JP5226837B2 - 走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に、様々な物理情報（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等）を計測する走査型プローブ顕微鏡、表面粗さ計、硬度計や電気化学顕微鏡等の表面情報計測装置等に用いられる、測定対象に光源からの光を照射し、照射後の光の強度を光検出器で検出する光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法およびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等のサンプルを微小領域にて測定し、試料表面の凹凸像や物性情報の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以後ＳＰＭと略記）が知られている。

これらＳＰＭでは、サンプルが載置されるサンプルホルダと、先端にプローブを有し、サンプルの表面に近接させるカンチレバーを備えたものが周知となっている。そして、これらサンプルとプローブとをサンプル面内（ＸＹ平面）で相対的に走査させ、この走査中にカンチレバーの変位量を変位検出機構により測定しながら、サンプルまたはプローブをサンプル表面と直交する方向（Ｚ方向）に動作させて、サンプルとプローブの距離制御を行うことにより、表面形状や各種物性情報を測定するようになっている。

ここで、従来の典型的な光学式変位検出機構を用いたＳＰＭの概略構成図を図５に示す（特許文献１参照）。

図５のＳＰＭ２０１は、先端にサンプル２１１を載せるサンプルステージ２１２を有し、末端がベース２１５上に固定された円筒型の圧電素子より構成される３軸微動機構（スキャナ）２１３によりサンプルがサンプル面内（ＸＹ平面）で走査されながら、サンプル面と垂直な方向（Ｚ方向）に微動される。

また、先端にプローブ２０９を有するカンチレバー２０７が、剛性の高いアーム２０５を介してベース２１５に固定された支柱２０３に保持されている。カンチレバー２０７の先端部下面には、プローブ２０９が下方に突出するように形成されており、Ｚ方向に動作可能な粗動機構（図示せず）により、プローブ２０９の先端をサンプル２１１表面に近接させる構成である。

カンチレバー２０７上方には、一般に光てこ方式と呼ばれる光学式変位検出機構が設けられている。

この光学式変位検出機構は、カンチレバー２０７の上方に設置され半導体レーザからなる光源２２１からレーザ光（入射光２３１）を集光レンズ（図示せず）によりカンチレバー２０７の背面に集光して照射する。この入射光２３１は、カンチレバー２０７の背面で反射し、反射光２３３がカンチレバー２０７の斜め上方に設置され半導体により構成された光検出器２３５に当る。この光検出器２３５は受光面が上下に２分割され、反射光２３３の入射位置を検出することができる。

ここで、この光てこ方式の光学式変位検出機構の動作原理を詳細に説明する。ＳＰＭの測定を行う前に、まず、光源２２１からの入射光をカンチレバー２０７の背面に位置決めする。このとき通常は光源２２１にカンチレバー２０７の面内で入射光２３１のスポットが移動可能な２軸の位置決めステージ（図示せず）が設けられており、カンチレバー２０７の背面とサンプル２１１上に照射されたスポット光の様子が観察可能な光学顕微鏡（図示せず）の像を見ながら位置合わせが行われる。

次に、カンチレバー２０７の背面で反射された反射光を、光検出器２３５の受光面内に位置合わせする。光検出器２３５にも通常は受光面内で移動可能な２軸の位置決めステージ（図示せず）が設けられている。光検出器２３５は半導体材料より構成されており、受光面に光が当たると電流が発生する。受光面の後ろ側には、電流／電圧変換回路（図示せず）が接続されており、あらかじめ規定された増幅率により、電流信号が電圧信号に変換されて、後述するＺフィードバック回路２５１に電圧信号が入力される。

反射光２３３のスポットを受光面内で位置合わせするためには、まず、２分割された上側の受光面（Ａ）と下側の受光面（Ｂ）との光量の和（Ａ+Ｂ）が最大となるように、電流/電圧変換回路からの電圧信号を見ながら位置合わせする。この状態では、受光面内の任意の位置に反射光のスポットが位置合わせされた状態である。次に、スポット光が受光面の上下の受光面の中心来るように、さらに精密に位置合わせする。このときには上下の受光面の差（Ａ−Ｂ）の電圧信号が概ね０となるように光検出器２３５にも設けられた位置決め機構を微調する。このように位置合わせすることで、スポット光の照射位置を上下の受光面の中心に精密に位置合わせすることが可能となる。

次に、ここでプローブ２０９とサンプル２１１を近接させた場合には、はじめ原子間力が作用し、さらに接近させると接触力が作用し、これらの作用によりカンチレバー２０７にたわみが生じる。カンチレバー２０７がたわむと、光検出器２３５の受光面上のスポット光の位置が上下に動く。ここで、上下の受光面の差（Ａ−Ｂ）の電圧信号を検出することで、カンチレバー２０７のたわみ量を測定することが可能となる。

