JPH1144695A - 光てこ検出機構および走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】カンチレバーの撓み測定のダイナミックレンジ
を拡大する。 【解決手段】 カンチレバー７における反射光に、参照
平面５で反射される参照光を重畳し、その像を撮像装置
９で撮像し、撮像した画像を画像計測装置１２により計
測し、干渉解析を光干渉信号解析装置１４により解析し
て、カンチレバー７先端の絶対的な位置を求め、かつ、
前記画像計測装置１２により計測された情報から、カン
チレバー７先端の傾きを、カンチレバー撓み・捻れ解析
装置１３で解析する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プローブに働く力
を検出するための光てこ検出機構およびこれを備える走
査型プローブ顕微鏡に係り、特に、検出可能な力のダイ
ナミックレンジが拡大された、光てこ検出機構およびこ
れを備える走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査型プローブ顕微鏡（Scanning
Probe Microscope; SPM）は、試料表面での様々な物理
特性を、原子レベルの空間分解能で観測できる顕微鏡と
して注目を集めている。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡のうち、走査型力顕
微鏡（Scanning Force Microscope；SFM）は、現在派生
している様々な走査型プローブ顕微鏡の基礎をなす、最
も基本的な走査型プローブ顕微鏡である。このほかの、
走査型プローブ顕微鏡としては、例えば、走査型トンネ
ル顕微鏡が挙げられる。

【０００４】走査型力顕微鏡は、先端が鋭利な探針（プ
ローブ）を備え、試料と探針と相互作用によって探針に
及ぼされる力を計測することにより、試料の情報を取得
するものである。このような相互作用としては、例え
ば、原子間力（van der Waals力）が挙げられる。原子
間力は、探針と試料とを数百pmから数百nm程度に近づけ
ると、試料と探針先端との間隔に対して非常に敏感に働
く。このため、試料の起伏形状を高い感度で検出するこ
とできる。このように原子間力を利用して試料の情報を
取得する走査型力顕微鏡を原子間力顕微鏡という。

【０００５】走査型力顕微鏡における探針先端と試料と
の間に働く力の測定は、カンチレバーの撓みを検出する
ことによって行われている。カンチレバーとしては、非
常に柔らかい板バネの先に、先端の鋭利な探針が付設さ
れたものが用いられている。そして、探針と試料表面と
の間に働く力によって生じるカンチレバーの撓みを検出
して、この撓みから探針先端と試料との間に働く力を測
定している。

【０００６】このような構成の場合は、探針を試料面上
に近づけていくと、初めのうちは、試料と探針との間で
は引力が働き、カンチレバーは、試料面側に撓んで、そ
の先端が傾く。探針をさらに試料面に近づけていくと斥
力が働き、前記引力が働く場合とは逆向きに傾く。カン
チレバーの先端の傾きは、探針が受けた力に対応してい
る。従って、カンチレバーの傾きから、探針と試料との
間に働く相互作用の大きさおよび向きを知ることができ
る。

【０００７】カンチレバーの先端の傾きの検出は、光て
こ方式と呼ばれる方法で通常行われている。光てこ方式
は、カンチレバーの先端にレーザー光などのビーム状に
集光された光を照射し、カンチレバーの背面で反射され
たビームの位置を検出して、この位置の変化からカンチ
レバー背面での反射角度の変化を検出する。ビームの位
置の検出には、２分割フォトディテクター、あるいは、
４分割フォトディテクターが用いられている。

【０００８】４分割フォトディテクターを使って検出す
る場合、上下のフォトディテクターで検出される光強度
の差は、カンチレバーの撓み方向の角度に対応し、ま
た、左右のフォトディテクターで検出される光強度の差
はカンチレバーの捻れに対応する。

【０００９】このカンチレバーの撓みは、カンチレバー
先端（探針）の高さに対応するから、上下のフォトディ
テクターの差信号は、高さ信号となる。

【００１０】また、カンチレバーの捻れは、探針を走査
したときに試料との間に働く摩擦力に対応している。従
って、左右のフォトディテクターの差信号を計測しつ
つ、カンチレバーを走査すると、ｎｍスケールの水平力
を計測することができる。

【００１１】このようにして、光てこ方式に４分割フォ
トディテクターを用いることにより、探針の高さと、水
平力とを同時に計測することができる。

【００１２】光てこ方式では、カンチレバーからフォト
ディテクターまでの距離を変えること、および／また
は、カンチレバーの長さを変えることによって、てこ比
を比較的自由に設定することができるから、計測の感度
の設定も比較的自由に行える。

【００１３】試料および／または探針を圧電素子などを
用いた走査機構によって走査させながら、光てこ方式に
よって探針に働く力を計測することにより、原子間力顕
微鏡像を得ることができる。

【００１４】ここで、探針の先端を原子レベルで非常に
先鋭にしておくと、探針の先端の原子が原子間力をうけ
て試料表面の原子と相互作用することから、探針の先端
の大きさ程度の原子レベルの横分解能で表面の形状を得
ることができる。試料の表面の形状を観察するための方
法としては、例えば、コンスタントフォースモードと、
コンスタントハイトモードとが挙げられる。

【００１５】まず、コンスタントフォースモードの手法
について説明する。試料と探針とを近接させると、これ
らの間に原子間力が働く。この原子間力の大きさは、試
料と探針との距離に依存する。試料と探針との間に原子
間力が働いている状態で、原子間力が一定になるように
試料と探針との間の距離にフィードバックを掛けつつ、
試料面上を走査すると探針の先端は、試料と等間隔を保
ったまま移動する。従って、探針の先端の位置は試料の
形状をそのまま追跡していることになり、探針の位置
（高さ）を検出することにより、試料の表面形状を知る
ことができる。

【００１６】次に、コンスタントハイトモードについて
説明する。表面の凹凸が微細な場合には、試料面と探針
との間に、原子間力が働く状態にしておき、試料面に平
行に探針を走査していきながら、原子間力の大きさを検
出する。原子間力は、探針と試料の間隔に非常に敏感に
反応するので、試料と探針の先端との間隔を、原子間力
の大きさから知ることができる。従って、探針を試料面
に平行に走査しつつ、原子間力の大きさを測定していく
と、原子間力の大きさを、試料と探針先端との間隔に変
換することができる。よって、変換した間隔から試料の
微細な凹凸を知ることができる。

【００１７】このように、原子間力顕微鏡等の走査型力
顕微鏡は、試料と探針とに働く原子間力などの相互作用
力によって試料の表面を観察するため、導電性でない試
料にも適用することができる。これは、前述した走査型
トンネル顕微鏡が、導電性の試料しか観察できないこと
に比べて、多様な試料に対応が可能であるという利点と
なっている。

【００１８】さらに近年、この原子間力などの試料表面
と探針との間に働く相互作用力を利用して、試料表面の
解析を行うことが試みられている。この相互作用力を調
べるための方法として、例えば、フォースカーブを取
り、このフォースカーブを解析することが提案されてい
る。フォースカーブとは、試料表面に探針を接近させた
り、離したりしたときに得られる信号であり、これを解
析することにより、試料表面と、探針との間隔に対し
て、どの程度の相互作用力が作用しているかを調べるも
のである。

【００１９】図４を参照して、フォースカーブについて
説明する。

【００２０】図４の(a)に、探針に働く原子間力の大き
さ、および、カンチレバーのバネの力の大きさを、探針
の試料表面からの距離に対して表したグラフ、図４の
(b)に、典型的なフォースカーブを模式的に示す。図４
の(a)と(b)とにおいて、A、B、C、…は、図相互に同じ
位置を表す。また、図４の(b)における経路A→B→C→D
は、探針を試料面に近づけていったときに得られるフォ
ースカーブであり、経路D→E→F→Gは、探針を試料面か
ら遠ざけていったときに得られるフォースカーブであ
る。

【００２１】図４の(a)で、縦軸は、力の大きさを表
し、その正の向きは斥力、負の向きは引力を表してい
る。また、横軸は、探針と試料との相対距離を表してい
る。

【００２２】図４の(a)において、試料表面と探針に働
く力は、遠く離れたところから近づくにつれて原子間力
による引力が働き、あるところから斥力が働く。また、
探針が試料表面からの相互作用を受けているときは、探
針に働く力と、カンチレバーのバネの復元力とが釣り合
っているため、図４の(a)における、試料表面と探針間
で働く力を示す実線と、バネの力を示す点線との交点、
すなわちA、B、C、…の位置に探針は安定して存在する
ことができる。

【００２３】一方、図４の(b)の縦軸はカンチレバーの
変位で検出した力であり、横軸は試料とカンチレバーと
の間隔である。ここで、カンチレバーの変位は、カンチ
レバーのバネによる撓みのない、カンチレバーの固定点
の位置を基準としている。すなわち、この基準の位置
は、図４の(a)におけるバネの力が０の位置に対応す
る。従って、カンチレバーを近づけるということは、図
４の(a)のバネの力に対応する直線を左から右に近づけ
ていくことに対応する。よって、図４の(a)における実
線と点線との交点の位置での力の大きさが、図４の(b)
におけるカンチレバーの変位として検出される。

【００２４】これらの図に示されるように、探針を試料
から十分遠いA地点から探針を試料方向に近づけていく
と、試料と探針との間で、徐々に引力が働き、カンチレ
バーが撓んでいく。しかし、B地点を超えてから、さら
にカンチレバーを試料に近づけると、図４の(a)での釣
り合う点（実線と点線との交点）となる位置が存在せ
ず、次に安定なC地点に、不連続にジャンプする。これ
は図４の(b)では、探針が試料表面に吸い込まれてB地点
からC地点にジャンプすることに対応する。これをジャ
ンプインと呼ぶ。さらに探針を押し込んでいくと、試料
表面と探針との間に働く引力は徐々に小さくなる。な
お、探針を押し込むと、やがて剛体の斥力が働き、カン
チレバーに斥力が働くことにより、引力とは逆の方向に
撓んでいき、D地点に至る。

【００２５】逆に、探針を押しつけた状態から、探針を
試料面から離していく場合は、初めのうちは、試料と探
針との間に働く斥力を受け、それが次第に引力に変わっ
ていく。通常、探針を接近させていったときに、探針が
ジャンプインしたC地点を過ぎても、試料の吸着力はカ
ンチレバーのバネの力と釣り合う点（図４の(a)におけ
る実線と点線と交点）があり、すぐには試料から離れ
ず、E地点までは接したままである。E地点を過ぎると、
試料表面と探針間で働く力とバネの力の交点が突然無く
なり、安定なF地点に移動する。図４の(b)では、探針が
試料を離れ、F地点まで探針が戻る。F地点では、引力が
ほとんど働かない領域に既に達しているので、その後
は、カンチレバーは、ほとんど撓まない状態でG地点に
至る。

【００２６】このようなフォースカーブを利用すると、
試料表面の物性がさらに詳細に理解することができる。
具体的には、C-D間、あるいは、D-E間における直線の傾
きは、試料に探針を押し込んだときの斥力を示してお
り、これは、試料の弾性を反映している。また、Eの地
点では、表面の吸着力と、カンチレバーの撓み力が釣り
合っているところであるので、E-F間の距離は、試料と
探針の吸着力を示している。

【００２７】このように、フォースカーブを解析すれ
ば、表面における様々な物性を測定することができる。

【００２８】ここでは、高さ方向の変位信号を使ったフ
ォースカーブについて説明したが、高さ方向の変位信号
に加えて横方向の捻れに対応する信号を同時に記録し
て、これらの方向についてのフォースカーブを取得し、
これを解析することは、表面の物性を理解する上で非常
に重要な助けになる。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】この様に、走査型プロ
ーブ顕微鏡は、原子レベルの横分解能を持ち、微小領域
での物理的な特性を調べることができることから、注目
を集めている。

【００３０】しかし、従来の走査型プローブ顕微鏡に
は、探針に働く力を計測できるダイナミックレンジを大
きくとることが困難であるという問題がある。すなわ
ち、感度を落とさず、力を広い範囲で計測することは困
難である。

【００３１】例えば、走査型プローブ顕微鏡を使って、
フォースカーブを計測し、計測されたフォースカーブか
ら、吸着力、弾性などを測定する場合、カンチレバーを
大きく撓ませて大きな力を検出することが要求される。
しかし、通常の走査型力顕微鏡では、カンチレバーの撓
みを一定に保つように、フィードバックを掛けるため、
撓みに対して感度を高め、その代わり、撓みの検出範囲
を非常に狭くしている。このように撓みの検出範囲が狭
い状態では、カンチレバーを大きく撓ませた場合に、光
てこの反射光がフォトディテクターの受光領域から外れ
てしまい、力を計測できなくなってしまう。このため、
フォースカーブを計測することが困難となる。

【００３２】一方、前述のように、光てこのてこ比を小
さくすれば、光てこの反射光がフォトディテクターから
外れてしまうのを防ぐこともできるが、この場合には、
撓みの大きさに対するフォトディテクターからの光てこ
信号の変化が相対的に小さくなり、撓みを検出する感度
が低下してしまうという問題点がある。

【００３３】これは、例えば、物性の違う２つ以上の材
質が混合した試料に対して、それぞれフォースカーブを
取って弾性、吸着力などの物理的特性を測定する場合、
特に顕著な問題となる。すなわち、ある１つの材質に対
して光てこのてこ比を最適化すると、その他の材質にと
っては、感度が不足したり、あるいは、感度が高すぎ
て、飽和してしまうという問題が発生する。すなわち、
複数の試料を相互に比較する際には、さらに大きなダイ
ナミックレンジでカンチレバーの撓みを計測することが
要求される。

【００３４】さらに、コンスタントハイトモードの測定
を、従来の光てこ方式を適用して行う場合には、非常に
高低差が大きい対象物では、カンチレバーが大きく撓み
過ぎて光てこ信号が検出限界を超えてしまい、測定が困
難となる。

【００３５】また、コンスタントフォースモードの測定
であっても、従来の光てこ方式では、急峻な段差構造で
は、段差の部分でフィードバックが追従できないことが
あり、この場合、急激にカンチレバーが大きく撓んでし
まう。このため、光てこ反射光の移動範囲が検出限界を
超えてしまうため、高速で走査することができないとい
う問題がある。

【００３６】これらの問題は、いずれもカンチレバーが
大きく撓み過ぎていて、カンチレバーの背面から反射し
てきた光てこ反射光が、フォトディテクターの検出範囲
を外れてしまい、検出範囲を超えた部分の高さ情報が欠
落してしまうことに起因する。

【００３７】これらの問題を解決するために、てこ比を
変更せず、大きく撓んだ状態でも光が外れないよう、フ
ォトディテクターの代わりに、リニアセンサーを用いる
例もある（M. Pierce, et. al.: Langmuir 10, 3217 (1
994)）。しかしながら、リニアセンサーでは、縦方向の
力（高さ）については高精度に観測され、横方向の撓み
は全く検出されない。このため、高さ情報と同様に重要
な、横方向（カンチレバーの捻れ）の情報が欠落してし
まう。従って、この場合は、高さ方向の情報だけを用い
た凹凸像および、フォースカーブの取得はできるが、摩
擦力の検出はできない。

【００３８】ところで、走査プローブ顕微鏡では、電圧
によって伸び縮みする圧電素子を走査機構に用いること
が多い。しかし、この圧電素子には、印加電圧に対する
伸びの量が非線形であること、伸びる方向と、縮む方向
とにより、ヒステリシスが生じることなどの問題点があ
る。従って、試料表面の凹凸を正確に測定したり、フォ
ースカーブを厳密に測定するためには、正確にz軸の位
置を測定したりz軸を駆動する必要がある。このために
は、z軸の移動量を別の方法によって計測する必要があ
った。z軸の移動量を計測するには、光の干渉を利用し
た方法や、歪み計測器を利用した手法など様々な手段が
あるが、これらの装置を搭載することは、走査型プロー
ブ顕微鏡の機構を煩雑にするという問題があった。

【００３９】このように、従来の走査型プローブ顕微鏡
においては、高低差が大きい物や、段差が急な物の測定
は困難である。また、カンチレバーを大きく撓ませて、
フォースカーブを使って試料表面の物性を測定しようと
する場合は、撓み自体が測定できなくなってしまい、フ
ォースカーブを使って試料表面の物性を正確に測定・評
価することは困難である。

【００４０】また、試料に対して垂直な方向の位置を正
確に測定するためには、煩雑な機構が必要である。

【００４１】本発明は、探針のに加わる力を、試料面に
対して垂直な方向と、平行な方向との両方について広い
ダイナミックレンジで測定することができる光てこ検知
機構、および、これを備えた走査型プローブ顕微鏡を提
供することを第１の目的とする。

【００４２】また、試料に対して垂直な方向の位置を測
定する精度が向上された光てこ検知機構、および、これ
を備えた走査型プローブ顕微鏡を提供することを第２の
目的とする。

【００４３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の第１の態様によれば、カンチレバー
の変形を検出するための光てこ検出機構において、カン
チレバーの一部にビーム光を照射するためのビーム光源
と、前記ビーム光が前記カンチレバーで反射されて形成
される像を２次元的に撮像するための撮像装置と、前記
撮像装置により撮像された像の重心を求め、求めた重心
の移動から前記カンチレバーの撓み方向の変形および捻
れ方向の変形を検出するための変形検出手段とを有する
ことを特徴とする光てこ検出機構が提供される。

【００４４】すなわち、光てこの反射光を撮像装置によ
って撮像し、撮像された画像から光てこの反射光の位置
を計測することによって、カンチレバーの撓みおよび捻
れを広いダイナミックレンジで行うことを可能とする。

【００４５】上記第２の目的を達成するために、本発明
の第２の態様によれば、カンチレバーの変形および変位
を検出するための光てこ検出機構において、可干渉光を
射出するための可干渉光源と、前記可干渉光源から到来
する光、および、前記可干渉光がカンチレバーの背面で
反射されて到来する光を受光する位置に受光面を有する
光検出器と、前記受光面における受光強度の重心の位置
から、カンチレバーの変形を検出するための変形検出手
段と、前記受光面における受光強度の変化から、カンチ
レバーの変位を検出するための変位検出手段とを有する
ことを特徴とする光てこ検出機構が提供される。

【００４６】本発明の第３の態様によれば、カンチレバ
ーの変形および変位を検出するための光てこ検出機構に
おいて、可干渉光を射出するための可干渉光源と、前記
可干渉光がカンチレバーで反射されて到来する光を受光
する位置に受光面を有する光検出器と、前記干渉光源お
よび前記カンチレバーの背面の間の光路中に配設される
参照平面と、前記受光面における受光強度の重心の位置
から、カンチレバーの変形を検出するための変形検出手
段と、前記受光面における受光強度の変化から、カンチ
レバーの変位を検出するための変位検出手段とを有し、
前記参照平面は、前記可干渉光源から射出される可干渉
光の一部を前記光検出器の受光面に反射することを特徴
とする光てこ検出機構が提供される。

【００４７】すなわち、光てこの光路中、あるいは光路
中と等価な位置に参照面を配置し、参照面からの反射光
と、カンチレバーの背面からの光てこ反射光を干渉させ
ておき、干渉により変調された光てこの反射光と、参照
光との光強度を、撮像装置により撮像された画像から検
出することにより、カンチレバーの先端部、すなわち、
画像の光強度の干渉による変調を用いて、探針の絶対的
な位置の計測を行い、これに併せて、画像の位置の変化
からカンチレバーの先端における傾きについての計測を
行う。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００４９】本発明の実施の形態の説明に先だって、本
発明を適用した光てこ式力検出機構における計測原理に
ついて、従来の光てこ式力検出機構の問題点と対比して
説明する。

【００５０】まず、本発明を適用した光てこ式力検出機
構におけるカンチレバーの撓みおよび捻れをともに広い
ダイナミックレンジで計測するための計測原理について
説明する。

【００５１】従来の走査型プローブ顕微鏡は、高低差が
大きい対象物や、段差が急な対象物の測定はできず、ま
た、カンチレバーを大きく撓ませたフォースカーブを使
って試料表面の物性を正確に測定・評価することは困難
である。

【００５２】これは、カンチレバーが撓み過ぎるため、
光てこ反射光がフォトディテクターから外れてしまうた
めである。本発明では、この問題点を解決するために、
光てこ反射光の角度の検出に、２分割フォトディテクタ
ーあるいは４分割フォトディテクターに代えて、２次元
でより精度の高い位置検出ができ、検出範囲も広い撮像
装置を用る。そして、この撮像装置により撮像された画
像から、光てこ反射光の位置を計測し、この位置から光
てこ反射光の角度を計測する。撮像装置は、フォトディ
テクターに比べて、光の検出面積が広いだけでなく、光
の位置をより正確に計測することができる。また、リニ
アセンサーを使った物に比べ、撓みと捻れとを同時に計
測できるという特徴を持つ。

【００５３】これは、撮像装置が、非常に多数のフォト
ディテクターと等価な働きをするからである。例えば、
通常のCCD撮像素子を撮像装置として用いた場合は、そ
の画素数は、100×100以上あり、２分割フォトディテク
ターあるいは４分割フォトディテクターに比べて位置計
測のダイナミックレンジはかなり高くなる。また、検出
範囲も広いので、カンチレバーが大きく撓み、光てこ反
射光が大きくずれたとしても、検出感度を落とさず、撮
像面から外れることはないような、光てこのてこ比を選
択すること可能となる。

【００５４】撮像装置により撮像された光てこ反射光の
画像から、光てこ反射光の位置を計測するにはいくつか
の方法が考えられるが、例えば、光てこ反射光の画像の
重心を求めることによって、光てこ反射光の位置を計測
することができる。

