(57)【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、
サンプルが載置されるサンプルホルダと、
前記カンチレバーを、サンプル表面が略存在する平面と略並行な平面方向に二次元移動させるカンチレバー側に設けられた第一ＸＹ微動機構と、
前記サンプルホルダを、サンプル表面が略存在する平面と略並行な平面方向に二次元移動させるサンプルホルダ側に設けられた第二ＸＹ微動機構と、
前記ＸＹ微動機構の変位量をモニターする該ＸＹ微動機構のうち少なくとも一方に設けた２軸以上の変位検出手段と、
前記変位検出手段で検出した変位量に基づき該変位量が線形性を維持するように前記ＸＹ微動機構の駆動信号に対して制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記２つのＸＹ微動機構において、
双方のＸＹ微動機構を独立した軌跡で、かつ独立した速度で二次元平面内の任意の方向に動作させて、探針とサンプルを相対的に走査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。
【請求項３】
前記制御手段の制御が、前記変位検出手段にて検出した変位量に基づいて前記ＸＹ微動機構の駆動信号の指示値を決定するクローズドループ制御である請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記カンチレバーの代わりに、金属性探針を用いて走査型トンネル顕微鏡として動作させる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記カンチレバーの代わりに、金属性探針または光ファイバーを用いた導波路付プローブ、及び導波路付カンチレバーのいずれかを用いて、走査型近接場顕微鏡として動作させる請求項１から請求項３のいずれか一項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、サンプルの表面の凹凸情報や物理特性を測定するための走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここで、走査型プローブ顕微鏡とは、サンプル表面上をプローブで走査して、プローブとサンプル相互間に働く物理情報を検出する装置の総称であり、代表的な走査型プローブ顕微鏡としては原子間力顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡、走査型磁気力顕微鏡、走査型近接場顕微鏡などがある。
【０００３】
図６に基づき、走査型プローブ顕微鏡の一種であるコンタクト型の原子間力顕微鏡の従来の構造と動作原理を説明する。尚、以降の説明ではサンプル表面の２次元平面内の互いに直交する方向にＸ軸、Ｙ軸を取り、ＸＹ平面と直交する方向にＺ軸を取る。
【０００４】
先端に微小な探針１０１ａを有するカンチレバー１０１をカンチレバーホルダ１０２に設置し、カンチレバーホルダ１０２を円筒型圧電素子から構成される３軸微動機構１０３の先端部に取付け、該３軸微動機構を中心軸方向に駆動させるＺ粗動機構１０４に取付け、カンチレバー１０１と対向する側に測定箇所の位置決め用のＸＹ粗動ステージ１０５を設け、該ステージ上設けられたサンプルホルダ部１０６にサンプル１０７を載置し、カンチレバー１０１をサンプル１０７に近接させて、ＸＹ微動機構１０３ａによりＸＹ平面内で走査しながら、探針１０１ａとサンプル１０７の表面間に働く原子間力によるカンチレバー１０１の撓み量を、光てこなどを用いた変位検出手段１０８により検出し、撓み量が常に一定になるようにサンプル表面と探針間の距離をＺ微動機構１０３ｂにより制御を行い、Ｚ微動機構１０３ｂへの電圧の印加量からサンプルの凹凸情報を得て、サンプル表面の凹凸像の測定を行っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーの走査速度が遅く測定に時間がかかるという問題点があった。
【０００６】
走査速度を支配する要因は機械的な要因と電気的な制御系に関するものが考えられる。
【０００７】
このうち機械的要因を考えると、カンチレバーの走査中にはＸＹ微動機構とＺ微動機構およびカンチレバーの間で相対運動が行われるため、これらの要素の剛性が走査速度に大きく影響を与える。
【０００８】
