走査型プローブ顕微鏡の変位検出方法
【課題】 測定対象が変わっても測定対象の反射率などの光学特性、あるいは形状や機械的特性に依存せずに検出感度やノイズの割合が調整可能で、測定対象への照射光による測定対象の熱変形の影響が小さくでき、最適な条件下で測定精度を確保することが可能な光学式変位検出方法を提供する。
【解決手段】 測定対象となるカンチレバー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からカンチレバー６に照射した後の光を受光し、光強度を検出する光検出器１６と、光検出器１６の検出信号を所定の増幅率で増幅する増幅器２２から構成される光学式変位検出機構において、光強度調整器２８と増幅率調整器２７を設けカンチレバー６への照射光強度や光検出器１６の増幅率を調整できるようにした。
【解決手段】 測定対象となるカンチレバー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からカンチレバー６に照射した後の光を受光し、光強度を検出する光検出器１６と、光検出器１６の検出信号を所定の増幅率で増幅する増幅器２２から構成される光学式変位検出機構において、光強度調整器２８と増幅率調整器２７を設けカンチレバー６への照射光強度や光検出器１６の増幅率を調整できるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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に係わる変位検出方法に関するものであり、特にサンプル表面の形状情報や、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の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を用いた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。（例えば、非特許文献1参照）
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。
【０００９】
この光検出器２３５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２０７のたわみ量を測定することが可能となる。光検出器２３５に光が入射すると、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２４５とフィードバック抵抗ＲＩＶにより構成される電流／電圧変換回路２４２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２４２のフィードバック抵抗値をＲＩＶとすると、ｖＡ＝ＲＩＶ×ｉＡ、ｖＢ＝ＲＩＶ×ｉＢの関係がある。このように、電流／電圧変換回路２４２は増幅率ＲＩＶで電流信号を電圧信号に変換する初段の増幅器として作用する。
【００１０】
これらの電圧信号ｖＡ、ｖＢは、オペアンプ２４６と抵抗Ｒ２，Ｒ３により構成される差動増幅回路２４３に送られて、電圧の差信号ｖＡ−Ｂを検出する。ここで、図７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２４３は増幅率Ｒ３／Ｒ２で電圧信号を増幅する増幅器として作用し、電圧信号ｖＡ−Ｂを出力する。
【００１１】
ここで、図６、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、Ｚ微動機構２１３によりプローブ２０９とサンプル２１１表面間の距離を制御し、ＸＹスキャナ２１３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）の量子ノイズを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。ただし、これらの工夫を行っても、モードホップノイズや戻り光ノイズは完全には排除できないため、光源側の光強度を２ｍＷ以下で駆動を行っていた。
【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, 泥evelopment 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】
以上のように、光源の出力を最適化して光学式変位検出機構の検出感度に対するノイズの割合が小さくなるように光源の出力の最適化を行っていたが、従来の光学式変位検出機構では光源側の光強度と、光検出器側の増幅器の増幅率を固定していたので、以下のような問題があった。（１）測定対象の反射率などの光学特性や測定対象の形状により、光検出器の受光面での光強度が変わってしまうため、測定対象によって検出感度やノイズの割合が異なってしまう。
（２）光源から測定対象への照射光により測定対象が加熱され、測定対象が変形する場合がある。
（３）光てこ方式の光学式変位検出機構などでは測定対象の長さなどの形状やバネ定数などの機械的特性により検出感度が変わってしまう。
【００２５】
特に、走査型プローブ顕微鏡では、検出感度の低下やノイズの増加を防ぐために測定対象であるシリコンまたはシリコンナイトライド製のカンチレバーにアルミニウムや金などをコートして反射率を稼ぐ工夫が行われている。また、走査型プローブ顕微鏡でサンプルの電気的な特性を測定する場合には、カンチレバーに金や、ロジウムなどの導電体をコートしてカンチレバーに導電性を持たしている。また、測定するサンプルによりバネ定数や共振周波数などの機械的な特性や形状が異なるカンチレバーが選択される。
【００２６】
したがって、走査型プローブ顕微鏡ではカンチレバーにより反射率が大きく異なり、測定対象によって検出感度やノイズの割合が異なってしまう。
【００２７】
また、カンチレバーへコートされた膜の材質と、カンチレバーの母材の線膨張係数の差により光源からの照射光によりカンチレバーの温度が上昇しカンチレバーがたわみ変形が生じてしまう。検出感度に対するノイズの割合を考慮した場合には、高い強度でカンチレバーに光を照射するため、バネ定数の小さいカンチレバーでは熱変形の影響が大きい。
【００２８】
また、形状の異なるカンチレバーを選択した場合には、光てこのてこ比が変わってしまうため検出感度が変化してしまう。
【００２９】
以上のような問題によって、従来の光学式変位検出機構による変位検出方法では測定精度が悪化してしまう場合があった。
【００３０】
したがって、本発明の目的は、測定対象が変わっても測定対象の反射率や形状や機械的特性に依存せずに検出感度やノイズの割合が調整可能で、測定対象への照射光による測定対象の熱変形の影響が小さくでき、最適な条件下で測定精度を確保できるような変位検出方法およびそれを採用した走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
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における変位検出方法を構成した。
【００３２】
測定対象に光を照射する光源と、光源を駆動する光源駆動回路と、光源から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、光検出器の検出信号を所定の増幅率で増幅する増幅器とを含む光学式の変位検出機構に係わる変位検出方法において、光源から測定対象への照射光強度を任意に変更する手段（光強度可変手段）による光強度の調整及び／又は増幅器の増幅率を任意に変更する手段（増幅率可変手段）による検出信号強度の調整を行なう強度調整を経ることにより、測定対象によらず前記光検出器での一定精度の光検出を可能にするようにした。
【００３３】
また、光強度可変手段を光源と測定対象間の光路上に備えられた光の強度を調整する光学フィルターとした。
【００３４】
光源からの光を測定対象に照射し、測定対象からの反射光を光検出器で受光し、測定対象の反射率に応じて、測定対象に照射される光強度を調整し、測定対象を反射後の反射光強度が所定の値になるようにした。
【００３５】
また、測定対象の反射率の違いによる受光強度の違いに応じて、光検出器での検出感度が所定の値となるように検出信号を増幅するようにした。
【００３６】
以上の変位測定方法とすることで、測定対象の形状や反射率によらず、光検出器の受光面での強度を調整することができるようにした。その結果、検出感度やノイズの割合を最適な状態に任意に設定することが可能となる。
【００３７】
また、本発明では、前記光源からの光を前記測定対象に照射した際に、前記照射光による前記測定対象が加熱され、前記測定対象が変形する場合、変形量が所定の値に納まるように、前記測定対象に照射する光強度を調整するようにした。
【００３８】
このように構成することで、測定対象の熱変形で測定精度に影響が出ないように光強度の調整を行うことが可能となる。
【００３９】
また、本発明の変位検出方法は、走査型プローブ顕微鏡の光学式変位検出機構の変位検出方法として適用した。
【００４０】
この場合、光源としては、スーパールミネッセンスダイオード、発光ダイオード又は，高周波変調又は光学系による偏光によって戻り光を防止した半導体レーザのいずれかであるようにした。
【００４１】
走査型プローブ顕微鏡に本発明の光学式変位検出機構を適用した場合には、前記光源を半導体レーザまたはスーパールミネッセンスダイオードはたは発光ダイオードとし、前記光源駆動回路の電流値により、前記光源の光強度を調整するようにした。
【００４２】
