JPH09145721A

JPH09145721A - 光学顕微鏡一体型走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH09145721A
Application number: JP7304209A
Authority: JP
Inventors: Akira Yagi; 明八木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高倍率の対物レンズを用いて光学顕微鏡観察を
行える光学顕微鏡一体型走査型プローブ顕微鏡を提供す
る。【解決手段】Ｚステージ２０に支持されたアーム２２に
は円筒型圧電アクチュエーター２４が固定され、その下
端にはヘッド支持部材２６を介して、カンチレバーチッ
プ４０を取り付けるヘッド３０が固定されている。試料
台５２の下にはレボルバー５６があり、位相差観察法の
ための対物レンズ５８と変調コントラスト法のための高
倍率高ＮＡの対物レンズ６０のいずれかが所定位置に選
択的に配置される。円筒型圧電アクチュエーター２４の
上方には位相差観察法による観察のための照明系１０が
支持されている。円筒型圧電アクチュエーター２４の外
側には変調コントラスト法による観察のための斜照明系
７０が設けられており、その際には対物レンズ６０の射
出瞳面にモジュレーター６８が配置される。

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、特に試料を光学的に観察する光学顕微鏡が組
み込まれた光学顕微鏡一体型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、試料と探針の
間の相互作用に基づいて、試料の凹凸や物性値をサブミ
クロンからサブｎｍオーダーの分解能で測定する装置で
ある。ＩＢＭが特公昭６３−３０９８０２号において提
案した原子間力顕微鏡は、弾性体に支持された探針と試
料の間に働く力を弾性体の変位として検出し、これに基
づいて試料の凹凸や物性値を測定する装置であり、走査
型プローブ顕微鏡の代表的なものである。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡では、水平方向の走
査や上下方向の位置制御は、円筒型圧電アクチュエータ
ーを用いて行われるのが一般的である。また、試料と探
針の位置決めのために、光学顕微鏡を組み込んだ走査型
プローブ顕微鏡が知られている。この種の装置では、例
えば特開昭６３−５０６７０１号に開示されるように、
光学顕微鏡はその光軸が探針の軸に揃うように組み込ま
れるのが一般的である。

【０００４】光学顕微鏡観察においては、生物試料等の
透過率の高い試料の観察には一般に透過照明が使用され
る。また、明視野観察においては、コントラストの付き
難い透明試料を可視化する手段として、位相差観察法、
微分干渉法、変調コントラスト法("Modulation contras
t microscope", Applled Optics, Vol.14 (1975)) など
が知られている。

【０００５】従来例の光学顕微鏡一体型走査型プローブ
顕微鏡について図４を用いて説明する。図４から分かる
ように、この走査型プローブ顕微鏡には、透過照明のた
めの照明系１０であって、しかも位相差観察法による観
察を可能にする照明系１０を持つ倒立型光学顕微鏡が組
み込まれている。照明系１０は、ベース２に立てられた
支柱４の上端に設けられたアーム６に支持されている。
照明系１０は、光源１２、コレクタレンズ１４、スライ
ダ１６、コンデンサレンズ１８を有している。スライダ
１６は、位相差観察用のリング開口１６ａと光を透過す
る透光部１６ｂを持ち、光路を横切って移動可能であ
り、必要に応じてリング開口１６ａを光路中に配置する
ことができる。

【０００６】支柱４にはＺステージ２０が設けられてい
る。Ｚステージ２０は、支柱４に固定された固定部２０
ａと、固定部２０ａに対して移動可能に支持された移動
部２０ｂとを有しており、移動部２０ｂに固定されたア
ーム２２には円筒型圧電アクチュエーター２４の上端部
が固定されている。円筒型圧電アクチュエーター２４の
下端にはヘッド３０が固定されている。ヘッド３０の下
側にはカンチレバーチップ４０が取り付けられる。カン
チレバーチップ４０は、支持部から延びた梁部を有し、
その先端の下側には突起部が形成されている。ヘッド３
０は、取り付けられたカンチレバーチップ４０の梁部の
変位を検出する変位検出系を内部に備えている。この変
位検出系は、レーザーダイオード３２、フォーカスレン
ズ３４、全反射ミラー（もしくはダイクロイックミラ
ー）３６、複数の受光領域を持つフォトダイオード３８
とで構成されており、カンチレバーチップ４０の梁部の
変位は、フォトダイオード３８に入射する梁部からの反
射光ビームの位置に基づいて求められる。

