JPH05118843A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】所望の測定領域に探針を正確に合わせられる走
査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】レーザ１１０から発射されたレーザビームはビ
ームエキスパンダ１１２で適当な径に拡大される。この
レーザビームは、ハーフミラー１１６を通過し、二つの
光偏向器１１８と１２０で偏向され、結像レンズ１２２
に入射する。結像レンズ１２２からのレーザビームはビ
デオカメラ取付筒５２に入射した後、対物レンズで集光
され試料の表面にビームスポットを形成する。このビー
ムスポットは光偏向器１１８と１２０を互いに直交する
軸周りに回転させることにより移動される。試料で反射
されたレーザビームの一部は二次元位置検出素子に入射
し、二次元位置検出素子はビームスポットの位置に対応
した信号を出力する。この信号に基づいて探針または試
料を移動して、探針をビームスポットに合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡に
関する。より詳しくは試料を光学的に観察する観察光学
系を備えている走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡としては、走査型
トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
・磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などがあり、いずれも原子レ
ベルの分解能で試料を観察できる装置として知られてい
る。このような走査型プローブ顕微鏡は分解能が非常に
高い反面、その観察領域は狭い。このため走査型プロー
ブ顕微鏡には通常、低い倍率で試料の全体を観察してプ
ローブによる観察領域を特定するための光学系が設けら
れている。

【０００３】このような光学顕微鏡一体型プローブ顕微
鏡の一例として、特願平１−２５７５２１号の走査型ト
ンネル顕微鏡がある。この走査型トンネル顕微鏡の構成
を図１０に示すとともに、これについて図面を参照しな
がら以下に説明する。

【０００４】この走査型トンネル顕微鏡は、試料３４を
ＸＹ面内で移動するためのＸＹステージ１２を備えてい
る。ＸＹステージ１２は本体４１の底部に固定された基
台１４を備えている。基台１４の上には、紙面に対して
垂直な方向に摺動可能にＸ位置設定用スライド板１６が
設けられている。このＸ位置設定用スライド板１６の上
には、Ｙ位置設定用スライド板２０が紙面の左右方向に
摺動可能に設けられている。このＹ位置設定用スライド
板２０は、モーター２２または操作ダイヤル２４で回転
される送りネジ２６によってＹ方向にスライド移動され
る。Ｘ位置設定用スライド板１６も同様にしてＸ方向に
スライド移動される。スライド板２０の上には試料台２
８が載置される。試料台２８の上には、絶縁材料からな
る試料ステージ３２が置かれ、この上に試料３４が載置
される。また試料台２８には、試料３４を押さえる導電
性の保持部材３６を上端部に有する導電性の取付部材３
８が固定されている。

【０００５】また、顕微鏡本体４１には光学系固定台座
４４が上下方向に摺動可能に設けらている。この光学系
固定台座４４は、モーター４６または操作ダイヤル４７
を回転操作することにより上下方向に移動される。光学
系固定台座４４には鏡筒４８が固定されている。鏡筒４
８の上部には、接眼レンズ５０及びビデオカメラ取付筒
５２を有する試料観察光学系５５が設けられている。さ
らに光学系固定台座４４にはマイクロメーター５６によ
って上下方向に移動される探針ユニット支持部材５４が
設けられている。探針ユニット支持部材５４には探針ユ
ニット６８が取り付けられる。

【０００６】探針ユニット６８は図９に示すように探針
ユニット支持部５４の開口部に挿入され、その上端部に
設けてあるリング状の支持部７２により支持される。ま
た、その下端部には透明板７６を有し、その中央に探針
７８が設けられている。そして、探針ユニット６８の内
側には光学系の対物レンズ８６が収容され、透明板７６
を介して試料３４が光学的に観察される。

【０００７】試料３４をＳＴＭ観察する際、先ず探針７
８と試料観察光学系５５の光軸とを一致させる調整を行
なう。次に、この手順について説明する。まず調整時に
探針７８と試料３４が接触しないようにするため、モー
タ４６により光学系固定台座４４を上方に移動する。次
にマイクロメータ５６により探針ユニット６８を含む支
持部材５４を上下方向に移動し、探針７８の先端を対物
レンズ８６の焦点に合わせる。このとき探針７８と対物
レンズ８６の位置関係は（Ａ）から（Ｃ）の状態とな
り、試料観察光学系５５で観察される探針像２０１は非
合焦像の（Ｂ）から（Ｄ）のように小さく鮮明になる。
続いて、接眼レンズ５０に内蔵されているクロス指標２
０３に探針７８を合わせ込む。このとき探針７８と対物
レンズ８６の位置関係は（Ｅ）の状態になる。このよう
にして光学系５５で観察される探針像２０１は（Ｆ）の
ようにクロス指標２０３の中心に位置決めされる。そし
て、ＳＴＭ測定したい領域がクロス指標２０３の中心に
来るように、試料３４を載せたステージを移動させ、Ｓ
ＴＭ測定を行なう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した走査型トンネ
ル顕微鏡では、ＳＴＭ測定したい領域が観察光学系の光
軸上に来るように、試料を移動させなければならなかっ
た。一般に走査型トンネル顕微鏡で測定する領域は非常
に狭い範囲である。このため、測定者が接眼レンズで試
料を観察しながら、測定する領域をクロス指標に合わせ
るまでには非常に時間がかかる。しかも、この位置合わ
せは目視で行なうため、その正確さの点でも問題があ
る。また、試料の数が多い場合には、測定者の目の負担
が非常に大きくなるという問題もある。これは走査型ト
ンネル顕微鏡に限った問題ではなく、原子間力顕微鏡や
磁気力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡全体に共通して
言える問題である。

