JPH10160742A - 走査型プローブ顕微鏡の試料ホルダー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】励振成分とサーボ成分が分離されたＡＣモード
の走査型プローブ顕微鏡を実現する試料ホルダーを提供
する。 【構成】試料ホルダーは、金属やセラミックスで作られ
た二つのホルダー枠１２と１４を有している。これらの
ホルダー枠１２と１４は二つの連結部材１６により互い
に連結されている。連結部材１６は、図にはネジとして
描かれているが、バネやその他であってもよい。ホルダ
ー枠１４の内側にはゴムからなる振動絶縁部材１８が設
けられている。また、ホルダー枠１２の内側には、ゴム
からなる振動絶縁部材２０を介して、圧電バイモルフ２
２の一端が固定されており、他端には、スライドガラス
に振動を伝達するための部材２４が設けられている。振
動絶縁部材１８と２０には、ゴムの他に、音響インピー
ダンスがガラスや金属と著しく異なる樹脂などを用いて
もよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＡＣモードの走査
型プローブ顕微鏡に用いる試料ホルダーに関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、探針と試料を
相対的に走査しながら、探針を試料に近づけた際に探針
先端と試料表面の間に生じる相互作用を調べることによ
り、試料の表面情報を得る装置の総称であり、特に探針
と試料の間に発生する原子間力に基づいて試料表面の形
状を調べるものとして原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）があ
る。

【０００３】コンタクトモードのＡＦＭでは、探針と試
料を接触させるため、探針と試料の相対的な走査を行な
った際に、探針先端と試料表面の間に摩擦力が発生す
る。このような摩擦力の影響を避けるものとして、ＡＣ
モードのＡＦＭがある。このＡＣモードのＡＦＭでは、
カンチレバーを上下に振動させ、この振動振幅を一定に
保つように、探針と試料の位置関係を制御しながら走査
することにより、試料の表面形状の測定を行なう。

【０００４】また、ハンズマ等によるアプライド・フィ
ジックス・レター（P. K. Hansma et al., Appl. Phys.
Lett. 64, Vol. 28(1994)）には、生物試料のような柔
らかい試料を生きた状態で測定するものとして、液浸で
のタッピングモードのＡＦＭが提案されている。水溶液
中に試料を置き、試料を振動させ、これを探針に近づけ
ていくと、探針が試料の振動に伴なって押し上げられ
る。この振幅を一定に保つことにより、試料と探針の間
に働く力を平均として一定に保ちながら、探針と試料の
間の走査を行ない、試料の形状測定を行なう。

【０００５】上述のハンズマ等のＡＦＭでは、試料の側
を振動させている。これに対して、カンチレバーの側を
振動させるＡＦＭもある。このＡＦＭの構成を図６に示
す。チューブ型圧電アクチュエーター１０８は、鏡基１
０２に設けられた上下粗動機構１０４により上下に移動
される部材１０６に支持されている。チューブ型圧電ア
クチュエーター１０８の下端には、先端に探針１１６を
有するカンチレバー１１４を取り付けるヘッド１１０が
取り付けられている。ヘッド１１０は、光学的に透明な
カンチレバー取付部材１１２と、光てこ法によりカンチ
レバー１１４の変位を検出する光学系を有している。こ
の変位検出光学系は、検出光を射出するレーザーダイオ
ード１１８と、検出光をカンチレバー１１４に向けるミ
ラー１２０と、カンチレバー１１４で反射された検出光
を受けるフォトダイオード１２２とにより構成されてい
る。

【０００６】試料を照明するための光学系は、照明光を
発する光源１３２、照明光を導く光ファイバー１３４、
コリメートレンズ１３０、コンデンサーレンズ１０６に
より構成されている。また、試料の光学像を観察する光
学系は、試料からの光を取り込む対物レンズ１４０、対
物レンズ１４０からの観察光を偏向するミラー１４２、
観察光の結像位置に配置されたＣＣＤカメラ１４４によ
り構成されている。

【０００７】なお、光源１３２からの照明光は、部材１
０６に設けられた穴１３８、チューブ型圧電アクチュエ
ーター１０８の内部を通り、試料およびカンチレバー１
１４を照明する。

【０００８】スライドガラス１２６はステージ１２４の
上に載せ、その上にＯリング１２８を配置する。Ｏリン
グ１２８の内側は試料を含む溶液で満たし、ヘッド１１
０を下げて、カンチレバー１１４を溶液中に浸す。

