JPH07174768A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料表面とカンチレバーを同時に高倍率で観察
できる光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡を提供
する。 【構成】ＳＰＭ１００は、透過照明タイプのステレオ顕
微鏡を組み込んだＡＦＭである。ＡＦＭは、自由端に探
針１３２を備える集積型カンチレバー１３０、圧電体ス
キャナー１３４、スキャンコントローラー１４０、カン
チレバー１３０の変位を検出する変位検出回路１４２、
コンピューター１４４、モニター１４６より構成されて
いる。ステレオ顕微鏡は、接眼レンズ１０２と１０４、
偏光方向が互いに直交している偏光フィルター１０６と
１０８、対物レンズ１１０、コンデンサーレンズ１１
６、フィールドレンズ１１８、照明光を発する光源１２
０と１２２、偏光方向が互いに直交している偏光フィル
ター１２４と１２６、照明光をフィールドレンズ１１８
に向けて反射するミラー１２８より構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学顕微鏡を備える走
査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（STM; Scanning
Tunneling Microscope）は Binnig とRohrer らにより
発明された超高分解能を示す顕微鏡である。そして最近
では、このＳＴＭでは測定できない絶縁性の試料を原子
サイズの分解能で観察することのできる顕微鏡として原
子間力顕微鏡（AFM; Atomic Force Microscope）が提案
されている（特開昭６２−１３０３０２）。ＡＦＭはＳ
ＴＭに類似しており、走査型プローブ顕微鏡（SPM; Sca
nning Probe Microscope）の一つとして位置づけられ
る。ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持
つカンチレバーを、試料に対向・近接させ、探針先端の
原子と試料表面の原子との間に働く相互作用力により、
変位するカンチレバーの動きを電気的あるいは光学的に
とらえて測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査し、カンチ
レバーの探針部との位置関係を相対的に変化させること
によって、試料の凹凸情報などを原子サイズオーダーで
三次元的にとらえている。

【０００３】また、測定したい箇所にカンチレバーの探
針位置をあわせることが必要であることから、その後、
光学顕微鏡を組み合わせたＡＦＭが提案され、より使い
勝手の良いＡＦＭが作られるに至っている。例えば、特
開平３−１０２２０９に示されるＡＦＭ装置では、カン
チレバーの変位センサーとして臨界角方式の光学式変位
センサーを用い、この光学式変位センサーの対物レンズ
を光学顕微鏡の対物レンズとしても共用して、測定試料
の表面観察と同時に、カンチレバーの位置確認、カンチ
レバーに照射される光学式変位センサーの光スポットの
位置確認などが可能になっている。

【０００４】ＳＰＭは当初、試料表面の原子サイズオー
ダーでの観察が可能なことから、その測定対象はサブミ
クロン程度の凹凸を持つものに限られていたが、最近は
数μｍの凹凸をもつ試料を観察するようになっており、
利用する領域が広がってきている。これに伴い、ＡＦＭ
測定においても、大きな凹凸を持つ試料に対応するた
め、探針の長さの長いカンチレバーを用いて測定するケ
ースが増えている。

【０００５】探針長さについては、最近、他の理由から
も長いものが求められる傾向にある。一つの理由とし
て、カンチレバーあるいは探針を上下振動させ試料に近
付けた時、試料と探針先端の相互作用によって、その振
動の周波数がシフトするのをとらえＡＦＭ測定するノン
コンタクトＡＦＭ測定法と呼ばれる新しい測定方法が開
発されたことがあげられる。この測定法では、カンチレ
バーの振動時の機械的Ｑ値が高いことが、測定感度を上
げることになることから、カンチレバーを試料に近付け
た際に空気ダンピングによって機械的Ｑ値が下がらない
ように、従来３μｍ程度であった探針長さをより長くと
り、カンチレバーのレバー部を試料から離すことができ
るカンチレバーを選ぶようになってきた。具体的には５
μｍ以上離すことにより、即ち長さが５μｍ以上の探針
を持つカンチレバーを使用することにより、空気ダンピ
ングによる機械的Ｑ値の低下を避けている。