【０００７】試料を載せたスライドガラス５０は、支柱
４に固定された試料台５２の上に置かれる。試料台５２
の下には位相差観察用の対物レンズ５８が配置され、対
物レンズ５８はベース２に立てた保持部材５４に固定さ
れている。対物レンズ５８の下方には反射ミラー６２が
配置されており、その反射光路上には顕微鏡像観察用の
ＣＣＤカメラ６６が配置されている。

【０００８】この構成において、コンデンサレンズ１８
の作動距離（ＷＤ）は１８２ｍｍ、円筒型圧電アクチュ
エーター２４は内径が２８ｍｍφで長さは８０ｍｍ、ヘ
ッド３０の高さは２０ｍｍである。従って、円筒型圧電
アクチュエーター２４の上端の開口のＮＡは０．１４
（＝１４／（１４² ＋１００² ）^1/2 ）である。コンデ
ンサレンズ１８のＮＡは０．１であるから、コンデンサ
レンズ１８からの照明光は円筒型圧電アクチュエーター
２４によって妨害されることはない。このとき、４倍、
１０倍、２０倍の倍率の対物レンズが使用することがで
きる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これまでの走査型プロ
ーブ顕微鏡では、光学顕微鏡の照明は、対物レンズの光
軸に一致する方向からの落射照明か、円筒型圧電アクチ
ュエーターの内側を通しての透過照明のいずれかであ
る。

【００１０】図４の装置は、円筒型圧電アクチュエータ
ー２４の内側を利用した透過照明であり、照明のＮＡ
は、円筒型圧電アクチュエーター２４の上端の開口によ
って制限されるので、コンデンサレンズ１８にＮＡの大
きなものを用いても、０．１４より大きくすることはで
きない。このときの分解能は、対物レンズ５８のＮＡが
０．６の場合でも、可視光波長５７０ｎｍの光に対して
９４０ｎｍである。

【００１１】さらに、図４の装置で位相差観察法による
観察を行う場合、使用できる対物レンズの倍率はせいぜ
い２０倍で、この観察法で一般に良く使用されている４
０倍の対物レンズを使用することはできない。その理由
は、４０倍の対物レンズはＮＡが０．５５ないし０．６
であるため、この対物レンズに対応したリング開口は円
筒型圧電アクチュエーターの上端の開口の外側に来てし
まうからである。本発明の目的は、高倍率の対物レンズ
を用いて光学顕微鏡観察を行える光学顕微鏡一体型走査
型プローブ顕微鏡を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、探針先端と試
料表面の間の相互作用を検出しながら探針と試料の間で
走査を行って試料の凹凸情報や物性情報を取得する走査
型プローブ顕微鏡において、探針と試料の間の走査を行
うための円筒型圧電アクチュエーターと、円筒型圧電ア
クチュエーターの内側を通して試料を照明する照明手段
と、円筒型圧電アクチュエーターの外側から試料を斜め
に照明する斜照明手段と、試料を光学的に観察する光学
顕微鏡手段とを備えており、光学観察は倍率に基づいて
選択された照明手段と斜照明手段のいずれかを用いて行
われる。

【００１３】特に、光学観察が低倍率のときは照明手段
を用いて位相差観察法による観察を行い、光学観察が高
倍率のときは斜照明手段を用いて変調コントラスト法に
よる観察、または、位相差リングの一部を用いた斜め方
向から照明光を導入するようにした斜照明位相差観察法
による観察を行う。