一般的な走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバーの共振周波数は数百ｋＨｚ程度であり、また最も一般的に用いられている数μｍオーダの移動距離を持つ円筒型圧電素子から構成されるＺ微動機構の共振周波数は数十ｋＨｚと比較的高いが、ＸＹ微動機構は円筒型圧電素子を用いた数十μｍの変位量のアクチュエータでさえも、数百Ｈｚからせいぜい数ｋＨｚのオーダであり、他の２つの要素に比べて剛性が低く、走査速度低下の要因となる。
【０００９】
現在の走査型プローブ顕微鏡の走査領域は一般には数十μｍ程度であるが、大型サンプルの測定などを目的として走査領域を大きくしたいという要求が多い。しかしながら走査領域を増加することにより更にＸＹ微動機構の共振周波数が低下するため、ますます走査速度が遅くなってしまう。
【００１０】
また、走査領域を大きくすると一般にＸＹ微動機構が大型化して、要求されるスペースに収まりきれない場合が多く装置が大型化する傾向にある。
【００１１】
したがって、本発明では、走査領域を狭めることなく、ＸＹ微動機構の剛性を高め、走査速度の向上と装置の小型化をはか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に、本発明の走査型プローブ顕微鏡では、先端に微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバーを保持するカンチレバーホルダと、カンチレバーの変位量を検出するための変位検出手段と、サンプルを載置するためのサンプルホルダ部と、探針とサンプル間の相対的な距離を変化させるＺ微動機構と、サンプルとカンチレバーを相対的に２次元平面内で走査を行うＸＹ微動機構から装置を構成し、ＸＹ微動機構をサンプル側とカンチレバー側の双方に設けた。これら２つのＸＹ微動機構において、双方のＸＹ微動機構を独立に動作させて、探針とサンプルを相対的に走査させた。
【００１３】
さらに、カンチレバーとサンプルの相対位置をより高精度に検出するために、サンプル側とカンチレバー側の双方に設けたＸＹ微動機構の少なくとも一方のＸＹ微動機構に２軸以上の変位検出器を設け、変位量をモニタし、微動機構の駆動信号に対して変位量が線形性を維持するように制御を行う制御装置を設けた。
【発明の効果】
【００１４】
このように走査型プローブ顕微鏡を構成することにより、各々のＸＹ微動機構に要求される移動量が従来の半分となり、ＸＹ微動機構が小型化され、剛性を高くすることが可能となった。この結果、走査速度を速めることが可能となり走査時間が短縮された。
【００１５】
さらに、各々のＸＹ微動機構の移動量は２つのＸＹ微動機構の走査速度が等しい場合には必要とする移動量の１／２であり、また速度が異なる場合でも、２つのＸＹ微動機構を同時に走査するため、１つＸＹ微動機構の場合よりも移動量が小さくなり、その結果、走査時間が短縮された。
【００１６】
また、要求される移動量が１つの微動機構の場合よりも少なくなるためＸＹ微動機構が小型化され、限られた空間でも走査型プローブ顕微鏡が設置可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
上記のように構成された走査型プローブ顕微鏡において、図７に基づき走査の動作を説明する。図７においてサンプル７１の表面を含む平面内の互いに直交する方向にＸ軸、Ｙ軸をとり、ＸＹ平面と直交する方向にＺ軸をとる。走査領域の中心に原点０をとり、サンプル表面上のＡ点から矢印のように一辺の長さがａの領域を走査する場合を考える。なお、ＸＹＺ座標は空間中に設定された絶対座標であり、サンプルやカンチレバーを走査させた場合にも座標原点は変わらないものとする。
【００１８】
まず、走査開始時にはカンチレバー７２側のＸＹ微動機構７３により探針７２ａをＸ＝−ａ／２、Ｙ＝ａ／２に移動させ、サンプル７１側のＸＹ微動機構７４によりサンプル７１をＸ＝ａ／２、Ｙ＝−ａ／２に移動させる。
【００１９】
１ライン目の走査は、カンチレバー側のＸ座標を−ａ／２〜０まで連続的に移動させ、サンプル側のＸ座標をａ／２〜０までカンチレバー側と反対方向に連続的に移動させる。この走査によりサンプル表面上の長さａのラインが走査される。Ｘ方向の１ラインの走査が終了すると、次にカンチレバー７２側のＸＹ微動機構７３を−Ｙ方向に、サンプル７１側のＸＹ微動機構７４を＋Ｙ方向にそれぞれ移動させ、次のラインのスキャンを行う。このような動作を繰り返し、カンチレバー側のＹ座標が０、サンプル側のＹ座標が０まで走査を繰り返すことにより、サンプル表面上のａ×ａの領域が走査される。
