JP3563247B2

JP3563247B2 - 走査型プローブ顕微鏡

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Publication number: JP3563247B2
Application number: JP31603597A
Authority: JP
Inventors: 隆白井; 健村山; 高史森本; 浩史黒田; 陽正小野里
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2017-10-31
Also published as: DE69826406D1; JPH11133040A; DE69826406T2; EP0913665A1; EP0913665B1; US6229607B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微動機構装置および走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、探針（プローブともいう）の走査・移動を行う際にカンチレバーを含む探針部分の側を移動することにより大型試料の測定に好適な微動機構装置、およびこの微動機構装置を備え、光学顕微鏡や電子顕微鏡等による測定部分の監視を可能にし、カンチレバーのたわみ変形を光学的検出系で検出する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）についての技術文献として、例えば日本応用磁気学会誌Ｖｏｌ．１６．Ｎｏ．３．１９９２（５１１頁）「ＳＴＭ／ＡＦＭ／ＭＦＭによる電子・磁性材料評価とその応用」、および１９９２年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集（２７７頁）「ＡＦＭ及びＭＦＭ機能を有する光てこ方式フォース顕微鏡」を挙げることができる。これらの文献に示されているようにＳＰＭは、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などを総称し、いずれも固体のプローブを試料に極めて接近または接触して得られるトンネル電流、原子間力、磁気力、押圧力（以下これらを総称して「相互作用力」という）を利用して、試料の表面構造や漏洩磁界分布を得るもので、レンズ光学系を用いた顕微鏡像よりも１桁から２桁分解能が高いという特徴を持つ。
【０００３】
これらのＳＰＭは、測定の際に試料に対向して配置される探針を備えている。探針の形状には、ＳＰＭの測定対象の違い等に応じて棒状、円錐状、角柱状、鳥のくちばし状などがある。
【０００４】
さらに上記ＳＰＭの具体例として、探針による試料の測定の際、当該探針とこれを先端に設けたカンチレバー（片持ち梁部材）の側を移動するように構成された探針移動型原子間力顕微鏡がある。この原子間力顕微鏡の技術文献として、例えば特開平６−８２２４９号公報と特開平８−２７８３１７号公報を挙げることができる。
【０００５】
特開平６−８２２４９号公報に示された原子間力顕微鏡は、先部に検出チップ（探針に相当）を有するばね要素（カンチレバーに相当）、およびこれに関連する光学的検出系の側を微動機構で動かし、試料の側を動かさない構成を備えている。この構成によって大型または重量のある試料の測定を可能にしている。
【０００６】
特開平８−２７８３１７号公報に示された原子間力顕微鏡は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の各々に積層型圧電素子棒を配し、それらを先端で結合し、その結合部に、探針を備えたカンチレバーをＺ方向用圧電駆動部材を介して取り付けている。そして、Ｘ軸とＹ軸の各圧電素子棒を伸縮させ、探針の位置がＸまたはＹの方向に変化したときでも、カンチレバーのたわみ変形が光学的に必ず検出できるように、光路変換部材を用いて光学路を設定した光学的検出系を備え、さらに、この光学的検出系を任意の位置に配置できるようにしてカンチレバーの上側のスペースを開放した構成を示している。この構成によって、試料に対して探針を移動しても、光源からの光は、カンチレバー背面の同一箇所に照射され、かつその反射光は受光素子の同一点に入射される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１の従来の原子間力顕微鏡は、探針側を微動機構で移動させて大型の試料の測定に対応しているが、構造上、カンチレバーの上方に光学的検出系の構成部材が配置され、測定部分を観察するための光学顕微鏡を併設できないという問題を有する。一方、上記第２の従来の原子間力顕微鏡は、上記問題は起きないが、Ｘ方向用圧電駆動部材（Ｘ微動機構に相当）とＹ方向用圧電駆動部材（Ｙ微動機構に相当）がブロックおよびヒンジを介して固定されているため、ＸＹ直交座標系での走査を行っても互いに干渉が生じＸ，Ｙの各方向に独立した正確な変位動作が得られないという他の問題が起きる。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題に鑑みて、大型の試料の測定に対応でき、測定の際の微動機構の負荷を軽減でき、ＸＹ方向の走査が独立して正確な変位動作ができ、直交座標系の走査の動作特性を向上できる微動機構装置を提供すること、好ましくはカンチレバーを含む測定部分を上方から観察できる他の顕微鏡（光学顕微鏡や電子顕微鏡等）を配置するためのスペースを確保できる微動機構装置を提供すること、
また光学的検出系を利用してカンチレバーのたわみ変形を検出する構成の走査型プローブ顕微鏡において、上記微動機構装置を利用して、カンチレバーがＸ，Ｙ，Ｚのいずれの方向に移動してもカンチレバーの背面の同一箇所に光を照射できる走査型プローブ顕微鏡を提供すること、
さらに本発明に係る微動機構装置を用いて構成され、探針の先端部が他の光学顕微鏡等によって観察できる複合型の走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る微動機構装置およびこの微動機構装置を用いた走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、次のように構成される。
【００１３】
第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に対応）：先端に探針を有し他端が固定されたカンチレバーと、測定の際に探針とカンチレバーをＸ方向に移動・走査させるＸ微動機構とＸ方向に直交するＹ方向に移動・走査させるＹ微動機構と、測定の際に探針とカンチレバーをＸ，Ｙ方向に直交するＺ方向に接近・退避させるＺ微動機構と、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構を支持する支持部材と、探針と試料間の相互作用力の変化でカンチレバーがたわみ変形するときたわみ変形量を検出する光学的検出装置を備えている。Ｘ微動機構とＹ微動機構とＺ微動機構には、前述した微動機構装置が利用される。測定のとき探針は試料台上の試料に所定距離で対向した状態にあり、光学的検出装置は光源と光検出器を含み、光源から出射された光はカンチレバーの背面で反射され、その後光検出器に入射されるように構成される。カンチレバーと、光学的検出装置の光源からの光をカンチレバーの背面に導く第１反射部と、カンチレバーで反射された光を光検出器に導く第２反射部はＺ微動機構に固定される。測定の際に探針が移動しても、カンチレバーのたわみ変形量が一定であるときには、光がカンチレバーの背面の同一箇所に照射されかつ光検出器で同一箇所に入射される。
【００１４】
上記の走査型プローブ顕微鏡では、光学的検出装置を上記構成にしたことにより、カンチレバーをＸ，Ｙ，Ｚの各方向に微動させても、カンチレバー背面の反射面に対する光学的検出装置の各部品の相対的位置関係は変化せず、カンチレバーの反射面への入射位置は一定である。例えばＺ微動機構が動作してＺ軸方向に微動したとしても、光源と第１反射部、光検出器と第２反射部の距離は変化するが、第１反射部への入射角は同じであるので、カンチレバーの反射面の入射点は同じであり、カンチレバーのたわみ変形量が同じである限り、光検出器の受光面における入射点は同じ位置である。このことは、ＸまたはＹの方向へ微動しても変わることはない。従って、探針が試料に対してＸＹＺの直交する３軸方向に微動しても、カンチレバーのたわみ変形量が同じであれば、カンチレバーへの入射点と、光検出器への入射点は一定である。
【００１５】
第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に対応）：第１の構成の走査型プローブ顕微鏡において、好ましくは、Ｙ微動機構のＹ移動部に設けた光源からの光をＹ方向に照射するようにし、その光をＺ微動機構の移動方向に反射する第３反射部を設け、また第２反射部からＺ微動機構の移動方向に反射した光をＹ移動部に設けた光検出器にＹ方向から入射するように反射する第４反射部を設けるようにした。これにより、探針が試料に対してＸＹＺの直交する３軸方向に微動しても、カンチレバーのたわみ変形量が同じであれば、カンチレバーへの入射点と、光検出器への入射点は一定である。
【００１６】
第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に対応）：さらに上記の走査型プローブ顕微鏡において、好ましくは、Ｙ微動機構のＹ移動部に固定する代わりに、Ｘ微動機構のＸ移動部において光源と光検出器を光がそれぞれＹ方向に照射および入射されるように設け、光源からの光をＹ微動機構の移動方向に照射して第３反射部に導き、第４反射部で反射された光が光検出器に対してＹ移動機構の移動方向に入射されるように導くようにする。光源からの光はＹ移動部に設けられた第３反射部、Ｚ微動機構に設けられた第１反射部、カンチレバー背面、第２反射部、Ｙ移動部に設けられた第４反射部を経由して光検出器に入射される。従って、探針が試料に対してＸＹＺの直交する３軸方向に微動しても、カンチレバーのたわみ変形量が同じであれば、カンチレバーへの入射点と、光検出器への入射点は一定である。
【００１７】
第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に対応）：上記第１〜第３の構成の走査型プローブ顕微鏡において、好ましくは、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構が、探針の上方に位置する部分に、他の観察手段を配置するための開口部を有している。従って他の測定手段を配置するためのスペースを容易に確保することができ、これによって探針等を含む走査型プローブ顕微鏡の測定部分を測定範囲に沿って広く監視することができる。
【００１８】
第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に対応）：上記の走査型プローブ顕微鏡において、微動機構の支持部材は支持基盤に固定され、光学顕微鏡等のフレームも支持基盤に固定され、かつそのフレームに固定された光学顕微鏡等の対物レンズ等は微動機構の開口部に合わせて配設されている。従ってカンチレバーを含む測定部位を測定範囲に沿って光学的に広く監視できると共に大きな試料も支障なく測定することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１〜図３を参照して微動機構装置の第１の実施形態を説明する。図１は微動機構装置をＸ方向に沿って切った縦断面図（図２中のＡ−Ａ線断面図）を示し、図２は図１を下方から見た図を示す。これらの図において、装置フレームの一部をなす支持部材１１にＸ微動機構１２が固定されている。支持部材１１は板状部材で、その中央部に例えば矩形の開口部（空間部）１１ａが形成されている。Ｘ微動機構１２も板状体の形態を有する。さらにＹ微動機構１３は、Ｘ微動機構１２に囲まれるように位置してＸ微動機構１２と同じ板状体の中に組み込まれて一体的に形成されている。Ｙ微動機構１３には、Ｙ移動部１３２の中央部に円形の開口部（空間部）１３２ａが形成されている。機能の観点からＸ微動機構１２とＹ微動機構１３に分けて説明するが、これら２つの機構は同一の板状体によって形成されている。Ｚ微動機構１４は、Ｙ微動機構１３の下側位置で、Ｙ移動部１３２の開口部１３２ａの周囲に固定されている。各微動機構は、図示された座標系１００において、その移動部がそれぞれＸ，Ｙ，Ｚの各方向へ微動動作させる機能を備えている。
【００２１】
次に、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構の構成についてより詳細に述べる。Ｘ微動機構１２は、両端の固定部１２０が支持部材１１にボルト１２４（または接着剤等）で固定され、当該固定部の内側に平行平板型たわみ部１２１ａを形成し、Ｘ移動部１２２を備えている。Ｘ微動機構１２において平行平板型たわみ部１２１ａは二対設けられている。対向する２つのたわみ部１２１ａと固定部１２０とＸ移動部１２２とによって空間部１２１ｂが形成される。空間部１２１ｂには、Ｘ移動部１２２をＸ方向に移動させる圧電アクチュエータ１２３が、固定部１２０の突起部１２０ａとＸ移動部１２２の突起部１２２ａの間に固定されている。
【００２２】
Ｙ微動機構１３は、Ｘ移動部１２２にてＸ方向に延びる溝１３１ｃを形成することにより作られ、その溝１３１ｃの両端部近傍にたわみ部１３１ａを形成し、Ｙ移動部１３２を備えている。Ｙ微動機構１３において平行平板型たわみ部１３１ａは二対設けられている。たわみ部１３１ａとＸ移動部１２２とＹ移動部１３２によって空間部１３１ｂが形成される。空間部１３１ｂには、Ｙ移動部１３２をＹ方向に移動させる圧電アクチュエータ１３３が、Ｘ移動部１２２側の突起部１２２ｂとＹ移動部１３２の突起部１３２ｂの間に固定されている。なお溝１３１ｃは、Ｙ方向圧電アクチュエータ１３３を駆動してＹ移動部１３２を移動したときに、Ｙ方向に所望の変位量だけ変位させるのに必要な幅に設定される。そしてＹ移動部１３２のほぼ中央には上記の開口部１３２ａが形成されている。
【００２３】
Ｚ微動機構１４は、円筒形のＺ移動部１４１とそれをＺ方向に移動する円筒型圧電素子（圧電アクチュエータ）１４２とで構成され、円筒型圧電素子１４２の側がＹ移動部１３２に固定されている。Ｚ微動機構１４は円筒型に形成したので、中央部にはＺ方向に開口された空間部分を有している。なおＺ移動部１４１の下端には、探針１６を先端に備えたカンチレバー１７が固定部材１５と取付け材１７１を介して固定され、Ｚ移動部１４１が後述する移動（微動）動作を行うことによって、探針１６に対向する試料（図示せず）を測定することができる。また図１に仮想線で示す１８は、探針１６等の測定部を監視するための他の観測手段であり、例えば光学顕微鏡の対物レンズである。
【００２４】
次に図３を参照して上記微動機構装置の動作を説明する。１００は例えば走査型原子間力顕微鏡のコントローラであり、顕微鏡測定に必要な全体的な制御を行う。１０１はＸ方向の微動制御回路であり、コントローラ１００の指令に基づき左右２個の圧電アクチュエータ１２３の電極（図示せず）に同一条件の電圧を印加し、Ｘ移動部１２２をＸ方向に所望の伸縮量で微動変位させる。変位は、Ｘ固定部１２０とＸ移動部１２２を連結している平行平板型たわみ部１２１ａが圧電アクチュエータの伸縮動作に追従してたわむことにより、生じさせることができる。従って、Ｘ移動部１２２に設けられたＹ微動機構１３とこのＹ微動機構１３に固定されているＺ微動機構１４も、同時に同量Ｘ方向に変位する。
【００２５】
１０２はＹ方向の微動制御回路であり、コントローラ１００の指令に基づき左右２個の圧電アクチュエータ１３３に同一条件の電圧を印加し、Ｙ移動部１３２をＸ移動部１２２に対しＹ方向の所望の位置に微動変位させる。Ｙ方向の変位は、Ｘ移動部１２２とＹ微動機構１３を連結する平行平板型たわみ部１３１ａがたわむことにより、生じさせることができる。その変位は、溝１３１ｃに所定の幅を持たせることによって、吸収することができる。従ってＹ移動部１３２に固定されているＺ微動機構１４も同時に同量Ｙ方向に変位する。このように微動機構をＸ微動機構とＹ微動機構に分離して構成し、Ｘ，Ｙの各方向の動きを独立して駆動できるようにしたため、試料の表面形状に追従して動作する微動機構の負荷が軽減され、ＸＹ方向（直交座標系）の走査の動作特性を向上できる。
【００２６】
１０３はＺ方向の微動制御回路であり、コントローラ１００の指令に基づき圧電アクチュエータ１４２に電圧を印加し、Ｚ移動部１４１をＹ移動部１３２に対しＺ方向の所望位置に微動変位させる。従って例えばＺ微動機構１４の下部に固定された探針１６等をＺ方向に変位させることができる。
【００２７】
上記第１の実施形態によれば、前述の構成により、大型の試料の測定に対応でき、測定の際の微動機構の負荷を軽減でき、Ｘ，Ｙの各方向の走査が独立して正確な変位動作が可能となり、直交座標系の動作特性を向上させることができる。またＸ，Ｙの各微動機構に開口部を設け、Ｚ微動機構は円筒形状の圧電アクチュエータとＺ移動部を用いて構成したので、例えばＺ微動機構の下部に固定したカンチレバーを含む測定部分を上方から観察できる他の顕微鏡（光学顕微鏡や電子顕微鏡等）を配置し、測定部を監視するためのスペースを確保できる。
【００２８】
次に微動機構装置の第２の実施形態を図４と図５を参照して説明する。なお図１〜図３に示した要素と実質的に同じ要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。図４は微動機構装置をＹ方向に沿って切った断面図（図５中のＢ−Ｂ線断面図）を示し、図５は図４を下方から見た図を示す。この実施形態では、Ｙ微動機構をＸ微動機構とは別の板状部材で形成し、これをＸ移動部に固定しており、Ｚ微動機構の圧電アクチュエータはブロック状に形成されている。
【００２９】
以下にその構成を説明する。Ｘ微動機構２２は、第１の実施形態のものと実質的に同一で板状体によって形成され、その中央部にＸ移動部２２２を備えている。Ｘ移動部２２２では、Ｙ微動機構２３の配置箇所に対応する部分に、開口部２２２ａが形成されている。
【００３０】
Ｙ微動機構２３は、図５の下面形状に示す通り、全般的にほぼ矩形の形状を有する。Ｙ微動機構２３では、Ｘ移動部２２２に固定される固定部２３０が両端部に設けられ、この固定部２３０の内側に平行平板型たわみ部２３１ａが設けられ、中央部にＹ移動部２３２を備えている。Ｙ微動機構２３では二対の平行平板型たわみ部２３１ａが設けられる。たわみ部２３１ａと固定部２３０とＹ移動部２３２とによって空間部２３１ｂが形成され、各空間部２３１ｂで、Ｙ方向に移動する圧電アクチュエータ１３３が、固定部２３０の突起部２３０ａとＹ移動部２３２の突起部２３２ｂとの間に固定されている。またＹ移動部２３２のほぼ中央には開口部２３２ａが形成されている。Ｙ微動機構２３は例えば複数のボルト１２７でＸ移動部２２２に固定されている。
【００３１】
Ｚ微動機構１４５は、Ｚ方向の移動を生じさせる圧電アクチュエータ１４６とその下端に取付けられたＺ移動部１４７とで構成され、Ｙ移動部２３２に固定されている。なおＺ移動部１４７の端部には例えばＳＴＭで使われる探針１６１が固定されている。
【００３２】
上記のように構成した第２の実施形態の微動機構装置によっても前記第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。本発明に係る微動機構装置は走査型プローブ顕微鏡等の走査手段としての微動機構として広く応用できる。
【００３３】
次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態を、原子間力顕微鏡を例にし、図６〜図８を参照して説明する。この走査型プローブ顕微鏡は、微動機構部として、前述の微動機構装置の第１実施形態（図１〜図３）を適用したものである。図６は走査型プローブ顕微鏡において探針が位置するほぼ中央部のＹ方向断面図を１部省略して示した図、図７は図６のＣ−Ｃ線で切って下方から見た図、図８は図６の構成に制御系を付加した図である。なお本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡に適用した微動機構装置において、前述の微動機構装置の実施形態で説明した要素と実質的に同じ要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
図６〜図８において、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構は、走査型プローブ顕微鏡のフレームの一部をなす支持部材１１に固定されている。支持部材１１の中央には矩形の開口部１１ａが形成されている。Ｘ微動機構１２およびＹ微動機構１３は同じ板状部材で形成され、Ｙ微動機構１３はＸ微動機構１２のＸ移動部１２２の中に組み込まれている。Ｙ移動部１３２には円形状の開口部１３２ａが形成され、その下部にＺ微動機構１４の円筒型のＺ方向圧電アクチュエータ１４２の上端が固定されている。圧電アクチュエータ１４２には、それと同じ程度の径の円筒型Ｚ移動部１４１が固定されている。Ｚ微動機構１４のＺ移動部１４１の下部には、探針１６を備えたカンチレバー１７が固定部材１５を介して固定されている。ここで探針１６の配置位置は円筒型圧電アクチュエータ１４２のほぼ中心に設定されている。
【００３５】
Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構の移動部は、それぞれの圧電アクチュエータの電極（図示せず）に所望の電圧を印加することにより、それぞれの方向に微動される。Ｘ，Ｙの方向は、探針で試料の表面を測定するとき、探針の走査方向であり、試料表面と実質的に平行である。Ｚ方向は、測定の際、試料表面に臨む探針を当該試料表面に対して接近させたりあるいは退避させたりする移動方向である。上記の構成によって、Ｘ，Ｙの各微動機構の中央に位置する部分を、ＸまたはＹの各方向またはそれらを組み合わせた方向に微動させることができ、それ故に、Ｚ微動機構１４を介してその下部に取り付けられた探針１６等をＸＹ平面内における任意の方向に微小に移動させることができる。
【００３６】
次に、先端に探針１６を備えたカンチレバー１７のたわみ変形量を検出する光学的検出系の構成について説明する。Ｙ移動部１３２の下面には、光源３１を備えた支持台３２が固定されている。光源３１からの光は、Ｚ方向に照射されるように設定されている。Ｙ移動部１３２の下面には、さらに、光検出器３７を備えた支持台３８が固定され、光検出器３７はＺ方向から受光するように設定される。Ｚ移動部１４１には、光源３１から照射されるＺ方向の光をカンチレバー１７の背面に当てるように導く第１反射部４４を備えた反射部支持部材４０と、カンチレバー１７の背面で反射した光を光検出器３７に対しＺ方向から入射するように導く第２反射部４５を備えた反射部支持部材４０とが固定されている。そしてＺ移動部１４１には、第１反射部４４で反射した光をカンチレバー１７の背面に通すための孔、切欠、スリット等の透光部１４ａと、カンチレバー１７で反射した光を第２反射部４５に通すための同様の透光部１４ｂが設けられている。ここで上記光源支持台３２と、光検出器支持台３８は、図示されるように、Ｚ微動機構１４を中心として反対側の位置に配置されている。また第１反射部４４を備えた右側の反射部支持部材４０と第２反射部４５を備えた左側の反射部支持部材４０は、カンチレバー１７を中心として前述の支持板１５の両側の位置に配置される。従って、光源３１、第１反射部４４、第２反射部４５、光検出器３７、および探針１６を含むカンチレバー１７等の測定部は、図でＹ方向のほぼ一直線上に配置される。これらの光学的検出装置における光の経路は図において点線４１で示す。
【００３７】
上記Ｚ方向の円筒型圧電アクチュエータ１４２の直径は例えば４０ｍｍ程度である。上記の支持部材１１の矩形開口部１１ａ、Ｙ微動機構１３の円形開口部１３２ａ、およびＺ微動機構１４の内部空間を利用して、光学顕微鏡１８が配置されている。この光学顕微鏡１８では、その対物レンズが、探針１６を含むカンチレバー１７の背面部に臨む。この構成により、光学顕微鏡１８を用いて探針１６等からなる測定部分を観察することができる。なお、光学顕微鏡１８とＹ微動機構１３の円形開口部１３２ａとの間、光学顕微鏡１８とＺ微動機構１４の間には、Ｘ微動機構１２とＹ微動機構１３の各動作でＸＹ方向への微動が生じた時であっても、互いに接触しないように十分な広さの隙間が形成されている。
【００３８】
上記構成を有する光学的検出系によれば、光路を示した点線４１で明らかなように、光源３１から出射された光（レーザ光等）はＺ方向に照射され、さらに第１反射部４４によってカンチレバー１７の背面に一定の角度で照射される。なお第１反射部４４とカンチレバー１７の間の光路にはＺ微動機構１４が存在するが、前述の通り光が通過できる透過部１４ａが形成されている。
【００３９】
カンチレバー１７の背面で反射された光は、さらに第２反射部４５で反射してＺ方向と平行になり、光検出器３７に入射される。この光路の部分についても、カンチレバー１７と第２反射部４５との間にはＺ微動機構１４が存在するが、前述の通り光が通過できる透光部１４ｂが形成されている。
【００４０】
上記光学的検出系に基づく点線４１で示された光路は固定され、カンチレバー１７が、Ｘ，Ｙの各微動機構によりＸＹ平面内で移動し、またＺ微動機構１４によりＺ軸方向に移動しても、上記光路に関して光軸が移動することはない。
【００４１】
探針１６の下方の位置には試料４２が配置される。試料４２は試料台としての粗動ステージ４３の上に配置されている。粗動ステージ４３によってＸ，Ｙ，Ｚの各方向に相対的に大きな距離の移動を達成する。試料４２は、粗動ステージ４３によって任意の位置へ移動される。カンチレバー１７の上方に配置された光学顕微鏡１８によって探針１６と試料４２を観察することができる。
【００４２】
上記の構成において、粗動ステージ４３によって試料４２をＸＹ平面の任意の位置でＺ方向に移動させて探針１６に接近すると、探針１６と試料４２の間に原子間力が生じ、カンチレバー１７にたわみ変形が生じる。このときには、カンチレバー１７から光検出器３７までの光路に関しての光軸が変化し、その変化は光検出器３７で検出される。カンチレバー１７のたわみ変形量を検出する光検出器３７では、探針１６で生じたＺ方向の変位を検出することができる。上記光学的検出系では、測定の際に探針がＸＹ平面内で移動しても、カンチレバー１７のたわみ変形量が一定であるときには、光がカンチレバー１７の背面の同一箇所に照射され、その結果、前記光検出器で同一箇所に入射される。
【００４３】
次に、図８を参照して制御系に関して説明する。光源３１は、光源ドライバ５１から駆動信号を受けて発光動作を行う。また光検出器３７から出力された信号は、受光アンプ５２を経由してコントローラ５３に入力される。コントローラ５３は、微動機構制御装置５４を経由してＸ微動機構１２とＹ微動機構１３によるＸ，Ｙの各方向の動作と、Ｚ微動機構１４によるＺ方向の動作を制御する機能を有する。微動機構制御装置５４は、コントローラ５３からの指示を受け、Ｘ，Ｙの各微動機構を制御し、探針１６をＸＹ方向へ移動する。そのとき、カンチレバー１７は探針・試料間の原子間力に基づいてたわみ変形するが、カンチレバー１７のたわみ変形量は、光検出器３７で検出され、コントローラ５３内に取り込まれる。コントローラ５３は、カンチレバー１７でのたわみ変形量が一定に保持されるように、微動機構制御装置５４に指示し、Ｚ微動機構１４の伸縮動作を制御する。かかるコントローラ５３による制御は、試料４２の測定面を探針で測定する間、継続して行われる。当該測定で得られたデータ、すなわち試料測定面における探針の位置データ（ＸＹデータ）および各測定点における高さデータ（Ｚデータ）はコンントローラ５３に保存される。コントローラ５３は、測定データを用いて例えば測定画像を作成し、出力装置５５に出力する。
【００４４】
次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形態を図９〜図１１を参照して説明する。図９はＹ方向に沿う断面図、図１０は一部を切り欠いた外観を示す斜視図、図１１は図９のＤ−Ｄ線で切って下方から見た図を一部省略して示したものである。なお、走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態で説明した要素と実質的に同じ要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施形態では、走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態に比較し、光学的検出装置において、光源３１と第１反射部４４との間に第３反射部３３を設け、第２反射部４５と光検出器３７との間に第４反射部３５を設けたものである。第３反射部３３および第４反射部３５はそれぞれ支持部材３４，３６によって支持され、Ｙ微動機構１３のＹ移動部１３２の下面に固定されている。
【００４５】
以下では、第１の実施形態と異なる部分の構成を中心に説明する。まずＹ移動部１３２の下面に、Ｙ方向に光を照射するように光源３１を備えた光源支持部材３２０と、その光源３１からの光をＺ方向に向け第１反射部４４に導くように反射させる第３反射部３３を備えた反射部支持部材３４を固定する。さらに同じくＹ移動部１３２の下面に、第２反射部４５からＺ方向に反射されてきた光をＹ方向に反射させる第４反射部３５を備えた反射部支持部材３６と、第４反射部３５から反射された光を入射する光検出器３７を備えた光検出器支持部材３８０が固定されている。光源支持部材３２０および第３反射部支持部材３４と、第４反射部支持部材３６および光検出器支持部材３８０とは、Ｚ微動機構１４を中心として反対側の位置に配置されている。そして光源３１、第３反射部３３、第１反射部４４、カンチレバー１７の背面の反射部１７ａ（図１０に示す）、第２反射部４５、第４反射部３５および光検出器３７は、Ｙ方向で見るとほぼ一直線上に並ぶように配置されている。その他の構成は前記走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態と同じである。
【００４６】
上記構成を有する光学的検出系によれば、光路を示した点線４１で明らかなように、例えば光源３１からＹ方向に平行に出射された光は、反射部３３，４４によってカンチレバー１７の背面に設けられた反射面１７ａに照射される。反射部３３で反射された光はＺ方向と平行になる。反射部４４で反射された光はカンチレバー１７の背面に一定の角度で照射される。なお、反射部４４とカンチレバー１７の間の光路にはＺ微動機構１４が存在するが、前述の通り光路となる部分には光が進行できるように透光部１４ａが形成されている。
【００４７】
カンチレバー１７の反射面１７ａで反射された光は、さらに反射部４５，３５で反射され、光検出器３７に入射される。反射部４５で反射された光はＺ方向と平行になり、反射部３５で反射された光はＹ方向に平行になっている。この光路の部分についても、カンチレバー１７と反射部４５との間にはＺ微動機構１４が存在するが、前述の通り光路となる部分には光が進行できるように透光部１４ｂが形成されている。
【００４８】
上記光学的検出系に基づく点線４１で示された光路は固定され、Ｘ，Ｙの各微動機構によってＸＹ平面内での移動が生じ、かつＺ微動機構１４によってＺ方向の移動が生じても、上記光路に関して光軸が移動することはない。
【００４９】
また上記光学的検出系によれば、測定の際に探針１６が移動しても、カンチレバーのたわみ変形量が一定であるときには、光がカンチレバー１７の背面の同一箇所に照射され、その結果、前記光検出器３７で同一箇所に入射される。
【００５０】
次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第３の実施形態を図１２を参照して説明する。図１２は図１１に対応する図である。本実施形態では、第２の実施形態と比較して、光源３１を備えた光源支持部材３２０と光検出器３７を備えた光検出器支持部材３８０とを、Ｙ移動部１３２ではなく、Ｘ微動機構１２のＸ移動部１２２に固定した点が異なる。その他の構成は第２の実施形態と同じである。
【００５１】
本実施形態においても、Ｙ移動部１３２はＸ微動機構１２のＸ移動部１２２と共に微動する。このためＹ移動部１３２がＹ方向に移動するとき、光源３１と第３反射部３３の間隔と第４反射部と光検出器３７の間隔はそれぞれ変化するが、前記実施形態と同様にＹ方向の光軸は一直線上に存在して変わることがない。
【００５２】
次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第４の実施形態を図１３と図１４を参照して説明する。本実施形態は、第２の実施形態（図９〜図１１）で示したＸ，Ｙ，Ｚの各微動機構および光学的検出装置等を適用し、光学顕微鏡とセットで構成した、走査型プローブ顕微鏡を示す。図１３はＹ方向に沿って切った一部断面図、図１４は図１３を右側面から見たもので、Ｘ方向に沿って切った一部断面を示す側面図である。なお前述の各実施形態で説明した要素と実質的に同じ要素には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５３】
図において、１１１は走査型プローブ顕微鏡の支持部材であり、支持基盤４６に固定されている。支持部材１１１には開口部１１１ａが設けられている。この支持部材１１１には、第２の実施形態で説明したＸ微動機構１２の両側の固定部１２０がボルト１２４で固定されている。ＸＹＺ粗動機構４３は支持基盤４６に固定されている。粗動機構４３は、測定する試料４２のサイズに合わせて、ＸＹ方向には例えばそれぞれ２５０ｍｍあるいはそれ以上の移動ができるように設定されている。光学顕微鏡４９はフレーム４７と対物レンズ１８で構成される。フレーム４７は前記支持基盤４６に固定されている。対物レンズ１８は、支持部材１１１の開口部１１１ａ、Ｙ移動部１３２の開口部１３２ａ，Ｚ微動機構１４の円筒空間部に挿入され、探針１６を含む測定部に臨むように設定されている。
【００５４】
なおＸおよびＹの微動機構として図１〜図３に示したものを適用した例を説明したが、図４と図５に示した微動機構を適用してもよいことは明らかである。
【００５５】
上記走査型プローブ顕微鏡のいずれの構成においても、光学的検出系における光路等の構成は、カンチレバー１７と探針１６がＸ，Ｙ，Ｚの各方向に移動しても、その光軸がカンチレバー１７の背面の所定位置からずれることはない。またＸ微動機構とＹ微動機構を分離した構成では、Ｙ微動機構に加わる負荷を低減することができる。例えばＹ方向をサンプリング方向、Ｘ方向をフィード方向とすると、サンプリング方向についてその高速化を達成することができ、サンプリング方向の高速化は測定全体の高速化に大きな影響を与える。従って、Ｙ微動機構１３，２３に加わる負荷を小さくすることによって、測定の高速化を達成することができる。
【００５６】
上記の各実施形態では原子間力顕微鏡の例をとって説明したが、上記の探針とカンチレバーを含む類似の構造を有する走査型プローブ顕微鏡に対して、本発明に係る光学的検出系を設けることが可能である。またＸ微動機構とＹ微動機構の関係については、Ｘ微動機構の中央部にＹ微動機構を組み込むまたは付設するようにしたが、この関係を反対にすることもできる。この場合にはＹ微動機構の中央部にＸ微動機構が一体的に組み込まれまたは別部材として付設され、このＸ微動機構に対してＺ微動機構および関連する機構が付設されることになる。また上記Ｚ移動部は必ずしも必要なく、Ｚ微動機構においてカンチレバーを圧電アクチュエータに直接に設けることも可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、探針等を微動させる微動機構をＸ，Ｙ，Ｚの各方向に分離独立して互いの干渉がないように構成したため、測定の際の探針等を微動させる微動機構部分の負荷を軽減することができ、ＸＹ方向の走査動作を向上させることができ、さらには大型試料の測定にも対応することができる。
【００５８】
またカンチレバーのたわみ変形量を検出する光学的検出系の各部品をカンチレバーの上方側方のスペースを利用して配置するようにしたため、探針とカンチレバーを含む測定部分を上方から観察できる光学顕微鏡等を設置するスペースを確保できる。さらに、光学的検出系を利用してカンチレバーのたわみ変形量を検出する構成において、複数の反射部を設けて光の光路（光軸）を所定方向に設定したため、探針とカンチレバーがＸ，Ｙ，Ｚのいずれの方向に移動してもカンチレバーの同一背面に光を照射することができる。これにより、探針が試料に対してＸＹＺの直交する３軸方向に微動しても、カンチレバーのたわみ変形量が同じであれば、カンチレバーへの入射点と、光検出器への入射点を一定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微動機構の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す微動機構を下方から見た図である。
【図３】図２に示した微動機構に制御系を付加した図である。
【図４】本発明の微動機構の第２実施形態を示す縦断面図である。
【図５】図４に示す微動機構を下方から見た図である。
【図６】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図７】図６においてＣ−Ｃ線で切って下方から見た図である。
【図８】第１実施形態の構成に対して光学的検出系の電気回路部と制御系を付加して示した図である。
【図９】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２実施形態を示す縦断面図である。
【図１０】第２実施形態における光学的検出系の要部を示す一部断面斜視図である。
【図１１】図９においてＤ−Ｄ線で切って下方から見た図である。
【図１２】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第３実施形態を示し、図１１に対応する図である。
【図１３】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第４実施形態を示し、要部を断面で示した図である。
【図１４】図１３の右側面図を示し、Ｘ方向に沿って切ることにより一部を断面で示した図である。
【符号の説明】
１１支持部材
１２，２２Ｘ微動機構
１２２，２２２Ｘ移動部
１３，２３Ｙ微動機構
１３２，２３２Ｙ移動部
１４，１４５Ｚ微動機構
１４１，１４７Ｚ移動部
１５固定部材
１６探針
１７カンチレバー
１８光学顕微鏡の対物レンズ
３１光源
３３，３５反射部
４４，４５反射部
３７光検出器
４２試料
４３ＸＹＺ粗動機構

Claims

先端に探針を有し他端が固定されたカンチレバーと、測定の際に前記探針と前記カンチレバーをＸ方向に移動・走査させるＸ微動機構と、前記Ｘ方向に直交するＹ方向に移動・走査させるＹ微動機構と、測定の際に前記探針と前記カンチレバーをＸＹ方向に直交するＺ方向に接近・退避させるＺ微動機構と、前記Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構を支持する支持部材と、前記探針と試料間の相互作用力の変化でカンチレバーがたわみ変形するときたわみ変形量を検出する光学的検出装置を備え、測定のとき前記探針は試料台上の試料に所定距離で対向した状態にあり、前記光学的検出装置は光源と光検出器を含み、前記光源から出射された光は前記カンチレバーの背面で反射され、その後前記光検出器に入射される走査型プローブ顕微鏡において、
前記Ｘ微動機構は、前記支持部材に２つの固定部で固定され、それらの固定部間に二対の平行平板型たわみ部を設け、該平行平板型たわみ部で連結されてＸ方向に移動するＸ移動部と、前記二対の平行平板型たわみ部のそれぞれの平行平板間に位置して前記固定部に対し前記Ｘ移動部を移動させるＸ方向圧電アクチュエータとを備え、
前記Ｙ微動機構は、Ｙ方向に二対の他の平行平板型たわみ部を設け、該他の平行平板型たわみ部で連結されてＹ方向に移動するＹ移動部と、前記二対の他の平行平板型たわみ部のそれぞれの平行平板間に位置して前記Ｘ移動部に対し前記Ｙ移動部を移動させるＹ方向圧電アクチュエータとを備え、
前記Ｚ微動機構は、前記Ｙ移動部に対しＺ方向に移動するＺ移動部と、該Ｚ移動部を移動させるＺ方向圧電アクチュエータとを備え、
前記カンチレバーは前記Ｚ微動機構の下部に固定され、
前記光学的検出装置は、前記光源と前記光検出器を前記Ｙ微動機構のＹ移動部に固定し、前記光源からの前記光を前記Ｚ微動機構の移動方向に照射し、その光を前記カンチレバーの背面に照射するように導く第１反射部と、前記カンチレバーで反射された前記光を前記光検出器に入射させるように前記Ｚ微動機構の移動方向に反射する第２反射部とを前記カンチレバーとの位置関係が一定に保持されるように前記Ｚ微動機構に固定し、
測定の際に前記探針が移動しても、前記カンチレバーのたわみ変形量が一定であるときには、前記光が前記カンチレバーの背面の同一箇所に照射されかつ前記光検出器で同一箇所に入射されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
前記光学的検出装置は、前記光源からの前記光を前記Ｙ微動機構の移動方向に照射しその光を前記Ｚ微動機構の移動方向に反射し前記第１反射部に導く第３反射部と、前記第２反射部で反射された前記光が前記光検出器に前記Ｙ微動機構の移動方向に入射されるように導く第４反射部とを前記Ｙ微動機構のＹ移動部にさらに固定したことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記光学的検出装置の光源と光検出器は、前記Ｙ微動機構のＹ移動部に固定される代わりに、前記Ｘ方向微動機構の前記Ｘ移動部に固定され、前記光源からの光を前記Ｙ微動機構の移動方向に照射して前記第３反射部に導き、前記第４反射部で反射された光が前記光検出器に対して前記Ｙ移動機構の移動方向に入射されるように導くことを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構には、他の観察手段を上方より配置するためのＺ方向に貫かれる開口部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
支持基盤を備え、この支持基盤に、前記支持部材と、前記探針に対し対向配置される試料を載置する試料台と、該試料台をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動する移動ステージとを固定し、前記観察手段の支持フレームを固定し、該支持フレームに支持された前記観察手段の対物部を前記開口部に配設したことを特徴とする請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。