走査型プローブ顕微鏡
【課題】 支持剛性が高く、振動や温度変化の影響が少なく、光学顕微鏡と組み合わせた場合に、対物レンズや照明装置をサンプルに十分近接できるように薄型のユニットで構成されプローブとサンプルの位置合わせが容易に行えるようなＺ軸粗動機構を有する走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 プローブ２１が取り付けられた走査型プローブ顕微鏡ユニット４をサンプルＳに近接させるＺ軸粗動機構１１０を、Ｚ軸方向に移動可能な上面移動テーブルを有し、上面から低面にかけて中空の開口部１１３を有し、中空開口部１１３の周囲を取り囲む外周部から内周部にかけて切欠を有する構成とし、走査型プローブ顕微鏡ユニット４を上面移動テーブル上に設けられたＸＹステージ１４０に固定し中空開口部１１３に配置した。
【解決手段】 プローブ２１が取り付けられた走査型プローブ顕微鏡ユニット４をサンプルＳに近接させるＺ軸粗動機構１１０を、Ｚ軸方向に移動可能な上面移動テーブルを有し、上面から低面にかけて中空の開口部１１３を有し、中空開口部１１３の周囲を取り囲む外周部から内周部にかけて切欠を有する構成とし、走査型プローブ顕微鏡ユニット４を上面移動テーブル上に設けられたＸＹステージ１４０に固定し中空開口部１１３に配置した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面にプローブを近接させて走査することにより、サンプルの表面形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡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、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の粘弾性等の物性情報や試料の表面形状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の中には、サンプルが載置されるサンプルホルダと、サンプルの表面に近接させる先端にプローブを有し、試料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（例えば、特許文献１参照）。そして、これらサンプルホルダとプローブとをサンプル面内のＸ、Ｙ方向に相対的に走査させ、この走査中にカンチレバーの変位量を測定しながら、サンプルホルダまたはプローブを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】
また、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡を組み合わせて、光学顕微鏡による明視野観察、暗視野観察、微分干渉観察、位相差観察、蛍光観察などから得られる情報からサンプル表面上の被測定箇所を特定し、被測定箇所にプローブを位置決めして、走査型プローブ顕微鏡により、さらに高分解能で表面形状や各種物性情報の測定が行われている。（例えば、特許文献２参照、特許文献３参照）
図９に第一の従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す。
【０００５】
この従来技術では、支持基材２２０上に、先端にプローブを有するカンチレバー２２４と、カンチレバーの変位を検出するための光てこ光学系、および、カンチレバー２２４をサンプルに対してスキャンさせるための三軸微動機構が配置され走査型プローブ顕微鏡ユニットが構成されている。
【０００６】
光てこ光学系は、半導体レーザ２７１と、コリメートレンズ（図示せず）、偏光ビームスプリッタ２８２、１／４波長板２８３、反射鏡２７５、２７７、２７８、集光レンズ２８４、４分割フォトダイオードよりなるポジションセンサ２７３により構成される。半導体レーザ２７１から出た出射光は、コリメートレンズにより平行光に変換される。変換された平行光は偏光ビームスプリッタ２８２を通過する。このとき、偏光ビームスプリッタ２８２にｐ偏光成分が入射するように半導体レーザ２７１の向きを調整しておく。偏光ビームスプリッタ２８２を出たｐ偏光成分は１／４波長板２８３を通過して円偏光に変換される。そのあと、反射板２７５で光路を変換し、集光レンズ２８４を通り、反射板２７７、反射板２７８で光路を変換して、カンチレバー２２４の背面に集光される。カンチレバー２２４からの反射光は、前述の光路と逆の光路をとおり、１／４波長板２８３によりｓ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２８２に入射する。ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２８２を透過せずに反射して光路を曲げられて、４分割フォトディテクタ２７３に入射する。カンチレバー２２４が撓んだ場合、４分割フォトディテクタ２７３上のスポットが動き、４分割フォトディテクタ２７３の出力信号によりカンチレバー２２４の撓みを検出することができる。
【０００７】
カンチレバー２２４はＸ方向微動機構２５１、Ｙ方向微動機構２２２、Ｚ方向微動機構２２３より構成される３軸微動機構のＺ方向微動機構２２３に固定されており、Ｘ方向微動機構２５１とＹ方向微動機構２２２によりサンプル面内でスキャンされ、Ｚ方向微動機構２２３によりサンプル表面とプローブ間の距離制御が行われる。
【０００８】
ここで、支持基材２２０には２本のマイクロメータ２６１とステッピングモータ２６２に接続された１本の差動マイクロメータ２６３が取り付けられてＺ軸粗動機構が構成される。Ｚ軸粗動機構はそれぞれのマイクロメータのヘッドの先端部がベースプレート（図示せず）上に載せられ走査型プローブ顕微鏡ユニットが３点で支持されている。プローブをベースプレート上に置かれたサンプルに近接させる場合には、ユニットの側面からプローブとサンプルを目視観察しながら、あらかじめ３本のマイクロメータ２６１、２６３で両者を大まかに近接させたあと、光てこ光学系の信号を見ながら、ステッピングモータ２６２で差動マイクロメータ２６３を少しづつ動かして、プローブとサンプルを近接させる。
【０００９】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡ユニットは、市販の倒立型顕微鏡のベースプレート上に載置してベースプレート上のサンプルの測定に使用されている。
【００１０】
次に、図１０（ａ）に、光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡の第二の従来例の概観図を示す。
【００１１】
光学顕微鏡として用いた倒立顕微鏡は、一般に市販されている倒立顕微鏡を使用している。この倒立顕微鏡のフレーム３３０に取り付けられたベースプレート３１１上に支柱３１３を介して走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４が取り付けられている。
【００１２】
走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４の構成を図１０（ｂ）に示す。走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４は、先端にプローブ３１５が設けられたカンチレバー３２８を保持するためのカンチレバーホルダ３２６と、カンチレバー３２８の変位を検出するための変位検出機構３１８、ベースプレート３１１上に置かれたサンプル３４２とプローブ３１５を相対的にスキャンさせるための三軸微動機構３１６により構成される。
【００１３】
三軸微動機構３１６は円筒型の圧電素子により構成されて、圧電素子を伸縮させることで、プローブ３１５とサンプル３４２間の距離を調整し、圧電素子を撓ませることでプローブ３１５をサンプル３４２面内で走査させる。円筒型圧電素子の先端には光てこ方式の変位検出機構３１８が固定され、さらに変位検出機構３１８に固定されたカンチレバーホルダ３２６を介してカンチレバー３２８が固定されている。変位検出機構３１８は半導体レーザ３２０からの出射光をダイクロイックミラー３２２でカンチレバー３２８方向に曲げて、カンチレバー３２８の背面に照射し、カンチレバー３２８の背面からの反射光をスポット位置センサ３２４で受光して、スポット位置センサ３２４の信号によりカンチレバー３２８の撓み量を検出する。
【００１４】
走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４はコンデンサレンズ３１６を有する倒立顕微鏡の照明装置３１７と、サンプル３４２下面側に配置された対物レンズ３３２の間に配置されており、コンデンサレンズ３１６からの照明光は円筒型圧電素子が固定される支持部３１９の透過孔３２１、円筒型圧電素子３１６の内部、光てこ系のダイクロイックミラー３２２を透過してサンプル３４２に照射され、サンプル３４２を透過した光が対物レンズ３３２により集光されて、プローブ３１５とサンプル３４２の像が観察される。
【００１５】
ここで、走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４は支柱３１３に取り付けられており、通常支柱部３１３に倒立顕微鏡の光軸方向に沿って、プローブ３１５をサンプル３４２に近接させるＺ軸粗動機構が設けられる。
【特許文献１】特開２０００−３４６７８４号公報
【特許文献２】特開平１０−１９９０６号公報
【特許文献３】特開平９−１６６６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、図９に示した第一の従来技術の走査型プローブ顕微鏡ユニットでは、プローブとサンプルを近接する場合に、差動マイクロメータ２６３のヘッド部をステッピングモータ２６２で上下させると、２本のマイクロメータ２６１のヘッドを支点として、プローブが円弧運動で動作する。このため、サンプルとプローブ先端の位置がずれてしまい位置合わせが困難である。
【００１７】
また、走査型プローブ顕微鏡ユニットの大きさに比較して３本のマイクロメータ２６１、２６３のヘッド部は直径が小さいため、走査型プローブ顕微鏡ユニットの支持剛性が低く振動により測定データに振動ノイズが載ってしまう。また、測定場所の温度変化により、マイクロメータのヘッド部や走査型プローブ顕微鏡ユニットが熱膨張し、それにより測定精度が悪化する。
【００１８】
また、図１０のように構成された第二の従来技術の走査型プローブ顕微鏡では、走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４が支柱３１３に対して片持ち支持された構成であるために、支持剛性が低く振動により測定データにノイズが載ってしまう。
【００１９】
また、走査型プローブ顕微鏡と組み合わせた倒立顕微鏡の機能を十分に発揮して、走査型プローブ顕微鏡による測定前のプローブとサンプルの位置合わせ精度を上げるためには、対物レンズを交換可能とし、低倍率の対物レンズから、高倍率の対物レンズに交換して測定を行う必要がある。高倍率の対物レンズでは、作動距離は数ｍｍ〜数百μｍと微小であり、また、照明用コンデンサレンズの作動距離も十分な照明効率を確保するためには開口数０．５程度のコンデンサレンズをサンプルに対して約３０ｍｍ程度まで接近させる必要がある。
【００２０】
図１０の従来例では走査型プローブ顕微鏡ユニットと支柱に設けられたＺ軸粗動機構の光軸方向の高さが高くなるため、コンデンサレンズをサンプルに近づけることができない。このため、作動距離が長く開口数の小さいコンデンサレンズしか使用できず、せっかく倒立顕微鏡と組み合わせても倒立顕微鏡の機能を十分に使用できず、光学顕微鏡により被測定箇所への位置決めが困難であった。
【００２１】
このような問題点に鑑みて、本発明では、支持剛性が高く、サンプル面内に垂直な方向に直進しながら近接可能なＺ軸粗動機構を持つ走査型プローブ顕微鏡を提供する。このとき、プローブとサンプルの近接状況を確認するために側面から両者の観察を行えるような構造とする。
【００２２】
さらに、本発明では光学顕微鏡と組み合わせた場合に、対物レンズや照明装置をサンプルに十分近接できるように薄型のユニットで構成できるようなＺ軸粗動機構を持つ走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【００２３】
さらに、本発明では測定環境により温度ドリフトの影響を受けないような走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決するために、本発明では以下の手段により走査型プローブ顕微鏡を構成した。
【００２５】
プローブとサンプルホルダ上に載置されたサンプル間の高さ方向の距離を制御しながら、サンプル面内で前記プローブとサンプルを相対的に移動させる走査型プローブ顕微鏡において、前記プローブとサンプル表面とを近接させるＺ軸粗動機構を、サンプル面内と垂直な方向に移動する上面移動テーブルを有し、前記Ｚ軸粗動機構に上面から低面にかけて中空の開口部を設け、中空開口部の周囲を取り囲む前記Ｚ軸粗動機構側面の外周部から内周部にかけて切欠を設けた構造とし、前記中空開口部に前記プローブまたは前記サンプルホルダのいずれかを含む走査型プローブ顕微鏡のユニットを配置し、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを前記上面移動テーブルに固定し、プローブとサンプル表面を近接できるようにした。
【００２６】
このＺ軸粗動機構は、上面移動テーブル面内と平行な方向に摺動可能で第一の傾斜部を有する水平移動部と、概第一の傾斜部と摺動可能に連結される第二の傾斜部を有し前記上面移動テーブルが固定され前記上面移動テーブル面内での動きが拘束され前記上面移動テーブルと直交する方向に移動可能に配置された垂直移動部から構成され、前記水平移動部を上面移動テーブルと平行な方向に移動させ、前記第一の傾斜部により前記第二の傾斜部を押すことにより前記上面移動テーブルをテーブル面に垂直方向に移動させるように構成した。
【００２７】
また、前記Ｚ軸粗動機構の上面移動テーブル上に、上面移動テーブル面内で移動可能な第二のステージを固定し、該第二のステージを介して、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを前記上面移動テーブルに固定した。
【００２８】
また、前記中空開口部に顕微鏡用照明装置の一部または全部が配置されるようにした。このとき照明装置は開口数０．５以上のコンデンサレンズが含まれるようにした。
【００２９】
また、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたプローブに対向する位置に、透過孔を有するサンプルホルダを配置し、該サンプルホルダに対して前記プローブと対向する側に対物レンズを配置した。
【００３０】
また、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたサンプルホルダに対向する位置にプローブを配置し、該プローブに対して前記サンプルホルダと対向する位置に対物レンズを配置した。
【００３１】
また、前記中空開口部に対物レンズまたは集光レンズを配置した。
【００３２】