【００２０】
図８を用いてＹ軸方向の動作をさらに詳細に説明する。図８中の番号は走査ラインの順番を示し、実線上の黒丸はサンプルのＹ軸断面における走査済のラインを、白丸は走査中のラインを示す。従来のＸＹ微動機構を１つしか備えてない場合には、破線で示した探針まで走査を行わないと所定の走査領域ａは走査できなかったが、サンプル側とカンチレバー側を図の矢印で示したように反対方向に移動させることで、各々の微動機構をａ／２変位させることによりサンプル表面上の領域ａが走査されることになる。ただし、Ｙ軸方向のスキャンに関して、従来行われていたようにＸＹ微動機構をカンチレバー側またはサンプル側どちらか一方のみに取り付けてスキャンさせる場合と同一のピッチ間隔で走査させた場合、解像度すなわち走査ライン数は１／２となるため、従来と同様の解像度を得るためにはピッチを半分にする必要がある。したがって、Ｙ軸方向の、微動機構に要求される移動量は従来の半分でよいが、従来と同一の解像度を得るためには倍のライン走査が必要となるためＹ軸方向の走査時間は従来と同じである。
【００２１】
このような走査方式を用いて、カンチレバーの変位をモニターし、変位が一定になるようにＺ微動機構をＺ方向にサーボ動作させながら、各々のＸＹ微動機構をラスタスキャンすることによりサンプル表面の凹凸像得られる。
【００２２】
本発明では、以上のような方式により以下のような効果が得られる。
【００２３】
（１）各々の微動機構に要求される移動量が従来の半分となり、ＸＹ微動機構が小型化され、剛性が高くなる。
【００２４】
（２）剛性が高くなったことにより、Ｘ方向の走査速度を速めることが可能となり走査時間が短縮される。
【００２５】
（３）各々の微動機構のＸ方向の走査距離が１／２となるため、走査時間が１／２になる。
【実施例】
【００２６】
以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（１）第一実施例
図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の第一の実施例の概略図であり、図２は図１の走査型プローブ顕微鏡の動作方法を示したブロック図である。本実施例は走査型プローブ顕微鏡の一種であるコンタクト型の原子間力顕微鏡に関するものである。
【００２７】
図１において、探針１ａとサンプル２を近接させる方向にＺ軸を、サンプル表面の面内で互いに直交する方向にＸ軸、Ｙ軸をとる。ボールネジ３とステッピングモータ４より構成されたＺ粗動ステージ５上に円筒型圧電素子によりＸＹ微動機構６とＺ微動機構７が一体成形されたＸＹＺ微動機構８を固定する。ＸＹＺ微動機構８の先端に、カンチレバーホルダ９を取り付け、カンチレバーホルダ９にカンチレバー１を固定する。カンチレバー１の変位は、カンチレバーホルダ９に内蔵した小型の光てこ光学系１０により検出する。光てこ光学系は半導体レーザ１０ａからのレーザ光をビームスプリッター１０ｂにより曲げてカンチレバー１の背面に当て、反射光をミラー１０ｃを経由してディテクタ１０ｄにより変位が検出される方式である。
【００２８】
一方、カンチレバー１と対向する側に、サンプル位置の粗動用のＸＹステージ１１を配置し、ＸＹステージ１１上にＸＹ微動機構１２を固定し、ＸＹ微動機構１２上に設けたサンプルホルダ１３にサンプル２を載置した。ＸＹ微動機構１２は、ステンレス板を加工して弾性ヒンジによる変位拡大機構を構成し、該変位拡大機構を積層型圧電素子により駆動する方式とした。
【００２９】
以上のように構成された走査型プローブ顕微鏡において、Ｚ粗動ステージ５によりカンチレバー１を原子間力が作用する領域までサンプル２に近接させる。次に、Ｘ軸方向において、２つのＸ微動機構６ａ、１２ａを互いに反対方向にスキャンさせ、１ラインの測定が終わった後、Ｙ軸方向において、Ｙ微動機構６ｂ、１２ｂを互いに反対方向に移動させ隣のラインに移した後、再びＸ軸方向に対して、２つのＸ微動機構６ａ、１２ａを互いに反対方向にスキャンさせる動作を繰り返しながら、探針１ａをサンプル表面上でラスタスキャンさせる。このとき、光てこ光学系１０によりカンチレバー１の変位を検出し、変位量が一定となるようにＺ微動機構７に電圧を印加して制御を行う。カンチレバー１の変位量は探針１ａとサンプル２間に働く原子間力に依存し、この原子間力は探針とサンプル表面間の距離に依存するため、Ｚ微動機構７に印加する電圧から、サンプル表面の凹凸情報が得られる。
