走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法
【課題】 光源の出力を大きくして光路上の光の伝達効率を高めることで、光検出器の受光面への入射光量を大きくし、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくするような変位検出方法を提供する。
【解決手段】 測定対象６に光を照射する光源１０と、光源１０を駆動する光源駆動回路２１と、光源１０から測定対象６に照射した後の光を受光し電気信号に変換して光強度を検出する半導体よりなる光検出器１６と、光検出器１６の検出信号を所定の増幅率で電流／電圧変換する電流／電圧変換回路を含む増幅器２２からなる光学式の変位検出機構９において、スペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上となる光源１０を用いて、光源１０の強度を２ｍＷ以上で駆動してもモードホップノイズや戻り光ノイズの発生を抑えるようにした。
【解決手段】 測定対象６に光を照射する光源１０と、光源１０を駆動する光源駆動回路２１と、光源１０から測定対象６に照射した後の光を受光し電気信号に変換して光強度を検出する半導体よりなる光検出器１６と、光検出器１６の検出信号を所定の増幅率で電流／電圧変換する電流／電圧変換回路を含む増幅器２２からなる光学式の変位検出機構９において、スペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上となる光源１０を用いて、光源１０の強度を２ｍＷ以上で駆動してもモードホップノイズや戻り光ノイズの発生を抑えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡やプローブを用いた表面形状測定装置などで使用され、測定対象に光源からの光を照射し、照射後の光の強度を半導体よりなる光検出器で検出することで走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーなどの測定対象の変位の検出を行う変位検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）が知られている。
【０００３】
これら走査型プローブ顕微鏡では、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。
【０００４】
ここで、従来の典型的な光学式変位検出機構の変位検出方法に係わる走査型プローブ顕微鏡の概略構成図を図６に示す（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図６の走査型プローブ顕微鏡２０１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。
【０００６】
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。
【０００７】
カンチレバー２０７上方には、半導体レーザ（ＬＤ）２２１と半導体を材料とした光検出器２３５より構成され、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。
【０００８】
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。
【０００９】
図７は、（ａ）が光学式変位検出機構２００の概略構成図、（ｂ）が半導体を材料とする光検出器２３５に接続される電気回路図である。この光学式変位検出機構２００では、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）をレンズ２４０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分割された構成で反射光２３３の入射位置を検出することができる。
【００１０】
この光検出器２３５の受光面（Ａ、Ｂ）に光が当たると各々の受光面（Ａ、Ｂ）から電流ｉA、ｉBが発生する。受光面の後ろ側には受光面毎に電流／電圧変換回路２４２ａ、２４２ｂが接続されており、フィードバック抵抗値ＲIVで規定される増幅率により、電流信号ｉA、ｉBが電圧信号ｖA、ｖBに変換されて、後述する差動増幅回路２４３に電圧信号が入力される。
【００１１】
ここで、図６や図７において、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、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２４１が上下に動く。ここで、上下の受光面の差の電圧信号ｖA-Bを差動増幅回路２４３で検出することで、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。なお、差動増幅回路２４３の後ろ側には測定に使用する帯域以外の周波数成分をカットしノイズを抑制するために通常バンドパスフィルター２４４が設けられ、このバンドパスフィルター２４４を通った信号が、Ｚフィードバック回路２５１に送られる。
【００１２】
カンチレバー２０７のたわみ量は、プローブ２０９とサンプル２１１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ｖA-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ｖA-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２０９とサンプル２１１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。
【００１３】
この光学式変位検出機構では、変位検出機構の検出感度（単位長さあたりの出力電圧量）と光学式変位検出機構の信号に混ざっているノイズ成分の大きさにより、測定データの高さ方向の分解能が決まる。
【００１４】
ここで、光学式変位検出機構のノイズの要因としてはいくつかの理由が考えられる。
【００１５】
（１）光検出器のショットノイズ
（２）光検出器のジョンソンノイズ（熱雑音）
（３）光源の量子ノイズ
（４）光源の戻り光ノイズ、モードホップノイズ
（５）カンチレバーの熱揺らぎ
（６）光の干渉ノイズ
このうち通常の走査型プローブ顕微鏡で使用される周波数帯域で最も依存度が高いのは、（１）の光検出器のショットノイズであり、検出感度に対するショットノイズの割合は受光面での光量Ｐの平方根に反比例して小さくなる。
【００１６】
また、測定時の周波数が高い領域になると、（２）のジョンソンノイズの依存度も増してくるようになり、検出感度に対するジョンソンノイズの割合は受光面での光量Ｐに反比例して小さくなる。
【００１７】
ここで、受光面での光量Ｐは光源の出力Ｐ０、光源から測定対象を経て光検出器に至る光路上での光の伝達効率をαとすると、Ｐ＝αＰ０で表される。
【００１８】
このように、ショットノイズやジョンソンノイズは光検出器の受光面上での強度Ｐが増えると、検出感度に対するノイズの量が減少し、その結果、測定データの分解能が向上する。すなわち、光源の出力Ｐ０を大きくするか、または光路上での伝達効率を向上させることが、検出感度に対するノイズの割合を下げるに有効である。
【００１９】
一方、従来の光学式変位検出機構で最も一般的に使用されている光源である半導体レーザの光源側のノイズについて考えてみると、半導体レーザは、低パワーの領域では、素子内部で自然放出光の割合が多くなり（３）の量子ノイズと呼ばれるノイズが発生する。パワーを上げるにしたがって誘導放出光の割合が支配的となって、量子ノイズの割合は減少する。しかしながら、半導体レーザは、出力を大きくするほど量子ノイズが減る一方で、高出力で駆動した場合、（４）に示したようにカンチレバーやサンプルあるいは光路中に配置された光学素子などで反射して半導体レーザに戻ってくる戻り光ノイズや、温度や光出力変動時に発生するモードホップノイズが発生する。このため、光源側の出力には最適値が存在し従来技術では２ｍＷ以下で駆動を行っていた。このように、光検出器の量子ノイズレベルを下げるためには光源側の出力を大きくする必要があるが、光源側の戻り光ノイズやモードホップノイズの発生を抑えるために出力には限界があった。
【００２０】
また、モードホップノイズや戻り光ノイズを低減させるためには、光源のコヒーレンシーを下げることが有効である。言い換えれば光源の波長に対する強度のスペクトルにおいて、強度が最大となる部分のスペクトル幅が広い光源を使用することが好ましく、この目的で、半導体レーザに高周波変調が掛けられていた。また、測定対象や光路中の部材などによる戻り光を防止するために入射光と反射光の偏光状態を変えて、半導体レーザに反射光が戻らない光学系を用いるなどの工夫が行われていた。
【００２１】
また、半導体レーザはコヒーレンシーが高く可干渉性に優れた光源であるため、例えば走査型プローブ顕微鏡ではカンチレバーでの反射光と、カンチレバーをはみ出してサンプルから反射してくる光が干渉して、凹凸像やプローブとサンプルの距離に対する物性測定時のデータに（６）干渉ノイズが生じる場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開平１０−１０４２４５号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Takeshi Fukuma et al, Development of low noise cantilever deflection sensor for multienvironment frequency-modulation atomic force microscopy・ REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 76,053704（2005）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、高周波変調や光学系の偏光を利用したとしても、モードホップノイズや戻り光ノイズを完全に抑制することができない。そのため従来の技術では、半導体レーザからの出力を２ｍＷ以下にしてモードホップノイズや戻り光ノイズが起きづらい領域で駆動を行っていた。
【００２５】
また、高周波変調や偏光光学系の利用を行うためには、特殊な回路や光学素子を準備する必要があり、システムが複雑化し、コストも増加してしまう。
【００２６】
従って、本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡などで使用される光学式変位検出機構を用いた変位検出方法において、検出感度に対するノイズの割合が少なくなるような変位検出方法を従来よりも簡単なシステムで提供することである。
【００２７】
さらに、検出感度に対するノイズの割合を抑制するためには、光検出器への入射光量を大きくする必要があり、このためには光源から出力される光が、光源から測定対象を経由して光検出器に至る過程での光の伝達効率αを高める必要がある。したがって本発明の目的は、光源からの光の伝達効率を高めることで光検出器への受光面への入射光量を高め、検出感度に対するノイズの割合を少なくする変位検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
測定対象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、前記光源から測定対象に照射した後の光を受光し電気信号に変換して光強度を検出する半導体よりなる光検出器と、前記光検出器の検出信号を所定の増幅率で電流／電圧変換する電流／電圧変換回路から構成される光学式変位検出機構を用いた変位検出方法において、光源の波長に対する強度のスペクトルを測定した場合に強度が最大となる部分のスペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上で、好ましくは２５ｎｍ以下の範囲となる光源を用い、かつ光源の強度（出力）を２ｍＷ以上で駆動するようにした。このように構成された変位検出方法を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーまたはプローブの変位検出に用いるようにした。
【００２９】
このように、光源の波長に対する強度のスペクトルにおいて、低コヒーレントな光源を用いて強度が最大となる部分のスペクトル幅が広くなるようにすることで、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生することなしに光源の出力を高くすることができるので、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。
【００３０】
また、本発明の変位検出方法では 走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーまたはプローブを溶液中で駆動させるようにした。この場合、光源と測定対象であるカンチレバーまたはプローブの間の光路中に前記光源に使用される光に対して任意の透過率を有する透過性の基板を挿入し、前記基板と前記測定対象との間に界面が接するように溶液を満たし、該溶液中にカンチレバーまたはプローブが配置するようにした。
