WO2016189651A1 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

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cantilever
light
unit
scanning probe
probe microscope
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浩 新井
池田　雄一郎
雅人 平出
浩司 渡谷
正道 永井
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Shimadzu Corp
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Shimadzu Corp
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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]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means

Definitions

  • the present invention relates to a scanning probe microscope, and more particularly to a scanning probe microscope including an optical displacement detection system that uses the back surface of a cantilever as an irradiation surface.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a general scanning probe microscope.
  • One direction horizontal to the ground is defined as an X direction
  • a direction horizontal to the ground and perpendicular to the X direction is defined as a Y direction
  • a direction perpendicular to the X direction and the Y direction is defined as a Z direction.
  • the scanning probe microscope 101 includes a housing 10 and a control unit 140 that controls the entire scanning probe microscope 101.
  • a sample mounting table (sample placement unit) 32 on which a sample is placed a cantilever support unit 20 to which the cantilever 21 can be attached and detached, a light source unit 130 that emits laser light, and reflected light are detected.
  • a light detection unit 131 that performs the above-described operation.
  • a CCD camera (imaging device) 33 is disposed on the top of the housing 10 (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • the sample mounting table 32 is installed in the lower part of the housing 10, for example, a circular mounting surface 32a having a diameter of 15 mm in plan view, and a piezo scanner (scanning means) installed in the lower part of the mounting surface 32a. 32b.
  • the piezo scanner 32b is controlled by the control unit 140.
  • the placement surface 32a can be moved in the X direction, the Y direction, and the Z direction with respect to the housing 10 by the piezo scanner 32b. Accordingly, the measurer places the sample on the placement surface 32a and moves the placement surface 32a in the X direction, the Y direction, and the Z direction with respect to the housing 10 using the piezo scanner 32b.
  • the initial position of the sample surface can be adjusted before the sample measurement, and the measurement position on the sample surface can be scanned in the X, Y, and Z directions during the sample measurement.
  • the cantilever 21 is, for example, a plate-like body having a length of 100 ⁇ m, a width of 30 ⁇ m, and a thickness of 0.8 ⁇ m, and a sharp probe 21 a that protrudes downward is formed on the lower surface of the tip portion.
  • the upper surface (rear surface) of the tip of the cantilever 21 is an irradiation surface on which the laser light from the light source unit 130 is irradiated.
  • the other end portion of the cantilever 21 is fixed to the lower end surface of the cantilever support portion 20 with a fixture (not shown).
  • Arbitrary fixing means such as a screw or a spring mechanism can be used as the fixing tool. Therefore, the measurer can select and install one cantilever 21 from a plurality of types of cantilevers 21 according to the sample and the measurement purpose.
  • the cantilever support part 20 is installed in the right part of the housing
  • the measurer attaches the cantilever 21 to the predetermined position on the lower end surface of the support body 22 with the fixture, and uses the support lever to support the housing 10 in the X, Y, and Z directions.
  • the position of the cantilever 21 can be adjusted by moving the main body 22.
  • the light source unit 130 is installed in the upper right part of the housing 10 and includes a laser element 30a that emits laser light and a biaxial positioning stage 130b that moves the laser element 30a.
  • the laser element 30a is movable in the X direction and the Y direction with respect to the housing 10 by the biaxial positioning stage 130b.
  • the laser light emitted from the laser element 30a is emitted substantially toward the left (predetermined direction), is refracted at a right angle by a beam splitter (not shown), and is perpendicular to the emission direction. Irradiated in a circular shape with a diameter of 50 ⁇ m. Accordingly, the measurer can adjust the irradiation position (spot) irradiated with the laser light by moving the laser element 30a with respect to the housing 10 using the biaxial positioning stage 130b. ing.
  • the light detection unit 131 is installed in the upper left part of the housing 10, and includes a quadrant photodetector 31a that detects reflected light reflected from the back surface of the cantilever 21, and two axes that move the quadrant photodetector 31a.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a quadrant photodetector.
  • Quadrant photodetector 31a is square for receiving the light beam (e.g., an area 4 mm 2) and the first photodiode having a first light receiving surface of the second rectangle for receiving the light beam (e.g., an area 4 mm 2)
  • a fourth photodiode having a fourth light receiving surface.
  • first to fourth light receiving surfaces are arranged adjacent to each other in 2 rows and 2 columns and perpendicular to the optical axis of the reflected light. And control the amount of light received in the vertical direction ((I 1 + I 3 )-(I 2 + I 4 )) and the amount of light received in the horizontal direction (((I 1 + I 2 )-(I 3 + I 4 )) Output to the unit 140.
  • such a four-divided photodetector 31a can be moved in the X direction and the Y direction with respect to the housing 10 by the biaxial positioning stage 131b.
  • the reflected light from the back surface of the cantilever 21 is reflected substantially upward to the left, and is irradiated in a circular shape having a diameter of 50 ⁇ m, for example, on a surface perpendicular to the reflection direction.
