JPH09119937A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学顕微鏡視野内でのカンチレバー位置合わ
せに関し、位置合わせのためのＳＰＭ機構部分を設ける
ことなく位置合わせを行えるようにする。 【解決手段】 試料21を搭載する試料台12と、試料表面
に臨む探針13を備えたカンチレバー14と、試料に対して
カンチレバーを接近・退避させる変位機構と、カンチレ
バーと試料を相対的に移動させる走査機構と、試料とカ
ンチレバーを同時に観察する例えば光学顕微鏡15と、変
位機構と走査機構の各動作を制御する制御手段を備え、
光学顕微鏡によって試料の観察表面での観察場所を探す
ように構成され、さらに光学顕微鏡を支持する移動機構
23を設け、この移動機構で光学顕微鏡を走査平面に対応
する平面内で移動し、その視野内でのカンチレバーの位
置合わせを行うようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に関し、特に、カンチレバーと試料を同時観察できる
光学顕微鏡等の補助観察手段を備え、この補助観察手段
で目的の観察場所を探すようにした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（ＳＰＭ）は、先
端の尖ったプローブすなわち探針を試料にナノメータの
オーダ（１０^-9ｍ）まで近づけ、そのときの探針・試料
間に生じるトンネル電流や原子間力等の物理量を測定す
ることにより、試料表面の形状を原子の寸法レベルで計
測する装置である。走査型プローブ顕微鏡は、極微細な
寸法の測定には適しているが、反面、測定できる寸法が
最大でも数十μｍであるので、それ以上の相対的に大き
な範囲の測定、あるいは大きな対象物の測定を行うこと
が困難となる。

【０００３】そこで、従来の走査型プローブ顕微鏡で
は、探針を微動させる微動機構と、この微動機構と試料
の相対的位置関係を変える移動機構（粗動機構）とを組
合せることにより、走査型プローブ顕微鏡の本来的な測
定範囲（微動機構によって決まる）を越える大きな範囲
の観察を行うことができる。一般的には、走査型プロー
ブ顕微鏡と、試料を搭載するＸＹステージとの組合せに
よって、移動機構が構成される。

【０００４】上記の移動機構を備える走査型プローブ顕
微鏡では、観察したい場所を、その能力で決まるせいぜ
い数十μｍという測定範囲内に位置決めするのは非常に
困難であるので、目的とする観察場所を探すための補助
的観察手段として、走査型プローブ顕微鏡の測定範囲よ
りも大きな視野を有する測定装置、例えば光学顕微鏡が
備えられる。こうして、走査型プローブ顕微鏡は、大き
な測定視野を有する光学顕微鏡との複合装置として構成
される。

【０００５】上述した複合装置の一例として、特開昭３
−１０２２０９号公報に記載される装置構成が存在す
る。この公開公報による装置では、走査型プローブ顕微
鏡の１種である原子間力顕微鏡において、そのカンチレ
バーを光学顕微鏡の視野内へ配置する位置決め機構を備
えている。このように光学顕微鏡と原子間力顕微鏡を組
合せることにより、相対的に大きな視野を有する光学顕
微鏡で観察しながら、原子間力顕微鏡による観察場所の
位置を決定し、その後の微細観察のための位置合わせを
行うことができる。

【０００６】なお原子間力顕微鏡におけるカンチレバー
は消耗品であり、探針先端の破損、摩耗等の際には交換
する必要がある。カンチレバー交換時の取付け精度は、
一般的には、取付け部の機械加工精度に依存して決まる
ので、精度良く行ってもせいぜい数十μｍから数百μｍ
程度である。従って、カンチレバー交換の際には、光学
顕微鏡の視野内におけるカンチレバーの位置は様々に変
化し、最悪の場合には光学顕微鏡の視野内にカンチレバ
ーが入らない場合もあり得る。従って、原子間力顕微鏡
と光学顕微鏡の複合装置においては，カンチレバーを位
置合わせするためのＸ軸およびＹ軸の２軸の移動機構を
備えるのが一般的である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
と光学顕微鏡の複合装置であって、試料とカンチレバー
を光学顕微鏡で同時に観察できるようにされた構成にお
いて、光学顕微鏡の視野内にカンチレバーを捕らえ、そ
の先端位置を光学顕微鏡視野内で位置合わせするため、
従来、カンチレバーを含む走査型プローブ顕微鏡の機構
部分（ＳＰＭ機構部という）を移動するための移動機構
が備えられていた。

