JP2016183869A - 走査プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】走査プローブ顕微鏡に配置した対物レンズの分解能の低下を抑制し、かつ該対物レンズを用いて光テコの光軸調整を容易に行える走査プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料１８の表面に近接させる探針９９が設けられたカンチレバー４と、光源部１と、光源部から照射される入射光Ｌ０を反射してカンチレバーに設けられた反射面に導く第１反射部３と、受光部６と、反射面で反射された反射光Ｌ１を反射して受光部へ導く第２反射部５と、カンチレバーに対向して配置され、カンチレバーの近傍を観察又は撮像する開口数がＮＡの対物レンズ１７と、を備えた走査プローブ顕微鏡であって、第１反射部は、第１反射部で反射された入射光Ｌ０の光路と、対物レンズの光軸Ｏとのなす角φが０°＜φ＜θ（但し、θは開口角（°）であって、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθで表され、ｎは対物レンズとカンチレバーとの間の媒質の屈折率）となるように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、試料の表面に探針を近接させて走査することにより、試料の表面形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定する走査プローブ顕微鏡に関する。

走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）は、カンチレバーの先端に取付けた探針を試料表面に近接又は接触させ、試料の表面形状を測定するものである。この走査プローブ顕微鏡として、レーザ光をカンチレバー先端の背面に照射し、その反射光を検出する、いわゆる光テコ方式を採用したものが知られている。光テコ方式では、カンチレバーに照射した光の反射光の位置ずれをカンチレバーの変位として検出し、カンチレバーの変位量を一定に保つようフィードバック制御しながら試料表面を走査する。そして、このフィードバック制御信号を物性情報として、試料表面の表面形状や粘弾性等の物性を測定することができる。

ところで、光テコ方式では、カンチレバーから反射された反射光の強度が最も高くなるよう、レーザ光や検出器の位置を調整する「光軸調整」が必要である。そこで、カンチレバーの直上に光学顕微鏡及びビデオカメラを設置すると共に、光学顕微鏡の光軸上にビームスプリッタを配置し、側方から出射されたレーザ光を、ビームスプリッタを介して下方に導いてカンチレバーに照射する技術が開発されている（特許文献１）。この技術によれば、レーザ光の一部がビームスプリッタを介して上方に向けられ、光学顕微鏡でレーザ光の位置を直接確認できるので、光軸調整が容易になる。
又、試料の測定前に光学顕微鏡で測定箇所を特定したいという要望がある。そこで、本出願人は、カンチレバーの上方や下方に光学顕微鏡を設置すると共に、光学顕微鏡等にレーザ光が当たらないようレーザ光を斜めから照射する技術を開発した（特許文献２）。この技術では、レーザ光の進路を変える反射部を光学顕微鏡の視野外に配置しているため、光学顕微鏡による試料の観察を鮮明に行うことができる。

特開2012-225722号公報 国際公開WO2006/090593号（図７）

しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、光学顕微鏡の光軸上にビームスプリッタ（反射部）が配置され、光学顕微鏡の光軸中心を遮るので、顕微鏡の分解能が低下するという問題がある。
一方、特許文献２記載の技術の場合、光学顕微鏡の視野外に反射部等が配置されているため、顕微鏡の分解能は低下しない。ところが、特許文献２記載の技術において光軸調整を行う際、レーザ光が光学顕微鏡の視野外で照射及び反射されることから、光学顕微鏡でレーザ光を直接観察することはできない。従って、散乱板等を用いてレーザ光を散乱させて、光学顕微鏡の視野内に導入する必要があり、光軸調整がし難い場合がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、走査プローブ顕微鏡に配置した対物レンズの分解能の低下を抑制し、かつ該対物レンズを用いて光テコの光軸調整を容易に行える走査プローブ顕微鏡の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の走査プローブ顕微鏡は、試料の表面に近接させる探針が設けられたカンチレバーと、光を照射する光源部と、前記光源部から照射される入射光Ｌ０を反射して前記カンチレバーに設けられた反射面に導く第１反射部と、前記光を受光する受光部と、前記反射面で反射された反射光Ｌ１を反射して前記受光部へ導く第２反射部と、前記カンチレバーに対向して配置され、該カンチレバーの近傍を観察又は撮像する開口数がＮＡの対物レンズと、を備えた走査プローブ顕微鏡であって、前記第１反射部は、前記対物レンズと前記カンチレバーとの間で、前記第１反射部で反射された前記入射光Ｌ０の光路と、前記対物レンズの光軸Ｏとのなす角φが０°＜φ＜θ（但し、θは開口角（°）であって、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθで表され、ｎは前記対物レンズと前記カンチレバーとの間の媒質の屈折率）となるように配置されていることを特徴とする。