【００１４】

【発明の実施の形態】第一の実施の形態の走査型プロー
ブ顕微鏡について図１と図２を用いて説明する。本実施
形態の走査型プローブ顕微鏡は、二系統の照明系を備え
た倒立光学顕微鏡が組み込まれており、位相差観察法と
変調コントラスト法による試料観察を行うことができ
る。

【００１５】図１に示されるように、透過照明のための
照明系１０は、位相差観察法による観察を可能にするも
のであり、ベース２に立てられた支柱４の上端に設けら
れたアーム６に支持されている。照明系１０は、光源１
２、コレクタレンズ１４、スライダ１６、コンデンサレ
ンズ１８を有している。スライダ１６は、位相差観察用
のリング開口１６ａと光を透過する透光部１６ｂを持
ち、光路を横切って移動可能であり、必要に応じてリン
グ開口１６ａを光路中に配置することができる。

【００１６】支柱４にはＺステージ２０が設けられてい
る。Ｚステージ２０は、支柱４に固定された固定部２０
ａと、固定部２０ａに対して移動可能に支持された移動
部２０ｂとを有しており、移動部２０ｂに固定されたア
ーム２２には円筒型圧電アクチュエーター２４の上端部
が固定されている。円筒型圧電アクチュエーター２４の
下端にはヘッド支持部材２６を介してヘッド３０が固定
されている。ヘッド３０は、従来例（図４）で説明した
ものと同じ構成であるが、その向きは９０度異なってい
る。ヘッド３０の下側にはカンチレバーチップ４０が取
り付けられる。カンチレバーチップ４０は、支持部から
延びた梁部を有し、その先端の下側には突起部が形成さ
れている。ヘッド３０は、取り付けられたカンチレバー
チップ４０の梁部の変位を検出する変位検出系を内部に
備えている。この変位検出系は、レーザーダイオード３
２、フォーカスレンズ３４、全反射ミラー（もしくはダ
イクロイックミラー）３６、複数の受光領域を持つフォ
トダイオード３８とで構成され、カンチレバーチップ４
０の梁部の変位は、フォトダイオード３８に入射する梁
部からの反射光ビームの位置に基づいて求められる。

【００１７】試料を載せたスライドガラス５０は、支柱
４に固定された試料台５２の上に置かれる。試料台５２
の下には、複数の対物レンズが取り付け可能で、そのう
ちの一つを選択的に試料の下方に配置させるレボルバー
５６が配置されている。レボルバー５６には、位相差観
察法による観察のための比較的低倍率の対物レンズ５８
と、変調コントラスト法による観察のための高倍率高Ｎ
Ａの対物レンズ６０が取り付けられている。試料下に配
置された対物レンズの下方には、反射ミラー６２が配置
されており、その反射光路上には顕微鏡像観察用のＣＣ
Ｄカメラ６６が配置されている。ＣＣＤカメラ６６の手
前には、変調コントラスト法による観察の際に、モジュ
レーター６８が選択的に配置される。

【００１８】円筒型圧電アクチュエーター２４の外側に
は、変調コントラスト法による観察のための試料を斜め
方向から照明する斜照明系７０が設けられている。この
斜照明系７０は、光源７２、回転可能に支持された偏光
板７６、出し入れ可能なスリット７８、スリット７８に
固定された偏光板８０、コンデンサレンズ８２とで構成
されており、スリット７８はコンデンサレンズ８２の前
側焦点面に配置されている。ヘッド支持部材２６は、斜
照明系７０から射出された照明光を遮らないよう、図２
に示すように、符号２８で示される角度範囲が切り欠か
れている。これに呼応して、ヘッド３０も、変位検出系
の各構成要素が照明光が遮らない向きで取り付けられて
いる。