【０００６】このような光学顕微鏡一体型のＳＰＭにお
いて、ＳＰＭに組み合わされる光学顕微鏡としては、干
渉顕微鏡や偏光顕微鏡、更には蛍光顕微鏡など各種の顕
微鏡との組み合わせが試みられており、その照明法につ
いても落射照明や透過照明のタイプなど測定試料に応じ
た顕微鏡が選ばれ使用されている。

【０００７】一方、光学顕微鏡分野において、ステレオ
顕微鏡と呼ばれる顕微鏡が既に開発されている。その構
成を図６に示す。ステレオ顕微鏡１０は、接眼レンズ１
２と１４、偏光方向が互いに直交する偏光フィルター１
６と１８、対物レンズ２０、測定試料２４を載せるステ
ージ２２、コンデンサーレンズ２６、フィールドレンズ
２８、照明光を射出する光源３０と３２、レンズ３４と
３６、偏光方向が互いに直交する偏光フィルター３８と
４０、照明光をフィールドレンズに導く反射面４２と４
４で構成されている。

【０００８】ステレオ顕微鏡において立体視を可能にす
る理由は、観察者が両眼で二つの接眼レンズ１２と１４
を覗いた際に、それぞれの眼に見える像の間に立体視差
が与えられているためであり、観察者の頭の中で観察試
料像が三次元変換されるようになっている。通常の顕微
鏡でも接眼レンズが二つあるものは立体視差を有してい
るが、ステレオ光学顕微鏡１０では立体視をよりきわだ
たせるため次のような工夫がなされている。二つの光源
３０と３２から射出されたそれぞれの照明光は、偏光方
向が互いに直交している偏光フィルター３８と４０をそ
れぞれ通過することによって、互いの偏光方向が直交し
た光となる。各照明光は、反射面４２と４４でそれぞれ
反射され、フィールドレンズ２８を介してコンデンサー
レンズ２６により、異なる二方向から試料２４に斜めに
照射される。試料２４からの光は対物レンズ２０に入射
し、接眼レンズ１２と１４に向かう。接眼レンズ１２と
１４の手前には、偏光方向が互いに直交している偏光フ
ィルター１６と１８が配置されており、偏光フィルター
１６の偏光方向は例えば偏光フィルター３８の偏光方向
に一致しており、従って偏光フィルター１８の偏光方向
は偏光フィルター４０の偏光方向に一致している。この
結果、接眼レンズ１２には左斜め下方から試料２４に入
射し透過した光だけが、また接眼レンズ１４には右斜め
下方から試料２４に入射し透過した光だけが到達する。
このようなステレオ顕微鏡では、光が斜めから導入され
ることにより、高倍率観察時に高い分解能と深い被写界
深度（あるいは焦点深度）を同時に実現できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ＳＰＭに組み合わされ
る光学顕微鏡は、もっぱら試料の観察に重点が置かれて
選択されており、光学顕微鏡のタイプとしては最も普通
に使われているものである。しかしながら、ＳＰＭに使
われる探針としてより長いものが求められてきている現
在、ＳＰＭに組み合わせた光学顕微鏡で測定試料の高倍
率観察を行なおうとすると、被写界深度が浅く、カンチ
レバー面を観察できないケースが増えてきている。具体
的には、現在ＡＦＭ測定でよく用いられるカンチレバー
の探針の長さは３μｍ程度である。また、光学顕微鏡の
５０倍の対物レンズの被写界深度は１μｍ程度であり、
探針の長さより短い。この対物レンズを用いて測定試料
表面にピントを合わせると、カンチレバー背面は観察は
可能であるが、ピントはかなりぼけてしまう。従って、
測定試料の所定の位置にカンチレバーの先端にある探針
を位置合わせしようとしても、ピントがぼけた分、位置
合わせ精度が落ちてしまう。この様な場合、被写界深度
の深い対物レンズを用いて対応しているが、逆に被写界
深度の深い対物レンズは倍率が小さいため、高倍率観察
ができず、やはり正確な位置合わせは行なえない。