また、本発明の変位検出方法は、プローブを有し、その位置情報を検出することによりサンプルの形状情報とする表面形状測定装置の変位検出機構の変位検出方法として適用した。
【００４３】
以上にように本発明を走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置に適用することで、走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置に用いられるカンチレバーやプローブの反射率などの光学的特性や形状や機械的特性の影響により、検出感度やノイズの悪化あるいは熱変形が防止でき、最適な光強度と増幅率で検出を行うことが可能であるため、走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置の測定を最適な条件下で行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００４４】
以上のように、本発明の変位検出機構及びそれを用いた表面情報計測装置では、測定対象に照射される光強度を調整する光強度可変手段をにより光強度を調整し、また、光検出器に設けられた増幅器に設けた増幅率可変手段により検出信号の強度を調整することで、測定対象が変わっても測定対象の反射率などの光学特性、あるいは形状、バネ定数などの機械的特性に依存せずに検出感度やノイズの割合が調整可能で、測定対象への照射光による測定対象の熱変形の影響が小さくでき、最適な条件下で測定精度を確保することが可能である。
【００４５】
特に、本発明の光学式変位検出機構を走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置に適用することで走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置の測定を最適な条件下で行うことが可能となり、高精度での測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法の第１実施例および第２実施例を示す概観図である。
【図２】図１中に記載されている増幅器の回路図である。
【図３】本発明に係る溶液中で用いられる走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法の第２実施例を示す概観図である。
【図４】本発明に係る走査型近接場顕微鏡用の変位検出方法の第３実施例を示す概観図である。
【図５】本発明に係る走査型プローブ微鏡用の変位検出方法の第４実施例を示す概観図である。
【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構の概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の光学式変位検出機構を走査型プローブ顕微鏡に適用した場合について、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の概略図を図１、図２に示す。図１は走査型プローブ顕微鏡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の増幅器２２の回路図の概略図である。
【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、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方式原子間力顕微鏡と呼ばれている方式と振動方式による原子間力顕微鏡が併用できる構成となっている。
【００５２】
コンタクト方式の場合には、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】
また、振動方式の場合には、カンチレバー６を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。光学式変位検出機構９によりカンチレバー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。
【００５５】
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。
【００５６】
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に波長６７０ｎｍ、最大出力５ｍＷの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。
【００５７】
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。
【００５８】
光の光路はカンチレバー６ａの背面で一端結像し光検出器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たフォトダイオードであり、受光面が４分割（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）された構成となっている。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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６ａのたわみ量を測定することが可能となる。
【００６２】
ここで、図２により増幅器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９では、光検出器１６を用いて、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。本実施例の光検出器の受光感度は受光感度０．６５Ａ／Ｗである。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。このように、電流／電圧変換回路３０と差動増幅回路３３は増幅器として作用する。このＶａ−ｂを検出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できる。
【００６３】
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をラスタースキャンさせる。
【００６４】
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。
【００６５】
本実施例では、光源駆動回路２１に光強度調整器２８を設けて光源１０に用いた半導体レーザへの電流値を調整することで、光源の出力を調整できるようにした。
【００６６】
また、増幅器２２には増幅率調整器２７を設けた。この増幅率調整器２７により差動増幅回路３３の抵抗値Ｒ３を調整して増幅率を調整できるようにした。
【００６７】
ここで、これらの光強度調整器２８と増幅率調整器２７により測定対象であるカンチレバーに応じて条件の最適化を行うようにした。
【００６８】
まず、振動方式の原子間力顕微鏡でシリコンウェハ表面などの観察を行う場合には、シリコンを材料し、カンチレバー６ａの背面に反射率を高めるためにアルミニウムがコートされ、長さ１２５μｍ、幅３０μｍ、厚さ４μｍでバネ定数が約４０Ｎ／ｍのカンチレバーを使用する。この場合、バネ定数が比較的硬く、振動方式であるため、レーザを照射した場合、カンチレバー６ａが加熱されて熱変形が生じる影響は測定精度に大きな影響を及ぼさない。したがって、検出感度に対するノイズの割合を低下させるために、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生しない範囲で、光強度調整器２８を用いて光源１０の光強度を高めて、強い光をカンチレバー６ａに照射して、光検出器１６への入射光量を大きくして、測定精度を高めるようにした。本実施例では、光源１０の出力を１．５ｍＷとし、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。すなわち増幅器の増幅率は、初段の電流／電圧変換回路３０で１０００００倍、後端の差動増幅回路３３で２倍に設定した。
【００６９】
次に、同じ形状で、製造コスト削減や、あるいは先端のプローブ６ｂへコート膜が付着し分解能が低下するのを防ぐ目的でコートが施されていないカンチレバー６を使用して振動方式の原子間力顕微鏡で測定を行った。この場合、アルミニウムによる反射膜がコートされていないので、測定対象であるカンチレバー６ｂの反射率が低下し光検出器１６の受光面へ入射する光強度が減って検出感度の低下やノイズの増大を引き起こす。そのため、本実施例では光源１０として半導体レーザを用いて、光強度調整器２８により光源１０を駆動する電流値を増加させ、反射率の減少分をカンチレバー６ａへの入射光量の増加で補って、光検出器１６の受光面の入射光量をカンチレバー６ａにアルミニウムがコートされている場合と同じように調整した。これによりコートありの場合と同等の検出感度とノイズの割合を確保することができた。
【００７０】
次に、シリコンを材料しカンチレバー６ａの背面のみに反射率を高めるためにアルミニウムがコートされ、長さ２２５μｍ、幅３０μｍ、厚さ５μｍでバネ定数が約１３Ｎ／ｍのカンチレバーを使用する。この場合も、バネ定数が比較的硬く、振動方式であるため、レーザを照射した場合、カンチレバー６ａが加熱されて熱変形が生じる影響は測定精度に大きな影響を及ぼさない。したがって、検出感度に対するノイズの割合を低下させるために、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生しない範囲で、光強度調整器２８を用いて光源１０の光強度を高めて、強い光をカンチレバー６ａに照射して、測定精度を高めるようにした。
【００７１】
しかしながら、光てこ方式の変位検出機構の場合、カンチレバー６ａの長さとカンチレバー６ａの光の照射位置から光検出器１６までの距離により決まるてこ比により検出感度が変わり、検出感度はカンチレバーの長さに反比例する。したがって、前記一例のバネ定数が４０Ｎ／ｍのカンチレバーと比較した場合には、カンチレバー６ａの長さが１．８倍長いので、検出感度は４０Ｎ／ｍのカンチレバーの場合に比べて０．５６倍に低下する。そこで、検出感度を高めるために光源１０の出力を上げてもよいが、光源１０として半導体レーザを用いているために、モードホップノイズや戻り光ノイズの発生が問題とされるので、本実施例では、増幅率調整器２７により光検出器に設けられた増幅器の増幅率を調整して検出感度の低下分を補った。
【００７２】
なお、万一、熱変形の影響が出てしまう場合には、カンチレバー６ａの両面に同じ材質で同じ膜厚のコートを施すことで、両面の線膨張係数が等しくなるため熱変形はほとんど起きない。
【００７３】
次にコンタクト方式の原子間力顕微鏡で測定を行う場合について述べる。コンタクトモードを行う場合には、プローブ先端の摩耗の影響を小さくするため、バネ定数の小さいカンチレバーが使用される。本実施例では、シリコンナイトライド製で、長さ２００μｍ、厚さ０．４μｍで片面に下地をクロムとし金がコートされたバネ定数が０．０２Ｎ／ｍのカンチレバーを使用した。このカンチレバー６ａでは、バネ定数が小さいので、光照射によってカンチレバー６ａの温度が上がり、金属コート部分の線膨張係数と、シリコンナイトライド基材部分との線膨張係数の差によってカンチレバー６ａに反りが生じて測定精度が悪化してしまう。そこで、本実施例では、光強度調整器２８により半導体レーザ１０を駆動する電流値を振動方式で４０Ｎ／ｍのアルミコートを施した場合に比べて１／３の大きさである０．５ｍＷまで低下させ、発熱を小さくした。また、光出力の減少による検出感度の低下を補うため、増幅率調整器２７により光検出器に設けられた増幅器の増幅率を３倍大きくした。
【００７４】
以上のように光強度調整器２８や増幅率調整器２７でカンチレバー６ａに照射される光強度や増幅率の最適化を行うことで、使用するカンチレバーの形状や反射率やバネ定数などの機械的特性の違いによらず適切な検出感度とノイズの割合を確保できる。また、母材とコートされた薄膜との線膨張率の差による熱変形の影響を小さくでき、最適な条件下で走査型プローブ顕微鏡の測定を行うことが可能となった。
【実施例２】
【００７５】
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。
【００７６】
本実施例では、本実施例では振動方式の原子間力顕微鏡を使用しており、本実施例の溶液測定用のカンチレバーホルダ３５は、実施例１の大気中での測定時に使用されるカンチレバーホルダ７と交換可能な構成とした。
【００７７】
溶液測定用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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
光学式変位検出機構９は、光源１０としてピーク波長が８３０ｎｍで波長に対する光強度のスペクトル幅が１７ｎｍのスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）が用いられている。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４分割された光検出器１６に入射する。光検出器１６は増幅器２２に接続されている。増幅器２２は第１の実施例の図２に示した回路と同一であり電流／電圧変換回路３０と差動増幅回路３３により構成されている。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、さらにはカンチレバー６ａを加振することに伴う液体層４６やガラスベースブロック３７の揺れなどにより、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、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。
【００８１】
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。実施例１のように光源１０に半導体レーザを用いた場合には、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。本実施例のようにスペクトルの半値幅が大きく低コヒーレントな光源であるＳＬＤを用いることで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できる。
【００８２】
本実施例のように、ガラスベースブロック３７や液体層４６を光が透過する場合、光のロスが生じて、空気中での測定と同じ出力ではカンチレバー６ａに光を入射すると光検出器１６への入射光の強度が低下し、検出感度の低下やノイズの増加をまねく。本実施例では、光強度調整器２８により光源１０の強度を４ｍＷまで高めて、これらの光のロスを補って、空気中と同じ入射光強度を確保し検出感度の低下やノイズの増大を抑えるようにした。
【００８３】
溶液用のカンチレバーホルダ３５を大気中カンチレバーホルダ７に交換して大気中で測定を行う場合には、ガラスベースブロック３７や液体層４６での光のロスがなくなるので光強度調整器２８によりＳＬＤ１０を駆動する電流値を下げて光源の光強度を１．５ｍＷに戻して使用する。
【００８４】
なお、低コヒーレント光源の代わりに半導体レーザを用いて、高周波変調させたり、あるいは偏光を利用して戻り光が減少するように光学系を組むようにしてもよい。この場合、モードホップノイズや戻り光ノイズの発生する光源の出力の限界を少し高めることが可能となる。
【実施例３】
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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、集光レンズと発光ダイオード（ＬＥＤ）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。ＬＥＤは、波長７００ｎｍ、スペクトルの半値幅３５ｎｍのものを用いた。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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【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の受光面上で影で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いる。
【００９３】
また、増幅器６１には増幅率調整器６２を設け、増幅率も調整できるようにしている。
【００９４】
走査型近接場顕微鏡に用いられるプローブは、直径が通常１２５μｍのものが用いられるが、サンプル５４によってプローブの直径が小さいものを使用したり、直径の大きいガラスのピペットを使用することもある。また、プローブ５０として金属ワイヤーを先鋭化したものも用いられ、この場合サンプル５０の表面にエバネッセント場を発生させて金属ワイヤーからなるプローブ先端でエバネッセント場を散乱させ散乱光を分析することでサンプル表面の光学特性の測定が行われる。このようにプローブ５０の直径が変わると、光検出器５７の受光面上での影の大きさも変わり、その結果検出感度が変わる。そこで、光強度変換器６５により電流値を変化させてＬＥＤの発光強度を変えて、検出感度の違いを補完するようにした。なお、増幅率調整器６２側で補完を行ってもよい。
【００９５】
以上のように光強度調整器６５や増幅率調整器６２でプローブ５０への照射光強度や増幅率の最適化を行うことで使用するプローブの形状の違いの影響を小さくでき、適切な検出感度を確保して、走査型近接場顕微鏡の測定を行うことが可能となった。
【実施例４】
【００９６】
図５は本発明の第４の実施例の走査型プローブ顕微鏡に用いられる光学式変位検出機構の模式図である。本実施例は基本的な構成は図１、図２を用いて第１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ない点にある。
【００９７】
本実施例では、光源１０とカンチレバー６ａの間の光路に光の強度を調整する光学フィルター４０を挿入してカンチレバー６ａに入射する光の強度を調整できるようにした。光学フィルター４０は、光の強度を減光させる減光フィルター（ＮＤフィルター）を使用した。
【００９８】
これにより、実施例１の光強度調整器２８でカンチレバーへの入射光強度を調整するのと同じ効果が得られる。
【００９９】
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。
【０１００】
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、光の強度やスポットの位置を検出する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。
【０１０１】