【００３１】
このように構成することで、基板の表面や、溶液と基板の界面からの反射光が発生しても戻り光ノイズやモードホップノイズが発生しないので光源の出力を高くすることができ、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。
【００３２】
また、本発明の変位検出方法では、光検出器の受光面が４分割または２分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象からの反射光を前記受光面で受光するように構成した。あるいは、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象の影を前記光検出器の受光面上に投影するように構成した。
【００３３】
このような構成とすることで、特に走査型プローブ顕微鏡の測定分解能を高くすることが可能となる。
【００３４】
また、本発明では光源にスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を用いた。ＳＬＤはスペクトルの半値幅が概ね１０ｎｍから２５ｎｍ程度であり、半導体レーザよりもスペクトル幅が広く、低コヒーレントな光源であるため高出力で駆動した場合でも戻り光ノイズやモードホップノイズが発生せず、また発光ダイオードのスペクトルの半値幅（概ね２０〜７０ｎｍ）に比べるとスペクトル幅が狭いので、測定対象にスポットを集光させることができる。
【００３５】
例えば走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーではカンチレバーの幅が一般的に３０μｍ以下であり、これよりもスポットが大きくなると測定対象からスポットがはみ出し、その結果、光路上での光の損失が大きくなり、伝達効率が減少してしまうが、スポットを絞り込むことができるので、伝達効率も高くすることが可能となる。
また、可干渉性が半導体レーザよりも劣るのでカンチレバーからの反射光とカンチレバーからはみ出してサンプルから反射してくる光による干渉ノイズも抑制される。
【００３６】
また、本発明では、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に任意の反射率の反射面を有し反射率が偏光依存性をもつ光学部材を挿入し、偏光依存性を持った光源を使用し、前記光源の偏光方向による前記光学部材の反射率が高くなるように光源と光学部材を配置し、前記光学部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。
【００３７】
また、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に任意の反射率の反射面を有し反射率が波長依存性を持つようなコートが施された光学部材を挿入し、前記コートの特性を前記光源の強度が最大となる波長における前記光学部材の反射率が高くなるように設定し、前記光学部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。
【００３８】
また、光源の波長を７００ｎｍ以上とし、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に金または金合金がコートされた反射部材を配置し、前記反射部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。
【００３９】
このように構成することで、コンパクトな変位検出機構であっても伝達効率を高めることが可能となる。
【００４０】
さらに、本発明では、測定対象をカンチレバーとし、カンチレバーの両面に材質と厚さが同一のコートを施すようにした。また、光源の波長を７００ｎｍ以上とし、前記測定対象をカンチレバーとし、該カンチレバーの片面または両面に金または金合金のコートを施すようにした。
【００４１】
このように構成することで、カンチレバー自体が反射部材として機能し、カンチレバーの反射面での反射率を高くすることが可能となり、伝達効率を高めることが可能となる。また、カンチレバーにコートを施した場合、カンチレバーの母材（通常はシリコンかシリコンナイトライド）とコートされた材料の線膨張係数の差によりカンチレバーに照射される光源からの光の熱でカンチレバーに反りが生じてしまうが、カンチレバーの両面にコートを施すことで、線膨張係数の差が両面のコートにより相殺され、入射光量を多くしてもカンチレバーの反りが発生しない。
【００４２】
また、本発明では光源からの光を光ファイバーにより伝播させて、測定対象に照射するようにした。このように光ファイバーで測定対象に光を導くことにより、狭い場所でも測定対象の変位検出が可能となる。光ファイバーへ入射する場合には端面からの反射光で戻り光ノイズや強度揺らぎが発生してしまうが、スペクトル幅の広い光源を用いることでこれらのノイズが防止される。特にＳＬＤを用いた場合には、光ファイバーへの結合効率も高くなり、伝達効率を高めることが可能となる。
【発明の効果】
【００４３】
以上のように本発明では、スペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上、好ましくは２５ｎｍ以下の範囲の低コヒーレンスの光源を用いることで、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生することなしに光源の出力を２ｍＷ以上と高くすることができるので、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。
【００４４】
また、光路上の反射ミラーや測定対象の反射率を光源の偏光や波長の特性に合わせて構成することで光源から測定対象を経由し光検出器に至るまでの光の伝達効率を高めることができ、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となり、その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。
【００４５】
さらに、光源にスペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下のＳＬＤを使用することで、測定対象へ照射するスポットの直径を小さくすることができ、測定対象から光がはみ出すことによる光のロスを防止できる。さらに光ファイバーで伝播させる場合には光ファイバーへの結合効率を高めることができる。このため、伝達効率を高めて光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合が少なくなり、変位検出の分解能を高くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【図２】図１の電流／電圧変換回路を含む増幅器の回路図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る溶液中のサンプルを測定するための走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る走査型近接場顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である
【図５】本発明の第４の実施例に係る光ファイバー伝播方式の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００４８】
本発明に係る第１の実施例の変位検出方法に係わる機構を図１、図２に示す。図１は走査型プローブ顕微鏡に本発明の変位検出方法を適用する場合の機構の概観図である。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に記載されている、電流／電圧変換回路を含む増幅器２２の回路図である。
【００４９】
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。
【００５０】
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、母材がシリコン製で下地としてクロムを１０ｎｍその上に金を１００ｎｍ両面に同じ厚さでコートされたカンチレバー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。
【００５１】
ここで、本実施例での走査型プローブ顕微鏡の動作原理を説明する。本実施例は走査型プローブ顕微鏡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。
【００５２】
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。
【００５３】
したがって、カンチレバー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をラスター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。
【００５４】
次に、本実施例の変位検出方法に係わる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。
【００５５】
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に後述するスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を使用し、光源１０から発光される光を集光レンズ１１で集光し、ビームスプリッタ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。
【００５６】
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、半導体よりなる光検出器（フォトディテクタ）１６上に入射する。
【００５７】
光の光路はカンチレバー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２分割（Ａ、Ｂ）された構成となっている。
【００５８】
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、電流／電圧変換回路３０と差動増幅回路３３により構成される増幅器２２により、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。
【００５９】
ここで、カンチレバー６ａがＺ方向にたわんだ場合には、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。このときの光検出信号の流れを図２の電流／電圧変換回路を含む増幅器２２の回路図を用いて説明する。
【００６０】
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Ｐａ−Ｐｂを測定することでカンチレバー６ａのたわみ量を測定することが可能となる。Ｐａ、Ｐｂ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Ａ、Ｂから電流Ｉａ、Ｉｂ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Ｖａ、Ｖｂ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、Ｖａ＝Ｒ１×Ｉａ、Ｖｂ＝Ｒ１×Ｉｂ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Ｖａ、Ｖｂ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で差動増幅回路を構成した場合、Ｖａ−ｂ＝（Ｒ３／Ｒ２）×（Ｖａ−Ｖｂ）の関係が成り立ち、差動増幅回路により増幅率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。
【００６１】
本実施例では、受光感度０．６５Ａ／Ｗの光検出器１６を用い、電流／電圧変換回路３０のフィードバック抵抗値Ｒ１は４５ｋΩとした。また、差動増幅回路３３の抵抗値はＲ２＝１０ｋΩ，Ｒ３＝２０ｋΩとした。なお、ショットノイズの絶対量はフィードバック抵抗Ｒ１に比例するが、検出感度もＲ１に比例するので、検出感度に対するショットノイズの割合を求める際は相殺される。また、光検出器１６への入射光量を大きくした場合、増幅率を従来と同じに設定すると、検出感度が高すぎて、制御回路２４が発振しやすくなるので、従来よりもフィードバック抵抗値Ｒ１を小さくして系の発振を抑えた。
【００６２】
この、Ｖａ−ｂの電圧信号を図１に示す制御回路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をラスタースキャンさせる。
【００６３】
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。
【００６４】