  • the measurer can adjust the initial position of the reflected light on the light receiving surface before measuring the sample by moving the quadrant photodetector 31a with respect to the housing 10 using the biaxial positioning stage 131b. It can be done. Then, the amount of deflection (displacement) generated in the cantilever 21 by the sample surface during sample measurement is detected by the amount of movement of the reflected light from the initial position on the light receiving surface.
  • the cantilever 21 can be freely attached to and detached from the support portion main body 22 as described above. Therefore, after replacing with another cantilever 21, the position of the laser element 30a is adjusted so that the laser light is irradiated on the irradiation surface of the cantilever 21, and further, the reflected light is irradiated on the center of the light receiving surface. It is necessary to adjust the position of the split photodetector 31a. At this time, since the position of the laser element 30a must be adjusted at a level of 0.1 mm or less, the scanning probe microscope 101 enlarges the vicinity of the tip of the cantilever 21 and the irradiation position (spot) of the laser beam. A CCD camera 33 for observation is provided.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an observation image observed by the CCD camera 33.
  • the measurer moves the laser element 30a in the X direction and the Y direction using the biaxial positioning stage 130b while observing the observation image of the CCD camera 33 so that the irradiation surface of the cantilever 21 is irradiated with the laser light.
  • the irradiation position (spot) irradiated with the laser light is adjusted (light source control step).
  • the measurer makes the reflected light irradiate the center of the light receiving surface of the quadrant photodetector 31a, that is, the amount of light received in the vertical direction ((I 1 + I 3 ) ⁇ (I 2 + I 4 )). ) And the amount of light received in the horizontal direction (((I 1 + I 2 ) ⁇ (I 3 + I 4 )) are 0, respectively, using the biaxial positioning stage 131b, the quadrant photodetector 31a is moved in the X direction. And the Y direction are adjusted to adjust the position where the reflected light is irradiated on the light receiving surface (detection unit control step).
  • the measurer moves the laser element 30a in the X direction and the Y direction using the biaxial positioning stage 130b based on experience and intuition while observing the observation image.
  • the quadrant photodetector 31a is moved in the X direction and the Y direction using the biaxial positioning stage 131b, there is a problem that much time and labor are required.
  • the biaxial positioning stage 130b is manually operated when moving the laser element 30a in the X direction and the Y direction. Since it sways, it was difficult to discriminate movement due to adjustment of the laser element 30a and movement due to sway.
  • the inventors examined an optical axis adjustment method for automatically adjusting the position of the laser element 30a and the position of the quadrant photodetector 31a.
  • a drive mechanism is attached to the light source unit, the light source unit becomes heavier and the center of gravity becomes higher, so it was thought that the SPM image also shakes. The acquisition was found to have no effect. Therefore, an ultrasonic motor or a stepping motor, which is a lighter drive mechanism, is attached to the light source unit.
  • the cantilever support can be mounted by selecting one cantilever from multiple types of cantilevers according to the sample and the purpose of measurement, as in the past.
  • the control unit detects the position of the apex of the cantilever triangle and the irradiation position of the laser beam based on the acquired observation image, and lasers the laser at a predetermined distance from the apex position of the cantilever triangle to the end. It has been found that stage control using an ultrasonic motor or a stepping motor is performed so that the irradiation position of light comes.
  • a scanning probe microscope includes a sample placement portion where a sample is placed, a light source portion that emits laser light in a predetermined direction, a cantilever placed above the sample surface, and a cantilever to which the cantilever is attached.
  • the displacement of the cantilever due to the sample surface is calculated based on a support, a light detection unit having a light receiving surface irradiated with reflected light reflected by the irradiation surface of the cantilever, and a position of the reflected light on the light receiving surface.
  • a scanning probe microscope including a control unit, wherein a stage for moving the light source unit in the XY direction, a tip end portion of the cantilever attached to the cantilever support unit, and an irradiation position of the laser beam are photographed;
  • An imaging device for acquiring an observation image, and the cantilever support portion includes a plurality of types of cantilevers.
  • One selected cantilever can be attached, and when the cantilever is attached to the cantilever support portion, the control unit can detect the position of the feature point of the cantilever based on the observation image. And the irradiation position of the said laser beam is detected, and the light source part control process which controls the said stage so that the said laser beam is irradiated to the said irradiation surface is performed.
  • the “predetermined direction” is predetermined by a designer or the like, and is, for example, the left direction.
  • the scanning probe microscope of the present invention it is possible to automatically adjust the laser light so that the irradiation surface of the cantilever is irradiated.
  • the scanning probe microscope of the present invention further includes a stage for moving the light detection unit in the X and Y directions, and the control unit is configured to detect reflected light detected by the light detection unit after the light source unit control step. You may make it perform the detection part control process which controls the said stage so that the said reflected light is irradiated to the center of the said light-receiving surface based on a position. As described above, according to the scanning probe microscope of the present invention, it is possible to automatically adjust so that the reflected light is applied to the center of the light receiving surface.
