JP3836639B2

JP3836639B2 - 走査形プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP3836639B2
Application number: JP26047099A
Authority: JP
Inventors: 本圭一中
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: JP2001083070A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カンチレバーにレーザー光を照射してカンチレバーの変位を検出する、原子間力顕微鏡や摩擦力顕微鏡などの走査形プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、カンチレバーの先端に固定された探針と試料間に働く原子間力をカンチレバーのたわみを検出して測定する装置であり、光てこ方式でカンチレバーのたわみを検出する原子間力顕微鏡においては、レーザー光がカンチレバーの背面に照射される。そして、カンチレバーの背面で反射したレーザー光は光検出器で検出されて、カンチレバーの変位が検出される。
【０００３】
このようなカンチレバーは、通常長さ０．２ｍｍ、幅０．０３ｍｍ程度の非常に小さいものなので、肉眼でレーザー光をカンチレバーの先端に合わせるのは不可能である。そこで、従来の原子間力顕微鏡は、カンチレバーを拡大して観察するための光学顕微鏡やＣＣＤカメラ付光学顕微鏡を備えており、オペレータは、それらを用いてカンチレバーを観察しながら、レーザー光をカンチレバーの先端に合わせていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような光学顕微鏡やＣＣＤカメラ付光学顕微鏡を備えた装置のコストは高かった。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みて成されたもので、その目的は、レーザー光のカンチレバーへの位置合わせを正確に行える低コストの走査形プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明の走査型プローブ顕微鏡は、レーザー光源からのレーザー光をカンチレバーの背面に照射し、カンチレバーの背面で反射したレーザー光を光検出器で検出して、カンチレバーの変位を測定するようにした走査型プローブ顕微鏡において、前記レーザー光の、前記カンチレバーへの照射位置を調整する手段と、前記カンチレバーと前記光検出器の間に配置された、カンチレバーからのレーザー光を光検出器の方へ反射させるハーフミラー又はビームスプリッタと、該ハーフミラー又はビームスプリッタを透過したレーザー光のスポット形状を映し出すスクリーンからなるスポット形状観察手段と、該スポット形状確認手段とは別に設けられ、前記カンチレバーに前記レーザー光が当たっているかどうかを確認するための当該カンチレバーの上方に位置する凸レンズからなるレーザー光照射位置確認手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【０００８】
図１は、本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例として示した、原子間力顕微鏡の概略図である。
【０００９】
まず、図１の構成について説明する。
【００１０】
図１において、１は試料室チャンバーであり、試料室２の底部には、ｘ，ｙおよびｚ軸方向に移動可能な試料ステージ３が配置されている。試料ステージ３上には試料４がセットされている。
【００１１】
５は、試料４に対向するカンチレバーであり、カンチレバー５は、試料室２の底部に固定されたカンチレバー保持部材６に支持されている。また、カンチレバー５の試料側の端部には、探針７が固定されている。
【００１２】
８は、試料室チャンバー１の天井に開けられた取付穴であり、取付穴８は、カンチレバー５の真上に位置している。この取付穴８には、拡大鏡である凸レンズ９と青色フィルター（ガラス）１０が上下にはめ込まれて固定されており、青色フィルター１０が試料室側に位置している。なお、青色フィルター１０の両面は鏡面となっている。
【００１３】
前記青色フィルター１０とカンチレバー５の間には、ハーフミラー１１が配置されており、ハーフミラー１１はレーザー光源１２に固定されている。このハーフミラー１１は、レーザー光源１２からのレーザー光をカンチレバー５の方へ反射させるものである。レーザー光源１２は照射位置調整手段１３に取り付けられており、照射位置調整手段１３は試料室チャンバー１に取り付けられている。
【００１４】
この照射位置調整手段１３は、ｘ軸のまわりに回転可能に構成されていると共に、ｘ軸に直交しｙ軸に平行なｙ’軸のまわりに回転可能に構成されている。このような構成により、照射位置調整手段１３をｘ軸のまわりに回転させれば、その回転に伴ってレーザー光源１２とハーフミラー１１が一体的にｘ軸のまわりに回転し、また、照射位置調整手段１３をｙ’軸のまわりに回転させれば、その回転に伴ってレーザー光源１２とハーフミラー１１が一体的にｙ’軸のまわりに回転する。
【００１５】
１４は、試料室の側壁に取り付けられた光検出器であるフォトダイオードである。このフォトダイオード１４と前記カンチレバー５の間には、ハーフミラー１５が配置されており、ハーフミラー１５は、カンチレバー５の背面で反射したレーザー光をフォトダイオード１４の方へ反射させるものである。
【００１６】
１６は、試料室チャンバー１に開けられた取付穴であり、取付穴１６には、赤色スクリーン１７がはめ込まれて固定されている。この赤色スクリーン１７は、前記ハーフミラー１５を透過したレーザー光の形状を映し出すものであり、赤色スクリーン１７は、赤色フィルターガラスのレーザー光が当たる部分、すなわち試料室側の面を磨りガラス加工して作られる。なお、赤色スクリーン１７の磨りガラス面と反対側の面は、鏡面となっている。
【００１７】
１８は制御手段であり、制御手段１８は、前記試料ステージ３とフォトダイオード１４に接続されている。
【００１８】
