(57)【要約】【課題】光てこを用いて探針の上下動を検出する走査型プルーブ顕微鏡において、高感度かつ広動作レンジを実現する。【解決手段】探針１０ａが下面に設けられたカンチレバー１０ｃの上面に設けられた反射鏡１０ｂと、光ビーム３６を生成し反射鏡へ入射する光ビーム投射器３０と、反射鏡１０ｂにより反射した反射光ビーム３７が入射する、少なくとも第１および第２の検出面に２分割された検出面を備えた分割型光検出器３５と、第１および第２の検出面が検出した光強度の差を、反射光ビーム３７の移動量として出力する演算回路５８と、を備え、反射光ビーム３７は、分割形光検出器３５の検出面３５ａをリング形に照射する照射パターン９２を有する。【選択図】図３
2014025730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面を走査するための探針が自由端下面に設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーの前記自由端近傍の上面に設けられた反射鏡と、
光ビームを生成し、前記光ビームを前記反射鏡へ入射する光ビーム投射器と、
前記光ビームが前記反射鏡により反射されて形成された反射光ビームが入射する、少なくとも第１および第２の検出面に２分割された検出面を備えた分割型光検出器と、
前記第１の検出面が検出した光強度と、前記第２の検出面が検出した光強度との差を、
前記反射光ビームの移動量として出力する演算回路と、を備え、
前記反射光ビームは、前記分割形光検出器の検出面をリング形に照射する光強度分布を有する、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記光ビーム投射器は、前記反射鏡の全面を照射する前記光ビームを生成し、
前記反射鏡は、前記反射鏡の中心軸を中心とする円板状の低反射率領域と、前記低反射率領域の外周に同心円状に設けられた円環板状の高反射率領域と、を備えた凹面鏡からなり、
前記検出面は、前記反射光ビームが結像する実像の外周と、前記低反射領域の外周とを結ぶ直線が、前記反射光ビームの光軸と交差する交点より前記反射鏡に近い位置に配置される、
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。
【請求項３】
前記光ビーム投射器は、光源から放射される光をリング状に透過して前記光ビームを形成するスリットを備え、
前記反射鏡は、凹面鏡からなり、
前記検出面は、前記反射光ビームが結像する前記スリットの実像位置に配置される、
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。
【請求項４】
前記光ビーム投射器は、光源から放射される光を円環状に透過するスリットと、前記スリットを透過した光をコリメートするコリメータとを備え、
前記反射鏡と前記検出面との間に、前記反射光ビームを集光して前記検出面上に前記スリットの実像を結像させる結像器を設けた、
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。
【請求項５】
前記光ビームの光軸または前記検出面の位置を調整する調整機構部を備え、
前記カンチレバーの第１の傾斜位置で、前記反射光ビームの中心が、前記第１の検出面と前記第２の検出面とを分割する分割線上に位置するように、前記調整機構部を調整し、
前記カンチレバーの第２の傾斜位置で、前記光ビームが前記検出面を照射して形成されるリング形の照射面の内周が、前記分割線に接する位置または前記分割線に接する位置の近傍に在るように、前記調整機構部を調整する、
ことを特徴とする請求項１〜４の何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、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の原子オーダの凹凸、原子オーダの電子状態を観測することができる表面観測装置であり、半導体、光学、化学を始めとする広範な分野で用いられている。
【０００３】
かかる走査型プローブ顕微鏡、例えば原子間力顕微鏡は、カンチレバーの先端に設けられた探針で試料表面を走査し、カンチレバー先端の上下動を検出する。この上下動は原子レベルの大きさであり極めて微小なため、非常に大きな検出感度が要求される。
【０００４】
この微小なカンチレバーの上下動の検出には、しばしば光てこ方式の検出装置が用いられる。光テコ方式では、カンチレバーの先端上面に反射鏡を設け、反射鏡に光ビームを入射して、その反射光の反射位置を例えば２分割型検出器を用いて検出する。反射鏡は、カンチレバー先端の上下動に従って傾斜する。反射光の反射位置は、その傾斜の変動を鋭敏に反映するので上下動を高い感度で検出することができる。
【０００５】
走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーは細いので、その上面に設けられる反射鏡も小さなものとなる。このため、光てこ方式に用いられる光ビームも細くしなければならない。細い光ビームは、上下動の検出感度を高めるという利点がある。そこで、検出感度をより高めるために、反射鏡を凹面鏡とし、反射光を収束させて反射光ビームの径を小さくする工夫がなされた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特願第３０４４２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、反射ビームの径を小さくすると、検出感度は向上する。しかし、小径の反射ビームは、分割型検出器の分割された検出面の一方にのみ入射する範囲、即ち、反射ビームが一方の分割面にのみ存在し得る範囲が大きい。分割型検出器は、反射ビームが分割された検出面の境界、即ち分割線上を照射するときに反射ビームの移動を検出することができる。他方、反射ビームが一方の検出面にのみ入射すると、反射ビームの移動を検出することができず、この範囲は不感帯となってしまう。
【０００８】