  • the characteristic point of the cantilever is the tip of the cantilever.
  • the laser beam is placed at a predetermined distance from the tip of the cantilever to the end. You may make it control the said stage so that it may irradiate.
  • the “predetermined distance” is predetermined by a designer or the like, and is, for example, 1 mm.
  • the schematic block diagram which shows the scanning probe microscope of this invention.
  • the flowchart explaining the optical axis adjustment method The schematic block diagram which shows a general scanning probe microscope.
  • the schematic block diagram which shows 4 division
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a scanning probe microscope of the present invention.
  • the same reference numerals are assigned to the same components as those of the scanning probe microscope 101 described above.
  • the scanning probe microscope 1 includes a housing 10 and a control unit 40 that controls the entire scanning probe microscope 1. Inside the housing 10, a sample mounting table (sample placement unit) 32 on which a sample is placed, a cantilever support unit 20 to which the cantilever 21 can be attached and detached, a light source unit 30 that emits laser light, and reflected light are detected. The light detection unit 31 is arranged.
  • a CCD camera 33 is disposed on the top of the housing 10.
  • the light source unit 30 is installed in the upper right part of the housing 10 and includes a laser element 30a that emits laser light and an ultrasonic motor 30b that moves the laser element 30a (laser element stage).
  • the laser element 30a can be moved in the horizontal / vertical direction with respect to the housing 10 by the ultrasonic motor 30b.
  • the irradiation position (spot) irradiated with laser light can be adjusted by moving the laser element 30a with respect to the housing
  • the light detection unit 31 is installed in the upper left part of the housing 10 and detects the reflected light reflected by the back surface of the cantilever 21 and an ultrasonic wave that moves the four-part photodetector 31a. And a motor 31b.
  • the quadrant photodetector 31a (four-segment photodetector stage) can be moved in the horizontal direction and the vertical direction with respect to the housing 10 by the ultrasonic motor 31b. Thereby, the initial position of the reflected light on the light receiving surface can be adjusted before the sample measurement by moving the quadrant photodetector 31a with respect to the housing 10 using the ultrasonic motor 31b. Yes.
  • the control unit 40 includes a CPU 41, a memory 42, a display device 43, and an operation unit 44. Further, the function processed by the CPU 41 will be described as a block.
  • the image reading unit 41a that acquires the nth observation image from the CCD camera 33, the position of the feature point of the cantilever 21 and the laser beam based on the acquired nth observation image.
  • the m-th light intensity information is acquired from the laser beam difference calculation unit 41b that detects the irradiation position of the laser beam and calculates the positional relationship thereof, the laser axis drive unit 41c that controls the ultrasonic motor 30b, and the quadrant photodetector 31a. It has a detector reading unit 41d, a reflected light difference calculation unit 41e that detects the position of the reflected light based on the acquired m-th light intensity information, and a detector shaft drive unit 41f that controls the ultrasonic motor 31b.
  • a predetermined offset ( ⁇ x, ⁇ y) for determining that the position of the laser beam matches is set and stored.
  • the image reading unit 41a When receiving the input signal “optical axis adjustment” from the operation unit 44, the image reading unit 41a performs control to acquire the nth observation image from the CCD camera 33.
  • the laser beam difference calculation unit 41b performs control to detect the position of the tip (feature point) of the cantilever 21 and the irradiation position of the laser beam based on the nth observation image and calculate the positional relationship. Specifically, the position of the tip (feature point) of the cantilever 21 is detected from the n-th observation image, and the distances x and y in the X / Y direction are calculated from the tip (feature point) of the cantilever 21. Then, it is determined whether or not the laser beam irradiation position exists within the predetermined offset ( ⁇ x, ⁇ y). When it is determined that the laser beam irradiation position does not exist, the distances x and y are set as the moving direction and moving amount of the laser element 30a. .
  • the laser axis driving unit 41c is based on the moving direction and moving amount of the laser element 30a. To control.
  • the detector reading unit 41d acquires the mth light intensity information from the quadrant photodetector 31a when the laser beam difference calculation unit 41b determines that the laser beam irradiation position is within a predetermined offset ( ⁇ x, ⁇ y). Control.
  • the reflected light difference calculation unit 41e performs control to detect the position of the reflected light based on the mth light intensity information I 1m , I 2m , I 3m , and I 4m . Specifically, the position of the reflected light is detected from the m-th light intensity information I 1m , the m-th light intensity information I 2m , the m-th light intensity information I 3m, and the m-th light intensity information I 4m . And the received light amount in the vertical direction ((I 1m + I 3m )-(I 2m + I 4m )) and the received light amount in the horizontal direction (((I 1m + I 2m )-(I 3m + I 4m )) are zero. When it is determined that it is not within the predetermined range, the moving direction and the moving amount of the four-divided photodetector 31a necessary for matching the position of the reflected light and the center of the light receiving surface are calculated. .
  • the detector shaft driving unit 41f determines the movement direction and the movement amount of the quadrant photodetector 31a. Based on this, the ultrasonic motor 31b is controlled.