この走査プローブ顕微鏡によれば、入射光Ｌ０がカンチレバーの反射面と重なるよう、光源部の位置を調整する「粗調整」を行う際、第１反射部が対物レンズの光軸中心を遮らないので、対物レンズの分解能の低下を抑制できる。さらに、第１反射部が対物レンズの光軸からずれているので、第１反射部が光軸上に存在する場合に比べ、試料の表面からの反射光の強度が強くなり過ぎず、反射光を観察し易い。一方で、第１反射部は、開口数ＮＡで決まる対物レンズの視野内に位置し、その反射光を対物レンズで直接観察できるので、この点でも対物レンズで反射光の強度を確認し易い。

前記第１反射部は、３°≦φ≦１０°となる位置に配置されていてもよい。
第１反射部が０°＜φであれば光軸Ｏを遮らないが、実際の第１反射部は、入射光が入射する光路上の点でなく、この点の周囲にある程度の大きさを有すると共に、光源部から出射される光もある程度の広がりを持つ。そこで、３°≦φとすると、第１反射部のうち光路上の点の周囲の部材も光軸を確実に遮らないようにできる。

前記第２反射部は、前記対物レンズと前記カンチレバーとの間で、前記反射面で反射された前記反射光Ｌ１の光路と、前記対物レンズの光軸Ｏとのなす角がθより大きくなるように配置されていてもよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、第２反射部が、対物レンズのＮＡで決まる観察視野の外側となるθ＜φの位置に配置されているので、対物レンズの分解能が低下することをより一層抑制できる。

前記光源部に接続されて当該光源部の位置を調整することで、前記入射光Ｌ０の前記第１反射面への照射位置を調整可能な照射位置調整機構を更に備えていてもよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、上記「粗調整」を行った後、カンチレバーからの反射光Ｌ１の光強度が受光部の直前で最も強くなるよう、光源部の位置（照射位置）を調整する「微調整」を容易に行うことができる。

前記受光部に接続されて当該受光部の位置を調整することで、前記反射光Ｌ１の当該受光部での受光位置を調整可能な受光位置調整機構を更に備えていてもよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、上記「微調整」を行った後、カンチレバーから反射された反射光Ｌ１の受光強度が最も高くなるよう、受光部の位置を調整することを容易に行うことができる。

前記試料を載置する試料台を更に備え、前記試料台が１又は複数のカンチレバーを保持可能なカンチレバー供給機構を有してもよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、試料台の近傍のカンチレバー供給機構から、カンチレバーを容易かつ迅速に交換することができる。

前記試料を載置する試料台を更に備え、測定時に、前記光軸Ｏ方向に前記探針と重なるように前記試料台を移動可能であってもよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、光軸Ｏ方向に探針とずれた位置に試料台を移動して上記「粗調整」を行った後、試料台を戻して通常の測定に復帰することができる。

前記試料台は、前記カンチレバーを測定時と同じ向きに保持し、前記試料台はさらに、前記入射光Ｌ０を反射し、前記保持されたカンチレバーと共に前記入射光Ｌ０の光軸合わせをするための光反射面を有してもよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、光源部の位置を調整する照射位置調整機構を備えていない場合であっても、試料の表面からでなく、カンチレバー供給機構に設置された光反射面からの反射光を対物レンズで観察して「粗調整」することができる。
また、試料の種類や表面状態によっては、試料の表面からの反射光の強度が十分でないことがあるが、光反射面からの反射光は一定の強度を確保できるので、「粗調整」をし易くなる。

本発明によれば、走査プローブ顕微鏡に配置した対物レンズの分解能の低下を抑制し、かつ該対物レンズを用いて光テコの光軸調整を容易に行える。

本発明の第１の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡のブロック図である。 図１の部分拡大図である。 対物レンズで観察される試料表面上の点からの反射光を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡のブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡の光軸調整の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡を用いたとき、対物レンズで観察される反射光を示す図である。 第１の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡を用い、第１反射部を対物レンズの光軸上に配置したとき、対物レンズで観察される反射光を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡１００のブロック図、図２は図１のカンチレバー４近傍の部分拡大図である。
図１において、走査プローブ顕微鏡１００は、試料１８の表面に近接させる探針９９を先端に有するカンチレバー４と、カンチレバー４の下方に配置されて試料１８を載置する試料台（ステージ）１９と、光てこに用いるレーザ光を照射する光源部（半導体レーザ光源）１と、第１反射部（第１ミラー）３と、レーザ光を受光する受光部（４分割光検出素子）６と、第２反射部（第２ミラー）５と、カンチレバー４及び試料１８に対向して配置される対物レンズ１７と、制御手段４０等を有する。なお、対物レンズ１７で集光された光は光学顕微鏡本体２５で観察又は撮像される。
又、第１の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡１００は、カンチレバー４が固定され、試料１８側をスキャンするサンプルスキャン方式となっている。

