(57)【要約】【課題】  走査型プローブ権顕微鏡の探針とサンプルの位置合わせを効率よく行い位置合わせ精度を向上させる。【解決手段】  走査型プローブ顕微鏡１において、光学顕微鏡４０の光軸とは非同軸の観察軸を有すると共に、光学顕微鏡４０よりも広域かつカンチレバー２８とサンプル３９を同時に観察可能な視野を設定することができる撮像装置１７と撮像装置１７の画像を表示する画像表示装置３を設けた。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーを固定するためのカンチレバーホルダと、サンプルを載置するサンプルホルダと、前記サンプル表面を前記探針により相対的に走査するための水平方向微動機構と、前記探針と前記サンプル表面間の距離制御を行う垂直方向微動機構と、前記水平方向微動機構及び前記垂直方向微動機構よりも稼動範囲の大きい水平方向粗動機構及び垂直方向粗動機構と、前記カンチレバーと前記サンプルを観察するための光学顕微鏡により構成される走査型プローブ顕微鏡ユニット部と、前記走査型プローブ顕微鏡を制御する制御装置と、前記光学顕微鏡の画像を表示する画像表示装置からなる走査型プローブ顕微鏡において、
前記光学顕微鏡の光軸とは非同軸の観察軸を有すると共に、前記光学顕微鏡よりも広域かつ前記カンチレバーと前記サンプルを同時に観察可能な視野を設定することができる撮像装置と該撮像装置の画像を表示する画像表示装置を有する走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部を覆うカバーを備え、
前記撮像装置が当該カバーの内部に収納され、当該カバーの閉状態において前記撮像装置によりカバー内部の状態が観察可能な請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記撮像装置の視野の広さが前記サンプルホルダの１／４以上の面積を観察可能な請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記撮像装置の視野を照射する照明を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記照明の点灯、消灯が遠隔制御可能な請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記照明が、ユニットに配置されたＬＥＤ発光素子を有する光源、又はユニットから離れた場所に設置された任意の光源からライトガイドによりユニットに光が伝播される光源である請求項４又は５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記光学顕微鏡の視野を照明する照明を有し、前記光学顕微鏡と前記撮像装置の照明装置が共通の光源から光を供給される請求項４又は５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記撮像装置の観察軸がサンプル表面に対して３０°以上９０°以下である請求項１乃至７のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記撮像装置がズームの機能を有し、前記カメラで観察可能な最大視野よりも小さい領域を拡大した画像を前記画像表示装置上に表示可能な請求項１乃至８のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記水平方向粗動機構又は/及び垂直方向粗動機構が、遠隔動作可能なアクチュエータを有し、前記画像表示装置に表示された画像を確認しながら前記水平方向粗動機構又は/及び垂直方向粗動機構を遠隔動作させる請求項１乃至９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部が、探針を有するカンチレバーとカンチレバーホルダと水平方向微動機構と垂直方向微動機構と変位検出機構からなる複数の走査型プローブ顕微鏡測定ヘッド部、又は、前記撮像装置の最大視野よりも視野が狭く前記撮像装置の観察軸とは異なる光軸を持つ対物レンズを有する光学式計測／分析／観察装置を備え、
当該走査型プローブ顕微鏡概測定ヘッド部又は当該光学式計測／分析／観察装置が、前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部と前記サンプルホルダと前記水平方向粗動機構を共有し、
前記撮像装置が、当該撮像装置の最大視野において、前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部のカンチレバーと前記サンプルに加えて、前記走査型プローブ顕微鏡測定ヘッド部のカンチレバー又は前記光学式計測／分析／観察装置の対物レンズの焦点位置とを同時に観察可能とした請求項１乃至１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記画像表示装置上に表示された画像により前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部に備わる複数の探針のうち少なくとも一つ又は前記光学式計測／分析／観察装置の対物レンズの焦点位置と前記サンプルの位置を調整する請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記光学顕微鏡又は前記光学式計測／分析／観察装置が光軸に沿って照明光を照射する照明を有し、前記光学顕微鏡又は前記光学式計測／分析／観察装置のサンプルの表面に照射された前記照明光を前記撮像装置で観察し、前記照明光のスポットを目印に前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部に備わる複数の探針のうち少なくとも一つ又は前記光学式計測／分析／観察装置の対物レンズの焦点位置と前記サンプルの位置合わせを行う請求項１１又は１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
レーザ光を前記カンチレバーの背面に照射して前記カンチレバーからの反射光をディテクタにより検出する光てこ方式の変位検出機構を有し、前記カンチレバーの背面にレーザスポットを位置合わせしたときに、前記サンプル表面に照射される前記レーザスポットのカンチレバーからはみ出した漏れ光を前記撮像装置で観察し、前記漏れ光を目印に前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部に備わる複数の探針のうち少なくとも一つと前記サンプルの位置合わせを行う請求項１０乃至１２のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
前記撮像装置に設けられたレンズが外部から駆動可能なフォーカス調整機構を有する請求項１乃至１４のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニット内にマイクを配置し、周辺の音を集音して、スピーカーより音を発するようにした、請求項１乃至１５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
前記撮像装置が連続して撮像するビデオカメラ又は連写して撮像するスチルカメラである請求項１乃至１６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針によりサンプル表面を走査し、サンプル表面の形状観察や物性測定を行う走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の走査型プローブ顕微鏡では、探針を有するカンチレバーを使用して、探針とサンプルを近接させて、例えば光てこ方式（半導体レーザをカンチレバー背面に集光しカンチレバーからの反射光の変化をフォトディテクタ上の移動量により検出）を用いた変位検出機構によりカンチレバーのたわみ量やカンチレバーを振動させたときの振幅量を検出している。これにより、たわみ量や振幅の減衰量又は位相や共振周波数の変化量などにより探針とサンプル表面間の距離を垂直方向微動機構で制御しながら、水平方向微動機構により両者を相対的にスキャンすることで、サンプル表面の形状や物性の測定が行われる。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡の測定の際には、１）光てこ方式を用いた場合のカンチレバーへの半導体レーザのスポットの位置合わせ、２）サンプル上の被測定箇所への探針先端の位置合わせ、などを目的として、カンチレバーと光てこ方式のレーザスポット、及びカンチレバーとサンプル表面を同時観察できる光学顕微鏡が設けられることが多い。