【００１０】また、カンチレバーの大きさが長さ１００
μｍ×幅４０μｍ程度の短冊型であるため、光学顕微鏡
で試料にピントを合わせ、試料とカンチレバーを同時観
察するとき、カンチレバー面でピントが不鮮明な状態で
も、そのおおよその位置は確認できる。しかし、ＳＰＭ
の変位センサーの光スポットを照射するカンチレバー面
にカンチレバー変位測定の誤差原因となる汚れやほこり
等が無いことを確認することはできない。このような確
認を行なうには、測定試料にピントを合わせて光学顕微
鏡観察したのち、今度はカンチレバー面にピントを合わ
せて光学顕微鏡観察を行なうといった煩雑な操作をしな
ければならない。

【００１１】本発明は、長い探針を備えたカンチレバー
に対しても、試料表面とカンチレバーを同時に高倍率で
観察できる光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡を
提供することを目的とする。

【００１２】

【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、第一の照明光と第二の照明光を異なる方向か
ら試料に斜めに照射する手段と、第一の照明光により生
じる試料からの第一の観察光に基づいて第一の試料像を
得る第一の光学系と、第二の照明光により生じる試料か
らの第二の観察光に基づいて第二の試料像を得る第二の
光学系とを備えていて、第一の光学系と第二の光学系は
観察者の両眼の近くに来るふたつの接眼レンズをひとつ
ずつ有し、従って観察者は第一の試料像と第二の試料像
を別々の眼でとらえるステレオ顕微鏡を備えている。

【００１３】

【作用】上に述べた構成のステレオ顕微鏡は高倍率観察
時も被写界深度の低下が少ない。従って、プローブ（探
針）が長く、カンチレバーが試料表面表面から５μｍ程
度離れた場合であっても、試料とカンチレバーの両方に
ピントを合わせることができる。

【００１４】ステレオ顕微鏡の第一の光学系と第二の光
学系の各々で得られる第一の試料像と第二の試料像は、
それぞれ観察者の左右の別の眼で認識され、これらのふ
たつの試料像の間には立体視差が与えられているので、
観察者には立体的に見える。

【００１５】

【実施例】以下、本発明による走査型プローブ顕微鏡
（ＳＰＭ）の実施例について図面を参照しつつ説明す
る。 〈第一実施例〉第一実施例のＳＰＭの構成を図１に示
す。本実施例のＳＰＭ１００は、透過照明タイプのステ
レオ顕微鏡を一体化した原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であ
る。ＡＦＭは、その自由端に探針１３２を有している集
積型カンチレバー１３０、この集積型カンチレバー１３
０をＸＹＺの各方向に独立して移動させる圧電体スキャ
ナー１３４、圧電体スキャナー１３４を制御するスキャ
ンコントローラー１４０、集積型カンチレバー１３０の
変位を検出する変位検出回路１４２、スキャンコントロ
ーラー１４０を制御すると共に変位検出回路１４２から
情報を取り込み処理するコンピューター１４４、コンピ
ューター１４４で処理した情報（例えば試料表面の観察
像）を表示するモニター１４６より構成されている。試
料１１４はステージ（スライドガラス１１２のみを図示
してある）に載せられ、探針１３２が試料表面の近くで
正対するように配置される。

【００１６】集積型カンチレバー１３０は、その自由端
の変位すなわち探針１３２の変位を測定する機能を備え
たカンチレバーで、例えばその一例が「M. Tortonese,
H. Yamada, R. C. Barrett and C. F. Quate, "Atomic
force microscopy using a piezoresistive cantileve
r", Transducers and Sensors '91」やＰＣＴ出願ＷＯ
９２／１２３９８に開示されている。