光源部１は、対物レンズ１７とカンチレバー４との間で、対物レンズ１７よりも外側のθ＜φとなる位置（後述）に配置され、レーザ光を側方に照射する。第１反射部３は、光源部１から照射されるレーザ光を下方に反射し、カンチレバー４の背面に設けられた反射面(図示せず)に導く。第２反射部５は、カンチレバー４の反射面で上方に反射されたレーザ光を側方に反射して受光部６へ導く。受光部６は第２反射部５よりも外側に配置され、受光面が側方を向いている。
制御手段４０は走査プローブ顕微鏡１００の動作を制御し、コントローラー、コンピュータ等を備えている。コンピュータは、制御基板、ＣＰＵ（中央制御処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。

試料台１９は微動機構（スキャナ）２０の上方に取り付けられ、さらに微動機構２０は粗動機構２１の上方に取り付けられている。又、粗動機構２１はベース部（筐体）２２上に固定されている。
粗動機構２１は、微動機構２０及びその上方の試料台１９を大まかに３次元移動させるものであり、制御手段４０によって動作が制御される。
微動機構２０は、試料台１９（及び試料１８）を３次元に移動（微動）させるものであり、試料台１９をそれぞれｘｙ（試料１８の平面）方向に走査する２つの（２軸の）圧電素子と、試料台１９をｚ（高さ）方向に走査する圧電素子と、を備えた円筒形のスキャナ（アクチュエータ）である。圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生する素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるがこれに限られない。
各圧電素子は、制御手段４０からの所定の制御信号（電圧）により、それぞれｘｙ方向及びｚ方向へ駆動する。
そして、試料台１９上に試料１８が載置され、試料１８が探針９９に対向配置されている。

カンチレバー４は本体部とチップ部とを有し、本体部の側面に接したチップ部が片持ちバネの構造を構成している。カンチレバー４は、カンチレバー固定部（ばね）１２により斜面ブロック１１に押さえつけられ、斜面ブロック１１は、加振機（振動子）１３に固定されている。そして、加振機１３は加振電源（図示せず）からの電気信号により振動し、カンチレバー４及びその先端の探針９９を振動させる。カンチレバーの加振方法として、圧電素子、電場や磁場、光照射、電流の通電なども含まれる。加振機１３は、カンチレバーを共振周波数近傍で強制振動させるダイナミック・フォース・モード（ＤＦＭ測定モード）で、試料の形状を測定する際に用いる。

そして、カンチレバー４の上下（ｚ方向）の移動量は、受光部６へ入射されるレーザの光路の変化（入射位置）に反映される。従って、この入射位置からカンチレバー４の変位量が受光部６で検出されることになる。このようにして、試料１８と探針９９の間に働く原子間力によって生じるカンチレバー４の変位を上述の機構で検出し、探針９９（カンチレバー４）の振動振幅が目標振幅となるように微動機構２０をｚ方向に変位させ、探針９９と試料１８の接する力を制御する。そして、この状態で、微動機構２０をｘｙ方向に変位させて試料１８のスキャンを行い、ＤＦＭ測定モードで表面の形状や物性値をマッピングする。
コンピュータ４０は、プローブ顕微鏡１００の各動作を制御し、測定されたデータを取り込み制御し、表面形状測定、表面物性測定などを実現する。そして、試料台１９のｘｙ面内の変位に対して、(i) 試料台１９の高さの変位から３次元形状像を、(ii)共振状態の位相の値から位相像を、(iii)振動振幅の目標値との差により誤差信号像を、(iv)探針試料間の物性値から多機能測定像を、コンピュータ４０上に表示し、解析や処理を行うことにより、プローブ顕微鏡として動作させる。

なお、枠状のベース部２２の枠体の上方には光ヘッド筐体１６が固定され、光ヘッド筐体１６の上面の中央部が開口している。そして、この開口部に対物レンズ１７が設置され、開口部を通して下方のカンチレバー４及び試料１８に臨んでいる。
又、光ヘッド筐体１６には光源側モジュール１０が取り付けられ、光源側モジュール１０の内部には光源側２軸調整ステージ７が配置されている。光源側２軸調整ステージ７には２軸調整機構７ａを介して光源ホルダ８が取り付けられ、光源ホルダ８内に光源部１及び光源部１から出射されるレーザ光を集光する第１集光レンズ２が保持されている。さらに、光源側モジュール１０には第１ミラーホルダ９が固定され、第１ミラーホルダ９に第１反射部３が取り付けられている。
そして、２軸調整機構７ａを、Ｚ方向とＹ方向（又はＸ方向）の２方向に調整することで、光源部１からのレーザ光がカンチレバーの反射面に重なるよう、光源部１から出射されるレーザ光の位置を調整する「光軸調整」を行うことができる。なお、加振機１３は光源側モジュール１０の下方に取り付けられている。
２軸調整機構７ａが特許請求の範囲の「照射位置調整機構」に相当する。

又、光ヘッド筐体１６には第２ミラーホルダ１５が固定され、第２ミラーホルダ１５に第２反射部５及び第２集光レンズ２３が取り付けられている。第２集光レンズ２３は、カンチレバー４から反射されたレーザ光を受光部６へ集光する。さらに、光ヘッド筐体１６には受光側２軸調整ステージ１４が取り付けられ、受光側２軸調整ステージ１４には２軸調整機構１４ａを介して受光部６が取り付けられている。そして、２軸調整機構１４ａを、Ｚ方向とＹ方向（又はＸ方向）の２方向に調整することで、カンチレバー４から反射された反射光の受光強度が最も高くなるよう、受光部６の位置を調整する「光軸調整」を行うことができる。
２軸調整機構１４ａが特許請求の範囲の「受光位置調整機構」に相当する。

次に、図２、図３を参照し、本発明の特徴部分である、第１反射部３の配置、及び光軸調整について説明する。
図２に示すように、試料１８を載置する試料台１９は水平になっていて、対物レンズ１７の光軸Ｏは垂直に向いている。又、本例では、カンチレバー４の反射面は水平面に対して約１１°の角度で図２の右上がりに傾いている。そして、対物レンズ１７の開口数をＮＡとしたとき、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθで表される。但し、θは開口角（°）、ｎは対物レンズ１７とカンチレバー４（試料１８の表面）との間の媒質（通常は空気）の屈折率である。

ここで、第１反射部３は、対物レンズ１７とカンチレバー４との間で、第１反射部３で反射された入射レーザ光Ｌ０の光路と、対物レンズの光軸Ｏとのなす角φが０°＜φ＜θとなるように配置されている。なお、本例では、第１反射部３のφ＝６°としている。又、第１反射部３で反射された入射レーザ光Ｌ０の光路と、カンチレバー４の反射面との交点をＰとする。
このとき、カンチレバー４の反射面が水平に対して斜めに傾いているため、カンチレバー４に入射した入射レーザ光Ｌ０は、交点Ｐで第１反射部３よりも光軸Ｏに対して外側に傾く（図２の例ではθ＜φ）角度の反射光Ｌ１となって第２反射部５に入射し、受光部６で検出されることになる。

なお、第１反射部３が０°＜φ＜θとなるように配置されているとは、第１反射部３のうち入射レーザ光Ｌ０を反射させる位置（理論上は点）で０°＜φ＜θとなるように配置されているという意味である。但し、実際の第１反射部３は、入射レーザ光Ｌ０を反射させる位置（点）だけでなく、この点の周囲にある程度の大きさを有する。従って、第１反射部３の全ての部位が０°＜φ＜θとなる位置に配置されていなくてもよく、例えば第１反射部３のうち最も光軸Ｏから遠い外側部位がθより外側（つまり、対物レンズ１７の観察視野外）に配置されてもよい。但し、第１反射部３のうち最も光軸Ｏに近い部位（例えば、図２の部材３ｅ）が光軸Ｏを遮らない、すなわち、部材３ｅが０°より大きくなる位置に配置されている必要がある。

一方、第２反射部５は、入射レーザ光Ｌ０がカンチレバー４の反射面で上方に反射された反射光Ｌ１の光路上に配置されている必要がある。ここで、反射光Ｌ１の光路、ひいては第２反射部５の位置は、入射レーザ光Ｌ０の入射角及びカンチレバー４の反射面の傾きによって決まる。例えば、上述のようにカンチレバー４の反射面が水平面に対して１１°傾き、φ＝６°である場合、反射光Ｌ１の光路は対物レンズ１７の光軸Ｏに対して（６＋１１×２＝）２８°の角度をなす。
又、本例では、第２反射部５は、対物レンズ１７とカンチレバー４との間で、カンチレバー４の反射面で反射された反射光Ｌ１の光路と、光軸Ｏとのなす角がθより大きくなるように（対物レンズ１７の観察視野外になるように）配置されている。このようにすると、第２反射部５が対物レンズ１７を遮らないので、対物レンズ１７の分解能が低下することをより一層抑制できる。但し、後述するように第２反射部５が反射光Ｌ１の光路と光軸Ｏとのなす角がθ以下となるように配置され、対物レンズ１７の観察視野を多少遮っても問題ない。
なお、第２反射部５がθより大きくなるように配置されているとは、第２反射部５のうち反射光Ｌ１を反射させる位置（理論上は点）でθより大きくなるように配置されているという意味である。従って、第２反射部５の全ての部位がθより大きくなる位置に配置されていなくてもよく、例えば第２反射部５のうち最も光軸Ｏに近い部位がθ以下となる位置に配置されてもよい。

次に、カンチレバー４の交点Ｐで反射される反射光Ｌ１が、受光部６で最も強く受光されるよう、光源部１の位置を調整する「光軸調整」について説明する。
なお、本発明は、「光軸調整」のうち、入射レーザ光Ｌ０がカンチレバー４の反射面と重なるよう、光源部１の位置（図４のレバースキャン方式の場合はカンチレバー４の位置）を調整する「粗調整」を容易にするものである。その後、従来と同様に、カンチレバー４からの反射光Ｌ１の光強度が受光部６の直前で最も強くなるよう、光源部１の位置（照射位置）を調整する「微調整」を行う。さらに、カンチレバー４から反射された反射光の受光強度が最も高くなるよう、受光部６の位置を調整する。

