JPH05340718A - カンチレバー変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高感度なカンチレバー変位検出装置を提供す
る。 【構成】鏡筒１４に支持された対物レンズ１２の上方に
は、観察光学系の光軸に対して４５度の角度でハーフミ
ラー１６が設けられている。光学筐体１８の側部には、
レーザーダイオード２０を収容した支持体２２が摺動可
能に設けられている。さらに光学筐体１８には、自由端
の上面にミラー３２を下面に探針３４を有するカンチレ
バー３０が傾けて取り付けられている。このカンチレバ
ー３０の下方には試料ステージ３８があり、この上に観
察する試料３６が載せられる。鏡筒１４の近くには、受
光強度に応じた信号を出力する二つの受光領域を有して
いる二分割受光器２８が設けられている。この二分割受
光器２８は、光学筐体１８に摺動可能に取り付けた支持
体２６の内部に収容されている。二分割受光器２８の各
受光領域は比較器４０に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
のカンチレバーの自由端の変位を検出する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡などの走
査型プローブ顕微鏡では、柔軟なカンチレバーの自由端
に設けた探針を試料の表面に沿って走査し、その間に探
針が受ける力により生じるカンチレバーの自由端の変位
を求め、この変位を走査信号と合わせて処理することに
より試料表面の情報を得ている。このような走査型プロ
ーブ顕微鏡の変位検出系の一つに光てこ法がある。光て
こ法は、カンチレバーの自由端に設けたミラーにレーザ
ービームを照射し、カンチレバーの変位により生ずるミ
ラーに対するレーザービームの入射角の変化を受光器の
受光面上でのビームの入射位置の変化として検出するこ
とにより、カンチレバーの自由端の変位を測定してい
る。この光てこ法では、ビームの入射角の変化が受光器
の受光面上での入射位置の変化として増幅して検出され
るため、カンチレバーの自由端の変位を高感度に求める
ことができる。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡は、探針が試料の何
処に位置しているかを特定できない。このため、探針の
位置を確認できるように光学顕微鏡を組み込んだものが
提案されている。

【０００４】その一例として、図２に示すように、光ビ
ームを射出する光源と、受ける光の強度に応じた信号を
出力する二つの受光領域を備えている二分割受光器とを
有し、この光源と二分割受光器が、光ビームが観察光学
系の対物レンズを介してカンチレバーの自由端部に設け
たミラーに斜めに入射し、その反射ビームが対物レンズ
を介して二分割受光器に入射するように配置されている
タイプの光学顕微鏡一体型原子間力顕微鏡が提案されて
いる。次に図２を参照しながら、この原子間力顕微鏡に
ついて説明する。

【０００５】図２に示すように、対物レンズ１２は鏡筒
１４に支持されている。対物レンズ１２の上方にはハー
フミラー１６が観察光学系の光軸に対して４５度の角度
で設けられている。観察光学系はアフォーカル光学系
で、観察光の平行光束はハーフミラー１６を透過して対
物レンズ１２に入射し、カンチレバー３０が変形してい
ない状態では、カンチレバー３０の上面に設けたミラー
３２に集光される。ミラー３２の上面で反射された観察
光は対物レンズ１２に入射して平行光束となり、ハーフ
ミラー１６を通過した後に結像される。試料ステージ３
８を上方に移動させて、対物レンズ１２の焦点を試料３
６の表面に合わせれば、そこで反射された観察光がハー
フミラー１６を通過した後に結像される。

【０００６】鏡筒１４は光学筐体１８に一体に取り付け
られていて、この光学筐体１８の内部に光てこ法の変位
検出系の各光学要素が配置されている。光学筐体１８の
側部には、検出光ビームであるレーザービームがハーフ
ミラー１６に向けて射出されるようにレーザーダイオー
ド２０が設けられている。レーザーダイオード２０は、
光学筐体１８の側部に摺動可能に取り付けた支持体２２
の内部に設置されている。レーザーダイオード２０から
射出されたレーザービームは、ハーフミラー１６で反射
された後、対物レンズ１２を通過してカンチレバー３０
の自由端の上面（探針３４の反対側の面）に設けたミラ
ー３２に入射する。カンチレバー３０は光学筐体１８に
斜めに取り付けられているため、ミラー３２は試料３６
の表面に対してある程度傾いた状態で配置される。従っ
て、ミラー３２に入射したレーザービームは、図の左方
に向けて反射され、対物レンズ１２の外周部に入射す
る。対物レンズ１２に入射したレーザービームは偏向さ
れ、ハーフミラー１６で反射された後、光学筐体１８に
固定されているミラー２４で反射され、二分割受光器２
８に入射する。この二分割受光器２８は、光学筐体１８
の下側に摺動可能に設けた支持体２６に取り付けられて
いる。二分割受光器２８は受光強度に応じた信号を出力
する二つの受光領域を有していて、この二つの受光領域
からの出力の差を例えば比較器を用いて調べるなどする
ことによりカンチレバー３０の自由端の変位すなわち探
針３４の変位が求まる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した構成の装置で
は、被測定物であるカンチレバー３０から変位センサー
である二分割受光器２８までの光路が比較的長いため、
レーザービームがカンチレバー上のミラー３２で反射し
てから二分割受光器２８に到達するまでの間に空気のゆ
らぎや反射により生じた光学筐体内の迷光などの影響を
受け易いという不都合がある。

【０００８】また、試料表面で反射したレーザービーム
も対物レンズに入射し易く、この光が対物レンズを通過
後、二分割受光器２８に戻りノイズの原因になってしま
うという問題が生じてしまう。

【０００９】さらに、レーザービームの光路中に対物レ
ンズ１２やミラー１６と２４などの光学部品がいくつか
介在しているが、これらの光学部品は多少なりとも光の
損失を招き、分解能を低下させる原因となるために好ま
しいものではなく、このような光学部品の数は少ないほ
ど好ましい。

【００１０】また、試料上で反射したレーザービームと
カンチレバー上のミラーで反射したレーザービームとが
干渉しないように、あるいは比較的凹凸の大きな試料の
場合に試料表面とカンチレバーの下面とが干渉し合わな
いように、カンチレバー３０が試料表面に対してある程
度傾けて取り付けなければならないため、カンチレバー
上のミラー３２で反射されたレーザービームが対物レン
ズ１２に確実に入射するように、レーザービームは対物
レンズ１２の中心付近を通過させる必要がある。このた
め、光学筐体内では入射ビームと反射ビームが非常に接
近した光路をとるようになり、光学部品の配置も難しく
なると共に、対物レンズに入射するレーザービームの径
を小さくしなければならなくなるので、レーザービーム
に対する開口数が小さくなり、カンチレバー上のレーザ
ービームの焦点位置でのビーム径が大きくなり、レーザ
ーのスポットがカンチレバー上からはみだしてしまうと
いう問題が生じてしまう。

【００１１】本発明は、光学顕微鏡を組み込んだ原子間
力顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡に適用する、光て
こ法を利用した高感度かつ小型なカンチレバー変位検出
装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のカンチレバー変
位検出装置は、光ビームを射出する光源と、カンチレバ
ーの自由端に設けたミラーと、受光強度に応じた信号を
出力する二つの受光領域を備えている二分割受光器と、
二分割受光器の各受光領域からの出力を比較してカンチ
レバーの自由端の変位を求める手段とを有している。そ
して、光源は、光ビームが観察光学系の対物レンズを介
してカンチレバー上のミラーに斜めに入射するように配
置されている。また、二分割受光器は、カンチレバー上
のミラーから比較的近い距離に、ミラーで反射された光
ビームが直接入射するように配置されている。

【００１３】

【作用】光源から射出された光ビームは、観察光学系の
対物レンズを介してカンチレバーの自由端に設けたミラ
ーに斜めに入射する。ミラーで反射された光ビームは、
カンチレバーの近くに設けられた二分割受光器に入射す
る。このとき、光ビームと二分割受光器の位置関係は、
カンチレバーが基準位置にあるときに、光ビームの中心
が二つの受光領域の境界に来るように予め設定してお
く。カンチレバーの自由端が上下方向に変位すると、光
ビームの中心が二つの受光領域の境界からずれ、二つの
受光領域からの出力が等しくなくなる。二つの受光領域
からの出力の差は比較器などを用いて測定されており、
その測定値からカンチレバーの自由端の変位が求められ
る。

【００１４】

【実施例】次に本発明の実施例について図１を参照しな
がら説明する。

【００１５】鏡筒１４に支持された対物レンズ１２の上
方には、観察光学系の観察光は透過するハーフミラー１
６が観察光学系の光軸に対して４５度の角度で設けられ
ている。鏡筒１４は光学筐体１８に一体に取り付けられ
ている。光学筐体１８の側部には、ハーフミラー１６に
向けてレーザービームを射出するレーザーダイオード２
０を収容した支持体２２が摺動可能に設けられている。
さらに光学筐体１８には、自由端の上面にミラー３２を
下面に探針３４を有するカンチレバー３０が、その自由
端が対物レンズ１２の下方に位置するように、ある程度
傾いた状態で取り付けられている。このカンチレバー３
０の下方には試料ステージ３８が配置されており、この
試料ステージ３８の上に観察する試料３６が載せられ
る。鏡筒１４の近くには、受光強度に応じた信号を出力
する二つの受光領域を有している二分割受光器２８が設
けられている。この二分割受光器２８は、光学筐体１８
に摺動可能に取り付けた支持体２６の内部に収容されて
いる。二分割受光器２８の各受光領域からの出力は比較
器４０に入力されていて、その出力の差が常に測定され
ている。

【００１６】レーザーダイオード２０から射出されたレ
ーザービームは、ハーフミラー１６で反射され、対物レ
ンズ２の外周部に入射し、そこで偏向されてカンチレバ
ー３０の自由端に設けたミラー３２に向かう。ミラー３
２で反射されたレーザービームは、鏡筒１４の近くに配
置されている二分割受光器２８に直接入射する。

【００１７】本実施例の構成では、カンチレバー上のミ
ラー３２から二分割受光器２８までの距離が短いため、
そこをレーザービームが通過する間に受ける空気のゆら
ぎや光学筐体内の反射による迷光などの外乱の影響は少
なくなる。また、試料表面で反射したレーザービームが
二分割受光器２８に戻り、ノイズの原因になることもな
い。また、ミラー３２から二分割受光器２８までの間に
光学部品が介在していないので、レーザービームの光強
度が低下することもなく、したがって分解能の低下が防
止される。ミラー３２からの反射ビームを対物レンズ１
２に戻さないので、光学筐体内の光学部品の配置も容易
になり、レーザービームに対する開口数も余裕を持った
値にすることができるため、カンチレバー上のレーザー
スポットもある程度絞れ、レーザースポットがカンチレ
バーをはみだすこともない。

【００１８】試料の光学的観察は無限焦点光学系の観察
光学系を用いて行なわれる。無限焦点光学系では、平行
光束の観察照明光を対物レンズ１２に入射させる。照明
光は集光されて焦点を結ぶ。この焦点は、測定前は試料
３６に、測定中はミラー３２に合わせる。焦点からの反
射光は対物レンズ１２に入射して平行光束となってハー
フミラー１６を通過する。この平行光束を結像レンズ
（図示しない）を用いて結像させることにより観察光学
像が得られる。

【００１９】カンチレバー３０を光学筐体１８に取り付
ける際には、試料ステージ３８を用いて試料３６を移動
させ、対物レンズ１２の焦点を試料表面に合わせる。こ
れにより試料３６の表面を光学的に観察できる。試料ス
テージ３８で試料３６を移動させて、試料３６の観察位
置を観察光学系の視野の中心に合わせた状態でカンチレ
バー３０を取り付けることにより、探針３４を所望の観
察位置に配置することができる。

【００２０】また、ミラー３２に対するレーザービーム
のスポット位置の調整は、対物レンズ１２の焦点をミラ
ー３２に合わせて観察光学系を用いてスポット位置を光
学的に確認しながら、レーザーダイオード２０を収容し
た支持体２２を移動させることにより行なう。ミラー３
２の上でのレーザービームの位置調整を行なった後、二
分割受光器２８の二つの受光領域からの出力の差すなわ
ち比較器４０の出力が０になるように、支持体２６を移
動させて二分割受光器２８の位置を調整する。この結
果、比較器４０の出力信号は、変位方向も含めて探針３
４の変位量に応じた信号となる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーの自由端
に設けたミラーと二分割受光器との間に光路中に光学部
品が介在せず、また、試料上で反射したレーザービーム
が二分割受光器に戻りにくいので、感度の良い小型なカ
ンチレバー変位検出装置が提供されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のカンチレバー変位検出装置の
構成を示す。

【図２】従来のカンチレバー変位検出装置の一例を示
す。

【符号の説明】

１２…対物レンズ、２０…レーザーダイオード、２８…
二分割受光器、３０…カンチレバー、３２…ミラー、４
０…比較器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察光学系を組み込んだ走査型プローブ
   顕微鏡におけるカンチレバーの自由端の変位を検出する
   カンチレバー変位検出装置であって、 光ビームを射出する光源と、 カンチレバーの自由端に設けたミラーと、 受光強度に応じた信号を出力する二つの受光領域を備え
   ている二分割受光器と、 二分割受光器の各受光領域からの出力を比較してカンチ
   レバーの自由端の変位を求める手段とを有し、 光源は、光ビームが観察光学系の対物レンズを介してカ
   ンチレバー上のミラーに斜めに入射するように配置さ
   れ、 二分割受光器は、カンチレバー上のミラーから比較的近
   い距離に、ミラーで反射された光ビームが直接入射する
   ように配置されているカンチレバー変位検出装置。