(57)【要約】【課題】  限られたスペースに配置可能な小型の振動子で、カンチレバーに大きな振幅を与え、液体中などの粘性抵抗の高い環境下でも安定的に動作するカンチレバーホルダを有する走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】  走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの固定部５にカンチレバー６のカンチレバー基部６ｂを固定し、固定部５に振動子４を取付け、カンチレバーの長手方向に沿って探針６ａに近い側を前記固定部の前側、支持部６ｂに近い側を後側と規定した場合に、カンチレバーホルダの固定部の前側と後側を振動子４によりサンプル表面と垂直な面内で互いに逆方向に変位させて液中でカンチレバー６を振動させるようにした。【選択図】    図５
2006091002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に探針を有するカンチレバーと、
該カンチレバーの基部を固定するためのカンチレバー固定部と、
前記カンチレバー固定部に固定され、かつ、前記カンチレバー固定部を介して前記カンチレバーを振動させるための振動子と、
前記カンチレバー固定部と前記振動子を保持するベースブロックとからなる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダであって、
前記探針の先端をサンプル表面に対向させて配置し、前記カンチレバーの基部上で、前記カンチレバーの長軸に略直交し、かつ前記サンプル表面と平行な方向に回転中心軸を設け、前記振動子により前記カンチレバーの基部を加振して、前記回転中心軸を中心に前記カンチレバーの基部を揺動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
【請求項２】
前記振動子において、前記カンチレバーの長手方向に沿って前記探針に近い側を前記振動子の前側、遠い側を後側と規定した場合に、
前記振動子の前側と後側はサンプル表面と垂直な面内で互いに逆方向に変位しながら振動することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
【請求項３】
前記振動子が、圧電素子により構成されていること
特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
【請求項４】
前記振動子が、前記振動子の前側と後側に個別の圧電素子で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
【請求項５】
前記振動子が、一体の圧電素子で構成され、前記振動子の前側と後ろ側でポーリング方向が逆向きであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
【請求項６】
前記ベースブロックに、前記回転中心軸を支持する支持部を設け、カンチレバーの基部の一部を前記振動子によりサンプル表面と垂直な面内で振動させ、前記支持部を中心にカンチレバー基部を揺動させることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
【請求項７】
前記振動子が、圧電素子により構成されていることを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
【請求項８】
前記カンチレバーが光ファイバーを先鋭化し、光ファイバーの長軸に対して先端を湾曲させた走査型近接場顕微鏡用プローブであることを特徴とする請求項１乃至請求項7のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダ。
【請求項９】
サンプルを載置するサンプルホルダと、前記サンプルに近接又は接触させるカンチレバーと、該カンチレバーを載置するカンチレバーホルダと、前記サンプルと前記カンチレバーを相対的に移動させる３軸微動機構を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、
前記カンチレバーホルダが、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダであること特徴とする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、先端に探針を有するカンチレバーをサンプル表面と垂直な方向に加振して、探針と表面間に働く相互作用を検出して距離制御を行いながら、サンプルと探針を微動機構により相対的にスキャンし、サンプルの表面の凹凸や物理特性の測定や、サンプル表面の加工、あるいは、探針によりサンプル表面の物質の移動などを行うための走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーホルダおよびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の走査型プローブ顕微鏡は、先端に探針を有するカンチレバーの末端の基部をカンチレバーホルダに固定し、圧電素子などの加振手段によりカンチレバーの共振周波数近傍の周波数で強制振動させ、そのときの振幅や位相を光てこ法などの変位検出手段で計測する。またサンプルは円筒型圧電素子などにより構成される３軸微動機構上に載置される。