まず、図２に示すように、交点Ｐからわずかにずれた試料１８の表面上の点Ｑに対物レンズ１７の光軸Ｏが交わるよう、光源部１の位置を調整する。このとき、第１反射部３で下方に向けられた入射レーザ光Ｌ０は、０°＜φ＜θの角度で点Ｑに入射し、点Ｑから０°＜φ＜θの角度で反射して反射光Ｌ２となる。対物レンズ１７は、光軸Ｏに対して開口角θの角度の円錐面Ｌ３の内部を通る光のみを観察視野として取り入れることができるが、点Ｑによる反射光Ｌ２の反射角度がφ＜θであるので、この反射光Ｌ２が対物レンズ１７に取り入れられて直接観察可能となる（図３参照）。
なお、反射光Ｌ２は光軸Ｏに対して入射レーザ光Ｌ０と対称であり、入射レーザ光Ｌ０が上記円錐面Ｌ３の内部から照射されることから、反射光Ｌ２は必ず上記円錐面Ｌ３の内部を通り、対物レンズ１７で直接観察されることになる。

図３に、対物レンズ１７で観察される点Ｑ（Ｑ１，Ｑ２）からの反射光Ｌ２を示す。対物レンズ１７には、反射光Ｌ２の輝点及びカンチレバー４の画像が観察される。ここで、点Ｑ１からの反射光Ｌ２がカンチレバー４の反射面（交点Ｐ）により近づくよう、対物レンズ１７で観察しながら光源部１の位置を調整すると、点Ｑ２からの反射光Ｌ２の輝点が観察される。点Ｑ２は点Ｑ１よりも距離Ａだけカンチレバー４に近づいた試料１８の表面上の光軸Ｏを表す。
次に、反射光Ｌ２がカンチレバー４の反射面（交点Ｐ）にさらに近づくよう、対物レンズ１７で観察しながら光源部１の位置を調整してゆくと、入射レーザ光Ｌ０がカンチレバー４に照射された時点で、反射光Ｌ２は反射光Ｌ１の経路に変わり、観察画面から消えるので、入射レーザ光Ｌ０がカンチレバー４の反射面と重なったことがわかり、「粗調整」が終了する。

以上のように、本実施形態においては、光源部１からの入射光Ｌ０をカンチレバー４の反射面に重ねる光軸調整を、カンチレバー４近傍の試料１８の表面からの反射光Ｌ２を対物レンズ１７で直接観察して行えるので、光軸調整が容易になる。
又、光源部１からの光をカンチレバー４に入射させる第１反射部３が、対物レンズ１７の光軸Ｏからずれ（０°＜φ）、光軸Ｏを遮らないので、対物レンズ１７の分解能が低下することを抑制できる。さらに、第１反射部３が対物レンズ１７の光軸Ｏからずれているので、第１反射部３が光軸Ｏ上に存在する場合に比べ、試料１８の表面からの反射光Ｌ２の強度が強くなり過ぎず、反射光Ｌ２を観察し易い。
さらに、第２反射部５が、対物レンズ１７のＮＡで決まる観察視野の外側となるθ＜φの位置に配置されているので、対物レンズ１７の分解能が低下することをより一層抑制できる。

第１反射部３が、３°≦φ≦１０°となる位置に配置されていることが好ましい。第１反射部３が０°＜φであれば光軸Ｏを遮らないが、実際の第１反射部３は、入射レーザ光Ｌ０が入射する光路上の点でなく、この点の周囲にある程度の大きさを有すると共に、光源部１から出射される光もある程度の広がりを持つ。このため、図２に示すように、第１反射部３の反射位置より内側にも第１反射部３の部材３ｅが介在する。
そこで、３°≦φとすると、このような部材３ｅが光軸Ｏを確実に遮らないようにできる。又、一般的な対物レンズ１７で実現可能なＮＡの値から、φ≦１０°程度となる。
第１反射部３が、３°＜φ＜１０°となる位置に配置されていることがより好ましい。

次に、図４、図５を参照し、本発明の第２の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡１００Ｂについて説明する。なお、第２の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡１００Ｂは、カンチレバー４側をスキャンして測定を行うレバースキャン方式となっており、第１の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡１００と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
図４において、走査プローブ顕微鏡１００Ｂは、探針９９を先端に有するカンチレバー４と、カンチレバー４の下方に配置されて試料１８を載置する試料台１９と、光てこに用いるレーザ光を照射する光源部１と、第１反射部３と、受光部６と、第２反射部５と、カンチレバー４及び試料１８に対向して配置される対物レンズ１７及び光学顕微鏡本体２５と、制御手段４０Ｂ等を有する。
第１の実施形態と同様、光源部１は、対物レンズ１７とカンチレバー４との間で、０°＜θ＜φとなる位置に配置されている。又、第１反射部３は、対物レンズ１７とカンチレバー４との間で、０°＜φ＜θとなる位置に配置され、第２反射部５は、対物レンズ１７とカンチレバー４との間で、θ＜φとなる位置に配置されている。