【０００９】探針と試料の間の相対的な走査はチューブ
型圧電アクチュエーターによって行なわれる。走査の
間、カンチレバー１１４を振動させると共にカンチレバ
ー１１４の振動振幅を一定に保つ制御は、チューブ型圧
電アクチュエーターに、上下方向の駆動信号として、既
定の振幅の励振信号とカンチレバーの振幅を一定に保つ
ための制御信号とを加算したものを印加して行なう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来例ではいず
れも、カンチレバーの振幅を一定に保つための探針試料
間距離を制御するためのサーボ信号に、カンチレバーの
振動を発生させる励振信号を重畳したものを、チューブ
型圧電アクチュエーターに印加している。このため、あ
とで振動の成分と位置制御の成分を分離するが、このよ
うな信号処理は測定精度を低下させる要因となる。

【００１１】また、前述のハンズマ等の文献は、試料だ
けを振動させる方式について触れているが、その具体的
な構成についてはいっさい述べていない。本発明は、カ
ンチレバーを振動させるための励振成分と、探針と試料
の位置制御のためのサーボ成分とが完全に分離されたＡ
Ｃモードの走査型プローブ顕微鏡を実現するための試料
ホルダー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】本発明は、ステージ上に
載置されたスライドガラスとその上に載せられたＯリン
グとで作られた空間に収容された溶液中の試料を観察す
る走査型プローブ顕微鏡の試料ホルダーであり、スライ
ドガラスをステージから浮かして支持する支持手段と、
スライドガラスを振動させるアクチュエーターと、スラ
イドガラスの振動のステージへの伝達を防止する振動伝
達防止手段とを有している。

【００１３】スライドガラスは、支持手段によりステー
ジから浮かして支持され、アクチュエーターにより振動
が加えられる。このスライドガラスの振動は走査型プロ
ーブ顕微鏡のカンチレバーを励振させる。つまり、カン
チレバーは走査のための手段とは別の手段によって励振
される。また、スライドガラスの振動は、振動伝達防止
手段により吸収され、ステージには伝えられない。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態の構成
を図１に示す。本実施の形態の試料ホルダーは、金属や
セラミックスで作られた二つのホルダー枠１２と１４を
有している。これらのホルダー枠１２と１４は二つの連
結部材１６により互いに連結されている。連結部材１６
は、図にはネジとして描かれているが、バネやその他で
あってもよい。ホルダー枠１４の内側にはゴムからなる
振動絶縁部材１８が設けられている。また、ホルダー枠
１２の内側には、ゴムからなる振動絶縁部材２０を介し
て、圧電バイモルフ２２の一端が固定されており、他端
には、スライドガラスに振動を伝達するための部材２４
が設けられている。振動絶縁部材１８と２０には、ゴム
の他に、音響インピーダンスがガラスや金属と著しく異
なる樹脂などを用いてもよい。

【００１５】振動絶縁部材１８と部材２４の間にスライ
ドガラス１２６を置き、連結部材であるネジ１６を締め
ることによって、スライドガラス１２６は振動絶縁部材
１８と部材２４の間に保持される。この試料ホルダー
は、図６に示したＡＦＭのステージ１２４の上に置かれ
る。その際、スライドガラス１２６がステージ１２４か
ら数μｍないし１ｍｍ程度浮いた状態となるように、ス
テージ１２４とホルダー枠１２と１４の間にスペーサー
を入れる。あるいは、スペーサーを入れる代わりに、ス
ライドガラス１２６の下面がホルダー枠１２と１４の下
面よりも上になるように、スライドガラス１２６を試料
ホルダーに組み付ける。

【００１６】図１に示すように試料ホルダーに保持され
たスライドガラス１２６の上には、図２に示すように、
Ｏリング１２８が置かれ、その内側に試料を含んだ溶液
１３０で満たされる。そして、前述したように、探針１
１６を持つカンチレバー１１４が溶液１３０に浸され
る。

【００１７】試料の励振は、圧電バイモルフ２２を上下
方向に振動させることにより行なう。この場合、図６の
チューブ型圧電アクチュエーター１０８は、探針１１６
と試料の間の相対的な走査と、カンチレバー１１４の振
幅を一定に保つための探針試料間距離の制御とを分担す
る。圧電バイモルフ２２を上下方向に振動させると、ス
ライドガラス１２６が上下に振動し、その上に載せられ
ている試料が励振される。このとき、スライドガラス１
２６の振動は、ホルダー枠１２との間に介在する振動絶
縁部材１８によって吸収されるため、ホルダー枠１４に
は伝わらず、また、圧電バイモルフ２２の振動は、ホル
ダー枠１４との間に介在する振動絶縁部材２０によって
吸収されるため、ホルダー枠１４には伝わらない。

【００１８】このように、本実施の形態によれば、試料
を励振するタイプの、生体試料等の観察に適した、液浸
でのタッピングモードのＡＦＭ測定を行なえるようにな
る。上の説明は液浸のＡＦＭ測定に関するものである
が、本実施の形態の試料ホルダーは、試料を固定したス
ライドガラス１２６に適用すれば、大気中でのＡＣモー
ドのＡＦＭ測定にも適用することができる。