【００３０】
一方、ＸＹ微動機構６、１２は、各々の微動機構に印加される電圧信号より絶対座標
に対する変位量が求められる。この変位量をコンピュータに入力しサンプル２と探針１ａとの相対的な座標が求められる。
【００３１】
この相対座標と、Ｚ微動機構７へ印加される電圧信号をコンピュータに記憶させ、３次元の座標上にマッピングすることによりサンプル表面の凹凸情報が得られる。
【００３２】
ここで、ＸＹ微動機構６、１２の変位量とＺ微動機構７の変位量は測定に先立ち、各々
のアクチュエータに印加される電圧信号と変位との関係を求め較正を行った。したがって、各々の微動機構の変位量はアクチュエータに印加する電圧信号から求めることができる。
【００３３】
この走査型プローブ顕微鏡において、必要とする走査領域に対して、各々のＸＹ微動機構６、１２に要求される走査領域は半分でよいため、ＸＹ微動機構６、１２が小型化され、剛性が向上した。その結果、走査速度を高めることが可能となった。また、Ｘ方向に１ラインスキャンする場合の各々のＸＹ微動機構の変位量が１／２となるため、走査に要する時間も短縮された。
（２）第二実施例
図３は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の第二の実施例の概略図であり、図４は図３の走査型プローブ顕微鏡の動作方法を示したブロック図である。
【００３４】
本実施例では第一の実施例において、カンチレバー１側のＸＹ微動機構６の２軸と、サンプル２側のＸＹ微動機構１２の２軸に、静電容量方式による変位センサ１４、１５（サンプル側、カンチレバー側ともＹ軸方向の変位センサは図示せず）を組み込み、各々のＸＹ微動機構の変位を検出して、コンピュータにより指示された変位量に対してクローズドループで制御を掛けた。そのときの各々の変位量からコンピュータにより探針１とサンプル２の相対的な位置関係を計算し、サンプルの凹凸形状を測定する方式とした。さらにカンチレバー側のＺ軸についても静電容量式の変位センサ１６を組み込み実測された変位量をコンピュータに入力した。これらの位置情報からサンプル表面の凹凸像を求めることができる。
【００３５】
一般に圧電素子を用いた微動機構はヒステリシスやクリープなどに起因する誤差が生じるが、以上のように構成した走査型プローブ顕微鏡により、第一の実施例の場合よりもＸＹＺのリニアリティが向上した。
（３）第三実施例
図５は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の第三の実施例の概略図である。
【００３６】
本実施例では、市販の倒立顕微鏡５１のステージ５２上にサンプル５３用のＸＹ微動機構５４を配置し、さらにその上にスタンドアロンタイプの走査型プローブ顕微鏡５５を載せ、倒立顕微鏡一体型の走査型プローブ顕微鏡を構成した。
【００３７】
サンプル用のＸＹ微動機構５４は第一の実施例と同様に弾性ヒンジ機構と積層型圧電素子により構成される。
【００３８】
また、スタンドアロンタイプの走査型プローブ顕微鏡は、ベースプレート５６に円筒型圧電素子より構成された３軸微動機構５７を設置し、３軸微動機構５７の先端部にカンチレバーホルダ５８を取付け、ベースプレート５６を３本の支柱５９で支え、そのうち１本の支柱５９ａをステッピングモータ６０により伸縮させ、テコ運動によりカンチレバー６１をサンプル５３に近づける。カンチレバー６１の変位は第一実施例と同じく、光てこ系を利用した小形の光学ヘッド６２を３軸微動機構５７の先端に取り付けた。３軸微動機構は内部が中空で、照明６３の光をサンプルに照射することが可能であり、光学顕微鏡像の観察が可能な構成となっている。
【００３９】
本実施例の走査型プローブ顕微鏡は主として、細胞などの生体サンプル観察用に用いられ、一般的な蛍光顕微鏡像と、蛍光顕微鏡像よりも更に分解能が高い原子間力顕微鏡像が同一の装置で観察可能な装置である。生体サンプル用の走査型プローブ顕微鏡は、他の用途に比べて広い領域の走査が要求されるため、ＸＹ微動機構が大型化し、剛性が低く、走査速度が遅くなりがちであった。また、倒立顕微鏡のステージ上という限られた領域に走査型プローブ顕微鏡を構成するあるため、ＸＹ微動機構の大きさに制限が生じ、できるだけ小型にする必要があった。
【００４０】
前記のように倒立顕微鏡上に走査型プローブ顕微鏡を構成することにより、これらの問題が改善された。