【０００４】
従来の走査型プローブ顕微鏡はカンチレバーの長さが５０μｍ〜５００μｍ程度であり、走査領域は通常は１辺が１００μｍ以下の領域、特殊な用途でも１ｍｍ以下の領域である。このため、上記の１）及び２）の目的を達成するために、光学顕微鏡の視野サイズを通常１辺が１００μｍ〜２０００μｍ程度の領域とし、サンプル表面に対して直上又は下側の概ね垂直方向に光軸の向きが設けられた対物レンズにより局所観察し、対物レンズの観察画像をＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサに集光し、ディスプレイ上に表示している。
【０００５】
走査型プローブ顕微鏡ではユニットとは別に制御装置が設けられ、当該制御装置に接続されたディスプレイを見ながら、キーボードやマウス、ジョイスティック、トラックボールなどの機器を操作して測定が行われる。
【０００６】
なお、レボルバによる対物レンズの交換や、光学的なズーム機構、あるいはディスプレイ上の画像を拡大するデジタルズームなどの手法により、上記の範囲で視野の大きさを可変することも行われる。
【０００７】
また、装置の配置上の問題から対物レンズの光軸がサンプル表面に対して斜め方向に配置されることもあるが、ミラーなどを介して光軸が曲げられ、サンプル表面の観察は実質的にサンプルに垂直な方向から行われる。
【０００８】
光てこのレーザスポット調整のためには、スポットをカンチレバーの長軸方向と幅方向に移動可能な２軸の移動機構が設けられる。またサンプルと探針の位置合わせのために両者を相対的にサンプル表面に水平方向（ＸＹ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）に移動させる粗動機構が設けられる。
【０００９】
また、サンプル表面に垂直な光軸を持つ光学顕微鏡に加えて、探針とサンプルをＺ方向の粗動機構により近接させる場合に距離を確認し衝突を防止し高速で接近させたり、走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型近接場顕微鏡においてサンプル表面の近接場スポットを探針先端で散乱している様子を観察する等の目的のため、探針先端とサンプル表面間を観察する光学顕微鏡を併用する場合もある。この場合には、探針先端を観察するために光学顕微鏡の光軸がサンプル面に対して浅い角度で設定される。カンチレバーの側面のエッジと探針先端の成す角よりも小さい角度で設定することで探針先端がカンチレバーの影にならずに観察することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−２３４４３号公報
【特許文献２】特開２００６−９０７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
走査型プローブ顕微鏡で観察されるサンプルの全体サイズは、市販の装置では直径１０ｍｍ以上であることが多い。また、走査型プローブ顕微鏡の代表的な適用分野のひとつである半導体分野では、直径２〜１２インチのサンプルの任意の場所を測定する場合が多く、さらに最近では大型液晶パネルの観察なども行われている。このように大型化しているサンプルに対しては、従来の走査型プローブ顕微鏡に搭載されているサンプル観察用の光学顕微鏡では視野が狭すぎ、サンプル全体のどの部分を測定しているのかをディスプレイ上で把握することができない。このため、従来はユニットの前に測定者が移動しユニット上のサンプルとカンチレバーを目視で確認しながら、ジョイスティックなどにより水平（ＸＹ）方向及び垂直（Ｚ）方向の各粗動機構を動作させることにより顕微鏡の視野にサンプルの被測定箇所とカンチレバーが確認できるまで大まかな位置合わせを行ったあと、ディスプレイ上の光学顕微鏡像により局所観察を行ってカンチレバー上への光てこのスポットの位置合わせや、探針とサンプルの被測定箇所の精密位置合わせを行っていた。
【００１２】
また、探針とサンプルの高さ方向の距離を確認するための顕微鏡ではサンプル表面に対して浅い角度で観察を行うため、探針とサンプル面内の位置の把握ができなかった。
【００１３】
さらに、走査型プローブ顕微鏡は探針とサンプルを接触あるいはナノメートルオーダーで近接させて測定を行うため、振動や音、風などの外乱が測定データのノイズ成分になり得る。また光てこ方式の変位検出機構を用いる際には、光がノイズ源になる場合もある。このためユニットを除振台に載せ、金属製の板や防音材などで構成された防音カバーあるいは周囲を任意の材料で囲んだ防風カバー、さらには光を遮る遮光カバーなどに収納して測定を行う必要がある。防音カバー、防風カバー、遮光カバー内にユニットが収納されている場合には外部からサンプルやカンチレバーが目視確認できないため、観察場所を変える都度、測定者がユニットの前に移動して、振動による探針やサンプルの破損を防止するため探針とサンプルを数百μｍ以上退避させて、カバーを開けてカンチレバーとサンプルを確認しながら測定場所を位置決めして、再びカバーを閉め、光学顕微鏡により被測定箇所を精密に位置合わせし、探針とサンプルを近接させて測定を行う必要があった。この場合測定開始までにかかる時間が非常に長くなっていた。またディスプレイ前から体を移動させる必要があり非常に煩雑な作業が必要であった。
【００１４】
カバーの一部に目視観察用のガラス窓が設けられる場合もあるが、コストが高くなり、ガラス部分の防音性能も悪化してしまうため、好ましくない。またカバー全体を開ける場合に比べて視認性も悪い。
【００１５】
さらに走査型プローブ顕微鏡では真空中やガス雰囲気中で測定を行うこともある。この場合ユニットの周囲がチャンバーやグローブボックスなどで覆われるため、内部の様子を外部から確認することが困難であり、確認の都度チャンバーやグローブボックスを開けて、大気開放を行う必要があった。
【００１６】
本発明は、上記の課題に鑑みて発明されたものであり、ユニットの前に移動することなく、ディスプレイの画面を見ながらサンプル全体に対するカンチレバーの位置を効率よく簡便に確認し、高精度で位置決めを行うことが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、本発明では以下のような走査型プローブ顕微鏡を提供する。
本発明は、先端に探針が設けられたカンチレバーと、カンチレバーを固定するためのカンチレバーホルダと、サンプルを載置するサンプルホルダと、サンプル表面を探針により相対的に走査するための水平方向微動機構と、探針とサンプル表面間の距離制御を行う垂直方向微動機構と、水平方向微動機構及び垂直方向微動機構よりも稼動範囲の大きい水平方向粗動機構及び垂直方向粗動機構と、カンチレバーとサンプルを観察するための光学顕微鏡により構成される走査型プローブ顕微鏡ユニット部と、走査型プローブ顕微鏡を制御する制御装置と、光学顕微鏡の画像を表示する画像表示装置からなる走査型プローブ顕微鏡において、光学顕微鏡の光軸とは非同軸の観察軸を有すると共に、光学顕微鏡よりも広域かつ前記カンチレバーと前記サンプルを同時に観察可能な視野を設定することができる撮像装置と該撮像装置の画像を表示する画像表示装置を設けた。
【００１８】
また、走査型プローブ顕微鏡ユニット部を覆うカバーを備え、撮像装置が当該カバーの内部に収納され、カバーの閉状態において撮像装置によりカバー内部の状態を観察可能にした。
撮像装置の視野はサンプルホルダの全域又は１/４以上の面積を観察可能に設定した。
【００１９】
さらに本発明では、撮像装置の視野を照射する照明を設け、照明の点灯、消灯を遠隔制御可能とした。照明は、ユニットに配置されたＬＥＤ発光素子を有する光源、又はユニットから離れた場所に設置された任意の光源からライトガイドによりユニットに光が伝播される照明とした。
また、光学顕微鏡と撮像装置の照明装置が共通の光源から光を供給されるようにした。
【００２０】
さらに、撮像装置の観察軸がサンプル表面に対して３０°以上９０°以下となるように撮像装置を配置した。
また、撮像装置がズームの機能を有し、当該撮像装置で観察可能な最大視野よりも小さい領域を拡大した画像を画像表示装置上に表示可能とした。
【００２１】
さらに本発明では、前記水平方向粗動機構や垂直方向粗動機構が、遠隔動作可能なアクチュエータを有し、前記画像表示装置に表示された画像を確認しながら前記水平方向粗動機構や垂直方向粗動機構を遠隔動作させるようにした。
【００２２】
さらに、本発明では、走査型プローブ顕微鏡ユニット部が、探針を有するカンチレバーとカンチレバーホルダと水平方向微動機構と垂直方向微動機構と変位検出機構を有する複数の走査型プローブ顕微鏡測定ヘッド部、又は、撮像装置の最大視野よりも視野が狭く撮像装置の観察軸とは異なる光軸を持つ対物レンズを有する光学式の計測／分析／観察装置を備え、当該測定ヘッド部又は当該光学式の計測／分析／観察装置が、前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部と前記サンプルホルダと前記水平方向粗動機構を共有し、撮像装置が自己の最大視野において、前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部のカンチレバーと前記サンプルに加えて、走査型プローブ顕微鏡測定ヘッド部のカンチレバー又は光学式の計測／分析／観察装置の対物レンズの焦点位置とを同時に観察可能とした。
また、前記画像表示装置上に表示された画像により前記探針又は前記光学式の計測／分析／観察装置の対物レンズの焦点位置と前記サンプルの位置を調整できるようにした。
【００２３】
サンプルと探針の位置合わせは、前記光学顕微鏡又は前記光学式の計測／分析／観察装置が光軸に沿って照明光を照射する照明を有し、前記光学顕微鏡又は前記光学式の計測／分析／観察装置のサンプルの表面に照射された前記照明光を前記撮像装置で観察し、前記照明光のスポットを目印にして行うか、あるいは、レーザ光を前記カンチレバーの背面に照射して前記カンチレバーからの反射光をディテクタにより検出する光てこ方式の変位検出機構を有し、前記カンチレバーの背面にレーザスポットを位置合わせしたときに、前記サンプル表面に照射される前記レーザスポットのカンチレバーからはみ出した漏れ光を前記撮像装置で観察し、前記漏れ光を目印に行うようにした。
また、前記撮像装置に設けられたレンズに外部から駆動可能なフォーカス調整機構を設けた。
【００２４】
さらに、前記走査型プローブ顕微鏡ユニット内にマイクを配置し、前記走査型プローブ顕微鏡ユニット周辺の音を集音して、スピーカーより音を発するようにした。
本発明では撮像装置としてデジタル又はアナログ式のビデオカメラ又は連写して撮像するスチルカメラを用いた。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように本発明の走査型プローブ顕微鏡を構成することで、以下のような効果が得られる。
本発明では、光学顕微鏡よりも視野の広いカメラを設けたため、目視確認の場合に比べ、サンプルと探針を精度よく位置合わせすることが可能となる。
また、カメラによる画像表示装置により水平方向粗動機構と垂直方向粗動機構を遠隔操作してサンプルの被測定箇所の位置決めが行えるため、全ての操作をディスプレイの前で行うことができる。
【００２６】
また、カバーの中にユニットを配置した場合にも、カメラに照明を設けることで内部の様子をディスプレイ上で観察することができ、サンプルをサンプルホルダにセットした後はカバーを開けることなくディスプレイ前でディスプレイを見ながら全ての工程を操作できる。
以上のように本発明では測定を効率よく楽に行うことができ被測定箇所の位置決め精度も目視確認よりも向上する。
【００２７】
また、照明も遠隔で点灯、消灯を行うことができるので、照明がノイズ源になってしまう場合にも遠隔操作で消灯させることができる。また照明にＬＥＤ光源を用いることで、ハロゲン照明に比べ消費電力が少なく発熱が少なくなり、防音カバーを閉めたままでも内部の温度上昇が少なく、測定時の温度ドリフトを抑えることができる。さらに外部から照明を消灯できることで不必要な場合の点灯をなくし、温度の上昇を抑えることもできる。
さらに光学顕微鏡とカメラの照明を共通の光源から供給することで、コストを抑えることができる。
【００２８】
また本発明では、走査型プローブ顕微鏡ユニット内にマイクを配置することでカバー内の音も確認することができ、臨場感のある操作を行うことができるとともに、内部で万一、故障やトラブルなどが発生した場合に、マイクで内部の音を拾うことで測定者がトラブル発生時の音を認識することができ、安全性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の概観平面図である。（ｂ）本発明の第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の概観正面図である。
【図２】（ａ）図１の走査型プローブ顕微鏡において防音カバーの扉を閉じた状態の平面図である。（ｂ）図１の走査型プローブ顕微鏡において防音カバーの扉を閉じた状態の正面図である。
【図３】（ａ）図１の走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観平面図である。（ｂ）図１の走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観正面図である。（ｃ）（ａ）のＡ方向からみたカメラの配置図である。
【図４】（ａ）本発明の第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観平面図である。（ｂ）本発明の第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観正面図である。（ｃ）（ａ）のＢ方向からみたカメラの配置図である。
【図５】本発明の第２の実施形態で用いられる光源の概観図である。
【図６】（ａ）本発明の第３の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観平面図である。（ｂ）本発明の第３の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観正面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
＜第１の実施形態＞
図１〜図３は本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１の構成を示す概観図である。図１は全体構成を示しており、後述する防音カバー４の扉１５が開かれた状態である。図２は防音カバー４の扉１５が閉じられた状態である。図３は防音カバー４内の走査型プローブ顕微鏡ユニット部２の概観図であり、そのうち（ｃ）は（ａ）のＡ方向から見た後述するカメラ１７の配置に係る概観図である。
【００３１】
図１の走査型プローブ顕微鏡ユニット部２（以下ユニットと記載）は、測定中の床振動を低減するために除振台５の定盤１８上に搭載されている。またユニット２は防音カバー４内に配置されており、防音カバー４は除振台５の定盤１８とは独立し除振台５の架台１９に空気バネ機構２０を介して固定されており、定盤１８の下側もカバーで覆われている。防音カバー４の前面には上側に開口可能な扉１５が設けられており、サンプルの交換や、カンチレバーの交換、測定に伴う各機構の調整作業の時には、測定者がユニット２の前に移動して扉１５に設けられた取っ手１６を持って扉１５が開けられて作業が行われる。また測定のときには図２に示されるように扉１５が閉じられて外部の音や風、温度変化、光などの影響を低減して測定が行われる。
【００３２】
ユニット２の横には、コントローラ６とコンピュータ７とディスプレイ８、キーボード９、マウス１０、ジョイスティック１１から構成される制御装置３が机１２の上に配置されており、制御装置３はユニット２に接続されている。また、机１２の前には椅子１３が置かれ、測定者は通常は椅子１３に座って、ディスプレイ８を見ながらキーボード９、マウス１０、ジョイスティック１１などを操作して測定が行われる。
【００３３】
次に図３をもとにユニット部２の詳細を説明する。除振台の定盤上１８には、Ｌ型構造の石定盤により構成されるベース２１が搭載されている。以下の説明では、図３（ｂ）の正面図に対してＬ型構造の水平面２１aの左右をＸ軸、水平面上でＸ軸に直交する方向をＹ軸、ＸＹ軸に直交するベースの垂直面の方向をＺ軸と定義する。ベース２１の垂直面２１ｂにはステッピングモータ、リニアガイド、ボールネジ（図示せず）により駆動面２２ａが駆動されるＺステージ（垂直方向粗動機構）２２が固定されている。Ｚステージ２２には、２本の円筒型の圧電素子を中央の連結部材２５により連結し、上部の素子は水平方向微動機構２３、下部の素子は垂直方向微動機構２４として作用するように電極が設けられたスキャナ２６が固定されている。本実施形態でのスキャナ２６の最大移動量はＸＹ方向にそれぞれ１００μｍ、Ｚ方向に１０μｍである。スキャナ２６の先端にはカンチレバーホルダ２７が固定されており、カンチレバーホルダ２７には先端に探針２８aが設けられたカンチレバー２８が固定されている。本実施形態ではカンチレバー２８の長手方向はが１２５μｍ、幅３０μｍ、先端の探針２８ａの高さが１５μｍのシリコン製のカンチレバーを使用したが、サンプルの種類や測定の用途に合わせてその他の形状のものも取り付け可能で、摩耗などが発生した場合には交換が可能である。
【００３４】
スキャナ２６の内部には半導体レーザ２９と集光レンズ３０が設けられており半導体レーザ２９のスポットはカンチレバー２８の背面に集光される。カンチレバー２８の背面で反射したレーザ光は表面が４分割されたフォトディテクタ３１上に導かれ、カンチレバーの変位量や捩れ量をフォトディテクタ３１上のスポットの移動により検出する。フォトディテクタは受光面の中心にスポットを調整するための２軸ステージ３２に固定されている。これらの半導体レーザ２９と集光レンズ３０及びフォトディテクタ３１、２軸ステージ３２により光てこ方式の変位検出機構３３が構成されている。
【００３５】
ベース２１の水平面２１ａには、水平面内（ＸＹ方向）に移動可能な駆動面３４ａを持つＸＹステージ（水平方向粗動機構）３４が設けられており、ＸＹステージ３４はそれぞれの軸方向に設けられたステッピングモータ３５、リニアガイド３６、ボールネジ３７により駆動面３４ａを移動させる。また、ＸＹステージ３４にはサンプルホルダ３８が取り付けられている。本実施形態のサンプルホルダ３８は、最大で直径８インチ（約２０３ｍｍ）のサンプル搭載面を有している。
【００３６】
さらに、Ｚステージ２２にはカンチレバー２８とサンプル３９を観察するための光学顕微鏡４０が連結部材４１を介して固定されている。光学顕微鏡４０は、倍率１０倍で作動距離が３４ｍｍ、開口数０．２８の対物レンズ４２と対物レンズ４２を直流モータにより光軸方向に移動させるフォーカス調整機構４３、視野の大きさを可変させるため中間レンズを直流モータにより駆動させるように構成したズーム鏡筒４４、及び対物レンズ４２で観察される光を画像信号に変換するための１／３インチのＣＭＯＳイメージセンサを有するＣＭＯＳカメラ４５により構成される。対物レンズの光軸は、サンプルのＸ軸に対して１５°傾斜して配置されているが、スキャナ２６の垂直方向微動機構２４先端に取り付けられたハーフミラー４６により光軸が曲げられ、サンプル３９表面に対して垂直なＺ方向からカンチレバー２８とサンプル３９表面を観察できるようになっている。また、対物レンズ４２と中間レンズ４４の間には光路を変換するための全反射ミラー５３も設けられている。
【００３７】
この光学顕微鏡４０は、光学ズームが採用されており、ズーム倍率は約１〜７倍で、観察可能な視野サイズは縦横が１．０ｍｍ×１．３３ｍｍ〜０．１４ｍｍ×０．１９ｍｍの間で変更可能である。また、光学顕微鏡４０にはＬＥＤ発光素子が搭載されたスポット照明からなる照明装置４７が設けられており、対物レンズ４２の光軸と同軸の落射照明でサンプル面３９が照明される。このＬＥＤ照明装置４７の光源駆動用の電源１４は除振台５下のラックに置かれている（図１、図２参照）。この電源１４は制御装置３のコンピュータ７に接続されておりコンピュータ７にインストールされたソフトウエアにより照明の点灯、消灯と明るさの調整を行うことが可能である。
【００３８】
また、本実施形態では、光学顕微鏡４０に加えて、光学顕微鏡４０の視野よりも大きな範囲を観察可能なカメラ１７が備えられている。
このカメラ１７はボイスコイルモータによりフォーカスが調整可能なカメラレンズとＣＭＯＳイメージセンサ（詳細構造は図示せず）により構成されている。
カメラレンズのフォーカスは対象物から５ｃｍ以上で合うように構成されており、画角は７５°でボイスコイルモータによるオートフォーカス機能が設けられている。
【００３９】
このカメラ１７はサンプルホルダ面３８に対して斜め上方に設置されており、ポール４９により除振台５の定盤１８に固定されている。カメラ１７で撮影される画像は、カンチレバー２８がサンプルホルダ面３８に接触する位置が概ね中心になるように配置されている。図３（Ｃ）は図３（ａ）のＡ方向からカメラ１７を見た図であり、クロスのライン５０が探針２８ａとサンプルホルダ面３８の接触点とした場合には、サンプルホルダ３８上に置かれたサンプル３９表面に対して４０°（Ｚ軸に対して５０°）、また図３（ａ）に示すように上面視した場合にＸ軸方向に対して３５°の角度に光軸が設定されている。
【００４０】
またカメラ１７の先端にはカメラレンズを取り囲むようにリング型にＬＥＤ発光素子が配置された照明５１が取り付けられており、カメラ１７の光軸に沿って視野全体を照明可能な構成となっている。ＬＥＤ照明５１の光源は光学顕微鏡４０のＬＥＤスポットライト４７と同一の電源１４に接続され、光学顕微鏡４０の照明４７と同様に照明の点灯、消灯、明るさ調整は制御装置で行うことができる。
【００４１】
このカメラは制御装置３のコンピュータ７にＵＳＢケーブルで接続されており、制御装置３のディスプレイ８をカメラ１７の画像表示装置として併用し、コンピュータ７にインストールされたソフトウエアでズーム倍率１〜５倍でデジタルズームによりディスプレイ８上に画像が拡大表示される。またソフトウエアではマニュアルフォーカスに切り替えることもでき、ソフトウエア上からカメラ１７のボイスコイルモータを動かしてフォーカス調整をマニュアルで行うことも可能である。またデジタルズームにより画像を拡大した場合にはソフトウエアで拡大エリアの中心を設定可能な機能が付いており、デジタルズームにより観察位置がずれた場合には観察エリアを調整できる。
【００４２】
カメラ１７で観察可能な視野は、縦横が約２８５×２２０ｍｍ〜５７×４４ｍｍの範囲であり、最大視野では８インチのサンプルホルダ３８全面が観察可能なように設定されており光学顕微鏡の最大視野よりも十分に広い範囲でサンプル３９とカンチレバー２８の観察が可能である。
【００４３】
次に、本実施形態における走査型プローブ顕微鏡の操作手順を説明する。なお、操作手順は本発明の理解に必要な部分に留め、一部の手順は省略している。
１）サンプルの設置
ユニット２前に測定者が移動し、防音カバー４の扉１５を開けて、ＸＹステージ３４をＹ軸方向の手前に移動させてサンプルホルダ３８にサンプルを載せる。本実施形態では直径８インチのシリコンウェハーをサンプル３８として測定する。
【００４４】
２）カンチレバーの取り付けと変位検出機構の調整
ＸＹステージの端に設置されたカンチレバー取付台５２にカンチレバー２８を置き、測定に備えて防音カバー４の扉１５を閉める。カンチレバー２８は摩耗時の交換や測定目的により違う種類への交換などを行う場合には複数本のカンチレバーを並べておく。扉１５を閉めた後、測定者は制御装置３の前に移動し、椅子１３に座ってディスプレイ８を見ながら操作を続ける。
【００４５】
ソフトウエア上でカンチレバー交換コマンドを選択することで、ＸＹステージ３４が自動的に駆動されて、カンチレバーホルダ２７をカンチレバー２８の真上に移動させ、Ｚステージ２２も自動的にカンチレバーホルダ２７がカンチレバー２８に接触する直前まで近づけられる。
【００４６】
このとき光学顕微鏡４０の照明装置４７を点灯させて、対物レンズ４２のフォーカスを合わせることでディスプレイ８上にカンチレバー２８と変位検出機構３３のレーザスポットが観察される。
【００４７】
測定者はディスプレイ８上の光学顕微鏡像を確認しながらＸＹステージ３４を微調しカンチレバー２８の背面にレーザスポットを位置合わせする。カンチレバーホルダ２７には真空ポンプ（図示せず）が接続されておりＺステージ２２をさらに近づけることでカンチレバーホルダ２７にカンチレバー２８が吸着されてカンチレバー２８がセットされる。
【００４８】
この後、カンチレバー２８の背面で反射した光が４分割のディテクタ面３１に照射される。４分割ディテクタ３１には２軸の電動ステージ３２が設けられており、ソフトウエア上からディテクタ３１を移動させてディテクタ面３１のレーザスポットをディテクタの中心に位置合わせする。
【００４９】
３）測定位置の位置合わせ
Ｚステージ２２をカンチレバー取付台５２から離す。次にカメラ１７の照明５１を点灯させてカメラ画像をディスプレイ上８に表示させる。このとき視野の中にはカンチレバー２８とサンプル３９全体が確認できる。
【００５０】
測定者はディスプレイ８を見ながらカンチレバー２８の真下にサンプル３９の被測定箇所が来るようにＸＹステージ３４及びＺステージ２２をソフトウエアのステージ駆動コマンド又はジョイスティック１１により移動させる。
【００５１】
このときカメラ１７の画像のみで位置決めを行ってもよいが、カメラ１７の画像は斜めからの画像であるため、カンチレバー２８の真下にサンプル３９の被測定箇所があるかどうかディスプレイ８上では認識しづらい。
【００５２】
そこで、光学顕微鏡４０の照明４７を点灯させておくとサンプル面３９に光学顕微鏡４０の照明４７のスポットが照射され、カメラ１７の画像でこのスポットを確認できるので、スポットの位置を目印にサンプル３９の被測定箇所をスポットの位置に移動させることで位置決めが精度よく行える。
【００５３】
また、光学顕微鏡４０の照明４７の代わりに変位検出機構３３のレーザスポットを目印にしてもよい。レーザスポットは、長軸が５０μｍ、短軸が１０μｍ程度の楕円形であり、長軸がカンチレバー２８の幅方向と一致するように設定されており、カンチレバー２８の幅よりもレーザのスポットが大きいためカンチレバー２８からはみ出した光がサンプル３９面にスポットとして観察できる。このスポットをカメラ１７の画像で確認しながら位置決めを行うことも可能である。
【００５４】
カメラ１７の画像による位置決めでは、カンチレバー２８とサンプル３９が近づくにつれて、デジタルズームの機能を用いて視野を狭めて画像を拡大しながら位置合わせを行うことでさらに精度よく位置合わせを行うことができる。なお、画像の拡大はデジタルズームに限定されずカメラ１７に遠隔操作可能なズームレンズを設けて光学ズームによって行うことも可能である。
【００５５】
ズーム機能により視野を狭めて画像を拡大する場合にはカメラ１７に付いているオートフォーカスではカンチレバー２８の先端付近に焦点を合わせ難い場合が多い。このときにはカメラ１７操作用のソフトウエアでオートフォーカス機能からマニュアルフォーカス機能に切り替えてマニュアルフォーカスにより焦点を合わせることも可能である。
【００５６】
また、カメラ１７の画像により、探針先端２８ａを拡大して観察し、カンチレバー２８をＺ方向にも移動させることで探針２８ａとサンプル表面３９が接触する直前の状態まで高速で近づけることができる。走査型プローブ顕微鏡の測定の際に探針２８ａとサンプル３９を近づける場合には探針２８ａやサンプル３９の破損を防止するために低速で近づける場合が多く近接動作に非常に時間がかかるが、カメラ１７の画像で両者をあらかじめ近接させておくことで近接動作の時間を短縮させることができる。カメラ１７の像で確認する場合には、カンチレバー２８の像とサンプル面３９に写ったカンチレバー２８の鏡像の両方を確認し両者の距離を確認することで高さ方向の距離感が認識しやすく、両者を接触する直前まで近づけることができる。
【００５７】
探針２８ａとサンプル３９を接触する直前まで近づけた後は、光学顕微鏡４０の画像に切り替えてさらに拡大された画像をディスプレイ８で確認しながら、水平方向微動機構２３の走査領域である１００μｍ以内にサンプル３９の被測定箇所が入るまでＸＹステージ３４を移動させてより精密に位置合わせを行う。
【００５８】
４）測定
ＸＹステージ３４とＺステージ２２で位置合わせを行った後は、走査型プローブ顕微鏡の操作ソフトウェアにより探針２８ａとサンプル３９を測定領域に入るまで自動的に近づけ、その後、測定パラメータの調整を行って、変位検出機構３３によりカンチレバー２８の変位や振幅量を計測し垂直方向微動機構２４で高さの調整を行いながら水平方向微動機構２３で走査を行い、走査型プローブ顕微鏡のイメージ測定が行われる。測定の際には光学顕微鏡４０やカメラ１７の照明４７、５１は点灯したままで測定の様子を確認してもよいが、光てこのフォトディテクタ３１に光学顕微鏡４０やカメラ１７の照明４７、５１が混入してノイズとなる場合がある。この場合にはソフトウエアにより照明４７、５１を消灯させておく。
【００５９】
５）測定場所の変更、カンチレバーの交換
測定が終了し、測定場所を変更する場合には、探針２８ａとサンプル３９をＺステージ２２により離した後、カメラ１７による画像を確認しながら再び３）の手順により被測定箇所の位置決めを行い４）の手順により測定を行う。Ｚステージ２２の退避量は測定者がユニット２や防音カバー４を触ることがないため数１０〜数１００μｍ程度わずかに離しておけばよい。
また、カンチレバー２８を交換する場合には、１）の手順によりカンチレバー交換を行う。
これらの手順も測定者はディスプレイ８の前で椅子１３に座ったままで行うことが可能である。
【００６０】
６）測定完了
測定が完了したら、測定者は椅子１３を離れてユニット２の前に移動し防音カバー４の扉１５を開けてサンプル３９やカンチレバー２８を片付け、一連の測定が完了する。
【００６１】
従来の走査型プローブ顕微鏡では、前述の通り、光学顕微鏡の視野の狭さのためユニット前に移動し直視による観察を要し、防音カバーの開閉やそれに伴う系内雰囲気の調整あるいは探針の近接・離間の動作など、探針とサンプルの位置合わせのための多大な労力と時間を費やしていた。ディスプレイの前で遠方からサンプルを目視確認しようとしても遠方で見えづらく精度が悪くなり、また防音カバーの側壁などに邪魔されて視野を遮られてしまっていた。
【００６２】
また、測定準備を完了して防音カバーの扉を閉めた後は内部の様子が観察できずにサンプル測定位置を水平方向粗動機構により変更する場合には再びユニット前に移動して防音カバーの扉を開けて目視確認する必要があった、防音カバーの扉を開ける場合にはユニットが大きく振動してしまうため、探針とサンプルを大きく離す必要があり再び近接するのに多くの時間を要していた。
【００６３】
一方、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１で測定を行う場合には、カメラ１７によりサンプル３９とカンチレバー２８の全域と位置関係が確認できるので、サンプル３９をサンプルホルダ３８にセットした後はディスプレイ８を見ながら全ての工程を椅子１３に座って操作でき、測定を非常に効率よく楽に行うことができ被測定箇所の位置決め精度も目視確認よりも向上する。またカメラ１７と光学顕微鏡４０に照明装置４７、５１が設けられているため防音カバー４内などの遮光空間で暗い場所でも内部の様子を観察することができる。
【００６４】
サンプル３９の測定場所を変える場合にも防音カバー４の扉１５を開けることなしにディスプレイ８の画面を見ながら場所変更を行うことができる。サンプル３９と探針２８ａの退避量もわずかでよいため再び近接させるときの時間も短縮される。
【００６５】
ＸＹステージ３４やＺステージ２２、光学顕微鏡４０のフォーカス機構４３やズーム機構４４、カメラ１７のフォーカス機構などの駆動部分は全て制御装置３に接続されており、遠隔で操作できる。また照明４７、５１も遠隔で点灯、消灯を行うことができるので、照明がノイズ源になってしまう場合にも遠隔操作で消灯させることができる。また照明４７、５１にＬＥＤ光源を用いることで、ハロゲン照明に比べ消費電力が少ないため発熱が少なく防音カバー４の扉１５を閉めたままでも内部の温度がほとんど上昇せず測定時の温度ドリフトを抑えることができる。さらに外部から照明を消灯できることで不必要な場合の点灯をなくし、温度の上昇を抑える効果もある。
【００６６】
なお、本実施形態ではカメラ１７にマイク（図示せず）が内蔵されており、防音カバー４内の音をコンピュータ７に内蔵されたスピーカーで確認することができる。ＸＹステージ３４やＺステージ２２、やフォーカス機構４３、ズーム調整機構４４などを駆動さる場合に駆動音を聞きながら操作することができるので、臨場感のある操作を行うことができる。また防音カバー４の内部で万一、サンプル３９とカンチレバー２８の衝突や各種駆動機構の故障などが発生した場合には、防音カバー４に囲まれているため外部から音を認識できないが、マイクで内部の音を拾うことで測定者がトラブル発生時の音を認識することができ、安全性も向上する。
【００６７】
本実施形態の光学顕微鏡４０は数１００μｍのオーダーの大きさのカンチレバー２８への数１０μｍ程度のレーザスポットの位置合わせと、水平方向微動機構２３の最大走査エリア内への探針２８ａとサンプル３９の位置合わせを目的としているために、光軸が直上で最大視野は水平方向微動機構２３の最大移動量に対して１桁大きな領域の視野を有しているのに対して、カメラ１７はサンプル３９の広い領域内を確認することを目的としているため、カメラ１７の光軸の角度は光学顕微鏡と異なる角度で設定され、また、最大視野も光学顕微鏡４０よりもさらに１桁以上大きい領域で観察が行われる。
【００６８】
本実施形態では直径８インチのサンプルホルダ３８の全域をカメラ１７で確認できるようにした。好ましくは本実施形態のようにサンプルホルダ全域を観察できるとよいが、カメラの配置位置が遠すぎて配置上問題のある場合やズーム機構を用いる場合にズーム倍率が不足して拡大画像が明瞭に確認でいない場合もある。そのため、サンプル３９とカンチレバー２８の位置合わせの目的では、最大視野が約１/４以上あれば操作性を損なわずに、カメラ１７による位置合わせを行うことが可能である。
【００６９】
また、カメラ１７の角度がサンプル面３９に対して浅い角度に設定するとカンチレバー２８とサンプル３９の面内の位置関係が認識しづらいため、カメラ１７の光軸がサンプル面３９に対して３０°以上に設定することが好ましい。カメラ１７をサンプル３９の直上に配置しカメラ１７の光軸がサンプル面３９に垂直方向になるように配置してもよいが、通常の構成ではユニットの構成部材が視野をさえぎりサンプル３９とカンチレバー２８の同時が難しい。また、１台のカメラで水平方向の位置合わせと垂直方向の探針３８ａとサンプル３９間の距離確認を行うためには、サンプル面３９に対してカメラ１７の光軸を３０°以上６０°未満にすることが好ましい。
【００７０】
また、カメラ１７に外部から操作可能なパン及びチルト機構やＸＹＺステージなどを搭載してカメラ１７の位置を遠隔操作してユニットの任意の箇所を確認できるようにしてもよい。
さらに、複数台のカメラを設置して様々な角度からの画像を確認しながら操作することでより多角的に内部の様子が認識でき、操作性が向上する。
【００７１】
＜第２の実施形態＞
図４の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第二の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡ユニット部２の概観図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ方向から見たカメラ１７の配置に係る概観図である。また図５は、図４のカメラ１７及び光学顕微鏡４０の照明用のＬＥＤ光源５４の概観図である。
【００７２】
本実施形態のユニット２の照明以外は第一の実施形態と同じ構成であるため、図面上の同じ構成要素には同じ番号を付し、装置の構造や測定手順の説明は省略する。
本実施形態は、図５のＬＥＤ光源５４が除振台の下の架台に置かれており、ＬＥＤ光源５４から２分岐された光ファイバーの束からなるライトガイド５５が接続されている。
【００７３】
ライトガイド５５は光学顕微鏡４０とカメラ１７にそれぞれ接続されており、観察時の照明として利用される。光学顕微鏡４０へ接続されたライトガイド５５ａは第一の実施形態と同じく顕微鏡の鏡筒を通り対物レンズ４２を経由してサンプル３９を照明する。
【００７４】
カメラ１７は、その上部にライトガイド取り付け治具５６が設けられ、探針２８ａとサンプルホルダ３８の交点付近を狙ってライトガイド５５ｂが設置され、カメラ１７の観察領域が照明される。ライトガイド５５ｂを出た光は広がり約７０°で広がるため、観察視野全体を照明することができる。
本実施形態の照明もソフトウエア上から点灯、消灯、明るさ調整を行うことができる。
【００７５】
通常の使用状態では、カメラ１７観察に引き続き光学顕微鏡４０の観察が行われ、また測定時のノイズ防止の目的のためには同時に消灯することが多いため、１台の光源５４をカメラ１７と光学顕微鏡４０で共用しても操作上問題となることはない。
【００７６】
本実施形態ではカメラ１７と光学顕微鏡４０の光源５４を１台で共用しているためコストを抑えることができる。
また光源５４を防音カバー４外部に配置しライトガイド５５ａ、５５ｂで照明を導入するようにしたため防音カバー４内部の発熱を抑えることができ温度ドリフトが防止される。
【００７７】
＜第３の実施形態＞
図６は本発明の第二の実施形態にかかる走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観図である。
本実施形態もカメラ１７の取り付け方法とサンプルホルダ５７の大きさ以外は第一の実施形態と同じ構成であるため、図面上の同じ構成要素には同じ番号を付し、装置の構造や測定手順の説明は省略する。
【００７８】
本実施形態ではＺステージ２２に取り付けられたステー５８にカメラ１７を取り付け、カメラ１７の中心に常にカンチレバー２８が確認できるように構成されている。またサンプルホルダ５７には直径１２インチまでのサンプル５９を搭載可能な構成となっている。
【００７９】
第一の実施形態ではＸＹステージ３４、Ｚステージ２２に対して独立してカメラ１７が固定されておりカメラ１７の視野はＸＹステージ３４、Ｚステージ２２の移動に連動することはなかった。カメラ１７の視野が広いため、一定の大きさまではこの固定方法で問題がないが、サンプル５９が大きくなるとカンチレバー２８やサンプル５９が視野から外れてしまうことがある。
【００８０】
本実施形態では、Ｚステージ２２が上下に稼動しても視野がＺステージ２２の動きに連動し、常にカンチレバー２８が確認でき視野からはみ出すことがないため、Ｚステージ２２の移動量を大きくすることができ、厚みの厚いサンプルに対応できる。
【００８１】
また、ＸＹステージをカンチレバー側に設ける構成も可能であり、この場合もカメラをＸＹ、Ｚステージに固定してＸＹＺステージに連動して一体に固定して動かすことで、カンチレバーに対するサンプルの位置を常に確認することが可能となり、より広い面積を持つ大型のサンプルに適用できる。
【００８２】
＜第４の実施形態＞
図７は本発明の第四の実施形態にかかる走査型プローブ顕微鏡のユニット部の概観図である。
本実施形態も第一の実施形態と同じ構成箇所には、図面上の同じ番号を付し、装置の構造や測定手順の説明は省略する。
本実施形態では走査型プローブ顕微鏡ユニット部２に、サンプル３９表面の凹凸を観察する白色干渉計６０を複合させた装置である。
【００８３】
白色干渉計６０には倍率１０倍の対物レンズ６１と対物レンズ６１を光軸方向に１００μｍ走査する圧電アクチュエータ６２と、中間鏡筒とＬＥＤによる照明と１／３インチの受光面を持つＣＣＤカメラから構成される（中間鏡筒、ＬＥＤ照明、ＣＣＤカメラは筐体６３の中に構成されている）。対物レンズ６１は一般にミラウ型と呼ばれる構成で参照面用のミラーが対物レンズ６１の内部に設けられており、ＬＥＤによる参照光とサンプル３９からの反射光を干渉させて干渉縞を発生させる構造である。白色干渉計６０では圧電アクチュエータ６２を光軸方向に駆動させたときのサンプル３９表面の凹凸による干渉縞をＣＣＤカメラの各ピクセルで検出し干渉縞の明暗の情報からサンプル３９表面の凹凸を高分解能で測定する。白色干渉計６０の制御も走査型プローブ顕微鏡の制御装置により行われ、測定データも同一のディスプレイに表示される。
本実施形態では倍率１０倍の対物レンズ６１を用いることで１０００μｍ×７００μｍの視野で白色干渉計６０の測定が行なわれる。
【００８４】
走査型プローブ顕微鏡ユニット２と白色干渉計６０は水平方向粗動機構３４とサンプルホルダ３８を共有しており、走査型プローブ顕微鏡の測定領域である１００μｍよりも広範囲の測定領域を白色干渉計６０により測定した後、ディスプレイ上の測定データの任意の場所を指定し、水平方向粗動機構３４によりあらかじめ設定していた白色干渉計６０の対物レンズ６１の光軸中心と探針２８ａ間のオフセット量だけ水平方向粗動機構３４により移動し、走査型プローブ顕微鏡で白色干渉計６０よりも狭い範囲の精密な測定を行う。
【００８５】
このように白色干渉計と走査型プローブ顕微鏡を複合させることで、光学限界により制限される白色干渉計の水平方向の分解能を、走査型プローブ顕微鏡により高分解能で測定したり、白色干渉計の測定データが光学的な測定誤差を含まないかどうかを走査型プローブ顕微鏡でクロスチェックしたり、白色干渉計の測定データの任意の場所を走査型プローブ顕微鏡で機械的特性や電気的特性を測定したりできる。
なお、本実施形態では垂直方向粗動機構２２も走査型プローブ顕微鏡ユニットと白色干渉計６０で共有したが、それぞれ別の垂直方向粗動機構を有してもよい。
【００８６】
本実施形態ではカメラ１７の最大視野内に走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー２８と白色干渉計の対物レンズ６１の焦点位置が同時に観察可能なように配置した。
このように配置することで、白色干渉計６０での観察時とカンチレバー２８の観察時にそれぞれ探針２８ａ又は対物レンズ６１の焦点をサンプル３９の測定箇所に位置合わせすることが可能となる。白色干渉計６０の対物レンズ６１の光軸中心をサンプル３９の被測定箇所に位置合わせする場合には、対物レンズ６１からサンプル３９に照明されるＬＥＤのスポットを目印にすることができる。
【００８７】
また、両ユニット間のサンプル３９の移動の様子を確認することができるため両方のユニットの間に凹凸の大きな部分があるような場合には、カメラの画像によりあらかじめ凹凸を認識することで対物レンズ６１やカンチレバー２８への衝突を防止することができる。
探針２８ａ又は対物レンズ６１の局所位置を観察する場合には、カメラ１７のズーム機構によりそれぞれの場所を拡大して観察することが可能となる。
【００８８】
本実施形態では走査型プローブ顕微鏡に白色干渉計を複合させたが、たとえばレーザ顕微鏡や光学顕微鏡、顕微分光装置などの任意の光学式計測／分析／観察装置を複合させてもよい。また複数の走査型プローブ顕微鏡の測定ヘッドを複合させてもよく、その場合、各測定ヘッドの水平方向微動機構や垂直方向微動機構の最大走査範囲を異なる構成とすることで、白色干渉計の場合と同様に、広範囲の粗い走査から狭範囲の精密な走査を段階的に本発明にかかわる位置決め方法を利用して一連に実施可能となる。
【００８９】
以上、具体的な実施形態を例として説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想の範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことは言うまでもない。
例えば、カメラや光学顕微鏡の構造や種類は実施形態のものに限定されず、任意の形態のものが使用可能であり、カメラについてはウェブ・カメラであっても本発明に利用可能であれば本発明の範囲に含まれる。
【００９０】
また、カメラの固定場所も上記の実施形態の他にもカバー内側に固定する方式など任意の固定場所に固定可能である。
また、防音カバーは必須の構成ではなく、カバーがない場合でも本発明のカメラを利用することで全ての操作をディスプレイの前で操作できるので、操作性が大幅に向上する。
【００９１】
さらに、前記カメラの画像表示はインターネットを用いてユニットから遠く離れた場所で確認することも可能である。この場合、ユニットのそばにいなくても、装置の測定状態を確認したり、測定の遠隔操作を行うことができる。
また、防音カバー以外にも防風カバー、遮光カバー、真空やガス雰囲気にするためのチャンバー、グローブボックスなど任意の形態のカバー内で使用可能である。
【００９２】
また、カメラや光学顕微鏡の照明の制御はソフトウエア上から実施する方法以外に手元スイッチで行ってもよい。また画像表示用のディスプレイも走査型プローブ顕微鏡と共用せずに独自の画像表示装置を用いてもよい。
また、走査型プローブ顕微鏡の構造もカンチレバー側に垂直方向微動機構と粗動機構を設けた構造以外にサンプル側に設けてもよく、カンチレバーとサンプル側に分割して設けてもよい。
【００９３】
また、カンチレバーの取り付けも測定前に手で取り付けてもよく、光てこのスポットをカンチレバーに位置決めする方法としてレーザにステージを設けて移動させてもよい。探針やカンチレバーの形状は任意のものが適用可能であり、水平方向微動機構や垂直方向微動機構も円筒型圧電素子に限定されず、積層型圧電素子や、積層型圧電素子と並行バネや変位拡大機構を組み合わせたステージや、電磁モータやボイスコイルモータで動作するメカニカルステージなど任意のものが適用可能である。
【００９４】
また、カンチレバーの変位検出方法は、光てこ方式以外にも、カンチレバーに抵抗体を設けて抵抗値の変化により変位を検出する自己検知方式も使用できる。自己検知方式においても、光てこ方式と同様に光がノイズ源となり得るためカバーを用いる場合が多く、上記の光てこ方式の場合と同様にサンプルやカンチレバーが目視確認できないため、本発明を使用することは大変有意となる。
【００９５】
また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、形状像測定用に限定されず、粘弾性測定、電気特性、摩擦力、磁気力、光学特性などさまざまな物性測定に適用されるものを含む。
【符号の説明】
【００９６】
１  走査型プローブ顕微鏡
２  走査型プローブ顕微鏡ユニット部
３  制御装置
４  防音カバー
１７  カメラ
２２  Ｚステージ（垂直方向粗動機構）
２３  水平方向微動機構
２４  垂直方向微動機構
２８  カンチレバー
２９  半導体レーザ
３１  フォトディテクタ
３３  変位検出機構
３４  ＸＹステージ（水平方向粗動機構）
３８  サンプルホルダ
４０  光学顕微鏡
４２  対物レンズ
４３  フォーカス調整機構
４４  ズーム鏡筒
４５  ＣＭＯＳカメラ
４７  照明装置
５１  ＬＥＤ照明
５４  ＬＥＤ光源
５５  ライトガイド
５６  ライトガイド取付冶具
６０  白色干渉計
６１  対物レンズ
６２  圧電アクチュエータ
６３  筐体
【図１】
2014044075.tif 000003
【図２】
2014044075.tif 000004
【図３】
2014044075.tif 000005
【図４】
2014044075.tif 000006
【図５】
2014044075.tif 000007
【図６】
2014044075.tif 000008
【図７】
2014044075.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成25年9月24日(2013.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーを固定するためのカンチレバーホルダと、サンプルを載置するサンプルホルダと、前記サンプル表面を前記探針により相対的に走査するための水平方向微動機構と、前記探針と前記サンプル表面間の距隣制御を行う垂直方向微動機構と、前記水平方向微動機構及び前記垂直方向微動機構よりも稼動範囲の大きい水平方向粗動機構及び垂直方向粗動機構と、前記カンチレバーと前記サンプルを観察するための光学顕微鏡により構成される走査型プローブ顕微鏡ユニット部と、
前記走査型プロープ顕微鏡を制御する制御装置と、前記光学顕微鏡の画像を表示する画像表示装置からなる走査型プローブ顕微鏡において、
前記光学顕微鏡の光軸とは非同軸の観察軸を有すると共に、前記光学顕微鏡よりも広域かつ前記カンチレバーと前記サンプルを同時に観察可能な視野を設定することができる撮像装置と該撮像装置の画像を表示する画像表示装置を有する走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部を覆うカバーを備え、
前記撮像装置が当該カバーの内部に収納され、当該カバーの閉状態において前記撮像装置によりカバー内部の状態が観察可能な請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記撮像装置の視野の広さが前記サンプルホルダの１／４以上の面積を観察可能な請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記撮像装置の視野を照射する照明を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記照明の点灯、消灯が遠隔制御可能な請求項４に記載の走査型プロープ顕微鏡。
【請求項６】
前記照明が、前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部に配置されたＬＥＤ発光素子を有する光源、又は離れた場所に設置された任意の光源からライトガイドにより前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部に光が伝播される光源である請求項４又は５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記光学顕微鏡の視野を照明する照明を有し、前記光学顕微鏡と前記撮像装置の照明が共通の光源から光を供給される請求項４又は５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記撮像装置の観察軸がサンプル表面に対して３０°以上９０°以下である請求項１乃至７のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記撮像装置がズームの機能を有し、前記撮像装置で観察可能な最大視野よりも小さい領域を拡大した画像を前記画像表示装置上に表示可能な請求項１乃至８のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記水平方向粗動機構又は/及び垂直方向粗動機構が、遠隔動作可能なアクチュエータを有し、前記画像表示装置に表示された画像を確認しながら前記水平方向粗動機構又は/及び垂直方向粗動機構を遠隔動作させる請求項１乃至９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記走査型プロープ顕微鏡ユニット部が、探針を有するカンチレバーとカンチレバーホルダと水平方向微動機構と垂直方向微動機構と変位検出機構からなる複数の走査型プロープ顕微鏡測定ヘッド部、又は、前記撮像装置の最大視野よりも視野が狭く前記撮像装置の観察軸とは異なる光軸を持つ対物レンズを有する光学式装置を備え、
当該走査型プローブ顕微鏡概測定ヘッド部又は当該光学式装置が、前記走査型プロープ顕微鏡ユニット部と前記サンプルホルダと前記水平方向粗動機構を共有し、
前記撮像装置が、当該撮像装置の最大視野において、前記走査型プロープ顕微鏡ユニット部のカンチレバーと前記サンプルに加えて、前記走査型プローブ顕微鏡測定ヘッド部のカンチレバー又は前記光学式装置の対物レンズの焦点位置とを同時に観察可能とした請求項１乃至１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記画像表示装置上に表示された画像により前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部に備わる複数の探針のうち少なくとも一つ又は前記光学式装置の対物レンズの焦点位置と前記サンプルの位置を調整する請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記光学顕微鏡又は前記光学式装置が光軸に沿って照明光を照射する照明を有し、前記光学顕微鏡又は前記光学式装置のサンプルの表面に照射された前記照明光を前記撮像装置で観察し、前記照明光のスポットを目印に前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部に備わる複数の探針のうち少なくとも一つ又は前記光学式装置の対物レンズの焦点位置と前記サンプルの位置合わせを行う請求項１１又は１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
レーザ光を前記カンチレバーの背面に照射して前記カンチレバーからの反射光をディテクタにより検出する光てこ方式の変位検出機構を有し、前記カンチレバーの背面にレーザスポットを位置合わせしたときに、前記サンプル表面に照射される前記レーザスポットのカンチレバーからはみ出した漏れ光を前記撮像装置で観察し、前記漏れ光を目印に前記走査型プロープ顕微鏡ユニット部に備わる複数の探針のうち少なくとも一つと前記サンプルの位置合わせを行う請求項１０乃至１２のいずれかに記載の走査型プロープ顕微鏡。
【請求項１５】
前記撮像装置に設けられたレンズが外部から駆動可能なフォーカス調整機構を有する請求項１乃至１４のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部内にマイクを配置し、周辺の音を集音して、スピーカーより音を発するようにした、請求項１乃至１５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
前記撮像装置が連続して撮像するビデオカメラ又は連写して撮像するスチルカメラである請求項１乃至１６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
さらに本発明では、撮像装置の視野を照射する照明を設け、照明の点灯、消灯を遠隔制御可能とした。照明は、走査型プローブ顕微鏡ユニット部に配置されたＬＥＤ発光素子を有する光源、又は離れた場所に設置された任意の光源からライトガイドにより当該走査型プローブ顕微鏡ユニット部に光が伝播される照明とした。
また、光学顕微鏡と撮像装置の照明装置が共通の光源から光を供給されるようにした。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
さらに、前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部内にマイクを配置し、前記走査型プロープ顕微鏡ユニット部周辺の音を集音して、スピーカーより音を発するようにした。
本発明では撮像装置としてデジタル又はアナログ式のビデオカメラ又は連写して撮像するスチルカメラを用いた。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
また、カバーの中に前記走査型プローブ顕微鏡ユニット部を配置した場合にも、カメラに照明を設けることで内部の様子をディスプレイ上で観察することができ、サンプルをサンプルホルダにセッ卜した後はカバーを開けることなくディスプレイ前でディスプレイを見ながら全ての工程を操作できる。
以上のように本発明では測定を効率よく楽に行うことができ被測定箇所の位置決め精度も目視確認よりも向上する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
また本発明では、走査型プローブ顕微鏡ユニット部内にマイクを配置することでカバー内の音も確認することができ、臨場感のある操作を行うことができるとともに、内部で万一、故障やトラブルなどが発生した場合に、マイクで内部の音を拾うことで測定者がトラブル発生時の音を認識することができ、安全性も向上する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
図１の走査型プローブ顕微鏡ユニット部（以下ユニットと記載）２は、測定中の床振動を低減するために除振台５の定盤１８上に搭載されている。またユニット２は防音カバー４内に配置されており、防音カバー４は除振台５の定盤１８とは独立し除振台５の架台１９に空気バネ機構２０を介して固定されており、定盤１８の下側もカバーで覆われている。防音カバー４の前面には上側に開口可能な扉１５が設けられており、サンプルの交換やカンチレバーの交換、測定に伴う各機構の調整作業の時には、測定者がユニット２の前に移動して扉１５に設けられた取っ手１６を持って扉１５が開けられて作業が行われる。また測定のときには図２に示されるように扉１５が閉じられて外部の音や風、温度変化、光などの影響を低減して測定が行われる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
次に図３をもとにユニット２の詳細を説明する。除振台の定盤上１８には、Ｌ型構造の石定盤により構成されるベース２１が搭載されている。以下の説明では、図３  （ｂ）  の正面図に対してＬ型構造の水平面２１  ａの左右をＸ軸、水平面上でＸ軸に直交する方向をＹ軸、ＸＹ軸に直交するベースの垂直面の方向をＺ軸と定義する。ベース２１の垂直面２１ｂにはステッピングモータ、リニアガイド、ボールネジ（図示せず）により駆動面２２ａが駆動されるＺステージ（垂直方向粗動機構）  ２２が固定されている。Ｚステージ２２には、２本の円筒型の圧電素子を中央の連結部材２５により連結し、上部の素子は水平方向微動機構２３、下部の素子は垂直方向微動機構２４として作用するように電極が設けられたスキャナ２６が固定されている。本実施形態でのスキャナ２６の最大移動量はＸＹ方向にそれぞれ１００μｍ、Ｚ方向に１０μｍである。スキャナ２６の先端にはカンチレバーホルダ２７が固定されており、カンチレバーホルダ２７には先端に探針２８ａが設けられたカンチレバー２８が固定されている。本実施形態では、カンチレバー２８が長手方向１２５μｍ、幅３０μｍ、先端の探針２８ａが高さ１５μｍのシリコン製のカンチレバーを使用した。当該カンチレバーや先端の探針については、サンプルの種類や測定の用途に合わせてその他の形状のものも取り付け可能で、摩耗などが発生した場合には交換が可能である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
走査型プローブ顕微鏡ユニット部２と白色干渉計６０は水平方向粗動機構３４とサンプルホルダ３８を共有しており、走査型プロープ顕微鏡の測定領域である１００μｍよりも広範囲の測定領域を白色干渉計６０により測定した後、ディスプレイ上の測定データの任意の場所を指定し、水平方向組動機構３４によりあらかじめ設定していた白色干渉計６０の対物レンズ６１の光軸中心と探針２８ａ聞のオフセット量だけ水平方向粗動機構３４により移動し、走査型プロープ顕微鏡で白色干渉計６０よりも狭い範囲の精密な測定を行う。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
このように白色干渉計と走査型プロープ顕微鏡を複合させることで、光学限界により制限される白色干渉計の水平方向の分解能を、走査型プローブ顕微鏡により高分解能で測定したり、白色干渉計の測定データが光学的な測定誤差を含まないかどうかを走査型プローブ顕微鏡でクロスチェックしたり、白色干渉計の測定データの任意の場所を走査型プロープ顕微鏡で機械的特性や電気的特性を測定したりできる。
なお、本実施形態では垂直方向粗動機構２２も走査型プロープ顕微鏡ユニット部と白色干渉計６０で共有したが、それぞれ別の垂直方向粗動機構を有してもよい。