さらに、本発明では、前記Ｚ軸粗動機構が設置されるベースプレートにサンプルホルダまたはプローブを固定し、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Ｚ軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを実質的に同一の材質で構成した。さらに前記材質を、熱膨張係数が４×１０-6／Ｋ以下の低膨張材料とし、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Ｚ軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの全質量のうち、８０％以上が同一の材質で構成されるようにした。
【発明の効果】
【００３３】
以上のように走査型プローブ顕微鏡を構成することで、中空開口部を取り囲む上面移動テーブル面で広範囲に亘り走査型プローブ顕微鏡ユニットを支持することができるため支持剛性を高くすることができ、走査型プローブ顕微鏡の測定像への振動の影響を低減できる。
【００３４】
また、Ｚ軸粗動機構の外周部から内周部に切欠を設けているので、側面からプローブとサンプルの状態を観察でき近接状況を目視観察できる。また、第二のステージによりプローブをサンプル面内で移動できるため、プローブの面内の位置合わせも容易に行うことが可能で、操作性が向上する。
【００３５】
さらに、Ｚ軸粗動機構が平面状に展開されたＺステージ構造としているため、ユニット全体の高さを薄くでき、高い開口数のコンデンサレンズや対物レンズをサンプルに近づけることが可能で光学顕微鏡の観察性能が上がり、位置決め精度が向上する。
【００３６】
また、熱により各材料が膨張してもお互いに膨張量を補償することができ、熱によるドリフトの影響が抑制されて、走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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】
【００３８】
本実施例においては、カンチレバーを共振周波数付近で振動させながらサンプルに近づけ、振巾や位相の変化量により、プローブと試料間の距離を一定に保ちながら走査するＤＦＭモード（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｏｄｅ）による測定を行うものとする。
【００３９】
図１に本発明の第一実施例による走査型プローブ顕微鏡について、（ａ）は走査型プローブ顕微鏡の正面図であり、（ｂ）は（ａ）において符号Ａによって示す領域の拡大図を示す。
【００４０】
この走査型プローブ顕微鏡１は、市販の倒立顕微鏡と組み合わせたものであり、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、除振台２に設置された走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３と、この走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のベースプレート１３に設けられた走査型プローブ顕微鏡ユニット４およびＺ軸粗動機構１１０およびＺ軸粗動機構の上面に設けられたＸＹステージ１４０と、走査型プローブ顕微鏡ユニット４の下方に設けられた光学顕微鏡部（倒立顕微鏡）８と、この走査型プローブ顕微鏡ユニット４の上方に設けられ、光学顕微鏡部８のフレーム部５０に連なる照明装置５とを備えている。
【００４１】
光学顕微鏡部８は、ＸＹステージ３１を介して除振台２に載置されている。このＸＹステージ３１は光学顕微鏡部８に設置された対物レンズ１０の光軸中心にサンプルを位置合わせするためのサンプル位置調整機構として作用する。
【００４２】
走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３は、除振台２から垂直に延びる４本の支柱１２により４隅を支持された、平板状のベースプレート１３を備えて構成されるものである。このベースプレート１３は熱膨張を抑えるためＦｅ−３６Ｎｉの成分からなる低膨張材料であるインバー材（熱膨張係数０．５〜２×１０-6／Ｋ）を用いている。
【００４３】
ここで、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３は光学顕微鏡部８のフレーム部５０には固定されておらず、光学顕微鏡部３に対して独立している。
【００４４】
ベースプレート１３の中央部には、ベースプレート開口部１５が形成されており、このベースプレート開口部１５内に、サンプルＳが載置されるサンプルホルダ１６が設けられており、このサンプルホルダ１６の中央にはサンプルホルダ開口部１７が形成されている。サンプルホルダ１６は、後述するサンプル微動機構部２７により、Ｚ方向に沿って微動するようになっている。なお、Ｚ方向とは、サンプルＳの表面およびサンプルホルダ１６に垂直な方向であって、光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡１の高さ方向をいう。
【００４５】
サンプルホルダ１６の上面には、上述の走査型プローブ顕微鏡ユニット４が設置されている。走査型プローブ顕微鏡ユニット４は、後述するプローブ微動機構部２６を備えており、このプローブ微動機構部２６には、左右と後ろ側に合計３箇所のクランク状のクランク固定部３０が設けられている。そして、クランク固定部３０により、プローブ微動機構部２６は、その中心がサンプルホルダ開口部１７に一致するようにＸＹステージ１４０を介してＺ軸粗動機構１１０に固定されている。
【００４６】
なお、プローブ微動機構部２６およびサンプル微動機構部２７は、走査型プローブ顕微鏡用三軸微動機構を構成するものである。
【００４７】
プローブ微動機構部２６の下面には、カンチレバー２０を支持する大気中測定と溶液中測定兼用のカンチレバーホルダ２２が設けられている。カンチレバーホルダ２２の中央には、ガラスからなるガラスホルダ２３が設けられている。
【００４８】
このガラスホルダ２３を用いて溶液中で測定を行う場合には、サンプルＳとガラスホルダ２３との間に、液の粘性による膜を形成させることにより、液中測定時の照明光の乱反射等を防止する。
【００４９】
なお、カンチレバー２０は、長尺状のものに限定されず、平面視して三角形状のものや、断面が円形で光ファイバーの先端を先鋭化して湾曲させた近接場顕微鏡用のベントプローブ、あるいはカンチレバーの代わりに走査型トンネル顕微鏡や近接場顕微鏡用のストレート型のプローブなども本発明に含まれる。
【００５０】
カンチレバー２０は、サンプルホルダ開口部１７の上方に設けられている。カンチレバー２０の先端には、先鋭化されたプローブ２１が設けられており、後端は、カンチレバーホルダー２２に固定されている。これにより、カンチレバー２０は、プローブ２１が設けられた先端側が自由端となるように片持ち支持されている。また、カンチレバー２０は、不図示の加振手段により、Ｚ方向に沿って所定の周波数及び振幅で振動され、さらに、プローブ微動機構部２６により、サンプルホルダ１６に対して、Ｘ、Ｙ方向に微動するようになっている。なお、ＸＹ方向とは、サンプルＳの表面およびサンプルホルダ１６に平行な互いに直交する方向であって、Ｚ方向と直交する方向をいう。さらに、Ｘ方向とは、光学顕微鏡付の走査型プローブ顕微鏡１の幅方向をいい、Ｙ方向とは、走査型プローブ顕微鏡１の奥行方向をいうものとする。
【００５１】
また、プローブ微動機構部２６の近傍には、モーター駆動部１１２によってカンチレバー２０をＺ方向に粗動移動させるためのＺ軸粗動機構部１１０が設けられており、Ｚ軸粗動機構部１１０のベース１１１が走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のベースプレート１３に固定されている。このＺ軸粗動機構部１１０の上面にはプローブ２１をＸＹ面内で移動させるプローブ位置調整機構として作用するＸＹステージ１４０が設けられており、このＸＹステージ１４０の上面に、走査型プローブ顕微鏡ユニット４の左右２箇所と後ろ側の合計３箇所設けられたクランク固定部３０が固定されている。
【００５２】
ここで、Ｚ軸粗動機構１１０の詳細な構造を図２に示す。図２（ａ）はＺ軸粗動機構の平面図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００５３】
なお、図２（ｃ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ線断面図をとった場合にもマイクロメータ１４６とアーム１４４を除き同一の形状である。また、各図面は、構成を理解しやすいように本来なら隠れ線で見える箇所を実線で示している箇所がある。
【００５４】
このＺ軸粗動機構１１０は、平面視「コ」の字形状をしている。即ち、平面視四角形のＺ軸粗動機構１１０の中央部に上面から底面にかけて貫通した中空開口部１１３が設けられており、さらに、Ｚ軸粗動機構１１０の周囲を取り囲む側面のうち正面の外周部から内周部の側面が貫通した切欠の構造となっている。
【００５５】
このＺ軸粗動機構１１０は、平面視「コ」の字形状のベース１１１を有し、同じく平面視「コ」の字形状でＺ軸粗動機構１１０の左右に後方から正面にかけて第一の傾斜面１１４を有し左右の傾斜面の底面１１５がベース１１１にリニアガイド１１６により前後方向に摺動可能に固定された水平移動部１１７が設けられ、さらにＺ軸粗動機構１１０の左右に正面側から後方にかけて第二の傾斜面１１８を有する垂直移動部１１９が前記第一の傾斜面１１４にリニアガイド１２０を介して傾斜面に沿って摺動可能に固定されている。前記垂直移動部１１９は、平面視「コ」の字状の上面移動テーブル１２１に固定されており、上面移動テーブル１２１はテーブルの４隅の高さ方向に配置されたクロスローラガイド１２２により高さ方向の移動以外の動きが拘束されている。
【００５６】
Ｚ軸粗動機構１１０の右側にはモータ駆動部１１２が設置されている。モータ駆動部１１２はステッピングモーター１２３とカップリング１２４、ボールネジ１２５、およびベアリングを内蔵したサポート１２６から構成される。
【００５７】
ステッピングモータ１２３の出力軸１２３ａにはカップリング１２４を介してボールネジ１２５のオネジのネジ軸１２５ａが固定されている。オネジのネジ軸１２５ａは末端と先端部がサポート内１２６のベアリングに回転可能に収納されている。オネジのネジ軸１２５ａにはメネジが設けられて内部にベアリング球が内蔵されたボールネジナット１２５ｂがはめ込まれている。ボールネジナット１２５ｂにはアーム１２７が取り付けられて、アーム１２７は前述の水平移動部１１７に固定されている。この状態で、モータ１２３を回転させると、カップリング１２４を介してネジ軸１２５ａが回転し、回転方向の動きを規制されたボールネジナット１２５ｂは前後方向に移動する。このとき、アーム１２７を介して、水平移動部１１７もベース１１１に取り付けられたリニアガイド１１６にガイドされ前後方向に動作する。
【００５８】
水平移動部１１７が前後方向に動作すると、第一の傾斜面１１４が、垂直移動部１１９の第二の傾斜面１１８を押す。このとき、垂直移動部１１９に連結された上面移動テーブル１２１が水平方向の動きを規制されているため、上面移動テーブル１２１を高さ方向に直進させることができる。
【００５９】
また、上面移動テーブル１２１面には、平面視「コ」の字状で左右方向に移動可能なＸ移動テーブル１４１と前後方向に動作可能なＹ移動テーブル１４２より構成されるＸＹステージ１４０が設けられている。Ｘ移動テーブル１４１は、上面移動テーブル１２１の前後に左右方向に沿って設けられたクロスローラーガイド１４３により左右方向に案内され、Ｙ移動テーブル１４２は、Ｙ移動テーブル１４２の左右に前後方向に沿って設けられたクロスローラガイド１４４により前後方向に案内される。Ｘ移動テーブル１４１、Ｙ移動テーブル１４２には支点となるアーム１４５、１４６が固定されており、Ｚ軸粗動機構１１０の上面移動テーブル１２１に固定されたマイクロメータ１４７によりＸ移動テーブル１４１は左右方向に押され、Ｘ移動テーブルに固定されたマイクロメータ１４８によりＹ移動テーブル１４２が前後方向に押される。各々のマイクロメータ１４７、１４８と対向する側には圧縮バネ１４９、１５０が設けられており、マイクロメータ１４７、１４８を動作させることで任意の位置にＸＹステージ１４０を位置決めすることができる。
【００６０】
なお、ベース１１１、水平移動部１１７、垂直移動部１１８、上面移動テーブル１２１、Ｘ移動テーブル１４１、Ｙ移動テーブル１４２はベースプレート１３と同じく熱膨張を抑えるためＦｅ−３６Ｎｉの成分からなる低膨張材料であるインバー材（熱膨張係数０．５〜２×１０-6／Ｋ）を用いている。
【００６１】
以上のようにＺ軸粗動機構１１０とＸＹステージ１４０を構成し、Ｚ軸粗動機構１１０の中空開口部１１３にプローブを有する走査型プローブ顕微鏡ユニット４を配置する場合、走査型プローブ顕微鏡ユニット４は左右と後ろの３箇所荷に設けられたクランク固定部３０で、ＸＹステージ１４０を介してＺ軸粗動機構１１０に固定されるためＺ軸粗動機構１１０への支持剛性が高く、振動の影響が抑制されて走査型プローブ顕微鏡の測定データの質が向上する。
【００６２】
また、Ｚ軸粗動機構１１０とＸＹステージ１４０の正面側が外周部から内周部にかけて開口となっているので、プローブ２１とサンプルＳを側面から観察することができ、また、サンプル交換の際にも側面からサンプルを置くことができるため操作性が向上する。
【００６３】
図３に図１のプローブ微動機構部２６部分を拡大した平面図を示す。
【００６４】
本実施形態におけるプローブ微動機構部２６は、図３に示すように、幅寸法の異なる矩形枠状の外フレーム４８および内フレーム４９を備えており、これら外フレーム４８および内フレーム４９は、インバー材により平面状に形成されている。また、外フレーム４８と内フレーム４９とは、Ｘ駆動部（第１の駆動部）５２とＹ駆動部（第１の駆動部）５１とを介して、互いに同心上に連結されており、外フレーム４８および内フレーム４９の上面は面一にして配されている。Ｘ駆動部５２は、外フレーム４８に形成されたＹ方向に延びるＸ側空洞部６０内に設置されており、Ｙ駆動部５１は、同様にＸ方向に延びるＹ側空洞部５７内に設置されている。
【００６５】
Ｘ駆動部５２は、Ｙ方向に向けられた積層型のＸ側圧電素子６１を備えている。Ｘ側圧電素子６１には、その周囲を取り囲むように、上面視して略ひし形のＸ側変位拡大機構部６２が設けられている。そして、Ｘ側変位拡大機構部６２は、Ｘ側連結部６３を介して、内フレーム４９に連結されている。
【００６６】
また、Ｙ駆動部５１は、Ｘ方向に向けられた積層型のＹ側圧電素子５４を備えている。Ｙ側圧電素子５４には、上記と同様に、略ひし形のＹ側変位拡大機構部５５が設けられており、Ｙ側変位拡大機構部５５は、Ｙ側連結部５６を介して、内フレーム４９に連結されている。
【００６７】
内フレーム４９の四隅には、平行バネ６７が設置されている。
【００６８】
そして、Ｘ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４に電圧を印加することにより、Ｘ側変位拡大機構部６２およびＹ側変位拡大機構部５５が、それぞれＸ方向、Ｙ方向に拡大縮小し、これにより内フレーム４９をＸＹ方向に微動できるようになっている。
【００６９】
また、内フレーム４９の底面には、略矩形の基板６８が設けられている。基板６８の中央には、Ｚ方向にプローブ側貫通孔７０が形成されている。そして、このプローブ側貫通孔７０に、図１に示す光源４０からの照明光が通過するようになっている。
【００７０】
なお、基板６８の下面に、上述したように、カンチレバーホルダ２２を介してカンチレバー２０が設けられており、内フレーム４９のＸＹ方向の微動により、基板６８およびカンチレバーホルダ２２とともに、カンチレバー２０もＸＹ方向に微動するようになっている。