【００１９】図１の構成において、位相差観察法のため
の照明系１０のコンデンサレンズレンズ１８のＮＡは
０．１である。−方、円筒型圧電アクチュエーター２４
の内径は２８ｍｍであり、１４ｍｍの半径の円に対して
ＮＡ＝０．１となる高さは１３９ｍｍであるから（１４
／（１４² ＋１３９² ）^1/2 ＝０．１）、円筒型圧電ア
クチュエーター２４の上端の位置を試料位置から１３９
ｍｍ上方に設定しても位相差観察を行うことができる。
試料移動のために探針を上下させる高さを２ｍｍとする
と、円筒型圧電アクチュエーター２４の上端の位置は、
試料位置から１３７ｍｍ上方まで許される。円筒型圧電
アクチュエーター２４の長さを８０ｍｍとすると、円筒
型圧電アクチュエーター２４の下端から試料までの距離
は５７ｍｍになる。この外周部のＮＡはｎｓｉｎβ＝１
６／５９＝０．２７になる。

【００２０】ＮＡ＜０．１の範囲では、照明系１０を用
いて、円筒型圧電アクチュエーター２４の内側を通して
照明され、ＮＡ＞０．２７の範囲では、斜照明系７０を
用いて、円筒型圧電アクチュエーター２４の外側から斜
めに照明される。つまり、２０倍までの倍率の対物レン
ズ５８に対しては、照明系１０を用いて位相差観察法に
よる観察が行われ、それ以上の倍率の対物レンズ６０に
対しては、斜照明系７０を用いて変調コントラスト法に
よる観察が行われる。対物レンズ６０のＮＡは、４０倍
の倍率では０．６であり、６０倍の倍率では０．７であ
る。図１には、ＮＡが０．２７、０．６、０．７の角度
を点線で示してある。

【００２１】このように本実施形態では、４倍から２０
倍まで倍率の対物レンズに対しては位相差観察法による
観察を行い、それ以上の倍率の対物レンズに対しては変
調コントラスト法による観察を行う。

【００２２】位相差観察法による観察を行う場合、レボ
ルバー５６の切り換えにより比較的低倍率の対物レンズ
５８を試料の下方に配置する。このとき、モジュレータ
ー６８は光路上から外しておく。また、スライダー１６
はリング開口１６ａを光路上に配置する。この状態で照
明系１０を用いて照明すると、ＣＣＤカメラ６６におい
て、試料は、厚さの違いに応じて明暗のコントラストの
ついた像として観察される。なお、スライダー１６は透
光部１６ｂを光路上に配置すれば、透過照明による通常
の顕微鏡観察となる。

【００２３】変調コントラスト法による観察を行う場
合、レボルバー５６の切り換えにより高倍率高ＮＡの対
物レンズ６０を試料の下方に配置し、対物レンズ６０の
射出瞳面にモジュレーター６８を配置する。モジュレー
ター６８は、透過率の低い暗黒部と、透過率の中庸な灰
色部と、透過率の高い透明部とを持ち、灰色部がスリッ
ト７８の開口と共役な位置になるように位置調整する。
この状態で斜照明系７０を用いて照明すると、ＣＣＤカ
メラ６６において、試料は、厚さの違いによる傾斜に応
じて明暗のコントラストのついた像として観察される。

【００２４】本実施形態は、種々多くの変形や応用が可
能である。例えば、対物レンズ５８と６０はレボルバー
５６に取り付けてあるので、レボルバー５６にスイッチ
等の対物レンズの倍率を信号化する手段を付加して、対
物レンズの倍率に応じて使用する照明系（照明系１０と
斜照明系７０のいずれか）が自動的に切り替えられる構
成としてもよい。

【００２５】また、ＮＡの小さい対物レンズ、例えば倍
率１０倍の対物レンズ（ＮＡ＝０．２５）や倍率４倍の
対物レンズ（ＮＡ＝０．１３）に対して、斜照明系７０
を用いて照明を行うことで、暗視野照明を実現してもよ
い。