試料台１９ＢはＸＹステージ２８の上方に取り付けられ、ＸＹステージ２８はベース部（筐体）２２Ｂ上に固定されている。ＸＹステージ２８は、試料台１９Ｂを大まかに３次元移動させ、カンチレバー４と試料１８の位置関係を調整するものであり、制御手段４０によって動作が制御される。そして、試料台１９Ｂ上に試料１８が載置され、試料１８が探針９９に対向配置されている。なお、ＸＹステージ２８上には、複数の交換用カンチレバーを保持したカンチレバー供給機構２９が配置されている。
カンチレバー４は、斜面ブロック１１Ｂ内に設けられた真空配管３０により斜面ブロック１１Ｂに吸着固定され、斜面ブロック１１Ｂは、加振機（振動子）１３に固定されている。

走査プローブ顕微鏡１００Ｂにおいては、変位検出系とカンチレバーを取り付けた斜面ブロック１１Ｂが一体となり、光ヘッドを構成している。具体的には、ベース部２２Ｂの垂直方向のブーム部位の側面に粗動機構２１Ｂを介して連結部２６が取付けられている。
連結部２６の下面には、中央部が開口する微動機構（スキャナ）２０Ｂが取付けられている。又、微動機構２０Ｂの下面には、中央部が開口する枠状の光ヘッド筐体１６Ｂが固定されている。微動機構２０Ｂは、光ヘッド筐体１６Ｂを３次元に移動（微動）させるものであり、所定の圧電素子を備えたフラットスキャナ（アクチュエータ）である。そして、光ヘッド筐体１６Ｂの開口部に対物レンズ１７が設置され、開口部を通して下方のカンチレバー４及び試料１８に臨んでいる。

又、光ヘッド筐体１６Ｂの下面には光源側モジュール１０Ｂが取り付けられ、光源側モジュール１０Ｂの内部には光源側２軸調整ステージ７が配置されている。光源側２軸調整ステージ７には２軸調整機構７ａを介して、光源部１及び第１集光レンズ２が取付けられている。さらに、光源側モジュール１０Ｂには所定のミラーホルダを介して第１反射部３が取り付けられている。そして、２軸調整機構７ａを、Ｚ方向とＹ方向（又はＸ方向）の２方向に調整することで、第１の実施形態と同様に、光源部１からのレーザ光がカンチレバーの反射面に重なるよう、「光軸調整」を行うことができる。
２軸調整機構７ａが特許請求の範囲の「照射位置調整機構」に相当する。

但し、第２の実施形態においては、微動機構２０Ｂに吊り下げられる光ヘッド筐体１６Ｂの重量低減を図る等の種々の理由により、２軸調整機構７ａが設けられない場合もある。この場合には、図５に示すように、試料１８の表面からでなく、カンチレバー供給機構２９に設置された光軸調整用ミラー２９ｍからの反射光Ｌ２を対物レンズ１７で観察して光軸調整することができる。このようにすることで、２軸調整機構の有無にかかわらず光軸調整が可能となる。また、試料１８の種類や表面状態によっては、試料１８の表面からの反射光Ｌ２の強度が十分でないことがあるが、光軸調整用ミラー２９ｍからの反射光は一定の強度を確保できるので、反射光Ｌ２を対物レンズ１７で観察し易くなり、光軸調整をし易くなるという効果もある。光軸調整用ミラー２９ｍを用いた光軸調整については後述する。

一方、加振機１３は光源側モジュール１０Ｂの下方に取り付けられ、カンチレバー４は光ヘッドの先端に配置されることになる。
さらに、光ヘッド筐体１６の下側には、光源側モジュール１０Ｂに対向して所定のミラーホルダが固定され、このミラーホルダに第２反射部５及び第２集光レンズ２３が取り付けられている。さらに、光ヘッド筐体１６Ｂには受光側２軸調整ステージ１４Ｂが取り付けられ、受光側２軸調整ステージ１４Ｂには２軸調整機構１４ａを介して受光部６が取り付けられている。そして、２軸調整機構を、Ｚ方向とＹ方向（又はＸ方向）の２方向に調整することで、受光強度が最も高くなるよう、受光部６の位置を調整する「光軸調整」を行うことができる。
２軸調整機構１４ａが特許請求の範囲の「受光位置調整機構」に相当する。