【０００９】本発明は、所望の測定領域に探針を正確に
しかも容易に合わせることのできる走査型プローブ顕微
鏡の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、レーザビームを射出する光源と、レーザビー
ムを試料の表面に照射してビームスポットを形成する手
段と、ビームスポットの位置を移動させる手段と、ビー
ムスポットの位置を検出し、その位置信号を出力する手
段と、位置信号に基づいて探針または試料を移動する手
段とを備えている。

【００１１】本発明の別の走査型プローブ顕微鏡は、試
料の表面の画像を得る手段と、試料表面の画像を表示す
る表示手段と、表示手段に表示された試料表面の画像に
重ねて所望の測定領域を指定するマーカーを表示させる
手段と、表示手段に表示されているマーカーの位置に対
応した試料表面上の位置を検出しその位置信号に出力す
る手段と、位置信号に基づいて探針または試料を移動す
る手段とを備えている。

【００１２】

【作用】本発明の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面
に形成されるビームスポットの位置は観察光学系の接眼
レンズを介して測定者に確認される。測定者は、接眼レ
ンズを介してビームスポットを確認しながら移動させ、
探針を用いて測定したい所望の位置にビームスポットの
位置を合わせる。試料の表面上でのビームスポットの位
置が検出され、その位置を示す位置信号が出力される。
この位置信号に基づいて探針または試料を移動し、ビー
ムスポットの位置に探針が合わせられる。

【００１３】本発明の別の走査型プローブ顕微鏡では、
試料表面の画像は表示手段たとえばＣＲＴに表示され
る。試料表面の画像は、ＴＶカメラを用いて試料表面を
撮影したり、レーザビームで試料表面を走査しその強度
変化に基づいて画像処理したりして得ることができる。
このＣＲＴ上に表示された試料表面の画像に重ねて測定
位置を指定するマーカーが表示される。このマーカーは
測定者により所望の位置に移動される。ＣＲＴ上のマー
カーの位置に対応した実際の試料表面上の位置が検出さ
れ、この位置を示す位置信号に基づいて探針または試料
が移動され、探針がマーカーで指定した位置に配置され
る。

【００１４】

【実施例】次に本発明の第一実施例について図１〜図５
を参照しながら説明する。本実施例は走査型トンネル顕
微鏡で、ＳＴＭ観察する領域を指定するための目印とな
るビームスポットを試料上に照射するビームスポット光
学系１００を図１０の装置のビデオカメラ取付筒５２に
配置した構成となっている。

【００１５】図１に示すように、レーザ１１０から発射
されたレーザビームはビームエキスパンダ１１２で適当
な径に拡大される。このレーザビームはハーフミラー１
１６を通過し、二つの光偏向器１１８と１２０で偏向さ
れた後、結像レンズ１２２に入射する。これらの光偏向
器１１８と１２０は、これに設けてあるつまみ１１８ａ
と１２０ａを用いて回転させることにより偏向角度を変
えることができる。これは後述するように試料上に形成
されるビームスポットを移動する手段として用いられ
る。結像レンズ１２２からのレーザビームはビデオカメ
ラ取付筒５２に入射し、像位置１２４に集光する。