カンチレバー２０７のたわみ量は、プローブとサンプル表面間の距離に依存するため、カンチレバー２０７のたわみ量を光検出器２３５の出力電圧（Ａ-Ｂ）で検出し、Ｚフィードバック回路２５１に入力し、たわみ量が一定、すなわち出力電圧（Ａ-Ｂ）が一定となるように、３軸微動機構２１３のＺ微動機構によりプローブとサンプル表面間の距離を制御し、３軸微動機構２１３のＸＹスキャナでサンプルを走査することで、サンプル表面の凹凸像が得られる。これらの制御は制御部２５７で行われ、ＸＹＺスキャナドライバ２５３により３軸微動機構２１３が駆動される。得られた凹凸像は表示部２５５に表示される。

特開平１０−１０４２４５号公報

このような光学式変位検出機構における検出感度Ｓ、すなわち、測定対象となるカンチレバーの単位変位あたりの光検出器の上下の受光面の信号の差の出力は、光検出器の光/電流変換係数をα、光検出器の受光面への光量をＰ、光検出器の受光面でのスポット光の面積をＡ、カンチレバーが単位長さ当たり動作した時の上下の受光面でのスポット光の移動した面積の差をΔａ、電流／電圧変換回路の利得（増幅率）をＧとした場合、以下のように表される。

Ｓ＝ＧαＰΔａ／Ａ （１）
ここで、Δａはカンチレバーの長さとカンチレバーから光検出器の距離で決まる光てこ光学系のてこ比で決まり、Ａは集光レンズの特性と光源から光検出器までの距離で決まる。したがって、てこ比や集光レンズが決まった後で、感度を上げるためには、光検出器の受光面への光量Ｐを大きくするか、電流／電圧変換回路の利得（増幅率）Ｇを大きくする必要がある。

しかしながら、変位検出機構の感度Ｓを大きくした場合、測定対象から光検出器の受光面へ入射するスポット光の位置合わせを行う際に、わずかな移動量で光検出器の出力信号が大きく変化してしまうため、位置合わせが非常に困難であった。特に、このような光学式変位検出機構を用いて試料表面の形状情報や、様々な物理情報（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等）を計測する表面情報計測装置の一種であるＳＰＭでは、より微小な力を検出する要求の下、検出感度を高くする傾向が強く、更に位置合わせが困難となっている。

また、光源からの入射光を測定対象であるカンチレバーに照射する場合には、光学顕微鏡（図示せず）の観察像でカンチレバーとカンチレバーへの照射光のスポットを観察しながら位置合わせを行うが、光の強度が強い場合にはサンプル表面やカンチレバーで散乱される散乱光の強度も大きくなり、光学顕微鏡の観察像上で光のスポットが著しく輝いて観察され、視認性が低下する。よって、カンチレバーや照射光のスポットの中心が観察しづらく、カンチレバーへの照射光のスポットの中心を正確に位置合わせすることが困難となり、その結果、測定精度の低下を引き起こす問題もあった。

したがって、本発明の目的は、ＳＰＭなどで使用される光学式変位検出機構において、検出感度を上げた場合でも測定前の光検出器や測定対象へのスポット位置合わせを容易にかつ、確実に行うことが可能な光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では以下の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法を構成し、それを用いたＳＰＭを構成した。

本発明の走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法では、測定対象である走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーまたは任意形状のプローブに光を照射する光源と、その光源を駆動する光源駆動回路と、前記光源から前記測定対象に照射した後の光を受光し光強度を検出する光検出器と、前記光検出器の所定の位置にスポット光を調整する光検出器用位置決め機構と、前記光検出器の検出信号の利得を調整する利得調整器を有し、所定の利得への増幅および調整を行なう増幅器と、を備えた走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法であって、前記測定対象を前記光学式変位検出機構で実際に測定する前に、前記検出信号の利得を前記利得調整器により実測定時の利得よりも小さな値に調整することで前記光検出器での検出感度を低減させて、前記スポット光を前記光検出器用位置決め機構により前記光検出器の所定の位置に調整し、当該調整後に前記検出信号の利得を実測定時の利得へ再調整するようにした。

このようにすることで、検出感度を小さくすることによって、光検出器用位置決め機構による位置合わせを容易に、かつ確実に行うことが可能となる。

尚、位置合わせ後は元の検出感度に設定を戻すことで、サンプルを実際に測定するときには高感度で測定することが可能となる。

また、具体的な検出感度の低減は、光検出器に設けた利得調整器により増幅器の利得（増幅率）設定を変えられるようにし、実測定時よりも利得を小さい値に設定することで検出感度を小さくして、前記光検出器の所定の位置に光のスポットの位置決めを行うようにした。

このように、式（１）において増幅器の利得（増幅率）Ｇを小さくすることで、その結果、検出感度Ｓを小さくすることができ、光検出器用位置決め機構による位置合わせを容易に、かつ確実に行うことが可能となる。