【０００８】しかしながら、非常に高分解能な測定を行
う走査型プローブ顕微鏡において、ＳＰＭ機構部を移動
させる移動機構の付加は、装置の固有振動数の低下につ
ながり、振動等の外乱の影響を受けやすく、性能を低下
させる原因となる。

【０００９】本発明の目的は、上記問題を解決すること
にあり、光学顕微鏡の視野内におけるカンチレバーの位
置合わせにおいて、位置合わせのためのＳＰＭ機構部分
を設けることなく、当該位置合わせを行うことができる
構成を有する走査型プローブ顕微鏡を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】本発明（請求
項１に対応）に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料を搭
載する試料台と、試料の観察表面に臨む探針を備えたカ
ンチレバーと、試料に対してカンチレバーを接近または
退避させる変位機構と、カンチレバーと試料を相対的に
移動させる走査機構と、試料とカンチレバーを同時に観
察する補助観察手段（例えば光学顕微鏡）と、変位機構
と走査機構の各動作を制御する制御手段とを備え、補助
観察手段によって試料の観察表面での観察場所を探すよ
うに構成され、さらに、補助的観察手段を支持する移動
機構を設け、この移動機構によって補助観察手段を走査
平面に対応する平面内で移動し、補助観察手段の視野内
における前記カンチレバーの位置合わせを行うように構
成される。

【００１１】本発明では、補助観察手段の視野とカンチ
レバーの存在位置との位置合わせを行うための移動機構
を、ＳＰＭ機構部側ではなく、補助観察手段側に設け、
光学顕微鏡の側を移動させるように構成したため、走査
型プローブ顕微鏡に関係する部分の固有振動数を高くす
ることができ、これによって走査型プローブ顕微鏡の測
定性能を高めることができる。位置合わせのための移動
機構を補助観察手段側に設けることによって、非常に高
分解能の測定を行う走査型プローブ顕微鏡では振動など
の外乱の影響を排除することができ、測定性能を高める
ことができる。他方、補助観察手段を備える部分は、そ
の固有振動数が低下し、振動などの外乱の影響を受けや
すくなるが、補助的なものであり、補助観察手段に求め
られる分解能は走査型プローブ顕微鏡に比較して相対的
にかなり低いので、大きな問題とはならない。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１３】図１は、本発明に係る走査型プローブ顕微
鏡の全体的な構成を示す。図において、１１は支持フレ
ームであり、この支持フレーム１１に試料台１２、探針
１３を先端部に備えたカンチレバー１４、光学顕微鏡１
５が取り付けられる。本実施形態の補助観察手段として
は一例として光学顕微鏡が使用される。

【００１４】試料台１２は、支持部材１６に支持された
トライポッド機構１７の上に固定され、さらに支持部材
１６は、支持フレーム１１の下部位置に設けられたＸＹ
ステージ１８の上に設けられている。

【００１５】トライポッド機構１７は、３軸直交座標系
を形成するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向への変位を行える
ように各軸方向に設けたロッド状の圧電素子によって構
成され、微動機構としての機能を持つ。図中、Ｘ軸方向
とＺ軸方向の圧電素子１９，２０が示され、Ｙ軸方向の
圧電素子の図示は省略されている。Ｘ軸方向およびＹ軸
方向への変位を発生させることにより試料台１２をＸ軸
方向またはＹ軸方向へ移動させることができる。試料台
１２の上には観察対象である試料２１が載置される。試
料台１２がＸ軸方向またはＹ軸方向へ移動することによ
り、試料２１を、探針１３との位置関係で、走査のため
移動させることができる。またＺ軸方向への変位を発生
させることにより試料台１２をＺ軸方向へ移動させるこ
とができる。トライポッド機構１７によって試料台１２
のＺ軸方向への変位を制御することによって、探針１３
との位置関係にて、試料２１の表面の凹凸形状に関する
情報を得ることができる。原子間力顕微鏡等の走査型プ
ローブ顕微鏡における上記トライポッド機構１７に関連
する微動機構は、一般的に知られる機構である。

【００１６】図１において、トライポッド機構１７の各
圧電素子に対して必要な電圧を印加するための電源部お
よび制御部の図示は省略されている。

【００１７】ＸＹステージ１８は、試料台１２、トライ
ポッド機構１７、支持部材１６からなる部分を全体とし
てＸＹ平面内で移動させることができ、これによって試
料２１をＸＹ平面内にて相対的に大きな距離で移動させ
ることができる。図中、ＸＹステージ１８に対して、そ
の動作のための制御信号を与える制御部の図示は省略さ
れている。