ここで、光源１０に用いたＳＬＤの特性について説明する。本実施例で用いたＳＬＤは中心波長が８３０ｎｍで波長に対する強度のスペクトルの半値幅が１７ｎｍ、最大定格出力６ｍＷのＳＬＤを用いた。一般に市販されているＳＬＤは、スペクトルの半値幅が１０〜２５ｎｍの範囲にあり、半導体レーザ（ＬＤ）のスペクトルの半値幅が数ｎｍであるのに比べて、スペクトルの半値幅が狭く、低コヒーレントな光源である。このため、可干渉性がＬＤに比べて低く、測定対象や光路内にある光学部材からの反射光による戻り光ノイズが少ない光源である。また、モードホップノイズも発生しない。ＬＤで高出力駆動を行った際には、これらの戻り光ノイズやモードホップノイズが顕著に発生するため、高周波駆動や、偏光板を用いて戻り光をカットする必要があったが、ＳＬＤの場合にはこれらの工夫を行わなくても、高出力化が可能である。また、発光ダイオード（ＬＥＤ）はスペクトルの半値幅が通常２０〜７０ｎｍであり、可干渉性は低いが、ＬＥＤはレンズで絞ることが難しく、カンチレバー背面や、光検出器上に小さなスポットを作ることが困難で、光ファイバーへのカップリング効率も悪かったが、ＳＬＤでは集光性も確保できる。このように、従来の走査型プローブ顕微鏡で使用されるＬＤでは元の光源のパワーは２ｍＷが限界であったが、本発明では、モードホップノイズや戻り光ノイズの影響を受けずに光源１０の出力を２ｍＷ以上で駆動を行うことができた。本実施例では３ｍＷで駆動を行った。
【００６５】
このように光源の光出力を従来よりも高くすることができるので、光検出器への入射光量も高くなり、ショットノイズやジョンソンノイズを抑制することが可能となった。その結果、検出感度に対するノイズの割合が小さくなり、分解能を高めることが可能となった。
【００６６】
また、カンチレバーからの反射光と、カンチレバーからはみ出してサンプルから反射した光の干渉を考えた場合に、ＳＬＤを用いると測定対象へ照射されるスポット光が小さく絞ることができるのでカンチレバーからはみ出す光が少なくなり、また光源自体も可干渉性が低いので、干渉ノイズも抑制される。
【００６７】
なお、本発明では光源１０にはＳＬＤの使用が好ましいが、ＬＥＤなどスペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上の光源であれば、モードホップノイズや戻り光ノイズの影響を受けずに２ｍＷ以上の高出力駆動が可能であるため、本発明に含まれる。
【００６８】
また、本発明では、光源１０の光量を高くすることに加えて、光学系の伝達効率αを高くするような構成をとり、光検出器１６への入射光をより大きくした。
【００６９】
まず、光路中のビームスプリッタ１２の反射面に、波長８３０ｎｍの近赤外領域の反射率が可視領域よりも高くなるような誘電体がコートされ、さらに、ビームスプリッタ１２に偏光依存性を持たせ、Ｓ偏光（紙面に垂直）を入射して反射効率を高くした。ＳＬＤ１０からの光は偏光しているので、Ｓ偏光の光がビームスプリッタ１２の反射面に平行に入射するようにＳＬＤ１０を配置した。偏光依存性のないタイプのビームスプリッタを用いた場合には反射率は０．５であったが、偏光依存型を用い、さらに近赤外領域の反射率を高めることで用いることで、反射率が０．７に向上した。
【００７０】
次に、カンチレバー６には通常、光を反射させる反射部材として機能させるためにアルミニウムがコートされているが、ＳＬＤ１０の発振波長である８３０ｎｍの近赤外領域の反射率を高くするために金をコートした。８３０ｎｍに対する反射率はアルミニウムが０．８８に対して、金にすることで０．９５まで高くすることができた。なお、母材であるシリコンと金の密着性を向上させるため、両面に、クロムを下地としてコートしている。
【００７１】
ここで、高出力でカンチレバー６に光を照射した場合、光によりカンチレバー６の温度が上昇する。このとき、カンチレバー６の母材とコートされた金属の線膨張係数の差によってカンチレバー６に反りが発生してしまう。これを防止するため、本実施例では、カンチレバー６の両面に、同一の金とクロムを同じ厚さだけスパッタにより膜付けして、両面の金属で線膨張率の差を打ち消しあい、反りを防止するようにした。なお、反射率が若干犠牲になるが、反りの影響が大きい場合には、コートを施さなくてもよい。この場合、カンチレバー６の反射率が下がった分だけ、光源１０のパワーを上げるとこで、光検出器の入射光量を確保することができる。また、反りが測定上問題にならない場合には片面コートだけでも問題はない。
【００７２】
また、カンチレバー６ａに照射する光が絞れない場合には、カンチレバー６ａからはみ出して光学的なロスを生じるが、ＳＬＤを用いることで、約１０μｍ程度までスポット径を絞ることができた。一般的なカンチレバーでは、カンチレバーの幅が１０〜３０μｍであるので、カンチレバーからのはみ出しをほとんどなくすことができる。カンチレバー反射後に光検出器１６の方向に光路を曲げるための反射部材として機能するミラー１５も従来はアルミニウムをコートしていたが、金コートのミラーに変更した。これにより、保護膜付のアルミニウムの反射率０．７９に対して金では０．９５まで高くすることができた。
【００７３】
以上のような光学系を用いて、本発明では光源の出力３ｍＷ、カンチレバーへの照射パワー１．０５ｍＷ、光検出器への入射パワー０．８７ｍＷを実現できた。
【００７４】
以上のような工夫を行うことで、光学系の伝達効率αを高くすることが可能となり、光検出器への入射光量をさらに高めることができ、光検出器の検出感度に対するノイズの割合が小さくなり、分解能を高めることが可能となった。
【００７５】
なお、本実施例において光検出器１６には受光面が上下２分割のものを用いたが、左右に分割された受光面を有する４分割の光検出器も適用可能である。この場合、受光面ごとに電流／電圧変換回路を設けることにより、上下の受光面の差信号によりカンチレバー６ａのたわみ量を検出するのに加え、左右の受光面の差信号からカンチレバーのねじれ量を検出することも可能である。
【００７６】
また、本実施例では、直上からのサンプル５やカンチレバー６を光学顕微鏡２９で観察を行うために入射光１３の光路変更を行う際にビームスプリッタ１２を使用したが、ビームスプリッタ１２の代わりの反射部材として、全反射ミラーやダイクロイックミラーを用いてもよい。また、反射部材を用いずに直接カンチレバーに光を照射してもよい。この場合、伝達効率をさらに高くすることができる。
【実施例２】
【００７７】
本発明に係る、第２の実施例を図３により説明する。図３は溶液中で動作させる走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。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。
【００７８】
本実施例では、カンチレバー６ａを共振周波数の近傍で振動させながらサンプル４５に近接させ、近接した際の原子間力や間欠的な接触力による振幅の減少量や位相の変化を第１の実施例と同一の光てこ方式の光学式変位検出機構９で検出する。振幅の減少量や位相の変化量は、サンプル４５とプローブ６ｂの距離に依存するため、プローブ６ｂとサンプル４５間の距離制御を行うことができる。このように、本実施例では振動方式の原子間力顕微鏡を使用している。
また、本実施例のカンチレバーホルダ３５は、金属ベースブロック３６とガラスベースブロック３７とからなる構造となっている。ガラスベースブロック３７にはカンチレバー加振用の圧電素子よりなる振動子４１とカンチレバー固定部４２がガラスベースブロック３７に接着固定されている。カンチレバー固定部４２にはカンチレバー６が固定されている。振動子４１は溶液中で用いるため、シリコンシール剤で周囲を防水処理し、電気的なショートを防止している。
【００７９】
ガラスのベースブロック３７には先端が平面に加工された突起部３８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４のサンプルホルダ１にはシャーレ４４が載せられており、シャーレ４４の中に溶液４６に浸された細胞などの生体や有機薄膜などのサンプル４５が固定されている。
【００８０】
サンプル４５とプローブ６ｂを接近させていくと、突起部３８の平面部３９がシャーレ内の液面と表面張力により接触し、液体層４６が形成されて溶液中にカンチレバー６とサンプル４５が浸った状態となる。
【００８１】
光学式変位検出機構９は、光源１０として第１の実施例と同様にＳＬＤが用いられており、ＳＬＤからの光は集光レンズ１１で集光され、ビームスプリッタ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。カンチレバーホルダ３５のガラスベースブロック３５は石英ガラス製で、ＳＬＤの波長である８３０ｎｍを透過させる。入射光は空気層においてビームスプリッタ１２で曲げられたあと、ガラスベースブロック３７を透過し、液体層４６に進んでいきカンチレバー６ａの背面に照射される。カンチレバー６ａの背面で反射されたレーザ光は、液体層４６からガラスベースブロック３７を透過した後、ミラー１５を経由して受光面が２分割された光検出器１６に入射する。光検出器１６は電流／電圧変換回路を含む増幅回路２２に接続されている。電流／電圧変換回路を含む増幅回路２２は第１の実施例の図２に示した回路と同一である。ここで、特に溶液中でカンチレバー６ａを振動させた場合には、後に述べるカンチレバー６ａが溶液から受ける粘性抵抗や、光が透過する部材からの散乱光の影響により、振幅の検出信号にカンチレバー６ａの共振周波数以外のノイズが載り測定精度を悪化させる場合が多い。このノイズを除去する目的で、増幅器２２の差動増幅回路３３の後ろ側に、カンチレバー６ａの共振周波数の近傍以外の周波数成分を除去するバンドパスフィルターを設ける場合もある。
【００８２】
ここで、入射光１３は、ガラスベースブロック３７と空気層４３の界面４０と、ガラスベースブロック３７と液体層４６の界面３９でそれぞれ反射するため、第１の実施例の空気中で測定を行う場合よりも光源１０側への戻り光が大きくなる。従来の光学式変位検出機構で光源として用いられていた半導体レーザではこの戻り光により、戻り光ノイズやモードホップノイズが発生するので、光源の出力を大きくできず、そのため検出感度に対する光検出器のノイズを小さくすることができなかった。光源１０を高調波変調させることでモードホップノイズや戻り光ノイズを減らすことは可能であるが、完全に除去することはできず、また、高周波変調を用いる場合には光源駆動回路２１も複雑となりコストも高くなってしまっていた。特に、溶液中でカンチレバー６ａを振動させた場合には、大気中より粘性抵抗が大きく、振動が微弱となるため、検出感度に対するノイズを減らさないと、振動の検出精度が悪化し測定精度が悪化する。
【００８３】
しかしながら、光源１０として、低コヒーレント光源であるＳＬＤを使用しているため、高調波変調など特殊な手法を使用せずに、戻り光ノイズやモードホップノイズを抑制でき、光源１０の出力を大きくすることが可能となった。本実施例ではガラスベースブロック３７を光が透過する際のロスを考慮して、空気層よりも、光源１０の出力を高めに設定し、４ｍＷで駆動させた。このため、光検出器１６の検出感度に対するショットノイズやジョンソンの割合を小さくすることが可能となり、溶液中においてもカンチレバー６ａの振動を正確に検出でき、その結果、分解能を高くする可能となった。
【実施例３】
【００８４】
本発明の第３の実施例を図４に示す。図４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に用いられるプローブ変位検出用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。なお、主要部以外の詳細な構成は省略している。
【００８５】
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。
【００８６】
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。第１の実施例と同じく、この状態でサンプル５４とプローブ５０を相対的にラスター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。
【００８７】
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、集光レンズと光源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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
測定に際しては、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）に動かして、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。
【００９１】
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の受光面上で影が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。
【００９２】
