JPH0815281A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡

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JPH0815281A
JPH0815281A JP14291194A JP14291194A JPH0815281A JP H0815281 A JPH0815281 A JP H0815281A JP 14291194 A JP14291194 A JP 14291194A JP 14291194 A JP14291194 A JP 14291194A JP H0815281 A JPH0815281 A JP H0815281A
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JP
Japan
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sample
probe
objective lens
sensor unit
probe microscope
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP14291194A
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English (en)
Inventor
Norio Maruyama
規夫 丸山
Hideki Nagaoka
秀樹 長岡
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0815281A publication Critical patent/JPH0815281A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】高い精度の観察像を得られる走査型プローブ顕
微鏡を提供する。 【構成】試料10を載せる試料ステージ12は、フレー
ム14の下部に設けられている。試料ステージ12は粗
動機構を有していて試料10をXY方向に大きく移動さ
せることができる。チューブスキャナー16は、その上
端がフレーム14の上部に固定されていて、下端にはセ
ンサーユニット20が取り付けられている。これによ
り、センサーユニット20は三次元方向に移動可能に支
持されている。センサーユニット20の上側の開口部2
3の上方には、観察光学系の一部を成す対物レンズ45
が支持部材44によって支持されている。センサーケー
ス22に形成した開口部23と24を通って対物レンズ
45に入射する試料10およびカンチレバー26からの
光は、対物レンズ45を通過した後、観察光束46とし
て、その上方に配置された結像光学系(図示せず)に入
射する。