通常、走査型フローブ顕微鏡を使用するとき、探針が初期状態にあるカンチレバー先端の傾斜（即ち上下の位置）を基準として、この初期状態で反射ビームが検出面の中心に位置するように調整する。その後、探針を観測状態の位置に移動して、カンチレバー先端の傾斜を観測する。
【０００９】
反射ビームが細いと、探針を初期上位から観測状態に移動したとき、反射ビームが不感帯に入射して、探針の上下動を観測することができない場合が生ずる。かかる場合、観測状態に移動したカンチレバー先端から反射される反射光ビームを、検出面の分割線上に来るように調整しなければならない。しかし、この調整は、不感帯を通過してなさねはならず、非常に煩雑でありかつ難しい。
【００１０】
かかる不感帯は、反射光ビームの径を太くすることで解消することができる。即ち、初期状態から観測状態へ移行する間、反射光ビームの移動量が反射光ビームの半径以内に入るように、太い反射ビームを用いる。しかし、反射ビームが太いと、反射ビームの移動検出感度、即ちカンチレバーの上下動の検出感度が劣化するという問題がある。
【００１１】
本発明は、カンチレバーの上下動を光てこ方式で検出する走査型プルーブ顕微鏡において、カンチレバーの上下動の検出範囲が広く、かつカンチレバーの上下動の検出感度が高い走査型プルーブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明は、その一態様によれば、試料表面を走査するための探針が自由端下面に設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの前記自由端近傍の上面に設けられた反射鏡と、光ビームを生成し、前記光ビームを前記反射鏡へ入射する光ビーム投射器と、前記光ビームが前記反射鏡により反射されて形成された反射光ビームが入射する、少なくとも第１および第２の検出面に２分割された検出面を備えた分割型光検出器と、前記第１の検出面が検出した光強度と、前記第２の検出面が検出した光強度との差を、前記反射光ビームの移動量として出力する演算回路と、を備え、前記反射光ビームは、前記分割形光検出器の検出面をリング形に照射する光強度分布を有する、ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡として提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、検出器の検出面をリング形に照射する反射光ビームを用いる。リング形の照射面では、照射面の内径近傍に第１および第２の検出面を分割する分割線が位置するとき、カンチレバーの上下動が高い感度で検出される。他方、リング形の照射面の半径を大きくすることで、カンチレバーの上下動の検出範囲を大きくすることができる。従って、カンチレバーの上下動の検出範囲が広く、かつカンチレバーの上下動の検出感度が高い走査型プルーブ顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態の走査型プルーブ顕微鏡の断面図
【図２】本発明の第１実施形態のカンチレバー部の斜視図
【図３】本発明の第１実施形態の光学系を説明するための断面図
【図４】本発明の第１実施形態の分割型光検出器を説明する平面図
【図５】検出面内の照射パターン９２の移動を表す平面図
【図６】本発明の第１実施形態における検出感度を説明するための平面図
【図７】本発明の第１実施形態における検出感度曲線を表す図
【図８】本発明の第１実施形態の演算回路出力の照射パターン位置依存性を表す図
【図９】本発明の第１実施形態のフォースカーブを表す図
【図１０】本発明の第１実施形態の試料位置を表す図
【図１１】本発明の第２実施形態の光学系を説明するための断面図
【図１２】本発明の第３実施形態の光学系を説明するための断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（本発明の第１実施形態）
本発明の第１実施形態は、反射鏡としてリング形状の反射面が設けられた凹面鏡を用いた走査型プローブ顕微鏡に関する。なお、本第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、例えば原子間力顕微鏡として用いられる。
【００１６】
図１は本発明の第１実施形態の走査型プルーブ顕微鏡の断面図であり、主要な機構構成を表している。図２は本発明の第１実施形態のカンチレバー部の斜視図であり、探針が設けられたカンチレバーおよびその支持部の形状を表している。
【００１７】
図１を参照して、本第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００は、基台４０と、カンチレバー制御ユニット６０と、保持台２０と、カンチレバー部１０と、光ビーム投射器３０と、分割型光検出器３５とを備える。
【００１８】
基台４０は、カンチレバー制御ユニット６０を基台４０の上方に支持するための台座としての機能を有する他、試料５０を保持する機能を有する。この基台４０は、走査型プローブ顕微鏡１００の台座となる基台台座４０ａと、その上面に設けられたステージ４０ｂと、ステージ４０ｂ上面に設けられた昇降機構４０ｃとを備える。
【００１９】
ステージ４０ｂは、図１中に示す座標系（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）のＸｓ−Ｙｓ平面に平行に移動可能なｘｙテーブルである。また、昇降機構４０ｃは、その上面をＺｓ軸方向に移動可能な機構であり、例えば、機械的に昇降する粗調整機構と、ピエゾ素子を用いた微調整機構とを備える。観測対象の試料５０は、昇降機構４０ｃ上面に載置される。必要ならば、試料５０上面をＸｓ−Ｙｓ平面に平行に保持することができるように、さらに基台４０に、Ｘｓ軸およびＹｓ軸廻りに回転するθｘ−θｙゴニオメータを設けることもできる。
【００２０】
カンチレバー制御ユニット６０は、基台４０に固設されて、基台４０上方に支持される。カンチレバー制御ユニット６０は、下面を昇降機構４０ｃの上面に対向させて基台４０に固設された上台６０ａと、上台６０ａの下面に固設されたステージ６０ｂと、光学ユニット６０ｃとを備える。
【００２１】
ステージ６０ｂは、Ｘｓ−Ｙｓ平面に平行に移動可能なｘｙテーブルであり、観測位置の粗調整に用いられる。なお、このステージ６０ｂおよび基台４０のステージ４０ｂは、いずれか一方を省略することもできる。
【００２２】
光学ユニット６０ｃは、内部に光ビーム投射器３０および分割型光検出器３５を収容する筐体であり、ステージ６０ｂの下面にＸｓ軸に平行方向に移動可能に設けられる。この光学ユニット６０ｃは、ステージ６０ｂの下面に固定された走査機構６０ｄにより押されて、Ｘｓ軸に平行方向に走査される。走査機構６０ｄとして、微小距離を精密に走査可能な走査機構、例えばピエゾ素子が用いられる。
【００２３】
光学ユニット６０ｃの下面に、保持台２０が固設されている。この保持台２０の下面は、カンチレバー部１０を取り付ける取付面２０ａを構成する。取付面２０ａは、Ｘｓ−Ｙｓ平面をＹｓ軸廻りに回転して傾斜させた平面に平行な傾斜面として加工されている。即ち、取付面２０ａは、Ｙｓ軸に平行でＺｓに斜交する。なお、取付面２０ａは、カンチレバー部１０を所与の角度で斜めに取り付けることができればよく、面の形状はとくに制約されない。
【００２４】
カンチレバー部１０は、図２を参照して、カンチレバー１０ｃ、支持部１０ｄ、および探針１０ａを備え、これらが例えばシリコン基板を用いて一体に形成されている。
【００２５】
カンチレバー１０ｃは、例えば幅ｗ１＝５０μｍ、長さＬ１＝４００μｍ、厚さｄ＝２０μｍの直方体棒状に形成される。支持部１０ｄは、カンチレバー１０ｃと同じ厚さｄ＝２０μｍを有し、例えば幅ｗ２＝１ｃｍ、長さＬ２＝２ｃｍの矩形板状に形成される。上述したカンチレバー１０ｃの一端は、支持部１０ｄの一辺に接続され、カンチレバー１０ｃの固定端となっている。固定端に対向するカンチレバー１０ｃの他の一端は、カンチレバー１０ｃの自由端をなす。
【００２６】
カンチレバー１０ｃの自由端の下面には、探針１０ａが形成されている。探針１０ａは、例えば高さ３０μｍの錐体状をなし、カンチレバー１０ｃの下面から下方に突出するように形成されている。
【００２７】
シリコン基板を用いて一体に形成されたカンチレバー部１０の上面に、さらに厚さ２ｎｍのＣｒ密着層およびＲｈ導電膜がこの順にスパッタされ積層されている。このＲｈ導電膜は、電気的な測定法における電極として用いられる。かかる構造のカンチレバー１０ｃは、例えば３Ｎ／ｍのばね定数を有する。
【００２８】
カンチレバー１０ｃの自由端近傍の上面（即ち、探針１０ａの直上近くの上面）に、反射鏡１０ｂが形成されている。後述するように、本第１実施形態の反射鏡１０ｂは、中央部の低反射領域の外周に同心円状（リング状）に反射面が配置された凹面鏡として形成されている。
【００２９】
再び図１を参照して、カンチレバー部１０は、探針１０ａを下方に向けて、支持部１０ｄ上面を保持台２０の取付面２０ａに密接させて保持台２０に固定される。これにより、カンチレバー１０は、自由端を下方に、固定端を上方に向けて傾斜して保持される。従って、探針１０ａは、試料５０上面に斜め上方から接近するように保持される。
【００３０】
保持台２０に取り付けられたカンチレバー部１０（および探針１０ａ）は、保持台２０が固定されている光学ユニット６０ｃの移動とともに移動する。光学ユニット６０ｃは、ステージ６０ｂによりＸｓ−Ｙｓ面内の移動の粗調整がなされ、この移動により探針１０ａは観測位置に移動される。さらに、光学ユニット６０ｃは、ステージ６０ｂに固設された走査機構６０ｄによりＸｓ軸方向に走査される。この走査により、探針１０ａはＸｓ軸方向に走査される。
【００３１】
次に、本第１実施形態の光学系について説明する。
【００３２】
図１を参照して、本第１実施形態の光学系は、光ビーム投射器３０と、分割型光検出器３５とを具備する。これら光ビーム投射器３０および分割型光検出器３５は、光学ユニット６０ｃ内に所定の配置で収容されている。
【００３３】
光ビーム投射器３０は、光源３１、例えばレーザダイオードから出射される光を投射レンズ系３２（例えば、コリメータ）を通してほぼ平行光の光ビーム３６を形成し、この光ビーム３６を平面鏡３４で反射してカンチレバー１０ｃ上面に形成された反射鏡１０ｂにほぼ垂直方向から投射する。
【００３４】
光源３１および投射レンズ系３２は、Ｙｓ軸およびＺｓ軸方向に位置の微調整可能な調整台３０ａ上に搭載されている。さらに、光源３１および投射レンズ系３２の間に、円形に光を透過するスリット３３が配置されている。
【００３５】
図３は本発明の第１実施形態の光学系を説明するための断面図であり、反射鏡１０ｂに投射された光ビーム３６の反射光ビーム３７が、分割型光検出器３５の検出面３５ａを照射するまでの光路を表している。
【００３６】
図３を参照して、スリット３３は、透光部３３ａと遮光部３３ｂとを有する。透光部３３ａは、光軸を中心とする円形領域からなり光を透過する。透光部３３ａの外側は光を遮光する遮光部３３ｂをなしている。従って、光源３１から放射されスリット３３を通過した光は、断面円形の光ビーム３６に整形される。この光ビーム３６は、投射レンズ系３２および平面鏡３４を介して反射鏡１０ｂに投射される。投射レンズ系３２は、光ビーム３６を集光ないしコリメートすることで、光ビーム３６の発散を防止する。なお、図３では、説明を簡明にするため、投射レンズ系３２および平面鏡３４を省略して描いている。
【００３７】
反射鏡１０ｂは、カンチレバー１０ｃの自由端近傍の上面に設けられ、凹面鏡形状を有する例えば直径２０μｍの凹部として形成される。光源３１に用いられる波長６７０μｍの光を放射する半導体レーザは、通常、直径１０μｍ〜２０μｍ程度のスポット径を有する。このため、反射鏡１０ｂの直径を２０μｍ程度にすることで、反射鏡１０ｂに入射される光ビーム３６のけられを十分小さくすることができる。
【００３８】
反射鏡１０ｂの中心点、即ち反射鏡１０ｂの光軸を中心とする例えば直径１６μｍの円形領域は、低反射率の面からなる低反射率領域１０ｂＬを形成する。また、低反射率領域１０ｂＬの外周に接して、低反射率領域１０ｂＬと同心円のリング状に、高反射率の面からなる高反射率領域１０ｂＨが形成される。従って、反射鏡１０ｂは、中央部分が欠落した、リング形状の鏡面を有する凹面鏡として機能する。これら低反射率領域１０ｂＬおよび高反射率領域１０ｂＨは、それぞれ光反射率の低いまたは高い薄膜を、凹面表面に堆積することで形成することができる。
【００３９】
反射鏡１０ｂに入射された光ビーム３６は、反射鏡１０ｂのリング形状を有する高反射率領域１０ｂＨにより反射され、結像面９１ａ上にスリット３３の透光部３３ａの実像９１を結像する。この実像９１は、リング状の高反射率領域１０ｂＨから反射される反射光ビーム３７により形成されている。このため、高反射率領域１０ｂＨの内周（即ち、低反射率領域１０ｂＬの外周）より中央側からは、反射光ビーム３７の反射はない。従って、低反射率領域１０ｂＬの外周上の点Ｃ、Ｄと、実像９１の外周上の点Ｐ１、Ｐ２とを結んで形成される、頂点Ｐ３を共有する２つの双円錐のうち、頂点Ｐ３より反射鏡１０ｂに近い側の円錐Ｅ（頂点Ｐ３を有し、点Ｃ、Ｄを含む低反射率領域１０ｂＬの外周を通る円錐）の内部には、反射光ビーム３７は入り込まない。なお、図３中の点Ｃ、Ｄは低反射率領域１０ｂＬの直径の両端の点であり、それゆえ頂点Ｐ３は、反射光ビームの光軸３７ｂ（ビームの中心軸）上にある。
【００４０】
分割型光検出器３５は、その検出面３５ａが頂点Ｐ３と反射鏡１０ｂとの間に位置するように配置される。この検出面３５ａは、反射光ビーム３７の光軸３７ｂをｘ軸とし、ｙｚ平面に平行に配置される。
【００４１】
従って、検出面３５ａには、反射光ビーム３７が入り込まない円錐Ｅの内部に位置する領域に光量が少ない暗部９２ｂが形成され、その暗部９２ｂの外側に同心円のリング状に光量が多い明部９２ａが形成される。なお、明部９２ａの外周は反射光ビーム３７の外周に等しい。
【００４２】
なお、上述した本第１実施形態では透光部３３ａの実像９１が結像する光学系を用いたが、スリット３３を用いず、他の対象、例えば光源３１とされた半導体レーザの出射面を結像してもよい。
【００４３】
図１を参照して、昇降機構４０ｃ上面に載置された試料５０は、昇降機構４０ｃにより試料５０上面が探針１０ａに接触するまで上昇される。そして、走査機構６０ｄにより駆動されたカンチレバー部１０の移動に従い、試料５０表面は探針１０ａによりＸｓ軸に平行に走査される。その際に生ずる探針１０ａの上下動は、反射光ビーム３７のｚ軸方向の移動量として、分割型光検知器３５により検出される。
【００４４】
ビーム３７の移動量の検出方法について説明する。
【００４５】
図４は本発明の第１実施形態の分割型光検出器３５を説明する平面図であり、分割型光検出器３５の検出面３５ａと、反射光ビーム３７の位置を検出するための回路を表している。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）はそれぞれ２分割型および４分割型の分割型光検出器３５を用いた場合を表している。
【００４６】
図４（ａ）を参照して、第１実施形態に用いられた分割型光検出器３５は、上下に（ｚ軸方向に）２分割された検出面３５ａを有する。即ち、検出面３５ａは、水平な（ｙ軸に平行な）分割線Ｌｈを境として、上方に位置する分割面３５ｕと、その下方に位置する分割面３５ｄとに２分されている。
【００４７】
反射光ビーム３７は、検出面３５ａに入射して、円形の暗部９２ｂとその周囲に同心円をなす明部９２ａとからなるリング状の照射パターン９２を形成する。既述のように、探針１０ａの上下動は、反射光ビーム３７のｚ軸方向の移動、即ち照射パターン９２のｚ軸方向への移動として検出される。
【００４８】
照射パターン９２の移動は、照射パターン９２により照射される分割面３５ｕ、３５ｄからの光検出信号Ｖｕおよび光検出信号Ｖｄの差分として検知することができる。減算回路５５は分割面３５ｕ、３５ｄの光検出信号Ｖｕ、Ｖｄが入力され、その差分を出力する。また、加算回路５６は、光検出信号Ｖｕ、Ｖｄが入力され、その和を出力する。この加算回路５６の出力は、反射光ビーム３７の光強度の変動を表している。除算回路５７は、減算回路５５の出力を加算回路５６の出力で除することにより、反射光ビーム３７の光強度の変動の影響を排除する。これらの減算、加算および除算回路５５、５６、５７は、照射パターン９２の検出面３５ａ上のｚ軸方向への移動量を検出する信号を出力する演算回路５８を構成する。
【００４９】
図４（ｂ）を参照して、４分割型の分割型光検出器３５を用いることもできる。この場合、照射パターン９２の上下（ｚ軸方向）の移動の検出の他、左右（ｙ軸方向）の移動をも検出することができ、光学系の調整が容易になる。４分割型の分割型光検出器３５は、検出面３５ａが水平および垂直な分割線Ｌｈ、Ｌｖを境に上下左右に４分されている。そして、上方の２つの分割面３５ｕｌ、３５ｕｒの出力の和が光検出信号Ｖｕとして出力される。また、下方の２つの分割面３５ｄｌ、３５ｄｒの出力の和が光検出信号Ｖｄとして出力される。さらに、左方の２つの分割面３５ｕｌ、３５ｄｌの出力の和が光検出信号Ｖｌとして出力される。また、右方の２つの分割面３５ｕｒ、３５ｄｒの出力の和が光検出信号Ｖｒとして出力される。光検出信号Ｖｕ、Ｖｄは、上述した２分割型の場合と同様に処理され、反射光パターン９２の上下方向の移動量の検知に用いられる。また、光検出信号Ｖｌ、Ｖｒは、光検出信号Ｖｕ、Ｖｄと同様に処理されて、反射光パターン９２の左右方向の移動の検知に用いられる。
【００５０】
図５は検出面３５ａ内の照射パターンの移動を表す平面図であり、探針１０ａの上下動に基づく反射光ビーム３７の移動に伴い、照射パターン９２が検出面３５ａ内を移動する様子を表している。
【００５１】
図５（ａ）を参照して、探針１０ａがＺｓ軸方向に押し上げられて高い位置にあるとき、照射パターン９２は上方の分割面３５ｕの上方（ｚ軸方向）に照射される。探針１０ａが下方に降下するにつれ、照射パターン９２は検出面３５ａ内を下方（−ｚ軸方向）に移動し、図５（ａ）から図５（ｇ）に至る経緯を経て、下方の分割面３５ｄの下方に移動する。
【００５２】
図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、照射パターン９２が上方の分割面３５ｕ側に位置するときは、分割面３５ｕの光検出信号Ｖｕは下方の分割面３５ｄの光検出信号Ｖｄより大きく、その差ΔＶ＝Ｖｕ−Ｖｄは正になる。逆に、図５（ｅ）〜図５（ｇ）に示すように、照射パターン９２が下方の分割面３５ｄ側に位置するときは、差ΔＶ＝Ｖｕ−Ｖｄは負になる。そして、図５（ｄ）に示すように、照射パターン９２の中心が分割線Ｌｈ上にあるとき、照射パターン９２が照射する面積は、分割面３５ｕと分割面３５ｄとで等しくなり、差ΔＶ＝Ｖｕ−Ｖｄは零となる。このように、差ΔＶを観測することで、照射パターン９２のｚ方向の位置ないし移動量、ひいては、探針１０ａの上下動を観測することができる。
【００５３】
図５（ｃ）〜図５（ｅ）を参照して、照射パターン９２が分割線Ｌｈにかかる位置では、照射パターン９２の移動とともに差ΔＶは変化する。従って、照射パターン９２の移動を検出することができる。しかし、図５（ａ）〜図５（ｂ）および図５（ｆ）〜図５（ｇ）を参照して、照射パターン９２が完全に上下何れかの分割面３５ｕ、３５ｄ内に入ってしまうと、差ΔＶは最大または最小値をとり照射パターン９２が移動しても変化しない。即ち、差ΔＶが飽和してしまう。この飽和した状態は、照射パターン９２の移動を検知することができない状態であり、検出感度の不感帯を形成する。
【００５４】
このような不感帯が生ずる範囲（動作レンジ）は、照射パターン９２の径が小さいほど大きくなる。従って、照射パターン９２の径を大きくすることが、不感帯を狭くして広い動作レンジを確保するために好ましい。他方、後述するように、従来の円形の照射パターンを用いた場合、照射パターン９２の移動を検知する感度が低下してしまう。このように、従来の円形の照射パターンを用いた場合は、動作レンジの広さと感度とはトレードオフの関係にある。本第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００は、かかるトレードオフの関係を打破し、広い動作レンジと高い感度とを併せ持つことができる。
【００５５】
まず照射パターン９２の移動の検出感度について説明する。
【００５６】
図６は本発明の第１実施形態における検出感度を説明するための平面図であり、検出面３５ａ上の照射パターン９２の位置と光検出信号との関係を表している。なお、図６（ａ）は分割線Ｌｈが照射パターン９２の明部９２ａを過り、一方、分割線Ｌｈが暗部９２ｂにかかっていない位置に照射パターン９２がある状態を表している。また、図６（ｂ）は分割線Ｌｈが照射パターン９２の明部９２ａおよび暗部９２ｂを過る位置に照射パターン９２がある状態を表している。説明を簡明にするため、以下、明部９２ａの光強度分布は一様であるとして説明する。本第１実施形態の光学系では、明部９２ａに半影に起因する半径方向の光強度分布が生ずる。しかし、以下に述べる感度の考察において、かかる半影響の影響を考慮しても、定性的な結論は変更されない。
【００５７】
図４及び図６を参照して、上方の分割面３５ｕから出力される光検出信号Ｖｕと下方の分割面３５ｄから出力される光検出信号Ｖｄは、それぞれ、分割面３５ｕおよび分割面３５ｄを照射する照射パターン９２の面積に比例する。通常は、暗部９２ｂの光量は無視し得るので、光検出信号Ｖｄは明部９２ａの面積に比例するとしてよい。即ち、光検出信号Ｖｕは、分割面３５ｕを照射する明部の面積Ａｕに比例し、Ｖｕ＝κＡｕと表される。また、光検出信号Ｖｄは、分割面３５ｄを照射する明部の面積Ａｄに比例し、Ｖｄ＝κＡｄと表される。ここで、κは分轄型光検出器３５の変換効率である。
【００５８】
従って、差ΔＶは、
ΔＶ＝κ（Ａｕ−Ａｄ）＝κ（２Ａｕ−Ａｏ）          （１）
となる。ここで、Ａｏは、明部９２ａの全面積Ａｏ＝Ａｕ＋Ａｄである。
【００５９】
照射パターン９２の移動の検出感度Ｓは、光スポットのｚ方向（検出面３５ａの上下方向）への移動距離に対する差ΔＶの変化率
Ｓ＝ｄΔＶ／ｄｚ          （２）
として与えられる。１式を２式に代入して、
Ｓ＝２κ×ｄＡｕ／ｄｚ          （３）
を得る。
【００６０】
図６を参照して、照射パターン９２の中心Ｏと分割線Ｌｈとの距離を距離ｚとし、明部９２ａ内を過る分轄線Ｌｈの長さを長さＬ（ｚ）とすると、上方の分轄面３５ｕに重畳する明部９２ａの面積Ａｕは、Ａｕ＝∫r1,z Ｌ（ｚ）ｄｚと算出される。ここで、∫r1,zｄｚは、ｚ＝ｒ１からｚまでのｚ方向の積分である。また、ｒ１は明部９２ａの外周（即ち、照射パターン９２の外周）の半径ｒ１である。なお、本明細書では、明部９２ａの内周（即ち、暗部９２ｂの外周）の半径を半径ｒ２とする。
【００６１】
従って、３式は、
Ｓ＝２κ×Ｌ（ｚ）        （４）
と変形される。
【００６２】
なお、Ｌ（ｚ）は、図６（ａ）を参照して、分轄線Ｌｈと中心Ｏとの距離ｚが、ｒ２＜＝ｚ＜＝ｒ１のとき、分轄線Ｌｈと明部９２ａの外周との交点ｃ１’、ｃ１を結ぶ直線ｃ１’−ｃ１の長さとなる。また、図６（ｂ）を参照して、距離ｚが０＜＝ｚ＜＝ｒ２のとき、分轄線Ｌｈと明部９２ａの外周との交点ｃ１’、ｃ１と、明部９２ａの内周との交点ｃ２’、ｃ２とをそれぞれ結ぶ２本の直線、即ち直線ｃ１’−ｃ２’および直線ｃ１−ｃ２の長さの和となる。
【００６３】
他方、実用上は、４式で表される感度Ｓよりも、分轄型光検出器３５の出力（光検出信号）およびその出力を増幅、演算する減算、加算、除算回路５５〜５７の非直線性に起因する分解能の劣化が重要となることが多い。このため、１式で表される差ΔＶの最大値Ｖｍａｘにより規格化された感度Ｓｎ、
Ｓｎ＝Ｓ／Ｖｍａｘ＝２Ｌ（ｚ）／Ａｏ      （５）
がより重要とされる。なお、Ｖｍａｘ＝κ×Ａｏを用いた。
【００６４】
以下、規格化された感度Ｓｎについて説明する。
【００６５】
初めに、図６（ａ）を参照して、ｒ２＜＝｜ｚ｜＜＝ｒ１の場合、分割線Ｌｈはリング状の明部９２の外周円と内周円との間に延在する。このとき、直線Ｃ１’−Ｃ１の長さＬ（ｚ）は、
Ｌ（ｚ）＝２√（ｒ１２ −ｚ2 ）          （６）
であるから、６式を５式に代入して、
Ｓｎ＝４√（ｒ１2 −ｚ2 ）／Ａｏ
＝４×ｒ１×√（１−＜ｚ＞2 ）／Ａｏ        （７）
を得る。ここで、＜ｚ＞＝ｚ／ｒ１である。
【００６６】
次に、図１（ｂ）を参照して、｜ｚ｜＜＝ｒ２の場合、分割線Ｌｈが明部９２ａの内周円を過る。このとき、直線Ｃ１’−Ｃ２および直線Ｃ２’−Ｃ１の長さの和である長さＬ（ｚ）は、
Ｌ（ｚ）＝２×２×｛√（ｒ１２ −ｚ2 ）−√（ｒ２2 −ｚ2 ）｝＝
＝４×ｒ１×｛√（１−＜ｚ＞2 ）−√（α2 −＜ｚ＞2 ）｝    （６’）
となる。ここで、α＝ｒ２／ｒ１である。６’式を５式に代入して、
Ｓｎ＝４×ｒ１×｛√（１−＜ｚ＞2 ）−√（α2 −＜ｚ＞2 ）｝／Ａｏ  （７’）
を得る。
【００６７】
なお、リング状光スポットの全面積Ａｏは、リングの外周円板の面積からリング
の内周円板の面積の差、Ａｏ＝πｒ１2 −πｒ２2 として算出される。従って、７式および７’式は、それそれ、以下の８式および８’式として表される。
【００６８】
Ｓｎ＝［４／｛π×（１−α2 ）｝］×√（１−＜ｚ＞2 ）      （８）
Ｓｎ＝［４／｛π×ｒ１×（１−α2 ）｝］×
×｛√（１−＜ｚ＞2 ）−√（α2 −＜ｚ＞2 ）｝    （８’）
他方、従来の円板状の照射パターンでは、Ａｏ＝π×ｒ１2 を用いて、規格化された感度Ｓｎ”は、
Ｓｎ”＝４×ｒ１×√（１−＜ｚ＞2 ）／Ａｏ”＝
＝４×√（１−＜ｚ＞2 ）／πｒ１            （９）
と表される。
【００６９】
式８および式８’中の＜ｚ＞の範囲は０からαの間であり、＜ｚ＞＝αにおいて規格化された感度Ｓｎは最大値ＳｎＭＡＸを有する。言い換えれば、分轄線Ｌｈが明部９２ａの内周円に接する位置で、感度が最大になる。他方、９式を参照して、従来の円板状の照射パターンでは、感度Ｓｎ”はｚ＝０において最大感度Ｓｎ”ＭＡＸ＝４／（πｒ１）を有する。
【００７０】
８式及び８’式にＳｎ”ＭＡＸ＝４／（πｒ１）を代入して、８式及び８’式はそれぞれ、
Ｓｎ＝｛Ｓｎ”MAX ／（１−α2）｝×
×｛√（１−＜ｚ＞2）−√（α2−＜ｚ＞2）｝    （１０）
Ｓｎ＝｛Ｓｎ”MAX ／（１−α2 ）｝×√（１−＜ｚ＞2）    （１０’）
と変形される。この１０式および１０’式は、本発明の照射パターン９２で得られる感度を、従来の円板状の照射パターンで得られる感度の最大値と比較するものである。
【００７１】
図７は本発明の第１実施形態における検出感度曲線を表す図であり、１０式および１０’式を用いて算出された規格化された感度Ｓｎの照射パターン位置依存性を表している。なお、照射パターン位置は、照射パターン９２の中心Ｏと分轄線Ｌｈとの距離ｚを、照射パターン９２の半径ｒ１で規格化して表している。また、曲線９５ａ〜９５ｄはそれぞれα＝０．５、０．６、０．７、０．８の場合の感度Ｓｎを表し、曲線９６は従来例として、従来の円板状の照射パターンのときの感度Ｓｎを表している。
【００７２】
図７を参照して、本発明の第１実施形態の照射パターン９２では、規格化された感度Ｓｎは、距離ｚ＝０（照射パターン９２の中心Ｏが分轄線Ｌｈ上に位置する）において、従来の円板状の照射パターンの最大感度Ｓｎ”ＭａＸ（図７中の規格化された感度が１．０の感度）の６割程度であり、従来例の円板状の照射パターンよりも感度が低い。
【００７３】
距離ｚが増加するにつれ（中心Ｏと分轄線Ｌｈとの距離が離れるにつれ）、規格化された感度Ｓｎは緩やかに増加し、ｚ＝αとなる点の（下向きの矢印で示す点）の近傍で急激に増加する。そして、感度Ｓｎは、ｚ＝αで最大値ＳｎＭＡＸをとり、その後は再び減少する。なお、曲線９６を参照して、従来の円板状の照射パターンでは、感度Ｓｎ”はｚの増加ともに一様に減少する。
【００７４】
この規格化された感度Ｓｎの最大値ＳｎＭＡＸは、曲線９５ａ〜９５ｄを参照して、１．０より大きく、従来例の同じ半径ｒ１を有する円板状の照射パターンの最大感度Ｓｎ”ＭａＸより大きいことを示している。本第１実施形態では、探針１０ａによる試料５０表面の走査の際に、感度Ｓｎが１．０より大きくなる範囲に距離ｚがあるように、好ましくは距離ｚがよりα近傍にあるように、照射パターン９２と検出面３５ａの位置を調整する。これにより、観測中の探針１０ａの上下動を、従来例より高感度で測定することができる。
【００７５】
感度の最大値ＳｎＭＡＸは、αが大きいほど大きく、例えばα＝０．８ではＳｎＭＡＸ＝１．６６と従来例より６６％程度増加する。しかし、α＝０．７ではＳｎＭＡＸ＝１．４０、α＝０．６ではＳｎＭＡＸ＝１．２５とαの減少とともに小さくなり、α＝０．５ではＳｎＭＡＸ＝１．１５と従来例に比べて１５％の増加に留まる。従って、感度向上の観点からは、αを大きくすることが好ましい。一方、αが大きいと．感度のｚ依存性が急峻になる、あるいは明部９２ａが細く光学系の構成が困難になるという問題を生ずる。従って、αは好ましくは０．８５〜０．６５、感度の点からより好ましくは０．８±０．５とすることが望ましい。
【００７６】
図８は本発明の第１実施形態の演算回路出力の照射パターン位置依存性を表す図である。演算回路５８の出力は、図５（ａ）〜図５（ｂ）又は図５（ｆ）〜図５（ｇ）に示す飽和状態における出力の絶対値により規格化している。なお、曲線９７および曲線９８は、それぞれ本発明の第１実施形態および円板状照射パターンを用いた従来例を表している。
【００７７】
図８を参照して、本第１実施形態では、照射パターン９２が分轄線Ｌｈから外れる位置（↑で示す位置）より内側（Ｚ＝０の側）の範囲では、演算回路５８の出力はＳ字型のカーブで増加する。そして、その範囲外では飽和して一定値を出力する。照射パターン９２の移動の検出は、このＳ字型のカーブを描くｚの範囲内でのみ検出することができる。また、移動の検出感度は、演算回路５８の出力の傾斜として与えられる。
【００７８】
本第１実施形態の出力（曲線９７）は、従来例の出力（曲線９８）に比べ、ｚ＝０近傍９９ａでは傾き（出力の増加）が緩やかになっている。そして、Ｓ字カーブの両端近傍の領域９９ｂ（より正確にはｚ＝αの近く）では傾きが急峻になっている。このように、ｚ＝０近傍の領域９９ａでの傾きが小さいので、演算回路５８の出力の動作範囲を広くとることができる。他方、両端近傍の領域９９ｂの狭い範囲では傾きが大きいので、高い感度が実現される。従って、高い感度と広い動作範囲とが実現される。なお、高感度を必要とする観測は、この両端近傍の領域９９ｂで行うことが望ましい。
【００７９】
次に、本題１実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００を原子間力顕微鏡として用い、試料５０表面の形状を観測する工程を説明する。
【００８０】
図９は本発明の第１実施形態のフォースカーブを表す図であり、観測の最初の工程で測定されたフォースカーブを模式的に表している。図１０は本発明の第１実施形態の試料位置を表す図であり、図９に示すフォースカーブの取得過程における試料５０の高さを表している。なお、図９および図１０中に示す３桁の数値は、工程番号を表している。また、ビーム移動量は、照射パターン９２が検出面３５ａ上をｚ軸方向に移動した量（移動量）の観測値である。
【００８１】
図９の工程１２１および図１０（ａ）を参照して、初めに、基台４０上面に載置された試料５０を、ステージ４０ｂおよび昇降機構４０ｃを用いて上昇し、試料５０上面を探針１０ａの近くに位置するように保持する。この工程１２１では、試料５０と探針１０ａとは接触していない。従って、カンチレバー１０ｃは自重により撓むのみで、撓みに起因するカンチレバー１０ｃの傾きは小さく無視することができる。図１０中の破線８０は、この工程１２１における探針１０ａの先端の水準位置を示している。
【００８２】
この工程１２１の試料５０位置で、図１を参照して、光ビーム３６の位置と方位、および分割型光検出器３５の位置を調整する。具体的には、まず、光学顕微鏡の観察下で、光ビーム３６が反射鏡１０ｂの中心を照射するように、光源３１、投射レンズ系３２およびスリット３３を搭載する調整台３０ａを、Ｚｓ軸方向およびＹｓ軸方向に移動する。ついで、平面鏡３４を、Ｙｓ軸を回転軸とする回転、および平面鏡３４面内にありＹｓ軸に垂直な回転軸の廻りの回転を用いて、反射光ビーム３７の中心Ｏが検出面３５ａの中心に位置するように調整する。反射光ビーム３７の中心Ｏが検出面３５ａの中心に位置したことは、演算回路５８の出力が零になることで確認される。さらに、反射光ビーム３７が最大強度になるように、反射光ビーム３７および平面鏡３５ａの調整を交互に反復する。
【００８３】
ついで、図９の工程１２２〜工程１２３および図１０（ｂ）〜（ｃ）を参照して、ステージ４０ｂおよび昇降機構４０ｃを用いて試料５０を上昇し、試料５０の上面を探針１０ａに接触させる。工程１２２では、探針１０ａが試料５０上面に未だ接触しておらず、従って、ビーム移動量は初期状態（工程１２１）のまま留まる。工程１２２の後、例えば精密な昇降量の調整可能な昇降機構４０ｃを用いて、探針１０ａを試料５０上面に接触させる。このとき、探針１０ａの上昇量は僅かで、観測されるビーム移動量は小さい。
【００８４】
ついで、図９の工程１２４〜工程１２５および図１０（ｄ）〜（ｅ）を参照して、試料５０をさらに上昇し、試料５０上面が探針１０ａを押し上げ、カンチレバー１０ｃの自由端が上方に反る位置、即ち、観測されるビーム移動量が十分大きい位置に試料を保持する。この工程１２５の試料５０位置は、少なくとも試料５０表面の観測がなされるべき位置（工程１２４における位置）より高く設定される。
【００８５】
ついで、図９の工程１２６〜工程１２９および図１０（ｄ）、（ｃ）、（ｆ）を参照して、前記の工程１２５後、試料５０を降下する。試料５０の降下に伴い、ビーム移動量は、工程１２３〜工程１２５の軌跡を逆に辿り減少する。そして、工程１２８〜工程１２９を参照して、試料５０の上昇過程では最初に探針１０ａと試料５０とが接触した工程１２３の位置より試料５０位置が低下しても、探針１０ａは試料５０上面から離脱せず、試料５０の降下とともに試料５０に引きずられて降下する。
【００８６】
ついで、図９の工程１２９〜工程１３１および図１０（ｆ）、（ｂ）、（ａ）を参照して、工程１２９の位置よりさらに試料５０が降下すると、探針１０ａが試料５０上面から離脱する。その結果、カンチレバー１０ｃの撓みおよび探針１０ａの位置は、工程１２１の初期状態に回復し、ビーム移動量も初期設定の置（演算回路５８の出力が零）に戻る。この工程を経て、フォースカーブが取得される。
【００８７】
ついで、試料５０を観測位置、試料５０上面が探針１０ａを押し上げ、ビーム移動量が所定量になる位置、例えば工程１２４に示す位置まで上昇し保持する。ついで、分割型光検出器３５をｚ軸方向に移動調整し、分割型光検出器３５の感度が最高感度となる位置、ないしその近傍の位置に照射パターン９２が位置するように、分割型光検出器３５と照射パターン９２との相対位置を調整する。
【００８８】
この調整は、図８を参照して、演算回路５８の出力が照射パターン９２位置により大きく変化する領域９９ｂに入るように、分割型光検出器３５の位置あるいは平面鏡３４のＹｓ軸廻りの回転を調整することでなされる。さらには、探針１０ａと試料５０間に交流電圧を印加し、演算回路５８の交流出力が極大となるように、ないし極大の近傍になるように、分割型光検出器３５あるいは平面鏡３４を調整してもよい。
【００８９】
この調整において、演算回路５８の出力が飽和しては、分割型光検出器３５と照射パターン９２との位置関係が不明になり、最大感度位置への調整が難しくなる。本第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、光てこに用いられる照射パターン９２の直径を大きくしても、高い感度が保持される。このため、大きな径の照射パターン９２を用いて作動範囲を大きくできるので、調整が容易になる。
【００９０】
ついで、走査機構６０ｄにより探針１０ａをＸｓ軸方向に走査することで、原子間力顕微鏡として、試料５０上面の例えば凹凸形状を観測することができる。本第１実施形態によれば、高い感度と広い作動範囲を有し、高感度かつ調整容易な走査型プローブ顕微鏡１００を提出できる。
【００９１】
本発明の第２実施形態は、全面が鏡面をなす凹面鏡を反射鏡として用いた走査型プローブ顕微鏡１０１に関する。
【００９２】
図１１は本発明の第２実施形態の光学系を説明するための断面図であり、反射鏡１０ｂに投射された光ビーム３６の反射光ビーム３７が、分割型光検出器３５の検出面３５ａを照射するまでの光路を表している。
【００９３】
図１および図１１を参照して、本発明の第２実施形態の走査型プローブ顕微鏡１０１は、反射鏡１０ｂ、スリット３３および検出面３５ａ位置を除き、第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様に構成されている。
【００９４】
本発明の第２実施形態では、カンチレバー１０ｃの自由端近傍の上面に設けられる反射鏡１０ｂが、例えば直径２０μｍの凹面鏡から構成されている。この反射鏡１０ｂは、全面が高反射率領域で構成される。この点で、高反射率領域１０ｂＨがリング状に設けられる第１実施形態の反射鏡１０ｂとは異なる。
【００９５】
また、スリット３３は、光が透過するリング状の透光部３３ａを有し、透光部３３ａのリングの内側および外側は光を遮蔽する遮光部３３ｂとなっている。なお、本第２実施形態では、スリット３３の配置位置は、第１実施形態と同様である。
【００９６】
光源３１から出射された光は、スリット３３を通過して光ビーム３６となり、反射鏡１０ｂに入射する。この光ビーム３６は反射鏡１０ｂにより反射され、この反射された反射光３７が、結像面９１ａにスリット３３の実像、即ち透光部３３ａの実像９１を結像する。本第２実施形態では、この結像面９１ａの位置に、分割型光検出器３５の検出面３５ａが配置される。従って、検出面３５ａには、リング状の透光部３３ａの実像９１が、図４に示した本第１実施形態の照射パターンと同様に、リング状の明部９２ａとして投影される。このため、本第２実施形態の走査型プローブ顕微鏡１０１は、第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様に、高い感度と広い作動範囲を有し、高感度かつ調整容易である。
【００９７】
本発明の第３実施形態は、平面鏡を反射鏡として用いた走査型プローブ顕微鏡１０２に関する。
【００９８】
図１２は本発明の第３実施形態の光学系を説明するための断面図であり、反射鏡１０ｂに投射された光ビーム３６の反射光ビーム３７が、分割型光検出器３５の検出面３５ａを照射するまでの光路を表している。
【００９９】
図１および図１２を参照して、本発明の第３実施形態の走査型プローブ顕微鏡１０２は、反射鏡１０ｂが平面鏡であること、コリメータ３２ａおよび結像器３８を備える他は、第２実施形態の走査型プローブ顕微鏡１０１と同様に構成される。
【０１００】
本発明の第３実施形態では、カンチレバー１０ｃの自由端近傍の上面に設けられる反射鏡１０ｂは、例えば直径４０μｍの平面鏡から構成されている。この反射鏡１０ｂは、全面が高反射率領域で構成される。
【０１０１】
スリット３３は、光が透過するリング状の透光部３３ａを有し、透光部３３ａのリングの内側および外側は光を遮蔽する遮光部３３ｂとなっている点、スリット３３の配置位置を含めて、第1実施形態と同様である。
【０１０２】
本発明の第３実施形態のコリメータ３２ａは、光源３１から出射されスリット３３を通過した光をほぼ平行光線からなる光ビーム３６に形成する光学系で、第１実施形態の投射レンズ系３２に代えて用いられる。光ビーム３６は、反射鏡１０ｂに入射され、ほぼ平行ビームからなる反射光ビーム３７として反射される。
【０１０３】
結像器３８は、分割型光検出器３５の前方（下方）に配置され、入射された反射光ビーム３７を集光し、結像面９１ａ上にスリット３３の実像９１、即ち透光部３３ａの実像を結像する。
【０１０４】
本第３実施形態では、この結像面９１ａの位置に、分割型光検出器３５の検出面３５ａが配置される。従って、検出面３５ａには、リング状の透光部３３ａの実像９１が、図４に示した本第１実施形態の照射パターンと同様に、リング状の明部９２ａとして投影される。このため、本第３実施形態の走査型プローブ顕微鏡１０１は、第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００と同様に、高い感度と広い作動範囲を有し、高感度かつ調整容易である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０  カンチレバー部
１０ａ  探針
１０ｂ  反射鏡
１０ｂＨ  高反射率領域
１０ｂＬ  低反射率領域
１０ｃ  カンチレバー
１０ｄ  支持部
２０  保持台
２０ａ  取付面
３０  光ビーム投射器
３０ａ  調整台
３１  光源
３２  投射レンズ系
３２ａ  コリメータ
３３  スリット
３３ａ  透光部
３３ｂ  遮光部
３４  平面鏡
３５  分割型光検出器
３５ａ  検出面
Ｌｈ  分割線
３５ｕ、３５ｄ、３５ｕｌ、３５ｕｒ、３５ｄｌ、３５ｄｒ  分割面
３６  光ビーム
３７  反射光ビーム
３７ｂ  光軸
３８  結像器
４０  基台
４０ａ  基台台座
４０ｂ  ステージ
４０ｃ  昇降機構
５０  試料
５５  減算回路
５６  加算回路
５７  除算回路
５８  演算回路
６０  カンチレバー制御ユニット
６０ａ  上台
６０ｂ  ステージ
６０ｃ  光学ユニット
６０ｄ  走査機構
９１  実像
９１ａ  結像面
９２  照射パターン
９２ａ  明部
９２ｂ  暗部
１００、１０１、１０２  走査型プローブ顕微鏡
【図１】
2014025730.tif 000003
【図２】
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【図３】
2014025730.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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