また、本発明の光学式変位検出機構では、光強度可変手段を設けて光検出器に入射する光の強度を実測定時よりも小さい値に設定して、検出感度Ｓを小さくして、前記光検出器の所定の位置に光のスポットの位置決めを行うようにした。

光強度の設定方法として、実際に測定対象を測定する時より光源の発光強度を光源駆動回路により実測定時よりも小さな強度にして光検出器の所定の位置に光のスポットの位置決めを行うようにした。

別の光強度設定方法として、実際に測定対象を測定する時に光源から光検出器までの光路上のいずれかの位置に光の強度を低下させる減光フィルターを入れて、実測定時よりも小さな強度にして前記光検出器の所定の位置に光のスポットの位置決めを行うようにした。

以上のように構成することで、式（１）において光検出器の受光面への光量Ｐを小さくすることができ、その結果、検出感度Ｓが小さくなり、光検出器の位置決め機構による位置合わせを容易に、かつ確実に行うことが可能となる。位置合わせ後は元の光量に戻すことで、測定対象を実際に測定するときには高感度で測定することが可能となる。

さらに、本発明では、光源の光を測定対象に照射して光のスポットの位置を調整するための光源用位置決め機構を有し、前記光強度可変手段により測定対象を実際に測定する時よりも測定対象に照射する前の光の強度を小さい値に設定して、測定対象に前記光源の光を位置決めするようにした。

このように構成することで、測定対象へのスポット光の位置合わせを行う際に測定対象とスポット光の中心との視認性が向上し、正確かつ簡便に測定対象へのスポット光の位置合わせを行うことが可能となり、測定精度が向上する。

また、光検出器の受光面が４分割または２分割され、光源からの光をカンチレバー背面に照射し、カンチレバーからの反射光を受光面で受光するＳＰＭ用の光学式変位検出機構において、測定前に光検出器上の分割面の中心付近にカンチレバーからの反射光を位置決めするようにした。

さらに、光検出器の受光面が４分割または２分割され、光源からの光をプローブに照射し、プローブの影を光検出器の受光面上に投影するＳＰＭ用の光学式変位検出機構において、測定前に光検出器上の分割面の中心付近にプローブに照射された光を位置決めするようにした。

以上のように、本発明の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法を用いることでＳＰＭをはじめとして、光検出器の感度を小さくすることで、例えば表面情報計測装置など、測定時前のカンチレバーやプローブの光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせを容易にかつ確実に行うことが可能となり、測定精度が向上し、測定準備にかかる時間が短縮される。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法に係わる第１実施例および第２実施例を示す概観図である。 図１中に記載されている電流／電圧変換回路を備えた増幅器の回路図である。 本発明に係る走査型近接場顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法に係わる第３実施例を示す概観図である。 本発明に係る走査型プローブ微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法に係わる第４実施例を示す概観図である。 従来の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。

以下、本発明のＳＰＭについて、図面を参照して説明する。

本発明に係る第１の実施例の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法に係わる概念図を図１、図２に示す。図１はＳＰＭに光学式変位検出機構を適用した場合の概観図である。なお、図１は正面図で示しているが光検出器の部分について斜視図で記載している。また、図２は図１の電流／電圧変換回路を備えた増幅器２２の回路図である。

本実施例では先端にサンプルホルダ１が固定され、末端が粗動機構２上に固定された円筒型圧電素子からなる３軸微動機構４を有する。３軸微動機構４は、サンプルホルダ１上に置かれたサンプル５をサンプル面内（ＸＹ平面）方向に走査するＸＹスキャナ部４ａと、サンプル面内と垂直な方向（Ｚ方向）に微動するＺ微動機構４ｂを有している。

サンプル５の上方には、カンチレバー部６ａの先端に先鋭化されたプローブ６ｂを有する、シリコン製のカンチレバー６が、カンチレバーホルダ７を介してベース８に固定されている。カンチレバー６の上方には光学式変位検出機構９が配置される。

ここで、本実施例でのＳＰＭの動作原理を説明する。本実施例はＳＰＭの一種である原子間力顕微鏡であり、サンプル表面の凹凸像の測定を行うために用いられる。本実施例では一般にコンタクト式原子間力顕微鏡と呼ばれている方式を用いている。

粗動機構２によりサンプル５をプローブ６ｂに接近させていくと、プローブ６ｂとサンプル５の間に原子間力が作用し、プローブ６ｂは引力を受ける。さらに接近させていくとプローブ６ｂは斥力を受けるようになり、最後はプローブ６ｂとサンプル５が接触する。このとき、プローブ６ｂが受ける力に応じて、カンチレバー部６ａにたわみが生じる。プローブ６ｂが受ける力、すなわちカンチレバー部６ａのたわみ量は、プローブ６ｂとサンプル５の表面間の距離に依存する。