以上、図１の装置構成について説明したが、次にこのような装置において、レーザー光をカンチレバーの先端に合わせる場合について説明する。
【００１９】
まず、オペレータは、レーザー光源１２の電源を入れる。すると、レーザー光源１２で赤色レーザー光（波長６７０ｎｍ程度）が発生し、レーザー光源１２からのレーザー光はハーフミラー１１に当たる。そして、ハーフミラー１１に当たったレーザー光のうち、その半分はハーフミラー１１で反射されてカンチレバー５の方へ向かう。
【００２０】
さて、図１の装置においては、レーザー光がカンチレバー５の先端を照射したときには、レーザー光がカンチレバー５の背面で焦点を結ぶように、レーザー光源１２とハーフミラー１１が予め調整されており、オペレータは、凸レンズ９を覗いて、レーザー光がカンチレバー５の先端に当たっているかどうかを確認する。凸レンズ９の倍率は１０倍程度であり、このような凸レンズ９を使用すればカンチレバー５の位置を特定できる。なお、この倍率を超える凸レンズは、周辺部の歪みが大きくて実用上使用できない。
【００２１】
ところで、図１の装置は青色フィルター１０を備えているが、青色フィルター１０が配置されていないと、カンチレバー５上で乱反射したレーザー光でまぶしくて、オペレータはカンチレバー５を見えなくなる。この結果、オペレータは、カンチレバー上のレーザー光照射位置を確認できなくなる。
【００２２】
しかし、図１の装置においては、レーザー光を数％程度まで減衰させる青色フィルター１０が配置されているので、オペレータは、カンチレバー上で乱反射したレーザー光を見ることはなくなり、カンチレバー上において強度の最も高いレーザースポット中心点のみを見ることができる。このため、オペレータは、カンチレバー上のレーザー光照射位置を正確に確認することができる。
【００２３】
そしてオペレータは、レーザー光がカンチレバー５の先端に当たっていない場合には、レーザー光がカンチレバー５の先端に当たるように照射位置調整手段１３を操作する。
【００２４】
このようにして、レーザー光がカンチレバー５の先端に当たると、カンチレバー５の背面で反射したレーザー光はハーフミラー１５に当たる。そして、ハーフミラー１５に当たったレーザー光のうち、その半分はハーフミラー１５で反射してフォトダイオード１４に入射し、残りの半分はハーフミラー１５を透過して赤色スクリーン１７に当たる。
【００２５】
上述したように、赤色スクリーン１７のレーザー光が当たる面は磨りガラス加工されているので、磨りガラスの反対側から覗いたときにオペレータはまぶしくなく、また、赤色スクリーン上でのレーザー光の大きさは２〜３ｍｍ程度なので、オペレータは、赤色スクリーン１７に映し出されるレーザースポットの形状を肉眼ではっきりと観察することができる。そして、オペレータは赤色スクリーン１７を見ながら、そのスポット形状が円もしくは楕円となり、かつレーザー光の強度がもっとも強くなるように、前記照射位置調整手段１３を微調整する。
【００２６】
以上、図１の装置において、レーザー光をカンチレバーに位置合わせする場合について説明したが、光学顕微鏡やＣＣＤカメラ付光学顕微鏡を備えない図１の装置においても、レーザー光をカンチレバーの先端に正確に位置合わせすることができる。また、図１の装置は、光学顕微鏡やＣＣＤカメラ付光学顕微鏡を備えなくて済むので、装置のコストは従来よりもかなり低くなる。
【００２７】
なお、図１の装置において試料４の原子間力像を得る場合には、制御手段１８は、フォトダイオード１４からの信号に基づき、探針７と試料４間に働く原子間力が一定になるように試料ステージ３のｚ動をフィードバック制御しながら試料ステージ３をｘｙ方向に走査し、前記フィードバック制御情報から試料の原子間力像を得る。
【００２８】
以上、図１の装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、図１の装置において、ハーフミラー１１や１５の代わりにビームスプリッタを用いるようにしてもよい。
【００２９】
また、本発明は、原子間力顕微鏡に限らず、カンチレバーを備えた摩擦力顕微鏡や磁気力顕微鏡などの走査形プローブ顕微鏡にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査形プローブ顕微鏡の一例として示した、原子間力顕微鏡の概略図である。
【符号の説明】
１…試料室チャンバー、２…試料室、３…試料ステージ、４…試料、５…カンチレバー、６…カンチレバー保持部材、７…探針、８、１６…取付穴、９…凸レンズ、１０…青色フィルター、１１、１５…ハーフミラー、１２…レーザー光源、１３…照射位置調整手段、１４…フォトダイオード、１７…赤色スクリーン、１８…制御手段

Claims

レーザー光源からのレーザー光をカンチレバーの背面に照射し、カンチレバーの背面で反射したレーザー光を光検出器で検出して、カンチレバーの変位を測定するようにした走査型プローブ顕微鏡において、
前記レーザー光の、前記カンチレバーへの照射位置を調整する手段と、
前記カンチレバーと前記光検出器の間に配置された、カンチレバーからのレーザー光を光検出器の方へ反射させるハーフミラー又はビームスプリッタと、
該ハーフミラー又はビームスプリッタを透過したレーザー光のスポット形状を映し出すスクリーンからなるスポット形状観察手段と、
該スポット形状確認手段とは別に設けられ、前記カンチレバーに前記レーザー光が当たっているかどうかを確認するための当該カンチレバーの上方に位置する凸レンズからなるレーザー光照射位置確認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。
前記レーザー光源とカンチレバーとの間に、レーザー光源からのレーザー光をカンチレバーの方へ反射させるハーフミラーまたはビームスプリッタを備え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。
前記レーザー光は赤色レーザーであり、前記凸レンズとカンチレバーとの間には青色フィルターが配置され、前記スクリーンは赤色スクリーンであることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡。