WO2014017326A1 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

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WO2014017326A1
WO2014017326A1 PCT/JP2013/069199 JP2013069199W WO2014017326A1 WO 2014017326 A1 WO2014017326 A1 WO 2014017326A1 JP 2013069199 W JP2013069199 W JP 2013069199W WO 2014017326 A1 WO2014017326 A1 WO 2014017326A1
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WO
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scanning
cantilever
liquid
axis
probe microscope
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PCT/JP2013/069199
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English (en)
French (fr)
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酒井　信明
良嗣 植草
Original Assignee
オリンパス株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/08—Means for establishing or regulating a desired environmental condition within a sample chamber
    • G01Q30/12—Fluid environment
    • G01Q30/14—Liquid environment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/02—Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope
    • G01Q30/025—Optical microscopes coupled with SPM

Definitions

  • the present invention relates to a scanning mechanism of a scanning probe microscope.
  • a scanning probe microscope is a scanning microscope that obtains information on the surface of a sample by mechanically scanning a mechanical probe with a scanning mechanism, and includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM). ), A scanning magnetic force microscope (MFM), a scanning near-field light microscope (SNOM), and the like.
  • the scanning probe microscope raster-scans the mechanical probe and the sample relatively in the X and Y directions, obtains surface information of a desired sample region via the mechanical probe, and displays the mapping on the monitor TV.
  • the AFM is the most widely used device, which has a cantilever having a mechanical probe at its free end, an optical displacement sensor for detecting the displacement of the cantilever, and a mechanical probe and a sample relatively.
  • a scanning mechanism for scanning is provided as a main mechanical mechanism.
  • the optical displacement sensor an optical lever type optical displacement sensor is most widely used because of its simple structure and high displacement detection sensitivity.
  • the cantilever is irradiated with a light beam with a diameter of several ⁇ m to several tens of ⁇ m, and the reflection direction of the reflected light changes according to the warp of the lever using a two-part optical detector, etc.
  • the probe operation is captured and output as an electrical signal. While controlling the scanning mechanism in the Z-axis direction so that this output is constant, the scanning mechanism is also scanned in the XY-axis direction, thereby mapping and displaying the state of the unevenness of the sample surface on the computer monitor.
  • the AFM of the prior art scans the optical member forming the liquid cell in XYZ, the shape of the liquid cell, in other words, the boundary surface between the liquid and the atmosphere is moved to XYZ during scanning. Furthermore, the partial vibration and convection of the liquid generated inside the liquid cell are also increased. Since the liquid is a viscous body, the movement of these liquids is transmitted to various places such as a sample stage on which the sample is mounted, and influences as vibration noise that degrades the measurement accuracy of the AFM. This is a big problem for AFM that requires high-precision observation.
  • the present invention has been made in consideration of such a situation, and an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope in which the movement of a liquid generated during scanning is reduced.
  • the present invention relates to a scanning probe microscope for measuring a sample placed on a sample stage in a liquid, wherein a cantilever provided with a probe at a free end is placed on an X axis, a Y axis, and a Z axis perpendicular to each other.
  • the liquid contact member has an optical transmission part that transmits detection light for detecting displacement of the cantilever and is not scanned by the scanning mechanism.
  • a scanning probe microscope in which the movement of liquid generated during scanning is reduced.
  • FIG. 1 shows a scanning probe microscope according to the first embodiment.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the probe microscope head shown in FIG. 3A is a top view of the cantilever tip shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 3B is a side view of the cantilever tip shown in FIGS. 1 and 2.
  • 3C is a bottom view of the cantilever tip shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4A is a view of the probe microscope head of FIG. 2 with the cantilever tip removed from the holder as viewed from the liquid cell side.
  • FIG. 4B is a view of the probe microscope head of FIG. 2 in a state where the cantilever tip is fixed to the holder as viewed from the liquid cell side.
  • FIG. 5 shows a state in which the XY movable unit is scanned in the negative direction along the Y axis.
  • FIG. 6 shows the positional relationship between the longitudinal direction of the cantilever and the scanning axis.
  • FIG. 7A shows the deformation of the cantilever that occurs when the cantilever is scanned in its longitudinal direction.
  • FIG. 7B shows the deformation of the cantilever that occurs when the cantilever is scanned in its longitudinal direction.
  • FIG. 8 shows a scanning probe microscope according to the second embodiment.
  • FIG. 9 shows an enlarged view of the probe microscope head shown in FIG.
  • FIG. 10A is a view of the probe microscope head of FIG. 8 with the cantilever tip removed from the holder as viewed from the liquid cell side.
  • FIG. 10A is a view of the probe microscope head of FIG. 8 with the cantilever tip removed from the holder as viewed from the liquid cell side.
  • FIG. 10B is a view of the probe microscope head of FIG. 8 with the cantilever tip fixed to the holder as viewed from the liquid cell side.
  • FIG. 11 shows a scanning probe microscope according to the third embodiment.
  • FIG. 12 shows an enlarged view of the probe microscope head shown in FIG.
  • FIG. 13A is a view of the probe microscope head of FIG. 11 with the cantilever tip removed from the holder as viewed from the liquid cell side.
  • FIG. 13B is a view of the probe microscope head of FIG. 11 in a state where the cantilever tip is fixed to the holder, as viewed from the liquid cell side.
  • FIG. 14 shows a scanning probe microscope according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is an enlarged view of the probe microscope head shown in FIG.
  • FIG. 16A is a view of the probe microscope head of FIG. 14 with the cantilever tip removed from the holder as viewed from the liquid cell side.
  • FIG. 16B is a view of the probe microscope head of FIG. 14 in a state where the cantilever tip is fixed to the holder as viewed from the liquid cell side.
  • the scanning probe microscope of this embodiment is mounted on an inverted optical microscope that is an optical microscope.
  • the inverted optical microscope includes a microscope casing 54, a microscope stage 53, an objective lens 55, a revolver 56, and an epi-illumination light source 57.
  • a sample stage 51 such as a slide glass is placed on the microscope stage 53, and the sample 50 is held on the sample stage 51.
  • the inverted optical microscope is mainly used for in-liquid optical observation of the sample 50.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment measures a sample 50 placed on a sample stage 51 in a liquid.
  • the probe microscope head 10, a controller 40 that controls the probe microscope head 10, and a probe microscope A computer 41 for processing information obtained by the head 10 is provided.
  • the probe microscope head 10 is supported above the microscope stage 53 by a support (not shown).
  • the probe microscope head 10 includes a scanning mechanism 11 that scans the cantilever chip 1 along the X axis, the Y axis, and the Z axis that are orthogonal to each other, and a support body 21 that supports the scanning mechanism 11.
  • the optical transmission plate 20 supported by the support 21 is provided.
  • the scanning mechanism 11 includes a holder 16 that holds the cantilever chip 1, a Z actuator 15 that moves the holder 16 along the Z axis, an XY movable portion 12 that holds the Z actuator 15, and an XY movable portion 12 about the X axis.
  • An X actuator 13 that moves along the Y axis and a Y actuator 14 that moves the XY movable portion 12 along the Y axis are provided.
  • the X actuator 13 and the Y actuator 14 constitute an XY scanner that performs raster scanning of the cantilever chip 1 along the X axis and the Y axis.
  • the X actuator 13, the Y actuator 14, and the Z actuator 15 are composed of, for example, stacked piezoelectric elements.
  • the support 21 has, for example, a frame shape, the scanning mechanism 11 is disposed inside the support 21, and both the X actuator 13 and the Y actuator 14 are fixed to the support 21.
  • the optical transmission plate 20 is fixed to the lower end of the support 21 and closes the opening at the lower end of the frame-shaped support 21.
  • the optical transmission plate 20 is an optically transparent plate, and is formed of, for example, glass or resin.
  • the support 21 and the optical transmission plate 20 constitute a housing that houses the scanning mechanism 11.
  • the support 21 and the optical transmission plate 20 are fixed by adhesion or screw fastening.
  • the optical transmission plate 20 is a liquid contact member provided with an optical transmission part, and is arranged in contact with the liquid on the sample stage 51, and measures the sample 50 in a liquid environment with the liquid interposed between the sample stage 51 and the liquid.
  • a liquid cell 52 is formed. That is, the optical transmission plate 20 includes a cell forming portion that forms the liquid cell 52 together with the sample stage 51.
  • the optical transmission plate 20 has a through hole 22, and the holder 16 extends through the through hole 22.
  • the gap between the holder 16 and the through hole 22 is waterproof and sealed with an elastic member 23.
  • a part of the holder 16 and the cantilever chip 1 protrude into the liquid cell 52 through the through hole 22.
  • the elastic member 23 is made of an adhesive that is soft and suitable for waterproofing, such as silicone rubber. In FIG. 2, a part of the holder 16 protrudes into the liquid cell 52, but the entire holder 16 may protrude into the liquid cell 52.
  • the liquid cell 52 is a space region (environment region) filled with a liquid for measuring a sample in the liquid. Furthermore, the formation of the liquid cell 52 is to determine the shape of the region of the liquid cell 52. In the present embodiment, the boundary surface between the liquid and the optical transmission plate 20 (including a part of the holder 16 and the cantilever chip 1). The shape of the region of the liquid cell 52 is defined by the (contact surface), the boundary surface (contact surface) between the liquid and the sample stage 51, and the boundary surface between the liquid and the atmosphere.
  • the cantilever tip 1 includes a substrate 2, a cantilever 3 supported by the substrate 2, and a probe 4 provided at a free end of the cantilever 3. .
  • the cantilever chip 1 is held by a holder 16 of the scanning mechanism 11. Specifically, the substrate 2 is held so that the inclination angle of the substrate 2 with respect to the XY plane is 5 degrees to 15 degrees, preferably 10 degrees to 15 degrees.
  • the substrate 2 is fixed to the holder 16 with an adhesive such as wax.
  • the cantilever chip 1 is held by the holder 16 so that the longitudinal direction of the cantilever 3 is along the Y axis, for example, as shown in FIG. 4B.
  • the holder 16 is formed of a light and hard material such as ceramic or aluminum.
  • the holder 16 is formed in a small size so that its volume is 3 times or less, preferably 2 times or less, the volume of the substrate 2. For example, if the size of the substrate 2 is 3 mm ⁇ 1.6 mm ⁇ 0.3 mm (a standard size currently sold), the volume of the substrate 2 is 1.44 mm 3 . In this case, the size of the holder 16 is 4.32 mm 3 or less, desirably 2.88 mm 3 or less.
  • the probe microscope head 10 also collects on the cantilever 3 a light source 31 that emits a substantially parallel detection light 34 a for detecting the displacement of the cantilever 3 and a detection light 34 a from the light source 31. It has a condensing element 32 that returns the detection light 34b that is substantially parallel light to the detection light reflected by the cantilever 3 and a split detector 33 that detects a change in the incident position of the detection light 34b.
  • the light source 31, the light condensing element 32, and the split detector 33 constitute a displacement sensor that detects the displacement of the cantilever 3 of the cantilever chip 1.
  • This displacement sensor is, for example, an optical lever type optical displacement sensor often used in a scanning probe microscope.
  • the optical transmission plate 20 itself is optically transparent and transmits detection light 34 a and 34 b for detecting the displacement of the cantilever 3.
  • the detection light 34 a that has passed through the condensing element 32 is transmitted through the optical transmission plate 20 and is incident on the cantilever 3, and the detection light 34 b that is reflected by the cantilever 3 is transmitted through the optical transmission plate 20 and is incident on the condensing element 32. .
  • the light source 31 and the split detector 33 are held in a housing (not shown).
  • the light condensing element 32 is fixed to the XY movable portion 12 of the scanning mechanism 11 and is scanned together with the cantilever chip 1 by the scanning mechanism 11.
  • the light condensing element 32 is composed of, for example, a single lens.
  • the scanning probe microscope of this embodiment operates as follows.
  • the substantially parallel detection light 34a emitted from the light source 31 is condensed by the light condensing element 32 and irradiated to the cantilever 3 through the optical transmission plate 20, and a condensing spot having a diameter of about 2 ⁇ m is formed on the cantilever 3. To do.
  • the detection light 34 b reflected by the cantilever 3 passes through the light condensing element 32 via the optical transmission plate 20, returns to substantially parallel light, and enters the split detector 33.
  • the incident position of the detection light 34 b on the split detector 33 changes according to the Z displacement of the cantilever 3.
  • the split detector 33 outputs a displacement signal reflecting the Z displacement of the cantilever 3 to the controller 40.
  • the controller 40 supplies a scanning signal for raster scanning to the X actuator 13 and the Y actuator 14.
  • the X actuator 13 and the Y actuator 14 receive the scanning signal from the controller 40 and perform raster scanning of the cantilever chip 1 in the XY plane.
  • the X actuator 13 is supplied with a scanning signal having a high frequency corresponding to the high speed axis of raster scanning
  • the Y actuator 14 is supplied with a scanning signal having a low frequency corresponding to the low speed axis of raster scanning.
  • the X actuator 13 receives a high-frequency scanning signal from the controller 40 and performs raster scanning of the cantilever chip 1 along the X axis at high speed.
  • the Y actuator 14 receives a scanning signal with a low frequency from the controller 40 and performs raster scanning of the cantilever chip 1 at a low speed along the Y axis.
  • the frequency of the scanning signal output from the controller 40 is 1 kHz or more on the high speed axis (X axis).
  • the controller 40 receives the displacement signal of the cantilever 3 from the split detector 33 and supplies a scanning signal corresponding to the displacement signal to the Z actuator 15.
  • the Z actuator 15 receives the scanning signal from the controller 40 and scans the cantilever chip 1 along the Z axis.
  • the computer 41 acquires physical information of the sample 50 based on the displacement information of the cantilever 3 and the scanning information of the scanning mechanism 11 and displays it on the monitor.
  • the holder 16 is scanned by the scanning mechanism 11, but the optical transmission plate 20 that is a liquid contact member is not scanned by the scanning mechanism 11. That is, the optical transmission plate 20 is not a scanning object scanned by the scanning mechanism 11. More specifically, the optical transmission plate 20 is connected to the fixed end of the X actuator 13 and the fixed end of the Y actuator 14 via the support body 21 but is not connected to each operation end. The optical transmission plate 20 is also connected to the holder 16 scanned by the X actuator 13, the Y actuator 14, and the Z actuator 15 via the elastic member 23, but the elastic member 23 is elastically deformed to move the holder 16. In order to absorb, the optical transmission plate 20 is not scanned by the scanning mechanism 11. As a result, liquid movement that occurs during scanning is reduced.
  • FIG. 5 shows a state in which the XY movable unit 12 is scanned in the ⁇ direction along the Y axis.
  • the through hole 22 and the holder 16 approach each other on the negative side along the Y axis, and the through hole 22 and the holder 16 separate on the positive side along the Y axis. .
  • the gap between the through hole 22 and the holder 16 is waterproof and sealed by an elastic member 23, and the elastic member 23 is deformed in accordance with the change in the distance between the through hole 22 and the holder 16, thereby reducing the gap between the through hole 22 and the holder 16. Waterproofness is maintained. As a result, the liquid does not enter the inside of the casing constituted by the support 21 and the optical transmission plate 20.
  • the optical transmission plate 20 is not scanned in any scanning along the X axis, the Y axis, and the Z axis. Therefore, the shape of the liquid cell 52 formed by sandwiching the liquid between the sample stage 51 and the optical transmission plate 20 does not change. That is, the boundary surface between the liquid cell 52 and the atmosphere does not move. Further, only a part of the holder 16 and the cantilever chip 1 protrude from the through hole 22 into the liquid. That is, the only objects to be scanned in the liquid of the liquid cell 52 are the minimum necessary members, that is, the small holder 16 and the cantilever chip 1. Therefore, the contact area and volume where the liquid cell and the scanning object come into contact can be reduced, and the vibration of the liquid generated during scanning can be reduced.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment In order to reduce the vibration of the liquid that occurs during scanning, it is effective to reduce the volume of the scanning object existing in the liquid and the contact area between the scanning object and the liquid. Therefore, in the scanning probe microscope of the present embodiment, compared with the scanning mechanism of US Pat. No. 8,087,288, partial vibrations and convection of the liquid that occur during scanning are reduced. As a result, the scanning probe microscope of the present embodiment can perform observation with high accuracy.
  • an AFM capable of high-speed scanning capable of observing the movement of a biological sample has been desired.
  • the goal is to obtain one screen within 1 second, preferably within 0.1 second.
  • the X-axis direction is the high-speed direction of raster scanning
  • the Y-axis direction is the low-speed direction of raster scanning
  • an image of 100 pixels in the X-axis direction and 100 pixels in the Y-axis direction is captured in 0.1 seconds
  • scanning in the X-axis direction The frequency is 1 kHz
  • the scanning frequency in the Y-axis direction is 10 Hz
  • the scanning frequency in the Z-axis direction is 100 kHz or more. This is a speed corresponding to 10 to 100 times that of the conventional AFM.
  • the cantilever 3 is raster scanned at a high speed along the X axis and at a low speed along the Y axis. As described above, the cantilever 3 is disposed such that its longitudinal direction is along the Y axis, as shown in FIG.
  • the magnitude of the viscous resistance generated during scanning along the Y axis is proportional to the product of the area Sy projected on the XZ plane of the lever surface of the cantilever 3 and the scanning frequency fy.
  • the magnitude of the viscous resistance generated during scanning along the X axis is proportional to the product of the area Sx projected on the YZ plane on the side surface of the cantilever 3 and the scanning frequency fx.
  • the cantilever 3 is held at an angle of 12 ° with respect to the sample surface, the cantilever 3 has a length of 10 ⁇ m, a root width of 4 ⁇ m, and a thickness of 0.1 ⁇ m (cantilever used for high-speed observation in liquid)
  • the magnitude of the viscous resistance generated during the scanning along the longitudinal direction (Y-axis direction) of the cantilever 3 is four times as large as the scanning along the X-axis. Further, since the cantilever 3 is shaped so as to be easily deformed with respect to the force along the Y axis and difficult to deform with respect to the force along the X axis, The amount of deformation of the cantilever 3 that occurs during scanning along is much greater than four times compared to scanning along the X axis.
  • the scanning frequency in the X-axis direction reaches 1 kHz, so that there is a problem that the influence of the viscous resistance of the liquid becomes particularly large.
  • This scanning probe microscope is particularly effective when high-speed scanning is required because the vibration of the liquid generated during scanning can be reduced.
  • the optical transmission plate 20 is directly fixed to the support 21 that supports the scanning mechanism 11, but may be indirectly fixed to the support 21 via another member.
  • FIG. 9 The scanning probe microscope of this embodiment is shown in FIG.
  • the probe microscope head is shown in FIGS. 9, 10A and 10B.
  • FIGS. 8, 9, 10A, and 10B the members denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 1, 2, 4A, and 4B are the same members. Omitted.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment is different from the scanning probe microscope of the first embodiment in the probe microscope head.
  • the probe microscope head 10 ⁇ / b> A according to the present embodiment is different from the probe microscope head 10 according to the first embodiment in a housing that houses the scanning mechanism 11.
  • the housing that houses the scanning mechanism 11 is composed of a basic housing 25 and an optical transmission plate 29.
  • the probe microscope head 10A of the present embodiment has a configuration in which the support 21 and the optical transmission plate 20 of the probe microscope head 10 of the first embodiment are replaced with a basic housing 25 and an optical transmission plate 29. .
  • the basic casing 25 includes a peripheral wall portion 25a that surrounds the scanning mechanism 11, and a bottom portion 25b that closes the lower end of the peripheral wall portion 25a.
  • the bottom portion 25 b is provided with a through hole 26, and the holder 16 extends through the through hole 26.
  • the gap between the holder 16 and the through hole 26 is waterproof and sealed with an elastic member 28.
  • a part of the holder 16 and the cantilever tip 1 protrude into the liquid cell 52 through the through hole 26.
  • the elastic member 28 is made of an adhesive that is soft and suitable for waterproofing, such as silicone rubber. In FIG. 9, a part of the holder 16 protrudes into the liquid cell 52, but the entire holder 16 may protrude into the liquid cell 52.
  • the optical transmission plate 29 is an optically transparent plate made of glass or resin and closes the through hole 27.
  • the optical transmission plate 29 is bonded and fixed to the bottom portion 25b so that waterproofness is maintained.
  • the through hole 27 and the optical transmission plate 29 constitute an optical transmission part that transmits the detection lights 34 a and 34 b for detecting the displacement of the cantilever 3.
  • the bottom 25b and the optical transmission plate 29 constitute a liquid contact member having an optical transmission part.
  • the bottom portion 25b and the optical transmission plate 29 are arranged in contact with the liquid on the sample stage 51, and form a liquid cell 52 for measuring the sample 50 in a submerged environment with the liquid sandwiched with the sample stage 51. That is, the bottom portion 25 b and the optical transmission plate 29 include a cell forming portion that forms the liquid cell 52 together with the sample stage 51.
  • a liquid contact member including a part of the holder 16 and the cantilever chip 1
  • a liquid boundary surface (contact surface) a sample table 51
  • a liquid boundary surface are formed by the bottom 25b and the optical transmission plate 29.
  • the shape of the region of the liquid cell 52 is defined by the (contact surface) and the boundary surface between the atmosphere and the liquid.
  • the cantilever chip 1 is held by the holder 16 so that the longitudinal direction of the cantilever 3 is along the Y axis, for example, as shown in FIG. 10B.
  • the thus configured scanning probe microscope of this embodiment has the same advantages as the scanning probe microscope of the first embodiment, and also has the following advantages.
  • the optical transmission plate 20 in the probe microscope head 10 of the first embodiment is made of, for example, glass or resin. Glass is easy to break (easy to chip). Also, the resin is likely to deteriorate over time. These influences increase as the size (area) of the optical transmission plate 20 increases. On the other hand, in the probe microscope head 10A of the present embodiment, since the area of the optical transmission plate 29 is small, the above-described influence can be reduced.
  • the member that forms the liquid cell together with the sample stage 51 is constituted by a part of the basic casing 25, that is, the bottom 25b.
  • the member is not limited to this and is not scanned by the scanning mechanism 11, for example, the basic casing. You may be comprised with the plate-shaped member fixed to the body 25. FIG.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment is mounted on an inverted optical microscope that is an optical microscope.
  • the inverted optical microscope includes a microscope casing 54, a microscope stage 53, an objective lens 55, a revolver 56, and an epi-illumination light source 57.
  • a sample stage 151 such as a dish is placed on the microscope stage 53, and the sample 150 is held on the sample stage 151.
  • the inverted optical microscope is mainly used for in-liquid optical observation of the sample 150.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment measures a sample 150 placed on a sample stage 151 in a liquid.
  • the probe microscope head 100 a controller 40 that controls the probe microscope head 100, a probe microscope, and the like.
  • a computer 41 for processing information obtained by the head 100 is provided.
  • the probe microscope head 100 is supported above the microscope stage 53 by a support (not shown).
  • the probe microscope head 100 includes a scanning mechanism 11 that scans the cantilever chip 1 along the X axis, the Y axis, and the Z axis that are orthogonal to each other, and a support 121 that supports the scanning mechanism 11.
  • the optical transmission plate 120 supported by the support 121 is provided.
  • the scanning mechanism 11 includes a holder 16 that holds the cantilever chip 1, a Z actuator 15 that moves the holder 16 along the Z axis, an XY movable portion 12 that holds the Z actuator 15, and an XY movable portion 12 about the X axis.
  • An X actuator 13 that moves along the Y axis and a Y actuator 14 that moves the XY movable portion 12 along the Y axis are provided.
  • the X actuator 13 and the Y actuator 14 constitute an XY scanner that performs raster scanning of the cantilever chip 1 along the X axis and the Y axis.
  • the X actuator 13, the Y actuator 14, and the Z actuator 15 are composed of, for example, stacked piezoelectric elements.
  • the support 121 has, for example, a shape in which the projections are reversed (hereinafter referred to as a reverse projection), the scanning mechanism 11 is disposed inside the support 121, and both the X actuator 13 and the Y actuator 14 are supported by the support 121. It is fixed to.
  • the optical transmission plate 120 is fixed to the lower end of the support 121 and closes the opening at the lower end of the reverse convex support 121.
  • the optical transmission plate 120 is an optically transparent plate and is made of, for example, glass or resin.
  • the support body 121 and the optical transmission plate 120 constitute a housing that accommodates the scanning mechanism 11.
  • the support 121 and the optical transmission plate 120 are fixed by adhesion or screw fastening.
  • the optical transmission plate 120 is a liquid contact member provided with an optical transmission part, and is arranged in contact with the liquid in the sample table 151.
  • the sample 150 is measured in a liquid environment by sandwiching the liquid together with the sample table 151.
  • a liquid cell 152 is formed. That is, the optical transmission plate 120 includes a cell forming unit that forms the liquid cell 152 together with the sample table 151.
  • the optical transmission plate 120 has a through hole 122, and the holder 16 extends through the through hole 122.
  • the gap between the holder 16 and the through hole 122 is waterproof and sealed with an elastic member 123.
  • a part of the holder 16 and the cantilever chip 1 protrude into the liquid cell 152 through the through hole 122.
  • the elastic member 123 is made of an adhesive that is soft and suitable for waterproofing, such as silicone rubber. In FIG. 12, a part of the holder 16 protrudes into the liquid cell 152, but the entire holder 16 may protrude into the liquid cell 152.
  • the liquid cell 152 is a space region (environment region) filled with a liquid for measuring a sample in the liquid. Further, the formation of the liquid cell 152 is to determine the shape of the region of the liquid cell 152. In this embodiment, the boundary surface between the liquid and the optical transmission plate 120 (including a part of the holder 16 and the cantilever chip 1). The shape of the region of the liquid cell 152 is defined by the (contact surface), the boundary surface (contact surface) between the liquid and the sample stage 151, and the boundary surface between the liquid and the atmosphere.
  • the cantilever tip 1 includes a substrate 2, a cantilever 3 supported by the substrate 2, and a probe 4 provided at a free end of the cantilever 3. .
  • the cantilever chip 1 is held by a holder 16 of the scanning mechanism 11. Specifically, the substrate 2 is held so that the inclination angle of the substrate 2 with respect to the XY plane is 5 degrees to 15 degrees, preferably 10 degrees to 15 degrees.
  • the substrate 2 is fixed to the holder 16 with an adhesive such as wax.
  • the cantilever chip 1 is held by the holder 16 so that the longitudinal direction of the cantilever 3 is along the Y axis, for example, as shown in FIG. 13B.
  • the holder 16 is formed of a light and hard material such as ceramic or aluminum.
  • the holder 16 is formed in a small size so that its volume is 3 times or less, preferably 2 times or less, the volume of the substrate 2. For example, if the size of the substrate 2 is 3 mm ⁇ 1.6 mm ⁇ 0.3 mm (a standard size currently sold), the volume of the substrate 2 is 1.44 mm 3 . In this case, the size of the holder 16 is 4.32 mm 3 or less, desirably 2.88 mm 3 or less.
  • the probe microscope head 100 also collects on the cantilever 3 a light source 31 that emits a substantially parallel detection light 34 a for detecting the displacement of the cantilever 3 and a detection light 34 a from the light source 31. It has a condensing element 32 that returns the detection light 34b that is substantially parallel light to the detection light reflected by the cantilever 3 and a split detector 33 that detects a change in the incident position of the detection light 34b.
  • the light source 31, the light condensing element 32, and the split detector 33 constitute a displacement sensor that detects the displacement of the cantilever 3 of the cantilever chip 1.
  • This displacement sensor is, for example, an optical lever type optical displacement sensor often used in a scanning probe microscope.
  • the optical transmission plate 120 itself is optically transparent, and transmits detection light 34 a and 34 b for detecting the displacement of the cantilever 3.
  • the detection light 34 a that has passed through the condensing element 32 passes through the optical transmission plate 120 and is incident on the cantilever 3, and the detection light 34 b that is reflected by the cantilever 3 passes through the optical transmission plate 120 and enters the condensing element 32. .
  • the light source 31 and the split detector 33 are held in a housing (not shown).
  • the light condensing element 32 is fixed to the XY movable portion 12 of the scanning mechanism 11 and is scanned together with the cantilever chip 1 by the scanning mechanism 11.
  • the light condensing element 32 is composed of, for example, a single lens.
  • the scanning probe microscope of this embodiment operates as follows.
  • the substantially parallel detection light 34a emitted from the light source 31 is condensed by the light condensing element 32 and irradiated to the cantilever 3 through the optical transmission plate 120, and a condensing spot having a diameter of about 2 ⁇ m is formed on the cantilever 3. To do.
  • the detection light 34 b reflected by the cantilever 3 passes through the light condensing element 32 via the optical transmission plate 120, returns to substantially parallel light, and enters the split detector 33.
  • the incident position of the detection light 34 b on the split detector 33 changes according to the Z displacement of the cantilever 3.
  • the split detector 33 outputs a displacement signal reflecting the Z displacement of the cantilever 3 to the controller 40.
  • the controller 40 supplies a scanning signal for raster scanning to the X actuator 13 and the Y actuator 14.
  • the X actuator 13 and the Y actuator 14 receive the scanning signal from the controller 40 and perform raster scanning of the cantilever chip 1 in the XY plane.
  • the X actuator 13 is supplied with a scanning signal having a high frequency corresponding to the high speed axis of raster scanning
  • the Y actuator 14 is supplied with a scanning signal having a low frequency corresponding to the low speed axis of raster scanning.
  • the X actuator 13 receives a high-frequency scanning signal from the controller 40 and performs raster scanning of the cantilever chip 1 along the X axis at high speed.
  • the Y actuator 14 receives a scanning signal with a low frequency from the controller 40 and performs raster scanning of the cantilever chip 1 at a low speed along the Y axis.
  • the frequency of the scanning signal output from the controller 40 is 1 kHz or more on the high speed axis (X axis).
  • the controller 40 receives the displacement signal of the cantilever 3 from the split detector 33 and supplies a scanning signal corresponding to the displacement signal to the Z actuator 15.
  • the Z actuator 15 receives the scanning signal from the controller 40 and scans the cantilever chip 1 along the Z axis.
  • the computer 41 acquires physical information of the sample 50 based on the displacement information of the cantilever 3 and the scanning information of the scanning mechanism 11 and displays it on the monitor.