本実施例では光源として波長７００ｎｍ、スペクトル半値幅３５ｎｍの発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた。光源５６は光源駆動回路６４で駆動され、強度を３ｍＷで使用した。
【００９３】
ＬＥＤは半導体レーザやＳＬＤのようにスポットを小さく絞ることができないが、本実施例で使用した光ファイバープローブは直径がφ１２５μｍと、カンチレバーに比べて大きいので、ＬＥＤのスポットの大きさでも十分測定することが可能である。
【００９４】
従来の光源として半導体レーザを用いていた場合には、モードホップノイズや、プローブや光検出器からの反射光により戻り光ノイズが発生するため、２ｍＷ以上の大きな強度で光源を駆動することができなかったが、本実施例では、スペクトル幅が広く低コヒーレントな光源であるＬＥＤを用いているため、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生せず、高出力で光源を駆動することができる。このため、光検出器への受光面のスポットの強度を高めることができ、検出感度に対する、光検出器のノイズの割合を小さくでき、その結果分解能を高めることが可能となった。
【実施例４】
【００９５】
本発明の第４の実施例を図５に示す。図５は光ファイバーにより光を伝播しカンチレバーに照射して光てこ法によりカンチレバーの変位を検出する方式の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。本実施例でも主要部以外の詳細な構成は省略している。
【００９６】
本実施例では、末端がベース７０に固定された円筒型の３軸微動機構７１の先端にカンチレバー加振用の圧電素子７３が取り付けられたカンチレバーホルダ７２が固定され、カンチレバーホルダ７２にカンチレバー７４が固定されている。カンチレバー７４に設けられたプローブ７４ｂと対抗する位置にサンプル８５が載置されている。
【００９７】
３軸微動機構７１から離れた位置には、光源７５と集光レンズ７７と光コネクタ７８より構成される、光源ユニット７６が設けられている。光源７５にはＳＬＤを使用して、ＳＬＤは光源駆動回路７９により駆動される。光コネクタ７８には、ＳＬＤの波長である８３０ｎｍ用のシングルモード光ファイバー８０が接続されていて、光ファイバーの末端にＳＬＤ７５の光が集光レンズ７７によりカップリングされている。
【００９８】
光ファイバー８０は円筒型の３軸微動機構７１の内部を通って、先端が３軸微動機構の先端に固定されている。３軸微動機構７１の先端には集光レンズ８１が固定されている。光ファイバーの先端に伝播された光は、集光レンズ８１で再び集められて、カンチレバー７４ａの背面に集光される。ここで、光ファイバー７１の先端と集光レンズ８１、カンチレバー７４はすべて３軸微動機構７１の先端に固定されているので、３軸微動機構７１を駆動しても、カンチレバー７４ａの背面に集光された光のスポット位置はずれない。
【００９９】
カンチレバー７４ａの背面で反射された光は、レンズユニット８２により受光面が４分割された半導体光検出器８３上に集光されてスポットが作製される。半導体光検出器８３は電流／電圧変換回路を含む増幅器８４に接続されていて、カンチレバー７４ａの変位が検出される。ここで、レンズユニット８２は３軸微動機構７１とは独立して固定されているが、３軸微動機構７１を駆動してカンチレバー７４をスキャンした場合でも、光検出器８３上のスポットは動かないようなトラッキングレンズ構造となっている。
【０１００】
本実施例では、以上のような構成で振動方式の原子間力顕微鏡の原理により測定を行う。第１から第３の実施例では、サンプル側をスキャンしていたが、本実施例ではカンチレバー７４側をスキャンするため大型のサンプルの測定も可能である。このようなカンチレバースキャンの場合には、高速駆動を行うために３軸微動機構７１で駆動される部品をできるだけ軽量化して３軸微動機構７１の共振周波数を高める必要があるが、光源ユニット７６を３軸微動機構７１と切り離して、独立に外部に配置し、光ファイバー８０で光を伝播することで、３軸微動機構７１の先端に取り付ける機構の軽量化が実現される。
【０１０１】
ここで、従来の半導体レーザを光源としていた場合には、光ファイバー８０の端面での反射光による戻り光ノイズや、ＬＤのモードホップノイズにより、光源の出力を高めることができなかったが、ＳＬＤを採用することで、これらのノイズの発生を抑えて、光源の出力を高くすることが可能となる。またＳＬＤではＬＥＤなどに比べると、レンズで光を絞ることができるので、光ファイバーへのカップリング効率も高めることができ、カップリングの損失を抑えて、光検出器への光の伝達効率を高めることも可能である。
【０１０２】
本実施例では以上のような構成で光源の出力を高くして、伝達効率も高くできるので光検出器への受光面のスポットの強度を高めることができ、検出感度に対する、光検出器のノイズの割合を小さくでき、その結果分解能を高めることが可能となった。
【０１０３】
なお、本発明は以上述べてきた実施例に限定されるものではない。
【０１０４】
たとえば、光源は出力も比較的安定して、測定対象が微小なプローブの場合に光学レンズで光のスポットを小さく絞れ、また光ファイバーで伝播する場合にはファイバーへのカップリング効率に優れるスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）が好ましいが、発光ダイオード（ＬＥＤ）や白色光源などスペクトル強度の半値幅が１０ｎｍ以上の任意の光源が適用できる。
【０１０５】
また、光源のパワーは、２ｍＷ以上であれば光源が安定に動作する範囲で高くすることができる。光源の出力は一般に光源からの発熱や周囲温度の影響を受けやすいが、ヒートシンクにより放熱を行ったり、あるいはペルチエ素子などで光源の温度制御を行うことでさらに高出力で安定して光源を駆動することができる。
【０１０６】
さらに、走査型プローブ顕微鏡で測定する場合には、カンチレバーからの反射光と、カンチレバーをはみ出してサンプルから反射してくる光が干渉し、凹凸像や、プローブとサンプルの距離に対するプローブにかかる力の関係（フォースカーブ）に干渉縞ノイズが発生する場合があるが、本発明ではスペクトル強度の半値幅が１０ｎｍ以上の低コヒーレント光源を用いているため、可干渉性が低下し、干渉縞ノイズも大幅に低減することができる。
【０１０７】
また、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、光の強度を電気信号に変換する任意の検出器が適用可能である。例えば、分割面を持たず、半導体より構成された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。
【０１０８】
また、走査型プローブ顕微鏡は、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制御を行う装置や、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の対象である。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、すべて本発明の対象である。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も本発明に含まれる。
【０１０９】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法は、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の変位検出方法へも適用することができる。これらの場合でも、本発明の変位検出方法を適用することで検出感度に対するノイズの割合を小さくすることが可能となり測定精度が向上する。
【符号の説明】
【０１１０】
１ サンプルステージ
２ 粗動機構
４ ３軸微動機構
５ サンプル
６ カンチレバー
７ カンチレバーホルダ
９ 光学式変位検出機構
１０ 光源
１１ 集光レンズ
１２ ビームスプリッタ
１５ ミラー
１６ 光検出器
１７ 光源用位置決め機構
１８ 光検出器用位置決め機構
１９ 光源ユニット
２０ スポット
２１ 光源駆動回路
２２ 増幅器（電流／電圧変換回路）
２３ 電圧モニター
２９ 光学顕微鏡
３０ 電流／電圧変換回路
３３ 差動増幅回路
３５ カンチレバーホルダ
３６ 金属ベースブロック
３７ ガラスベースブロック
４３ 空気層
４４ シャーレ
４５ サンプル
４６ 溶液
５０ プローブ
５２ プローブホルダ
５４ サンプル
５５ 光学式変位検出機構
５６ 光源部
５７ 光検出器
５８ スポット
５９ 光源用位置決め機構
６０ 光検出器用位置決め機構
６１ 増幅器（電流／電圧変換回路）
６４ 光源駆動回路
７１ ３軸微動機構
７２ カンチレバーホルダ
７４ カンチレバー
７５ 光源
７６ 光源ユニット
７７ 集光レンズ
７８ 光カプラー
７９ 光源駆動回路
８０ 光ファイバー
８１ 集光レンズ
８２ レンズユニット
８３ 光検出器
８４ 電流／電圧変換回路
８５ サンプル
２００ 光学式変位検出機構
２０１ 走査型プローブ顕微鏡
２０７ カンチレバー
２０９ プローブ
２１１ サンプル
２１３ ３軸微動機構
２２１ 光源（半導体レーザ）
２３５ 光検出器
２４２ 増幅器（電流／電圧変換回路）
２４３ 差動増幅回路
２４４ バンドパスフィルター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡やプローブを用いた表面形状測定装置などで使用され、測定対象に光源からの光を照射し、照射後の光の強度を半導体よりなる光検出器で検出することで走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーなどの測定対象の変位の検出を行う変位検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）が知られている。
【０００３】
これら走査型プローブ顕微鏡では、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。
【０００４】
ここで、従来の典型的な光学式変位検出機構の変位検出方法に係わる走査型プローブ顕微鏡の概略構成図を図６に示す（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図６の走査型プローブ顕微鏡２０１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。
【０００６】
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。
【０００７】
カンチレバー２０７上方には、半導体レーザ（ＬＤ）２２１と半導体を材料とした光検出器２３５より構成され、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。
【０００８】
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。
【０００９】
図７は、（ａ）が光学式変位検出機構２００の概略構成図、（ｂ）が半導体を材料とする光検出器２３５に接続される電気回路図である。この光学式変位検出機構２００では、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）をレンズ２４０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分割された構成で反射光２３３の入射位置を検出することができる。
【００１０】
この光検出器２３５の受光面（Ａ、Ｂ）に光が当たると各々の受光面（Ａ、Ｂ）から電流ｉA、ｉBが発生する。受光面の後ろ側には受光面毎に電流／電圧変換回路２４２ａ、２４２ｂが接続されており、フィードバック抵抗値ＲIVで規定される増幅率により、電流信号ｉA、ｉBが電圧信号ｖA、ｖBに変換されて、後述する差動増幅回路２４３に電圧信号が入力される。
【００１１】
ここで、図６や図７において、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、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２４１が上下に動く。ここで、上下の受光面の差の電圧信号ｖA-Bを差動増幅回路２４３で検出することで、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。なお、差動増幅回路２４３の後ろ側には測定に使用する帯域以外の周波数成分をカットしノイズを抑制するために通常バンドパスフィルター２４４が設けられ、このバンドパスフィルター２４４を通った信号が、Ｚフィードバック回路２５１に送られる。
【００１２】
カンチレバー２０７のたわみ量は、プローブ２０９とサンプル２１１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ｖA-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ｖA-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２０９とサンプル２１１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。