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
や原子間力顕微鏡などに代表され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は、試料表面の凹
凸形状をはじめ色々な特性(電荷の分布や導電率分布
等)を原子レベルの分解能で調べることのできる装置で
あり、なかでも走査型トンネル顕微鏡(STM)と原子
間力顕微鏡(AFM)がよく知られている。走査型プロ
ーブ顕微鏡はその名の通りプローブ(探針)を有し、試
料の観察は、探針を試料表面の極近くまで接近させ、探
針先端と試料表面の間の距離を制御しながら、試料表面
に沿って探針を走査して行なう。
【0003】近年、走査型プローブ顕微鏡は、その用途
が広がるにつれて、試料の大きさ(面積)や質量の制約
を受けることなく、試料の表面形状を正確に測定できる
ことが望まれている。このような要望に応えるものとし
て、試料の側ではなく、探針の側を移動させて走査を行
なう構成の走査型プローブ顕微鏡が提案されている。こ
の走査型プローブ顕微鏡では、試料の上方に支持されて
いる探針の側に、走査や制御のための要素がすべて設け
られており、試料を載せるステージには何等制約がな
い。このため、ステージには大きな試料を載せて大きく
移動させることができる。探針による高分解能の観察
は、ステージを操作して観察したい箇所を探針下に配置
して行なわれる。
【0004】探針を走査する手段としては、一般にPZ
T(チタン酸ジルコン酸鉛)等を材料としたチューブ型
圧電体スキャナーがよく使用される。このチューブスキ
ャナーは、チューブ状の圧電体の内面に共通の電極を有
し、外周面に周方向に分離した四つの駆動電極を備えて
いて、これら駆動電極の各々に印加する電圧を適宜制御
することで、任意の方向に屈曲させたり、伸縮させたり
することができ、これにより端部を三次元的に変位させ
ることができる。
【0005】走査型プローブ顕微鏡では、このチューブ
スキャナーの下端に、探針および走査や制御のための要
素を収容したセンサーユニットが取り付けられ、前述し
たように駆動電極に印加する電圧を制御することによ
り、センサーユニットを三次元方向に移動させること
で、探針の走査と探針試料間距離の制御が行なわれる。
【0006】走査型プローブ顕微鏡は、分解能が原子レ
ベルと非常に高い反面、観察範囲はせいぜい数百nm平
方と非常に狭い。このため、大抵の走査型プローブ顕微
鏡には、試料の観察箇所を特定したりする目的で、試料
を(原子レベルの分解能に比べて)低分解能で広範囲に
わたって観察できる光学顕微鏡が組み込まれている。一
般に光学顕微鏡は、その光軸上に探針が来るように組み
込まれ、探針とその周辺の試料表面とを同時に観察で
き、これによりステージを操作して試料表面上の所望の
箇所に探針を配置することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】走査手段としてチュー
ブスキャナーを備える走査型プローブ顕微鏡では、一般
に探針はチューブスキャナーの中心軸上に配置されてお
り、これに組み込まれる光学顕微鏡の対物レンズは、そ
の光軸を探針の軸に合わせるため、チューブスキャナー
の内部に配置されている。このため、チューブスキャナ
ーは必然的に対物レンズよりも太い径のものを使用する
ことになる。しかも、チューブスキャナーが屈曲したと
きに、その内面が対物レンズに当たらないように、対物
レンズとの間に十分な隙間ができる太さが必要である。
チューブスキャナーは径が太くなると、端部の屈曲変位
量が小さくなるため、所定の走査範囲を確保するには、
細径のものに比べて長いものを使用しなければならな
い。しかし、チューブスキャナーは長くなると、そのぶ
ん振動し易くなる。これは、センサーユニットのぶれの
原因となり、観察像の精度の低下を招く原因となる。
【0008】一方、対物レンズについても、チューブス
キャナーの内部に納まる大きさであることが要求される
ため、選択の範囲が狭められ、性能が限定されたりす
る。また、光学顕微鏡においては、試料の観察中に対物
レンズの倍率を変えることは一般によく行なわれる作業
であるが、走査型プローブ顕微鏡においては、対物レン
ズがチューブスキャナーの内部に収容されているため、
対物レンズを交換するには、いったん試料の観察を中断
せざるを得ない。しかも、試料に対する探針の位置を変
えることなく、対物レンズを交換することは難しい。こ
のため、対物レンズを簡単に切り替えられる構成の走査
型プローブ顕微鏡の提供が望まれている。
【0009】本発明は、探針の振動が少なく、したがっ
て精度の高い観察像を得ることの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、
探針と試料の相対位置を変えることなく、対物レンズを
切り替えることの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。
【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、試料を観察するための探針を含むセンサー部
と、センサー部を走査可能に支持するチューブスキャナ
ーと、試料と探針を同時に光学的に観察するための、対
物レンズを含む観察光学系とを備えていて、探針とチュ
ーブスキャナーは軸をずらして配置されており、対物レ
ンズは、チューブスキャナーの外側で、その光軸を探針
にほぼ一致させて配置される。
【0011】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、さら
に、前記対物レンズを交換または切り換え可能に支持す
る支持部材を備えている。センサー部は、たとえば、レ
ーザー光を射出する光源と、レーザー光をカンチレバー
に照射するための偏向手段と、カンチレバーに照射され
たレーザー光を受光する素子とから構成される。
【0012】
【作用】本発明では、対物レンズは、チューブスキャナ
ーの内側ではなく外側に配置されるため、チューブスキ
ャナーはその大きさに対物レンズによる制約を受けな
い。したがって、小型で軽量なチューブスキャナーを使
用でき、走査型プローブ顕微鏡の共振点を高くすること
ができる。これにより、探針の振動が少なくなり、得ら
れる観察像は精度の高いものとなる。
【0013】また、対物レンズもチューブスキャナーか
ら空間的に制約を受けないので、走査型プローブ顕微鏡
に、異なる複数の対物レンズを切り替える機構たとえば
レボルバー機構を組み込むことができる。
【0014】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。ま
ず、第一実施例の走査型プローブ顕微鏡について、図1
と図2を参照しながら説明する。
【0015】試料10を載せる試料ステージ12は、フ
レーム14の下部に設けられている。試料ステージ12
は粗動機構を有していて、試料10をXY方向に大きく
移動させることができる。
【0016】チューブスキャナー16は、その上端がフ
レーム14の上部に固定されていて、下端にはセンサー
ユニット20が取り付けられている。これにより、セン
サーユニット20は三次元方向に移動可能に支持されて
いる。
【0017】センサーユニット20はセンサーケース2
2を有し、センサーケース22の上板と下板にはそれぞ
れ開口部23と24がぼぼ重なる位置に形成されてい
る。下側の開口部24の周縁部には、カンチレバー26
が中央に向かって延びるように僅かに傾けて取り付けら
れている。カンチレバー26は、試料10を観察するた
めの探針28を自由端部の下面に備えており、自由端部
の上面は鏡面状になっている。センサーケース22の内
部には、レーザー光源30、レーザー光源30から射出
されたレーザー光を平行光に変えるコリメートレンズ3
