(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を備えるカンチレバーと、試料を探針に対して少なくとも２次元の方向に走査するスキャナと、カンチレバーの変位を検出する変位検出系とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、
試料に対してカンチレバーの位置関係を固定した状態において、変位検出系のレーザー光測定光路と試料を観察する光学顕微鏡光路とを分離するビームスプリッターとレーザー光保護用のフィルターを、ビームスプリッターの反射面に平行に移動して光学顕微鏡光路から退避させる移動機構を備える、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
探針を備えるカンチレバーと、試料を探針に対して少なくとも２次元の方向に走査するスキャナと、カンチレバーの変位を検出する変位検出系とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、
試料に対してカンチレバーの位置関係を固定した状態において、変位検出系のレーザー光測定光路と試料を観察する光学顕微鏡光路とを分離するビームスプリッターとレーザー光保護用のフィルターを、ヒンジ機構の回動による跳ね上げ動作によって光学顕微鏡光路から退避させる移動機構を備える、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
探針を備えるカンチレバーと、試料を探針に対して少なくとも２次元の方向に走査するスキャナと、カンチレバーの変位を検出する変位検出系とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、
試料に対してカンチレバーの位置関係を固定した状態において、変位検出系のレーザー光測定光路と試料を観察する光学顕微鏡光路とを分離するビームスプリッターとレーザー光保護用のフィルターを、軸機構の回転によって光学顕微鏡光路から退避させる移動機構を備える、走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属，半導体，セラミック，樹脂等の表面観察やあらさの測定、液晶，高分子，蒸着膜などの薄膜の観察等のために表面観察が行われる。試料の微細な表面形状を検査する装置として、探針（プローブ）と試料表面間に働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が知られている。
【０００３】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針及び探針を支持するカンチレバーと、このカンチレバーの曲がりを検出する変位検出系とを備え、探針と試料との間の原子間力（引力または斥力）を検出し、この原子間力が一定となるように制御することによって、試料表面の形状を観察するものであり、生物，有機分子，絶縁物等の非導電物質の観察を行うことができる。
【０００４】
図７は走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一構成例を説明するための概略図である。レーザーダイオード８の出力光をレンズ９ａやミラー９ｂ等の光学系９及びビームスプリッター４を介してカンチレバー３に照射し、その反射光を受光するフォトダイオード１０と、試料Ｓを支持し走査するスキャナー（ピエゾチューブ）２１を備え、フォトダイオード１０及びスキャナー２１によって試料Ｓ上に配置したカンチレバー３の変位を検出して、試料Ｓの表面形状を観察する。また、試料Ｓ上の分析点の位置決め等を行うために観察窓（図示していない）を介して光学顕微鏡３０やＣＣＤなどが設けられ、観察窓側へのレーザー光の入射を防止するために、レーザー光を低減する青色フィルター５が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、カンチレバー変位測定用のレーザー光と光学顕微鏡用の光路とを分離するビームスプリッター及びレーザー光を低減する青色フィルターが、試料と光学顕微鏡とを結ぶ光路上に固定された構成であるため、試料の光学顕微鏡によって観察する場合に視認性の点で問題がある。
【０００６】
従来の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）において、試料を光学顕微鏡で観察し、探針の位置を位置決めして走査領域や設定する場合、（ａ）試料を斜め方向から観察したり、（ｂ）試料を上方からビームスプリッターや青色フィルターを通して観察したり、あるいは（ｃ）探針及び変位検出系と共にビームスプリッターや青色フィルターが固定されたヘッドを移動する等によって観察している。
【０００７】
しかしながら、上記（ａ），（ｂ），（ｃ）の各観察は、光学顕微鏡の視認性の点で以下に示すような問題がある。図８は従来の走査型プローブ顕微鏡の光学顕微鏡観察における問題を説明するための図である。図８（ｄ）は走査型プローブ顕微鏡による測定状態を示しており、カンチレバー３で反射されたレーザー光をフォトダイオード１０で検出することによって試料Ｓの表面形状を測定する。
【０００８】
図８（ａ）に示すように、試料を斜め方向の視点Ｏから観察すると、試料上の点はカンチレバー３の探針の先端位置Ｐからずれた位置Ｑとなり、正確な位置決めがむずかしいという問題がある。また、図８（ｂ）に示すように、試料を上方からビームスプリッターや青色フィルターを通して観察すると、試料の光像はビームスプリッター及び青色フィルターを通過する間に光量が減少して光学顕微鏡の集光量が不足がちになり、素通しの状態で光学顕微鏡観察を行う場合に比べて視認性が劣るという問題がある。
【０００９】
また、図８（ｃ）に示すように、ヘッドを移動した場合には、ビームスプリッターや青色フィルターを通すことなく試料を観察することができるが、探針も移動するため、観察によって定めた位置と探針位置との間に位置ずれが生じるという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は前記した従来の走査型プローブ顕微鏡の問題点を解決し、高い視認性で光学顕微鏡観察による位置決めを行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針を備えるカンチレバーと、試料を探針に対して少なくとも２次元の方向に走査するスキャナーと、カンチレバーの変位を検出する変位検出系とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、試料に対してカンチレバーの位置関係を固定した状態において、変位検出系のレーザー光測定光路と試料を観察する光学顕微鏡光路とを分離するビームスプリッターとレーザー光保護用のフィルターの少なくともいずれか一方を、光学顕微鏡光路から退避させる移動機構を備える。