【００１３】
この光学式変位検出機構では、変位検出機構の検出感度（単位長さあたりの出力電圧量）と光学式変位検出機構の信号に混ざっているノイズ成分の大きさにより、測定データの高さ方向の分解能が決まる。
【００１４】
ここで、光学式変位検出機構のノイズの要因としてはいくつかの理由が考えられる。
【００１５】
（１）光検出器のショットノイズ
（２）光検出器のジョンソンノイズ（熱雑音）
（３）光源の量子ノイズ
（４）光源の戻り光ノイズ、モードホップノイズ
（５）カンチレバーの熱揺らぎ
（６）光の干渉ノイズ
このうち通常の走査型プローブ顕微鏡で使用される周波数帯域で最も依存度が高いのは、（１）の光検出器のショットノイズであり、検出感度に対するショットノイズの割合は受光面での光量Ｐの平方根に反比例して小さくなる。
【００１６】
また、測定時の周波数が高い領域になると、（２）のジョンソンノイズの依存度も増してくるようになり、検出感度に対するジョンソンノイズの割合は受光面での光量Ｐに反比例して小さくなる。
【００１７】
ここで、受光面での光量Ｐは光源の出力Ｐ０、光源から測定対象を経て光検出器に至る光路上での光の伝達効率をαとすると、Ｐ＝αＰ０で表される。
【００１８】
このように、ショットノイズやジョンソンノイズは光検出器の受光面上での強度Ｐが増えると、検出感度に対するノイズの量が減少し、その結果、測定データの分解能が向上する。すなわち、光源の出力Ｐ０を大きくするか、または光路上での伝達効率を向上させることが、検出感度に対するノイズの割合を下げるに有効である。
【００１９】
一方、従来の光学式変位検出機構で最も一般的に使用されている光源である半導体レーザの光源側のノイズについて考えてみると、半導体レーザは、低パワーの領域では、素子内部で自然放出光の割合が多くなり（３）の量子ノイズと呼ばれるノイズが発生する。パワーを上げるにしたがって誘導放出光の割合が支配的となって、量子ノイズの割合は減少する。しかしながら、半導体レーザは、出力を大きくするほど量子ノイズが減る一方で、高出力で駆動した場合、（４）に示したようにカンチレバーやサンプルあるいは光路中に配置された光学素子などで反射して半導体レーザに戻ってくる戻り光ノイズや、温度や光出力変動時に発生するモードホップノイズが発生する。このため、光源側の出力には最適値が存在し従来技術では２ｍＷ以下で駆動を行っていた。このように、光検出器の量子ノイズレベルを下げるためには光源側の出力を大きくする必要があるが、光源側の戻り光ノイズやモードホップノイズの発生を抑えるために出力には限界があった。
【００２０】
また、モードホップノイズや戻り光ノイズを低減させるためには、光源のコヒーレンシーを下げることが有効である。言い換えれば光源の波長に対する強度のスペクトルにおいて、強度が最大となる部分のスペクトル幅が広い光源を使用することが好ましく、この目的で、半導体レーザに高周波変調が掛けられていた。また、測定対象や光路中の部材などによる戻り光を防止するために入射光と反射光の偏光状態を変えて、半導体レーザに反射光が戻らない光学系を用いるなどの工夫が行われていた。
【００２１】
また、半導体レーザはコヒーレンシーが高く可干渉性に優れた光源であるため、例えば走査型プローブ顕微鏡ではカンチレバーでの反射光と、カンチレバーをはみ出してサンプルから反射してくる光が干渉して、凹凸像やプローブとサンプルの距離に対する物性測定時のデータに（６）干渉ノイズが生じる場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開平１０−１０４２４５号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Takeshi Fukuma et al, Development of low noise cantilever deflection sensor for multienvironment frequency-modulation atomic force microscopy・ REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 76,053704（2005）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、高周波変調や光学系の偏光を利用したとしても、モードホップノイズや戻り光ノイズを完全に抑制することができない。そのため従来の技術では、半導体レーザからの出力を２ｍＷ以下にしてモードホップノイズや戻り光ノイズが起きづらい領域で駆動を行っていた。
【００２５】
また、高周波変調や偏光光学系の利用を行うためには、特殊な回路や光学素子を準備する必要があり、システムが複雑化し、コストも増加してしまう。
【００２６】
従って、本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡などで使用される光学式変位検出機構を用いた変位検出方法において、検出感度に対するノイズの割合が少なくなるような変位検出方法を従来よりも簡単なシステムで提供することである。
【００２７】
さらに、検出感度に対するノイズの割合を抑制するためには、光検出器への入射光量を大きくする必要があり、このためには光源から出力される光が、光源から測定対象を経由して光検出器に至る過程での光の伝達効率αを高める必要がある。したがって本発明の目的は、光源からの光の伝達効率を高めることで光検出器への受光面への入射光量を高め、検出感度に対するノイズの割合を少なくする変位検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
測定対象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、前記光源から測定対象に照射した後の光を受光し電気信号に変換して光強度を検出する半導体よりなる光検出器と、前記光検出器の検出信号を所定の増幅率で電流／電圧変換する電流／電圧変換回路から構成される光学式変位検出機構を用いた変位検出方法において、光源の波長に対する強度のスペクトルを測定した場合に強度が最大となる部分のスペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上で、好ましくは２５ｎｍ以下の範囲となる光源を用い、かつ光源の強度（出力）を２ｍＷ以上で駆動するようにした。このように構成された変位検出方法を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーまたはプローブの変位検出に用いるようにした。
【００２９】
このように、光源の波長に対する強度のスペクトルにおいて、低コヒーレントな光源を用いて強度が最大となる部分のスペクトル幅が広くなるようにすることで、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生することなしに光源の出力を高くすることができるので、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。
【００３０】
また、本発明の変位検出方法では 走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーまたはプローブを溶液中で駆動させるようにした。この場合、光源と測定対象であるカンチレバーまたはプローブの間の光路中に前記光源に使用される光に対して任意の透過率を有する透過性の基板を挿入し、前記基板と前記測定対象との間に界面が接するように溶液を満たし、該溶液中にカンチレバーまたはプローブが配置するようにした。
【００３１】
このように構成することで、基板の表面や、溶液と基板の界面からの反射光が発生しても戻り光ノイズやモードホップノイズが発生しないので光源の出力を高くすることができ、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。
【００３２】
また、本発明の変位検出方法では、光検出器の受光面が４分割または２分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象からの反射光を前記受光面で受光するように構成した。あるいは、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象の影を前記光検出器の受光面上に投影するように構成した。
【００３３】
このような構成とすることで、特に走査型プローブ顕微鏡の測定分解能を高くすることが可能となる。
【００３４】
また、本発明では光源にスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を用いた。ＳＬＤはスペクトルの半値幅が概ね１０ｎｍから２５ｎｍ程度であり、半導体レーザよりもスペクトル幅が広く、低コヒーレントな光源であるため高出力で駆動した場合でも戻り光ノイズやモードホップノイズが発生せず、また発光ダイオードのスペクトルの半値幅（概ね２０〜７０ｎｍ）に比べるとスペクトル幅が狭いので、測定対象にスポットを集光させることができる。
【００３５】
例えば走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーではカンチレバーの幅が一般的に３０μｍ以下であり、これよりもスポットが大きくなると測定対象からスポットがはみ出し、その結果、光路上での光の損失が大きくなり、伝達効率が減少してしまうが、スポットを絞り込むことができるので、伝達効率も高くすることが可能となる。
また、可干渉性が半導体レーザよりも劣るのでカンチレバーからの反射光とカンチレバーからはみ出してサンプルから反射してくる光による干渉ノイズも抑制される。
【００３６】
また、本発明では、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に任意の反射率の反射面を有し反射率が偏光依存性をもつ光学部材を挿入し、偏光依存性を持った光源を使用し、前記光源の偏光方向による前記光学部材の反射率が高くなるように光源と光学部材を配置し、前記光学部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。
【００３７】
また、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に任意の反射率の反射面を有し反射率が波長依存性を持つようなコートが施された光学部材を挿入し、前記コートの特性を前記光源の強度が最大となる波長における前記光学部材の反射率が高くなるように設定し、前記光学部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。
【００３８】
また、光源の波長を７００ｎｍ以上とし、光源から測定対象を経由し、光検出器に至る光路上に金または金合金がコートされた反射部材を配置し、前記反射部材により光を反射させて光路を曲げるようにした。
【００３９】
このように構成することで、コンパクトな変位検出機構であっても伝達効率を高めることが可能となる。
【００４０】
さらに、本発明では、測定対象をカンチレバーとし、カンチレバーの両面に材質と厚さが同一のコートを施すようにした。また、光源の波長を７００ｎｍ以上とし、前記測定対象をカンチレバーとし、該カンチレバーの片面または両面に金または金合金のコートを施すようにした。
【００４１】
このように構成することで、カンチレバー自体が反射部材として機能し、カンチレバーの反射面での反射率を高くすることが可能となり、伝達効率を高めることが可能となる。また、カンチレバーにコートを施した場合、カンチレバーの母材（通常はシリコンかシリコンナイトライド）とコートされた材料の線膨張係数の差によりカンチレバーに照射される光源からの光の熱でカンチレバーに反りが生じてしまうが、カンチレバーの両面にコートを施すことで、線膨張係数の差が両面のコートにより相殺され、入射光量を多くしてもカンチレバーの反りが発生しない。
【００４２】
また、本発明では光源からの光を光ファイバーにより伝播させて、測定対象に照射するようにした。このように光ファイバーで測定対象に光を導くことにより、狭い場所でも測定対象の変位検出が可能となる。光ファイバーへ入射する場合には端面からの反射光で戻り光ノイズや強度揺らぎが発生してしまうが、スペクトル幅の広い光源を用いることでこれらのノイズが防止される。特にＳＬＤを用いた場合には、光ファイバーへの結合効率も高くなり、伝達効率を高めることが可能となる。
【発明の効果】
【００４３】
以上のように本発明では、スペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上、好ましくは２５ｎｍ以下の範囲の低コヒーレンスの光源を用いることで、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生することなしに光源の出力を２ｍＷ以上と高くすることができるので、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となる。その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。
【００４４】
また、光路上の反射ミラーや測定対象の反射率を光源の偏光や波長の特性に合わせて構成することで光源から測定対象を経由し光検出器に至るまでの光の伝達効率を高めることができ、光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合を少なくすることが可能となり、その結果、光学式変位検出機構の分解能を高くすることが可能となる。
【００４５】
さらに、光源にスペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下のＳＬＤを使用することで、測定対象へ照射するスポットの直径を小さくすることができ、測定対象から光がはみ出すことによる光のロスを防止できる。さらに光ファイバーで伝播させる場合には光ファイバーへの結合効率を高めることができる。このため、伝達効率を高めて光検出器の受光面への入射光量を大きくすることが可能となり、検出感度に対するショットノイズやジョンソンノイズの割合が少なくなり、変位検出の分解能を高くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【図２】図１の電流／電圧変換回路を含む増幅器の回路図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る溶液中のサンプルを測定するための走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る走査型近接場顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である
【図５】本発明の第４の実施例に係る光ファイバー伝播方式の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００４８】
本発明に係る第１の実施例の変位検出方法に係わる機構を図１、図２に示す。図１は走査型プローブ顕微鏡に本発明の変位検出方法を適用する場合の機構の概観図である。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に記載されている、電流／電圧変換回路を含む増幅器２２の回路図である。
【００４９】
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。
【００５０】
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、母材がシリコン製で下地としてクロムを１０ｎｍその上に金を１００ｎｍ両面に同じ厚さでコートされたカンチレバー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。
【００５１】
ここで、本実施例での走査型プローブ顕微鏡の動作原理を説明する。本実施例は走査型プローブ顕微鏡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。
【００５２】
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。
【００５３】
したがって、カンチレバー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をラスター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。
【００５４】
次に、本実施例の変位検出方法に係わる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。
【００５５】
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に後述するスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を使用し、光源１０から発光される光を集光レンズ１１で集光し、ビームスプリッタ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。
【００５６】
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、半導体よりなる光検出器（フォトディテクタ）１６上に入射する。
【００５７】
光の光路はカンチレバー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２分割（Ａ、Ｂ）された構成となっている。
【００５８】
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、電流／電圧変換回路３０と差動増幅回路３３により構成される増幅器２２により、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。
【００５９】
ここで、カンチレバー６ａがＺ方向にたわんだ場合には、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。このときの光検出信号の流れを図２の電流／電圧変換回路を含む増幅器２２の回路図を用いて説明する。
【００６０】
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Ｐａ−Ｐｂを測定することでカンチレバー６ａのたわみ量を測定することが可能となる。Ｐａ、Ｐｂ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Ａ、Ｂから電流Ｉａ、Ｉｂ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Ｖａ、Ｖｂ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、Ｖａ＝Ｒ１×Ｉａ、Ｖｂ＝Ｒ１×Ｉｂ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Ｖａ、Ｖｂ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で差動増幅回路を構成した場合、Ｖａ−ｂ＝（Ｒ３／Ｒ２）×（Ｖａ−Ｖｂ）の関係が成り立ち、差動増幅回路により増幅率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。
【００６１】
本実施例では、受光感度０．６５Ａ／Ｗの光検出器１６を用い、電流／電圧変換回路３０のフィードバック抵抗値Ｒ１は４５ｋΩとした。また、差動増幅回路３３の抵抗値はＲ２＝１０ｋΩ，Ｒ３＝２０ｋΩとした。なお、ショットノイズの絶対量はフィードバック抵抗Ｒ１に比例するが、検出感度もＲ１に比例するので、検出感度に対するショットノイズの割合を求める際は相殺される。また、光検出器１６への入射光量を大きくした場合、増幅率を従来と同じに設定すると、検出感度が高すぎて、制御回路２４が発振しやすくなるので、従来よりもフィードバック抵抗値Ｒ１を小さくして系の発振を抑えた。
【００６２】
この、Ｖａ−ｂの電圧信号を図１に示す制御回路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をラスタースキャンさせる。
【００６３】
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。
【００６４】
ここで、光源１０に用いたＳＬＤの特性について説明する。本実施例で用いたＳＬＤは中心波長が８３０ｎｍで波長に対する強度のスペクトルの半値幅が１７ｎｍ、最大定格出力６ｍＷのＳＬＤを用いた。一般に市販されているＳＬＤは、スペクトルの半値幅が１０〜２５ｎｍの範囲にあり、半導体レーザ（ＬＤ）のスペクトルの半値幅が数ｎｍであるのに比べて、スペクトルの半値幅が狭く、低コヒーレントな光源である。このため、可干渉性がＬＤに比べて低く、測定対象や光路内にある光学部材からの反射光による戻り光ノイズが少ない光源である。また、モードホップノイズも発生しない。ＬＤで高出力駆動を行った際には、これらの戻り光ノイズやモードホップノイズが顕著に発生するため、高周波駆動や、偏光板を用いて戻り光をカットする必要があったが、ＳＬＤの場合にはこれらの工夫を行わなくても、高出力化が可能である。また、発光ダイオード（ＬＥＤ）はスペクトルの半値幅が通常２０〜７０ｎｍであり、可干渉性は低いが、ＬＥＤはレンズで絞ることが難しく、カンチレバー背面や、光検出器上に小さなスポットを作ることが困難で、光ファイバーへのカップリング効率も悪かったが、ＳＬＤでは集光性も確保できる。このように、従来の走査型プローブ顕微鏡で使用されるＬＤでは元の光源のパワーは２ｍＷが限界であったが、本発明では、モードホップノイズや戻り光ノイズの影響を受けずに光源１０の出力を２ｍＷ以上で駆動を行うことができた。本実施例では３ｍＷで駆動を行った。
【００６５】
このように光源の光出力を従来よりも高くすることができるので、光検出器への入射光量も高くなり、ショットノイズやジョンソンノイズを抑制することが可能となった。その結果、検出感度に対するノイズの割合が小さくなり、分解能を高めることが可能となった。
【００６６】
また、カンチレバーからの反射光と、カンチレバーからはみ出してサンプルから反射した光の干渉を考えた場合に、ＳＬＤを用いると測定対象へ照射されるスポット光が小さく絞ることができるのでカンチレバーからはみ出す光が少なくなり、また光源自体も可干渉性が低いので、干渉ノイズも抑制される。
【００６７】
なお、本発明では光源１０にはＳＬＤの使用が好ましいが、ＬＥＤなどスペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上の光源であれば、モードホップノイズや戻り光ノイズの影響を受けずに２ｍＷ以上の高出力駆動が可能であるため、本発明に含まれる。
【００６８】
また、本発明では、光源１０の光量を高くすることに加えて、光学系の伝達効率αを高くするような構成をとり、光検出器１６への入射光をより大きくした。
【００６９】
まず、光路中のビームスプリッタ１２の反射面に、波長８３０ｎｍの近赤外領域の反射率が可視領域よりも高くなるような誘電体がコートされ、さらに、ビームスプリッタ１２に偏光依存性を持たせ、Ｓ偏光（紙面に垂直）を入射して反射効率を高くした。ＳＬＤ１０からの光は偏光しているので、Ｓ偏光の光がビームスプリッタ１２の反射面に平行に入射するようにＳＬＤ１０を配置した。偏光依存性のないタイプのビームスプリッタを用いた場合には反射率は０．５であったが、偏光依存型を用い、さらに近赤外領域の反射率を高めることで用いることで、反射率が０．７に向上した。
【００７０】
次に、カンチレバー６には通常、光を反射させる反射部材として機能させるためにアルミニウムがコートされているが、ＳＬＤ１０の発振波長である８３０ｎｍの近赤外領域の反射率を高くするために金をコートした。８３０ｎｍに対する反射率はアルミニウムが０．８８に対して、金にすることで０．９５まで高くすることができた。なお、母材であるシリコンと金の密着性を向上させるため、両面に、クロムを下地としてコートしている。
【００７１】
ここで、高出力でカンチレバー６に光を照射した場合、光によりカンチレバー６の温度が上昇する。このとき、カンチレバー６の母材とコートされた金属の線膨張係数の差によってカンチレバー６に反りが発生してしまう。これを防止するため、本実施例では、カンチレバー６の両面に、同一の金とクロムを同じ厚さだけスパッタにより膜付けして、両面の金属で線膨張率の差を打ち消しあい、反りを防止するようにした。なお、反射率が若干犠牲になるが、反りの影響が大きい場合には、コートを施さなくてもよい。この場合、カンチレバー６の反射率が下がった分だけ、光源１０のパワーを上げるとこで、光検出器の入射光量を確保することができる。また、反りが測定上問題にならない場合には片面コートだけでも問題はない。
【００７２】
また、カンチレバー６ａに照射する光が絞れない場合には、カンチレバー６ａからはみ出して光学的なロスを生じるが、ＳＬＤを用いることで、約１０μｍ程度までスポット径を絞ることができた。一般的なカンチレバーでは、カンチレバーの幅が１０〜３０μｍであるので、カンチレバーからのはみ出しをほとんどなくすことができる。カンチレバー反射後に光検出器１６の方向に光路を曲げるための反射部材として機能するミラー１５も従来はアルミニウムをコートしていたが、金コートのミラーに変更した。これにより、保護膜付のアルミニウムの反射率０．７９に対して金では０．９５まで高くすることができた。
【００７３】
以上のような光学系を用いて、本発明では光源の出力３ｍＷ、カンチレバーへの照射パワー１．０５ｍＷ、光検出器への入射パワー０．８７ｍＷを実現できた。
【００７４】
以上のような工夫を行うことで、光学系の伝達効率αを高くすることが可能となり、光検出器への入射光量をさらに高めることができ、光検出器の検出感度に対するノイズの割合が小さくなり、分解能を高めることが可能となった。
【００７５】
なお、本実施例において光検出器１６には受光面が上下２分割のものを用いたが、左右に分割された受光面を有する４分割の光検出器も適用可能である。この場合、受光面ごとに電流／電圧変換回路を設けることにより、上下の受光面の差信号によりカンチレバー６ａのたわみ量を検出するのに加え、左右の受光面の差信号からカンチレバーのねじれ量を検出することも可能である。
【００７６】
また、本実施例では、直上からのサンプル５やカンチレバー６を光学顕微鏡２９で観察を行うために入射光１３の光路変更を行う際にビームスプリッタ１２を使用したが、ビームスプリッタ１２の代わりの反射部材として、全反射ミラーやダイクロイックミラーを用いてもよい。また、反射部材を用いずに直接カンチレバーに光を照射してもよい。この場合、伝達効率をさらに高くすることができる。
【実施例２】
【００７７】
本発明に係る、第２の実施例を図３により説明する。図３は溶液中で動作させる走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。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。
【００７８】
本実施例では、カンチレバー６ａを共振周波数の近傍で振動させながらサンプル４５に近接させ、近接した際の原子間力や間欠的な接触力による振幅の減少量や位相の変化を第１の実施例と同一の光てこ方式の光学式変位検出機構９で検出する。振幅の減少量や位相の変化量は、サンプル４５とプローブ６ｂの距離に依存するため、プローブ６ｂとサンプル４５間の距離制御を行うことができる。このように、本実施例では振動方式の原子間力顕微鏡を使用している。
また、本実施例のカンチレバーホルダ３５は、金属ベースブロック３６とガラスベースブロック３７とからなる構造となっている。ガラスベースブロック３７にはカンチレバー加振用の圧電素子よりなる振動子４１とカンチレバー固定部４２がガラスベースブロック３７に接着固定されている。カンチレバー固定部４２にはカンチレバー６が固定されている。振動子４１は溶液中で用いるため、シリコンシール剤で周囲を防水処理し、電気的なショートを防止している。
【００７９】
ガラスのベースブロック３７には先端が平面に加工された突起部３８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４のサンプルホルダ１にはシャーレ４４が載せられており、シャーレ４４の中に溶液４６に浸された細胞などの生体や有機薄膜などのサンプル４５が固定されている。
【００８０】
サンプル４５とプローブ６ｂを接近させていくと、突起部３８の平面部３９がシャーレ内の液面と表面張力により接触し、液体層４６が形成されて溶液中にカンチレバー６とサンプル４５が浸った状態となる。
【００８１】
光学式変位検出機構９は、光源１０として第１の実施例と同様にＳＬＤが用いられており、ＳＬＤからの光は集光レンズ１１で集光され、ビームスプリッタ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。カンチレバーホルダ３５のガラスベースブロック３５は石英ガラス製で、ＳＬＤの波長である８３０ｎｍを透過させる。入射光は空気層においてビームスプリッタ１２で曲げられたあと、ガラスベースブロック３７を透過し、液体層４６に進んでいきカンチレバー６ａの背面に照射される。カンチレバー６ａの背面で反射されたレーザ光は、液体層４６からガラスベースブロック３７を透過した後、ミラー１５を経由して受光面が２分割された光検出器１６に入射する。光検出器１６は電流／電圧変換回路を含む増幅回路２２に接続されている。電流／電圧変換回路を含む増幅回路２２は第１の実施例の図２に示した回路と同一である。ここで、特に溶液中でカンチレバー６ａを振動させた場合には、後に述べるカンチレバー６ａが溶液から受ける粘性抵抗や、光が透過する部材からの散乱光の影響により、振幅の検出信号にカンチレバー６ａの共振周波数以外のノイズが載り測定精度を悪化させる場合が多い。このノイズを除去する目的で、増幅器２２の差動増幅回路３３の後ろ側に、カンチレバー６ａの共振周波数の近傍以外の周波数成分を除去するバンドパスフィルターを設ける場合もある。
【００８２】
ここで、入射光１３は、ガラスベースブロック３７と空気層４３の界面４０と、ガラスベースブロック３７と液体層４６の界面３９でそれぞれ反射するため、第１の実施例の空気中で測定を行う場合よりも光源１０側への戻り光が大きくなる。従来の光学式変位検出機構で光源として用いられていた半導体レーザではこの戻り光により、戻り光ノイズやモードホップノイズが発生するので、光源の出力を大きくできず、そのため検出感度に対する光検出器のノイズを小さくすることができなかった。光源１０を高調波変調させることでモードホップノイズや戻り光ノイズを減らすことは可能であるが、完全に除去することはできず、また、高周波変調を用いる場合には光源駆動回路２１も複雑となりコストも高くなってしまっていた。特に、溶液中でカンチレバー６ａを振動させた場合には、大気中より粘性抵抗が大きく、振動が微弱となるため、検出感度に対するノイズを減らさないと、振動の検出精度が悪化し測定精度が悪化する。
【００８３】
しかしながら、光源１０として、低コヒーレント光源であるＳＬＤを使用しているため、高調波変調など特殊な手法を使用せずに、戻り光ノイズやモードホップノイズを抑制でき、光源１０の出力を大きくすることが可能となった。本実施例ではガラスベースブロック３７を光が透過する際のロスを考慮して、空気層よりも、光源１０の出力を高めに設定し、４ｍＷで駆動させた。このため、光検出器１６の検出感度に対するショットノイズやジョンソンの割合を小さくすることが可能となり、溶液中においてもカンチレバー６ａの振動を正確に検出でき、その結果、分解能を高くする可能となった。
【実施例３】
【００８４】
本発明の第３の実施例を図４に示す。図４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に用いられるプローブ変位検出用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。なお、主要部以外の詳細な構成は省略している。
【００８５】
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。
【００８６】
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。第１の実施例と同じく、この状態でサンプル５４とプローブ５０を相対的にラスター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。
【００８７】
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、集光レンズと光源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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
測定に際しては、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）に動かして、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。
【００９１】
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の受光面上で影が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。
【００９２】
本実施例では光源として波長７００ｎｍ、スペクトル半値幅３５ｎｍの発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた。光源５６は光源駆動回路６４で駆動され、強度を３ｍＷで使用した。
【００９３】
ＬＥＤは半導体レーザやＳＬＤのようにスポットを小さく絞ることができないが、本実施例で使用した光ファイバープローブは直径がφ１２５μｍと、カンチレバーに比べて大きいので、ＬＥＤのスポットの大きさでも十分測定することが可能である。
【００９４】
従来の光源として半導体レーザを用いていた場合には、モードホップノイズや、プローブや光検出器からの反射光により戻り光ノイズが発生するため、２ｍＷ以上の大きな強度で光源を駆動することができなかったが、本実施例では、スペクトル幅が広く低コヒーレントな光源であるＬＥＤを用いているため、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生せず、高出力で光源を駆動することができる。このため、光検出器への受光面のスポットの強度を高めることができ、検出感度に対する、光検出器のノイズの割合を小さくでき、その結果分解能を高めることが可能となった。
【実施例４】
【００９５】
本発明の第４の実施例を図５に示す。図５は光ファイバーにより光を伝播しカンチレバーに照射して光てこ法によりカンチレバーの変位を検出する方式の走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法に係わる機構の概観図である。本実施例でも主要部以外の詳細な構成は省略している。
【００９６】
本実施例では、末端がベース７０に固定された円筒型の３軸微動機構７１の先端にカンチレバー加振用の圧電素子７３が取り付けられたカンチレバーホルダ７２が固定され、カンチレバーホルダ７２にカンチレバー７４が固定されている。カンチレバー７４に設けられたプローブ７４ｂと対抗する位置にサンプル８５が載置されている。
【００９７】
３軸微動機構７１から離れた位置には、光源７５と集光レンズ７７と光コネクタ７８より構成される、光源ユニット７６が設けられている。光源７５にはＳＬＤを使用して、ＳＬＤは光源駆動回路７９により駆動される。光コネクタ７８には、ＳＬＤの波長である８３０ｎｍ用のシングルモード光ファイバー８０が接続されていて、光ファイバーの末端にＳＬＤ７５の光が集光レンズ７７によりカップリングされている。
【００９８】
光ファイバー８０は円筒型の３軸微動機構７１の内部を通って、先端が３軸微動機構の先端に固定されている。３軸微動機構７１の先端には集光レンズ８１が固定されている。光ファイバーの先端に伝播された光は、集光レンズ８１で再び集められて、カンチレバー７４ａの背面に集光される。ここで、光ファイバー７１の先端と集光レンズ８１、カンチレバー７４はすべて３軸微動機構７１の先端に固定されているので、３軸微動機構７１を駆動しても、カンチレバー７４ａの背面に集光された光のスポット位置はずれない。
【００９９】
カンチレバー７４ａの背面で反射された光は、レンズユニット８２により受光面が４分割された半導体光検出器８３上に集光されてスポットが作製される。半導体光検出器８３は電流／電圧変換回路を含む増幅器８４に接続されていて、カンチレバー７４ａの変位が検出される。ここで、レンズユニット８２は３軸微動機構７１とは独立して固定されているが、３軸微動機構７１を駆動してカンチレバー７４をスキャンした場合でも、光検出器８３上のスポットは動かないようなトラッキングレンズ構造となっている。
【０１００】
本実施例では、以上のような構成で振動方式の原子間力顕微鏡の原理により測定を行う。第１から第３の実施例では、サンプル側をスキャンしていたが、本実施例ではカンチレバー７４側をスキャンするため大型のサンプルの測定も可能である。このようなカンチレバースキャンの場合には、高速駆動を行うために３軸微動機構７１で駆動される部品をできるだけ軽量化して３軸微動機構７１の共振周波数を高める必要があるが、光源ユニット７６を３軸微動機構７１と切り離して、独立に外部に配置し、光ファイバー８０で光を伝播することで、３軸微動機構７１の先端に取り付ける機構の軽量化が実現される。
【０１０１】
ここで、従来の半導体レーザを光源としていた場合には、光ファイバー８０の端面での反射光による戻り光ノイズや、ＬＤのモードホップノイズにより、光源の出力を高めることができなかったが、ＳＬＤを採用することで、これらのノイズの発生を抑えて、光源の出力を高くすることが可能となる。またＳＬＤではＬＥＤなどに比べると、レンズで光を絞ることができるので、光ファイバーへのカップリング効率も高めることができ、カップリングの損失を抑えて、光検出器への光の伝達効率を高めることも可能である。
【０１０２】
本実施例では以上のような構成で光源の出力を高くして、伝達効率も高くできるので光検出器への受光面のスポットの強度を高めることができ、検出感度に対する、光検出器のノイズの割合を小さくでき、その結果分解能を高めることが可能となった。
【０１０３】
なお、本発明は以上述べてきた実施例に限定されるものではない。
【０１０４】
たとえば、光源は出力も比較的安定して、測定対象が微小なプローブの場合に光学レンズで光のスポットを小さく絞れ、また光ファイバーで伝播する場合にはファイバーへのカップリング効率に優れるスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）が好ましいが、発光ダイオード（ＬＥＤ）や白色光源などスペクトル強度の半値幅が１０ｎｍ以上の任意の光源が適用できる。
【０１０５】
また、光源のパワーは、２ｍＷ以上であれば光源が安定に動作する範囲で高くすることができる。光源の出力は一般に光源からの発熱や周囲温度の影響を受けやすいが、ヒートシンクにより放熱を行ったり、あるいはペルチエ素子などで光源の温度制御を行うことでさらに高出力で安定して光源を駆動することができる。
【０１０６】
さらに、走査型プローブ顕微鏡で測定する場合には、カンチレバーからの反射光と、カンチレバーをはみ出してサンプルから反射してくる光が干渉し、凹凸像や、プローブとサンプルの距離に対するプローブにかかる力の関係（フォースカーブ）に干渉縞ノイズが発生する場合があるが、本発明ではスペクトル強度の半値幅が１０ｎｍ以上の低コヒーレント光源を用いているため、可干渉性が低下し、干渉縞ノイズも大幅に低減することができる。
【０１０７】
また、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、光の強度を電気信号に変換する任意の検出器が適用可能である。例えば、分割面を持たず、半導体より構成された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。
【０１０８】
また、走査型プローブ顕微鏡は、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制御を行う装置や、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の対象である。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、すべて本発明の対象である。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も本発明に含まれる。
【０１０９】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法は、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の変位検出方法へも適用することができる。これらの場合でも、本発明の変位検出方法を適用することで検出感度に対するノイズの割合を小さくすることが可能となり測定精度が向上する。
【符号の説明】
【０１１０】
１ サンプルステージ
２ 粗動機構
４ ３軸微動機構
５ サンプル
６ カンチレバー
７ カンチレバーホルダ
９ 光学式変位検出機構
１０ 光源
１１ 集光レンズ
１２ ビームスプリッタ
１５ ミラー
１６ 光検出器
１７ 光源用位置決め機構
１８ 光検出器用位置決め機構
１９ 光源ユニット
２０ スポット
２１ 光源駆動回路
２２ 増幅器（電流／電圧変換回路）
２３ 電圧モニター
２９ 光学顕微鏡
３０ 電流／電圧変換回路
３３ 差動増幅回路
３５ カンチレバーホルダ
３６ 金属ベースブロック
３７ ガラスベースブロック
４３ 空気層
４４ シャーレ
４５ サンプル
４６ 溶液
５０ プローブ
５２ プローブホルダ
５４ サンプル
５５ 光学式変位検出機構
５６ 光源部
５７ 光検出器
５８ スポット
５９ 光源用位置決め機構
６０ 光検出器用位置決め機構
６１ 増幅器（電流／電圧変換回路）
６４ 光源駆動回路
７１ ３軸微動機構
７２ カンチレバーホルダ
７４ カンチレバー
７５ 光源
７６ 光源ユニット
７７ 集光レンズ
７８ 光カプラー
７９ 光源駆動回路
８０ 光ファイバー
８１ 集光レンズ
８２ レンズユニット
８３ 光検出器
８４ 電流／電圧変換回路
８５ サンプル
２００ 光学式変位検出機構
２０１ 走査型プローブ顕微鏡
２０７ カンチレバー
２０９ プローブ
２１１ サンプル
２１３ ３軸微動機構
２２１ 光源（半導体レーザ）
２３５ 光検出器
２４２ 増幅器（電流／電圧変換回路）
２４３ 差動増幅回路
２４４ バンドパスフィルター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象が先端にプローブを有するカンチレバーまたは任意の形状のプローブと、
波長に対する強度のスペクトルを測定した場合に強度が最大となる部分のスペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下のスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）または１０ｎｍ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）からなり、前記測定対象に光を照射する光源と、
前記光源を駆動させる光源駆動回路と、
前記光源から測定対象に照射した後の光を材質が半導体からなる受光面にて受光し電気信号に変換して光強度を検出する光検出器と、
該光検出器の検出信号を所定の増幅率で処理する電流／電圧変換回路と、を備えた走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法において、
前記光源の出力を２ｍＷ以上の出力で駆動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項２】
前記光検出器の受光面が４分割または２分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象からの反射光を前記受光面で受光するようにした請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項３】
前記光検出器の受光面が４分割または２分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象の影を前記光検出器の受光面上に投影するようにした請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項４】
前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、偏光依存性をもつ任意の反射率の反射面を有する光学部材を備え、
前記光源は偏光依存性を有し、
前記光源および光学部材の配置により、前記光学部材の反射率を高くした請求項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の変位検出方法。
【請求項５】
前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、波長依存性をもつ任意の反射率の反射面を有する光学部材を備え、
前記光源および光学部材の配置により、前記光学部材の反射率を高くした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項６】
前記光源の波長が７００ｎｍ以上であり、
前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、金または金合金がコートされた反射部材を配置した請求項１乃至５のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項７】
前記測定対象がカンチレバーであり、
カンチレバーの両面に材質と厚さが同一のコートを施した請求項１乃至６のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項８】
前記光源からの光を光ファイバーにより伝播させて、測定対象に照射するようにした請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項９】
前記カンチレバーまたはプローブを、溶液中で駆動するものである請求項１乃至８のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項１０】
前記光源と前記測定対象であるカンチレバーまたはプローブとの間の光路中に前記光源から出射する光に対して任意の透過率を有する透過性の基板を備え、前記基板と前記測定対象との間に界面が接するように溶液を満たした請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項１】
測定対象が先端にプローブを有するカンチレバーまたは任意の形状のプローブと、
波長に対する強度のスペクトルを測定した場合に強度が最大となる部分のスペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下のスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）または１０ｎｍ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）からなり、前記測定対象に光を照射する光源と、
前記光源を駆動させる光源駆動回路と、
前記光源から測定対象に照射した後の光を材質が半導体からなる受光面にて受光し電気信号に変換して光強度を検出する光検出器と、
該光検出器の検出信号を所定の増幅率で処理する電流／電圧変換回路と、を備えた走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法において、
前記光源の出力を２ｍＷ以上の出力で駆動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項２】
前記光検出器の受光面が４分割または２分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象からの反射光を前記受光面で受光するようにした請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項３】
前記光検出器の受光面が４分割または２分割され、前記光源からの光を測定対象に照射し、前記測定対象の影を前記光検出器の受光面上に投影するようにした請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項４】
前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、偏光依存性をもつ任意の反射率の反射面を有する光学部材を備え、
前記光源は偏光依存性を有し、
前記光源および光学部材の配置により、前記光学部材の反射率を高くした請求項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の変位検出方法。
【請求項５】
前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、波長依存性をもつ任意の反射率の反射面を有する光学部材を備え、
前記光源および光学部材の配置により、前記光学部材の反射率を高くした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項６】
前記光源の波長が７００ｎｍ以上であり、
前記光源から前記測定対象を経由し光検出器に至る光路上に、金または金合金がコートされた反射部材を配置した請求項１乃至５のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項７】
前記測定対象がカンチレバーであり、
カンチレバーの両面に材質と厚さが同一のコートを施した請求項１乃至６のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項８】
前記光源からの光を光ファイバーにより伝播させて、測定対象に照射するようにした請求項１乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項９】
前記カンチレバーまたはプローブを、溶液中で駆動するものである請求項１乃至８のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【請求項１０】
前記光源と前記測定対象であるカンチレバーまたはプローブとの間の光路中に前記光源から出射する光に対して任意の透過率を有する透過性の基板を備え、前記基板と前記測定対象との間に界面が接するように溶液を満たした請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２１５１６８（Ｐ２０１１−２１５１６８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１２６５（Ｐ２０１１−１７１２６５）
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【分割の表示】特願２００６−２２５７３０（Ｐ２００６−２２５７３０）の分割
【原出願日】平成１８年８月２２日（２００６．８．２２）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【分割の表示】特願２００６−２２５７３０（Ｐ２００６−２２５７３０）の分割
【原出願日】平成１８年８月２２日（２００６．８．２２）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
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