【００１７】ステレオ顕微鏡は、接眼レンズ１０２と１
０４、偏光方向が互いに直交している偏光フィルター１
０６と１０８、対物レンズ１１０、コンデンサーレンズ
１１６、フィールドレンズ１１８、照明光を発する光源
１２０と１２２、その偏光方向が互いに直交している偏
光フィルター１２４と１２６、照明光をフィールドレン
ズ１１８に向けて反射するミラー１２８より構成されて
いる。

【００１８】それぞれの光源１２０と１２２から射出さ
れた照明光は、その偏光方向が互いに直交するように配
置した偏光フィルター１２４と１２６たとえば１／４波
長板を通過することで、偏光方向が互いに直交する光と
なる。その後、照明光はミラー１２８で反射され、フィ
ールドレンズ１１８に向かう。照明光は、フィールドレ
ンズ１１８に続いてコンデンサーレンズ１１６を通過
し、それぞれ別の方向から試料１１４に下方から斜めに
入射する。試料１１４を透過した光は対物レンズ１１０
に入射し、接眼レンズ１０２と１０４に向かう。接眼レ
ンズ１０２と１０４の手前には、偏光方向が互いに直交
するように配置した偏光フィルター１０６と１０８たと
えば１／４波長板が配置されており、その偏光方向はそ
れぞれ偏光フィルター１２４と１２６の偏光方向に合っ
ているため、例えば、光源１２０から出た光だけが接眼
レンズ１０２に達し、光源１２２から出た光だけが接眼
レンズ１０４に達する。

【００１９】上述の構成のステレオ顕微鏡では、これを
構成している各光学部材は、試料１１４に二方向から入
射する照明光の二本の主光線を含む平面がＸＺ平面に平
行となるように配置されている。また、カンチレバー１
３０はその軸（つまり長手方向）がＹ軸と平行になるよ
うに配置されている。これによって、試料１１４から対
物レンズ１１０に入射する観察光すなわち試料１１４を
透過した照明光がカンチレバー１３０によって不均等に
遮られないように、またカンチレバー１３０で遮られる
光が最小となるようになっている。

【００２０】本実施例によれば、高倍率観察時にも高分
解能と深い被写界深度が得られる。従って、探針１３２
に長いもの例えば５μｍのものを使用した場合であって
も、試料１１４とカンチレバー１３０の両方を通常の光
学顕微鏡を使用したときよりも鮮明に観察される。これ
により、ＡＦＭ測定に際して、カンチレバー１３０を試
料１１４の所望の部位に正確に位置合わせできるように
なる。

【００２１】また、ステレオ顕微鏡を組み合わせたた
め、試料１１４の立体的観察が行なえ、ＡＦＭで得られ
る三次元像と比較して新たな知見を得ることが可能にな
る。 〈第二実施例〉第二実施例の走査型プローブ顕微鏡につ
いて図２〜図４を参照して説明する。本実施例は、落射
照明タイプのステレオ顕微鏡をＡＦＭに組み込んだもの
である。本実施例のＡＦＭではカンチレバーは通常のも
のを使用しており、その変位検出には臨界角法を用いた
光学式変位センサーを使用している。

【００２２】図２と図３に示すように、試料２５２を載
せる試料台１５４は、下端がベース２５８に固定されて
いる円筒型圧電体スキャナー２５６の上端に固定されて
いる。カンチレバー２６０は通常のもので、短冊状の薄
片の先端に探針を有し、その支持部が保持機構２６２に
取り付けられ、探針が試料表面の近くに僅かに離れて支
持されるように保持されている。カンチレバーの走査と
探針試料間距離制御は円筒型圧電体スキャナー２５６に
より行なわれる。