【００１８】カンチレバー１４は、探針１３が試料２１
に接近した状態で当該試料の上方位置に配置され、Ｚ軸
変位機構２２を介して支持フレーム１１に固定される。
カンチレバー１４の先端に取り付けられた探針１３は、
試料２１の表面に臨むように配置される。Ｚ軸変位機構
２２は、カンチレバー全体をＺ軸方向に自在に移動（粗
動または微動）させることができ、これによって試料２
１の観察表面に対して探針１３を接近または後退させる
ことが可能となる。なお図中、Ｚ軸変位機構２２に対し
て、その動作のための制御信号を与える制御部の図示は
省略されている。

【００１９】光学顕微鏡１５は試料２１およびカンチレ
バー１４の上方位置に配置される。光学顕微鏡１５はＸ
Ｙ移動機構２３を介して支持フレーム１１の上壁部１１
ａに取り付けられる。光学顕微鏡１５によって、その視
野内で、望ましい状態としては、試料２１の観察表面
と、カンチレバー１４の少なくとも先部とを同時に観察
することができる。ただし、同時観察を行えるようにす
るためには、光学顕微鏡１５の視野の位置と、カンチレ
バー１４の少なくとも先端部（探針１３の存在箇所）と
の位置が一致し、カンチレバー１４が当該視野内に存在
することが必要である。

【００２０】ＸＹ移動機構２３は、光学顕微鏡１５をＸ
軸方向またはＹ軸方向に移動させるための微動機構であ
り、当該光学顕微鏡を試料２１の観察表面（ＸＹ平面）
に実質的に平行に微動させる。ＸＹ移動機構２３を動作
させるための制御信号を与える制御部の図示は省略され
ている。

【００２１】光学顕微鏡１５の側に設けられた、当該光
学顕微鏡を移動させるためのＸＹ移動機構２３は、例え
ばカンチレバー１４を摩耗等の理由によって交換し、光
学顕微鏡の視野内からカンチレバー１４が外れた場合
に、光学顕微鏡１５をＸ軸方向および／またはＹ軸方向
に移動させることにより、その視野内の任意の位置にカ
ンチレバー１４を位置合わせし、光学顕微鏡によってカ
ンチレバーを観察できるようにするために使用される。
すなわちＸＹ移動機構２３は、光学顕微鏡１５の観察視
野の位置と、試料表面上のカンチレバー１４の位置とを
位置合わせするための移動機構として機能する。カンチ
レバー１４が視野内に入った後には、光学顕微鏡１５で
カンチレバー１４を観察しながら、ＸＹステージ１８を
動作させて試料２１をＸＹ方向に移動させ、試料表面に
おける目的場所を探し出し、当該場所をカンチレバー１
４を含む走査型プローブ顕微鏡によって微細に観察す
る。

【００２２】前述の実施形態によれば光学顕微鏡を用い
たが、他の補助観察手段を用いることもできる。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、補助的観察手段として例えば光学顕微鏡を備える
原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡において、光
学顕微鏡の視野でのカンチレバーの位置合わせを行うた
めの移動機構を、走査型プローブ顕微鏡側ではなく光学
顕微鏡側に設けるようにしたため、走査型プローブ顕微
鏡の機構部の固有振動数を高くすることができ、これに
よって走査型プローブ顕微鏡による測定において振動等
の外乱の影響を排除することができ、測定性能の向上を
達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の代表的構
成を示す構成図である。

【符号の説明】

１１ 支持フレーム １２ 試料台 １３ 探針 １４ カンチレバー １５ 光学顕微鏡 １６ 支持部材 １７ トライポッド機構 １８ ＸＹステージ ２１ 試料 ２２ Ｚ軸変位機構 ２３ ＸＹ移動機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を搭載する試料台と、前記試料の観
   察表面に臨む探針を備えたカンチレバーと、前記試料に
   対して前記カンチレバーを接近または退避させる変位機
   構と、前記カンチレバーと前記試料を相対的に移動させ
   る走査機構と、前記試料と前記カンチレバーを同時に観
   察する補助観察手段と、前記変位機構と前記走査機構の
   各動作を制御する制御手段とを備え、前記補助観察手段
   によって前記試料の観察表面での観察場所を探す走査型
   プローブ顕微鏡において、 前記補助観察手段を支持する移動機構を設け、前記移動
   機構によって前記補助観察手段を走査平面に対応する平
   面内で移動し、前記補助観察手段の視野内における前記
   カンチレバーの位置合わせを行うことを特徴とする走査
   型プローブ顕微鏡。