【０００３】
サンプルを粗動機構により探針に近接させた後、さらに３軸微動機構により探針とサンプル間を充分に接近させると、サンプルと探針間には、原子間力などの物理的な力が作用し、さらに近接していくとサンプルと探針がカンチレバーの振動に対応して間欠的に接触し、両者に接触力が作用する。この原子間力や接触力により、カンチレバーの振幅や位相が変化する。
【０００４】
この原子間力などの物理的な力や間欠的な接触力は、探針とサンプル間の距離に依存し、探針とサンプルを原子間力や接触力が作用する領域内に近接させて、３軸微動機構により２次元平面内で走査させながら、カンチレバーの振幅や位相が常に一定になるように、サンプルと探針間の距離を制御することにより、サンプル表面の凹凸像が画像化される。また、このとき探針先端とサンプル表面での物理的な作用を検出することにより、電気的物性や光学的物性などの物理特性の測定も可能である。多くの走査型プローブ顕微鏡の測定は大気中で行われるが、例えば細胞や染色体、ＤＮＡ、たんぱく質などのバイオ系サンプルの場合には、大気下にさらすとサンプルが変質してしまうため、培養液などの溶液中でカンチレバーを振動させながら測定を行う場合もある。
【０００５】
ここで、図９を参照し、従来技術の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この従来技術では、振動子１０２に交流信号を印加してカンチレバー１０１をサンプル１０３に対して上下方向に強制振動させ、カンチレバー１０１は共振周波数近傍の周波数で駆動される。このときカンチレバーの振動の振幅量はたわみ検出器１０４で検出される。このたわみ検出器１０４としては一般的に半導体レーザを用いた光てこ方式の変位計が用いられる。カンチレバー１０１の先端にある探針１０１ａが表面から充分に遠く離れているときには、カンチレバー１０１は一定の振幅で振動し、たわみ検出器１０４によりカンチレバー１０１の振動に対応した交流信号が検出される。たわみ検出器１０４で検出された交流信号は、ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ：二乗平均根）検出器１０５により交流たわみ検出器信号の二乗平均根値として測定される。
【０００７】
探針先端１０１ａをサンプル１０３の表面に近づけると、一般に探針１０１ａとサンプル１０３間に原子間力が働き、さらに近接していくとサンプルと探針がカンチレバーの振動に対応して間欠的に接触し、両者に接触力が作用する。これらの原子間力や間欠的な接触力により振幅が減衰する。この減衰後のある振幅値を目標値として設定することにより、探針１０１ａとサンプル１０３間の距離制御が可能となる。Ｚ並進制御器１０６とフィードバック制御系１０７によりＸＹＺ並進装置１０８を駆動して、探針１０１ａとサンプル１０３間（Ｚ方向）の距離制御を行いながら、ＸＹ走査制御部１０９でＸＹＺ並進装置１０８をサンプル１０３の面内（ＸＹ方向）に走査することにより、サンプル１０３の表面の３次元画像を生成することができる。また、図１０に示したような溶液中で駆動させる走査型プローブ顕微鏡は、液体中の生物サンプルや有機薄膜サンプル等の観察することに利用されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３２６６２６７号公報（第１３頁、図３）
【特許文献２】特許第２９３６３１１号公報（第１３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、強制振動しているカンチレバーの周囲には、大気中では空気などの気体が、液体中では溶液が存在し、粘性抵抗としてカンチレバーの振動を阻害しカンチレバーの振動振幅や位相の変化を引き起こす。本来、サンプルを測定するための振動状態の変化は、探針とサンプル間が近接した場合に作用する原子間力や間欠的な接触力による振動変化が必要であり、粘性抵抗による振動状態の変化は不必要なものであり、測定の精度などの性能が低下する要因となる。特に、溶液中では粘性抵抗が大きく、著しく振動が減衰し、カンチレバーの振動のうちノイズ成分の割合が多くなり、サンプル測定のために必要な安定した振幅が得られないという課題があった。
【０００９】
これを解決するためには、粘性抵抗に対しても安定した振幅が得られるように、カンチレバーを強制振動させる振動子の振幅を大きくする必要がある。