【００２３】カンチレバー２６０の変位検出系は、対物
レンズ２１０と光学式変位センサー２２０とプリズム部
２２２によって構成されている。この光学式変位センサ
ー２１０は、臨界角法を利用したもので、例えば特開平
３−１０２２０９に開示されている。プリズム部２２２
は、図４に示すように、反射面２３４と透明体２３２を
有している。この反射面２３４は、光学式変位センサー
２２０の射出する検出光を反射するもので、例えば、そ
の光源である半導体レーザーの発振波長である７８０ｎ
ｍの光を効率良く反射するように偏光ビームスプリッタ
が使用される。変位センサー２２０から射出された光２
４８は、反射面２３４で反射され、透明体２３２を透過
し、対物レンズ２１０を介してカンチレバー２６０の自
由端上面に照射される。カンチレバー２６０の自由端上
面で反射され対物レンズ２１０に入射した光２５０は、
透明体２３２を通過し、反射面２３４で反射され、変位
センサー２２０に戻る。変位センサー２２０は、この戻
り光に基づいてカンチレバー２６０の自由端の変位を測
定する。

【００２４】本実施例で使用している落射照明タイプの
ステレオ顕微鏡は、図２と図３に示すように、光源２１
２と２１４、偏光フィルター２１６と２１８、プリズム
部２２２、対物レンズ２１０、偏光フィルター２０６と
２０８、接眼レンズ２０２と２０４で構成されている。

【００２５】対物レンズ２１０は試料２５２の上方に配
置され、カンチレバーの変位検出系と共用されている。
対物レンズ２１０と接眼レンズ２０２と２０４の間にプ
リズム部２２２が配置され、各接眼レンズ２０２と２０
４の直前にはそれぞれ偏光フィルター２０６と２０８が
配置されている。偏光フィルター２０６と２０８は、両
者の偏光方向が互いに直交するように配置されている。
また、プリズム部２２２の両側には照明光を発する光源
２１２と２１４が配置されている。光源２１２と２１４
とプリズム部２２２の間には偏光フィルター２１６と２
１８がそれぞれ配置されている。偏光フィルター２１６
と２１８は、両者の偏光方向が互いに直交するように配
置されている。しかも、これらの偏光フィルター２０６
と２０８と２１６と２１８は、偏光フィルター２０６と
偏光フィルター２１８の偏光方向が一致し、従って偏光
フィルター２０６と偏光フィルター２１８の偏光方向も
一致するように配置されている。プリズム部２２２は、
光源２１２と２１４の発する照明光を対物レンズ２１０
に導き、試料２５２からの観察光を接眼レンズ２０２と
２０８へ導くもので、図４に示すように、ふたつのビー
ムスプリッター２２４と２２６を有している。これらの
ビームスプリッター２２４と２２６は、ハーフミラーか
らなる反射面を持ち、その反射面を通過した光を遮断す
る遮光部材２２８を介して、透明体２３２の両側に固定
されている。

【００２６】光源２１２から射出され偏光フィルター２
１６を通過した光２３６は、ビームスプリッター２２４
に入射し、その反射光２４０は対物レンズ２１０により
試料２５２に照射される。試料２５２で反射され対物レ
ンズ２１０に入射した光は、ビームスプリッター２２６
に入射する。ビームスプリッター２２６を通過した光２
４６は、先に偏光フィルター２１６を通過しているた
め、偏光フィルター２０８を透過して接眼レンズ２０４
に達する。同様に、光源２１４の発した照明光２３８は
ビームスプリッター２２６で反射され、その反射光２４
２が対物レンズ２１０により試料２５２に照射される。
試料２５２で反射された光は、ビームスプリッター２２
４に入射し、これを通過した光２４４が接眼レンズ２０
２に達する。各接眼レンズ２０２と２０４を介して得ら
れるふたつの試料像は立体視差を有しているため、観察
者には立体像として観察される。

【００２７】本実施例によれば、第一実施例と同様に、
高倍率観察時にも高分解能と深い被写界深度が得られる
ため、ＡＦＭ測定に長い探針を使用する場合にも、試料
とカンチレバーの両者を通常の光学顕微鏡を使用したと
きよりも鮮明に観察できる。この結果、ＡＦＭ測定に際
しカンチレバーを試料上の所望の部位に正確に位置合わ
せ出来るようになる。また、落射照明タイプのステレオ
顕微鏡を用いているため、カンチレバーの背面を良好に
観察できる。