2、この平行光を集束光に変える集光レンズ36、この
集束光をカンチレバー26の自由端部の上面に向けて反
射するミラー38が設けられている。集光レンズ36の
倍率および位置は、集束光がカンチレバー26の自由端
部の上面でちょうどスポットを結ぶように選択されてい
る。さらにセンサーケース22には、カンチレバー26
の自由端部の上面で反射された光を受ける光位置検出器
40が取り付けられている。光位置検出器40は複数の
受光面たとえば紙面に垂直な線で二分割された受光面を
有し、それぞれの受光面に入射した光の強度に対応した
信号を出力する。各受光面の入射光強度に対応した信号
は検出アンプ42に入力される。検出アンプ42は、た
とえば光位置検出器40が二分割受光面を有する場合、
各受光面の入射光強度に対応した信号の差を演算し出力
する。カンチレバー26からの反射光はカンチレバー2
6の自由端の上下方向の変位に応じて反射方向が上下方
向に振れるので、光位置検出器40での演算結果はカン
チレバー26の自由端部の変位に対応したものとなる。
したがって、これを換算することで探針28の変位を知
ることができる。
【0018】センサーユニット20の上側の開口部23
の上方には、観察光学系の一部を成す対物レンズ45が
支持部材44を介してセンサーケース22に対して独立
に支持されている。センサーケース22に形成した開口
部23と24を通って対物レンズ45に入射する試料1
0およびカンチレバー26からの光は、対物レンズ45
を通過した後に観察光束46として、その上方に配置さ
れる結像光学系(図示せず)に入射して結像される。
【0019】観察光学系により得られる光学像は、探針
28が位置するカンチレバー26の自由端部とその周辺
に位置する試料10の表面の像となる。したがって、こ
の像を見ながら試料ステージ12を操作して試料10を
XY方向に移動させることにより、探針28を用いて観
察したい箇所を探針28の下に配置させることができ
る。観察箇所を探針28の下に配置した後は、チューブ
スキャナー16を駆動して探針28を試料10の表面に
沿って走査する。チューブスキャナー16に供給する駆
動電圧に基づいて得られる走査中の探針の位置情報と、
検出アンプ42の出力から得られる情報(たとえば高さ
情報)とを同期させて処理することにより、試料10の
表面の種々の情報(たとえば凹凸像)が得られる。
【0020】このように、本実施例の走査型プローブ顕
微鏡では、チューブスキャナー16は探針28からずれ
た位置でセンサーケース22と固定されていて、対物レ
ンズ45は探針28の上方に配置される。チューブスキ
ャナー16の内側の空間には対物レンズ45が配置され
ないので、使用するチューブスキャナー16の大きさに
は何等制約がない。したがって、細くて短いチューブス
キャナーを使用できる。この結果、センサーユニット2
0の振動が低減され、得られる観察像は精度の高いもの
となる。
【0021】次に、第二実施例について図3を参照しな
がら説明する。図中、第一実施例で説明した部材と同じ
部材は同一の符号で示し、以下の説明ではその詳細な説
明は省略する。
【0022】第一実施例と同じように、センサーユニッ
ト20は、フレーム14に固定されたチューブスキャナ
ー16によって走査可能に支持されている。倍率の異な
る複数の対物レンズ52,54,56がレボルバー50
によって回転可能に支持されている。レボルバー50
は、対物レンズが位置決めされた際、その中の一つがち
ょうどセンサーユニット20の開口部23の上に来るよ
うに設けられている。
【0023】本実施例の走査型プローブ顕微鏡では、対
物レンズ52,54,56を切り替えることにより、倍
率を変えて試料を光学的に観察することができる。たと
えば、試料表面の探針での観察箇所を特定する際、最初
に低倍率の対物レンズをセンサーユニット20の開口部
23の上方に配置して大雑把に観察した後、高倍率の対
物レンズに切り替えて詳細に試料表面を観察して測定箇
所を特定することが可能となる。これにより、操作性に
優れた走査型プローブ顕微鏡が得られる。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、使用するチューブスキ
ャナーに何等制約がないので、小型軽量のチューブスキ
ャナーを用いて共振点を高く設定することができる。し
たがって、精度の高い観察像を得られる走査型プローブ
顕微鏡を得ることができる。
【0025】また、対物レンズはチューブスキャナーに
寸法上の制約を受けないので、例えば複数の対物レンズ
を切り替え可能に支持するレボルバー機構を設けること
ができる。これにより、探針と試料の相対位置を変える
ことなく、対物レンズを切り替えることのできる走査型
プローブ顕微鏡を得ることができる。
【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
構成を示した、部分的に断面を含む側面図である。
【図2】図1の走査型プローブ顕微鏡を概略的に示す斜
視図である。
【図3】本発明の第二実施例の走査型プローブ顕微鏡を
概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
16…チューブスキャナー、20…センサーユニット、
45…対物レンズ。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料を観察するための探針を有するカン
    チレバーを含むセンサー部と、 センサー部を走査可能に支持するチューブスキャナー
    と、 試料と探針を同時に光学的に観察するための、対物レン
    ズを含む観察光学系とを備え、探針とチューブスキャナ
    ーは軸をずらして配置されており、対物レンズは、チュ
    ーブスキャナーの外側で、その光軸を探針にほぼ一致さ
    せて配置される、走査型プローブ顕微鏡。
  2. 【請求項2】 前記対物レンズを交換または切り換え可
    能に支持する支持部材を有することを特徴とする請求項
    1記載の走査型プローブ顕微鏡。
  3. 【請求項3】 前記センサー部は、レーザー光を射出す
    る光源と、 レーザー光をカンチレバーに照射するための偏向手段
    と、 カンチレバーに照射されたレーザー光を受光する素子
    と、を有することを特徴とする請求項1記載の走査型プ
    ローブ顕微鏡。
JP14291194A 1994-06-24 1994-06-24 走査型プローブ顕微鏡 Withdrawn JPH0815281A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160115672A (ko) * 2015-03-25 2016-10-06 가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스 주사 프로브 현미경

Cited By (4)

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KR20160115672A (ko) * 2015-03-25 2016-10-06 가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스 주사 프로브 현미경
CN106018882A (zh) * 2015-03-25 2016-10-12 日本株式会社日立高新技术科学 扫描探针显微镜
JP2016183869A (ja) * 2015-03-25 2016-10-20 株式会社日立ハイテクサイエンス 走査プローブ顕微鏡
CN106018882B (zh) * 2015-03-25 2020-07-24 日本株式会社日立高新技术科学 扫描探针显微镜

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