【００１０】
一般的に使用されている圧電素子などのカンチレバーを強制振幅させる振動子では、カンチレバーの振幅を大きくするためには、振動子自体の寸法を大きくする必要がある。しかし、振動子の周辺には、光てこ方法などのカンチレバーの振幅や位相の変位計測手段などが配置され、スペースが限られ、振動子の大型化には限度がある。
【００１１】
また、振動子を大きくすることで重量が増加し、装置の剛性の低下を引き起こし、外部振動に対する耐振性が低下し測定精度が悪化する。さらに、重量増加により、装置の共振周波数が低下し、カンチレバーやサンプルを相対的に移動させる場合の応答性が低下し、その結果、測定時間が長くなってしまうという問題も発生していた。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、限られたスペースに配置可能な小型の振動子で、粘性抵抗に対しても安定した振動をカンチレバーに与えることができるカンチレバーホルダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００１４】
先端に探針を有するカンチレバーと、カンチレバーの基部を固定するためのカンチレバー固定部と、カンチレバー固定部に固定され、かつ、カンチレバー固定部を介して前記カンチレバーを振動させるための振動子と、カンチレバー固定部と振動子を保持するベースブロックとからなる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダであって、探針の先端をサンプル表面に対向させて配置し、カンチレバーの基部上で、カンチレバーの長軸に略直交し、かつサンプル表面と平行な方向に回転中心軸を設け、振動子によりカンチレバーの基部を加振して、回転中心軸を中心記カンチレバーの基部を揺動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダとした。
また、前記振動子において、カンチレバーの長手方向に沿って探針に近い側を前記振動子の前側、遠い側を後側と規定した場合に、振動子の前側と後側はサンプル表面と垂直な面内で互いに逆方向に変位しながら振動することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダとした。
【００１５】
また、先端にプローブを有するカンチレバーの基部に、カンチレバーを試料に対し垂直方向に振動させる圧電振動子を有し、前記圧電振動子は、カンチレバー長手方向前後で逆向きにポーリングされていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダとした。
【００１６】
また、本発明では、前記ベースブロックに、前記回転中心軸を支持する支持部を設け、カンチレバーの基部の一部を前記振動子によりサンプル表面と垂直な面内で振動させ、前記支持部を中心にカンチレバー基部を揺動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダとした。
【００１７】
さらに、本発明ではサンプルを載置するサンプルホルダと、サンプルに近接又は接触させるカンチレバーと、カンチレバーを載置するカンチレバーホルダと、サンプルと前記カンチレバーを相対的に移動させる３軸微動機構を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバーホルダが、上記に記載した走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダであること特徴とする走査型プローブ顕微鏡とした。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダおよびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバー固定部の前側と後側をサンプル表面と垂直な面内で互いに逆方向に変位させる構造にした。
【００１９】
このとき、カンチレバー固定部に固定されるカンチレバーの基部は前後が交互に逆方向に強制振動され、揺動することになる。
【００２０】
また、カンチレバーホルダのベースブロック基部に回転中心軸を支持する支持部を設け、カンチレバーの基部の一部を振動子によりサンプル表面と垂直な面内で振動させる構造にした。
【００２１】
このとき、カンチレバーの基部は前記支持部を中心に揺動することになる。
【００２２】
これらの構造では、同じ大きさの振動子を用いた場合、固定部の全体が上下に並進動作させるのに比べて、大きな変位で振動させることができ、これによりカンチレバーの振幅を増大させることが可能となる。
【００２３】
その結果、溶液中や大気の粘性抵抗の影響下においても、カンチレバーのノイズ成分が相対的に小さくなり測定のために必要な安定した振幅が得られ、より精度の高い測定が可能となる。