  • the measurer inputs an input signal “optical axis adjustment” using the operation unit 44.
  • the image reading unit 41a acquires the nth observation image from the CCD camera 33.
  • the laser light difference calculation unit 41b detects the position of the tip (feature point) of the cantilever 21 and the irradiation position of the laser light based on the nth observation image, and calculates the positional relationship. .
  • the laser beam difference calculation unit 41b determines whether or not the irradiation position of the laser beam exists within a predetermined offset ( ⁇ x, ⁇ y).
  • the laser axis driving unit 41c is based on the moving direction and moving amount of the laser element 30a in the process of step s106. Then, the ultrasonic motor 30b is controlled (light source control process).
  • the detector reading unit 41d acquires m-th light intensity information from the four-split photodetector 31a.
  • the reflected light difference calculating unit 41e detects the position of the reflected light based on the mth light intensity information I 1m , I 2m , I 3m , and I 4m .
  • the detector shaft drive part 41f controls the ultrasonic motor 31b based on the moving direction and the moving amount of the 4-part photodetector 31a ( Detection unit control step).
  • steps s109 to s111 is repeated until it is determined that it is within the predetermined range.
  • this flowchart is terminated.
  • the scanning probe microscope 1 of the present invention it is possible to automatically adjust the laser light so that the irradiation surface of the cantilever 21 is irradiated. Moreover, it can adjust automatically so that reflected light may be irradiated to the center of a light-receiving surface.
  • the present invention can be used for a scanning probe microscope suitable for observing a sample surface.

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Abstract

レーザ素子の位置と光検出器の位置とを自動的に調整することができる走査型プローブ顕微鏡を提供するために、該走査型プローブ顕微鏡１は、試料配置部３２と、光源部３０と、カンチレバー２１とこれが取付けられるカンチレバー支持部２１と、光検出部３１と、制御部４０とを備え、さらに光源部３０をＸＹ方向に移動させる超音波モータ又はステッピングモータ３０ｂと、観察画像を取得するＣＣＤカメラ３３とを備え、カンチレバー支持部２０には複数のカンチレバー２１から選択された一つが取付けられるようになっており、制御部４０は、カンチレバー支持部２０にカンチレバー２１が取付けられた際、観察画像に基づいてカンチレバー２１の特徴点の位置及びレーザ光の照射位置を検出し、レーザ光が照射面に照射されるようにモータ３０ｂを制御する光源部制御工程を実行する。

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に関し、特にカンチレバーの背面を照射面として利用する光学式変位検出系を備える走査型プローブ顕微鏡に関する。
　走査型プローブ顕微鏡として、プローブ（カンチレバー）と試料（金属、半導体、生物、有機分子、絶縁物等の非導電物質等）の表面との間に働く原子間力を測定することによって、試料表面の形状（ＳＰＭ画像）を観察することができる原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。図３は、一般的な走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
