では、第１カンチレバー１だけでなく、第２カンチレバー２も用いて試料Ｓの走査が行われるようになっている点が、図６の例とは異なっている。

アプローチ動作時には、まず、変位機構８により第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２が第１の速度で変位され、試料Ｓに近付けられる（ステップＳ２０１）。このとき、光路切替機構６によりミラー６１は光路上に挿入されており、発光部３からの光はミラー６１で反射して第２カンチレバー２の反射面２１に照射され、当該反射面２１からの反射光がミラー６２を介して第２受光部４２に入射している。

そして、第２受光部４２における受光強度に基づいて、試料Ｓに対する第２カンチレバー２の接触が検出されると（ステップＳ２０２でＹｅｓ）、変位機構８の動作が停止された後（ステップＳ２０３）、第２カンチレバー２が試料Ｓの表面から一旦離間される（ステップＳ２０４）。その後、変位機構８により第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２が第２の速度で変位され、再び試料Ｓに近付けられる（ステップＳ２０５）。上述の通り、第２の速度は、第１の速度よりも遅い速度である。第２受光部４２における受光強度に基づいて、試料Ｓに対する第２カンチレバー２の接触が検出されると（ステップＳ２０６でＹｅｓ）、変位機構８の動作が停止された後（ステップＳ２０７）、ステージ１０上の試料Ｓの位置を変化させることにより第２カンチレバー２の位置が計測に適した位置に調整される（ステップＳ２０８）。この状態で、第２カンチレバー２が試料Ｓの表面に沿って走査されることにより（ステップＳ２０９）、試料Ｓの表面のプレスキャンが行われる。プレスキャンでは、その後に第１カンチレバー１を用いて行われる本スキャンに先立って、例えば試料Ｓの表面に大きな凹凸がないかどうかを計測することができる。

プレスキャンが終了すると、逃がし機構７により第２カンチレバー２が第１カンチレバー１よりも試料Ｓから離間する位置まで退避される（ステップＳ２１０）。このとき、光路切替機構６によりミラー６１が光路上から退避されることにより光路が切り替えられ（ステップＳ２１１）、発光部３からの光はミラー５１で反射して第１カンチレバー１の反射面１１に照射され、当該反射面１１からの反射光がミラー５２を介して第１受光部４１に入射する状態となる。

その後、変位機構８により第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２が第２の速度で変位され、再び試料Ｓに近付けられる（ステップＳ２１２）。そして、第１受光部４１における受光強度に基づいて、試料Ｓに対する第１カンチレバー１の接触が検出されると（ステップＳ２１３でＹｅｓ）、変位機構８の動作が停止された後（ステップＳ２１４）、ステージ１０上の試料Ｓの位置を変化させることにより第１カンチレバー１の位置が計測に適した位置に調整される（ステップＳ２１５）。上記の計測に適した位置は、観察モードに応じて異なる位置となる。

このようにして第１カンチレバー１のアプローチ動作が終了すると、設定されている観察モードで試料Ｓの計測が行われる。すなわち、第１カンチレバー１が試料Ｓの表面に沿って走査されることにより（ステップＳ２１６）、試料Ｓの表面の凹凸画像のデータが取得される。

この図７Ａ及び図７Ｂの例では、第２カンチレバー２を試料Ｓの表面に沿って走査させることにより、試料Ｓの表面の凹凸を大まかに計測した後、第１カンチレバー１を試料Ｓの表面に沿って走査させることにより、試料Ｓの表面の凹凸を詳細に計測することができる。これにより、第１カンチレバー１のみを用いて試料Ｓの表面の凹凸を計測する観察モードとは異なる観察モードを設けることができるため、より多くの観察モードで試料Ｓの計測を行うことができる。

図８は、別実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。上記実施形態では、受光部４が、第１受光部４１及び第２受光部４２により構成される場合について説明した。これに対して、本実施形態では、受光部４が、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２の両方からの反射光を受光する共用受光部からなる。この点を除く他の構成については上記実施形態と同様であるため、同様の構成については、図に同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態では、ミラー６２が、ミラー５２と受光部４との間の光路上に挿入可能となっている。図８に実線で示すように、発光部３からの光が第１カンチレバー１に照射されているときには、ミラー６２が光路上から退避されることにより、第１カンチレバー１からの反射光がミラー５２で反射して受光部４により受光される。一方、図８に破線で示すように、発光部３からの光が第２カンチレバー２に照射されているときには、ミラー６２が光路上に挿入されることにより、第２カンチレバー２からの反射光がミラー６２で反射して受光部４により受光される。第１カンチレバー１からの反射光、及び、第２カンチレバー２からの反射光は、受光部４に対して同軸上に入射するようになっている。受光部４は、例えば図４Ａに示すように、４つの受光面４１１，４１２，４１３，４１４を備えている。ただし、ミラー６２を設けずに、第２カンチレバー２からの反射光が受光部（図示せず）に直接入射するような構成であってもよい。

本実施形態では、試料Ｓに対する第２カンチレバー２の接触を検出する際と、試料Ｓの表面に沿って第１カンチレバー１を走査させる際とで、同一の受光部４により反射光が受光される。これにより、安価な構成で試料の計測を行うことができる。

以上の実施形態では、発光部３からの光が、第１カンチレバー１及び第２カンチレバー２の両方に照射されるような構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、第１カンチレバー１に光を照射する第１発光部と、第２カンチレバー２に光を照射する第２発光部とが個別に設けられた構成であってもよい。

１第１カンチレバー
２第２カンチレバー
３発光部
４受光部
６光路切替機構
７逃がし機構
８変位機構
９制御部
１０ステージ
１１反射面
１２探針
２１反射面
２２探針
４１第１受光部
４２第２受光部

Claims

試料の表面に沿って走査される計測用カンチレバーと、
前記計測用カンチレバーよりも撓みやすく、試料に対する接触を検出するための接触検出用カンチレバーと、
試料に対する前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーの相対位置を変化させる変位機構と、
試料に接触した前記接触検出用カンチレバーを試料から退避させる逃がし機構と、
前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーに向けて光を照射する少なくとも１つの発光部と、
前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーからの反射光を受光する少なくとも１つの受光部と、
前記変位機構により前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーを第１の速度で試料に近付けて、前記計測用カンチレバーよりも先に試料に接触する前記接触検出用カンチレバーの試料に対する接触を前記受光部における受光強度に基づいて検出し、その検出結果に基づいて前記逃がし機構により前記接触検出用カンチレバーを前記計測用カンチレバーよりも試料から離間する位置まで退避させた後、前記第１の速度よりも遅い第２の速度で前記変位機構により前記計測用カンチレバーを試料に近付ける制御部とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
前記発光部は、前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーの両方に向けて光を照射する１つの共用発光部からなり、
前記共用発光部からの光の光路を切り替えることにより、その光を前記計測用カンチレバー又は前記接触検出用カンチレバーに対して選択的に照射させる光路切替機構をさらに備え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。
前記受光部は、前記計測用カンチレバー及び前記接触検出用カンチレバーの両方からの反射光を受光する共用受光部からな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。
前記受光部は、２軸方向に配列された複数の受光面により前記計測用カンチレバーからの反射光を受光する計測用受光部と、１軸方向に配列された複数の受光面により前記接触検出用カンチレバーからの反射光を受光する接触検出用受光部とを含む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。
前記制御部は、前記接触検出用カンチレバーが試料に接触した後、当該接触検出用カンチレバーを試料の表面に沿って走査させ、その後に前記逃がし機構により前記接触検出用カンチレバーを前記計測用カンチレバーよりも試料から離間する位置まで退避させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。