【００１９】次に第二の実施の形態の試料ホルダーの構
成を図３に示す。本実施の形態では、スライドガラス１
２６は、光学的に透明な平板状の圧電素子３２の上に載
せられ、その両側がＯリング３４によって止められてい
る。圧電素子には、透明素材で出来たバイモルフ型のも
のや、ガラス表面に圧電的挙動をする薄膜を設けたもの
などが用いられる。

【００２０】本実施の形態の試料ホルダーは、第一の実
施の形態と同様にして、図６のＡＦＭに設置される。圧
電素子３２を上下方向に振動させることにより、その上
に載せられているスライドガラス１２６も上下に振動す
る。これにより、試料を励振するタイプのＡＣモードの
ＡＦＭ測定が行なえる。

【００２１】次に、第三の実施の形態について図４およ
び図５を用いて説明する。図４において、レーザーダイ
オード１１８およびフォトディテクター１２２を含む変
位検出光学系、鏡基１０２、上下粗動機構１０４、上下
粗動機構１０４により上下に移動される部材１０６、チ
ューブ型圧電アクチュエーター１０８、探針１１６、カ
ンチレバー１１４は、図６と同様のため説明は省略す
る。

【００２２】第三の実施の形態では、シャーレ、ペトリ
ディッシュと言われる丸皿３０１の底面に直接付着もし
くは培養された試料３０２を観察および測定する構成を
示す。また、測定される試料３０２は、ガラス板、Ｓｉ
基板、マイカ等のフラットな基板３０３に付着させたも
のでもよく、これには生体試料（細胞）、半導体基板上
の埃なども含まれる。

【００２３】丸皿３０１は、その側面を試料ホルダーに
よって支持されている。この試料ホルダーは、ホルダー
枠３０５、振動子３０６、突起３０７、振動絶縁部３０
８から構成される。

【００２４】丸皿３０１は、ベース３０４と非接触の状
態を保つように、突起３０７の一端部でその側面を支持
される。突起３０７の他端部は、例えば積層型の圧電素
子からなる振動子３０６に固定されており、振動子３０
６の振動を丸皿３０１に伝達する。振動子３０６は、そ
の周囲を振動絶縁部３０８に囲まれており、さらに、振
動絶縁部３０８の外周はホルダー枠３０５に囲まれてい
る。このホルダー枠３０５はベース３０４上に固定され
ている。このような構成により、振動子３０６の振動を
振動絶縁部３０８で遮断すると共に、試料３０２を励振
することが可能となる。従って、ベース３０４は振動の
影響を全く受けることがない。

【００２５】本実施の形態による効果は、第一、第二の
実施の形態と同様である。なお、本実施の形態に図６に
示す試料の光学観察を行なうための構成を適用してもよ
い。また、探針１１６が試料３０２に対して移動する構
成を示したが、試料３０２と探針１１６との相対的な移
動が得られれば、この構成に限定されることはない。例
えば、チューブ型圧電アクチュエーター１０８を用いて
試料側を探針１１６に対して移動させてもよい。

【００２６】また、丸皿３０１の固定を安定させるため
に、突起３０７を丸皿３０１の円周に三点もしくはそれ
以上設けてもよい。これまで、ＡＦＭによる試料の表面
形状の測定について説明してきたが、本発明は、他の走
査型プローブ顕微鏡を用いて行なわれる試料の加工や電
気化学的測定、試料の粘弾性計測などにも適用できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の試料ホルダーを用いれば、励振
成分とサーボ成分とが完全に分離されたＡＣモードの走
査型プローブ顕微鏡が得られる。これにより、試料の測
定を更に高精度に行なえるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態の試料ホルダーの構
成を示す図である。

【図２】図１の試料ホルダーに保持されたスライドガラ
スを図６のＡＦＭに適用する際の様子を説明するための
図である。

【図３】本発明の第二の実施の形態の試料ホルダーの構
成を示す図である。

【図４】本発明の第二の実施の形態の試料ホルダーを備
えたＡＣモードのＡＦＭの構成を示す図である。

【図５】本発明の第三の実施の形態の試料ホルダーの構
成を示す図である。

【図６】カンチレバーを振動させるタイプのＡＣモード
のＡＦＭの構成を示す図である。

【符号の説明】

１２、１４ ホルダー枠 １６ 連結部材 １８、２０ 振動絶縁部材 ２２ 圧電バイモルフ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステージ上に載置されたスライドガラスと
   その上に載せられたＯリングとで作られた空間に収容さ
   れた溶液中の試料を観察する走査型プローブ顕微鏡の試
   料ホルダーであり、 スライドガラスをステージから浮かして支持する手段
   と、 スライドガラスを振動させるアクチュエーターと、 スライドガラスの振動のステージへの伝達を防止する手
   段とを有している試料ホルダー。