【００２４】
また、振幅が同じ場合には、振動子の小型化がはかられ、限られたスペースへの配置が可能となり、装置の軽量化に伴い装置の剛性もよくなり、これにより測定精度を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００２６】
本発明の大気環境下で使用される走査型プローブ顕微鏡を用いた場合のカンチレバーホルダとそれを用いた走査型プローブ顕微鏡の第一実施例を図１にブロック図として示す。カンチレバーホルダ１のベースブロック２に、絶縁板３を介して、圧電素子より構成される振動子４が接着固定されている。振動子４には、カンチレバー６を固定するためのカンチレバー固定部５が接着固定される。カンチレバー固定部５には、変位検出用の光てこ光学系８のレーザ光を反射させるために、カンチレバー６が斜めに取り付けられるような傾斜が設けられている。
【００２７】
カンチレバー固定部５には、先端に微小な探針６ａを有し、末端の基部６ｂを有するシリコンやシリコンナイトライドなどを材料とするカンチレバー６が載せられる。カンチレバー６は押え板７により基部６ｂを固定部５に押し付けることにより固定されている。
【００２８】
ここで、図２を参照して、図１の振動子４とカンチレバー固定部５の部分を詳細に説明する。振動子４は平板上の圧電素子で構成される。カンチレバーを取り付けた場合、カンチレバーの長手方向に沿って探針６ａに近い側を振動子の前側４ａ、末端の基部６ｂに近い側を振動子の後側４ｂと規定すると、この振動子４には、振動子４の中心を境に、前側４ａと後側４ｂに互いに逆方向になるように厚み方向にポーリングが施されている。このポーリングの状態を図２の矢印で例を示す。
【００２９】
また、振動子４の絶縁板３に接する面とカンチレバー固定部５に接する面には、それぞれの面全体に電極９、１０が設けられている。さらに後側側面１１には、端子電極１１ａ、１１ｂが設けられ、端子電極１１ａは電極９に端子電極１１ｂは電極１０に接続されている。
【００３０】
端子電極１１ａ、１１ｂは交流発生器１２に接続されており、振動子の電極９と電極１０の間に交流電圧が印加される。
【００３１】
このとき、交流電圧を印加すると、振動子の前側４ａと後側４ｂは、互いに逆方向のポーリングが施されているため逆方向に変位し、振動子の中心を回転中心軸として前後がシーソーのように互いに揺動運動することになる。
【００３２】
この振動子４に固定部５を接着固定して、カンチレバー固定部５にカンチレバー６を固定させているので、カンチレバー固定部５もシーソー状に動作してカンチレバー６を強制振動させることが可能となる。従来のカンチレバーホルダでは一様なポーリングが施された振動子が用いられていたが、材質と形状が同一の振動子で同一の交流電圧を与えて比較した場合、シーソー状に運動させた方がより大きな変位で強制振動させることができる。
【００３３】
図３はカンチレバーの振動状態を示す模式図である。第一実施例の図２において、カンチレバー固定部５が振動子４の前側４ａと後側４ｂと２点で支持されているとし、前側に相当する振動子を７０、後側に相当する振動子を７１とする。また、カンチレバー固定部５とカンチレバー固定部に固定されるカンチレバー６は一体と考えて、模式的にレバー７２で表す。図３（ａ）は従来の加振方式である。この場合には、振動子７０、７１は同じ方向にｙだけ変位し、このときレバー７２の先端（すなわちカンチレバーの先端）の変位量もｙとなる。従ってカンチレバーは振動子７０、７１により変位ｙを与えられて強制振動させられる。
【００３４】
一方、図３（ｂ）は本発明での加振方式である。振動子７０、７１に従来と同じ変位量ｙを互いに向きが逆になるように与えると、振動子上のレバー７２は角度θで円弧運動を行う。ここで、振動子の前側７０と後側７１の支点の距離を２Ｌ、前側７０の支点からレバー７２先端までの長さをａとした場合、レバー７２先端の変位量は、ｙ＋ａｔａｎθとなる。ここで、ｔａｎθ＝ｙ／Ｌなので、レバー７２先端の変位量（すなわちカンチレバーの変位量）は、ｙ＋ａｙ／Ｌとなり、従来よりも片側の変位でａｙ／Ｌだけ大きな振幅を与えられて強制振動させることが可能となる。
【００３５】
なお、カンチレバーは変位が拡大されるように、ａ＞Ｌとなるように設置することが好ましい。
【００３６】
再び、図１を用いてその他の構成を説明する。カンチレバー６の振幅や位相の変位は、カンチレバー上方に配置される光てこ光学系８により検出される。光てこ光学系８では、半導体レーザ１３からのレーザ光をビームスプリッター１４で曲げて、直上からカンチレバー６に照射される。カンチレバー６は斜めに配置されており、レーザ光はカンチレバー上面でミラー１５側に反射される。ミラー１５で反射されたレーザ光は、４分割フォトディテクタ１６に入射する。４分割フォトディテクタ１６上に入射したレーザ光のスポットは、カンチレバー６の振幅や位相の変位に応じてディテクタ面内を動き、そのときの４分割された各フォトディテクタ面の差分を検出することによりカンチレバー６の振幅や位相の変位を検出することが可能となる。