（４）その他の実施例
以上述べてきたような実施例のほかにも、カンチレバーを共振周波数近傍で加振しながら、探針をサンプル表面に近づけ、探針とサンプル表面との相互作用による振幅の減衰量をモニターし、常に一定の振幅を保つようにサンプルと探針間の距離の制御を行い、サンプル表面の凹凸像やその他の物理特性を測定する方式の振動モード原子間力顕微鏡や、導電性の探針を利用してサンプルと探針間にバイアス電圧を掛け、探針をサンプルに近接させた際のトンネル電流をモニターしてサンプルと探針間の距離制御を行い、サンプル表面の凹凸像やその他の物理特性を測定する走査型トンネル顕微鏡、あるいは、光ファイバーの先端を探針状に加工し、先端に波長以下の径を持つ開口を形成したプローブを用いた走査型近接場顕微鏡など、一般に走査型プローブ顕微鏡と総称されるすべての顕微鏡に本発明は適用できる。
【００４１】
また、微動機構の構造は、前記の実施例で説明した円筒型圧電素子や、弾性ヒンジ機構と積層型圧電素子を組み合わせた方式の他にも、ボイスコイルを用いた微動機構や、電動モータ駆動のメカニカルステージなど、ＸＹ平面内での微動という目的に使用される微動機構はすべて含まれ、また、これらの組み合わせも任意である。
【００４２】
更に、微動機構に組み込まれる変位センサも歪ゲージやレーザ変位計など任意の変位計が使用可能である。
【００４３】
更に、カンチレバーあるいはプローブの変位検出方式としては、前記実施例で述べた光てこ方式に限定されず、レーザ光をカンチレバーやプローブに照射し入射光とその戻り光との干渉波形から変位の検出を行う光干渉方式や、カンチレバーやプローブに圧電体を張り付け、物理的な特性によりカンチレバーまたはプローブに撓みを生じさせ、圧電体からの電荷量に変換して電気的に変位を検出する圧電方式なども本発明に含まれる。
【００４４】
また、本発明のスキャン方法はラスタスキャンに限定されず、カンチレバー側のＸＹ微動機構とサンプル側のＸＹ微動機構を各々任意の速度で任意の軌跡を独立に動作させることも可能である。このような任意動作をさせる場合には、あらかじめ与えられたサンプルと探針の相対的な軌跡から、最適な動作方法をコンピュータに計算させて各々のＸＹ微動機構が制御される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第一実施例の概略図である。
【図２】図１の走査型プローブ顕微鏡の動作方法を示すブロック図である。
【図３】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第二実施例の概略図である。
【図４】図３の走査型プローブ顕微鏡の動作方法を示すブロック図である。
【図５】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第三実施例の概略図である。
【図６】従来型の走査型プローブ顕微鏡の概略図である。
【図７】本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法を説明する説明図である。
【図８】Ｙ軸方向の走査方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    カンチレバー
２    サンプル
５    Ｚ粗動ステージ
６    ＸＹ微動機構
７    Ｚ微動機構
９    カンチレバーホルダ
１０    光てこ光学系
１２    ＸＹ微動機構
１３    サンプルホルダ
１４    Ｘ軸変位センサ
１５    Ｘ軸変位センサ
１６    Ｚ軸変位センサ
５３    サンプル
５４    ＸＹ微動機構
５７    ＸＹＺ微動機構
５８    カンチレバーホルダ
６１    カンチレバー
６２    光てこ光学系
６４    サンプルホルダ
７１    サンプル
７２    カンチレバー
７３    ＸＹ微動機構
７４    ＸＹ微動機構
７５    サンプルホルダ
１０１    カンチレバー
１０２    カンチレバーホルダ
１０３ａ  ＸＹ微動機構
１０３ｂ  Ｚ微動機構
１０４    Ｚ粗動ステージ
１０６    サンプルホルダ
１０７    サンプル
１０８    光てこ光学系
【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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