　走査型プローブ顕微鏡１０１は、筐体１０と、走査型プローブ顕微鏡１０１全体を制御する制御部１４０とを備える。筐体１０内部には、試料が載置される試料載置台（試料配置部）３２と、カンチレバー２１が着脱可能なカンチレバー支持部２０と、レーザ光を出射する光源部１３０と、反射光を検出する光検出部１３１とが配置されている。また、筐体１０上部にはＣＣＤカメラ（撮像装置）３３が配置されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
　試料載置台３２は、筐体１０の下部に設置されており、例えば平面視で直径１５ｍｍの円形状である載置面３２ａと、載置面３２ａの下部に設置されたピエゾスキャナ（走査手段）３２ｂとを備える。ピエゾスキャナ３２ｂは、制御部１４０によって制御される。そして、載置面３２ａは、ピエゾスキャナ３２ｂによって筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とＺ方向とに移動可能となっている。これにより、測定者は、載置面３２ａに試料を載置するとともに、ピエゾスキャナ３２ｂを用いて筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とＺ方向とに載置面３２ａを移動させることで、試料測定前に試料表面の初期位置を調整することができ、さらに試料測定中に試料表面の測定位置をＸ方向とＹ方向とＺ方向とに走査することができるようになっている。
　カンチレバー２１は、例えば長さ１００μｍ、幅３０μｍ、厚さ０．８μｍの板状体であり、先端部の下面に下方に向かって突出する先鋭な探針２１ａが形成されている。そして、カンチレバー２１の先端部の上面（背面）が、光源部１３０からのレーザ光が照射されるための照射面となる。また、カンチレバー２１の他端部は、カンチレバー支持部２０の下端面に固定具（図示せず）で固定されるようになっている。固定具は、ネジやバネ機構等の任意の固定手段を用いることができる。よって、測定者は、試料や測定目的に応じて複数種類のカンチレバー２１の内から一のカンチレバー２１を選択して取付けて用いることができるようになっている。
　カンチレバー支持部２０は、筐体１０の右部に設置されており、支持部本体２２と支持レバー（図示せず）と固定具（図示せず）とを備える。そして、支持部本体２２が支持レバーによって筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とＺ方向とに移動可能となっている。これにより、測定者は、支持部本体２２の下端面の所定位置にカンチレバー２１を固定具で取付けるとともに、支持レバーを用いて筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とＺ方向とに支持部本体２２を移動させることで、カンチレバー２１の位置を調整することができるようになっている。
　光源部１３０は、筐体１０の右上部に設置されており、レーザ光を出射するレーザ素子３０ａと、レーザ素子３０ａを移動させる２軸位置決めステージ１３０ｂとを備える。そして、レーザ素子３０ａが２軸位置決めステージ１３０ｂによって筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とに移動可能となっている。レーザ素子３０ａから出射されるレーザ光は、略左方（所定方向）に向かって出射されており、ビームスプリッタ（図示せず）にて直角に屈折し、その出射方向に垂直となる面では例えば直径５０μｍの円形状に照射される。これにより、測定者は、２軸位置決めステージ１３０ｂを用いて筐体１０に対してレーザ素子３０ａを移動させることで、レーザ光が照射される照射位置（スポット）を調整することができるようになっている。
　光検出部１３１は、筐体１０の左上部に設置されており、カンチレバー２１の背面で反射された反射光を検出する４分割光検出器３１ａと、４分割光検出器３１ａを移動させる２軸位置決めステージ１３１ｂとを備える。
　図４は、４分割光検出器を示す概略構成図である。４分割光検出器３１ａは、光束を受光する四角形（例えば、面積４ｍｍ２）の第一の受光面を有する第一のフォトダイオードと、光束を受光する四角形（例えば、面積４ｍｍ２）の第二の受光面を有する第二のフォトダイオードと、光束を受光する四角形（例えば、面積４ｍｍ２）の第三の受光面を有する第三のフォトダイオードと、光束を受光する四角形（例えば、面積４ｍｍ２）の第四の受光面を有する第四のフォトダイオードとを有する。また、第一～第四の４つの受光面は、２行２列となるように隣接し、かつ、反射光の光軸と垂直となるように配置されている。そして、垂直方向の受光量((I1+I3)-(I2+I4))と水平方向の受光量(((I1+I2)-(I3+I4))を制御部１４０に出力する。
　また、このような４分割光検出器３１ａは、２軸位置決めステージ１３１ｂによって筐体１０に対してＸ方向とＹ方向とに移動可能となっている。カンチレバー２１の背面からの反射光は、略左上方に向かって反射されており、その反射方向に垂直となる面では例えば直径５０μｍの円形状に照射される。これにより、測定者は、２軸位置決めステージ１３１ｂを用いて筐体１０に対して４分割光検出器３１ａを移動させることで、試料測定前に受光面における反射光の初期位置を調整することができるようになっている。そして、試料測定の際に試料表面によってカンチレバー２１に生じたたわみ量（変位量）を、受光面における反射光の初期位置からの移動量で検出している。