【００３７】
一方、探針６ａの下側にはサンプル１７が配置され、サンプル１７は３軸微動機構１８上に配置されている。本実施例では、円筒型圧電素子を用いて、円筒型圧電素子の撓み変形と伸び変形によりサンプル面内（ＸＹ方向）でのスキャンとサンプル１７と探針６ａ間（Ｚ方向）の距離制御を行うようにした。
【００３８】
カンチレバー６を共振周波数近傍の周波数で一定振幅の振動を与えながら、粗動機構（図示せず）によりカンチレバー６とサンプル１７を近接させた後に、さらに微動機構によりサンプル１７と探針間６ａ間が充分に接近した場合、サンプル１７と探針間６ａに働く原子間力などの力や、さらに近づけていった場合には間欠的な接触力により、カンチレバー６の振幅や位相が変化する。この振幅や位相変化は探針とサンプル距離に依存するため、あらかじめ振幅や位相の目標値を設定して、サンプル探針間が一定距離になるようにフィードバック制御をかけながらＸＹ方向にスキャンすることによりサンプル表面の凹凸像を測定することができる。
【００３９】
ここで、カンチレバー６の振幅や位相は、原子間力や間欠的な接触力以外にも、カンチレバー周りにある大気の粘性抵抗によっても変化する。この粘性抵抗は本来測定したい原子間力や間欠的な接触力とは異なり、測定精度や応答性を低下させる要因となる。本発明によれば、振動子をシーソー状に駆動させてカンチレバー６を加振することにより従来技術よりも加振振幅を大きくすることができるため、空気の粘性抵抗の影響を低減させることができる。
【００４０】
また、振動子を小型化することもできるので装置の剛性があがり、応答性や分解能が向上する。
【００４１】
次に、本発明の第二実施例を図４に示す。本実施例では第一実施例の振動子を別方式にしたものであり、振動子と固定部以外の図と説明は省略する。
【００４２】
本発明では、２つの圧電素子からなる振動子２１、２２をカンチレバー固定部５の前側と後側に配置することにより振動子を構成する。後側の振動子２２は絶縁板３側からカンチレバー固定部５側にも向かって厚み方向にポーリングが施されている。また、振動子２２の上下面にはそれぞれ電極２３、２４が設けられており、絶縁板３側の電極２３は後側側面２５の端子電極２５ａに、固定部側の電極２４は端子電極２５ｂにそれぞれ接続し、端子電極２５ａと端子電極２５ｂは接続されていない。さらにカンチレバーの長手方向とＸＹ面内で直交する側の側面にも端子電極２６、２７が設けられ、端子電極２７は上側電極２３に端子電極２６は下側電極２４に接続されている。
【００４３】
一方、前側に配置される振動子２１は、後側に配置される振動子２２とは逆方向にポーリングが施されており、振動子２１の上下面にはそれぞれ電極２８、２９が設けられており、絶縁板３側の電極２８はカンチレバーの長手方向とＸＹ面内で直交する側の側面に設けられた端子電極３０に、固定部側の電極２９は端子電極３０に対抗する側面に設けられた端子電極３１にそれぞれ接続され、端子電極３０と端子電極３１は接続されていない。
【００４４】
後側振動子２２の後側面２５の端子電極２５ａ、２５ｂは交流発生器１２に接続され、さらに前側、後側の振動子２１、２２は端子電極３１、２６および３０、２３同士が接続されており、上下の電極がそれぞれ接続された状態となっている。
【００４５】
これら２つの振動子をカンチレバー固定部裏面５ａの前側と後側に接着固定する。
【００４６】
振動子２１、２２に交流電圧を印加した場合には、前側振動子２１と後側振動子２２はポーリング方向が逆であるのでそれぞれ厚み方向（Ｚ方向）で逆方向に変位する。このため固定部は中央を回転中心軸としてにシーソー状に揺動運動し、第一実施例と同じようにカンチレバー７への加振振幅を大きくすることが可能となる。
【００４７】
図５は本発明の第三実施例である。本実施例は溶液中で動作させる走査型プローブ顕微鏡である。なお、図１と同じ構成部分には同一の符号を与え、同一部分の詳細な説明は省略する。
【００４８】
本実施例でのベースブロック３２は、金属ベースブロック３３とガラスベースブロック３４とからなる構造となっている。ガラスベースブロック３４には図１と同じ構成の振動子、固定部が接着固定されている。振動子は溶液中で用いるため、シリコンシール材で周囲を防水処理し、電気的なショートを防止している。
【００４９】
ガラスのベースブロック３４には先端が平面に加工された突起部３５が設けられる。一方円筒型圧電素子で構成される３軸微動機構１８にはシャーレ３６が載せられており、シャーレ３６の中に培養液に浸された細胞などの生体や有機薄膜などのサンプル３７が固定されている。
【００５０】