したがって、カンチレバー部６ａのたわみ量が一定となるようにＺ微動機構４ｂでプローブ６ｂとサンプル５の間の距離を変化させながら、ＸＹスキャナ部４ａでサンプル５をラスタスキャンすることでサンプル５の表面の凹凸形状を得ることができる。

次に、本実施例の光学式変位検出機構９の構成と動作原理について述べる。

この光学式変位検出機構９は、一般に光てこ方式と呼ばれるものであり、光源１０に半導体レーザを使用し、光源１０から発光されるレーザ光を集光レンズ１１で集光し、ビームスプリッター１２で入射光１３の光路を曲げて測定対象であるカンチレバー部６ａの背面に直上（Ｚ方向）から照射する。光源１０の光の強度は光源駆動回路２１により設定される。

カンチレバー６はＸＹ平面に対して傾けられて配置されており、反射光１４は入射光１３の光軸とは異なる方向に反射される。反射光１４はミラー１５で曲げられて、光検出器１６上に入射する。

光の光路はカンチレバー部６ａの背面で一旦結像し光検出器１６の受光面上では有限の大きさを持ったスポット２０を形成するように構成される。光検出器１６は、半導体を材料として製作されており、受光面が４分割（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）された構成となっている。

光検出器１６に光が入射すると、光検出器１６を構成する半導体から電流信号が発生し、光検出器１６の後端に設けられた電流/電圧変換回路を備えた増幅器２２により、４つの受光面ごとに所定の増幅率で電圧信号に変換される。このときの出力は電圧モニター２３で表示される。

ここで、カンチレバー部６ａがＺ方向に撓んだ場合には、光検出器１６上のスポット２０は受光面上で上下に動作する。したがって４分割された受光面（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）のうち、上側の２つの受光面の領域Ａ（Ａ１＋Ａ２）と、下側の２つの受光面の領域Ｂ（Ｂ１＋Ｂ２）に入射する光の強度差Ａ−Ｂを測定することでカンチレバー部６ａのたわみ量を測定することが可能となる。

ここで、図２により電流／電圧変換回路を備えた増幅器２２の回路構成を説明する。本実施例の光学式変位検出機構では、光検出器１６の上側の受光面の領域Ａと、下側の受光面の領域Ｂに入射する光の強度差を測定することでカンチレバー部６ａのたわみ量を測定することが可能となる。ここで、各受光面に入射する光の強度をＰａ１、Ｐａ２、Ｐｂ１、Ｐｂ２とする。各受光面にＰａ１、Ｐａ２、Ｐｂ１、Ｐｂ２の強さの光が入射すると、光検出器１６により光信号が電気信号に変換されて、それぞれの受光面Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２から電流Ｉａ１、Ｉａ２、Ｉｂ１、Ｉｂ２が発生する。この電流は、それぞれの受光面に接続されたオペアンプ３１と抵抗Ｒ１により構成される電流電圧変換回路３０により、電圧信号Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖｂ１、Ｖｂ２に変換される。このとき、電流電圧変換回路３０のフィードバック抵抗値をＲ１とすると、Ｖａ１＝Ｒ１×Ｉａ１、Ｖａ２＝Ｒ１×Ｉａ２、Ｖｂ１＝Ｒ１×Ｉｂ１、Ｖｂ２＝Ｒ１×Ｉｂ２の関係がある。このように、初段の電流電圧変換回路３０では増幅率Ｒ１で増幅されて、電流信号が電圧信号に変換される。これらの電圧信号は、加算回路３４に入力されて、上側２つの受光面の光量の和Ｖａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２、下側２つの受光面の光量の和Ｖｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２が出力される。これらの信号は、オペアンプ３２と抵抗Ｒ２，Ｒ３により構成される差動増幅回路３３に送られて、電圧の差信号Ｖａ−ｂを検出する。ここで、図のようにオペアンプと抵抗値Ｒ２、Ｒ３で差動増幅器を構成した場合、Ｖａ−ｂ＝（Ｒ３／Ｒ２）×（Ｖａ−Ｖｂ）の関係が成り立ち、差動増幅器により増幅率Ｒ３／Ｒ２で増幅されて、Ｖａ−ｂが出力される。このＶａ−ｂを検出することでカンチレバーのたわみ量を測定することができる。

本実施例では、受光感度０．６５Ａ／Ｗの光検出器１６を用い、ＳＰＭで測定対象を測定する場合、電流電圧変換回路３０のフィードバック抵抗値Ｒ１は１００ｋΩに設定し。また、差動増幅回路３３の抵抗値はＲ２＝１０ｋΩ，Ｒ３＝２０ｋΩに設定した。

すなわち実測定時の増幅率は、初段の電流／電圧変換回路で１０００００倍、差動増幅器で２倍に設定される。

この、Ａ−Ｂの電圧信号Ｖａ−ｂを制御回路２４に送り、あらかじめ設定した動作点と比較して、その差分に応じた信号によりスキャナ駆動回路２５からＺ微動機構４ｂを動作させて、サンプル５とプローブ６ｂ間の距離を一定に保つように制御を掛ける。さらに、スキャナ駆動回路２５により、ＸＹスキャナ部４ａを動作させサンプル５をラスタスキャンさせる。

このとき、３軸微動機構４に掛けた電圧信号を表示部２６で表示させることで、サンプル５の表面の凹凸像が得られる。

ここで、測定前の光学式変位検出機構９の調整方法を述べる。カンチレバー６は消耗品であり、測定の都度交換が必要となる場合がある。また、測定の目的に応じて、材質や形状の異なるカンチレバーの中から最適なものが選択されて使用される。したがって、カンチレバー６の交換の都度、入射光１３をカンチレバー部６ａの背面に位置合わせし、さらに、反射光１４を光検出器１６の受光面に位置合わせする必要がある。

まず、カンチレバー部６ａの背面へのスポット光の位置合わせに際しては、まず、光学顕微鏡２９で、カンチレバー６とサンプル５の表面さらにサンプル表面上の入射光１３のスポットを観察する。光源１０と集光レンズ１１から構成される光源モジュール１９は、２軸の送りねじ式のステージより構成される光源用位置決め機構１７に取り付けられており、この光源用位置決め機構１７を動作させることで、入射光１３をＸＹ平面で動かすことが可能となる。光学顕微鏡２９の像によりカンチレバー６とサンプル５に照射された入射光１３のスポットを観察しながら、カンチレバー６ａの背面に入射光１３のスポットの中心が位置するように正確に位置決めする。

次に、光検出器１６のスポット光の位置合わせについて説明する。光検出器１６にも２軸の送りねじ方式のステージより構成される光検出器用位置決め機構１８が取り付けられている。光検出器１６の受光面上に反射光のスポット２０の位置合わせを行う際には、電圧モニター２３の信号を見ながら、まずは４分割された受光面の光量の総和（Ｐａ１＋Ｐａ２＋Ｐｂ１＋Ｐｂ２）が最大となるように光検出器用位置決め機構１８により位置合わせを行う。この状態では、光検出器１６の受光面の任意の位置にスポット２０が位置決めされている。次にスポット２０を４分割された受光面の中心に位置合わせする。そのため、上下の受光面の差（Ｖａ１＋Ｖａ２）−（Ｖｂ１＋Ｖｂ２）の信号を電圧モニター２３で観察しながら、信号が概ね０となるように光検出器用位置決め機構１８により光検出器１６を動かして位置合わせする。これによりスポット２０を上下の受光面の中心に位置合わせすることができる。カンチレバー６ａのたわみを検出する場合には、ここまでの位置合わせで十分であり、上下２分割の受光面を持つ光検出器でも測定可能であるが、例えばカンチレバー６ａのねじれ量を測りプローブ６ｂの先端とサンプル５表面の摩擦力を測定する摩擦力顕微鏡などの場合には、左右の信号の差（Ｖａ１＋Ｖｂ１）−（Ｖａ２＋Ｖｂ２）によりねじれ量の測定を行うため、左右（紙面に垂直な方向）の受光面の信号の差が０となるように光検出器用位置決め機構１８により位置合わせを行う必要がある。

ここで、ＳＰＭにおいてサンプルの特性を高感度に測定するためには、光検出器１６の検出感度（測定対象（ここではカンチレバー６）の単位変位あたりの電圧出力）を高くする必要があるが、検出感度が高い場合には、光検出器１６上に反射光のスポット２０の位置合わせを行う場合に、光検出器用位置決め機構１８をわずかに動かしただけで、上下の受光面の出力差の信号が著しく変動し、光検出器１６の受光面の中心へ反射光のスポット２０位置合わせを行うことが非常に困難となる。

そこで、増幅器２２で設定される利得（増幅率）の設定を変えられるように利得（増幅率）調整器２７を設け、利得（増幅率）を下げて光検出器１６上に反射光１４のスポット２０の位置合わせを行うようにした。すなわち、式（１）で利得（増幅率）Ｇを下げることで、検出感度Ｓを下げて、光検出器用位置決め機構１８を動かしても出力電圧の変動が少なくなるように設定した。増幅率を変更するためには、図２の回路の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のいずれかを可変とすることで実現できる。また、差動増幅回路３３以降の制御回路２４内での電気回路内での調整や信号処理系でのソフトウエアの設定で変更してもよい。

この結果、光検出器１６へのスポット２０の位置合わせが容易に、かつ正確に行うことが可能となった。その結果、位置合わせに対する測定準備に要する時間が短縮され、高精度の位置合わせが可能となった。

光学式変位検出機構９の測定準備が終わった後は利得（増幅率）調整器２７の増幅率を元の値に設定することで、検出感度を高くすることで実際にサンプルを高精度で測定を行うことが可能となる。

本発明に係る、本発明に係る第２の実施例の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法を図１により説明する。基本構成は第１の実施例と同じであるため、重複する部分の説明は省略する。この第２の実施例では、光学式変位検出機構９の光源１０の光源駆動回路２１に、光強度調整器２８を取り付けた構造となっている。

測定前にカンチレバー部６ａの背面への入射光１３の位置合わせと、光検出器１６の受光面へのスポットの位置合わせを行う場合には、この光強度調整器２８により、実測定時よりも光源１０の強度を小さくして位置合わせを行う。本実施例では半導体レーザ１０を駆動する電流値を下げることで強度を小さくした。

まず、カンチレバー部６ａの背面への位置合わせを行う場合には、光学顕微鏡２９で、カンチレバー６とサンプル５の表面、サンプル表面上の入射光１３のスポットを観察する。光源１０と集光レンズ１１から構成される光源モジュール１９は、２軸の送りねじ式のステージより構成される光源用位置決め機構１７に取り付けられており、光学顕微鏡像２９を観察しながら、この光源用位置決め機構１７を動作させ、入射光をＸＹ平面で動かし、カンチレバー部６ａ背面へ入射光１３のスポットの中心に位置するように位置合わせする。このとき光源１０の強度が大きいと、サンプル５の表面やカンチレバー部６ａの背面で散乱される入射光の散乱光が増大し、光学顕微鏡２９の観察像の中で散乱光の強度が強くなり、カンチレバー６や、入射光１３のスポットの中心の視認性が著しく悪くなる。したがって、光源１０の光量の強度を落とすことで、入射光１３の強度が小さくなりその結果、散乱光強度も小さくなり、観察像で散乱光がほとんど観察されなくなってカンチレバー６と入射光１３のスポットの視認性が向上し、容易にかつ確実に入射光１３をカンチレバー部６ａの背面に位置決めすることが可能となる。

また、光検出器１６の中心に反射光１４のスポット２０を位置合わせする場合には、スポット２０の強度も小さくなるため、式（１）の強度Ｐを小さくすることができ、第一の実施例と同様に検出感度Ｓが下がり、検出器用位置決め機構１８を動かしても出力電圧の変動が少なくなる。この結果、光検出器へのスポットの位置合わせが容易に、かつ正確に行うことが可能となった。その結果、位置合わせに対する測定準備に要する時間が短縮され、高精度の位置合わせが可能となった。

本実施例においても、光学式変位検出機構９の測定準備が終わった後は光源１０の強度を元の値に設定することで、検出感度が位置合わせ調整時よりも高くなり実際にサンプルを高精度で測定を行うことが可能となる。

本発明の第３の実施例を図３に示す。図３はＳＰＭの一種である走査型近接場顕微鏡のプローブとプローブの変位検出用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法に係わる模式図である。なお、主要部以外の詳細な構成は省略している。

本実施例で使用されるプローブ５０は光ファイバーの先端を先鋭化し、先端部に開口を設け、開口以外の部分をアルミニウムでコートした構成である。このプローブ５０を加振用の圧電素子５１が取り付けられたプローブホルダ５２に板バネ５３で固定し、プローブ５０の長軸方向がサンプル５４の表面と直交するように配置する。

このように配置したプローブ５０を、加振用圧電素子５１により、サンプル５４の表面と平行な方向（図のＹ軸方向）にプローブ５０の共振周波数の近傍で加振する。このときプローブ５０の先端とサンプル５４の表面を接近させると、サンプル５４の表面の吸着層の抵抗力や、摩擦力あるいは原子間力などの力をプローブ先端が受ける。これらの力は総称してシアフォースと呼ばれる。シアフォースを受けるとプローブ５０の振幅が減少する。この振幅の減少量はプローブ５０の先端とサンプル５４の表面の距離に依存する。したがってプローブ５０の振幅量や位相の変化を計測しながら、振幅や位相が一定となるようにサンプル５４とプローブ５０間の距離を制御することで、サンプル５４とプローブ５０を一定の距離に保つことが可能である。実施例１と同じく、この状態でサンプル５４とプローブ５０を相対的にラスタスキャンすることでサンプル表面の凹凸像を測定することが可能である。走査型近接場顕微鏡では、プローブ５０に光を入射し、プローブ先端の開口部近傍にエバネッセント光を発生させて、サンプル５４に照射し、サンプル表面で散乱させて、その散乱光を検出器により検出することで、サンプル５４の表面の光学的な特性も同時に測定することが可能である。

ここで、本実施例でのプローブ５０の振幅量の測定方法を説明する。本実施例の光学式変位検出機構５５は、集光レンズと半導体レーザが組み込まれた光源部５６と、表面が２分割され半導体を材料とする光検出器５７から構成される。光源部５６からの光は、真横方向（図のＸ方向）からプローブ５０に照射される。このとき光源部５６からの光は結像されるが、プローブ５０への照射点はプローブ５０ですべての光が遮られない程度に結像点からずれた位置で照射される。