また、光源は、出力も比較的安定して、光強度調整の場合の応答性に優れ、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半導体レーザ（ＬＤ）やスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）、あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）が好ましいが、白色光源など他の光源も本発明に含まれる。特にＳＬＤは高出力で使用してもＬＤのように特別な装置を用いずモードホップノイズや戻り光ノイズの影響が少なくできるという特徴がある。また、例えば走査型プローブ顕微鏡の場合には、測定対象であるカンチレバーで反射される光とカンチレバーからはみ出して反射した光が干渉して、プローブとサンプル間の距離に対するプローブにかかる力の関係（一般にフォースカーブと呼ばれる）を測定した際に、フォースカーブにうねりが発生する場合がある。また凹凸像を測定した場合にも干渉縞が発生する場合があった。このように干渉が測定データに悪影響を及ぼすことがあったが、ＳＬＤは低コヒーレントで可干渉性が小さいので、干渉の影響も防止できる。また、測定対象に照射される光の強度により干渉の影響が大きく現れる場合には光強度可変手段により強度を下げることで、干渉の影響を抑えることが可能となる。
【０１０２】
また、走査型プローブ顕微鏡で、フォースカーブや凹凸像を測定した場合に、カンチレバーを反射して光検出器に入射する光以外の迷光の影響により、フォースカーブや凹凸像に迷光の影響が現れる場合がある。一般に測定対象に照射される光の強度が大きいほど迷光の影響が大きくなるため、迷光の影響が大きい場合には、光強度可変手段により強度を下げることで、迷光の影響を抑えることが可能となる。
【０１０３】
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。例えば光源からの光を光ファイバーで伝播して測定対象に照射してもよい。
【０１０４】
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調整する方式でもよいし、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式でもよい。
【０１０５】
また、増幅率を変更するために、図２の差動増幅回路の抵抗値Ｒ３を変更したが、抵抗値Ｒ２を変更してもよい電流／電圧変換回路３０の抵抗値Ｒ１を変更してもよい。また、差動増幅回路３３以降の制御回路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。
【０１０６】
また、光源の光強度調整に用いられる光学フィルターは光量を調整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。
【０１０７】
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の制御を行ったり、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機能のみを有するものも本発明に含まれる。さらに、４分割の光検出器の左右の受光面を用いて、上下の受光面の差信号によりカンチレバー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し摩擦力を測定することも可能である。この場合には左右の受光面での光強度差の信号に対して増幅率を変更する。
【０１０８】
また、測定に先立ち、測定対象への光源のスポット光の位置合わせを行う場合には通常光学顕微鏡でスポット光と測定対象を観察しながら、光源を移動させて行うが、測定時の光強度では、観察像のスポット光が散乱してスポット光の中心位置が認識できない。このような場合に本発明の光強度調整器により光強度を落として調整することで視認性も向上し、測定対象に確実にスポット光を位置合わせすることも可能となる。
【０１０９】
また、光検出器上の所定の位置にスポット光を位置合わせする場合、通常、検出信号を見ながら光検出器を移動させて位置合わせを行うが検出感度が高いとわずかな光検出器の移動量で、検出信号が大きく変わってしまうため、位置合わせが困難である。本発明の光強度調整器や光学フィルターで強度を変えたり、あるいは増幅率調整器で増幅率を下げることにより測定前の光検出器へのスポット光の位置合わせも容易に行うことができる。
【０１１０】
また、本発明の光学式変位検出機構は走査型プローブ顕微鏡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。これらの装置でも、被測定サンプルにより形状や光学的特性や機械的特性の異なるプローブが用いられるため、本発明の光学式変位検出機構を適用することでプローブによらず検出感度やノイズを最適な状態に調整することが可能となり装置の測定精度か向上する。
【符号の説明】
【０１１１】
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（測定対象）
７ 大気測定用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
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
３４ 加算器
３５ 溶液用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
６４ 光源駆動回路
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 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、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に係わる変位検出方法に関するものであり、特にサンプル表面の形状情報や、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の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を用いた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。（例えば、非特許文献1参照）
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。
【０００９】
この光検出器２３５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２０７のたわみ量を測定することが可能となる。光検出器２３５に光が入射すると、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２４５とフィードバック抵抗ＲＩＶにより構成される電流／電圧変換回路２４２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２４２のフィードバック抵抗値をＲＩＶとすると、ｖＡ＝ＲＩＶ×ｉＡ、ｖＢ＝ＲＩＶ×ｉＢの関係がある。このように、電流／電圧変換回路２４２は増幅率ＲＩＶで電流信号を電圧信号に変換する初段の増幅器として作用する。
【００１０】
これらの電圧信号ｖＡ、ｖＢは、オペアンプ２４６と抵抗Ｒ２，Ｒ３により構成される差動増幅回路２４３に送られて、電圧の差信号ｖＡ−Ｂを検出する。ここで、図７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２４３は増幅率Ｒ３／Ｒ２で電圧信号を増幅する増幅器として作用し、電圧信号ｖＡ−Ｂを出力する。
【００１１】
ここで、図６、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、Ｚ微動機構２１３によりプローブ２０９とサンプル２１１表面間の距離を制御し、ＸＹスキャナ２１３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）の量子ノイズを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。ただし、これらの工夫を行っても、モードホップノイズや戻り光ノイズは完全には排除できないため、光源側の光強度を２ｍＷ以下で駆動を行っていた。
【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, 泥evelopment 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】
以上のように、光源の出力を最適化して光学式変位検出機構の検出感度に対するノイズの割合が小さくなるように光源の出力の最適化を行っていたが、従来の光学式変位検出機構では光源側の光強度と、光検出器側の増幅器の増幅率を固定していたので、以下のような問題があった。（１）測定対象の反射率などの光学特性や測定対象の形状により、光検出器の受光面での光強度が変わってしまうため、測定対象によって検出感度やノイズの割合が異なってしまう。
（２）光源から測定対象への照射光により測定対象が加熱され、測定対象が変形する場合がある。
（３）光てこ方式の光学式変位検出機構などでは測定対象の長さなどの形状やバネ定数などの機械的特性により検出感度が変わってしまう。
【００２５】
特に、走査型プローブ顕微鏡では、検出感度の低下やノイズの増加を防ぐために測定対象であるシリコンまたはシリコンナイトライド製のカンチレバーにアルミニウムや金などをコートして反射率を稼ぐ工夫が行われている。また、走査型プローブ顕微鏡でサンプルの電気的な特性を測定する場合には、カンチレバーに金や、ロジウムなどの導電体をコートしてカンチレバーに導電性を持たしている。また、測定するサンプルによりバネ定数や共振周波数などの機械的な特性や形状が異なるカンチレバーが選択される。
【００２６】
したがって、走査型プローブ顕微鏡ではカンチレバーにより反射率が大きく異なり、測定対象によって検出感度やノイズの割合が異なってしまう。
【００２７】
また、カンチレバーへコートされた膜の材質と、カンチレバーの母材の線膨張係数の差により光源からの照射光によりカンチレバーの温度が上昇しカンチレバーがたわみ変形が生じてしまう。検出感度に対するノイズの割合を考慮した場合には、高い強度でカンチレバーに光を照射するため、バネ定数の小さいカンチレバーでは熱変形の影響が大きい。
【００２８】
また、形状の異なるカンチレバーを選択した場合には、光てこのてこ比が変わってしまうため検出感度が変化してしまう。
【００２９】
以上のような問題によって、従来の光学式変位検出機構による変位検出方法では測定精度が悪化してしまう場合があった。
【００３０】
したがって、本発明の目的は、測定対象が変わっても測定対象の反射率や形状や機械的特性に依存せずに検出感度やノイズの割合が調整可能で、測定対象への照射光による測定対象の熱変形の影響が小さくでき、最適な条件下で測定精度を確保できるような変位検出方法およびそれを採用した走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
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における変位検出方法を構成した。
【００３２】
測定対象に光を照射する光源と、光源を駆動する光源駆動回路と、光源から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、光検出器の検出信号を所定の増幅率で増幅する増幅器とを含む光学式の変位検出機構に係わる変位検出方法において、光源から測定対象への照射光強度を任意に変更する手段（光強度可変手段）による光強度の調整及び／又は増幅器の増幅率を任意に変更する手段（増幅率可変手段）による検出信号強度の調整を行なう強度調整を経ることにより、測定対象によらず前記光検出器での一定精度の光検出を可能にするようにした。
【００３３】
また、光強度可変手段を光源と測定対象間の光路上に備えられた光の強度を調整する光学フィルターとした。
【００３４】
光源からの光を測定対象に照射し、測定対象からの反射光を光検出器で受光し、測定対象の反射率に応じて、測定対象に照射される光強度を調整し、測定対象を反射後の反射光強度が所定の値になるようにした。
【００３５】
また、測定対象の反射率の違いによる受光強度の違いに応じて、光検出器での検出感度が所定の値となるように検出信号を増幅するようにした。
【００３６】
以上の変位測定方法とすることで、測定対象の形状や反射率によらず、光検出器の受光面での強度を調整することができるようにした。その結果、検出感度やノイズの割合を最適な状態に任意に設定することが可能となる。
【００３７】
また、本発明では、前記光源からの光を前記測定対象に照射した際に、前記照射光による前記測定対象が加熱され、前記測定対象が変形する場合、変形量が所定の値に納まるように、前記測定対象に照射する光強度を調整するようにした。
【００３８】
このように構成することで、測定対象の熱変形で測定精度に影響が出ないように光強度の調整を行うことが可能となる。
【００３９】
また、本発明の変位検出方法は、走査型プローブ顕微鏡の光学式変位検出機構の変位検出方法として適用した。
【００４０】
この場合、光源としては、スーパールミネッセンスダイオード、発光ダイオード又は，高周波変調又は光学系による偏光によって戻り光を防止した半導体レーザのいずれかであるようにした。
【００４１】
走査型プローブ顕微鏡に本発明の光学式変位検出機構を適用した場合には、前記光源を半導体レーザまたはスーパールミネッセンスダイオードはたは発光ダイオードとし、前記光源駆動回路の電流値により、前記光源の光強度を調整するようにした。
【００４２】
また、本発明の変位検出方法は、プローブを有し、その位置情報を検出することによりサンプルの形状情報とする表面形状測定装置の変位検出機構の変位検出方法として適用した。
【００４３】
以上にように本発明を走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置に適用することで、走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置に用いられるカンチレバーやプローブの反射率などの光学的特性や形状や機械的特性の影響により、検出感度やノイズの悪化あるいは熱変形が防止でき、最適な光強度と増幅率で検出を行うことが可能であるため、走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置の測定を最適な条件下で行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００４４】
以上のように、本発明の変位検出機構及びそれを用いた表面情報計測装置では、測定対象に照射される光強度を調整する光強度可変手段をにより光強度を調整し、また、光検出器に設けられた増幅器に設けた増幅率可変手段により検出信号の強度を調整することで、測定対象が変わっても測定対象の反射率などの光学特性、あるいは形状、バネ定数などの機械的特性に依存せずに検出感度やノイズの割合が調整可能で、測定対象への照射光による測定対象の熱変形の影響が小さくでき、最適な条件下で測定精度を確保することが可能である。
【００４５】
特に、本発明の光学式変位検出機構を走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置に適用することで走査型プローブ顕微鏡や表面情報計測装置の測定を最適な条件下で行うことが可能となり、高精度での測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法の第１実施例および第２実施例を示す概観図である。
【図２】図１中に記載されている増幅器の回路図である。
【図３】本発明に係る溶液中で用いられる走査型プローブ顕微鏡用の変位検出方法の第２実施例を示す概観図である。
【図４】本発明に係る走査型近接場顕微鏡用の変位検出方法の第３実施例を示す概観図である。
【図５】本発明に係る走査型プローブ微鏡用の変位検出方法の第４実施例を示す概観図である。
【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡用の光学式変位検出機構の概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の光学式変位検出機構を走査型プローブ顕微鏡に適用した場合について、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の概略図を図１、図２に示す。図１は走査型プローブ顕微鏡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の増幅器２２の回路図の概略図である。
【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、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方式原子間力顕微鏡と呼ばれている方式と振動方式による原子間力顕微鏡が併用できる構成となっている。
【００５２】
コンタクト方式の場合には、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】
また、振動方式の場合には、カンチレバー６を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。光学式変位検出機構９によりカンチレバー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。
【００５５】
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。
【００５６】
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に波長６７０ｎｍ、最大出力５ｍＷの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。
【００５７】
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。
【００５８】
光の光路はカンチレバー６ａの背面で一端結像し光検出器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たフォトダイオードであり、受光面が４分割（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）された構成となっている。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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６ａのたわみ量を測定することが可能となる。
【００６２】
ここで、図２により増幅器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９では、光検出器１６を用いて、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。本実施例の光検出器の受光感度は受光感度０．６５Ａ／Ｗである。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。このように、電流／電圧変換回路３０と差動増幅回路３３は増幅器として作用する。このＶａ−ｂを検出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できる。
【００６３】
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をラスタースキャンさせる。
【００６４】
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。
【００６５】
本実施例では、光源駆動回路２１に光強度調整器２８を設けて光源１０に用いた半導体レーザへの電流値を調整することで、光源の出力を調整できるようにした。
【００６６】
また、増幅器２２には増幅率調整器２７を設けた。この増幅率調整器２７により差動増幅回路３３の抵抗値Ｒ３を調整して増幅率を調整できるようにした。
【００６７】
ここで、これらの光強度調整器２８と増幅率調整器２７により測定対象であるカンチレバーに応じて条件の最適化を行うようにした。
【００６８】
まず、振動方式の原子間力顕微鏡でシリコンウェハ表面などの観察を行う場合には、シリコンを材料し、カンチレバー６ａの背面に反射率を高めるためにアルミニウムがコートされ、長さ１２５μｍ、幅３０μｍ、厚さ４μｍでバネ定数が約４０Ｎ／ｍのカンチレバーを使用する。この場合、バネ定数が比較的硬く、振動方式であるため、レーザを照射した場合、カンチレバー６ａが加熱されて熱変形が生じる影響は測定精度に大きな影響を及ぼさない。したがって、検出感度に対するノイズの割合を低下させるために、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生しない範囲で、光強度調整器２８を用いて光源１０の光強度を高めて、強い光をカンチレバー６ａに照射して、光検出器１６への入射光量を大きくして、測定精度を高めるようにした。本実施例では、光源１０の出力を１．５ｍＷとし、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。すなわち増幅器の増幅率は、初段の電流／電圧変換回路３０で１０００００倍、後端の差動増幅回路３３で２倍に設定した。
【００６９】
次に、同じ形状で、製造コスト削減や、あるいは先端のプローブ６ｂへコート膜が付着し分解能が低下するのを防ぐ目的でコートが施されていないカンチレバー６を使用して振動方式の原子間力顕微鏡で測定を行った。この場合、アルミニウムによる反射膜がコートされていないので、測定対象であるカンチレバー６ｂの反射率が低下し光検出器１６の受光面へ入射する光強度が減って検出感度の低下やノイズの増大を引き起こす。そのため、本実施例では光源１０として半導体レーザを用いて、光強度調整器２８により光源１０を駆動する電流値を増加させ、反射率の減少分をカンチレバー６ａへの入射光量の増加で補って、光検出器１６の受光面の入射光量をカンチレバー６ａにアルミニウムがコートされている場合と同じように調整した。これによりコートありの場合と同等の検出感度とノイズの割合を確保することができた。
【００７０】
次に、シリコンを材料しカンチレバー６ａの背面のみに反射率を高めるためにアルミニウムがコートされ、長さ２２５μｍ、幅３０μｍ、厚さ５μｍでバネ定数が約１３Ｎ／ｍのカンチレバーを使用する。この場合も、バネ定数が比較的硬く、振動方式であるため、レーザを照射した場合、カンチレバー６ａが加熱されて熱変形が生じる影響は測定精度に大きな影響を及ぼさない。したがって、検出感度に対するノイズの割合を低下させるために、モードホップノイズや戻り光ノイズが発生しない範囲で、光強度調整器２８を用いて光源１０の光強度を高めて、強い光をカンチレバー６ａに照射して、測定精度を高めるようにした。
【００７１】
しかしながら、光てこ方式の変位検出機構の場合、カンチレバー６ａの長さとカンチレバー６ａの光の照射位置から光検出器１６までの距離により決まるてこ比により検出感度が変わり、検出感度はカンチレバーの長さに反比例する。したがって、前記一例のバネ定数が４０Ｎ／ｍのカンチレバーと比較した場合には、カンチレバー６ａの長さが１．８倍長いので、検出感度は４０Ｎ／ｍのカンチレバーの場合に比べて０．５６倍に低下する。そこで、検出感度を高めるために光源１０の出力を上げてもよいが、光源１０として半導体レーザを用いているために、モードホップノイズや戻り光ノイズの発生が問題とされるので、本実施例では、増幅率調整器２７により光検出器に設けられた増幅器の増幅率を調整して検出感度の低下分を補った。
【００７２】
なお、万一、熱変形の影響が出てしまう場合には、カンチレバー６ａの両面に同じ材質で同じ膜厚のコートを施すことで、両面の線膨張係数が等しくなるため熱変形はほとんど起きない。
【００７３】
次にコンタクト方式の原子間力顕微鏡で測定を行う場合について述べる。コンタクトモードを行う場合には、プローブ先端の摩耗の影響を小さくするため、バネ定数の小さいカンチレバーが使用される。本実施例では、シリコンナイトライド製で、長さ２００μｍ、厚さ０．４μｍで片面に下地をクロムとし金がコートされたバネ定数が０．０２Ｎ／ｍのカンチレバーを使用した。このカンチレバー６ａでは、バネ定数が小さいので、光照射によってカンチレバー６ａの温度が上がり、金属コート部分の線膨張係数と、シリコンナイトライド基材部分との線膨張係数の差によってカンチレバー６ａに反りが生じて測定精度が悪化してしまう。そこで、本実施例では、光強度調整器２８により半導体レーザ１０を駆動する電流値を振動方式で４０Ｎ／ｍのアルミコートを施した場合に比べて１／３の大きさである０．５ｍＷまで低下させ、発熱を小さくした。また、光出力の減少による検出感度の低下を補うため、増幅率調整器２７により光検出器に設けられた増幅器の増幅率を３倍大きくした。
【００７４】
以上のように光強度調整器２８や増幅率調整器２７でカンチレバー６ａに照射される光強度や増幅率の最適化を行うことで、使用するカンチレバーの形状や反射率やバネ定数などの機械的特性の違いによらず適切な検出感度とノイズの割合を確保できる。また、母材とコートされた薄膜との線膨張率の差による熱変形の影響を小さくでき、最適な条件下で走査型プローブ顕微鏡の測定を行うことが可能となった。
【実施例２】
【００７５】
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。
【００７６】
本実施例では、本実施例では振動方式の原子間力顕微鏡を使用しており、本実施例の溶液測定用のカンチレバーホルダ３５は、実施例１の大気中での測定時に使用されるカンチレバーホルダ７と交換可能な構成とした。
【００７７】
溶液測定用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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
光学式変位検出機構９は、光源１０としてピーク波長が８３０ｎｍで波長に対する光強度のスペクトル幅が１７ｎｍのスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）が用いられている。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４分割された光検出器１６に入射する。光検出器１６は増幅器２２に接続されている。増幅器２２は第１の実施例の図２に示した回路と同一であり電流／電圧変換回路３０と差動増幅回路３３により構成されている。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、さらにはカンチレバー６ａを加振することに伴う液体層４６やガラスベースブロック３７の揺れなどにより、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、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。
【００８１】
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。実施例１のように光源１０に半導体レーザを用いた場合には、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。本実施例のようにスペクトルの半値幅が大きく低コヒーレントな光源であるＳＬＤを用いることで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できる。
【００８２】
本実施例のように、ガラスベースブロック３７や液体層４６を光が透過する場合、光のロスが生じて、空気中での測定と同じ出力ではカンチレバー６ａに光を入射すると光検出器１６への入射光の強度が低下し、検出感度の低下やノイズの増加をまねく。本実施例では、光強度調整器２８により光源１０の強度を４ｍＷまで高めて、これらの光のロスを補って、空気中と同じ入射光強度を確保し検出感度の低下やノイズの増大を抑えるようにした。
【００８３】
溶液用のカンチレバーホルダ３５を大気中カンチレバーホルダ７に交換して大気中で測定を行う場合には、ガラスベースブロック３７や液体層４６での光のロスがなくなるので光強度調整器２８によりＳＬＤ１０を駆動する電流値を下げて光源の光強度を１．５ｍＷに戻して使用する。
【００８４】
なお、低コヒーレント光源の代わりに半導体レーザを用いて、高周波変調させたり、あるいは偏光を利用して戻り光が減少するように光学系を組むようにしてもよい。この場合、モードホップノイズや戻り光ノイズの発生する光源の出力の限界を少し高めることが可能となる。
【実施例３】
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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、集光レンズと発光ダイオード（ＬＥＤ）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。ＬＥＤは、波長７００ｎｍ、スペクトルの半値幅３５ｎｍのものを用いた。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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【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の受光面上で影で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いる。
【００９３】
また、増幅器６１には増幅率調整器６２を設け、増幅率も調整できるようにしている。
【００９４】
走査型近接場顕微鏡に用いられるプローブは、直径が通常１２５μｍのものが用いられるが、サンプル５４によってプローブの直径が小さいものを使用したり、直径の大きいガラスのピペットを使用することもある。また、プローブ５０として金属ワイヤーを先鋭化したものも用いられ、この場合サンプル５０の表面にエバネッセント場を発生させて金属ワイヤーからなるプローブ先端でエバネッセント場を散乱させ散乱光を分析することでサンプル表面の光学特性の測定が行われる。このようにプローブ５０の直径が変わると、光検出器５７の受光面上での影の大きさも変わり、その結果検出感度が変わる。そこで、光強度変換器６５により電流値を変化させてＬＥＤの発光強度を変えて、検出感度の違いを補完するようにした。なお、増幅率調整器６２側で補完を行ってもよい。
【００９５】
以上のように光強度調整器６５や増幅率調整器６２でプローブ５０への照射光強度や増幅率の最適化を行うことで使用するプローブの形状の違いの影響を小さくでき、適切な検出感度を確保して、走査型近接場顕微鏡の測定を行うことが可能となった。
【実施例４】
【００９６】
図５は本発明の第４の実施例の走査型プローブ顕微鏡に用いられる光学式変位検出機構の模式図である。本実施例は基本的な構成は図１、図２を用いて第１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ない点にある。
【００９７】
本実施例では、光源１０とカンチレバー６ａの間の光路に光の強度を調整する光学フィルター４０を挿入してカンチレバー６ａに入射する光の強度を調整できるようにした。光学フィルター４０は、光の強度を減光させる減光フィルター（ＮＤフィルター）を使用した。
【００９８】
これにより、実施例１の光強度調整器２８でカンチレバーへの入射光強度を調整するのと同じ効果が得られる。
【００９９】
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。
【０１００】
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、光の強度やスポットの位置を検出する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。
【０１０１】
また、光源は、出力も比較的安定して、光強度調整の場合の応答性に優れ、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半導体レーザ（ＬＤ）やスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）、あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）が好ましいが、白色光源など他の光源も本発明に含まれる。特にＳＬＤは高出力で使用してもＬＤのように特別な装置を用いずモードホップノイズや戻り光ノイズの影響が少なくできるという特徴がある。また、例えば走査型プローブ顕微鏡の場合には、測定対象であるカンチレバーで反射される光とカンチレバーからはみ出して反射した光が干渉して、プローブとサンプル間の距離に対するプローブにかかる力の関係（一般にフォースカーブと呼ばれる）を測定した際に、フォースカーブにうねりが発生する場合がある。また凹凸像を測定した場合にも干渉縞が発生する場合があった。このように干渉が測定データに悪影響を及ぼすことがあったが、ＳＬＤは低コヒーレントで可干渉性が小さいので、干渉の影響も防止できる。また、測定対象に照射される光の強度により干渉の影響が大きく現れる場合には光強度可変手段により強度を下げることで、干渉の影響を抑えることが可能となる。
【０１０２】
また、走査型プローブ顕微鏡で、フォースカーブや凹凸像を測定した場合に、カンチレバーを反射して光検出器に入射する光以外の迷光の影響により、フォースカーブや凹凸像に迷光の影響が現れる場合がある。一般に測定対象に照射される光の強度が大きいほど迷光の影響が大きくなるため、迷光の影響が大きい場合には、光強度可変手段により強度を下げることで、迷光の影響を抑えることが可能となる。
【０１０３】
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。例えば光源からの光を光ファイバーで伝播して測定対象に照射してもよい。
【０１０４】
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調整する方式でもよいし、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式でもよい。
【０１０５】
また、増幅率を変更するために、図２の差動増幅回路の抵抗値Ｒ３を変更したが、抵抗値Ｒ２を変更してもよい電流／電圧変換回路３０の抵抗値Ｒ１を変更してもよい。また、差動増幅回路３３以降の制御回路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。
【０１０６】
また、光源の光強度調整に用いられる光学フィルターは光量を調整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。
【０１０７】
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の制御を行ったり、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機能のみを有するものも本発明に含まれる。さらに、４分割の光検出器の左右の受光面を用いて、上下の受光面の差信号によりカンチレバー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し摩擦力を測定することも可能である。この場合には左右の受光面での光強度差の信号に対して増幅率を変更する。
【０１０８】
また、測定に先立ち、測定対象への光源のスポット光の位置合わせを行う場合には通常光学顕微鏡でスポット光と測定対象を観察しながら、光源を移動させて行うが、測定時の光強度では、観察像のスポット光が散乱してスポット光の中心位置が認識できない。このような場合に本発明の光強度調整器により光強度を落として調整することで視認性も向上し、測定対象に確実にスポット光を位置合わせすることも可能となる。
【０１０９】
また、光検出器上の所定の位置にスポット光を位置合わせする場合、通常、検出信号を見ながら光検出器を移動させて位置合わせを行うが検出感度が高いとわずかな光検出器の移動量で、検出信号が大きく変わってしまうため、位置合わせが困難である。本発明の光強度調整器や光学フィルターで強度を変えたり、あるいは増幅率調整器で増幅率を下げることにより測定前の光検出器へのスポット光の位置合わせも容易に行うことができる。
【０１１０】
また、本発明の光学式変位検出機構は走査型プローブ顕微鏡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。これらの装置でも、被測定サンプルにより形状や光学的特性や機械的特性の異なるプローブが用いられるため、本発明の光学式変位検出機構を適用することでプローブによらず検出感度やノイズを最適な状態に調整することが可能となり装置の測定精度か向上する。
【符号の説明】
【０１１１】
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（測定対象）
７ 大気測定用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
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
３４ 加算器
３５ 溶液用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
６４ 光源駆動回路
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 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】
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からなる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所定位置にスポット光として位置合わせを経て受光し光強度を検出する受光面の材質が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増幅する増幅器と、
該増幅器の増幅率を任意に調整可能にする増幅器可変手段と、
前記光源から前記測定対象への照射光強度を任意に変更する光強度可変手段と、
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、
前記光源が、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は，高周波変調又は光学系による偏光によって戻り光を防止した半導体レーザ（ＬＤ）のいずれかを採用し、
前記光強度可変手段により戻り光ノイズあるいはモードホップノイズの発生を抑えつつ前記光源の光強度を高めることにより、前記光検出器での所望の感度及び／又はノイズ精度での光検出を行なう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】
前記光検出器のスポット光の位置合わせが、前記増幅器に更に備えた増幅率可変手段によって増幅率を下げて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の変位検出方法。
【請求項３】
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からなる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所定位置にスポット光として位置合わせを経て受光し光強度を検出する受光面の材質が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増幅する増幅器と、
該増幅器の増幅率を任意に調整可能にする増幅器可変手段と、
前記光源から前記測定対象への照射光強度を任意に変更する光強度可変手段と、
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、
前記光強度可変手段による前記光源の光強度の変更が、前記測定対象の変形が所定の変形量の値に納める調整と共に、前記増幅率可変手段の増幅率の調整により、前記光検出器での所望の感度での光検出を行なう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４】
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からなる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所定位置にスポット光として位置合わせを経て受光し光強度を検出する受光面の材質が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増幅する増幅器と、
該増幅器の増幅率を任意に調整可能にする増幅器可変手段と、
前記光源から前記測定対象への照射光強度を任意に変更する光強度可変手段と、
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、
前記光強度可変手段による前記光源の光強度の変更が、前記カンチレバーを反射して光検出器に入射する光以外の迷光の影響を除去するように該光強度を下げる調整と共に、前記増幅率可変手段の増幅率の調整により、前記光検出器での所望の感度での光検出を行なう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５】
前記光強度可変手段が、前記光源から出射される光強度を調整する前記光源に接続された前記光源駆動回路である請求項１乃至４のいずれか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】
前記光強度可変手段が、前記光源と前記測定対象との間の光路上に備えられた光の強度を調整する光学フィルターである請求項１乃至４のいずれか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】
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からなる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所定位置にスポット光として位置合わせを経て受光し光強度を検出する受光面の材質が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増幅する増幅器と、
該増幅器の増幅率を任意に調整可能にする増幅器可変手段と、
前記光源から前記測定対象への照射光強度を任意に変更する光強度可変手段と、
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、
前記光源が、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は，高周波変調又は光学系による偏光によって戻り光を防止した半導体レーザ（ＬＤ）のいずれかを採用し、
前記光強度可変手段により戻り光ノイズあるいはモードホップノイズの発生を抑えつつ前記光源の光強度を高めることにより、前記光検出器での所望の感度及び／又はノイズ精度での光検出を行なう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】
前記光検出器のスポット光の位置合わせが、前記増幅器に更に備えた増幅率可変手段によって増幅率を下げて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の変位検出方法。
【請求項３】
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からなる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所定位置にスポット光として位置合わせを経て受光し光強度を検出する受光面の材質が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増幅する増幅器と、
該増幅器の増幅率を任意に調整可能にする増幅器可変手段と、
前記光源から前記測定対象への照射光強度を任意に変更する光強度可変手段と、
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、
前記光強度可変手段による前記光源の光強度の変更が、前記測定対象の変形が所定の変形量の値に納める調整と共に、前記増幅率可変手段の増幅率の調整により、前記光検出器での所望の感度での光検出を行なう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４】
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からなる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所定位置にスポット光として位置合わせを経て受光し光強度を検出する受光面の材質が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増幅する増幅器と、
該増幅器の増幅率を任意に調整可能にする増幅器可変手段と、
前記光源から前記測定対象への照射光強度を任意に変更する光強度可変手段と、
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、
前記光強度可変手段による前記光源の光強度の変更が、前記カンチレバーを反射して光検出器に入射する光以外の迷光の影響を除去するように該光強度を下げる調整と共に、前記増幅率可変手段の増幅率の調整により、前記光検出器での所望の感度での光検出を行なう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５】
前記光強度可変手段が、前記光源から出射される光強度を調整する前記光源に接続された前記光源駆動回路である請求項１乃至４のいずれか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】
前記光強度可変手段が、前記光源と前記測定対象との間の光路上に備えられた光の強度を調整する光学フィルターである請求項１乃至４のいずれか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２０１１−２４７８９９（Ｐ２０１１−２４７８９９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０９７２（Ｐ２０１１−１６０９７２）
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【分割の表示】特願２００６−２２５７３１（Ｐ２００６−２２５７３１）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)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【分割の表示】特願２００６−２２５７３１（Ｐ２００６−２２５７３１）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)
【Ｆターム（参考）】
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