サンプル３７とカンチレバー６を接近させていくと、突起部３５の平面部とシャーレ内の液面との間で表面張力により液体層３８が形成されて溶液中にカンチレバー６が浸った状態となる。
【００５１】
光てこ光学系８では、半導体レーザ１３からのレーザ光は空気層においてビームスプリッター１４で曲げられてカンチレバーホルダのベースブロック３４のガラス部を通過し、液体層３８に進んでいきカンチレバー６背面に照射される。カンチレバー６の背面でミラー１５側に反射されたレーザ光は、液体層３８からベースブロック３４のガラス部を通過した後、ミラー１５を経由して４分割フォトディテクタ１６に入射する。
【００５２】
ここで、液中では、大気中より粘性抵抗が大きいため、カンチレバーの振幅が大気中より小さくなるが、本発明による振動子４をシーソー状に揺動運動させることにより、カンチレバー６の入力振幅を大きくすることができ、粘性抵抗の影響を低減させることが可能となる。
【００５３】
以上のように構成することにより溶液中でも安定したカンチレバーの振幅が得られることで、精度よくサンプルの凹凸像を測定することが可能となる。
【００５４】
図６は本発明の第四実施例である。本発明では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を溶液中で動作させる実施例を示している。
【００５５】
本発明のプローブ３９は、光ファイバーの先端を先鋭化し、先端部をファイバーの光軸に対して湾曲させ、先端部に約５０ｎｍ程度の開口を設け、開口部以外は下地をクロム、表面を金などの被覆層を設けた形状である。また、プローブ３９背面には光てこ光学系用にミラー面４０が設けてある。
【００５６】
本実施例でのカンチレバーホルダは、ベースブロック４２に絶縁板４３を介して振動子４４を固定した構成である。この振動子４４は図２に示したものと同じ構成である。本実施例ではカンチレバー固定部は設けておらず、振動子４４自体が固定部を兼ね、また、プローブ３９側もカンチレバーの基部は設けておらず、プローブ自体が基部を兼ね、振動子４４のプローブ３９に面する電極部分上に絶縁処理を施し、プローブ３９を直接振動子４４に密着させて板バネ４５で押さえつけた構成となっている。また、プローブ３９は光てこのレーザ光を反射させるために斜めに配置され、先端部分はサンプル４６に対して垂直になるような角度で湾曲されている。
【００５７】
サンプル４６はカバーガラス４７上にプレパレーションされて、サンプルホルダ４８に固定される。サンプル４６に対してプローブ３９と対抗する側には対物レンズ４９が配置され、対物レンズ４９を取り囲むように３軸微動機構５０が配置されている。本実施例では図１と同じ円筒型スキャナを対物レンズのまわりを取り囲むように３本並べスキャナを構成した。
【００５８】
一方カンチレバーホルダ４１側にはプローブ３９の上方にガラスのウインド５１を設け、カバーガラス４７の表面とウインド５１表面の間に表面張力により液体層５２を形成した。これによりプローブ３９とサンプル４６が液体層５２に浸り、溶液中での走査型近接場顕微鏡測定を行うことが可能となる。
【００５９】
また、ウインド５１の上方からは図１と実施例と同様の光てこ光学系８が組まれておりプローブの変位を計測する。
【００６０】
振動子４４を第一実施例と同様にシーソー状に駆動すると、プローブ３９が上下方向に振動し、プローブ３９とサンプル４６が近接した場合の振幅や位相の変化量を一定にすることによりプローブ３９とサンプル４６の距離制御が可能となる。
【００６１】
プローブ３９の先端部に、集光レンズ５３により半導体レーザ５４からのレーザ光をカップリング（結合）し、プローブ３９の先端部からエバネッセント光を発生させて、プローブ３９とサンプル４６間の距離を１００ｎｍ以下に制御させながら、エバネッセント光をサンプル４６に照射し、そのときのサンプル４６からの散乱光や蛍光などの発光を対物レンズ４９で集光する。集光された光信号はミラー５５で曲げられて結像レンズ５６で光電子増倍管などの光検出器５７に集光し光強度を測定する。
【００６２】
プローブ３９は溶液に浸っており大きな粘性抵抗を受けるが、振動子４４をシーソー状に揺動運動させることにより入力振幅を大きくすることが可能であるため、粘性抵抗の影響を小さくすることが可能となり、安定した測定が可能となる。
【００６３】
このように走査型近接場顕微鏡を構成し、３軸微動機構５０によりプローブ３９とサンプル４６間のＺ方向の距離を一定になるようにフィードバックをかけながら、ＸＹ方向にスキャンさせることにより、溶液中でサンプル４６表面の凹凸形状と光学測定分布の測定が高精度で可能となる。
【００６４】
図７は本発明の第５実施例の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの概観図である。
【００６５】
本実施例でのベースブロック６０は、金属ベースブロック６１にガラスベースブロック６２を固定した構造となっている。ガラスベースブロック６２には、矢印で示すようにカンチレバー固定部６４からベースブロック６０方向にかけて厚み方向に一様にポーリングを施した振動子６３が接着されており、さらにカンチレバー固定部６４が振動子６３に接着固定されている。
【００６６】
振動子６３の上下面にはそれぞれ電極６３ａ、６３ｂが設けられており、各々の電極は交流発生器（図示せず）に接続されている。
【００６７】
カンチレバー固定部６４には山型の突起６４ａが設けられ、カンチレバー基部６ｂはこの突起部６４ａで支えられる。
【００６８】
一方、ガラスベースブロック６２には凸部があり、その先端部６２ａは平面に加工される。ここでガラスベースブロック先端のエッジ部６２ｂにカンチレバー基部６ｂの一部が接触するような配置となっている。即ち、ガラスベースブロックのエッジ部６２ｂは支持部となり、カンチレバー基部６ｂは、カンチレバー固定部の突起６４ａと、ガラスベースブロックのエッジ部６２ｂの２箇所で、ほぼ線接触の状態で載置されている。
【００６９】
さらに、カンチレバー基部６ｂはワイヤー６５により、支持部６２ｂ方向に押し付けられている。
【００７０】
このような構成のカンチレバーホルダで、振動子の電極６３ａ、６３ｂ間に交流電圧を印加した場合、振動子６３は厚み方向に振動し、カンチレバー固定部の突起６４ｂを介して、カンチレバーの基部６ｂを振動させる。このとき、カンチレバー６は、支持部６２ｂを回転中心軸として、揺動運動する。
【００７１】
図８はこのときの振動状態を示す模式図である。カンチレバーとカンチレバー基部は一体と考えてレバー７２で表している。ここで、カンチレバー固定部の突起６４ａと、支持部６２ｂ間の距離を２Ｌ、ベースブロックのエッジ６２ｂから、カンチレバー先端７２ａまでの長さをａとし、振動子により、固定部の突起６４ａをｙだけ変位させた場合、カンチレバー先端７２ａの変位は、ａｙ／（２Ｌ）となる。このとき、ａ＞２Ｌとなるようカンチレバーを設置することにより、先端は並進運動させる場合よりも大きな変位で動作させることが可能となり、粘性抵抗の影響を小さくでき、安定した測定が可能となる。
【００７２】
なお、本実施例では、ベースブロックの一部を支持部して使用したが、支持部をベースブロックとは別部品で作製し、ベースブロック上に配置される構成部品とした場合も本発明に含まれる。
【００７３】
本発明は、以上述べたような実施例に限定されるものではない。実施例では振動子に圧電素子を用いたが、電磁力を用いるものなど任意の振動方式が利用できる。また、本発明では走査型プローブ顕微鏡のうち凹凸像の測定と近接場顕微鏡による光学測定について述べたが、電気測定、摩擦力測定、粘性弾性測定など、カンチレバーをサンプル表面に対して垂直面内で振動させながら測定するすべての種類の走査型プローブ顕微鏡が本発明に含まれる。またカンチレバーの種類も限定されない。さらに、測定環境や溶液の種類も限定されず、窒素やアルゴンなどガス雰囲気中などの測定も本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第一の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図２】図１に示したカンチレバーホルダの振動子の詳細図である。
【図３】図１、図２のカンチレバーの振動状態を示す模式図である。
【図４】本発明の第二の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの振動子の詳細図である。
【図５】本発明の第三の実施例に係る液中用走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図６】本発明の第四の実施例に係る液中用走査型近接場顕微鏡の概観図である。
【図７】本発明の第五の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの概観図である。
【図８】図７のカンチレバーホルダの振動状態を示す模式図である。
【図９】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成図である。
【図１０】従来の液中用走査型近接場顕微鏡の概観図である。
【符号の説明】
【００７５】
１      カンチレバーホルダ
２      ベースブロック
４      振動子（圧電素子）
４ａ    （振動子）前側
４ｂ    （振動子）後側
５      カンチレバー固定部
５ａ    カンチレバー固定部裏面
６      カンチレバー
６ａ    探針
６ｂ    カンチレバー基部
１７    サンプル
１８    ３軸微動機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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