【００７１】
また、外フレーム４８および内フレーム４９の上面には、Ｙ方向微動量検出部７３およびＸ方向微動量検出部７４が設けられている。Ｙ方向微動量検出部７３は、内フレーム４９に固定されＸ方向に延びるＹ方向ターゲット７７と、外フレーム４８に固定され、Ｙ方向ターゲット７７のＹ方向の移動量を検出するＹ方向センサ７８とを備えている。
【００７２】
また、Ｘ方向微動量検出部７４は、同様にして内フレーム４９に固定されＹ方向に延びるＸ方向ターゲット８０と、外フレーム４８に固定されＸ方向ターゲット８０のＹ方向の移動量を検出するＸ方向センサ８１とを備えている。これらＹ方向センサ７８およびＸ方向センサ８１としては、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。
【００７３】
このような構成のもと、内フレーム４９がＸ方向に微動すると、Ｘ方向ターゲット８０もＸ方向に微動し、そのＸ方向の微動量をＸ方向センサ８１が検出するようになっている。また、内フレーム部４９がＹ方向に微動すると、Ｙ方向ターゲット７７もＹ方向に微動し、そのＹ方向の微動量をＹ方向センサ７８が検出するようになっている。すなわち、Ｘ方向センサ８１は、Ｘ方向ターゲット８０および内フレーム部４９を介して、カンチレバー２０のＸ方向の微動量を検出し、Ｙ方向センサ７８は、またＹ方向ターゲット７７および内フレーム部４９を介して、カンチレバー２０のＹ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。
【００７４】
Ｘ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８は、それぞれ演算部（算出手段）８３に電気的に接続されており、Ｘ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８からの検出結果が、演算部８３に入力されるようになっている。演算部８３は、検出結果に応じて、印加された電圧と微動量とによって、カンチレバー２０のＸＹ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。すなわち、演算部８３は算出手段として機能するものである。さらに、演算部８３は、各種制御を行う制御部８４に電気的に接続されており、算出結果を制御部８４に入力するようになっている。そして、この制御部８４によって、印加電圧に対して、プローブ微動機構部２７が線形に動作するように制御される。
【００７５】
また、プローブ微動機構部２６には、図１に示すように、プローブ変位検出手段としてレーザ光を発するレーザ光源４４と、このレーザ光源４４からのレーザ光を受光し、例えば４分割されたフォトディテクタ４５とが設けられている。これらレーザ光源４４およびフォトディテクタ４５は、カンチレバー２０の斜め上方に互いに対向して配置されている。そして、レーザ光源４４から出射されたレーザ光が、カンチレバー２０の上面に到達してそこで反射し、その反射光がフォトディテクタ４５に到達するようになっている。
【００７６】
また、プローブ微動機構部２６の上方には、上述の照明装置５が設られている。照明装置５は、照明光を発する光源４０と、この光源４０からの照明光を集光するためのコンデンサレンズ４１（開口数０．５２、作動距離３０ｍｍ）とを備えている。コンデンサレンズ４１は、倒立顕微鏡部８のフレーム部５０に連なる照明用支柱４２によって、プローブ微動機構部２６の中心上方に配されて、プローブ微動機構部２６に対して上下動可能に支持されている。なお、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３には照明装置５は固定されていない。
【００７７】
さらに、本実施例におけるサンプル微動機構部２７は、図４および図５に示すように、略長方形状に形成された機構本体部８６と、この機構本体部８６から、機構本体部８６の厚さ方向（すなわちＺ方向）に交差する方向（すなわちＸ方向）に延出する延出部８７とを備えている。機構本体部８６と延出部８７はインバー材により構成される。
【００７８】
延出部８７の厚さ寸法Ｒは、機構本体部の厚さ寸法Ｍよりも小さく設定されている。そして、延出部８７の上面と機構本体部８６の上面とは略同一にされており、これにより、延出部８７の下方には、スペースＪが設けられている。
【００７９】
延出部８７には、Ｚ方向に向けられたサンプルホルダ側貫通孔１０９が形成されており、このサンプルホルダ側貫通孔１０９内に、上述のサンプルホルダ１６が設けられている。
【００８０】
機構本体部８６には、延出部８７の延出方向と反対方向に延びる本体固定部９１が設けられている。本体固定部９１は、図１に示すテーブル１３の所定の位置に固定されており、これにより、機構本体部８６が片持ち支持されている。
【００８１】
また、機構本体部８６の内部に、空洞部９３が設けられている。空洞部９３の上内壁部９４のＸ方向の両端のうち、本体固定部９１が設けられた方の端部には、第１平行バネ１０１が設けられており、延出部８７が設けられた方の端部には、第２平行バネ１０２が設けられている。一方、下内壁部９７のＸ方向の両端のうち、延出部８７が設けられた方の端部には、第３平行バネ１０３が、本体固定部９１が設けられた方の端部には、第４平行バネ１０４が設けられている。また、第２平行バネ１０２の近傍には、上内壁部９４から下方に向けて延びる下方壁部９５が設けられており、第４平行バネ１０４の近傍には、下内壁部９７から上方に向けて延びる上方壁部９６が設けられている。すなわち、下方壁部９５および上方壁部９６が、互いに反対方向に延ばされて対向して配置されている。
【００８２】
そして、これら下方壁部９５と上方壁部９６との間に、一端が下方壁部９５に固定され、他端が上方壁部９６に固定されて、Ｘ方向に向けられた積層型のＺ側圧電素子９０が配置され、Ｚ駆動部（第２の駆動部）８５が構成される。
【００８３】
Ｚ駆動部８５は、図３で上述したＸ駆動部５２およびＹ駆動部５１とは、物理的に分離して別個に設けられたものであり、それぞれ独立して機能するものである。
【００８４】
さらに、機構本体部８６の下端には、Ｘ方向に延びる底壁部１０７が設けられている。この底壁部１０７のＸ方向の両端のうち、本体固定部９１が設けられた方の端部は、機構本体部８６の側壁に一体的に固定されており、延出部８７が設けられた方の端部は、自由端となっている。この底壁部１０７の先端部には、演算部８３に接続されたＺ方向微動量検出部１０８が設けられている。Ｚ方向微動量検出部１０８には、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。
【００８５】
このような構成のもと、Ｚ側圧電素子９０に電圧を印加すると、Ｚ側圧電素子９０が伸縮するようになっている。そして、Ｚ側圧電素子９０が伸びると、下方壁部９５および上方壁部９６がＸ方向外方に押圧され、上方壁部９６は固定端付近を中心に図４における時計方向に回転するとともに、下方壁部９５も固定端付近を中心に時計方向に回転し、結果として、第１から第４の平行バネ１０１、１０２、１０３、１０４に案内されて、延出部８７がＺ方向に移動し、延出部８７に連結されたサンプルホルダ１６がＺ方向に移動するようになっている。このとき、Ｚ方向微動量検出部１０８により、機構本体部８６の微動量が検出されるようになっている。すなわち、Ｚ方向微動量検出部１０８は、Ｚ駆動部の底面の動きを検出し、機構本体部８６を介して、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。そして、演算部８３が、Ｚ方向微動量検出部１０８の検出結果に応じて、印加された電圧と実際の微動量とによって、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。この算出結果は制御部８４に入力され、この制御部８４によって、印加電圧に対して、ステージ微動機構部２７が線形に動作するように制御される。
【００８６】
なお、Ｚ方向については、単にＺ方向微動量検出部１０８により微動量を検出し、それを走査型プローブ顕微鏡像の高さ上方として表示させてもよい。
【００８７】
このように構成されたサンプル微動機構２７は、小型かつ高剛性であり、プローブ微動機構部２６に比べて共振周波数が高く高速動作が可能となっている。
【００８８】
さらに、本実施例においては、図１に示すように、スペースＪに対物レンズ１０が設けられている。すなわち、倒立顕微鏡部８の上端に、レボルバ（配置変更手段）９が設けられており、このレボルバ９に、それぞれ倍率の異なる複数の対物レンズ１０が設けられている。そして、レボルバ９を回すことにより、複数の対物レンズ１０の配置が変更されるようになっており、複数の対物レンズ１０をスペースＪ内の観察位置Ｋに選択的に配置することができるようになっている。
【００８９】
ここでの観察位置Ｋとは、サンプルホルダ１６の下方であって、サンプルホルダ開口部１７に一致する位置をいい、試料Ｓを観察するための位置とする。
【００９０】
また、対物レンズ１０は、観察位置Ｋにおいて、倒立顕微鏡８に設けられたフォーカシングダイヤル８ａを操作することによりＺ方向に上下動することができるようになっている。
【００９１】
複数の対物レンズをレボルバの回転により交換する際に、対物レンズの軌道と走査型プローブ顕微鏡ユニット４、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３が干渉しないように、サンプル微動機構２７とベースプレート１３には逃げが設けられている。
【００９２】
ここで、対物レンズ１０はサンプルＳに焦点を合わせた状態で交換をする場合が多い。このときベースプレート１３との干渉をなくすためにはベースプレートの厚さを薄くする必要がある。本発明では、光学顕微鏡部８と走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３を独立して構成しているため、ベースプレート１３の面積を大きくすることができ、ベースプレート１３中央部以外の部分の肉厚を厚くすることができ、さらに、厚くすることで質量が重くなっても、光学顕微鏡部８とは独立した支柱１２によりベースプレートを支えることができるため、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３に高い剛性を確保させることが可能となった。
【００９３】
以上のように構成された走査型プローブ顕微鏡では、走査型プローブ顕微鏡ユニット４とＺ軸粗動機構１１０を薄く構成でき、さらにベースプレート１３の下側に対物レンズ１０を交換可能に配置できるスペースを有しているため、走査型プローブ顕微鏡ユニット４をコンデンサレンズ４１と対物レンズ間の狭い空間に入れることができ、光学顕微鏡の性能を十分に活用でき位置合わせ精度を向上させることができる。
【００９４】
また、プローブ２１はサンプル面に対して垂直に直進するため、Ｚ軸に沿ってプローブ２１とサンプルを近接させる際に光軸に沿って移動するため位置ずれが発生せず、光学顕微鏡で観察した場所への位置合わせ精度も向上する。
【００９５】
また、プローブ微動機構２６とサンプル微動機構２７サンプル微動機構に取り付けられたサンプルホルダ１６を含む走査型プローブ顕微鏡ユニット４とＺ軸粗動機構１１０、ＸＹステージ１４０、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のベースプレート１３の材料を実質的に同一とし、温度によるひずみの少ない低膨張金属であるインバー材（熱膨張係数０．５〜２×１０-6／Ｋ）により構成し、温度によるひずみ自体を抑えるとともに、ひずみが生じた場合でもお互いにひずみ量を補償しあえるように構成した。
【００９６】
ここで、実質的に同一とは、ユニットの構成上１００％同じ材料で構成することは不可能であるため、本実施例においては走査型プローブ顕微鏡ユニット４とＺ軸粗動機構１１０、ＸＹステージ１４０、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のベースプレート１３の合計質量のうち８０％をインバー材で構成した。
【００９７】
例えば、プローブ微動機構２６に取り付けられるカンチレバーホルダー２２のフレームは軽さを重視してチタンで構成し、ガラスホルダ２３を保持している。また、Ｚ軸粗動機構部１１０のガイド部やモータ駆動部１１２、サンプル機構部２７やプローブ微動機構部２６の圧電素子、各ユニットに使用されているネジ、プローブ変位検出手段４４、４５などはコストや機能上の問題によりインバー材以外の材料を用いた。
【００９８】
また、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３の支柱１２は温度により膨張収縮しても走査型プローブ顕微鏡像自体には影響を与えないため、ステンレスにより構成しコストを削減したが、テーブル１３と同じインバー材で構成してもよい。
【００９９】
なお、低膨張金属としては、Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏを成分とするスーパーインバー材（熱膨張係数０〜１．５×１０-6／Ｋ）を用いてもよい。また、低膨張材料以外でも、実質的に同一材料であれば、温度によるひずみ量をお互いに補償しあえるため温度ドリフトを抑制することが可能である。
【０１００】
次に、このように構成された本実施例における光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡１の作用について説明する。
【０１０１】
まず、走査型プローブ顕微鏡ユニット４をＺ軸粗動機構１１０から外し、Ｚ軸粗動機構の正面側からサンプルホルダ１６にサンプルＳに載置する。そして、走査型プローブ顕微鏡ユニット４をＺ軸粗動機構１１０上のＸＹステージ１４０に固定する。そして光源４０からサンプルＳに向けて照明光を照射する。その照明光は、プローブ側貫通孔７０を通り、サンプルＳを透過して、さらにサンプルホルダ側開口部１７を通ることにより、観察位置Ｋに配された対物レンズ１０に到達する。これによって、対物レンズ１０を介して、サンプルＳの状態が観察が可能となり、ＸＹステージ３１により光学顕微鏡８全体を動かして、サンプルＳ上の被測定箇所を特定させる。
【０１０２】
このとき、レボルバ９を回すと、当初の対物レンズ１０がスペースＪを通って観察位置Ｋから外れ、他の対物レンズ１０が観察位置Ｋに配置される。これにより、適切な倍率の対物レンズ１０が選択される。
【０１０３】
また、フォーカシングダイヤル８ａを操作すると、対物レンズ１０が上方に移動し、対物レンズ１０がサンプルＳに近接し、フォーカシングすることができる。
【０１０４】
これによってサンプルＳの光学的観察が行われ、この結果に応じて、プローブ顕微鏡による測定が行われる。
【０１０５】
プローブ顕微鏡による測定を行うには、サンプルＳの表面とプローブ２１の位置を、倒立顕微鏡８の光学像を見ながら、プローブ位置調整機構１４０で位置合わせをする。
【０１０６】
次に、レーザ光源４４およびフォトディテクタ４５の位置を調整する。すなわち、レーザ光源４４から照射したレーザ光Ｌが、カンチレバー２０の上面で反射し、フォトディテクタ４５に確実に入射するよう位置調整を行う。
【０１０７】
尚、このプローブ変位検出手段であるレーザ光源とフォトディテクタの調整は、初めに行っておいてもよい。
【０１０８】
その後、側面からサンプルＳとプローブ２１を目視観察しながら、モーター１２３を駆動して、Ｚ軸粗動機構部１１０により、カンチレバー２０を粗動移動させて、カンチレバー２０をサンプルに接近させる。そして、カンチレバー２０先端部のプローブ２１をサンプルＳの表面近傍に位置させる。
【０１０９】
この状態から、不図示の加振手段により、カンチレバー２０を介してプローブ２１を、Ｚ方向に沿って所定の周波数および振幅で振動させる。
【０１１０】
そして、図３に示すＸ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４に電圧を印加する。すると、Ｘ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４が伸縮し、Ｘ側変位拡大機構部６２およびＹ側変位拡大機構部５５を介して、内フレーム４９がＸＹ方向に微動する。これにより、プローブ２１がサンプルＳ上を所定の走査速度でラスタースキャンする。
【０１１１】
このとき、内フレーム４９がＸＹ方向に微動すると、Ｘ方向ターゲット８１およびＹ方向ターゲット７８がそれぞれＸ方向、Ｙ方向に微動し、そのＸ、Ｙ方向の微動量がＸ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８によって検出される。これら検出結果は演算部８３に入力されて、カンチレバー２０のＸＹ方向の微動量の誤差が算出され、この算出結果が制御部８４に入力される。このように、ＸＹ方向の微動量を補正することによって、Ｘ側圧電素子６１やＹ側圧電素子５４のヒステリシスやクリープに影響されず、ＸＹ方向に線形に動作する。
【０１１２】
走査の際、サンプルＳの凹凸に応じて、プローブ２１とサンプルＳの表面との距離が変化すると、原子間力や間欠的な接触力によりプローブ２１が斥力または引力を受けるので、カンチレバー２０の振動状態が変化し、振巾や位相が変化する。この振巾や位相の変化は、フォトディテクタ４５の異なる２対の分割面の出力差（ＤＩＦ信号と呼ぶ）として検出される。このＤＩＦ信号は、不図示のＺ電圧フィードバック回路に入力される。そして、Ｚ電圧フィードバック回路は、ＤＩＦ信号により振巾や位相が同じになるように、図４に示すＺ側圧電素子９０に電圧を印加する。
【０１１３】
Ｚ側圧電素子９０は、電圧が印加されることにより高速で伸縮を繰り返す。Ｚ側圧電素子９０が伸縮すると、延出部８７を介してサンプルホルダ１６が非常に高い周波数でＺ方向に移動し、サンプルホルダ１６上のサンプルＳがＺ方向に移動する。これにより、上記走査の際、プローブ２１とサンプルＳの表面との間の距離が常に一定に保たれる。
【０１１４】
また、サンプルホルダ１６がＺ方向に移動すると、Ｚ方向微動量検出部１０８により、機構本体部８６の微動量が検出され、この検出結果に応じて、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量の誤差が算出される。そして、その算出結果が制御部８４に入力され、Ｚ方向に線形に動作させることができる。
【０１１５】
なお、Ｚ方向移動量検出部１０８により微動量を検出し、それをＳＰＭ像の高さ情報として表示させてもよい。この場合、より高速走査が可能となる。
【０１１６】
このようにして、Ｘ側、Ｙ側、Ｚ側圧電素子６１、５４、９０に印加した電圧、またはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向センサ８１、７８、１０８の信号を制御部８４に入力し、画像化することでサンプルＳの表面の形状像を測定することができる。また、プローブ２１とサンプルＳとの間に働くいろいろな力や物理作用を測定することで、粘弾性、サンプルＳの表面電位分布、サンプルＳの表面の漏れ磁界分布、近接場光学像等の各種の物性情報の測定を行うことができる。
【０１１７】
以上のように走査型プローブ顕微鏡を構成することで、装置剛性を確保でき、その結果、音や床振動の影響が抑制されて走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。
【０１１８】
また、対物レンズや対物レンズ交換機能、高効率の照明装置など市販の顕微鏡が有する機能をそのまま用いることができるため、システムの取扱も容易となる。
【実施例２】
【０１１９】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
【０１２０】
図６は、本発明の第２の実施例を示したものである。
【０１２１】
図６において、図１から図５に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【０１２２】
この実施例と上記第１の実施例とは基本的構成は同一であり、以下の点において異なるものとなっている。
【０１２３】
すなわち、本実施例における走査型プローブ顕微鏡１は、正立顕微鏡と組み合わせたものである。すなわち、正立顕微鏡８には光源４０が設けられ、光源４０の上端にはコンデンサレンズ４１が設けられている。また、コンデンサレンズ４１の上方にはステージ微動機構部２７が設けられている。ステージ微動機構部２７は円筒状のＺ側圧電素子３４からなり、Ｚ側圧電素子３４はＺ方向に向けて設置されている。Ｚ側圧電素子３４には、Ｚ方向に向けられた筒孔（ステージ側貫通孔）３３が形成されており、この筒孔３３に光源４０からの照明光が通されるようになっている。
【０１２４】
また、プローブ微動機構部２６の上方には、観察位置Ｋに対物レンズ１０が設けられている。ここでの観察位置Ｋとは、プローブ微動機構部２６の上方から、カンチレバー２０または試料Ｓを観察する位置をいう。対物レンズ１０は、観察位置Ｋにおいて上下動するようになっており、下方に移動させると、プローブ微動機構２６の内部空間に挿入されるようになっている。
【０１２５】
このような構成のもと、光源４０からの照明光は、筒孔３３を通って試料Ｓを透過する。また、対物レンズ１０を下方に移動させて、プローブ側貫通孔７０の方向に挿入すると、対物レンズ１０はカンチレバー２０または試料Ｓに近接する。
【０１２６】
以上より、ステージ微動機構部２７には筒孔３３が設けられ、この筒孔１１０に照明光を通していることから、照明光の進行を邪魔することなく、高精度に測定することができる。
【０１２７】
ここで、Ｚ軸粗動機構１１０とＸＹステージ１４０は第一の実施例と同じものを用いており、Ｚ軸粗動機構１１０の中空開口部１１３内に走査型プローブ顕微鏡ユニット４が配置されているため、光軸方向の高さを薄く構成でき、対物レンズ１０を、中空開口部１１３内のプローブ側微動機構２６内部に挿入することができることから、カンチレバー２０や試料Ｓに対物レンズ１０を一層近接させることができ、高ＮＡの対物レンズを設けて高精度な測定を行うことができる。
【０１２８】
本発明の走査型プローブ顕微鏡のＺ軸粗動機構の構造は第一の実施例、第二の実施例の形状に限定されず例えば図７に示すように平面視「Ｕ」字形状のものなども考えられる。また、外周部から内周部への切欠は必ずしも上面から底面にかけて貫通する必要はない。図８はこの場合の一実施例で、図８（ａ）はＺ軸粗動機構形状を表す平面図、図８（ｂ）は正面図である。この図のように正面視して底面から高さ方向の中間部分までのみが外周から内周にかけて切欠１６０を持っているような構造でもよい。また、Ｚ軸粗動機構とＸＹステージの機構は上記実施例に限定されるものではない。
【０１２９】
また、プローブをＺ軸粗動機構により動作させるようにしたが、サンプル側をＺ軸微動機構により動作させて、プローブに近づける構成でもよい。
【０１３０】
また、光学顕微鏡は必須の要素ではなく、走査型プローブ顕微鏡のみでもよい。また、光学顕微鏡と組み合わせ場合には、光学顕微鏡のフレームに走査型プローブ顕微鏡ユニットを載せてもよい。
【０１３１】
また、上記第１および第２の実施例では、Ｘ側圧電素子６１、Ｙ側圧電素子５４およびＺ側圧電素子９０を積層型の圧電素子としたが、これに限ることはなく、適宜変更可能である。例えば、スタック型の圧電素子としたり、またはボイスコイルなどを用いたりすることも可能である。
【０１３２】
また、プローブ微動機構部２６とステージ微動機構部２７を一体構造としてもよい。
【０１３３】
また、ＤＦＭモードによる観察としたが、これに限ることはなく、コンタクトＡＦＭなどの種々のモードに適用可能である。さらに、近接場顕微鏡にも適用することができる。近接場顕微鏡に適用すると、高ＮＡの対物レンズを使用することができるため、近接場信号の集光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１実施例を示す構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）において符号Ａによって示す領域の拡大図である。
【図２−１】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のＺ軸粗動機構とＸＹステージの構成図であり、（ａ）は平面図。
【図２−２】（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のプローブ微動機構部を示す平面図である。
【図４】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のサンプル微動機構部を示す平面図である。
【図５】図３に示す走査型プローブ顕微鏡のサンプル微動機構部を示す底面図である。
【図６】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２実施例を示す正面図である。
【図７】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３実施例のＺ軸粗動機構の形状を示す平面図である。
【図８】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第４実施例のＺ軸粗動機構を示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図９】従来の走査型プローブ顕微鏡の第一の概観図である。
【図１０】従来の走査型プローブ顕微鏡の第二の概観図であって、（ａ）は概観図、（ｂ）は（ａ）の走査型プローブ顕微鏡部の詳細図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 走査型プローブ顕微鏡
２ 除振台
３ 走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部
４ 走査型プローブ顕微鏡ユニット
５ 照明装置
８ 光学顕微鏡部（倒立顕微鏡）
９ レボルバ
１０ 対物レンズ
１２ 支柱
１３ ベースプレート
１６ サンプルホルダ
２０ カンチレバー
２１ プローブ
２２ カンチレバーホルダー
２６ プローブ微動機構
２７ サンプル微動機構
３０ クランク固定部
３１ ＸＹステージ
４０ 光源
４１ コンデンサレンズ
４２ 照明用支柱
４４ レーザ光源（プローブ変位検出手段）
４５ フォトダイオード（プローブ変位検出手段）
５０ 光学顕微鏡フレーム部
１１０ Ｚ軸粗動機構部
１１１ ベース
１１２ モーター駆動部
１１３ 中空開口部
１１７ 水平移動部
１１９ 垂直移動部
１２１ 上面移動テーブル
１２３ ステッピングモータ
１２５ ボールネジ
１４０ ＸＹステージ（プローブ位置調整機構）
１４１ Ｘ移動テーブル
１４２ Ｙ移動テーブル
Ｓ サンプル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面にプローブを近接させて走査することにより、サンプルの表面形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡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、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の粘弾性等の物性情報や試料の表面形状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の中には、サンプルが載置されるサンプルホルダと、サンプルの表面に近接させる先端にプローブを有し、試料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（例えば、特許文献１参照）。そして、これらサンプルホルダとプローブとをサンプル面内のＸ、Ｙ方向に相対的に走査させ、この走査中にカンチレバーの変位量を測定しながら、サンプルホルダまたはプローブを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】
また、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡を組み合わせて、光学顕微鏡による明視野観察、暗視野観察、微分干渉観察、位相差観察、蛍光観察などから得られる情報からサンプル表面上の被測定箇所を特定し、被測定箇所にプローブを位置決めして、走査型プローブ顕微鏡により、さらに高分解能で表面形状や各種物性情報の測定が行われている。（例えば、特許文献２参照、特許文献３参照）
図９に第一の従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す。
【０００５】
この従来技術では、支持基材２２０上に、先端にプローブを有するカンチレバー２２４と、カンチレバーの変位を検出するための光てこ光学系、および、カンチレバー２２４をサンプルに対してスキャンさせるための三軸微動機構が配置され走査型プローブ顕微鏡ユニットが構成されている。
【０００６】
光てこ光学系は、半導体レーザ２７１と、コリメートレンズ（図示せず）、偏光ビームスプリッタ２８２、１／４波長板２８３、反射鏡２７５、２７７、２７８、集光レンズ２８４、４分割フォトダイオードよりなるポジションセンサ２７３により構成される。半導体レーザ２７１から出た出射光は、コリメートレンズにより平行光に変換される。変換された平行光は偏光ビームスプリッタ２８２を通過する。このとき、偏光ビームスプリッタ２８２にｐ偏光成分が入射するように半導体レーザ２７１の向きを調整しておく。偏光ビームスプリッタ２８２を出たｐ偏光成分は１／４波長板２８３を通過して円偏光に変換される。そのあと、反射板２７５で光路を変換し、集光レンズ２８４を通り、反射板２７７、反射板２７８で光路を変換して、カンチレバー２２４の背面に集光される。カンチレバー２２４からの反射光は、前述の光路と逆の光路をとおり、１／４波長板２８３によりｓ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２８２に入射する。ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２８２を透過せずに反射して光路を曲げられて、４分割フォトディテクタ２７３に入射する。カンチレバー２２４が撓んだ場合、４分割フォトディテクタ２７３上のスポットが動き、４分割フォトディテクタ２７３の出力信号によりカンチレバー２２４の撓みを検出することができる。
【０００７】
カンチレバー２２４はＸ方向微動機構２５１、Ｙ方向微動機構２２２、Ｚ方向微動機構２２３より構成される３軸微動機構のＺ方向微動機構２２３に固定されており、Ｘ方向微動機構２５１とＹ方向微動機構２２２によりサンプル面内でスキャンされ、Ｚ方向微動機構２２３によりサンプル表面とプローブ間の距離制御が行われる。
【０００８】
ここで、支持基材２２０には２本のマイクロメータ２６１とステッピングモータ２６２に接続された１本の差動マイクロメータ２６３が取り付けられてＺ軸粗動機構が構成される。Ｚ軸粗動機構はそれぞれのマイクロメータのヘッドの先端部がベースプレート（図示せず）上に載せられ走査型プローブ顕微鏡ユニットが３点で支持されている。プローブをベースプレート上に置かれたサンプルに近接させる場合には、ユニットの側面からプローブとサンプルを目視観察しながら、あらかじめ３本のマイクロメータ２６１、２６３で両者を大まかに近接させたあと、光てこ光学系の信号を見ながら、ステッピングモータ２６２で差動マイクロメータ２６３を少しづつ動かして、プローブとサンプルを近接させる。
【０００９】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡ユニットは、市販の倒立型顕微鏡のベースプレート上に載置してベースプレート上のサンプルの測定に使用されている。
【００１０】
次に、図１０（ａ）に、光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡の第二の従来例の概観図を示す。
【００１１】
光学顕微鏡として用いた倒立顕微鏡は、一般に市販されている倒立顕微鏡を使用している。この倒立顕微鏡のフレーム３３０に取り付けられたベースプレート３１１上に支柱３１３を介して走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４が取り付けられている。
【００１２】
走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４の構成を図１０（ｂ）に示す。走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４は、先端にプローブ３１５が設けられたカンチレバー３２８を保持するためのカンチレバーホルダ３２６と、カンチレバー３２８の変位を検出するための変位検出機構３１８、ベースプレート３１１上に置かれたサンプル３４２とプローブ３１５を相対的にスキャンさせるための三軸微動機構３１６により構成される。
【００１３】
三軸微動機構３１６は円筒型の圧電素子により構成されて、圧電素子を伸縮させることで、プローブ３１５とサンプル３４２間の距離を調整し、圧電素子を撓ませることでプローブ３１５をサンプル３４２面内で走査させる。円筒型圧電素子の先端には光てこ方式の変位検出機構３１８が固定され、さらに変位検出機構３１８に固定されたカンチレバーホルダ３２６を介してカンチレバー３２８が固定されている。変位検出機構３１８は半導体レーザ３２０からの出射光をダイクロイックミラー３２２でカンチレバー３２８方向に曲げて、カンチレバー３２８の背面に照射し、カンチレバー３２８の背面からの反射光をスポット位置センサ３２４で受光して、スポット位置センサ３２４の信号によりカンチレバー３２８の撓み量を検出する。
【００１４】
走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４はコンデンサレンズ３１６を有する倒立顕微鏡の照明装置３１７と、サンプル３４２下面側に配置された対物レンズ３３２の間に配置されており、コンデンサレンズ３１６からの照明光は円筒型圧電素子が固定される支持部３１９の透過孔３２１、円筒型圧電素子３１６の内部、光てこ系のダイクロイックミラー３２２を透過してサンプル３４２に照射され、サンプル３４２を透過した光が対物レンズ３３２により集光されて、プローブ３１５とサンプル３４２の像が観察される。
【００１５】
ここで、走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４は支柱３１３に取り付けられており、通常支柱部３１３に倒立顕微鏡の光軸方向に沿って、プローブ３１５をサンプル３４２に近接させるＺ軸粗動機構が設けられる。
【特許文献１】特開２０００−３４６７８４号公報
【特許文献２】特開平１０−１９９０６号公報
【特許文献３】特開平９−１６６６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、図９に示した第一の従来技術の走査型プローブ顕微鏡ユニットでは、プローブとサンプルを近接する場合に、差動マイクロメータ２６３のヘッド部をステッピングモータ２６２で上下させると、２本のマイクロメータ２６１のヘッドを支点として、プローブが円弧運動で動作する。このため、サンプルとプローブ先端の位置がずれてしまい位置合わせが困難である。
【００１７】
また、走査型プローブ顕微鏡ユニットの大きさに比較して３本のマイクロメータ２６１、２６３のヘッド部は直径が小さいため、走査型プローブ顕微鏡ユニットの支持剛性が低く振動により測定データに振動ノイズが載ってしまう。また、測定場所の温度変化により、マイクロメータのヘッド部や走査型プローブ顕微鏡ユニットが熱膨張し、それにより測定精度が悪化する。
【００１８】
また、図１０のように構成された第二の従来技術の走査型プローブ顕微鏡では、走査型プローブ顕微鏡ユニット３１４が支柱３１３に対して片持ち支持された構成であるために、支持剛性が低く振動により測定データにノイズが載ってしまう。
【００１９】
また、走査型プローブ顕微鏡と組み合わせた倒立顕微鏡の機能を十分に発揮して、走査型プローブ顕微鏡による測定前のプローブとサンプルの位置合わせ精度を上げるためには、対物レンズを交換可能とし、低倍率の対物レンズから、高倍率の対物レンズに交換して測定を行う必要がある。高倍率の対物レンズでは、作動距離は数ｍｍ〜数百μｍと微小であり、また、照明用コンデンサレンズの作動距離も十分な照明効率を確保するためには開口数０．５程度のコンデンサレンズをサンプルに対して約３０ｍｍ程度まで接近させる必要がある。
【００２０】
図１０の従来例では走査型プローブ顕微鏡ユニットと支柱に設けられたＺ軸粗動機構の光軸方向の高さが高くなるため、コンデンサレンズをサンプルに近づけることができない。このため、作動距離が長く開口数の小さいコンデンサレンズしか使用できず、せっかく倒立顕微鏡と組み合わせても倒立顕微鏡の機能を十分に使用できず、光学顕微鏡により被測定箇所への位置決めが困難であった。
【００２１】
このような問題点に鑑みて、本発明では、支持剛性が高く、サンプル面内に垂直な方向に直進しながら近接可能なＺ軸粗動機構を持つ走査型プローブ顕微鏡を提供する。このとき、プローブとサンプルの近接状況を確認するために側面から両者の観察を行えるような構造とする。
【００２２】
さらに、本発明では光学顕微鏡と組み合わせた場合に、対物レンズや照明装置をサンプルに十分近接できるように薄型のユニットで構成できるようなＺ軸粗動機構を持つ走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【００２３】
さらに、本発明では測定環境により温度ドリフトの影響を受けないような走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決するために、本発明では以下の手段により走査型プローブ顕微鏡を構成した。
【００２５】
プローブとサンプルホルダ上に載置されたサンプル間の高さ方向の距離を制御しながら、サンプル面内で前記プローブとサンプルを相対的に移動させる走査型プローブ顕微鏡において、前記プローブとサンプル表面とを近接させるＺ軸粗動機構を、サンプル面内と垂直な方向に移動する上面移動テーブルを有し、前記Ｚ軸粗動機構に上面から低面にかけて中空の開口部を設け、中空開口部の周囲を取り囲む前記Ｚ軸粗動機構側面の外周部から内周部にかけて切欠を設けた構造とし、前記中空開口部に前記プローブまたは前記サンプルホルダのいずれかを含む走査型プローブ顕微鏡のユニットを配置し、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを前記上面移動テーブルに固定し、プローブとサンプル表面を近接できるようにした。
【００２６】
このＺ軸粗動機構は、上面移動テーブル面内と平行な方向に摺動可能で第一の傾斜部を有する水平移動部と、概第一の傾斜部と摺動可能に連結される第二の傾斜部を有し前記上面移動テーブルが固定され前記上面移動テーブル面内での動きが拘束され前記上面移動テーブルと直交する方向に移動可能に配置された垂直移動部から構成され、前記水平移動部を上面移動テーブルと平行な方向に移動させ、前記第一の傾斜部により前記第二の傾斜部を押すことにより前記上面移動テーブルをテーブル面に垂直方向に移動させるように構成した。
【００２７】
また、前記Ｚ軸粗動機構の上面移動テーブル上に、上面移動テーブル面内で移動可能な第二のステージを固定し、該第二のステージを介して、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを前記上面移動テーブルに固定した。
【００２８】
また、前記中空開口部に顕微鏡用照明装置の一部または全部が配置されるようにした。このとき照明装置は開口数０．５以上のコンデンサレンズが含まれるようにした。
【００２９】
また、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたプローブに対向する位置に、透過孔を有するサンプルホルダを配置し、該サンプルホルダに対して前記プローブと対向する側に対物レンズを配置した。
【００３０】
また、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたサンプルホルダに対向する位置にプローブを配置し、該プローブに対して前記サンプルホルダと対向する位置に対物レンズを配置した。
【００３１】
また、前記中空開口部に対物レンズまたは集光レンズを配置した。
【００３２】
さらに、本発明では、前記Ｚ軸粗動機構が設置されるベースプレートにサンプルホルダまたはプローブを固定し、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Ｚ軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットを実質的に同一の材質で構成した。さらに前記材質を、熱膨張係数が４×１０-6／Ｋ以下の低膨張材料とし、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Ｚ軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの全質量のうち、８０％以上が同一の材質で構成されるようにした。
【発明の効果】
【００３３】
以上のように走査型プローブ顕微鏡を構成することで、中空開口部を取り囲む上面移動テーブル面で広範囲に亘り走査型プローブ顕微鏡ユニットを支持することができるため支持剛性を高くすることができ、走査型プローブ顕微鏡の測定像への振動の影響を低減できる。
【００３４】
また、Ｚ軸粗動機構の外周部から内周部に切欠を設けているので、側面からプローブとサンプルの状態を観察でき近接状況を目視観察できる。また、第二のステージによりプローブをサンプル面内で移動できるため、プローブの面内の位置合わせも容易に行うことが可能で、操作性が向上する。
【００３５】
さらに、Ｚ軸粗動機構が平面状に展開されたＺステージ構造としているため、ユニット全体の高さを薄くでき、高い開口数のコンデンサレンズや対物レンズをサンプルに近づけることが可能で光学顕微鏡の観察性能が上がり、位置決め精度が向上する。
【００３６】
また、熱により各材料が膨張してもお互いに膨張量を補償することができ、熱によるドリフトの影響が抑制されて、走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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】
【００３８】
本実施例においては、カンチレバーを共振周波数付近で振動させながらサンプルに近づけ、振巾や位相の変化量により、プローブと試料間の距離を一定に保ちながら走査するＤＦＭモード（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｏｄｅ）による測定を行うものとする。
【００３９】
図１に本発明の第一実施例による走査型プローブ顕微鏡について、（ａ）は走査型プローブ顕微鏡の正面図であり、（ｂ）は（ａ）において符号Ａによって示す領域の拡大図を示す。
【００４０】
この走査型プローブ顕微鏡１は、市販の倒立顕微鏡と組み合わせたものであり、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、除振台２に設置された走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３と、この走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のベースプレート１３に設けられた走査型プローブ顕微鏡ユニット４およびＺ軸粗動機構１１０およびＺ軸粗動機構の上面に設けられたＸＹステージ１４０と、走査型プローブ顕微鏡ユニット４の下方に設けられた光学顕微鏡部（倒立顕微鏡）８と、この走査型プローブ顕微鏡ユニット４の上方に設けられ、光学顕微鏡部８のフレーム部５０に連なる照明装置５とを備えている。
【００４１】
光学顕微鏡部８は、ＸＹステージ３１を介して除振台２に載置されている。このＸＹステージ３１は光学顕微鏡部８に設置された対物レンズ１０の光軸中心にサンプルを位置合わせするためのサンプル位置調整機構として作用する。
【００４２】
走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３は、除振台２から垂直に延びる４本の支柱１２により４隅を支持された、平板状のベースプレート１３を備えて構成されるものである。このベースプレート１３は熱膨張を抑えるためＦｅ−３６Ｎｉの成分からなる低膨張材料であるインバー材（熱膨張係数０．５〜２×１０-6／Ｋ）を用いている。
【００４３】
ここで、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３は光学顕微鏡部８のフレーム部５０には固定されておらず、光学顕微鏡部３に対して独立している。
【００４４】
ベースプレート１３の中央部には、ベースプレート開口部１５が形成されており、このベースプレート開口部１５内に、サンプルＳが載置されるサンプルホルダ１６が設けられており、このサンプルホルダ１６の中央にはサンプルホルダ開口部１７が形成されている。サンプルホルダ１６は、後述するサンプル微動機構部２７により、Ｚ方向に沿って微動するようになっている。なお、Ｚ方向とは、サンプルＳの表面およびサンプルホルダ１６に垂直な方向であって、光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡１の高さ方向をいう。
【００４５】
サンプルホルダ１６の上面には、上述の走査型プローブ顕微鏡ユニット４が設置されている。走査型プローブ顕微鏡ユニット４は、後述するプローブ微動機構部２６を備えており、このプローブ微動機構部２６には、左右と後ろ側に合計３箇所のクランク状のクランク固定部３０が設けられている。そして、クランク固定部３０により、プローブ微動機構部２６は、その中心がサンプルホルダ開口部１７に一致するようにＸＹステージ１４０を介してＺ軸粗動機構１１０に固定されている。
【００４６】
なお、プローブ微動機構部２６およびサンプル微動機構部２７は、走査型プローブ顕微鏡用三軸微動機構を構成するものである。
【００４７】
プローブ微動機構部２６の下面には、カンチレバー２０を支持する大気中測定と溶液中測定兼用のカンチレバーホルダ２２が設けられている。カンチレバーホルダ２２の中央には、ガラスからなるガラスホルダ２３が設けられている。
【００４８】
このガラスホルダ２３を用いて溶液中で測定を行う場合には、サンプルＳとガラスホルダ２３との間に、液の粘性による膜を形成させることにより、液中測定時の照明光の乱反射等を防止する。
【００４９】
なお、カンチレバー２０は、長尺状のものに限定されず、平面視して三角形状のものや、断面が円形で光ファイバーの先端を先鋭化して湾曲させた近接場顕微鏡用のベントプローブ、あるいはカンチレバーの代わりに走査型トンネル顕微鏡や近接場顕微鏡用のストレート型のプローブなども本発明に含まれる。
【００５０】
カンチレバー２０は、サンプルホルダ開口部１７の上方に設けられている。カンチレバー２０の先端には、先鋭化されたプローブ２１が設けられており、後端は、カンチレバーホルダー２２に固定されている。これにより、カンチレバー２０は、プローブ２１が設けられた先端側が自由端となるように片持ち支持されている。また、カンチレバー２０は、不図示の加振手段により、Ｚ方向に沿って所定の周波数及び振幅で振動され、さらに、プローブ微動機構部２６により、サンプルホルダ１６に対して、Ｘ、Ｙ方向に微動するようになっている。なお、ＸＹ方向とは、サンプルＳの表面およびサンプルホルダ１６に平行な互いに直交する方向であって、Ｚ方向と直交する方向をいう。さらに、Ｘ方向とは、光学顕微鏡付の走査型プローブ顕微鏡１の幅方向をいい、Ｙ方向とは、走査型プローブ顕微鏡１の奥行方向をいうものとする。
【００５１】
また、プローブ微動機構部２６の近傍には、モーター駆動部１１２によってカンチレバー２０をＺ方向に粗動移動させるためのＺ軸粗動機構部１１０が設けられており、Ｚ軸粗動機構部１１０のベース１１１が走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のベースプレート１３に固定されている。このＺ軸粗動機構部１１０の上面にはプローブ２１をＸＹ面内で移動させるプローブ位置調整機構として作用するＸＹステージ１４０が設けられており、このＸＹステージ１４０の上面に、走査型プローブ顕微鏡ユニット４の左右２箇所と後ろ側の合計３箇所設けられたクランク固定部３０が固定されている。
【００５２】
ここで、Ｚ軸粗動機構１１０の詳細な構造を図２に示す。図２（ａ）はＺ軸粗動機構の平面図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００５３】
なお、図２（ｃ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ線断面図をとった場合にもマイクロメータ１４６とアーム１４４を除き同一の形状である。また、各図面は、構成を理解しやすいように本来なら隠れ線で見える箇所を実線で示している箇所がある。
【００５４】
このＺ軸粗動機構１１０は、平面視「コ」の字形状をしている。即ち、平面視四角形のＺ軸粗動機構１１０の中央部に上面から底面にかけて貫通した中空開口部１１３が設けられており、さらに、Ｚ軸粗動機構１１０の周囲を取り囲む側面のうち正面の外周部から内周部の側面が貫通した切欠の構造となっている。
【００５５】
このＺ軸粗動機構１１０は、平面視「コ」の字形状のベース１１１を有し、同じく平面視「コ」の字形状でＺ軸粗動機構１１０の左右に後方から正面にかけて第一の傾斜面１１４を有し左右の傾斜面の底面１１５がベース１１１にリニアガイド１１６により前後方向に摺動可能に固定された水平移動部１１７が設けられ、さらにＺ軸粗動機構１１０の左右に正面側から後方にかけて第二の傾斜面１１８を有する垂直移動部１１９が前記第一の傾斜面１１４にリニアガイド１２０を介して傾斜面に沿って摺動可能に固定されている。前記垂直移動部１１９は、平面視「コ」の字状の上面移動テーブル１２１に固定されており、上面移動テーブル１２１はテーブルの４隅の高さ方向に配置されたクロスローラガイド１２２により高さ方向の移動以外の動きが拘束されている。
【００５６】
Ｚ軸粗動機構１１０の右側にはモータ駆動部１１２が設置されている。モータ駆動部１１２はステッピングモーター１２３とカップリング１２４、ボールネジ１２５、およびベアリングを内蔵したサポート１２６から構成される。
【００５７】
ステッピングモータ１２３の出力軸１２３ａにはカップリング１２４を介してボールネジ１２５のオネジのネジ軸１２５ａが固定されている。オネジのネジ軸１２５ａは末端と先端部がサポート内１２６のベアリングに回転可能に収納されている。オネジのネジ軸１２５ａにはメネジが設けられて内部にベアリング球が内蔵されたボールネジナット１２５ｂがはめ込まれている。ボールネジナット１２５ｂにはアーム１２７が取り付けられて、アーム１２７は前述の水平移動部１１７に固定されている。この状態で、モータ１２３を回転させると、カップリング１２４を介してネジ軸１２５ａが回転し、回転方向の動きを規制されたボールネジナット１２５ｂは前後方向に移動する。このとき、アーム１２７を介して、水平移動部１１７もベース１１１に取り付けられたリニアガイド１１６にガイドされ前後方向に動作する。
【００５８】
水平移動部１１７が前後方向に動作すると、第一の傾斜面１１４が、垂直移動部１１９の第二の傾斜面１１８を押す。このとき、垂直移動部１１９に連結された上面移動テーブル１２１が水平方向の動きを規制されているため、上面移動テーブル１２１を高さ方向に直進させることができる。
【００５９】
また、上面移動テーブル１２１面には、平面視「コ」の字状で左右方向に移動可能なＸ移動テーブル１４１と前後方向に動作可能なＹ移動テーブル１４２より構成されるＸＹステージ１４０が設けられている。Ｘ移動テーブル１４１は、上面移動テーブル１２１の前後に左右方向に沿って設けられたクロスローラーガイド１４３により左右方向に案内され、Ｙ移動テーブル１４２は、Ｙ移動テーブル１４２の左右に前後方向に沿って設けられたクロスローラガイド１４４により前後方向に案内される。Ｘ移動テーブル１４１、Ｙ移動テーブル１４２には支点となるアーム１４５、１４６が固定されており、Ｚ軸粗動機構１１０の上面移動テーブル１２１に固定されたマイクロメータ１４７によりＸ移動テーブル１４１は左右方向に押され、Ｘ移動テーブルに固定されたマイクロメータ１４８によりＹ移動テーブル１４２が前後方向に押される。各々のマイクロメータ１４７、１４８と対向する側には圧縮バネ１４９、１５０が設けられており、マイクロメータ１４７、１４８を動作させることで任意の位置にＸＹステージ１４０を位置決めすることができる。
【００６０】
なお、ベース１１１、水平移動部１１７、垂直移動部１１８、上面移動テーブル１２１、Ｘ移動テーブル１４１、Ｙ移動テーブル１４２はベースプレート１３と同じく熱膨張を抑えるためＦｅ−３６Ｎｉの成分からなる低膨張材料であるインバー材（熱膨張係数０．５〜２×１０-6／Ｋ）を用いている。
【００６１】
以上のようにＺ軸粗動機構１１０とＸＹステージ１４０を構成し、Ｚ軸粗動機構１１０の中空開口部１１３にプローブを有する走査型プローブ顕微鏡ユニット４を配置する場合、走査型プローブ顕微鏡ユニット４は左右と後ろの３箇所荷に設けられたクランク固定部３０で、ＸＹステージ１４０を介してＺ軸粗動機構１１０に固定されるためＺ軸粗動機構１１０への支持剛性が高く、振動の影響が抑制されて走査型プローブ顕微鏡の測定データの質が向上する。
【００６２】
また、Ｚ軸粗動機構１１０とＸＹステージ１４０の正面側が外周部から内周部にかけて開口となっているので、プローブ２１とサンプルＳを側面から観察することができ、また、サンプル交換の際にも側面からサンプルを置くことができるため操作性が向上する。
【００６３】
図３に図１のプローブ微動機構部２６部分を拡大した平面図を示す。
【００６４】
本実施形態におけるプローブ微動機構部２６は、図３に示すように、幅寸法の異なる矩形枠状の外フレーム４８および内フレーム４９を備えており、これら外フレーム４８および内フレーム４９は、インバー材により平面状に形成されている。また、外フレーム４８と内フレーム４９とは、Ｘ駆動部（第１の駆動部）５２とＹ駆動部（第１の駆動部）５１とを介して、互いに同心上に連結されており、外フレーム４８および内フレーム４９の上面は面一にして配されている。Ｘ駆動部５２は、外フレーム４８に形成されたＹ方向に延びるＸ側空洞部６０内に設置されており、Ｙ駆動部５１は、同様にＸ方向に延びるＹ側空洞部５７内に設置されている。
【００６５】
Ｘ駆動部５２は、Ｙ方向に向けられた積層型のＸ側圧電素子６１を備えている。Ｘ側圧電素子６１には、その周囲を取り囲むように、上面視して略ひし形のＸ側変位拡大機構部６２が設けられている。そして、Ｘ側変位拡大機構部６２は、Ｘ側連結部６３を介して、内フレーム４９に連結されている。
【００６６】
また、Ｙ駆動部５１は、Ｘ方向に向けられた積層型のＹ側圧電素子５４を備えている。Ｙ側圧電素子５４には、上記と同様に、略ひし形のＹ側変位拡大機構部５５が設けられており、Ｙ側変位拡大機構部５５は、Ｙ側連結部５６を介して、内フレーム４９に連結されている。
【００６７】
内フレーム４９の四隅には、平行バネ６７が設置されている。
【００６８】
そして、Ｘ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４に電圧を印加することにより、Ｘ側変位拡大機構部６２およびＹ側変位拡大機構部５５が、それぞれＸ方向、Ｙ方向に拡大縮小し、これにより内フレーム４９をＸＹ方向に微動できるようになっている。
【００６９】
また、内フレーム４９の底面には、略矩形の基板６８が設けられている。基板６８の中央には、Ｚ方向にプローブ側貫通孔７０が形成されている。そして、このプローブ側貫通孔７０に、図１に示す光源４０からの照明光が通過するようになっている。
【００７０】
なお、基板６８の下面に、上述したように、カンチレバーホルダ２２を介してカンチレバー２０が設けられており、内フレーム４９のＸＹ方向の微動により、基板６８およびカンチレバーホルダ２２とともに、カンチレバー２０もＸＹ方向に微動するようになっている。
【００７１】
また、外フレーム４８および内フレーム４９の上面には、Ｙ方向微動量検出部７３およびＸ方向微動量検出部７４が設けられている。Ｙ方向微動量検出部７３は、内フレーム４９に固定されＸ方向に延びるＹ方向ターゲット７７と、外フレーム４８に固定され、Ｙ方向ターゲット７７のＹ方向の移動量を検出するＹ方向センサ７８とを備えている。
【００７２】
また、Ｘ方向微動量検出部７４は、同様にして内フレーム４９に固定されＹ方向に延びるＸ方向ターゲット８０と、外フレーム４８に固定されＸ方向ターゲット８０のＹ方向の移動量を検出するＸ方向センサ８１とを備えている。これらＹ方向センサ７８およびＸ方向センサ８１としては、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。
【００７３】
このような構成のもと、内フレーム４９がＸ方向に微動すると、Ｘ方向ターゲット８０もＸ方向に微動し、そのＸ方向の微動量をＸ方向センサ８１が検出するようになっている。また、内フレーム部４９がＹ方向に微動すると、Ｙ方向ターゲット７７もＹ方向に微動し、そのＹ方向の微動量をＹ方向センサ７８が検出するようになっている。すなわち、Ｘ方向センサ８１は、Ｘ方向ターゲット８０および内フレーム部４９を介して、カンチレバー２０のＸ方向の微動量を検出し、Ｙ方向センサ７８は、またＹ方向ターゲット７７および内フレーム部４９を介して、カンチレバー２０のＹ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。
【００７４】
Ｘ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８は、それぞれ演算部（算出手段）８３に電気的に接続されており、Ｘ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８からの検出結果が、演算部８３に入力されるようになっている。演算部８３は、検出結果に応じて、印加された電圧と微動量とによって、カンチレバー２０のＸＹ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。すなわち、演算部８３は算出手段として機能するものである。さらに、演算部８３は、各種制御を行う制御部８４に電気的に接続されており、算出結果を制御部８４に入力するようになっている。そして、この制御部８４によって、印加電圧に対して、プローブ微動機構部２７が線形に動作するように制御される。
【００７５】
また、プローブ微動機構部２６には、図１に示すように、プローブ変位検出手段としてレーザ光を発するレーザ光源４４と、このレーザ光源４４からのレーザ光を受光し、例えば４分割されたフォトディテクタ４５とが設けられている。これらレーザ光源４４およびフォトディテクタ４５は、カンチレバー２０の斜め上方に互いに対向して配置されている。そして、レーザ光源４４から出射されたレーザ光が、カンチレバー２０の上面に到達してそこで反射し、その反射光がフォトディテクタ４５に到達するようになっている。
【００７６】
また、プローブ微動機構部２６の上方には、上述の照明装置５が設られている。照明装置５は、照明光を発する光源４０と、この光源４０からの照明光を集光するためのコンデンサレンズ４１（開口数０．５２、作動距離３０ｍｍ）とを備えている。コンデンサレンズ４１は、倒立顕微鏡部８のフレーム部５０に連なる照明用支柱４２によって、プローブ微動機構部２６の中心上方に配されて、プローブ微動機構部２６に対して上下動可能に支持されている。なお、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３には照明装置５は固定されていない。
【００７７】
さらに、本実施例におけるサンプル微動機構部２７は、図４および図５に示すように、略長方形状に形成された機構本体部８６と、この機構本体部８６から、機構本体部８６の厚さ方向（すなわちＺ方向）に交差する方向（すなわちＸ方向）に延出する延出部８７とを備えている。機構本体部８６と延出部８７はインバー材により構成される。
【００７８】
延出部８７の厚さ寸法Ｒは、機構本体部の厚さ寸法Ｍよりも小さく設定されている。そして、延出部８７の上面と機構本体部８６の上面とは略同一にされており、これにより、延出部８７の下方には、スペースＪが設けられている。
【００７９】
延出部８７には、Ｚ方向に向けられたサンプルホルダ側貫通孔１０９が形成されており、このサンプルホルダ側貫通孔１０９内に、上述のサンプルホルダ１６が設けられている。
【００８０】
機構本体部８６には、延出部８７の延出方向と反対方向に延びる本体固定部９１が設けられている。本体固定部９１は、図１に示すテーブル１３の所定の位置に固定されており、これにより、機構本体部８６が片持ち支持されている。
【００８１】
また、機構本体部８６の内部に、空洞部９３が設けられている。空洞部９３の上内壁部９４のＸ方向の両端のうち、本体固定部９１が設けられた方の端部には、第１平行バネ１０１が設けられており、延出部８７が設けられた方の端部には、第２平行バネ１０２が設けられている。一方、下内壁部９７のＸ方向の両端のうち、延出部８７が設けられた方の端部には、第３平行バネ１０３が、本体固定部９１が設けられた方の端部には、第４平行バネ１０４が設けられている。また、第２平行バネ１０２の近傍には、上内壁部９４から下方に向けて延びる下方壁部９５が設けられており、第４平行バネ１０４の近傍には、下内壁部９７から上方に向けて延びる上方壁部９６が設けられている。すなわち、下方壁部９５および上方壁部９６が、互いに反対方向に延ばされて対向して配置されている。
【００８２】
そして、これら下方壁部９５と上方壁部９６との間に、一端が下方壁部９５に固定され、他端が上方壁部９６に固定されて、Ｘ方向に向けられた積層型のＺ側圧電素子９０が配置され、Ｚ駆動部（第２の駆動部）８５が構成される。
【００８３】
Ｚ駆動部８５は、図３で上述したＸ駆動部５２およびＹ駆動部５１とは、物理的に分離して別個に設けられたものであり、それぞれ独立して機能するものである。
【００８４】
さらに、機構本体部８６の下端には、Ｘ方向に延びる底壁部１０７が設けられている。この底壁部１０７のＸ方向の両端のうち、本体固定部９１が設けられた方の端部は、機構本体部８６の側壁に一体的に固定されており、延出部８７が設けられた方の端部は、自由端となっている。この底壁部１０７の先端部には、演算部８３に接続されたＺ方向微動量検出部１０８が設けられている。Ｚ方向微動量検出部１０８には、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。
【００８５】
このような構成のもと、Ｚ側圧電素子９０に電圧を印加すると、Ｚ側圧電素子９０が伸縮するようになっている。そして、Ｚ側圧電素子９０が伸びると、下方壁部９５および上方壁部９６がＸ方向外方に押圧され、上方壁部９６は固定端付近を中心に図４における時計方向に回転するとともに、下方壁部９５も固定端付近を中心に時計方向に回転し、結果として、第１から第４の平行バネ１０１、１０２、１０３、１０４に案内されて、延出部８７がＺ方向に移動し、延出部８７に連結されたサンプルホルダ１６がＺ方向に移動するようになっている。このとき、Ｚ方向微動量検出部１０８により、機構本体部８６の微動量が検出されるようになっている。すなわち、Ｚ方向微動量検出部１０８は、Ｚ駆動部の底面の動きを検出し、機構本体部８６を介して、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。そして、演算部８３が、Ｚ方向微動量検出部１０８の検出結果に応じて、印加された電圧と実際の微動量とによって、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。この算出結果は制御部８４に入力され、この制御部８４によって、印加電圧に対して、ステージ微動機構部２７が線形に動作するように制御される。
【００８６】
なお、Ｚ方向については、単にＺ方向微動量検出部１０８により微動量を検出し、それを走査型プローブ顕微鏡像の高さ上方として表示させてもよい。
【００８７】
このように構成されたサンプル微動機構２７は、小型かつ高剛性であり、プローブ微動機構部２６に比べて共振周波数が高く高速動作が可能となっている。
【００８８】
さらに、本実施例においては、図１に示すように、スペースＪに対物レンズ１０が設けられている。すなわち、倒立顕微鏡部８の上端に、レボルバ（配置変更手段）９が設けられており、このレボルバ９に、それぞれ倍率の異なる複数の対物レンズ１０が設けられている。そして、レボルバ９を回すことにより、複数の対物レンズ１０の配置が変更されるようになっており、複数の対物レンズ１０をスペースＪ内の観察位置Ｋに選択的に配置することができるようになっている。
【００８９】
ここでの観察位置Ｋとは、サンプルホルダ１６の下方であって、サンプルホルダ開口部１７に一致する位置をいい、試料Ｓを観察するための位置とする。
【００９０】
また、対物レンズ１０は、観察位置Ｋにおいて、倒立顕微鏡８に設けられたフォーカシングダイヤル８ａを操作することによりＺ方向に上下動することができるようになっている。
【００９１】
複数の対物レンズをレボルバの回転により交換する際に、対物レンズの軌道と走査型プローブ顕微鏡ユニット４、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３が干渉しないように、サンプル微動機構２７とベースプレート１３には逃げが設けられている。
【００９２】
ここで、対物レンズ１０はサンプルＳに焦点を合わせた状態で交換をする場合が多い。このときベースプレート１３との干渉をなくすためにはベースプレートの厚さを薄くする必要がある。本発明では、光学顕微鏡部８と走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３を独立して構成しているため、ベースプレート１３の面積を大きくすることができ、ベースプレート１３中央部以外の部分の肉厚を厚くすることができ、さらに、厚くすることで質量が重くなっても、光学顕微鏡部８とは独立した支柱１２によりベースプレートを支えることができるため、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３に高い剛性を確保させることが可能となった。
【００９３】
以上のように構成された走査型プローブ顕微鏡では、走査型プローブ顕微鏡ユニット４とＺ軸粗動機構１１０を薄く構成でき、さらにベースプレート１３の下側に対物レンズ１０を交換可能に配置できるスペースを有しているため、走査型プローブ顕微鏡ユニット４をコンデンサレンズ４１と対物レンズ間の狭い空間に入れることができ、光学顕微鏡の性能を十分に活用でき位置合わせ精度を向上させることができる。
【００９４】
また、プローブ２１はサンプル面に対して垂直に直進するため、Ｚ軸に沿ってプローブ２１とサンプルを近接させる際に光軸に沿って移動するため位置ずれが発生せず、光学顕微鏡で観察した場所への位置合わせ精度も向上する。
【００９５】
また、プローブ微動機構２６とサンプル微動機構２７サンプル微動機構に取り付けられたサンプルホルダ１６を含む走査型プローブ顕微鏡ユニット４とＺ軸粗動機構１１０、ＸＹステージ１４０、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のベースプレート１３の材料を実質的に同一とし、温度によるひずみの少ない低膨張金属であるインバー材（熱膨張係数０．５〜２×１０-6／Ｋ）により構成し、温度によるひずみ自体を抑えるとともに、ひずみが生じた場合でもお互いにひずみ量を補償しあえるように構成した。
【００９６】
ここで、実質的に同一とは、ユニットの構成上１００％同じ材料で構成することは不可能であるため、本実施例においては走査型プローブ顕微鏡ユニット４とＺ軸粗動機構１１０、ＸＹステージ１４０、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３のベースプレート１３の合計質量のうち８０％をインバー材で構成した。
【００９７】
例えば、プローブ微動機構２６に取り付けられるカンチレバーホルダー２２のフレームは軽さを重視してチタンで構成し、ガラスホルダ２３を保持している。また、Ｚ軸粗動機構部１１０のガイド部やモータ駆動部１１２、サンプル機構部２７やプローブ微動機構部２６の圧電素子、各ユニットに使用されているネジ、プローブ変位検出手段４４、４５などはコストや機能上の問題によりインバー材以外の材料を用いた。
【００９８】
また、走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部３の支柱１２は温度により膨張収縮しても走査型プローブ顕微鏡像自体には影響を与えないため、ステンレスにより構成しコストを削減したが、テーブル１３と同じインバー材で構成してもよい。
【００９９】
なお、低膨張金属としては、Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏを成分とするスーパーインバー材（熱膨張係数０〜１．５×１０-6／Ｋ）を用いてもよい。また、低膨張材料以外でも、実質的に同一材料であれば、温度によるひずみ量をお互いに補償しあえるため温度ドリフトを抑制することが可能である。
【０１００】
次に、このように構成された本実施例における光学顕微鏡を備えた走査型プローブ顕微鏡１の作用について説明する。
【０１０１】
まず、走査型プローブ顕微鏡ユニット４をＺ軸粗動機構１１０から外し、Ｚ軸粗動機構の正面側からサンプルホルダ１６にサンプルＳに載置する。そして、走査型プローブ顕微鏡ユニット４をＺ軸粗動機構１１０上のＸＹステージ１４０に固定する。そして光源４０からサンプルＳに向けて照明光を照射する。その照明光は、プローブ側貫通孔７０を通り、サンプルＳを透過して、さらにサンプルホルダ側開口部１７を通ることにより、観察位置Ｋに配された対物レンズ１０に到達する。これによって、対物レンズ１０を介して、サンプルＳの状態が観察が可能となり、ＸＹステージ３１により光学顕微鏡８全体を動かして、サンプルＳ上の被測定箇所を特定させる。
【０１０２】
このとき、レボルバ９を回すと、当初の対物レンズ１０がスペースＪを通って観察位置Ｋから外れ、他の対物レンズ１０が観察位置Ｋに配置される。これにより、適切な倍率の対物レンズ１０が選択される。
【０１０３】
また、フォーカシングダイヤル８ａを操作すると、対物レンズ１０が上方に移動し、対物レンズ１０がサンプルＳに近接し、フォーカシングすることができる。
【０１０４】
これによってサンプルＳの光学的観察が行われ、この結果に応じて、プローブ顕微鏡による測定が行われる。
【０１０５】
プローブ顕微鏡による測定を行うには、サンプルＳの表面とプローブ２１の位置を、倒立顕微鏡８の光学像を見ながら、プローブ位置調整機構１４０で位置合わせをする。
【０１０６】
次に、レーザ光源４４およびフォトディテクタ４５の位置を調整する。すなわち、レーザ光源４４から照射したレーザ光Ｌが、カンチレバー２０の上面で反射し、フォトディテクタ４５に確実に入射するよう位置調整を行う。
【０１０７】
尚、このプローブ変位検出手段であるレーザ光源とフォトディテクタの調整は、初めに行っておいてもよい。
【０１０８】
その後、側面からサンプルＳとプローブ２１を目視観察しながら、モーター１２３を駆動して、Ｚ軸粗動機構部１１０により、カンチレバー２０を粗動移動させて、カンチレバー２０をサンプルに接近させる。そして、カンチレバー２０先端部のプローブ２１をサンプルＳの表面近傍に位置させる。
【０１０９】
この状態から、不図示の加振手段により、カンチレバー２０を介してプローブ２１を、Ｚ方向に沿って所定の周波数および振幅で振動させる。
【０１１０】
そして、図３に示すＸ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４に電圧を印加する。すると、Ｘ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４が伸縮し、Ｘ側変位拡大機構部６２およびＹ側変位拡大機構部５５を介して、内フレーム４９がＸＹ方向に微動する。これにより、プローブ２１がサンプルＳ上を所定の走査速度でラスタースキャンする。
【０１１１】
このとき、内フレーム４９がＸＹ方向に微動すると、Ｘ方向ターゲット８１およびＹ方向ターゲット７８がそれぞれＸ方向、Ｙ方向に微動し、そのＸ、Ｙ方向の微動量がＸ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８によって検出される。これら検出結果は演算部８３に入力されて、カンチレバー２０のＸＹ方向の微動量の誤差が算出され、この算出結果が制御部８４に入力される。このように、ＸＹ方向の微動量を補正することによって、Ｘ側圧電素子６１やＹ側圧電素子５４のヒステリシスやクリープに影響されず、ＸＹ方向に線形に動作する。
【０１１２】
走査の際、サンプルＳの凹凸に応じて、プローブ２１とサンプルＳの表面との距離が変化すると、原子間力や間欠的な接触力によりプローブ２１が斥力または引力を受けるので、カンチレバー２０の振動状態が変化し、振巾や位相が変化する。この振巾や位相の変化は、フォトディテクタ４５の異なる２対の分割面の出力差（ＤＩＦ信号と呼ぶ）として検出される。このＤＩＦ信号は、不図示のＺ電圧フィードバック回路に入力される。そして、Ｚ電圧フィードバック回路は、ＤＩＦ信号により振巾や位相が同じになるように、図４に示すＺ側圧電素子９０に電圧を印加する。
【０１１３】
Ｚ側圧電素子９０は、電圧が印加されることにより高速で伸縮を繰り返す。Ｚ側圧電素子９０が伸縮すると、延出部８７を介してサンプルホルダ１６が非常に高い周波数でＺ方向に移動し、サンプルホルダ１６上のサンプルＳがＺ方向に移動する。これにより、上記走査の際、プローブ２１とサンプルＳの表面との間の距離が常に一定に保たれる。
【０１１４】
また、サンプルホルダ１６がＺ方向に移動すると、Ｚ方向微動量検出部１０８により、機構本体部８６の微動量が検出され、この検出結果に応じて、サンプルホルダ１６のＺ方向の微動量の誤差が算出される。そして、その算出結果が制御部８４に入力され、Ｚ方向に線形に動作させることができる。
【０１１５】
なお、Ｚ方向移動量検出部１０８により微動量を検出し、それをＳＰＭ像の高さ情報として表示させてもよい。この場合、より高速走査が可能となる。
【０１１６】
このようにして、Ｘ側、Ｙ側、Ｚ側圧電素子６１、５４、９０に印加した電圧、またはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向センサ８１、７８、１０８の信号を制御部８４に入力し、画像化することでサンプルＳの表面の形状像を測定することができる。また、プローブ２１とサンプルＳとの間に働くいろいろな力や物理作用を測定することで、粘弾性、サンプルＳの表面電位分布、サンプルＳの表面の漏れ磁界分布、近接場光学像等の各種の物性情報の測定を行うことができる。
【０１１７】
以上のように走査型プローブ顕微鏡を構成することで、装置剛性を確保でき、その結果、音や床振動の影響が抑制されて走査型プローブ顕微鏡の測定精度が向上する。
【０１１８】
また、対物レンズや対物レンズ交換機能、高効率の照明装置など市販の顕微鏡が有する機能をそのまま用いることができるため、システムの取扱も容易となる。
【実施例２】
【０１１９】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
【０１２０】
図６は、本発明の第２の実施例を示したものである。
【０１２１】
図６において、図１から図５に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【０１２２】
この実施例と上記第１の実施例とは基本的構成は同一であり、以下の点において異なるものとなっている。
【０１２３】
すなわち、本実施例における走査型プローブ顕微鏡１は、正立顕微鏡と組み合わせたものである。すなわち、正立顕微鏡８には光源４０が設けられ、光源４０の上端にはコンデンサレンズ４１が設けられている。また、コンデンサレンズ４１の上方にはステージ微動機構部２７が設けられている。ステージ微動機構部２７は円筒状のＺ側圧電素子３４からなり、Ｚ側圧電素子３４はＺ方向に向けて設置されている。Ｚ側圧電素子３４には、Ｚ方向に向けられた筒孔（ステージ側貫通孔）３３が形成されており、この筒孔３３に光源４０からの照明光が通されるようになっている。
【０１２４】
また、プローブ微動機構部２６の上方には、観察位置Ｋに対物レンズ１０が設けられている。ここでの観察位置Ｋとは、プローブ微動機構部２６の上方から、カンチレバー２０または試料Ｓを観察する位置をいう。対物レンズ１０は、観察位置Ｋにおいて上下動するようになっており、下方に移動させると、プローブ微動機構２６の内部空間に挿入されるようになっている。
【０１２５】
このような構成のもと、光源４０からの照明光は、筒孔３３を通って試料Ｓを透過する。また、対物レンズ１０を下方に移動させて、プローブ側貫通孔７０の方向に挿入すると、対物レンズ１０はカンチレバー２０または試料Ｓに近接する。
【０１２６】
以上より、ステージ微動機構部２７には筒孔３３が設けられ、この筒孔１１０に照明光を通していることから、照明光の進行を邪魔することなく、高精度に測定することができる。
【０１２７】
ここで、Ｚ軸粗動機構１１０とＸＹステージ１４０は第一の実施例と同じものを用いており、Ｚ軸粗動機構１１０の中空開口部１１３内に走査型プローブ顕微鏡ユニット４が配置されているため、光軸方向の高さを薄く構成でき、対物レンズ１０を、中空開口部１１３内のプローブ側微動機構２６内部に挿入することができることから、カンチレバー２０や試料Ｓに対物レンズ１０を一層近接させることができ、高ＮＡの対物レンズを設けて高精度な測定を行うことができる。
【０１２８】
本発明の走査型プローブ顕微鏡のＺ軸粗動機構の構造は第一の実施例、第二の実施例の形状に限定されず例えば図７に示すように平面視「Ｕ」字形状のものなども考えられる。また、外周部から内周部への切欠は必ずしも上面から底面にかけて貫通する必要はない。図８はこの場合の一実施例で、図８（ａ）はＺ軸粗動機構形状を表す平面図、図８（ｂ）は正面図である。この図のように正面視して底面から高さ方向の中間部分までのみが外周から内周にかけて切欠１６０を持っているような構造でもよい。また、Ｚ軸粗動機構とＸＹステージの機構は上記実施例に限定されるものではない。
【０１２９】
また、プローブをＺ軸粗動機構により動作させるようにしたが、サンプル側をＺ軸微動機構により動作させて、プローブに近づける構成でもよい。
【０１３０】
また、光学顕微鏡は必須の要素ではなく、走査型プローブ顕微鏡のみでもよい。また、光学顕微鏡と組み合わせ場合には、光学顕微鏡のフレームに走査型プローブ顕微鏡ユニットを載せてもよい。
【０１３１】
また、上記第１および第２の実施例では、Ｘ側圧電素子６１、Ｙ側圧電素子５４およびＺ側圧電素子９０を積層型の圧電素子としたが、これに限ることはなく、適宜変更可能である。例えば、スタック型の圧電素子としたり、またはボイスコイルなどを用いたりすることも可能である。
【０１３２】
また、プローブ微動機構部２６とステージ微動機構部２７を一体構造としてもよい。
【０１３３】
また、ＤＦＭモードによる観察としたが、これに限ることはなく、コンタクトＡＦＭなどの種々のモードに適用可能である。さらに、近接場顕微鏡にも適用することができる。近接場顕微鏡に適用すると、高ＮＡの対物レンズを使用することができるため、近接場信号の集光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１実施例を示す構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）において符号Ａによって示す領域の拡大図である。
【図２−１】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のＺ軸粗動機構とＸＹステージの構成図であり、（ａ）は平面図。
【図２−２】（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のプローブ微動機構部を示す平面図である。
【図４】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のサンプル微動機構部を示す平面図である。
【図５】図３に示す走査型プローブ顕微鏡のサンプル微動機構部を示す底面図である。
【図６】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２実施例を示す正面図である。
【図７】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３実施例のＺ軸粗動機構の形状を示す平面図である。
【図８】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第４実施例のＺ軸粗動機構を示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図９】従来の走査型プローブ顕微鏡の第一の概観図である。
【図１０】従来の走査型プローブ顕微鏡の第二の概観図であって、（ａ）は概観図、（ｂ）は（ａ）の走査型プローブ顕微鏡部の詳細図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 走査型プローブ顕微鏡
２ 除振台
３ 走査型プローブ顕微鏡ユニットベース部
４ 走査型プローブ顕微鏡ユニット
５ 照明装置
８ 光学顕微鏡部（倒立顕微鏡）
９ レボルバ
１０ 対物レンズ
１２ 支柱
１３ ベースプレート
１６ サンプルホルダ
２０ カンチレバー
２１ プローブ
２２ カンチレバーホルダー
２６ プローブ微動機構
２７ サンプル微動機構
３０ クランク固定部
３１ ＸＹステージ
４０ 光源
４１ コンデンサレンズ
４２ 照明用支柱
４４ レーザ光源（プローブ変位検出手段）
４５ フォトダイオード（プローブ変位検出手段）
５０ 光学顕微鏡フレーム部
１１０ Ｚ軸粗動機構部
１１１ ベース
１１２ モーター駆動部
１１３ 中空開口部
１１７ 水平移動部
１１９ 垂直移動部
１２１ 上面移動テーブル
１２３ ステッピングモータ
１２５ ボールネジ
１４０ ＸＹステージ（プローブ位置調整機構）
１４１ Ｘ移動テーブル
１４２ Ｙ移動テーブル
Ｓ サンプル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブとサンプルホルダ上に載置されたサンプル間の高さ方向の距離を制御しながら、該サンプル面内で前記プローブと前記サンプルを相対的に移動させる走査型プローブ顕微鏡において、
前記プローブと前記サンプル表面とを近接させるＺ軸粗動機構と、
該Ｚ軸粗動機構に前記サンプル面内と垂直な方向に移動する上面移動テーブルを有し、
前記Ｚ軸粗動機構が上面から低面にかけて中空の開口部を有し、
該中空開口部の周囲を取り囲む前記Ｚ軸粗動機構側面の外周部から内周部にかけて切欠を有し、
前記中空開口部に前記プローブまたは前記サンプルホルダのいずれかを含む走査型プローブ顕微鏡ユニットの一部または全部が配置され、
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが前記上面移動テーブルに固定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記中空開口部に照明装置の一部または全部が配置されることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記照明装置に、開口数０．５以上のコンデンサレンズが含まれることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたプローブに対向する位置に透過孔を有するサンプルホルダが配置され、該サンプルホルダに対して前記プローブと対向する側に対物レンズが配置された請求項１乃至請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたサンプルホルダに対向する位置にプローブが配置され、該プローブに対して前記サンプルホルダと対向する位置に対物レンズが配置された請求項１乃至請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記中空開口部に対物レンズまたは集光レンズが配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記Ｚ軸粗動機構が設置されるベースプレートにサンプルホルダまたはプローブが固定され、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Ｚ軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが実質的に同一の材質で構成される請求項１乃至請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの材質が、低膨張材料である請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記Ｚ軸粗動機構および前記ベースプレートおよび前記サンプルホルダおよび前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの全質量のうち、８０％以上が同一の材質で構成される請求項７又は８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記材質の熱膨張係数が４×１０-6／Ｋ以下である請求項８乃至９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記Ｚ軸粗動機構が、上面移動テーブル面内と平行な方向に摺動可能で第一の傾斜部を有する水平移動部と、概第一の傾斜部と摺動可能に連結される第二の傾斜部を有し前記上面移動テーブルが固定され前記上面移動テーブル面内での動きが拘束され前記上面移動テーブル面内と直交する方向に移動可能に配置された垂直移動部から構成され、前記水平移動部を上面移動テーブル面と平行な方向に移動させ、前記第一の傾斜部により前記第二の傾斜部を押すことにより前記上面移動テーブルをテーブル面に垂直方向に移動させるように構成された請求項１乃至請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記Ｚ軸粗動機構の上面移動テーブル上に、上面移動テーブル面内で移動可能な第二のステージを固定し、該第二のステージを介して、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが前記上面移動テーブルに固定された請求項１乃至請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１】
プローブとサンプルホルダ上に載置されたサンプル間の高さ方向の距離を制御しながら、該サンプル面内で前記プローブと前記サンプルを相対的に移動させる走査型プローブ顕微鏡において、
前記プローブと前記サンプル表面とを近接させるＺ軸粗動機構と、
該Ｚ軸粗動機構に前記サンプル面内と垂直な方向に移動する上面移動テーブルを有し、
前記Ｚ軸粗動機構が上面から低面にかけて中空の開口部を有し、
該中空開口部の周囲を取り囲む前記Ｚ軸粗動機構側面の外周部から内周部にかけて切欠を有し、
前記中空開口部に前記プローブまたは前記サンプルホルダのいずれかを含む走査型プローブ顕微鏡ユニットの一部または全部が配置され、
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが前記上面移動テーブルに固定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記中空開口部に照明装置の一部または全部が配置されることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記照明装置に、開口数０．５以上のコンデンサレンズが含まれることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたプローブに対向する位置に透過孔を有するサンプルホルダが配置され、該サンプルホルダに対して前記プローブと対向する側に対物レンズが配置された請求項１乃至請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットに取り付けられたサンプルホルダに対向する位置にプローブが配置され、該プローブに対して前記サンプルホルダと対向する位置に対物レンズが配置された請求項１乃至請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記中空開口部に対物レンズまたは集光レンズが配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記Ｚ軸粗動機構が設置されるベースプレートにサンプルホルダまたはプローブが固定され、前記サンプルホルダおよび前記ベースプレートおよび前記Ｚ軸粗動機構および前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが実質的に同一の材質で構成される請求項１乃至請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの材質が、低膨張材料である請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記Ｚ軸粗動機構および前記ベースプレートおよび前記サンプルホルダおよび前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの全質量のうち、８０％以上が同一の材質で構成される請求項７又は８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記材質の熱膨張係数が４×１０-6／Ｋ以下である請求項８乃至９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記Ｚ軸粗動機構が、上面移動テーブル面内と平行な方向に摺動可能で第一の傾斜部を有する水平移動部と、概第一の傾斜部と摺動可能に連結される第二の傾斜部を有し前記上面移動テーブルが固定され前記上面移動テーブル面内での動きが拘束され前記上面移動テーブル面内と直交する方向に移動可能に配置された垂直移動部から構成され、前記水平移動部を上面移動テーブル面と平行な方向に移動させ、前記第一の傾斜部により前記第二の傾斜部を押すことにより前記上面移動テーブルをテーブル面に垂直方向に移動させるように構成された請求項１乃至請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記Ｚ軸粗動機構の上面移動テーブル上に、上面移動テーブル面内で移動可能な第二のステージを固定し、該第二のステージを介して、前記走査型プローブ顕微鏡ユニットが前記上面移動テーブルに固定された請求項１乃至請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【図１】
【図２−１】
【図２−２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２−１】
【図２−２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−３３１１７（Ｐ２００７−３３１１７Ａ）
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１４００３（Ｐ２００５−２１４００３）
【出願日】平成１７年７月２５日（２００５．７．２５）
【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１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２５日（２００５．７．２５）
【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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