　ところで、このような走査型プローブ顕微鏡１０１では、上述したようにカンチレバー２１は支持部本体２２に対して取付け・取外し自在となっている。よって、別のカンチレバー２１に交換した後は、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるようにレーザ素子３０ａの位置を調整し、さらに反射光が受光面の中心に照射されるように４分割光検出器３１ａの位置を調整することが必要である。このとき、０．１ｍｍ以下のレベルでレーザ素子３０ａの位置を調整しなければならないため、走査型プローブ顕微鏡１０１は、カンチレバー２１の先端部付近とレーザ光の照射位置（スポット）とを拡大して観察するためのＣＣＤカメラ３３を備えている。
　ここで、走査型プローブ顕微鏡１０１において、レーザ素子３０ａの位置と４分割光検出器３１ａの位置とを調整する光軸調整方法について説明する。図５は、ＣＣＤカメラ３３で観察される観察画像の一例を示す図である。
　まず、測定者は、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように、ＣＣＤカメラ３３の観察画像を観察しながら２軸位置決めステージ１３０ｂを用いてレーザ素子３０ａをＸ方向とＹ方向とに移動させることで、レーザ光が照射される照射位置（スポット）を調整する（光源部制御工程）。
　次に、測定者は、反射光が４分割光検出器３１ａの受光面の中心に照射されるように、すなわち垂直方向の受光量((I1+I3)-(I2+I4))と水平方向の受光量(((I1+I2)-(I3+I4))がそれぞれ０となるように、２軸位置決めステージ１３１ｂを用いて４分割光検出器３１ａをＸ方向とＹ方向とに移動させることで、受光面における反射光が照射される位置を調整する（検出部制御工程）。
特開２０００－３２９７７２号公報 特開２０１２－２２５７２２号公報
　しかしながら、上述したような光軸調整方法では、測定者は、観察画像を観察しながら経験と勘とに基づいて２軸位置決めステージ１３０ｂを用いてレーザ素子３０ａをＸ方向とＹ方向とに移動させるとともに、２軸位置決めステージ１３１ｂを用いて４分割光検出器３１ａをＸ方向とＹ方向とに移動させることになるため、非常に多くの時間と労力とを要するという問題点があった。特に、経験の浅い測定者（初心者）にとっては、レーザ素子３０ａをＸ方向とＹ方向とに移動させるときには２軸位置決めステージ１３０ｂを手動で操作するため、光源部１３０等が揺れることにより観察画像も揺れるので、レーザ素子３０ａの調整による動きと揺れによる動きとを判別するのが困難であった。
　本件発明者らは、レーザ素子３０ａの位置と４分割光検出器３１ａの位置とを自動的に調整する光軸調整方法について検討した。そして、従来は光源部に駆動機構を取付けると、光源部が重くなるとともに重心が高くなることから、ＳＰＭ画像も揺れるものと考えられていたが、なるべく軽量化した駆動機構を用いれば、ＳＰＭ画像取得には影響がないことがわかった。よって、光源部に軽量化した駆動機構である超音波モータやステッピングモータを取付けることにした。
　また、カンチレバー支持部には、従来同様試料や測定目的に応じて複数種類のカンチレバーの内から一のカンチレバーを選択して取付けられるようになっているが、この複数種類のカンチレバーの先端部は全て三角形となっており、さらに照射面が三角形の頂点から末端に向かって所定距離の位置に形成されている。そこで、制御部は、取得した観察画像に基づいて、カンチレバーの三角形の頂点の位置とレーザ光の照射位置とを検出し、カンチレバーの三角形の頂点の位置から末端に向かって所定距離の位置にレーザ光の照射位置が来るように、超音波モータやステッピングモータを利用したステージ制御をすることを見出した。
　すなわち、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料が配置される試料配置部と、レーザ光を所定方向に出射する光源部と、前記試料表面上方に配置されるカンチレバーと、前記カンチレバーが取付けられるカンチレバー支持部と、前記カンチレバーの照射面で反射した反射光が照射される受光面を有する光検出部と、前記受光面における反射光の位置に基づいて、前記試料表面による前記カンチレバーの変位を算出する制御部とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、前記光源部をＸＹ方向に移動させるステージと、前記カンチレバー支持部に取付けられた前記カンチレバーの先端部及び前記レーザ光の照射位置を撮影することにより、観察画像を取得する撮像装置とを備え、前記カンチレバー支持部には複数種類のカンチレバーの内から選択された一のカンチレバーが取付けられることが可能となっており、前記制御部は、前記カンチレバー支持部に前記カンチレバーが取付けられた際に、前記観察画像に基づいて、前記カンチレバーの特徴点の位置及び前記レーザ光の照射位置を検出し、前記レーザ光が前記照射面に照射されるように前記ステージを制御する光源部制御工程を実行するようにしている。
　ここで、「所定方向」とは、設計者等によって予め決められており、例えば左方向等となる。
　以上のように、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、レーザ光がカンチレバーの照射面に照射されるように自動的に調整することができる。
（その他の課題を解決するための手段および効果）
　また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前記光検出部をＸＹ方向に移動させるステージを備え、前記制御部は、前記光源部制御工程の実行後、前記光検出部で検出された反射光の位置に基づいて、前記反射光が前記受光面の中心に照射されるように前記ステージを制御する検出部制御工程を実行するようにしてもよい。
　以上のように、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、反射光が受光面の中心に照射されるように自動的に調整することができる。