【００２８】なお、本実施例では臨界角法を用いた変位
センサーを用いたが、ＡＦＭでよく用いられる他の方法
による変位センサー、例えば光てこ式の光学式変位セン
サーを使用してもよい。

【００２９】また、ビームスプリッター２２４と２２６
に、ハーフミラーからなる反射面を持つものを用いた
が、これに換えて偏光ビームスプリッターを用いてもよ
い。この場合、ビームスプリッターは、その各々に対す
る入射光（照明光）が互いに直交する位置関係に配置さ
れる。このように偏光ビームスプリッターを用いた場
合、偏光フィルター２０６と２０８と２１６と２１８は
不要である。 〈第三実施例〉第一実施例と第二実施例では、光学顕微
鏡観察は接眼レンズを通して肉眼で行なっている。しか
し、偏光フィルターの分光透過率は一般に青色側で透過
率が下がるため、肉眼で観察すると通常の顕微鏡で観察
したときよりも赤みがかって観察される。第三実施例と
して、これを補正する電子撮像機構を第一実施例の装置
に付加したものを、その電子撮像機構を中心として図４
に示す。

【００３０】図４に示すように、二つの接眼レンズ１０
２と１０４にそれぞれＣＣＤカメラ３０２と３０４が取
り付けられている。ＣＣＤカメラ３０２と３０４は色調
整を行なう電子回路３０６と３０８にそれぞれ接続され
ている。電子回路３０６と３０８は、色調整後の像を表
示する二つのモニター３１０と３１２にそれぞれ接続さ
れている。各モニター３１０と３１２に表示された像は
それぞれ観察者の左右の眼３１４で観察される。

【００３１】本実施例では、電子回路により色が補正さ
れるので、観察者が見る像は実物の像により近いものと
なる。本発明は上述の実施例に何等限定されるものでは
なく、請求の範囲から読み取れる発明の要旨を逸脱しな
い範囲において行なわれる多種多様な実施や変形はすべ
て本発明の権利範囲に含まれるものである。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、ノンコンタクトモード
に対応した長い探針を持つカンチレバーに対しても試料
表面とカンチレバーを同時に高倍率かつ高分解能できる
ので、正確な位置合わせが行なえるとうえ、変位検出時
の誤差原因となるカンチレバー面上の汚れやほこり等の
有無を余計な操作を必要とすること無く確認できる新し
い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の走査型プローブ顕微鏡の
構成を示す図である。

【図２】本発明の第二実施例の走査型プローブ顕微鏡の
正面図である。

【図３】図２に示した走査型プローブ顕微鏡の側面図で
ある。

【図４】図２に示したプリズム部の構成を示す斜視図で
ある。

【図５】本発明の第三実施例の走査型プローブ顕微鏡を
部分的に示す図である。

【図６】ステレオ顕微鏡の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０２、１０４…接眼レンズ、１０６、１０８、１２
４、１２６…偏光フィルター、１１０…対物レンズ、１
１６…コンデンサーレンズ、１２０、１２２…光源。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カンチレバーの自由端に設けたプローブ
   を試料表面に沿って走査して試料表面に関する情報を得
   る走査型プローブ顕微鏡において、 第一の照明光と第二の照明光を異なる方向から試料に斜
   めに照射する手段と、第一の照明光により生じる試料か
   らの第一の観察光に基づいて第一の試料像を得る第一の
   光学系と、第二の照明光により生じる試料からの第二の
   観察光に基づいて第二の試料像を得る第二の光学系とを
   備えていて、第一の光学系と第二の光学系は観察者の両
   眼の近くに来るふたつの接眼レンズをひとつずつ有し、
   従って観察者は第一の試料像と第二の試料像を別々の眼
   でとらえるステレオ顕微鏡を備えていることを特徴とす
   る走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 カンチレバーは、第一の光学系と第二の
   光学系の二本の光軸を含む面に対して、その軸がほぼ直
   交するように配置され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。