【００１６】ビデオカメラ取付筒５２に入射したレーザ
ビームは、図２に示すように、プリズム１２６とハーフ
ミラー１２８を通過し対物レンズ８６に入射する。対物
レンズ８６に入射したレーザビームは集光され、試料３
４の表面に微小なビームスポットを形成する。このビー
ムスポットは二つの光偏向器１１８と１２０を互いに直
交する軸周りに回転させることによって移動される。試
料３４で反射されたレーザビームは対物レンズ８６を通
過し、その一部がハーフミラー１２８で反射される。こ
のレーザビームはハーフミラー１４０で反射され二次元
位置検出素子１４２に入射し、その受光面にビームスポ
ットを形成する。一方、ハーフミラー１２８を通過した
レーザビームは一部がプリズム１２６で反射され接眼レ
ンズ５０に入射し、ビームスポットの位置が測定者１４
６に確認される。プリズム１２６を通過したレーザビー
ムは、結像レンズ１２２・偏向器１２０と１１８を経た
後にハーフミラー１１６で反射され、レンズ１２８によ
りフォトダイオード１２７に集光される。フォトダイオ
ード１２７はビームスポットの光量変化を電気信号とし
て出力する。また、試料３４は照明用光源１３８により
照明される。照明用光源１３８から射出された照明光
は、ハーフミラー１４０を通過しハーフミラー１２８で
反射され、対物レンズ８６により試料３４の表面に照射
される。試料３４で反射された照明光は、ハーフミラー
１２８を通過した後にプリズム１２６で反射され接眼レ
ンズ５０に入射する。これにより試料３４の表面の像が
測定者に観測される。

【００１７】測定者１４６は、接眼レンズ５０を通して
試料３４の表面の光学像と同時にビームスポットを観測
する。そして、つまみ１１８ａと１２０ａを操作し偏向
器１１８と１２０の向きを変えて、ビームスポットの位
置をＳＴＭ測定したい箇所に合わせる。このとき、試料
３４と二次元位置検出素子１４２は共役な関係にあるた
め、二次元位置検出素子１４２の受光面上のビームスポ
ットも試料上のビームスポットの移動に対応して移動す
る。二次元位置検出素子１４２は受光面に形成されてい
るビームスポットの位置に対応した信号を出力する。次
に、この二次元位置検出素子１４２について図４を参照
しながら説明しよう。

【００１８】図４において、（Ａ）は一次元位置検出素
子を示し、（Ｂ）は二次元位置検出素子を示している。
まず、二次元位置検出素子について説明する前に、基本
的な一次元位置検出素子について説明しよう。一次元位
置検出素子は（Ａ）に示すように長さ２Ｌの受光面５０
とこれに接続された二本の出力端子１５２と１５４を備
えている。レーザビームの入射位置が図に示すように受
光面の中央からこの出力端子１５２と１５４からの出力
電流Ｉ1とＩ2はそれぞれ次式で表される。

【００１９】Ｉ1＝（Ｌ＋Δ）Ｉ／２Ｌ Ｉ2＝（Ｌ−Δ）Ｉ／２Ｌ ここに、Ｉ＝Ｉ1＋Ｉ2である。従って、 Ｓ＝（Ｉ1−Ｉ2）／（Ｉ1＋Ｉ2）＝Δ／Ｌ という演算をおこなうことで、受光面上のビームスポッ
トの位置が検出できる。上記の一次元位置検出素子の検
出原理をＸ方向とＹ方向の二次元に拡張したものが
（Ｂ）に示す二次元位置検出素子である。この二次元位
置検出素子では、出力電流ＩX1とＩX2に対して上記の演
算を行なうことによりＸ方向の位置が、出力電流ＩY1と
ＩY2に対して上記の演算を行なうことによりＹ方向の位
置が求められる。このようにして得られる位置信号Ｓは
試料上のビームスポットの位置を示しており、この信号
に基づいて探針７８または試料３４が移動される。

【００２０】探針ユニット６８を図３に示す。探針ユニ
ット６８は、円筒型の圧電アクチュエーター７４を有
し、その下端部に設けた透明板７６の中央に探針７８が
取り付けてある。円筒型圧電アクチュエーター７４は上
端部に設けてあるリング状支持部７２で支持されてい
る。支持部７２の周囲には、二次元位置検出素子１４２
から出される位置信号Ｓに基づいて探針７８を走査開始
位置に移動させる圧電アクチュエータ７３が設けてあ
る。ビームスポットで指定した位置が、探針７８を移動
させた後でその位置からＳＴＭ観察できる領域であれ
ば、位置信号Ｓは探針ユニット６８内の圧電アクチュエ
ータ７４に送られる。ビームスポットで指定した位置
が、探針７８を移動することができる範囲外の場合、位
置信号ＳはＸＹステージ１２に送られ、試料３４をＳＴ
Ｍ観察できる領域に移動させる。

【００２１】探針７８がビームスポットの位置に合った
かどうかはフォトダイオード１２７で検出される。つま
り、探針７８がビームスポット位置に重なると、フォト
ダイオード１２７で検出される反射光量が減少する。フ
ォトダイオード１２７の出力と、ビームスポットと探針
の間隔との関係を表したグラフを図５に示す。図から分
かるように探針７８がビームスポットに重なったときに
フォトダイオード１２７の出力が最小になる。従って、
フォトダイオード１２７の出力が最小になるように圧電
アクチュエータ７３を制御すれば、探針７８はビームス
ポットに合った状態となる。

【００２２】なお、探針７８、ビームスポット、ＸＹス
テージ１２の位置関係に関しては初期設定が行われてい
るものとする。

【００２３】本実施例ではビームスポットを移動させる
手段として、偏向器１１８と１２０を手動で回転させて
いるが、偏向器の軸にステッピングモータを取り付け、
ステッピングモータを電気制御するなどの方法でもよ
い。

【００２４】本発明による第二実施例を図６に示す。図
１０と同等の部材には同じ符号を付けその説明は省略す
る。本実施例ではビデオカメラ取付け筒５２にはＴＶカ
メラ１６０が取り付けてある。ＴＶカメラ１６０で得ら
れる試料３４の画像は画像処理装置１６２に取り込まれ
モニター１６４に表示される。画像処理装置１６２に取
り込まれた画像はメモリーに記憶され、そのメモリー番
地から画像のＸＹ座標が設定される。またモニター１６
４の画面上には、ＳＴＭ測定を行なう領域を指定するマ
ーカー１６６が試料画像に重ねて表示される。このマー
カー１６６は、測定者がマウスやジョイスティクなどを
用いて試料画像の任意の位置に移動させることができ
る。マーカーによる位置の指定が終了したら、画像処理
装置１６２はマーカーの画素のメモリ番地からＸＹ座標
を求め、そのデータをマイクロコンピュータ１６８に送
る。マイクロコンピュータ１６８はモニター１６４上の
マーカー１６６の座標を実際の試料上での座標に変換し
てその位置信号を発生する。この後の動作は第一実施例
と同じである。

【００２５】本発明による第三実施例を図７と図８に示
す。第一実施例と同じ構成要素には同一の符号を付けそ
の説明は省略する。本実施例では偏向器１１８と１２０
の代わりにガルバノスキャナ１７０と１７２が設けられ
ている。レーザ１１０から射出されたレーザビームは、
ガルバノスキャナ１７０と１７２により試料３４の表面
上をＴＶと同じようにラスタ走査させる。ラスタ走査の
ための走査信号はコンピュータ１８０から供給される。
試料３４で反射されたレーザビームはフォトダイオード
１２７に入射し、その強度が検出される。フォトダイオ
ード１２７の出力信号は画像処理装置１７４に入力さ
れ、走査信号に同期してメモリに保存され、ＣＲＴ１７
６に画像として表示される。続いて、マーカー１７８を
用いてＳＴＭによる測定領域を指定する。その後の処理
は第二実施例と同じである。本実施例では、ガルバノス
キャナ１７０と１７２で走査する範囲は任意に指定でき
るため、対物レンズを交換することなく試料の拡大像が
得られる。従って、より精密な位置指定ができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、測定領域に探針を正確
にしかも容易に合わせることのできる走査型プローブ顕
微鏡が提供されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例におけるビームスポット光
学系を示す。

【図２】本発明の第一実施例における走査型トンネル顕
微鏡本体の光学系を示す。

【図３】探針ユニットおよびその周辺部の構成を示す。

【図４】位置検出素子を説明するための図である。

【図５】フォトダイオードの出力と、探針とビームスポ
ットの間隔との関係を示すグラフである。

【図６】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第二実施
例を示す。

【図７】本発明の第三実施例におけるビームスポット光
学系を示す。

【図８】本発明の第三実施例における走査型トンネル顕
微鏡本体の光学系を示す。

【図９】図１０の装置において探針を光軸に合わせる手
順を説明するための図である。

【図１０】従来の走査型トンネル顕微鏡の構成を示す。

【符号の説明】

８６…対物レンズ、１１０…レーザ、１１８，１２０…
偏向器、１２７…フォトダイオード、１４２…二次元位
置検出素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を光学的に観察する観察光学系を備
   えている走査型プローブ顕微鏡において、 レーザビームを射出する光源と、 レーザビームを試料の表面に照射してビームスポットを
   形成する手段と、 ビームスポットの位置を移動させる手段と、 ビームスポットの位置を検出し、その位置信号を出力す
   る手段と、 位置信号に基づいて探針または試料を移動する手段とを
   備えている走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 試料を光学的に観察する観察光学系を備
   えている走査型プローブ顕微鏡において、 試料の表面の画像を得る手段と、 試料表面の画像を表示する表示手段と、 表示手段に表示された試料表面の画像に重ねて所望の測
   定領域を指定するマーカーを表示させる手段と、 表示手段に表示されているマーカーの位置に対応した試
   料表面上の位置を検出しその位置信号に出力する手段
   と、 位置信号に基づいて探針または試料を移動する手段とを
   備えている走査型プローブ顕微鏡。