　そして、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前記カンチレバーの特徴点は、前記カンチレバーの先端であり、前記光源部制御工程で、前記カンチレバーの先端から末端に向かって所定距離の位置に前記レーザ光が照射されるように前記ステージを制御するようにしてもよい。
　ここで、「所定距離」とは、設計者等によって予め決められており、例えば１ｍｍ等となる。
 
本発明の走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図。 光軸調整方法を説明するフローチャート。 一般的な走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図。 ４分割光検出器を示す概略構成図。 ＣＣＤカメラで観察される観察画像の一例を示す図。
　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
　図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。なお、先に述べた走査型プローブ顕微鏡１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
　走査型プローブ顕微鏡１は、筐体１０と、走査型プローブ顕微鏡１全体を制御する制御部４０とを備える。筐体１０内部には、試料が載置される試料載置台（試料配置部）３２と、カンチレバー２１が着脱可能なカンチレバー支持部２０と、レーザ光を出射する光源部３０と、反射光を検出する光検出部３１とが配置されている。また、筐体１０上部にはＣＣＤカメラ３３が配置されている。
　光源部３０は、筐体１０の右上部に設置されており、レーザ光を出射するレーザ素子３０ａと、レーザ素子３０ａ（レーザ素子ステージ）を移動させる超音波モータ３０ｂとを備える。そして、レーザ素子３０ａが超音波モータ３０ｂによって筐体１０に対して水平/垂直方向に移動可能となっている。これにより、超音波モータ３０ｂを用いて筐体１０に対してレーザ素子３０ａを移動させることで、レーザ光が照射される照射位置（スポット）を調整することができるようになっている。
　光検出部３１は、筐体１０の左上部に設置されており、カンチレバー２１の背面で反射された反射光を検出する４分割光検出器３１ａと、４分割光検出器３１ａを移動させる超音波モータ３１ｂとを備える。そして、４分割光検出器３１ａ（４分割光検出器ステージ）は、超音波モータ３１ｂによって筐体１０に対して水平方向と垂直方向とに移動可能となっている。これにより、超音波モータ３１ｂを用いて筐体１０に対して４分割光検出器３１ａを移動させることで、試料測定前に受光面における反射光の初期位置を調整することができるようになっている。
　制御部４０は、ＣＰＵ４１とメモリ４２と表示装置４３と操作部４４とを備える。
　また、ＣＰＵ４１が処理する機能をブロック化して説明すると、ＣＣＤカメラ３３から第ｎ観察画像を取得する画像読取部４１ａと、取得した第ｎ観察画像に基づいてカンチレバー２１の特徴点の位置及びレーザ光の照射位置を検出してその位置関係を計算するレーザ光差分計算部４１ｂと、超音波モータ３０ｂを制御するレーザ軸駆動部４１ｃと、４分割光検出器３１ａから第ｍ光強度情報を取得する検出器読取部４１ｄと、取得した第ｍ光強度情報に基づいて反射光の位置を検出する反射光差分計算部４１ｅと、超音波モータ３１ｂを制御する検出器軸駆動部４１ｆとを有する。
　また、メモリ４２には、レーザ光の位置が合致したと判定するための所定オフセット(Δx, Δy)が設定され記憶されている。
　画像読取部４１ａは、操作部４４からの入力信号「光軸調整」を受信したときには、ＣＣＤカメラ３３から第ｎ観察画像を取得する制御を行う。
　レーザ光差分計算部４１ｂは、第ｎ観察画像に基づいてカンチレバー２１の先端（特徴点）の位置及びレーザ光の照射位置を検出してその位置関係を計算する制御を行う。具体的には、第ｎ観察画像からカンチレバー２１の先端（特徴点）の位置を検出し、カンチレバー２１の先端（特徴点）からＸ/Ｙ方向の距離ｘ、ｙを算出する。そして、所定オフセット(Δx, Δy)内に、レーザ光の照射位置が存在するか否かを判定し、存在しないと判定したときには、距離x、yをレーザ素子３０ａの移動方向と移動量とする。
　レーザ軸駆動部４１ｃは、レーザ光差分計算部４１ｂでレーザ素子３０ａの移動方向と移動量とが算出された際には、レーザ素子３０ａの移動方向と移動量とに基づいて、超音波モータ３０ｂを制御する。
　以上のような制御（段落００３０から段落００３２まで）を、レーザ中心位置とカンチレバー２１の先端の距離の差分が所定オフセット(Δx, Δy)内に治まるまで繰り返す。
　検出器読取部４１ｄは、レーザ光差分計算部４１ｂでレーザ光の照射位置が所定オフセット(Δx, Δy)内に存在すると判定されたときには、４分割光検出器３１ａから第ｍ光強度情報を取得する制御を行う。
　反射光差分計算部４１ｅは、第ｍ光強度情報Ｉ１ｍ、Ｉ２ｍ、Ｉ３ｍ、Ｉ４ｍに基づいて反射光の位置を検出する制御を行う。
　具体的には、第ｍ光強度情報Ｉ１ｍと第ｍ光強度情報Ｉ２ｍと第ｍ光強度情報Ｉ３ｍと第ｍ光強度情報Ｉ４ｍとから反射光の位置を検出する。そして、垂直方向の受光量((I1m+I3m)-(I2m+I4m))と水平方向の受光量(((I1m+I2m)-(I3m+I4m))がゼロになるか否かを判定し、所定範囲でないと判定したときには、反射光の位置と受光面の中心とを合わせるために必要となる４分割光検出器３１ａの移動方向と移動量とを算出する。
　検出器軸駆動部４１ｆは、反射光差分計算部４１ｅで４分割光検出器３１ａの移動方向と移動量とが算出された際には、４分割光検出器３１ａの移動方向と移動量とに基づいて、超音波モータ３１ｂを制御する。