  • the holder 16 is scanned by the scanning mechanism 11, but the optical transmission plate 120 that is a liquid contact member is not scanned by the scanning mechanism 11. That is, the optical transmission plate 120 is not a scanning object scanned by the scanning mechanism 11. More specifically, the optical transmission plate 120 is connected to the fixed end of the X actuator 13 and the fixed end of the Y actuator 14 via the support body 121, but is not connected to each operation end. The optical transmission plate 120 is also connected to the holder 16 scanned by the X actuator 13, the Y actuator 14, and the Z actuator 15 via the elastic member 123, but the elastic member 123 is elastically deformed to move the holder 16. Because of absorption, the optical transmission plate 120 is not scanned by the scanning mechanism 11. As a result, liquid movement that occurs during scanning is reduced.
  • the gap between the through hole 122 and the holder 16 is waterproof and sealed with an elastic member 123.
  • the elastic member 123 is deformed according to a change in the distance between the through hole 122 and the holder 16, so that the gap between the through hole 122 and the holder 16 is reduced. Waterproofness is maintained. As a result, the liquid does not enter the inside of the casing constituted by the support body 121 and the optical transmission plate 120.
  • the optical transmission plate 120 is not scanned in any scanning along the X axis, the Y axis, and the Z axis. Therefore, the shape of the liquid cell 152 formed by sandwiching the liquid between the sample stage 151 and the optical transmission plate 120 does not change. That is, the boundary surface between the liquid cell 152 and the atmosphere does not move. Further, only a part of the holder 16 and the cantilever chip 1 protrude from the through hole 122 into the liquid. That is, the only objects to be scanned in the liquid of the liquid cell 152 are the minimum necessary members, that is, the small holder 16 and the cantilever chip 1. Therefore, the contact area and volume where the liquid cell and the scanning object come into contact can be reduced, and the vibration of the liquid generated during scanning can be reduced.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment In order to reduce the vibration of the liquid that occurs during scanning, it is effective to reduce the volume of the scanning object existing in the liquid and the contact area between the scanning object and the liquid. Therefore, in the scanning probe microscope of the present embodiment, compared with the scanning mechanism of US Pat. No. 8,087,288, partial vibrations and convection of the liquid that occur during scanning are reduced. As a result, the scanning probe microscope of the present embodiment can perform observation with high accuracy.
  • an AFM capable of high-speed scanning capable of observing the movement of a biological sample has been desired.
  • the goal is to obtain one screen within 1 second, preferably within 0.1 second.
  • the X-axis direction is the high-speed direction of raster scanning
  • the Y-axis direction is the low-speed direction of raster scanning
  • an image of 100 pixels in the X-axis direction and 100 pixels in the Y-axis direction is captured in 0.1 seconds
  • scanning in the X-axis direction The frequency is 1 kHz
  • the scanning frequency in the Y-axis direction is 10 Hz
  • the scanning frequency in the Z-axis direction is 100 kHz or more. This is a speed corresponding to 10 to 100 times that of the conventional AFM.
  • the cantilever 3 is raster scanned at a high speed along the X axis and at a low speed along the Y axis. As described above, the cantilever 3 is disposed such that its longitudinal direction is along the Y axis, as shown in FIG.
  • the magnitude of the viscous resistance generated during scanning along the Y axis is proportional to the product of the area Sy projected on the XZ plane of the lever surface of the cantilever 3 and the scanning frequency fy.
  • the magnitude of the viscous resistance generated during scanning along the X axis is proportional to the product of the area Sx projected on the YZ plane on the side surface of the cantilever 3 and the scanning frequency fx.
  • the cantilever 3 is held at an angle of 12 ° with respect to the sample surface, the cantilever 3 has a length of 10 ⁇ m, a base width of 4 ⁇ m, and a thickness of 0.1 ⁇ m (cantilever used for high-speed observation in liquid)
  • the magnitude of the viscous resistance generated during the scanning along the longitudinal direction (Y-axis direction) of the cantilever 3 is four times as large as the scanning along the X-axis. Further, since the cantilever 3 is shaped so as to be easily deformed with respect to the force along the Y axis and difficult to deform with respect to the force along the X axis, The amount of deformation of the cantilever 3 that occurs during scanning along is much greater than four times compared to scanning along the X axis.
  • the scanning frequency in the X-axis direction reaches 1 kHz, so that there is a problem that the influence of the viscous resistance of the liquid becomes particularly large.
  • This scanning probe microscope is particularly effective when high-speed scanning is required because the vibration of the liquid generated during scanning can be reduced.
  • the optical transmission plate 120 is directly fixed to the support 121 that supports the scanning mechanism 11, but may be indirectly fixed to the support 121 through another member.
  • FIG. 15A and 16B The scanning probe microscope of this embodiment is shown in FIG.
  • the probe microscope head is shown in FIGS. 15, 16A and 16B. 14, 15, 16 A and 16 B, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIGS. 11, 12, 13 A and 13 B are the same members. Omitted.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment is different from the scanning probe microscope of the third embodiment in the probe microscope head.
  • the probe microscope head 100 ⁇ / b> A according to this embodiment is different from the probe microscope head 100 according to the third embodiment in a housing that houses the scanning mechanism 11.
  • the housing that houses the scanning mechanism 11 is composed of a basic housing 125 and an optical transmission plate 129.
  • the probe microscope head 100A of the present embodiment has a configuration in which the support 121 and the optical transmission plate 120 of the probe microscope head 100 of the third embodiment are replaced with the basic casing 125 and the optical transmission plate 129.
  • the basic casing 125 includes a peripheral wall portion 125a that surrounds the scanning mechanism 11 and a bottom portion 125b that closes the lower end of the peripheral wall portion 125a.
  • the bottom portion 125 b is provided with a through hole 126, and the holder 16 extends through the through hole 126.
  • the gap between the holder 16 and the through hole 126 is waterproof and sealed with an elastic member 128.
  • a part of the holder 16 and the cantilever chip 1 protrude into the liquid cell 152 through the through hole 126.
  • the elastic member 128 is made of a soft and waterproof adhesive such as silicone rubber. In FIG. 15, a part of the holder 16 protrudes into the liquid cell 152, but the entire holder 16 may protrude into the liquid cell 152.
  • the optical transmission plate 129 is an optically transparent plate made of glass or resin and closes the through hole 127.
  • the optical transmission plate 129 is bonded and fixed to the bottom 125b so that waterproofness is maintained.
  • the through hole 127 and the optical transmission plate 129 constitute an optical transmission unit that transmits the detection lights 34 a and 34 b for detecting the displacement of the cantilever 3.
  • the bottom 125b and the optical transmission plate 129 constitute a liquid contact member having an optical transmission part.
  • the bottom 125b and the optical transmission plate 129 are arranged in contact with the liquid in the sample stage 151, and form a liquid cell 152 for measuring the sample 150 in a liquid environment by sandwiching the liquid together with the sample stage 151. That is, the bottom portion 125b and the optical transmission plate 129 include a cell forming portion that forms the liquid cell 152 together with the sample stage 151.
  • a liquid contact member including a part of the holder 16 and the cantilever chip 1
  • a liquid boundary surface contact surface
  • sample stage 151 and a liquid boundary surface, each including a bottom 125b and an optical transmission plate 129.
  • the shape of the region of the liquid cell 152 is defined by the (contact surface) and the boundary surface between the atmosphere and the liquid.
  • the cantilever chip 1 is held by the holder 16 so that the longitudinal direction of the cantilever 3 is along the Y axis, for example, as shown in FIG. 16B.
  • the thus configured scanning probe microscope of this embodiment has the same advantages as the scanning probe microscope of the third embodiment, and also has the following advantages.
  • the optical transmission plate 120 in the probe microscope head 100 of the third embodiment is formed of, for example, glass or resin. Glass is easy to break (easy to chip). Also, the resin is likely to deteriorate over time. These influences increase as the size (area) of the optical transmission plate 120 increases. On the other hand, in the probe microscope head 100A of this embodiment, since the area of the optical transmission plate 129 is small, the above-described influence can be reduced.
  • the member that forms the liquid cell together with the sample stage 151 is constituted by a part of the basic casing 125, that is, the bottom 125b.
  • the present invention is not limited to this. You may be comprised with the plate-shaped member fixed to the body 125. FIG.
  • the displacement sensor of the cantilever 3 is an optical lever type optical displacement sensor.
  • a piezoresistive element is mounted on the cantilever 3. Then, a self-detecting cantilever that detects the displacement of the cantilever 3 itself may be used.
  • SYMBOLS 1 ... Cantilever chip, 2 ... Substrate, 3 ... Cantilever, 4 ... Probe, 10, 10A ... Probe microscope head, 11 ... Scanning mechanism, 12 ... XY movable part, 13 ... X actuator, 14 ... Y actuator, 15 ... Z actuator, 16 ... holder, 20 ... optical transmission plate, 21 ... support, 22 ... through hole, 23 ... elastic member, 25 ... basic casing, 25a ... peripheral wall part, 25b ... bottom part, 26, 27 ... through hole, DESCRIPTION OF SYMBOLS 28 ... Elastic member, 29 ... Optical transmission board, 31 ... Light source, 32 ... Condensing element, 33 ...

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Abstract

　走査型プローブ顕微鏡のプローブ顕微鏡ヘッド１０は、カンチレバーチップ１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構１１と、液体に接触して配置される光学透過板２０を備えている。光学透過板２０は、カンチレバーチップ１のカンチレバーの変位を検出するための検出光を透過し、走査機構１１によって走査されない。

Description

走査型プローブ顕微鏡
　本発明は、走査型プローブ顕微鏡の走査機構に関する。
　走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、走査機構によって機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などの総称である。走査型プローブ顕微鏡は、機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し、機械的探針を介して所望の試料領域の表面情報を得て、モニターＴＶ上にマッピング表示する。
　なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、機械的探針をその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的探針と試料を相対的に走査する走査機構を主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。カンチレバー上に直径数μｍから数十μｍの光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて変化するのを二分割光ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作をとらえ電気信号として出力する。この出力が一定になるように走査機構をＺ軸方向に制御しながら、同じく走査機構をＸＹ軸方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示する。
　このようなＡＦＭでは、液体中の生物試料を観察する場合、倒立型光学顕微鏡と組み合わせて観察することが一般的である。倒立型光学顕微鏡観察は試料の知見を得るだけでなく、試料の特定部位にカンチレバーを位置決めするときにも有効だからである。このような用途では、様々な生体試料および試料基板に対応できるように、カンチレバーをＸＹＺ軸方向に走査するレバースキャンタイプのＡＦＭを用いることが多い。
　液体中で用いられるレバースキャンタイプのＡＦＭの先行技術としては、米国特許第８０８７２８８号明細書に開示されているものがある。
米国特許第８０８７２８８号明細書
　先行技術のＡＦＭは、液体セルを形成する光学部材をＸＹＺに走査するので、走査の際に、液体セルの形状が、言い換えれば液体と大気との境界面がＸＹＺに動かされてしまう。さらに液体セルの内部に生じる液体の部分的な振動や対流も大きくなる。これらの液体の動きは、液体が粘性体であるため、試料を搭載する試料台などの様々な場所に伝達し、ＡＦＭの測定精度を劣化させる振動ノイズとして影響する。これは、高精度な観察が要求されるＡＦＭにとっては大きな問題である。
　本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、走査の際に生じる液体の動きが低減された走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
　本発明は、試料台に載置された試料を液体の中で測定する走査型プローブ顕微鏡であって、自由端に探針が設けられたカンチレバーを互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構と、少なくとも一部が前記液体に接触して配置される液体接触部材を備えている。前記液体接触部材は、カンチレバーの変位を検出するための検出光を透過する光学透過部を有し、前記走査機構によって走査されない。
　本発明によれば、走査の際に生じる液体の動きが低減された走査型プローブ顕微鏡が提供される。
図１は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。 図２は、図１に示されたプローブ顕微鏡ヘッドを拡大して示している。 図３Ａは、図１と図２に示されたカンチレバーチップの上面図である。 図３Ｂは、図１と図２に示されたカンチレバーチップの側面図である。 図３Ｃは、図１と図２に示されたカンチレバーチップの下面図である。 図４Ａは、カンチレバーチップがホルダから外された状態の図２のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。 図４Ｂは、カンチレバーチップがホルダに固定された状態の図２のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。 図５は、ＸＹ可動部がＹ軸に沿って－方向に走査された様子を示している。 図６は、カンチレバーの長手方向と走査軸の配置関係を示している。 図７Ａは、カンチレバーがその長手方向に走査された際に生じるカンチレバーの変形を示している。 図７Ｂは、カンチレバーがその長手方向に走査された際に生じるカンチレバーの変形を示している。 図８は、第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。 図９は、図８に示されたプローブ顕微鏡ヘッドを拡大して示している。 図１０Ａは、カンチレバーチップがホルダから外された状態の図８のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。 図１０Ｂは、カンチレバーチップがホルダに固定された状態の図８のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。 図１１は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。 図１２は、図１１に示されたプローブ顕微鏡ヘッドを拡大して示している。 図１３Ａは、カンチレバーチップがホルダから外された状態の図１１のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。 図１３Ｂは、カンチレバーチップがホルダに固定された状態の図１１のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。 図１４は、第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。 図１５は、図１４に示されたプローブ顕微鏡ヘッドを拡大して示している。 図１６Ａは、カンチレバーチップがホルダから外された状態の図１４のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。 図１６Ｂは、カンチレバーチップがホルダに固定された状態の図１４のプローブ顕微鏡ヘッドを液体セルの側から見た図である。
　以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。
　＜第一実施形態＞
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、図１に示すように、光学顕微鏡である倒立型光学顕微鏡に搭載される。
　倒立型光学顕微鏡は、顕微鏡筐体５４と、顕微鏡ステージ５３と、対物レンズ５５と、レボルバー５６と、落射照明光源５７を備えている。顕微鏡ステージ５３上には、スライドガラス等の試料台５１が載置され、試料台５１上に試料５０が保持される。倒立型光学顕微鏡は、主に、試料５０の液中光学観察に用いられる。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、試料台５１に載置された試料５０を液体の中で測定するものであり、プローブ顕微鏡ヘッド１０と、プローブ顕微鏡ヘッド１０を制御するコントローラ４０と、プローブ顕微鏡ヘッド１０によって得られる情報を処理するコンピュータ４１を備えている。プローブ顕微鏡ヘッド１０は、図示しない支柱により、顕微鏡ステージ５３の上方に支持されている。
　図２に示すように、プローブ顕微鏡ヘッド１０は、カンチレバーチップ１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構１１と、走査機構１１を支持している支持体２１と、支持体２１に支持された光学透過板２０を備えている。
　走査機構１１は、カンチレバーチップ１を保持するホルダ１６と、ホルダ１６をＺ軸に沿って移動させるＺアクチュエータ１５と、Ｚアクチュエータ１５を保持するＸＹ可動部１２と、ＸＹ可動部１２をＸ軸に沿って移動させるＸアクチュエータ１３と、ＸＹ可動部１２をＹ軸に沿って移動させるＹアクチュエータ１４を備えている。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は、カンチレバーチップ１をＸ軸とＹ軸に沿ってラスター走査するＸＹスキャナを構成している。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４とＺアクチュエータ１５は、例えば積層型圧電素子で構成されている。
　支持体２１は、例えば枠形状をしており、走査機構１１は、支持体２１の内側に配置され、Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は共に支持体２１に固定されている。
　光学透過板２０は、支持体２１の下端に固定されており、枠形状の支持体２１の下端の開口を塞いでいる。光学透過板２０は、光学的に透明な板であり、例えばガラスまたは樹脂により形成されている。支持体２１と光学透過板２０は、走査機構１１を収容する筐体を構成している。支持体２１と光学透過板２０は、接着またはねじ締結によって固定されている。
　光学透過板２０は、光学透過部を備えた液体接触部材であって、試料台５１上の液体に接触して配置され、試料台５１と共に液体を挟んで試料５０を液中環境下で測定するための液体セル５２を形成する。つまり、光学透過板２０は、試料台５１と共に液体セル５２を形成するセル形成部を含んでいる。
　光学透過板２０は貫通穴２２を有しており、ホルダ１６は貫通穴２２を通って延びている。ホルダ１６と貫通穴２２の隙間は弾性部材２３で防水シールされている。ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１は、貫通穴２２を通って液体セル５２の中に突出している。弾性部材２３は、例えばシリコーンゴム等の柔らかく防水に適した接着剤で構成される。図２では、ホルダ１６の一部が液体セル５２の中に突出しているが、ホルダ１６の全体が液体セル５２の中に突出してもよい。
　なお、本明細書において液体セル５２とは、試料を液中で測定するための、液体で満たされた空間領域（環境領域）のことである。さらに液体セル５２の形成とは、液体セル５２の領域の形状を決めることであり、本実施形態においては、液体と光学透過板２０（ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１を含む）の境界面（接触面）と、液体と試料台５１の境界面（接触面）と、液体と大気の境界面とで、液体セル５２の領域の形状を定めている。
　カンチレバーチップ１は、図３Ａと図３Ｂと図３Ｃに示すように、サブストレート２と、サブストレート２に支持されたカンチレバー３と、カンチレバー３の自由端に設けられた探針４を備えている。カンチレバーチップ１は、走査機構１１のホルダ１６に保持される。詳しくは、ＸＹ平面に対してサブストレート２の傾斜角が、５度ないし１５度、望ましくは１０度ないし１５度となるようにサブストレート２が保持される。サブストレート２は、例えばワックス等の接着剤でホルダ１６に固定される。
　カンチレバーチップ１は、例えば図４Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向がＹ軸に沿うようにホルダ１６に保持される。
　ホルダ１６は、例えばセラミックやアルミ等の軽量で固い材料にて形成されている。またホルダ１６は、その体積が、サブストレート２の体積の３倍以下、望ましくは２倍以下となるよう小型に形成されている。例えば、サブストレート２の大きさが３ｍｍ×１．６ｍｍ×０．３ｍｍ（現在販売されている標準的なサイズ）とすると、サブストレート２の体積は、１．４４ｍｍ３となる。この場合、ホルダ１６のサイズは、４．３２ｍｍ３以下、望ましくは２．８８ｍｍ３以下となる。
　再び図２を参照すると、プローブ顕微鏡ヘッド１０はまた、カンチレバー３の変位を検出するためのほぼ平行光の検出光３４ａを出射する光源３１と、光源３１からの検出光３４ａをカンチレバー３上に集光するとともにカンチレバー３で反射された検出光をほぼ平行光の検出光３４ｂを戻す集光素子３２と、検出光３４ｂの入射位置の変化を検出する分割ディテクタ３３を有している。光源３１と集光素子３２と分割ディテクタ３３は、カンチレバーチップ１のカンチレバー３の変位を検出する変位センサーを構成している。この変位センサーは、例えば、走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこ式の光学式変位センサーである。
　光学透過板２０は、それ自体が光学的に透明であり、カンチレバー３の変位を検出するための検出光３４ａ，３４ｂを透過する。集光素子３２を通過した検出光３４ａは光学透過板２０を透過してカンチレバー３に入射され、カンチレバー３で反射された検出光３４ｂは光学透過板２０を透過して集光素子３２に入射する。
　光源３１と分割ディテクタ３３は、図示しない筐枠に保持されている。また集光素子３２は、走査機構１１のＸＹ可動部１２に固定されており、走査機構１１によってカンチレバーチップ１と一緒に走査される。集光素子３２は、例えば単レンズで構成される。集光素子３２は、カンチレバー３上の集光スポット径が数μｍ以下となるように、ＮＡ＝０．４以上の光学特性を備えている。さらに集光素子３２は、高速走査に適したサイズ、例えば径が１０ｍｍ以下、望ましくは５ｍｍ以下の小型軽量のものが使用される。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。
　光源３１から出射されたほぼ平行光の検出光３４ａは、集光素子３２によって集光され、光学透過板２０を介してカンチレバー３に照射され、カンチレバー３上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。
　カンチレバー３で反射された検出光３４ｂは、光学透過板２０を介して集光素子３２を通ることによりほぼ平行光に戻って分割ディテクタ３３に入射する。分割ディテクタ３３上における検出光３４ｂの入射位置はカンチレバー３のＺ変位に応じて変化する。分割ディテクタ３３は、このカンチレバー３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ４０に出力する。
　コントローラ４０は、Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４にラスター走査のための走査信号を供給する。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は、コントローラ４０からの走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＸＹ平面内でラスター走査する。詳しくは、Ｘアクチュエータ１３に、ラスター走査の高速軸に対応した周波数の高い走査信号を供給すると同時に、Ｙアクチュエータ１４に、ラスター走査の低速軸に対応した周波数の低い走査信号を供給する。Ｘアクチュエータ１３は、コントローラ４０からの周波数の高い走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＸ軸に沿って高速でラスター走査する。Ｙアクチュエータ１４は、コントローラ４０からの周波数の低い走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＹ軸に沿って低速でラスター走査する。コントローラ４０から出力される走査信号の周波数は、高速軸（Ｘ軸）が１ｋＨｚ以上になる。
　またコントローラ４０は、分割ディテクタ３３からカンチレバー３の変位信号を受けて、それに応じた走査信号をＺアクチュエータ１５へ供給する。Ｚアクチュエータ１５は、コントローラ４０からの走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＺ軸に沿って走査する。
　コンピュータ４１は、カンチレバー３の変位情報と走査機構１１の走査情報とに基づいて試料５０の物理情報を取得し、モニター上に表示する。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、ホルダ１６は走査機構１１によって走査されるが、液体接触部材である光学透過板２０は走査機構１１によって走査されない。つまり、光学透過板２０は走査機構１１によって走査される走査対象物ではない。より詳しくは、光学透過板２０は、Ｘアクチュエータ１３の固定端とＹアクチュエータ１４の固定端と支持体２１を介してつながっているが、各々の動作端とはつながっていない。また、光学透過板２０は、Ｘアクチュエータ１３、Ｙアクチュエータ１４、Ｚアクチュエータ１５によって走査されるホルダ１６とも弾性部材２３を介してつながっているが、弾性部材２３が弾性変形してホルダ１６の動きを吸収するため、光学透過板２０は走査機構１１によって走査されない。その結果、走査の際に生じる液体の動きが低減される。
　このため、ラスター走査の際、光学透過板２０の貫通穴２２とホルダ１６の距離が変化する。一例として、ＸＹ可動部１２がＹ軸に沿って－方向に走査された様子を図５に示す。この場合、図５に示すように、ホルダ１６を基準にして、Ｙ軸に沿った－側では貫通穴２２とホルダ１６が近づき、Ｙ軸に沿った＋側では貫通穴２２とホルダ１６が離れる。貫通穴２２とホルダ１６の隙間は弾性部材２３により防水シールされており、貫通穴２２とホルダ１６の距離の変化に応じて弾性部材２３が変形することにより、貫通穴２２とホルダ１６の隙間の防水性は保たれる。その結果、支持体２１と光学透過板２０で構成された筐体の内部に液体が侵入することはない。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸に沿ったいずれの走査においても、光学透過板２０は走査されない。従って、試料台５１と光学透過板２０に液体が挟まれて形成される液体セル５２の形状は変化しない。すなわち、液体セル５２と大気の境界面は動かない。また、貫通穴２２から液体の中に突出しているのは、ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１だけである。つまり、液体セル５２の液体中で走査される対象物は、必要最低限の部材すなわち小型のホルダ１６とカンチレバーチップ１だけになる。従って、液体セルと走査対象物とが接触する接触面積や体積を減らすことができ、走査の際に生じる液体の振動を低減することができる。
　従来技術の説明の際に紹介した米国特許第８０８７２８８号明細書に開示された走査型プローブ顕微鏡では、本実施形態の光学透過板２０に相当する試料台と共に液体セルを形成する光学部材も走査される。このため、液体セルの形状が変化する。すなわち、液体セルと大気の境界面が動かされる。
　走査の際に生じる液体の振動を低減するためには、液体中に存在する走査対象物の体積および走査対象物と液体の接触面積を減らすことが有効である。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、米国特許第８０８７２８８号明細書の走査機構と比較して、走査の際に生じる液体の部分的な振動や対流が低減される。その結果、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は高精度な観察が可能である。
　近年、生物試料の動く様子を観察できる高速走査が可能なＡＦＭが望まれている。このＡＦＭでは１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得ることが目標となる。
　例えば、Ｘ軸方向をラスター走査の高速方向、Ｙ軸方向をラスター走査の低速方向とし、Ｘ軸方向１００画素、Ｙ軸方向１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、Ｘ軸方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ軸方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ軸方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。これは従来のＡＦＭの１０倍～１００倍に相当する速度である。
　しかしながら液体は粘性体であり、粘性抵抗の大きさは、走査周波数に比例して大きくなるので、走査速度が上がれば、それに比例して液体の振動の影響が増加するという問題がある。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー３は、Ｘ軸に沿って高速に、Ｙ軸に沿って低速にラスター走査される。前述したように、カンチレバー３は、図６に示すように、その長手方向がＹ軸に沿うように配置される。
　図７Ａと図７Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際は、液体の粘性抵抗が生じやすく、それによりカンチレバー３が変形しやすくなる。また液体の対流も大きくなる。粘性抵抗の大きさは、走査周波数に比例する。
　より詳しくは、カンチレバー３の長手方向であるＹ軸に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、カンチレバー３のレバー面のＸＺ平面に投影された面積Ｓｙと走査周波数ｆｙの積に比例する。またＸ軸に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、カンチレバー３の側面のＹＺ平面に投影された面積Ｓｘと走査周波数ｆｘの積に比例する。
　例えば、カンチレバー３は、試料面に対して１２°の角度で保持されており、カンチレバー３の長さを１０μｍ、根元の幅が４μｍ、厚みが０．１μｍ（液中で高速観察に用いられるカンチレバーの大きさの一般的な値）とすると、面積Ｓｙは、１０μｍ×４μｍ×１／２×ｓｉｎ（１２°）＝４．１６μｍ２となり、また面積Ｓｘは、１０μｍ×０．１μｍ＝１μｍ２となる。面積Ｓｙは、面積Ｓｘと比較して４倍大きいことがわかる。従って、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、Ｘ軸に沿った走査と比較して、４倍も大きくなる。さらにカンチレバー３は、Ｙ軸に沿った力に対しては変形しやすく、Ｘ軸に沿った力に対しては変形しにくい形状をしているので、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際に生じるカンチレバー３の変形量は、Ｘ軸に沿った走査と比較して、４倍よりもはるかに大きくなる。
　この走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー３の長手方向が低速のＹ軸方向に沿うようにカンチレバーチップ１がホルダ１６に保持されるので、液体の粘性抵抗により生じる影響が低く抑えられる。これにより、より高精度な走査が可能になる。
　生物試料の動く様子を観察する高速走査が可能なＡＦＭにおいては、Ｘ軸方向の走査周波数が１ｋＨｚに達するので、液体の粘性抵抗の影響が特に大きくなるという問題がある。
　この走査型プローブ顕微鏡においては、走査の際に生じる液体の振動を低減できるので、高速走査を必要とする場合に、特に効果がある。
　本実施形態では、光学透過板２０は、走査機構１１を支持する支持体２１に直接固定されているが、他の部材を介して支持体２１に間接的に固定されてもよい。
　＜第二実施形態＞
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図８に示す。またそのプローブ顕微鏡ヘッドを図９と図１０Ａと図１０Ｂに示す。これらの図８と図９と図１０Ａと図１０Ｂにおいて、図１と図２と図４Ａと図４Ｂに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
　図８に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と比較して、プローブ顕微鏡ヘッドが相違している。図９に示すように、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０Ａは、第一実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０と比較して、走査機構１１を収容する筐体に違いがある。プローブ顕微鏡ヘッド１０Ａでは、走査機構１１を収容する筐体は、基本筐体２５と光学透過板２９で構成されている。言い換えれば、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０Ａは、第一実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０の支持体２１と光学透過板２０を、基本筐体２５と光学透過板２９に置き換えた構成となっている。
　基本筐体２５は、走査機構１１を取り囲む周壁部２５ａと、周壁部２５ａの下端を塞いでいる底部２５ｂから構成されている。底部２５ｂには貫通穴２６が設けられており、ホルダ１６は貫通穴２６を通って延びている。ホルダ１６と貫通穴２６の隙間は弾性部材２８で防水シールされている。ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１は、貫通穴２６を通って液体セル５２の中に突出している。弾性部材２８は、例えばシリコーンゴム等の柔らかく防水に適した接着剤で構成される。図９では、ホルダ１６の一部が液体セル５２の中に突出しているが、ホルダ１６の全体が液体セル５２の中に突出してもよい。
　さらに基本筐体２５の底部２５ｂには、別の貫通穴２７が設けられている。光学透過板２９は、ガラスまたは樹脂により形成された光学的に透明な板であり、貫通穴２７を塞いでいる。光学透過板２９は、防水性が保たれるように底部２５ｂに接着固定されている。貫通穴２７と光学透過板２９は、カンチレバー３の変位を検出するための検出光３４ａ，３４ｂを透過する光学透過部を構成している。
　底部２５ｂと光学透過板２９とで、光学透過部を備えた液体接触部材を構成している。底部２５ｂと光学透過板２９は、試料台５１上の液体に接触して配置され、試料台５１と共に液体を挟んで試料５０を液中環境下で測定するための液体セル５２を形成する。つまり、底部２５ｂと光学透過板２９は、試料台５１と共に液体セル５２を形成するセル形成部を含んでいる。本実施形態においては、底部２５ｂと光学透過板２９から成る液体接触部材（ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１を含む）と液体の境界面（接触面）と、試料台５１と液体の境界面（接触面）と、大気と液体の境界面とで、液体セル５２の領域の形状を定めている。
　カンチレバーチップ１は、例えば図１０Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向がＹ軸に沿うようにホルダ１６に保持される。
　このように構成された本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同等の利点を有するほか、次の利点も有する。
　第一実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０における光学透過板２０は、例えばガラスまたは樹脂により形成されている。ガラスは割れやすい（欠けやすい）。また樹脂は経年劣化が起きやすい。これらは、光学透過板２０の大きさ（面積）が大きくなるほど影響が大きくなる。一方、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１０Ａでは、光学透過板２９の面積が小さいので、上述した影響を小さくできる。
　本実施形態では、試料台５１と共に液体セルを形成する部材が、基本筐体２５の一部すなわち底部２５ｂで構成されているが、これに限らず、走査機構１１によって走査されない部材、例えば基本筐体２５に固定された板状の部材で構成されてもよい。
　＜第三実施形態＞
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、図１１に示すように、光学顕微鏡である倒立型光学顕微鏡に搭載される。
　倒立型光学顕微鏡は、顕微鏡筐体５４と、顕微鏡ステージ５３と、対物レンズ５５と、レボルバー５６と、落射照明光源５７を備えている。顕微鏡ステージ５３上には、ディッシュ等の試料台１５１が載置され、試料台１５１上に試料１５０が保持される。倒立型光学顕微鏡は、主に、試料１５０の液中光学観察に用いられる。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、試料台１５１に載置された試料１５０を液体の中で測定するものであり、プローブ顕微鏡ヘッド１００と、プローブ顕微鏡ヘッド１００を制御するコントローラ４０と、プローブ顕微鏡ヘッド１００によって得られる情報を処理するコンピュータ４１を備えている。プローブ顕微鏡ヘッド１００は、図示しない支柱により、顕微鏡ステージ５３の上方に支持されている。
　図１２に示すように、プローブ顕微鏡ヘッド１００は、カンチレバーチップ１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構１１と、走査機構１１を支持している支持体１２１と、支持体１２１に支持された光学透過板１２０を備えている。
　走査機構１１は、カンチレバーチップ１を保持するホルダ１６と、ホルダ１６をＺ軸に沿って移動させるＺアクチュエータ１５と、Ｚアクチュエータ１５を保持するＸＹ可動部１２と、ＸＹ可動部１２をＸ軸に沿って移動させるＸアクチュエータ１３と、ＸＹ可動部１２をＹ軸に沿って移動させるＹアクチュエータ１４を備えている。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は、カンチレバーチップ１をＸ軸とＹ軸に沿ってラスター走査するＸＹスキャナを構成している。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４とＺアクチュエータ１５は、例えば積層型圧電素子で構成されている。
　支持体１２１は、例えば凸を逆さにした形状（以下、逆凸形状）をしており、走査機構１１は、支持体１２１の内側に配置され、Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は共に支持体１２１に固定されている。
　光学透過板１２０は、支持体１２１の下端に固定されており、逆凸形状の支持体１２１の下端の開口を塞いでいる。光学透過板１２０は、光学的に透明な板であり、例えばガラスまたは樹脂により形成されている。支持体１２１と光学透過板１２０は、走査機構１１を収容する筐体を構成している。支持体１２１と光学透過板１２０は、接着またはねじ締結によって固定されている。
　光学透過板１２０は、光学透過部を備えた液体接触部材であって、試料台１５１中の液体に接触して配置され、試料台１５１と共に液体を挟んで、試料１５０を液中環境下で測定するための液体セル１５２を形成する。つまり、光学透過板１２０は、試料台１５１と共に液体セル１５２を形成するセル形成部を含んでいる。
　光学透過板１２０は貫通穴１２２を有しており、ホルダ１６は貫通穴１２２を通って延びている。ホルダ１６と貫通穴１２２の隙間は弾性部材１２３で防水シールされている。ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１は、貫通穴１２２を通って液体セル１５２の中に突出している。弾性部材１２３は、例えばシリコーンゴム等の柔らかく防水に適した接着剤で構成される。図１２では、ホルダ１６の一部が液体セル１５２の中に突出しているが、ホルダ１６の全体が液体セル１５２の中に突出してもよい。
　なお、本明細書において液体セル１５２とは、試料を液中で測定するための、液体で満たされた空間領域（環境領域）のことである。さらに液体セル１５２の形成とは、液体セル１５２の領域の形状を決めることであり、本実施形態においては、液体と光学透過板１２０（ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１を含む）の境界面（接触面）と、液体と試料台１５１の境界面（接触面）と、液体と大気の境界面とで、液体セル１５２の領域の形状を定めている。
　カンチレバーチップ１は、図３Ａと図３Ｂと図３Ｃに示すように、サブストレート２と、サブストレート２に支持されたカンチレバー３と、カンチレバー３の自由端に設けられた探針４を備えている。カンチレバーチップ１は、走査機構１１のホルダ１６に保持される。詳しくは、ＸＹ平面に対してサブストレート２の傾斜角が、５度ないし１５度、望ましくは１０度ないし１５度となるようにサブストレート２が保持される。サブストレート２は、例えばワックス等の接着剤でホルダ１６に固定される。
　カンチレバーチップ１は、例えば図１３Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向がＹ軸に沿うようにホルダ１６に保持される。
　ホルダ１６は、例えばセラミックやアルミ等の軽量で固い材料にて形成されている。またホルダ１６は、その体積が、サブストレート２の体積の３倍以下、望ましくは２倍以下となるよう小型に形成されている。例えば、サブストレート２の大きさが３ｍｍ×１．６ｍｍ×０．３ｍｍ（現在販売されている標準的なサイズ）とすると、サブストレート２の体積は、１．４４ｍｍ３となる。この場合、ホルダ１６のサイズは、４．３２ｍｍ３以下、望ましくは２．８８ｍｍ３以下となる。
　再び図１２を参照すると、プローブ顕微鏡ヘッド１００はまた、カンチレバー３の変位を検出するためのほぼ平行光の検出光３４ａを出射する光源３１と、光源３１からの検出光３４ａをカンチレバー３上に集光するとともにカンチレバー３で反射された検出光をほぼ平行光の検出光３４ｂを戻す集光素子３２と、検出光３４ｂの入射位置の変化を検出する分割ディテクタ３３を有している。光源３１と集光素子３２と分割ディテクタ３３は、カンチレバーチップ１のカンチレバー３の変位を検出する変位センサーを構成している。この変位センサーは、例えば、走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこ式の光学式変位センサーである。
　光学透過板１２０は、それ自体が光学的に透明であり、カンチレバー３の変位を検出するための検出光３４ａ，３４ｂを透過する。集光素子３２を通過した検出光３４ａは光学透過板１２０を透過してカンチレバー３に入射され、カンチレバー３で反射された検出光３４ｂは光学透過板１２０を透過して集光素子３２に入射する。
　光源３１と分割ディテクタ３３は、図示しない筐枠に保持されている。また集光素子３２は、走査機構１１のＸＹ可動部１２に固定されており、走査機構１１によってカンチレバーチップ１と一緒に走査される。集光素子３２は、例えば単レンズで構成される。集光素子３２は、カンチレバー３上の集光スポット径が数μｍ以下となるように、ＮＡ＝０．４以上の光学特性を備えている。さらに集光素子３２は、高速走査に適したサイズ、例えば径が１０ｍｍ以下、望ましくは５ｍｍ以下の小型軽量のものが使用される。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。
　光源３１から出射されたほぼ平行光の検出光３４ａは、集光素子３２によって集光され、光学透過板１２０を介してカンチレバー３に照射され、カンチレバー３上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。
　カンチレバー３で反射された検出光３４ｂは、光学透過板１２０を介して集光素子３２を通ることによりほぼ平行光に戻って分割ディテクタ３３に入射する。分割ディテクタ３３上における検出光３４ｂの入射位置はカンチレバー３のＺ変位に応じて変化する。分割ディテクタ３３は、このカンチレバー３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ４０に出力する。
　コントローラ４０は、Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４にラスター走査のための走査信号を供給する。Ｘアクチュエータ１３とＹアクチュエータ１４は、コントローラ４０からの走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＸＹ平面内でラスター走査する。詳しくは、Ｘアクチュエータ１３に、ラスター走査の高速軸に対応した周波数の高い走査信号を供給すると同時に、Ｙアクチュエータ１４に、ラスター走査の低速軸に対応した周波数の低い走査信号を供給する。Ｘアクチュエータ１３は、コントローラ４０からの周波数の高い走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＸ軸に沿って高速でラスター走査する。Ｙアクチュエータ１４は、コントローラ４０からの周波数の低い走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＹ軸に沿って低速でラスター走査する。コントローラ４０から出力される走査信号の周波数は、高速軸（Ｘ軸）が１ｋＨｚ以上になる。
　またコントローラ４０は、分割ディテクタ３３からカンチレバー３の変位信号を受けて、それに応じた走査信号をＺアクチュエータ１５へ供給する。Ｚアクチュエータ１５は、コントローラ４０からの走査信号を受けて、カンチレバーチップ１をＺ軸に沿って走査する。
　コンピュータ４１は、カンチレバー３の変位情報と走査機構１１の走査情報とに基づいて試料５０の物理情報を取得し、モニター上に表示する。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、ホルダ１６は走査機構１１によって走査されるが、液体接触部材である光学透過板１２０は走査機構１１によって走査されない。つまり、光学透過板１２０は走査機構１１によって走査される走査対象物ではない。より詳しくは、光学透過板１２０は、Ｘアクチュエータ１３の固定端とＹアクチュエータ１４の固定端と支持体１２１を介してつながっているが、各々の動作端とはつながっていない。また、光学透過板１２０は、Ｘアクチュエータ１３、Ｙアクチュエータ１４、Ｚアクチュエータ１５によって走査されるホルダ１６とも弾性部材１２３を介してつながっているが、弾性部材１２３が弾性変形してホルダ１６の動きを吸収するため、光学透過板１２０は走査機構１１によって走査されない。その結果、走査の際に生じる液体の動きが低減される。
　貫通穴１２２とホルダ１６の隙間は弾性部材１２３により防水シールされており、貫通穴１２２とホルダ１６の距離の変化に応じて弾性部材１２３が変形することにより、貫通穴１２２とホルダ１６の隙間の防水性は保たれる。その結果、支持体１２１と光学透過板１２０で構成された筐体の内部に液体が侵入することはない。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸に沿ったいずれの走査においても、光学透過板１２０は走査されない。従って、試料台１５１と光学透過板１２０に液体が挟まれて形成される液体セル１５２の形状は変化しない。すなわち、液体セル１５２と大気の境界面は動かない。また、貫通穴１２２から液体の中に突出しているのは、ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１だけである。つまり、液体セル１５２の液体中で走査される対象物は、必要最低限の部材すなわち小型のホルダ１６とカンチレバーチップ１だけになる。従って、液体セルと走査対象物とが接触する接触面積や体積を減らすことができ、走査の際に生じる液体の振動を低減することができる。
　従来技術の説明の際に紹介した米国特許第８０８７２８８号明細書に開示された走査型プローブ顕微鏡では、本実施形態の光学透過板１２０に相当する試料台と共に液体セルを形成する光学部材も走査される。このため、液体セルの形状が変化する。すなわち、液体セルと大気の境界面が動かされる。
　走査の際に生じる液体の振動を低減するためには、液体中に存在する走査対象物の体積および走査対象物と液体の接触面積を減らすことが有効である。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、米国特許第８０８７２８８号明細書の走査機構と比較して、走査の際に生じる液体の部分的な振動や対流が低減される。その結果、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は高精度な観察が可能である。
　近年、生物試料の動く様子を観察できる高速走査が可能なＡＦＭが望まれている。このＡＦＭでは１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得ることが目標となる。
　例えば、Ｘ軸方向をラスター走査の高速方向、Ｙ軸方向をラスター走査の低速方向とし、Ｘ軸方向１００画素、Ｙ軸方向１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、Ｘ軸方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ軸方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ軸方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。これは従来のＡＦＭの１０倍～１００倍に相当する速度である。
　しかしながら液体は粘性体であり、粘性抵抗の大きさは、走査周波数に比例して大きくなるので、走査速度が上がれば、それに比例して液体の振動の影響が増加するという問題がある。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー３は、Ｘ軸に沿って高速に、Ｙ軸に沿って低速にラスター走査される。前述したように、カンチレバー３は、図６に示すように、その長手方向がＹ軸に沿うように配置される。
　図７Ａと図７Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際は、液体の粘性抵抗が生じやすく、それによりカンチレバー３が変形しやすくなる。また液体の対流も大きくなる。粘性抵抗の大きさは、走査周波数に比例する。
　より詳しくは、カンチレバー３の長手方向であるＹ軸に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、カンチレバー３のレバー面のＸＺ平面に投影された面積Ｓｙと走査周波数ｆｙの積に比例する。またＸ軸に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、カンチレバー３の側面のＹＺ平面に投影された面積Ｓｘと走査周波数ｆｘの積に比例する。
　例えば、カンチレバー３は、試料面に対して１２°の角度で保持されており、カンチレバー３の長さを１０μｍ、根元の幅が４μｍ、厚みが０．１μｍ（液中で高速観察に用いられるカンチレバーの大きさの一般的な値）とすると、面積Ｓｙは、１０μｍ×４μｍ×１／２×ｓｉｎ（１２°）＝４．１６μｍ２となり、また面積Ｓｘは、１０μｍ×０．１μｍ＝１μｍ２となる。面積Ｓｙは、面積Ｓｘと比較して４倍大きいことがわかる。従って、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際に生じる粘性抵抗の大きさは、Ｘ軸に沿った走査と比較して、４倍も大きくなる。さらにカンチレバー３は、Ｙ軸に沿った力に対しては変形しやすく、Ｘ軸に沿った力に対しては変形しにくい形状をしているので、カンチレバー３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿った走査の際に生じるカンチレバー３の変形量は、Ｘ軸に沿った走査と比較して、４倍よりもはるかに大きくなる。
　この走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー３の長手方向が低速のＹ軸方向に沿うようにカンチレバーチップ１がホルダ１６に保持されるので、液体の粘性抵抗により生じる影響が低く抑えられる。これにより、より高精度な走査が可能になる。
　生物試料の動く様子を観察する高速走査が可能なＡＦＭにおいては、Ｘ軸方向の走査周波数が１ｋＨｚに達するので、液体の粘性抵抗の影響が特に大きくなるという問題がある。
　この走査型プローブ顕微鏡においては、走査の際に生じる液体の振動を低減できるので、高速走査を必要とする場合に、特に効果がある。
　本実施形態では、光学透過板１２０は、走査機構１１を支持する支持体１２１に直接固定されているが、他の部材を介して支持体１２１に間接的に固定されてもよい。
　＜第四実施形態＞
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡を図１４に示す。またそのプローブ顕微鏡ヘッドを図１５と図１６Ａと図１６Ｂに示す。これらの図１４と図１５と図１６Ａと図１６Ｂにおいて、図１１と図１２と図１３Ａと図１３Ｂに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
　図１４に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と比較して、プローブ顕微鏡ヘッドが相違している。図１５に示すように、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００Ａは、第三実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００と比較して、走査機構１１を収容する筐体に違いがある。プローブ顕微鏡ヘッド１００Ａでは、走査機構１１を収容する筐体は、基本筐体１２５と光学透過板１２９で構成されている。言い換えれば、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００Ａは、第三実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００の支持体１２１と光学透過板１２０を、基本筐体１２５と光学透過板１２９に置き換えた構成となっている。
　基本筐体１２５は、走査機構１１を取り囲む周壁部１２５ａと、周壁部１２５ａの下端を塞いでいる底部１２５ｂから構成されている。底部１２５ｂには貫通穴１２６が設けられており、ホルダ１６は貫通穴１２６を通って延びている。ホルダ１６と貫通穴１２６の隙間は弾性部材１２８で防水シールされている。ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１は、貫通穴１２６を通って液体セル１５２の中に突出している。弾性部材１２８は、例えばシリコーンゴム等の柔らかく防水に適した接着剤で構成される。図１５では、ホルダ１６の一部が液体セル１５２の中に突出しているが、ホルダ１６の全体が液体セル１５２の中に突出してもよい。
　さらに基本筐体１２５の底部１２５ｂには、別の貫通穴１２７が設けられている。光学透過板１２９は、ガラスまたは樹脂により形成された光学的に透明な板であり、貫通穴１２７を塞いでいる。光学透過板１２９は、防水性が保たれるように底部１２５ｂに接着固定されている。貫通穴１２７と光学透過板１２９は、カンチレバー３の変位を検出するための検出光３４ａ，３４ｂを透過する光学透過部を構成している。
　底部１２５ｂと光学透過板１２９とで、光学透過部を備えた液体接触部材を構成している。底部１２５ｂと光学透過板１２９は、試料台１５１中の液体に接触して配置され、試料台１５１と共に液体を挟んで、試料１５０を液中環境下で測定するための液体セル１５２を形成する。つまり、底部１２５ｂと光学透過板１２９は、試料台１５１と共に液体セル１５２を形成するセル形成部を含んでいる。本実施形態においては、底部１２５ｂと光学透過板１２９から成る液体接触部材（ホルダ１６の一部とカンチレバーチップ１を含む）と液体の境界面（接触面）と、試料台１５１と液体の境界面（接触面）と、大気と液体の境界面とで、液体セル１５２の領域の形状を定めている。
　カンチレバーチップ１は、例えば図１６Ｂに示すように、カンチレバー３の長手方向がＹ軸に沿うようにホルダ１６に保持される。
　このように構成された本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同等の利点を有するほか、次の利点も有する。
　第三実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００における光学透過板１２０は、例えばガラスまたは樹脂により形成されている。ガラスは割れやすい（欠けやすい）。また樹脂は経年劣化が起きやすい。これらは、光学透過板１２０の大きさ（面積）が大きくなるほど影響が大きくなる。一方、本実施形態のプローブ顕微鏡ヘッド１００Ａでは、光学透過板１２９の面積が小さいので、上述した影響を小さくできる。
　本実施形態では、試料台１５１と共に液体セルを形成する部材が、基本筐体１２５の一部すなわち底部１２５ｂで構成されているが、これに限らず、走査機構１１によって走査されない部材、例えば基本筐体１２５に固定された板状の部材で構成されてもよい。
　これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
　実施形態では、カンチレバー３の変位センサーが、光てこ式の光学式変位センサーで構成された例を示したが、このような光学式変位センサーを使用する代わりに、カンチレバー３にピエゾ抵抗素子を実装してカンチレバー３の変位を自ら検出する自己検出型カンチレバーを使用してもよい。
１…カンチレバーチップ、２…サブストレート、３…カンチレバー、４…探針、１０，１０Ａ…プローブ顕微鏡ヘッド、１１…走査機構、１２…ＸＹ可動部、１３…Ｘアクチュエータ、１４…Ｙアクチュエータ、１５…Ｚアクチュエータ、１６…ホルダ、２０…光学透過板、２１…支持体、２２…貫通穴、２３…弾性部材、２５…基本筐体、２５ａ…周壁部、２５ｂ…底部、２６，２７…貫通穴、２８…弾性部材、２９…光学透過板、３１…光源、３２…集光素子、３３…分割ディテクタ、３４ａ…検出光、３４ｂ…検出光、４０…コントローラ、４１…コンピュータ、５０…試料、５１…試料台、５２…液体セル、５３…顕微鏡ステージ、５４…顕微鏡筐体、５５…対物レンズ、５６…レボルバー、５７…落射照明光源、１００，１００Ａ…プローブ顕微鏡ヘッド、１２０…光学透過板、１２１…支持体、１２２…貫通穴、１２３…弾性部材、１２５…基本筐体、１２５ａ…周壁部、１２５ｂ…底部、１２６，１２７…貫通穴、１２８…弾性部材、１２９…光学透過板、１５０…試料、１５１…試料台、１５２…液体セル。

Claims (8)

  1. 　試料台に載置された試料を液体の中で測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
    　自由端に探針が設けられたカンチレバーを互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する走査機構と、
    　前記カンチレバーの変位を検出するための検出光を透過する光学透過部を有し、少なくとも一部が前記液体に接触して配置される液体接触部材と、を備え、
    　前記液体接触部材は、前記走査機構によって走査されない、走査型プローブ顕微鏡。
  2. 　前記走査機構と前記液体接触部材を支持する支持体を備えている、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  3. 　前記液体接触部材は、前記試料台と共に液体セルを形成するセル形成部を含んでいる、請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  4. 　前記走査機構は、前記カンチレバーを含むカンチレバーチップを保持するホルダを備え、
    　前記液体接触部材は貫通穴を有し、前記カンチレバーチップと前記ホルダの少なくとも一部が前記貫通穴を通って前記液体の中に突出している、請求項１～３のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
  5. 　前記貫通穴と前記ホルダの隙間が弾性部材で防水シールされている、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  6. 　前記光学透過部は、前記液体接触部材に設けられた第二の貫通穴と、前記第二の貫通穴を塞ぐ光学透過板から構成されている、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  7. 　前記カンチレバーの変位を検出する変位センサーをさらに備えており、
    　前記変位センサーは、前記走査機構によって前記カンチレバーと一緒に走査される集光素子を含んでいる、請求項１～６のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
  8. 　前記走査機構は、前記カンチレバーを前記Ｘ軸と前記Ｙ軸に沿ってラスター走査するＸＹスキャナを備えており、
    　前記ラスター走査の高速軸を前記Ｘ軸とし、前記ラスター走査の低速軸を前記Ｙ軸としたとき、前記カンチレバーは、その長手方向が前記Ｙ軸に沿うように配置される、請求項１～７のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
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