そして、微動機構２０Ｂの先端に取り付けられた光ヘッドのカンチレバー４は、試料１８に対して、高さ（Ｚ）方向の位置を制御されつつ試料面（ＸＹ）内方向に走査される。このとき、まず、ＸＹステージ２８によってカンチレバー４を試料１８の表面内の任意の位置に位置決めした後、粗動機構２１Ｂ（又は微動機構２０Ｂ）によりカンチレバー４が試料１８に接触又は近接する高さ位置まで送られる。

カンチレバー４の上下（ｚ方向）の移動量は、受光部６へ入射されるレーザの光路の変化（入射位置）に反映される。従って、この入射位置からカンチレバー４の変位量が受光部６で検出されることになる。このようにして、試料１８と探針９９の間に働く原子間力によって生じるカンチレバー４の変位を上述の機構で検出し、探針９９（カンチレバー４）の振動振幅が目標振幅となるように微動機構２０をｚ方向に変位させ、探針９９と試料１８の接する力を制御する。そして、この状態で、微動機構２０をｘｙ方向に変位させて試料１８のスキャンを行い、ＤＦＭ測定モードで表面の形状や物性値をマッピングする。
このようにして、試料１８にカンチレバー４の探針を近接又は接触させたときのカンチレバー１の変位を、上述の光テコ方式で検出し、微動機構２０Ｂによりカンチレバー４の変位量を一定に保ちながら試料１８表面を走査し、測定を行うことができる。

次に、図５を参照し、光軸調整用ミラー２９ｍを用い、光源部１からのレーザ光がカンチレバー４の反射面に重なるように行う「光軸調整」について説明する。
図５において、カンチレバー供給機構２９の上面に、光軸調整用ミラー（光反射面）２９ｍが自身の反射面が水平になるように設置されている。又、カンチレバー４は、斜面ブロック１１Ｂに装着されたときと同一の傾きで、かつ光軸調整用ミラー２９ｍの上方に探針が対向する位置で、カンチレバー供給機構２９に保持されている。
ここで、図５の例では、光軸調整の際、カンチレバー４は斜面ブロック１１Ｂにまだ装着されておらず、カンチレバー供給機構２９上に保持されている。そして、この状態で、ＸＹステージ２８を調整し、光軸調整用ミラー２９ｍの表面上の点Ｑｘに対物レンズ１７の光軸Ｏが交わるよう、カンチレバー供給機構２９の位置を調整する。このとき、第１反射部３で下方に向けられた入射レーザ光Ｌ０は、０°＜φ＜θの角度で点Ｑｘに入射し、点Ｑｘから０°＜φ＜θの角度で反射して反射光Ｌ２となって対物レンズ１７に取り入れられ、直接観察可能となる。

このようにして、対物レンズ１７には、反射光Ｌ２の輝点、及びカンチレバー供給機構２９上のカンチレバー４の画像が観察される。ここで、点Ｑｘからの反射光Ｌ２がカンチレバー４の反射面（交点Ｐｘ）により近づくよう、対物レンズ１７で観察しながらカンチレバー供給機構２９の位置を調整すると、入射レーザ光Ｌ０がカンチレバー４に照射された時点で、反射光Ｌ２は反射光Ｌ１の経路に変わり、観察画面から消えるので、入射レーザ光Ｌ０がカンチレバー４の反射面と重なったことがわかる。
なお、カンチレバー供給機構２９上のカンチレバー４の位置と、斜面ブロック１１Ｂに装着した後のカンチレバー４の位置とは、カンチレバー４の長軸方向（図５の左右方向）に若干の位置ずれがあるが、その位置ずれを見越して図５の状態でカンチレバー４の位置を合わせることで、実用上問題はない。従って、図５の状態でカンチレバー４の位置を合わせることで「粗調整」が終了し、次いでカンチレバー４を斜面ブロック１１Ｂに装着して測定に移行すればよい。なお、図５の状態でカンチレバー４の位置を合わせる際、カンチレバー４の上面と斜面ブロック１１Ｂ下面とのＺ方向の距離は、通常0.5mm程度である。

第２の実施形態においても、カンチレバー４近傍の光軸調整用ミラー２９ｍ（又は試料１８）の表面からの反射光Ｌ２を対物レンズ１７で直接観察して行えるので、光軸調整が容易になる。
又、第１反射部３が対物レンズ１７の光軸Ｏを遮らないので、対物レンズ１７の分解能が低下することを抑制できる。さらに、第１反射部３が対物レンズ１７の光軸Ｏからずれているので、光軸調整用ミラー２９ｍ（又は試料１８）の表面からの反射光Ｌ２の強度が強くなり過ぎず、反射光Ｌ２を観察し易い。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、走査プローブ顕微鏡の測定モードとは限定されず、上述のＤＦＭ測定モードの他、探針と試料の間の原子間力を一定に保って試料の表面形状を測定するコンタクト・モードや、ノンコンタクト測定モードを例示できる。
又、走査プローブ顕微鏡は試料の表面形状を測定するものに限らず、探針を近接又は接触させて走査するものであれば、試料の各種の物性情報を測定するものでもよい。
光源部、第１反射部、受光部、第２反射部や、対物レンズの種類も上記実施形態に限定されない。

図１、図２に示した第１の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡１００を用い、カンチレバー４の反射面を水平面に対して約１１°の角度で傾け、第１反射部３のφ＝６°とした。又、対物レンズ１７のＮＡを０．２８とし、ｎを大気中の屈折率とした。又、対物レンズ１７とカンチレバー４の反射面とのワークディスタンスＷＤを３３．５ｍｍとした。光源１としては、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。
そして、カンチレバー４の先端の探針９９と、試料１８の表面との垂直方向の距離Ｓ（ｍｍ）を種々変更し、対物レンズ１７で観察される反射光を撮像した。
得られた結果を図６に示す。又、比較として、第１反射部３のφ＝０°とし、特許文献１記載の技術と同様に第１反射部３をビームスプリッタとし、同様に対物レンズ１７で観察される反射光を撮像した。第１反射部３のφ＝０°としたときの結果を図７に示す。

図６に示すように、第１反射部３のφ＝６°とした本発明例の場合、距離Ｓが大きくなると反射光の強度が若干弱くなると共に、反射光の中心位置が横にずれるが、反射光の強度が強くなり過ぎず、反射光を観察し易く、光軸調整が容易であった。なお、距離Ｓが＋は、探針９９が試料１８の表面よりも対物レンズ１７側（上方）に位置することを表す。また、距離Ｓが−は、斜面ブロック１１を外してカンチレバー４が無い状態で、試料１８の表面からの反射光だけを観察したものである。
一方、図７に示すように、第１反射部３のφ＝０°とした比較例の場合、距離Ｓによらずに反射光の中心位置が変わらず、対物レンズ１７を用いて光軸調整を行うことはできたが、反射光の強度が強過ぎて観察し難かった。又、第１反射部３が対物レンズ１７の光軸Ｏ中心を遮るので、対物レンズ１７で試料１８を観察する際に分解能が低下した。

１ 光源部
３ 第１反射部
４ カンチレバー
５ 第２反射部
６ 受光部
７ａ 照射位置調整機構
１４ａ 受光位置調整機構
１７ 対物レンズ
１８ 試料
１９ 試料台
２９ カンチレバー供給機構
２９ｍ 光軸調整用ミラー（光反射面）
９９ 探針
１００、１００Ｂ 走査プローブ顕微鏡
Ｏ 対物レンズの光軸

Claims (8)

1. 試料の表面に近接させる探針が設けられたカンチレバーと、
   光を照射する光源部と、
   前記光源部から照射される入射光Ｌ０を反射して前記カンチレバーに設けられた反射面に導く第１反射部と、
   前記光を受光する受光部と、
   前記反射面で反射された反射光Ｌ１を反射して前記受光部へ導く第２反射部と、
   前記カンチレバーに対向して配置され、該カンチレバーの近傍を観察又は撮像する開口数がＮＡの対物レンズと、を備えた走査プローブ顕微鏡であって、
   前記第１反射部は、前記対物レンズと前記カンチレバーとの間で、前記第１反射部で反射された前記入射光Ｌ０の光路と、前記対物レンズの光軸Ｏとのなす角φが０°＜φ＜θ（但し、θは開口角（°）であって、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθで表され、ｎは前記対物レンズと前記カンチレバーとの間の媒質の屈折率）となるように配置されていることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
2. 前記第１反射部は、３°≦φ≦１０°となる位置に配置されている請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
3. 前記第２反射部は、前記対物レンズと前記カンチレバーとの間で、前記反射面で反射された前記反射光Ｌ１の光路と、前記対物レンズの光軸Ｏとのなす角がθより大きくなるように配置されている請求項１又は２に記載の走査プローブ顕微鏡。
4. 前記光源部に接続されて当該光源部の位置を調整することで、前記入射光Ｌ０の前記第１反射面への照射位置を調整可能な照射位置調整機構を更に備えている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の走査プローブ顕微鏡。
5. 前記受光部に接続されて当該受光部の位置を調整することで、前記反射光Ｌ１の当該受光部での受光位置を調整可能な受光位置調整機構を更に備えている請求項1乃至４のいずれか一項に記載の走査プローブ顕微鏡。
6. 前記試料を載置する試料台を更に備え、
   前記試料台が１又は複数のカンチレバーを保持可能なカンチレバー供給機構を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。
7. 前記試料を載置する試料台を更に備え、
   測定時に、前記光軸Ｏ方向に前記探針と重なるように前記試料台を移動可能な請求項１乃至６のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。
8. 前記試料台は、前記カンチレバーを測定時と同じ向きに保持し、
   前記試料台はさらに、前記入射光Ｌ０を反射し、前記保持されたカンチレバーと共に前記入射光Ｌ０の光軸合わせをするための光反射面を有する請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡。