JPH05187865A - 変位検出系の調整機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】装置の剛性を低下させることなく、プローブ顕
微鏡の変位検出系の各要素の調整を容易に行なえる調整
機構の提供する。 【構成】走査型プローブ顕微鏡の筐体１２の下面にはカ
ンチレバー１８が、側面にはレーザーモジュール２０が
取り付けられている。筐体１２の上のフタ２４には直視
型ファイバースコープ２８が、その軸心がカンチレバー
１８に直交しかつその面に焦点が合うように取り付けら
れている。フタ２４の下面のボール受け４０には、ミラ
ー４２を取り付けたミラー取付部材３６がボール３８を
介して支持される。ミラー取付部材３６は直交して延び
る二本のアーム４６を有している。これらのアーム４６
は、その中程がスプリング４８により上方に引っ張られ
る一方で先端部が調整ネジ５０により押さえられてい
る。従って、ミラー４２は所定の向きに安定に支持さ
れ、調整ネジ５０を回せば向きが変えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プローブ顕微鏡たとえ
ば原子間力顕微鏡の変位検出系の調整機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は原子間力を
利用して試料の表面形状を原子レベルの分解能で観察す
ることができる。原子間力は非常に接近した原子間に働
き、その大きさは原子間距離に依存して変化する。柔軟
なカンチレバーで支持した尖鋭な探針を試料表面に近づ
けると、探針先端と試料表面の原子間に原子間力が発生
してカンチレバーに変位が生じる。ＡＦＭでは、原子間
力の発生する距離に支持した探針を用いて試料面を走査
する。走査中、試料表面の凹凸に応じて生じるカンチレ
バーの変位を常に測定し、そのときに探針に作用してい
る原子間力を検出することにより探針試料間の距離を求
めて試料の凹凸像を得る。あるいは走査の間、フィード
バック制御するなどしてカンチレバーの変位を一定に保
ち、探針の軌道から試料表面の凹凸像を得る。いずれに
しても、原子間力を間接的に利用してカンチレバーの変
位から表面の凹凸像を得ている。

【０００３】原子間力Ｆ（つまりカンチレバーの復元
力）はカンチレバーの変位δとして検出される。この変
位δは、カンチレバーが長方形の板の時、その長さを
Ｌ、厚さをａ、幅をｂ、弾性係数をＥとすると次式で表
せる。

【０００４】δ＝４Ｌ³Ｆ／ａ³ｂＥ この変位δを検出する方法の一つに、カンチレバーの裏
面（探針が設けられた面の反対側の面）に対してＳＴＭ
を構成してカンチレバーの変位をトンネル電流の変化と
して検出する方法がある。しかし、この方法には、ＳＴ
Ｍの探針とカンチレバーとの間に原子間力が発生し、こ
れがＡＦＭの探針と試料との間に生じる原子間力と干渉
するためにカンチレバーの変位を正確に検出できないと
いう不都合がある。また、別の方法としては、光源から
発射されたレーザービームを２本に分割し、その一方を
カンチレバーの先端部裏面に設けた光学反射面に照射
し、その反射光を他方のビームと干渉させ干渉計を用い
て検出する方法がある。この方法では、レーザー光源お
よび干渉計の光路部分に高度の安定性が要求されるた
め、装置は大型で高価なものになってしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらとは別の方法
に、カンチレバーの先端部裏面に設けた光学反射面にレ
ーザービームを照射してカンチレバーの変位に応じて変
化する反射角を光位置検出器で検出する、いわゆる光て
こ方式がある。この光てこ方式では、測定前に、カンチ
レバーと試料の位置関係やカンチレバーの表面に照射さ
れるビームスポットの位置・カンチレバーの変位を検出
するための光位置検出器上におけるビームスポットの位
置等を調整する必要がある。しかし、通常の走査型プロ
ーブ顕微鏡には光学的に観察する機構がないため、前述
の調整ができないか、できても非常に困難である。そこ
で、走査型プローブ顕微鏡に光学顕微鏡を一体化させた
ものもあるが、これでは装置全体の構成が走査型プロー
ブ顕微鏡単体に比べて非常に大きなものとなるため、装
置の剛性が低下し、観察像の分解能が低下してしまう。
また、予め走査型プローブ顕微鏡に光学顕微鏡で観察す
るための観察穴を設けておき、必要なときに光学顕微鏡
を設置して観察を行なうという方法もあるが、これだと
光学顕微鏡を設置するために多くの時間を要してしま
う。

【０００６】本発明は、装置の剛性を低下させることな
く、すなわち観察像の分解能の低下を招くことなく、変
位検出系の各要素の調整が容易に行なえるプローブ顕微
鏡の変位検出系の調整機構の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、プローブ顕微
鏡に設けられる変位検出系の調整機構であって、変位検
出系の光学要素を支持する手段と、光学要素の向きを変
える手段と、光学要素の向きを確認するためのファイバ
ースコープとを備えている。

【０００８】

【作用】本発明の変位検出系の調整機構はファイバース
コープを備えている。変位検出系の光学要素、例えばレ
ーザービームを偏向するミラー等の向きを調整する際、
光学要素の向きはファイバースコープを用いて視覚的に
確認される。ファイバースコープは小型であるため、本
発明の調整機構を走査型プローブ顕微鏡に組み込んで
も、著しい剛性の低下を招くことはない。

【０００９】

【実施例】次に、図面を参照しながら本発明の一実施例
について説明する。本実施例の変位検出系の調整機構を
組み込んだ走査型プローブ顕微鏡の正面の部分断面図を
図１に、その左側面の部分断面図を図２に、上面の部分
断面図を図４に示す。

【００１０】走査型プローブ顕微鏡の筐体１２の下面に
は、ネジ１４により固定された板バネ１６により、水平
面に対して１５度の角度でカンチレバー１８が配置され
ている。また、筐体１２の側面には、半導体レーザーと
レンズを収容したレーザーモジュール２０が取り付けら
れている。このレーザーモジュール２０の端には、カン
チレバー上のビームスポットを好適な径に調整できるよ
うに、レンズ位置調整ネジ２２が設けてある。

【００１１】筐体１２の上にはフタ２４がネジ２６によ
り固定されている。このフタ２４には直視型ファイバー
スコープ２８が、その軸心がカンチレバー１８に直交し
かつその面に焦点が合うように取り付けられ、スコープ
固定ネジ３４により固定されている。この直視型ファイ
バースコープ２８は、その軸心の延長上にある対象物を
照明しながら拡大して観察できるよう、図３に示すよう
に、その端面に対物レンズ３０とライトガイド３２が設
けてある。

【００１２】フタ２４の下面には、ミラー取付部材３６
に固定されているボール３８を収容するとともに磁力に
より支持するボール受け４０が設けてある。ミラー取付
部材３６に取り付けたミラー４２は固定バネ４４により
固定されている。ミラー取付部材３６には、ボール３８
を中心として互いに９０度の角度をなして延びる二本の
アーム４６が設けられている。これらのアーム４６は、
その中程に取り付けてあるフタ２４から延びたスプリン
グ４８によって上方に引っ張られているが、その先端部
がフタ２４から延出した調整ネジ５０に当たっているた
め所定の位置で安定に停止している。従って、調整ネジ
５０を回してこれを進退させることにより、ミラー４２
の所望の方向に向けることができる。

【００１３】また、筐体１２の内部には、カンチレバー
１８からのレーザービームを垂直に受光するフォトディ
テクター５２が設けられている。フォトディテクター５
２はディテクターステージ５４に固定されている。この
ディテクターステージ５４は、カンチレバー１８からの
レーザービームに直交する筐体内に設けた平面に押し付
けられるように、三本のＤネジ５６を用いて取り付けら
れている。

【００１４】このような筐体１２は、三本の脚６２に支
えられたスキャナーサポート６０の上に配置され、同一
円周上に均等に配置した三本の粗動ネジ６４により支持
されている。このスキャナーサポート６０は、三本の位
置調整ネジ６６によって移動されるとともに、ベース板
６８に押し付けられるように固定されるスキャナー台７
０を有している。スキャナー台７０は磁性体で作られて
いて、ベース板６８の中央部に埋め込んだ磁石７２の磁
力により位置調整ネジ６６を緩めた状態でも簡単には移
動しない。スキャナー台７０にはチューブスキャナー７
４が接着により取り付けられている。このチューブスキ
ャナー７４の上端には試料台７６が取り付けられてい
て、その上に試料７８が載置される。

【００１５】続いて各種の光学要素の調整手順について
説明する。レーザーモジュール２０から発射されたレー
ザービームはミラー４２で反射される。ミラー４２で反
射されたレーザービームの作るビームスポットがカンチ
レバー１８の先端部（自由端部）にくるように、直視型
ファイバースコープ２８でカンチレバー１８を拡大観察
しながら二本の調整ネジ５０を回してミラー４２の向き
を調整する。次に、カンチレバー１８で反射されたレー
ザービームがフォトディテクター５２の中心を照射する
ように、フォトディテクター５２の出力を見ながら三本
のＤネジ５６を回してフォトディテクター５２の位置を
調整する。カンチレバー１８の先端の探針の試料７８に
対する位置調整は、直視型ファイバースコープ２８を用
いてカンチレバー１８と試料７８を同時に観察しながら
三本の位置調整ネジ６６を回して行なう。試料７８への
探針のアプローチはフォトディテクター５２からの出力
を見ながら三本の粗動ネジ６４を用いて行なう。

【００１６】各種の調整が終了した後、チューブスキャ
ナー７４の印加電圧を制御して探針を試料７８の表面に
沿って走査するとともに、カンチレバー１８の変位に応
じて移動するフォトディテクター上のビームスポットの
位置をモニターすることにより、試料７８の凹凸像を原
子オーダーの分解能で得ることができる。

【００１７】上述したように本実施例の変位検出系の調
整機構は直視型ファイバースコープを備えているので、
各種の光学要素の調整を容易に行なえる。しかもファイ
バースコープは小型なため、走査型プローブ顕微鏡に組
み込んでも装置の剛性の低下を招かないので、高分解能
での試料観察が行なえる。

【００１８】次に、図面を参照しながら本発明の別の実
施例について説明する。本実施例の変位検出系の調整機
構を組み込んだ走査型プローブ顕微鏡の正面の部分断面
図を図６に、その上面の部分断面図を図７に示す。本実
施例において、上述の実施例と同等の部材には同一の符
号を付け、その説明は省略する。

【００１９】本実施例は、次の点を除けば基本的な構成
は上述の実施例と同じである。つまり本実施例では、直
視型ファイバースコープの代わりに、側視型ファイバー
スコープ８０を筐体１２の側面に取り付けてある。この
側視型ファイバースコープ８０は、その側面近傍にある
対象物に照明を当てながら拡大して観察できるように、
図５に示すように、その側面にライトガイド８２と対物
レンズ８４が設けられている。

【００２０】側視型ファイバースコープ８０はカンチレ
バー１８とフォトディテクター５２から等距離の位置に
取り付けてある。このため、側視型ファイバースコープ
８０の対物レンズ８４をカンチレバー１８に向けてファ
イバー固定ネジ８６により固定すればカンチレバー１８
を観察でき、対物レンズ８４をフォトディテクター５２
に向けて固定すればフォトディテクター５２を観察でき
る。

【００２１】本実施例によれば、上述した実施例と同様
に、装置の剛性を低下させることなくカンチレバー上で
のビームスポットの位置と、サンプル上のカンチレバー
の探針の位置を確認できるだけでなく、フォトディテク
ター上でのビームスポットの位置を視覚的に確認でき
る。従って、上述した実施例の効果に加え、フォトディ
テクターの大まかな調整が行なえるという利点がある。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、装置の剛性を低下させ
ることなく、すなわち観察像の分解能の低下を招くこと
なく、各光学要素の調整を容易に行なえるプローブ顕微
鏡の変位検出系の調整機構が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である変位検出系の調整機構
を組み込んだ走査型プローブ顕微鏡の正面の部分断面図
である。

【図２】図１に示した走査型プローブ顕微鏡の左側面の
部分断面図である。

【図３】図１の走査型プローブ顕微鏡に取り付けた直視
型ファイバースコープを示す。

【図４】図１の走査型プローブ顕微鏡を上から見た部分
断面図である。

【図５】図６に示す走査型プローブ顕微鏡に取り付けた
側視型ファイバースコープを示す。

【図６】本発明の別の実施例実施例である変位検出系の
調整機構を組み込んだ走査型プローブ顕微鏡の正面の部
分断面図である。

【図７】図６の走査型プローブ顕微鏡を上から見た部分
断面図である。

【符号の説明】

２８…直視型ファイバースコープ、３６…ミラー取付部
材、３８…ボール、４０…ボール受け、４２…ミラー、
４６…アーム、４８…スプリング、５０…調整ネジ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブ顕微鏡に設けられる変位検出系
   の調整機構であって、 変位検出系の光学要素を支持する手段と、 光学要素の向きを変える手段と、 光学要素の向きを確認するためのファイバースコープと
   を備えている変位検出系の調整機構。