【００１２】
ビームスプリッターはレーザー光測定光路と光学顕微鏡光路上に配置することによって、レーザー光源から出力されたレーザー光を試料側に導くレーザー光測定光路と、試料の光学像を光学顕微鏡に導く光学顕微鏡光路とを、レーザー光が光学顕微鏡に向かわないように分離して形成するものである。また、レーザー光保護用のフィルターはレーザー光を低減するフィルターであって、光学顕微鏡光路上にレーザー光が存在する場合であっても、該レーザー光を低減して光学顕微鏡に対する安全を図るものである。ビームスプリッター及びレーザー光保護用のフィルターは、何れも光学顕微鏡光路上にある場合、光学顕微鏡への光学像の光量を減少させる要因となる。
【００１３】
本発明の移動機構は、ビームスプリッターと光保護用のフィルターの両方あるいは一方を光学顕微鏡光路から退避させる移動を行うものであり、この退避移動によって、光学顕微鏡光路から光学像の光量を減少させる要因を除去し、光学顕微鏡による観察において光量の低減を抑制して視認性を高める。ビームスプリッターと光保護用のフィルターの一方を光学顕微鏡光路から退避させる場合よりも、両方を退避させる場合の方が視認性をより高めることができるが、一方のみを退避させる場合であっても、従来の走査型プローブ顕微鏡と比較して視認性を高めることができる。
【００１４】
また、本発明の移動機構は、試料に対してカンチレバーの位置関係を固定した状態で退避移動を行うことによって、光学顕微鏡観察とレーザー光測定とにおいて試料とカンチレバーとの位置関係は不変であるため、光学顕微鏡観察による位置決めで定めた位置と探針位置との間に位置ずれを起こすことなく測定を行うことができる。
【００１５】
また、移動機構は、退避させたビームスプリッター及び光保護用のフィルターを光学顕微鏡光路上に戻し、これによってレーザー光測定を行うことができる。移動機構は、ビームスプリッター及び又はレーザー光保護用フィルターを光学顕微鏡光路に対して移動させる形態として、測定部のヘッドに対するスライドあるいは引き出す形態、測定部のヘッドに対して跳ね上げる形態、測定部のヘッドして回転させる形態等を採用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。図１，２は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の概略を説明するためのブロック図であり、図２は本発明の移動機構によってビームスプリッターとレーザー光保護用フィルターをヘッドに装着した状態を示している。なお、図１，２は走査型プローブ顕微鏡が備える測定部を示し、走査部については一部のみ示している。
【００１７】
走査型プローブ顕微鏡は測定部１と走査部（図１，２ではスキャナー２のみ示している）を備え、探針を備えるカンチレバー６と、試料（図２中のＳ）を探針に対して少なくとも２次元の方向に走査するスキャナー２と、カンチレバー６の変位を検出する変位検出系を備える。
【００１８】
変位検出系は、レーザー光を出力するレーザーダイオードや、レーザー光を試料Ｓに導くレンズやミラー等の光学系、ビームスプリッターや、カンチレバーの反射光を受光するフォトディテクター等を備え、測定部１のヘッド１１内に収納される。ヘッド１１には、各構成要素の位置調整を行うために、フォトディテクター位置調整つまみ１４、レーザーダイオード位置調整つまみ１５、ミラー調整つまみ１６等が設けられ、さらに、試料Ｓの交換を容易に行うためにヘッド１１をステージ２０に対して移動させるレバー１３を備える。カンチレバー６はホルダ７を利用してヘッド１１の取り付けられる。また、ヘッド１１には観察窓１２が設けられ、該観察窓１２を通して光学顕微鏡等によって試料を観察することができる。
【００１９】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、変位検出系のレーザー光測定光路と試料を観察する光学顕微鏡光路とを分離するビームスプリッター４と、レーザー光保護用のフィルター５とをヘッド１１に対して移動して、光学顕微鏡光路から退避させる移動機構を備える。図１，２は引き出し式にスライド移動させる移動機構３ａの例を示している。移動機構３ａは青色フィルター等のレーザー光保護用フィルター５にビームスプリッター４を接着したものを、ヘッド１１の形成した案内溝に沿って導出入させる構成である。
【００２０】
ヘッド１１内において、試料Ｓと観察窓１２とを結ぶ光路によって光学顕微鏡光路が形成されている。移動機構３ａは、その導出動作によって、ビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路から退避させる。この退避動作によって、ビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５は光学顕微鏡光路上には存在しなくなり、試料Ｓ及びカンチレバー６の探針の光学像は、ビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を通ることなく光学顕微鏡側に導かれる。
【００２１】
また、移動機構３ａは、その導入動作によって、ビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路上に復帰させる。この復帰動作によって、ビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５は光学顕微鏡光路上に位置し、ビームスプリッター４によってレーザー光測定光路が形成され、レーザー光保護用フィルター５によって光学顕微鏡側に対するレーザー光の保護を行う。
【００２２】
なお、図１，２の構成例による移動機構３ａは、ビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５をヘッド１１から引き出し式に取り外すことができる構成としているが、ヘッド１１に対して単にスライド移動可能な構成とすることもできる。
【００２３】
試料Ｓの取付けは、図２に示すようにヘッド１１をステージ２０に対して移動させ、ステージ２０に切り欠き部２１に設置したスキャナー２を露出させ、該スキャナー２上に試料Ｓを配置することによって行う。なお、この試料取付けの際には、ヘッド１１を移動させることによって、試料Ｓは光学顕微鏡光路からずれるが、ヘッド１１を元の位置に戻すことによって、試料Ｓは光学顕微鏡光路上に位置することになる。この試料Ｓを光学顕微鏡光路上に戻した段階で、移動機構によってビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路から退避させることによって、高い視認性で位置決めを行うことができる。
【００２４】
図３，４は本発明の移動機構の動作を説明するための光路とを示す概略図である。図３（ａ）はビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路Ａから退避させた状態を示し、図３（ｂ）はビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路Ａ上の復帰させた状態を示している。
【００２５】
図３（ａ）において、移動機構によってビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路Ａから退避させると、光学顕微鏡３０は試料Ｓを直接に見通すことができ、試料Ｓ及びカンチレバー３の探針の光学像を少ない光量減少で観察することができる。
【００２６】
なお、このとき、レーザーダイオード８から出力されたレーザー光は、ビームスプリッター４が退避しているため、光学顕微鏡光路Ａと無関係となり、光学顕微鏡３０に対する影響を全く回避することができる。
【００２７】
図４はこの時のレーザー光の光路状態を示している。光学顕微鏡は試料Ｓの測定点Ｐをビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を通すことなく直接に観察することができ、レーザー光も光学顕微鏡光路に無関係とすることができる。
【００２８】
図３（ｂ）において、移動機構によってビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路Ａに復帰させることによって、レーザー光ダイオード８と試料Ｓとを結ぶレーザー光測定光路Ｂを形成することができ、カンチレバー３の変位検出を行うことができる。
【００２９】
このとき、本発明の移動機構において、ビームスプリッター４の移動方向をビームスプリッター４の反射面４ａと平行とすることによって、ビームスプリッター４の位置合わせが容易となるという効果を奏することができる。図３（ｂ）中のＣ及びＤは、ビームスプリッター４を復帰させたときの位置を示している。ビームスプリッター４をビームスプリッター４の反射面４ａと平行に移動させると、レーザー光と反射面４ａとの角度関係は、ビームスプリッター４の位置にかかわらず一定となる。したがって、ビームスプリッター４を高い位置決め精度で行う必要がなく、位置合わせを容易とすることができる。
【００３０】
図５，６は本発明の他の移動機構３ａ及び移動機構３ｂを説明するための図である。
図５に示す移動機構３ｂ、ビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を跳ね上げ動作で退避させる機構例である。移動機構３ｂはヘッド１１に対してヒンジ機構等によって回動させ、跳ね上げ動作によってビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路から退避させる。この退避動作によって、観察窓１２を通して試料Ｓを直接に観察することができる。
【００３１】
図６に示す移動機構３ｃは、ビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を回転動作で退避させる機構例である。移動機構３ｃはヘッド１１に対して軸機構等によって回転させてビームスプリッター４及びレーザー光保護用フィルター５を光学顕微鏡光路から退避させる。この退避動作によって、観察窓１２を通して試料Ｓを直接に観察することができる。
【００３２】
上記した各移動機構では、ビームスプリッター及びレーザー光保護用フィルターと共に移動する構成例としているが、いずれか一方のみを移動可能とし、他方を固定する構成とすることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、走査型プローブ顕微鏡によれば、視認性を高め、光学顕微鏡観察による位置決めを容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の概略を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡の概略を説明するためのブロック図である。
【図３】本発明の移動機構の動作を説明するための光路とを示す概略図である。
【図４】本発明の移動機構の動作を説明するための光路とを示す概略図である。
【図５】本発明の他の移動機構を説明するための図である。
【図６】本発明の他の移動機構を説明するための図である。
【図７】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一構成例を説明するための概略図である。
【図８】従来の走査型プローブ顕微鏡の光学顕微鏡観察における問題を説明するための図である。
【符号の説明】
１…測定部、２…スキャナー（走査部）、３…移動機構、４…ビームスプリッター、４ａ…反射面、５…レーザー光保護用フィルター、６…カンチレバー、７…ホルダ、８…レーザーダイオード、９…光学系、１０…フォトダイオード、１１…ヘッド、１２…観察窓、１３…レバー、１４…フォトディクター位置調整つまみ、１５…レーザーダイオード位置調整つまみ、１６…ミラー調整つまみ、２０…ステージ、２１…切り欠き部、３０…光学顕微鏡、Ｓ…試料。
【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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