【００２６】＜第二の実施の形態＞第二の実施の形態に
ついて図３を用いて説明する。図３には走査型プローブ
顕微鏡の一部のみを示し、第一の実施の形態で説明した
部材と同等の部材は、第一の実施の形態の部材の符号に
１００を加えた符号で示してある。

【００２７】本実施形態では、円筒型圧電アクチュエー
ター１２４は下端のＮＡが０．４よりも大きくなってい
る。斜照明系１７０は、試料台１５２の上に設けられた
ｘｙｚθステージ１８４により支持されている。ｘｙｚ
θステージ１８４は、ベース１８６上に設けられたｘ方
向に移動可能なｘテーブル１８８、ｘテーブル１８８の
上に設けられたｙ方向に移動可能なｙテーブル１９０、
ｙテーブル１９０の上に設けられた角度可変なθテーブ
ル１９２、θテーブル１９２に対して高さ方向に移動可
能なｚテーブル１９４とを備えている。

【００２８】ヘッド支持部材１２６は長さが２５ｍｍ
で、一部が大きく切り欠かれており、その切り欠き部を
利用してミラー１９８が配置され、またその下方には、
ミラー１９８と斜照明系１７０を光学的に接続するため
のミラー１９６が配置されている。図には示されていな
いが、ミラー１９６とミラー１９８は共に斜照明系１７
０の筐体に取り付けられている。斜照明系１７０は、対
物レンズのＮＡが０．２７の角度と０．６の角度の間に
対応している。なお、ｘテーブル１８８のストローク
は、探針設置時等にミラー１９８と１９６が邪魔になら
ないように退避させることが可能なように非常に大きく
とってある。

【００２９】ＮＡが０．２７よりも小さい対物レンズを
使用する場合は、照明は円筒型圧電アクチュエーター１
２４の内側を通して行われ、ＮＡが０．２７よりも大き
い対物レンズを使用する場合は、照明は斜照明系１７０
を用いて円筒型圧電アクチュエーター１２４の外側から
斜めに行われる。

【００３０】本実施形態では、円筒型圧電アクチュエー
ター１２４に太いものを使用しているので、耐震性の面
で優れており、振動等による画像劣化が低く抑えられ
る。＜第三の実施の形態＞次に、第三の実施の形態について
図２と図５を用いて説明する。図５には、本発明におけ
る第三の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の一部のみ
を示す。なお、第一の実施の形態で説明した部材と同等
の部材は、第一の実施の形態の部材の符号に２００を加
えた符号で示してある。

【００３１】本実施形態の特徴とする部分は、高倍率か
つ高ＮＡの状態での位相差顕微鏡の透過照明方法を変形
し、その構成の一部分を使用していると言うことであ
る。ここで言う高倍率かつ高ＮＡとは、例えば、位相差
オイル対物レンズ２６１の倍率が４０〜１００倍程度の
ものである。これに対応するＮＡが０．７〜１．３程度
のものである。

【００３２】通常、位相差顕微鏡は、位相差観察用対物
レンズ内にリング状の位相膜を有している。また、位相
差顕微鏡の照明光学系は、直接透過光が対物レンズ内の
位相膜の位置を通るようにリング状の照明光が試料の全
方向から照射するように構成されている。例えば、その
リングの位置を試料から見たＮＡで示すと０．４５〜
０．５の位置である。さらに、このリング状の照明光
は、試料を挟み対物レンズの反対側から試料を照明する
構成となっている。

【００３３】しかし、本実施形態にこの様な構成を用い
た場合、通常の位相差観察を行う試料照明方向にプロー
ブ顕微鏡が存在するため、試料を全方向から照明するこ
とができない。

【００３４】そこで、図５に示す斜照明系２７０の内部
を通る照明の平行光部分に、位相差観察用の照明を行う
ための開口を有するスリット２８３を配設する。なお、
このスリット２８３は、直接光が位相差オイル対物レン
ズ２６１の内部にある位相膜（図示せず）を通る位置に
配設されている。言い換えれば、スリット２８３は、こ
のような高倍率位相差対物レンズであればＮＡにして
０．４５〜０．５０の位置を照明光が通るように、斜照
明系２７０の内部に配設されている。また、このスリッ
ト２８３は、この斜照明系２７０から挿入、取り出しが
自在となっている。さらに、第一の実施の形態と同様
に、ヘッド支持部２２６が、この斜照明系２７０の照明
光を遮らないよう、図２の符号２８で示される角度範囲
が切り欠かれている。

【００３５】この様な構成とすることで、高倍率かつ高
ＮＡの状態での光学顕微鏡に基づく位置決めが可能とな
る。なお、図５には、断面で見たときのＮＡ＝０．４５
および０．５の方向が破線で示されている。

【００３６】また、この様な照明方法は、本発明の第二
の実施の形態に対して用いることも可能である。さら
に、変調コントラスト法では、偏光板およびスリットと
モジュレーターの光学系の方向の一致が必要であった
が、位相差観察法にすることにより、光軸に対して回転
対象となる光学系となっているため、一箇所が偏った位
置になっても位置合わせが必要なくなる。

【００３７】また、光源２７２は、電球である必要はな
く、例えば光ファイバーの様なライトガイドのような構
成を上述の実施形態に用いてもよい。この様な構成とす
れば、電球のような熱源をプローブ顕微鏡本体から離す
ことが可能となる。従って、サブミクロン以下のオーダ
ーで試料表面形状等の測定を行うプローブ顕微鏡への熱
影響を軽減し、測定精度を向上させることができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、高倍率の対物レンズを
用いて光学顕微鏡観察を行える光学顕微鏡一体型走査型
プローブ顕微鏡が得られ、低倍率の対物レンズに対して
はこれまでと同様に位相差法による観察を行い、高倍率
の対物レンズに対しては斜照明系を用いて変調コントラ
スト法による観察を行う。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態の走査型プローブ顕
微鏡を示す図である。

【図２】ヘッドの向きとヘッド支持部の切り欠きの範囲
を説明する図である。

【図３】本発明の第二の実施の形態の走査型プローブ顕
微鏡を部分的に示す図である。

【図４】従来例の走査型プローブ顕微鏡を示す図であ
る。

【図５】本発明の第三の実施の形態の走査型プローブ顕
微鏡の一部を示す図である。

【符号の説明】

１０…位相差観察法のための照明系、２４…円筒型圧電
アクチュエーター、５８…低倍率の対物レンズ、６０…
高倍率の対物レンズ、７０…変調コントラスト法のため
の斜照明系、６８…モジュレーター。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針先端と試料表面の間の相互作用を検出
しながら探針と試料の間で走査を行って試料の凹凸情報
や物性情報を取得する走査型プローブ顕微鏡において、探針と試料の間の走査を行うための円筒型圧電アクチュ
エーターと、円筒型圧電アクチュエーターの内側を通して試料を照明
する照明手段と、円筒型圧電アクチュエーターの外側から試料を斜めに照
明する斜照明手段と、試料を光学的に観察する光学顕微鏡手段とを備えてお
り、光学観察は倍率に基づいて選択された照明手段と斜
照明手段のいずれかを用いて行われる、光学顕微鏡一体
型走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、光学観察が低倍率のと
きは照明手段を用いて位相差観察法による観察を行い、
光学観察が高倍率のときは斜照明手段を用いて変調コン
トラスト法による観察を行う、光学顕微鏡一体型走査型
プローブ顕微鏡。
【請求項３】請求項１において、光学観察が高倍率のと
きは位相差リングの一部を用いた斜め方向から照明光を
導入するようにした斜照明位相差観察法により観察を行
う、光学顕微鏡一体型走査型プローブ顕微鏡。