　ここで、走査型プローブ顕微鏡１において、レーザ素子３０ａの位置と４分割光検出器３１ａの位置とを調整する光軸調整方法について図２のフローチャートを用いて説明する。
　まず、ステップｓ１０１の処理において、測定者は、操作部４４を用いて入力信号「光軸調整」を入力する。
　次に、ステップｓ１０２の処理において、レーザ素子３０ａの位置調整パラメータｎ＝１とする。
　次に、ステップｓ１０３の処理において、画像読取部４１ａは、ＣＣＤカメラ３３から第ｎ観察画像を取得する。
　次に、ステップｓ１０４の処理において、レーザ光差分計算部４１ｂは、第ｎ観察画像に基づいてカンチレバー２１の先端（特徴点）の位置及びレーザ光の照射位置を検出してその位置関係を計算する。
　次に、ステップｓ１０５の処理において、レーザ光差分計算部４１ｂは、所定オフセット(Δx, Δy)内に、レーザ光の照射位置が存在するか否かを判定する。
　そして、所定オフセット(Δx, Δy)内に、レーザ光の照射位置が存在しないと判定したときには、ステップｓ１０６の処理において、レーザ軸駆動部４１ｃは、レーザ素子３０ａの移動方向と移動量とに基づいて、超音波モータ３０ｂを制御する（光源部制御工程）。
　続いて、ステップｓ１０７の処理において、ｎ＝ｎ＋１とした後、ステップｓ１０３の処理に戻る。つまり、所定オフセット(Δx, Δy)内に、レーザ光の照射位置が存在すると判定するまで、ステップｓ１０３～ｓ１０５の処理は繰り返される。
　一方、所定オフセット(Δx, Δy)内に、レーザ光の照射位置が存在すると判定したときには、ステップｓ１０８の処理において、４分割光検出器３１ａの位置調整パラメータｍ＝１とする。
　次に、ステップｓ１０９の処理において、検出器読取部４１ｄは、４分割光検出器３１ａから第ｍ光強度情報を取得する。
　次に、ステップｓ１１０の処理において、反射光差分計算部４１ｅは、第ｍ光強度情報Ｉ１ｍ、Ｉ２ｍ、Ｉ３ｍ、Ｉ４ｍに基づいて反射光の位置を検出する。
　次に、ステップｓ１１１の処理において、垂直方向の受光量((I1m+I3m)-(I2m+I4m))と水平方向の受光量(((I1m+I2m)-(I3m+I4m))がゼロであるか否かを判定する。
　そして、所定範囲内でないと判定したときには、ステップｓ１１２の処理において、検出器軸駆動部４１ｆは、４分割光検出器３１ａの移動方向と移動量とに基づいて、超音波モータ３１ｂを制御する（検出部制御工程）。
　続いて、ステップｓ１１３の処理において、ｍ＝ｍ＋１とした後、ステップｓ１０９の処理に戻る。つまり、所定範囲内であると判定するまで、ステップｓ１０９～ｓ１１１の処理は繰り返される。
　一方、所定範囲内であると判定したときには、本フローチャートを終了させる。
　以上のように、本発明の走査型プローブ顕微鏡１によれば、レーザ光がカンチレバー２１の照射面に照射されるように自動的に調整することができる。また、反射光が受光面の中心に照射されるように自動的に調整することができる。
＜他の実施形態＞
　上述した走査型プローブ顕微鏡１では、超音波モータ３０ｂ、３１ｂを備える構成を示したが、これに代えてステッピングモータ、もしくはその他の駆動系を備えるような構成としてもよい。
　本発明は、試料表面の観察に適した走査型プローブ顕微鏡等に使用することができる。
　　１　走査型プローブ顕微鏡
　２０　カンチレバー支持部
　２１　カンチレバー
　３０　光源部
３０ｂ　超音波モータ
　３１　光検出部
　３２　試料載置台（試料配置部）
３２ａ　載置面
　３３　ＣＣＤカメラ
　４０　制御部

Claims (3)

  1. 　試料が配置される試料配置部と、
    　レーザ光を所定方向に出射する光源部と、
    　前記試料表面上方に配置されるカンチレバーと、
    　前記カンチレバーが取付けられるカンチレバー支持部と、
    　前記カンチレバーの照射面で反射した反射光が照射される受光面を有する光検出部と、
    　前記受光面における反射光の位置に基づいて、前記試料表面による前記カンチレバーの変位を算出する制御部とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、
    　前記光源部をＸＹ方向に移動させるステージと、
    　前記カンチレバー支持部に取付けられた前記カンチレバーの先端部及び前記レーザ光の照射位置を撮影することにより、観察画像を取得する撮像装置とを備え、
    　前記カンチレバー支持部には複数種類のカンチレバーの内から選択された一のカンチレバーが取付けられることが可能となっており、
    　前記制御部は、前記カンチレバー支持部に前記カンチレバーが取付けられた際に、前記観察画像に基づいて、前記カンチレバーの特徴点の位置及び前記レーザ光の照射位置を検出し、前記レーザ光が前記照射面に照射されるように前記ステージを制御する光源部制御工程を実行することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
  2. 　前記光検出部をＸＹ方向に移動させるステージを備え、
    　前記制御部は、前記光源部制御工程の実行後、前記光検出部で検出された反射光の位置に基づいて、前記反射光が前記受光面の中心に照射されるように前記ステージを制御する検出部制御工程を実行することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  3. 　前記カンチレバーの特徴点は、前記カンチレバーの先端であり、
    　前記光源部制御工程で、前記カンチレバーの先端から末端に向かって所定距離の位置に前記レーザ光が照射されるように前記ステージを制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
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