【００５５】画像の重心を求める方法では、多数の画素
の情報から重心を求めるため、突発的なノイズはある程
度平均化される。このため、ノイズの影響を避けた状態
で、光てこ反射光の位置を精度良く計測することができ
る。

【００５６】このようにして、撮像装置から得られた光
てこ反射光の画像から光てこの反射光の位置を計測し、
光てこの反射光の位置から、角度を計測して、カンチレ
バーの撓みおよび捻れを検出する。

【００５７】次に、図２および図３を参照して、本発明
を適用した光てこ式力検出機構におけるカンチレバーの
先端の絶対的な位置を計測するための計測原理について
説明する。

【００５８】本発明を適用した光てこ式力検出機構で
は、さらに、光てこの光路中、あるいは光路中と等価な
位置に参照面を配置し、参照面からの反射光と、カンチ
レバーの背面からの光てこ反射光を干渉させ、その干渉
光を、撮像装置により撮像する。図２および図３を参照
して、この撮像された光てこ反射光と参照面反射光との
干渉光との関係について説明する。

【００５９】カンチレバーが撓まない状態のときには、
図２の（a）に示してあるように、参照面からの反射光
と、カンチレバーからの光てこ反射光は完全に重なるよ
うに配置しておけば、この状態では、参照平面と、光て
こ先端との距離によって干渉し、その干渉光の強度は、
図２の（b）に示してあるように強度が変調する。変調
された光強度が最大になる位置は、参照平面と、光てこ
先端との光路差が、レーザー光の波長の整数倍の距離で
ある場合であり、最小になる位置は、参照平面と光てこ
先端との光路差が1/2波長の奇数倍になっている位置で
ある。従って、カンチレバーの駆動する方向などの情報
を補足的に利用すれば、この干渉光の強度から、カンチ
レバーと参照平面の光路差を相対的に計測することがで
きる。

【００６０】また、カンチレバーが撓んだ場合は、光て
こ反射光は、撓みに応じて角度が変化し、撮像された撮
像面での位置も同様にずれる。従って、図３の（a）に
示したような状態になる。つまり、参照平面からの反射
光と、光てこ反射光は、一部が重なり合った状態にな
る。図３の（ａ）におけるＢの領域は、参照面からの反
射光と、光てこ反射光とが重なり合い、干渉するため強
度変調がおこる。図３の（ａ）におけるＡの領域とＣの
領域とは、参照面からの反射光、光てこ反射光がそれぞ
れ干渉し合わずに撮像されるため、強度変調はおこらな
い。従って、この場合に撮像される強度変調は、図３の
（b）で示されるように、撓みの大きさによって変調す
る大きさは小さくなる。この場合も、光強度の極大、極
小は、それぞれ1/2波長の偶数倍、奇数倍に対応する光
路差になるので、この極大、極小の位置から、カンチレ
バーと参照面との間の光路差を、相対的に計測できる。

【００６１】このように、いずれの場合にしても、光強
度の極大、極小から、カンチレバーと参照面との相対的
な光路差を計測することができる。従って、この計測さ
れた結果を利用すれば、凹凸の正確な形状や、正確なフ
ォースカーブのz方向依存性を測定することができる。

【００６２】次に、図１を参照して、本発明の実施の形
態について説明する。本実施の形態は、本発明を適用し
た光てこ検出機構を備えた走査型プローブ顕微鏡の例で
ある。

【００６３】図１において、本実施の形態における走査
型プローブ顕微鏡は、可干渉光を射出するための半導体
レーザー１と、前記半導体レーザー１から射出された光
をコリメートするためのレンズ２と、光路を分岐／重畳
するための偏光ビームスプリッター３と、光を移相する
ための１／４波長板（以下、λ／４板と記す）４と、参
照光路を形成するための参照平面５と、カンチレバー７
と、前記カンチレバーに入射する光を集束し、反射する
光をコリメートするためのレンズ６と、光てこ反射光の
２次元的な像を取得するための撮像装置９と、計測すべ
き試料１１を３時限的に移動可能に支持するためのチュ
ーブ型スキャナー１０と、前記撮像装置９で撮像された
画像の情報を計測するための画像計測装置１２と、前記
画像計測装置１２で計測された情報からカンチレバーの
撓みおよび捻れを求める解析を行うためのカンチレバー
撓み・捻れ解析装置１３と、前記前記画像計測装置１２
で計測された情報から光干渉に関する解析を行うための
光干渉信号解析装置１４と、走査型プローブ顕微鏡全体
の制御を行うためのＳＰＭ制御装置１５と、前記ＳＰＭ
制御装置１５で処理によって得られた試料の情報を表示
するための表示装置１６とを有して構成される。