プローブ５０に照射された光は、一端結像し、その後再び広がって、プローブ５０に対して光源部５６と対向する位置に配置される光検出器５７の面内に有限のスポット５８を作製するように入射する。このときスポット５８内にはプローブ５０で遮られた部分が影となって現れる。

プローブ５０へのスポット光の位置合わせに際しては、まず、光源部５６に設けられた２軸の光源用位置決め機構５９で光源部５６を動かしてプローブ５０に光が当たるように位置合わせする。次に光検出器５７側に設けられた１軸の光検出器用位置決め機構６０により光検出器５７を左右方向（図のＹ方向）動かして、光検出器５７の後ろ側に配置された電流/電圧変換回路を備えた増幅器６１の出力を電圧モニター６３で観察しながら、光検出器５７の概ね中央付近にスポット５８が当たるように位置合わせする。

このように構成された光学式変位検出機構５５においてプローブ５０が振動すると、２分割された光検出器５７の受光面上の影により遮られていない部分の面積差が変化するため、２つの分割面の光出力の差分を検出することでプローブ５０の振幅量あるいは位相を測定することが可能となる。

本実施例においても、第１、第２の実施例と同様に、光源５６の光強度を光源駆動回路６４に設けられた光強度調整器６５で調整できるようにしており、プローブ５０にレーザ光を照射する場合にレーザの強度を小さくして視認性を向上し、容易にかつ確実に入射光をプローブ５０に位置決めすることが可能となる。また、増幅器６１には利得（増幅率）調整器６２を設けているため、測定感度を下げて、光検出器５７へのスポット光の位置合わせを容易に、かつ正確に行うことが可能となる。以上の結果、位置合わせに対する測定準備に要する時間が短縮され、高精度の位置合わせが可能となった。

本実施例でも、光学式変位検出機構５５の測定準備が終わった後は増幅率や光源の強度を元の値に設定することで、検出感度が位置合わせ調整時よりも高くなり実際にサンプルを高精度で測定を行うことが可能となる。

図４は本発明の第３の実施例のＳＰＭに用いられる光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法に係わる模式図である。本実施例は基本的な構成は図１を用いて第１、第２の実施例で説明した光てこ方式の光学式変位検出機構と同じものであるため、重複する部分の説明は省略する。図１との違いは、光源駆動回路２１に光強度調整器を持たず、また増幅器２２に利得（増幅率）調整器を設けていない点にある。

本実施例では、測定前の光学式変位検出機構９の位置合わせ調整の際に、光源１０とカンチレバー６ａの間の光路に光の強度を減光させる減光フィルター４０を挿入してカンチレバー６ａに入射する光の強度を小さくするようにした。この結果、カンチレバー部６ａ上に入射光１３のスポットを位置決めする場合の視認性が向上し、容易にかつ確実に入射光１３をカンチレバー部６ａの背面に位置決めが可能となる。また、検出感度も下がるため、光検出器１６への反射光１４のスポットの位置合わせも容易に、かつ正確に行うことが可能である。以上の結果、位置合わせに対する測定準備に要する時間が短縮され、高精度の位置合わせが可能となった。

本実施例でも、光学式変位検出機構９の位置合わせ準備が終わった後は、減光フィルター４０を光路から外すことで光源１０の強度が元の値に戻り、検出感度を位置合わせ調整時よりも高くすることで実際にサンプルを高精度で測定を行うことが可能となる。

なお、減光フィルター４０はカンチレバー部６aに反射した後の光路上に入れてもよい。この場合、カンチレバー部６ａへの入射光１３のスポットの位置合わせの視認性に関しては変化がないため、特に光学顕微鏡２９で入射光１３の強度を落とすと入射光１３のスポットが観察しづらいような場合に有利となる。また、検出感度は小さくすることができるため、光検出器１６への反射光１４のスポットの位置合わせの方は容易に、かつ正確に行うことが可能である。

なお、本実施例では、カンチレバー６が圧電素子よりなる加振器４１により共振周波数近傍で加振するように構成される、いわゆる振動方式の原子間力顕微鏡とした。本実施例では光学式変位検出機構９によりカンチレバー部６ａの振幅や位相を計測しながら、プローブ６ｂをサンプル５に近接させていくと、原子間力や間欠的な接触量が作用して振幅や位相が変化する。この変化量はプローブ６ｂとサンプル５の間の距離に依存するため、振幅や位相が一定となるようにプローブ６ｂとサンプル５の間の距離を制御することでプローブ６ｂとサンプル５の間距離を一定に保つことが可能となる。

以上、本発明の実施例について述べたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。例えば、本実施例では受光面が４分割または２分割された半導体製の光検出器を使用したが、受光面を持ち、電圧信号が出力される位置検出素子であれば任意の検出器を適用可能である。例えば、分割面を持たず、受光面上のスポット位置を検出可能な位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＳＤ）と呼ばれる半導体素子などが市販されている。

また、光学系も本実施例に限定されず、測定対象に光を照射し、測定対象を経由した光を光検出器で受光し、光検出器からの信号により測定対象の変位を測定するものであれば任意の光学式変位検出機構に適用可能である。

また、光源も、半導体レーザ（ＬＤ）に限定されず、例えば可干渉性が半導体レーザよりも低いスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）や、白色光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）など任意の光源が適用できる。

光検出器や光源に設けられる位置決め機構は、手動式、自動式を問わず、任意の機構が使用できる。位置決めの自由度も直交１軸または２軸に限定されず、多軸でもよいし、またあおり機構を用いた場合等も本発明に含まれる。

光源の光強度調整器や光検出器側の増幅率調整器も任意の方式のものが使用可能で、例えば、ボリュームツマミを用いて連続的に可変する方法でもよいし、あらかじめ複数の設定値を決めておき、切り替えスイッチにより設定を行う方法でもよい。

また、光源の光強度調整に用いられる減光フィルターは光量を可変する目的で用いるものであれば任意のフィルターが使用できる。

また、ＳＰＭは、実施例で述べたコンタクト方式や振動方式の原子間力顕微鏡や、走査型近接場顕微鏡に限定されず、カンチレバーやプローブを用いて、これらの変位や振幅を検出しながら、プローブとサンプル表面間の距離を制御したり、プローブにかかる力や相互作用を検出することで、サンプル表面の物性を測定するものはすべて本発明に含まれる。また、プローブによりサンプル表面への加工や、サンプル表面の物質のマニピュレーションを行うものなども、すべて本発明に含まれる。また、必ずしもＸＹスキャナで走査させる必要はなく、Ｚ微動機構を用いて高さ方向の相互作用を検出する場合のみであっても本発明に含まれる。

また、本発明の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法は、ＳＰＭへの適用に限定されるものではない。例えば、光学式変位検出機構を用いた表面粗さ計、電気化学顕微鏡等の表面情報計測装置や、プローブで試料表面を加工するプローブ加工装置などにも適用することができる。

１ サンプルホルダ
２ 粗動機構
４ ３軸微動機構
５、５４ サンプル
６ カンチレバー（測定対象）
６ａ カンチレバー部
６ｂ プローブ
９、５５ 光学式変位検出機構
１０、５６ 光源
１６、５７ 光検出器
１７、５９ 光源用位置決め機構
１８、６０ 光検出器用位置決め機構
１９ 光源ユニット
２１、６４ 光源駆動回路
２２、６１ 増幅器
２３、６３ 電圧モニター
２７、６２ 利得（増幅率）調整器
２８、６５ 光強度調整器
２９ 光学顕微鏡
３０ 電流／電圧変換回路
３３ 差動増幅回路
３４ 加算回路
４０ 減光フィルター
５０ プローブ
２０１ 走査型プローブ顕微鏡
２０５ アーム
２０７ カンチレバー
２０９ プローブ
２１１ サンプル
２１２ サンプルステージ
２１３ ３軸微動機構（スキャナ）
２２１ 光源
２３１ 入射光
２３３ 反射光
２３５ 光検出器

Claims (4)

1. 測定対象である走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーまたは任意形状のプローブに光を照射する光源と、
   前記光源を駆動する光源駆動回路と、
   前記光源から前記測定対象に照射した後の光を受光し光強度を検出する光検出器と、
   前記光検出器の所定の位置にスポット光を調整する光検出器用位置決め機構と、
   前記光検出器の検出信号の利得を調整する利得調整器を有し、所定の利得への増幅および調整を行なう増幅器と、を備えた走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法であって、
   前記測定対象を前記光学式変位検出機構で実際に測定する前に、前記検出信号の利得を前記利得調整器により実測定時の利得よりも小さな値に調整することで前記光検出器での検出感度を低減させて、前記スポット光を前記光検出器用位置決め機構により前記光検出器の所定の位置に調整し、当該調整後に前記検出信号の利得を実測定時の利得へ再調整することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法。
2. 前記検出感度の低減が、前記光源と前記測定対象の間または前記測定対象と前記光検出器の間のいずれかの光路上に減光フィルターを設けて、光の強度を低下させることにより行なうものである請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法。
3. 前記光検出器による光検出が、光源からの光を前記測定対象に受けて、その前記測定対象からの反射光を４分割または２分割された受光面にて受光するか又は前記測定対象の影を４分割または２分割された受光面上に投影するものであって、
   実測定前に前記分割された受光面の中心付近に前記反射光又は前記影を位置合わせする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法。
4. 前記光源が、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）、白色光源又は発光ダイオード（ＬＥＤ）のいずれかである請求項１乃至３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構のスポット光の位置合わせ方法。

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