【００６４】本実施の形態における走査型プローブ顕微
鏡では、試料11をチューブ型のスキャナー10によって走
査し、カンチレバー7は固定している。光てこは、半導
体レーザー１から出たレーザー光を、カンチレバー7の
先端部分に集光し、カンチレバー7の背面から反射した
光てこ反射光を、撮像装置9で撮像する、本発明を適用
した光てこ検出機構が組み込まれている。本実施の形態
の形態では、撮像装置9としてCCDを用い、重心の位置
と、光強度の算出は、画像計測装置12を用いて行ってい
る。

【００６５】次に、図１を参照して、本実施の形態にお
ける走査型プローブ顕微鏡の動作について詳細に説明す
る。

【００６６】半導体レーザー1から発したレーザー光
は、レンズ2により平行にされる。このレーザー光は、
偏光ビームスプリッタ3、λ／４板4、参照平面5を透過
し、レンズ6によりカンチレバー7の先端に集光される。
カンチレバー７の背面は、反射率を向上させるため、金
がコートされている。カンチレバー7背面で反射された
レーザー光は、カンチレバー7の撓みに応じて反射角度
が変化する。この反射光は、レンズ6により略平行にさ
れ、参照平面5、λ／４板4を透過し、ビームスプリッタ
３により反射され、レンズ8により撮像装置9上に集光さ
れる。

【００６７】ここで、本実施の形態では、参照平面5に
は、50％透過、50％反射のハーフミラーを用いているの
で参照平面5で、50％のレーザー光は反射され、λ／４
板４を透過し、ビームスプリッタ3により反射され、レ
ンズ8により撮像装置9上に集光される。このとき、撮像
装置9の撮像面上では、カンチレバー7からの反射光と参
照平面5からの反射光とが撮像されるが、撮像された画
像は、カンチレバー7からの反射光と、参照平面5からの
反射光とが干渉し合った結果となる。

【００６８】本実施の形態では、前述のような光学系を
用いたが、このような光学系以外でも、等価な光学系で
あれば本発明を実現することができる。例えば、本実施
例ではレンズ8で撮像装置9上に集光しているが、ビーム
径が十分小さい場合には、特に集光せず、そのまま撮像
装置9上に投影しても良い。また、ハーフミラーによる
参照平面5は、λ／４板4の一面を参照面と兼用しても良
い。

【００６９】なお、カンチレバー７に照射される光の強
度を計測するための光検出器をさらに備え、半導体レー
ザー１から射出される光強度の変動を補正してもよい。
例えば、偏光ビームスプリッタ３で図中右向きに反射さ
れる光を受ける位置に光の強度を計測するための光検出
器を配設し、この光検出器で検出された光強度で、前記
画像計測装置１２において計測される総光量を規格化す
ることができる。

【００７０】画像計測装置12により、計測された重心位
置、総光量は、それぞれカンチレバー撓み・捻れ解析装
置13、光干渉信号解析装置14に入力される。このうち、
カンチレバーの撓み・捻れ解析装置13では、計測された
重心位置を、カンチレバー7の撓み・捻れ量、あるいは
撓み力、捻れ力に変換して、SPM制御装置15に入力す
る。また、光干渉信号解析装置14では、計測された総光
量と、SPM制御装置15からの試料面から垂直な方向の制
御信号から、カンチレバー7先端の相対的な位置に変換
され、SPM制御装置15に入力される。

【００７１】これらの情報を基に、SPM制御装置15は、
試料の情報を表示装置16に表示する。

【００７２】このように。本実施例の走査型プローブ顕
微鏡を用いれば、カンチレバー7を大きく撓ませて、よ
り正確なフォースカーブが得られる。また、カンチレバ
ー7が大きく撓むような高低差の大きな試料に対しても
正確に凹凸像が得られる。

【００７３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明を適用した光
てこ検出機構によれば、カンチレバーの撓みと捻れとを
共に広いダイナミックレンジで計測することができる。

【００７４】また、カンチレバーの先端部の絶対的な位
置を、その傾きと併せて測定が可能となり、かつ、この
位置の測定は、光の波長オーダーの高い分解能で行うこ
とができる。

【００７５】従って、このような光てこ検出機構を備え
た本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、大きな段差
を有する形状の試料に対しても安定して像が取れる。ま
た、カンチレバーの撓みが大きく、かつ、カンチレバー
の位置と撓み量を正確に測定する必要のあるフォースカ
ーブの測定も安定して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の本実施の形態における走査型プロー
ブ顕微鏡の構成および概略光路を示すブロック図であ
る。

【図２】 本発明の光てこ反射光の画像を説明する説明
図である。

【図３】 本発明の光てこ反射光の画像を説明する説明
図である。

【図４】 走査型プローブ顕微鏡におけるフォースカー
ブを説明する説明図である。

【符号の説明】

１…半導体レーザー ２、６、８…レンズ ３…偏光ビームスプリッタ ４…λ／４板 ５…参照平面 ７…カンチレバー ９…CCD撮像装置 10…チューブ型スキャナー 11…試料 12…画像計測装置 13…カンチレバー撓み・捻れ解析装置 14…光干渉信号解析装置 15…SPM制御装置 16…表示装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カンチレバーの変形を検出するための光
   てこ検出機構において、 カンチレバーの一部にビーム光を照射するためのビーム
   光源と、 前記ビーム光が前記カンチレバーで反射されて形成され
   る像を２次元的に撮像するための撮像装置と、 前記撮像装置により撮像された像の重心を求め、求めた
   重心の移動から前記カンチレバーの撓み方向の変形およ
   び捻れ方向の変形を検出するための変形検出手段とを有
   することを特徴とする光てこ検出機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光てこ検出機構におい
   て、 前記撮像装置は、受光素子がマトリックス状に配置され
   た受光面を有し、受光強度をそれぞれ読み出すための信
   号線をそれぞれの受光素子ごとに備えることを特徴とす
   る光てこ検出機構。
3. 【請求項３】 カンチレバーの変形および変位を検出す
   るための光てこ検出機構において、 可干渉光を射出するための可干渉光源と、 前記可干渉光源から到来する光、および、前記可干渉光
   がカンチレバーの背面で反射されて到来する光を受光す
   る位置に受光面を有する光検出器と、 前記受光面における受光強度の重心の位置から、カンチ
   レバーの変形を検出するための変形検出手段と、 前記受光面における受光強度の変化から、カンチレバー
   の変位を検出するための変位検出手段とを有することを
   特徴とする光てこ検出機構。
4. 【請求項４】 カンチレバーの変形および変位を検出す
   るための光てこ検出機構において、 可干渉光を射出するための可干渉光源と、 前記可干渉光がカンチレバーで反射されて到来する光を
   受光する位置に受光面を有する光検出器と、 前記干渉光源および前記カンチレバーの背面の間の光路
   中に配設される参照平面と、 前記受光面における受光強度の重心の位置から、カンチ
   レバーの変形を検出するための変形検出手段と、 前記受光面における受光強度の変化から、カンチレバー
   の変位を検出するための変位検出手段とを有し、 前記参照平面は、前記可干渉光源から射出される可干渉
   光の一部を前記光検出器の受光面に反射することを特徴
   とする光てこ検出機構。
5. 【請求項５】 請求項４記載の光てこ検出機構におい
   て、 前記カンチレバーに照射される光の強度を計測するため
   の入力強度計測手段をさらに備え、 前記変位検出手段は、前記入力強度計測手段によって計
   測された強度で前記受光強度を規格化し、当該規格化し
   た受光強度の変化から前記カンチレバーの変位を検出す
   ることを特徴とする光てこ検出機構。
6. 【請求項６】 請求項３から５のいずれか一項記載の光
   てこ検出機構において、 前記光検出器は、前記受光面にマトリックス状に配置さ
   れる複数の受光素子を有し、当該受光面における２次元
   的な強度分布を検出し、 前記変形検出手段は、 前記検出された２次元的な強度分布の重心を求め、 前記求めた重心の移動の、前記受光面上で互いに直交す
   る２つの方向の成分を求め、 前記求めた２つの成分から、前記カンチレバーの撓み方
   向の変形および捻れ方向の変形を検出することを特徴と
   する光てこ検出機構。
7. 【請求項７】 カンチレバーに働く力を計測するための
   力検出機構を備える走査型プローブ顕微鏡において、 探針が形成されたカンチレバーと、 請求項１から６のいずれか一項記載の光てこ検出機構
   と、 前記検出されるカンチレバーの変形に基づいて、前記カ
   ンチレバーに働く力を求めるための演算手段とを備える
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。