顕微鏡装置
【課題】 カンチレバーを容易に交換することができ、かつ光学像の十分な鮮明度および解像度を確保することができる顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】 保持機構４００はカンチレバー保持機構４００Ａおよびミラー保持機構４００Ｂから構成されている。カンチレバー保持機構４００Ａは保持機構保持部１１ｃの下部からＺ方向に延びるように設けられている。カンチレバー保持機構４００Ａは、その下端部においてカンチレバー１００を着脱可能に保持する。ミラー保持機構４００Ｂは側壁部１１Ａの内面１１ｘからＸ方向に延びるように設けられている。ミラー保持機構４００Ｂは、先端部においてミラー固定部材４５０を着脱可能に保持する。ミラー固定部材４５０にはミラー２５が固定されている。カンチレバー保持機構４００Ａとミラー保持機構４００Ｂとは互いに分離されている。
【解決手段】 保持機構４００はカンチレバー保持機構４００Ａおよびミラー保持機構４００Ｂから構成されている。カンチレバー保持機構４００Ａは保持機構保持部１１ｃの下部からＺ方向に延びるように設けられている。カンチレバー保持機構４００Ａは、その下端部においてカンチレバー１００を着脱可能に保持する。ミラー保持機構４００Ｂは側壁部１１Ａの内面１１ｘからＸ方向に延びるように設けられている。ミラー保持機構４００Ｂは、先端部においてミラー固定部材４５０を着脱可能に保持する。ミラー固定部材４５０にはミラー２５が固定されている。カンチレバー保持機構４００Ａとミラー保持機構４００Ｂとは互いに分離されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡を一体的に備えた顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来の光学顕微鏡または電子顕微鏡等とは全く異なる原理を利用した走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope:ＳＰＭ）が開発され、注目を浴びている。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡は、プローブと呼ばれる鋭く尖った探針を自由端に有するカンチレバーを備えている。上記の走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope:ＡＦＭ）においては、探針を試料に近づけると、探針の先端を構成している原子と試料を構成している原子との間に原子間力が生じる。この原子間力によりカンチレバーの自由端が変位する。
【０００４】
このカンチレバーの自由端の変位量を電気的に測定しながら、探針を試料に沿って走査させることにより、試料の表面形状を示す三次元的な情報を得ることができる。例えば、カンチレバーの自由端の変位を一定に保つように探針と試料との距離を制御しながら探針を走査させると、探針の先端は試料表面の凹凸に沿って移動するので、探針の先端の位置情報から試料の表面形状を示す三次元的な情報を得ることができる。
【０００５】
なお、走査型プローブ顕微鏡のその他の例としては、探針の原子と試料表面の原子との間に生じる原子間力を用いる代わりに、探針と試料との間に流れるトンネル電流を利用することにより試料表面の三次元的な情報を得ることも可能な走査型トンネル顕微鏡もある。
【０００６】
また、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡とが一体化された顕微鏡装置が開発されている。
【０００７】
ここで、従来の顕微鏡装置の概略を図面を参照しながら説明する。なお、下記に示す顕微鏡装置は、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡とが一体的に構成されたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図１０は、従来の顕微鏡装置を示す模式図である。
【０００９】
図１０に示すように、支持台２０１には、図示しないリニアガイドを介して光学系支持台２０２が上下方向に移動可能に設けられている。
【００１０】
光学系支持台２０２には、対物レンズ２０７、変位計測光学系２０６および観察光学系２０４が取り付けられている。
【００１１】
光学系支持台２０２上に設けられた光学系支持台粗動マイクロメーター２０３を調整することにより、対物レンズ２０７、変位計測光学系２０６および観察光学系２０４が一体的に上下に移動させることができる。
【００１２】
また、光学系支持台２０２には、図示しないリニアガイドを介してスキャナ支持台２１５が上下方向に移動可能に設けられている。
【００１３】
スキャナ支持台２１５には、探針微動用円筒型圧電素子２０８が固定されている。探針微動用円筒型圧電素子２０８の下端に探針支持リング２０９が設けられている。
【００１４】
この探針支持リング２０９にカンチレバー２１８が取り付けられており、カンチレバー２１８の自由端に探針２１０が設けられている。なお、探針２１０は、探針支持リング２０９の中央の開口部分から突出するように設けられている。
【００１５】
スキャナ支持台２１５上に設けられたスキャナ支持台粗動マイクロメーター２１４を調整することにより、スキャナ支持台２１５を光学系支持台２０２に対して上下方向に移動させることができる。
【００１６】
一方、支持台２０１上には、試料走査用円筒型圧電素子２１３が固定されている。試料走査用円筒型圧電素子２１３上には試料台２１２が設けられており、試料台２１２上に試料２１１が載置される。
【００１７】
上記のような構成により、光学顕微鏡による試料の観察と走査型プローブ顕微鏡による試料の観察とを一台の顕微鏡装置により行うことができる。
【特許文献１】特開平５−１５７５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記従来の顕微鏡装置では、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡とを一体的に構成すると、顕微鏡装置の高さが非常に高くなる。そのため、顕微鏡装置が大型化するとともに除振性に乏しい。その結果、試料の測定および評価の信頼性が損なわれる。
【００１９】
そこで、顕微鏡装置の高さを低くするために、光学顕微鏡の鏡筒を傾斜させて設けた顕微鏡装置が提案されている。この顕微鏡装置においては、試料の上部にミラーが設けられる。この場合、図示しない照明源から発せられる照明光が試料に照射され、その試料からの反射光がミラーを介して傾斜された鏡筒に導かれる。それにより、試料表面のマクロ的な観察が行われる。
【００２０】
さらに、この顕微鏡装置においては、光学顕微鏡による試料の観察位置と、走査型プローブ顕微鏡による試料の観察位置とを一致させることにより、使用者は光学顕微鏡により試料をマクロ的に観察し、走査型プローブ顕微鏡によるミクロ的な観察のために試料の位置決めを行うことができる。
【００２１】
このように、光学顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡による試料の観察位置を一致させるためには、試料上部に設けられる光学顕微鏡のミラーと走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーとを近づけて配置する必要がある。
【００２２】
上述のように、カンチレバーには探針が設けられている。この探針は、試料表面で走査されることにより磨耗する。また、カンチレバーは使用により変形する場合がある。このような探針の磨耗またはカンチレバーの変形等があった場合には、カンチレバーを交換する必要がある。
【００２３】
このカンチレバーの交換時において、光学顕微鏡のミラーと走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーとが近い位置に設けられている場合には、光学顕微鏡のミラーによりカンチレバーの交換のためのスペースが制限されてしまう。それにより、カンチレバーの交換が困難となる。
【００２４】
特に、光学顕微鏡によるマクロ的な光学像の鮮明度および解像度を向上させるためには、試料からの反射光をより多く取り入れるためにミラーをより大きくすることが好ましいが、ミラーがより大きくなると、さらにカンチレバーの交換が困難となる。
【００２５】
本発明の目的は、カンチレバーを容易に交換することができ、かつ光学像の十分な鮮明度および解像度を確保することができる顕微鏡装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明に係る顕微鏡装置は、試料が載置される試料載置台と、光学顕微鏡と、探針を有するカンチレバーと試料載置台とを相対的に移動させることにより探針を試料の表面に沿って走査させる走査型プローブ顕微鏡と、探針の位置を含む試料の領域からの光を光学顕微鏡に導く反射部材と、カンチレバーおよび反射部材をそれぞれ着脱可能に保持する保持機構とを備えたものである。
【００２７】
その顕微鏡装置においては、試料載置台に載置された試料が光学顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡により観察される。これにより、使用者は走査型プローブ顕微鏡により試料の表面形状を高倍率でミクロ的に観察することができる。また、使用者は光学顕微鏡により試料の表面形状を低倍率でマクロ的に観察することができる。
【００２８】
走査型プローブ顕微鏡による試料の観察時には、カンチレバーの探針が試料の表面に沿って走査される。また、光学顕微鏡による試料の観察時には、反射部材により探針の位置を含む試料の領域からの光が光学顕微鏡に導かれる。これにより、使用者は走査型プローブ顕微鏡によるミクロ的な観察を行うために光学顕微鏡によるマクロ的な観察に基づいて試料の位置決めを行うことができる。
【００２９】
カンチレバーおよび反射部材はそれぞれ着脱可能に保持機構により保持されている。これにより、カンチレバーの交換時に反射部材を保持機構から取り外すことができるので、カンチレバーの交換のためのスペースが確保され、カンチレバーを容易に交換することができる。
【００３０】
また、カンチレバーの交換を容易にするために反射部材を小さくする必要がない。これにより、マクロ的な観察に十分な大きさの反射部材を用いることができる。その結果、光学顕微鏡によるマクロ的な光学像の鮮明度および解像度が十分に確保される。
【００３１】
保持機構は、カンチレバーを着脱可能に保持する第１の保持部と、反射部材を着脱可能に保持する第２の保持部とを備え、第１および第２の保持部は互いに分離されてもよい。
【００３２】
この場合、第１および第２の保持部が互いに分離されているので、試料の表面に対するカンチレバーの探針の走査時に第１の保持部が移動しても、第２の保持部は移動しない。それにより、走査型プローブ顕微鏡における探針の走査に影響を受けることなく光学顕微鏡による光学像を得ることができる。
【００３３】
第２の保持部は係合部を有し、反射部材は係合部に係合可能な第１の被係合部を有してもよい。この場合、第２の保持部の係合部に反射部材の第１の被係合部が係合される。これにより、第２の保持部に反射部材が着脱可能に保持される。それにより、使用者は、容易に第２の保持部に対する反射部材の着脱作業を行うことができる。
【００３４】
第１の保持部は嵌合部を有し、第２の保持部は走査型プローブ顕微鏡に固定された固定部材と、係合部を有するとともに固定部材に接合される連結部材とを含み、第１の保持部材および連結部材は、嵌合部に嵌合可能な被嵌合部および係合部に係合可能な第２の被係合部を有する共通の治具により位置決め可能であってもよい。
【００３５】
この場合、固定部材への連結部材の接合時に、第１の保持部および連結部材が共通の治具により位置決めされることにより、連結部材が第１の保持部に対して正確に位置決めされる。それにより、反射部材とカンチレバーとの相対的な位置関係が正確に保たれる。
【００３６】
反射部材は、磁力により第２の保持部に着脱可能に保持されてもよい。これにより、使用者は反射部材の第２の保持部への着脱が容易となる。
【００３７】
保持機構へのカンチレバーの着脱時にカンチレバーを把持する把持部材をさらに備え、保持機構は、カンチレバーの着脱時に把持部材に把持されたカンチレバーが保持機構に対して所定の角度に保たれ、かつカンチレバーの差込量が制限されるように把持部材を案内してもよい。
【００３８】
この場合、カンチレバーの着脱時において、把持部材はカンチレバーが保持機構に対して所定の角度に保たれ、かつカンチレバーの差込量が制限されるように保持機構へ案内される。
【００３９】
これにより、使用者はカンチレバーを容易に所定の角度で保持機構に差し込むことができるとともに、カンチレバーを保持機構に差し込みすぎることによる破損を防止することができる。それにより、使用者はカンチレバーを容易に保持機構へ着脱することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る顕微鏡装置において、カンチレバーおよび反射部材はそれぞれ着脱可能に保持機構により保持されている。これにより、カンチレバーの交換時に反射部材を保持機構から取り外すことができるので、カンチレバーの交換のためのスペースが確保され、カンチレバーを容易に交換することができる。
【００４１】
また、カンチレバーの交換を容易にするために反射部材を小さくする必要がない。これにより、マクロ的な観察に十分な大きさの反射部材を用いることができる。その結果、光学顕微鏡によるマクロ的な光学像の鮮明度および解像度が十分に確保される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の一実施の形態に係る顕微鏡装置について説明する。
【００４３】
図１は、本実施の形態に係る顕微鏡装置を示す斜視図である。ここで、水平面内で直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とする。また、後述の図２〜図９においても、上記同様にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義する。
【００４４】
図１に示すように、本実施の形態に係る顕微鏡装置１は、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope:ＡＦＭ）１０および光学顕微鏡２０を一体的に備える。原子間力顕微鏡１０および光学顕微鏡２０はベース筐体部５０により保持されている。
【００４５】
ベース筐体部５０は、Ｘ方向およびＹ方向からなる平面上に位置する底部５４を有する。
【００４６】
底部５４の四隅からＺ軸方向に支持脚５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ（５２ｃは図示せず）が延びている。支持脚５２ａ，５２ｄの上端には、被支持部５３ａ，５３ｄがそれぞれ設けられている。
【００４７】
支持脚５２ｂ，５２ｃ上には平面視でＬ字状に形成された被支持部５３が設けられている。
【００４８】
ベース筐体部５０の被支持部５３ａ，５３ｄは、それぞれＺ軸方向に延びる円筒状の脚部Ｓ１，Ｓ４（Ｓ４は図示せず）により支持されている。また、ベース筐体部５０の被支持部５３は、Ｚ軸方向に延びる円筒状の脚部Ｓ２および脚部Ｓ３により支持されている。
【００４９】
原子間力顕微鏡１０は、ＡＦＭスキャナ１１および試料載置台３０を備える。被支持部５３は、水平な上面を有する。この上面上にＡＦＭスキャナ１１が支持されている。なお、ＡＦＭスキャナ１１の後述するカンチレバーに設けられている探針を試料表面上に沿って走査させる構成については後述する。
【００５０】
ＡＦＭスキャナ１１は、Ｙ方向およびＺ方向に平行な側壁部１１Ａ、Ｘ方向およびＺ方向に平行な側壁部１１Ｂ、ならびにＸ方向およびＹ方向に平行な天板部１１Ｃにより構成される。側壁部１１Ａと側壁部１１Ｂとは、Ｘ方向およびＹ方向に平行な面においてＬ字状となるように形成されている。
【００５１】
図１に示すように、ＡＦＭスキャナ１１の天板部１１Ｃの下面に保持機構保持部１１ｃが設けられている。
【００５２】
ベース筐体部５０内部の中央に試料載置台３０が設けられている。試料載置台３０は、ＸＹ方向移動機構３０ａおよびＺ方向移動機構３０ｂを含む。ＸＹ方向移動機構３０ａはＺ方向移動機構３０ｂ上に設けられている。Ｚ方向移動機構３０ｂはＸＹ方向移動機構３０ａをＺ方向に上下動可能に保持する。
【００５３】
ＸＹ方向移動機構３０ａの上部には、試料Ｍを載置するための移動プレート３３０が設けられている。ＸＹ方向移動機構３０ａの側面側からＹ方向に延びるようにＸ方向移動ノブ３４０およびＹ方向移動ノブ３５０が互いに平行に設けられている。
【００５４】
ＸＹ方向移動機構３０ａにおいて、使用者がＸ方向移動ノブ３４０およびＹ方向移動ノブ３５０を回転操作することにより、移動プレート３３０がＸ方向およびＹ方向に移動する。
【００５５】
なお、移動プレート３３０のＸ方向およびＹ方向への移動時において、Ｘ方向移動ノブ３４０およびＹ方向移動ノブ３５０はＸ方向およびＹ方向に移動しない。
【００５６】
ＡＦＭスキャナ１１の保持機構保持部１１ｃの下部には保持機構４００が設けられている。
【００５７】
保持機構４００は、光学顕微鏡２０のミラー２５および後述のミラー固定部材（図２参照）を保持する。保持機構４００において、ミラー２５は試料Ｍの上方に位置する。この場合、図示しない照明源から発せられる照明光が試料Ｍに照射され、その試料Ｍからの反射光がミラー２５に照射される。さらに、保持機構４００はカンチレバーを保持する。保持機構４００およびカンチレバーの詳細については後述する。
【００５８】
ベース筐体部５０には、光学顕微鏡２０が取り付けられている。光学顕微鏡２０は、レンズ格納部２１、光軸変換部２２、電動ズーム鏡筒２３およびＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラボックス２４を備える。光軸変換部２２は光軸変換ミラー２２ａを内蔵する。
【００５９】
光学顕微鏡２０のレンズ格納部２１は、光軸変換部２２に取り付けられ、光軸変換部２２は、電動ズーム鏡筒２３の上端部に取り付けられている。電動ズーム鏡筒２３の下端部にＣＣＤカメラボックス２４が設けられている。
【００６０】
ここで、光学顕微鏡２０の電動ズーム鏡筒２３は、試料載置台３０の側方においてＺ軸方向に延びるように配置され、光軸変換ミラー２２ａは電動ズーム鏡筒２３の上端部に配置されている。
【００６１】
この光学顕微鏡２０において、試料Ｍからの反射光は、ミラー２５により反射され、レンズ格納部２１のレンズを通して光軸変換部２２内の光軸変換ミラー２２ａにより反射される。光軸変換ミラー２２ａによる反射光は、電動ズーム鏡筒２３を通してＣＣＤカメラボックス２４に取り込まれ、ＣＣＤカメラボックス２４内のＣＣＤカメラに試料Ｍの光学像が形成される。
【００６２】
顕微鏡装置１の制御系についての詳細は後述する。
【００６３】
図２は、図１のＡＦＭスキャナ１１に設けられる保持機構４００の基本構成を説明するための図である。図２（ａ）は保持機構４００のＹ方向から見た側面図であり、図２（ｂ）は保持機構４００のＸ方向から見た拡大側面図である。
【００６４】
図２に示すように、保持機構４００はカンチレバー保持機構４００Ａおよびミラー保持機構４００Ｂから構成されている。
【００６５】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、カンチレバー保持機構４００Ａは保持機構保持部１１ｃの下部からＺ方向に延びるように設けられている。カンチレバー保持機構４００Ａは、その下端部においてカンチレバー１００を着脱可能に保持する。
【００６６】
原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時においては、カンチレバー保持機構４００ＡがＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に動作する。これにより、カンチレバー１００が試料Ｍ上で走査される。
【００６７】
図２（ｂ）に示すように、ミラー保持機構４００Ｂは側壁部１１Ａの内面１１ｘからＸ方向に延びるように設けられている。ミラー保持機構４００Ｂは、先端部においてミラー固定部材４５０を着脱可能に保持する。ミラー固定部材４５０にはミラー２５が固定されている。
【００６８】
ここで、カンチレバー保持機構４００Ａとミラー保持機構４００Ｂとは互いに分離されている。それにより、カンチレバー保持機構４００Ａが動作した場合であっても、ミラー保持機構４００Ｂはその動作に影響されない。
【００６９】
すなわち、カンチレバー保持機構４００Ａが動作することによりカンチレバー１００の探針が試料Ｍの表面上で移動しても、ミラー保持機構４００Ｂはカンチレバー保持機構４００Ａの動作の影響を受けない。
【００７０】
それにより、ミラー２５およびミラー固定部材４５０は原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時においてもミラー保持機構４００Ｂにより確実に固定される。
【００７１】
このように、本実施の形態に係る顕微鏡装置１においては、試料載置台３０に載置された試料Ｍが光学顕微鏡２０および原子間力顕微鏡１０により観察される。これにより、使用者は原子間力顕微鏡１０により試料Ｍの表面形状を高倍率でミクロ的に観察することができる。また、使用者は光学顕微鏡２０により試料の表面形状を低倍率でマクロ的に観察することができる。
【００７２】
原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時には、カンチレバー１００の探針が試料Ｍの表面に沿って走査される。また、光学顕微鏡２０による試料Ｍの観察時には、ミラー２５およびミラー固定部材４５０により探針の位置を含む試料Ｍの領域からの反射光が光学顕微鏡２０に導かれる。これにより、使用者は原子間力顕微鏡１０によるミクロ的な観察を行うために光学顕微鏡２０によるマクロ的な観察に基づいて試料Ｍの位置決めを行うことができる。
【００７３】
カンチレバー１００ならびにミラー２５およびミラー固定部材４５０はそれぞれ着脱可能に保持機構４００により保持されている。これにより、カンチレバー１００の交換時にミラー２５およびミラー固定部材４５０を保持機構４００から取り外すことができるので、カンチレバー１００の交換のためのスペースが確保され、カンチレバー１００を容易に交換することができる。
【００７４】
また、カンチレバー１００の交換を容易にするためにミラー２５を小さくする必要がない。これにより、マクロ的な観察に十分な大きさのミラー２５を用いることができる。その結果、光学顕微鏡２０によるマクロ的な光学像の鮮明度および解像度が十分に確保される。
【００７５】
さらに、本実施の形態に係る顕微鏡装置１においては、カンチレバー保持機構４００Ａおよびミラー保持機構４００Ｂが互いに分離されているので、試料Ｍの表面に対するカンチレバー１００の探針の走査時にカンチレバー保持機構４００Ａが移動しても、ミラー保持機構４００Ｂは移動しない。それにより、原子間力顕微鏡１０における探針の走査に影響を受けることなく光学顕微鏡２０による光学像を得ることができる。
【００７６】
続いて、図３〜図６に基づいて本発明の一実施の形態に係る顕微鏡装置１の保持機構４００の具体的構成例を説明する。図３〜図６は、図１の保持機構４００の組立て斜視図である。
【００７７】
図３〜図６に示すように、保持機構４００はカンチレバー保持機構４００Ａ、固定部材４２０および連結部材４３０から構成されている。固定部材４２０および連結部材４３０が図２のミラー保持機構４００Ｂを構成する。
【００７８】
図３に示すように、ＡＦＭスキャナ１１においては、保持機構保持部１１ｃの一部から下方に延びるように支持柱１１ｚが形成されている。支持柱１１ｚは中空の円筒形状を有する。
【００７９】
カンチレバー保持機構４００Ａは、走査軸４１１、板状の水平連結片４１２および逆Ｔ字状のカンチレバーホルダ４１３から形成されている。
【００８０】
走査軸４１１は支持柱１１ｚの内部でＺ方向に延びる。走査軸４１１の下端に水平連結片４１２が形成されている。水平連結片４１２はＹ方向に延びる。水平連結片４１２の一端側からＺ方向に延びるようにカンチレバーホルダ４１３が形成されている。
【００８１】
カンチレバーホルダ４１３のＸ方向およびＺ方向に平行な一側面には、Ｙ方向に突出した突起４１３ａ，４１３ｂが形成されている。カンチレバーホルダ４１３の下端にカンチレバー保持孔４１０ｈが形成されている。
【００８２】
固定部材４２０はＺ方向およびＹ方向に平行な面を有する固定板４２０Ｂを備える。固定板４２０Ｂの略中央部にはＸ方向に延びる２つの貫通孔４２０ｐ，４２０ｑが形成されている。
【００８３】
固定板４２０Ｂの一面からＸ方向に階段状の固定突起４２１が突出している。固定突起４２１の下段側にはＺ方向に延びる孔部４２０ｚが形成されている。
【００８４】
連結部材４３０はＺ方向およびＸ方向に平行な面を有する後壁４３１および前壁４３３ならびにＺ方向およびＹ方向に平行な面を有する中壁４３２から形成されている。
【００８５】
後壁４３１にはＹ方向に延びる突起４３１ａ，４３１ｂが形成されている。後壁４３１のＺ方向に沿った一辺からＹ方向に延びるように中壁４３２が形成され、中壁４３２のＺ方向に沿った他辺からＸ方向に延びるように前壁４３３が形成されている。
【００８６】
前壁４３３の略中央部には、貫通孔４３３ｈが形成されている。前壁４３３の下部にはＺ方向に延びる係止突起４３３ｚが形成されている。
【００８７】
保持機構４００の組立て時においては、ＡＦＭスキャナ１１の内面１１ｘに固定部材４２０が取り付けられる。固定部材４２０の取り付けは、ねじ４２０ｍ，４２０ｎを固定部材４２０の貫通孔４２０ｐ，４２０ｑを介して予め内面１１ｘに設けられたねじ孔１１ｐ，１１ｑに螺合させることにより行う。これにより、図４に示すように、固定部材４２０がＡＦＭスキャナ１１の内面１１ｘに固定される。固定部材４２０の孔部４２０ｚには連結部材４３０の係止突起４３３ｚが挿入される。
【００８８】
固定部材４２０の孔部４２０ｚに連結部材４３０の係止突起４３３ｚが挿入された状態で、カンチレバー保持機構４００Ａおよび連結部材４３０に位置決め部材４４０が取り付けられる。位置決め部材４４０は４つの貫通孔４４０ａ，４４０ｂ，４４０ｃ，４４０ｄを有する。
【００８９】
貫通孔４４０ａは連結部材４３０の突起４３１ａと係合し、貫通孔４４０ｂは連結部材４３０の突起４３１ｂと係合する。貫通孔４４０ｃはカンチレバー保持機構４００Ａの突起４１３ｂと係合し、貫通孔４４０ｄはカンチレバー保持機構４００Ａの突起４１３ａと係合する。
【００９０】
カンチレバー保持機構４００Ａおよび連結部材４３０に位置決め部材４４０が取り付けられることにより、カンチレバー保持機構４００Ａに対する連結部材４３０の位置関係が固定される。
【００９１】
この状態で、固定部材４２０の孔部４２０ｚと係止突起４３３ｚとの係合部に硬化性の樹脂（接着剤）が充填される。それにより、連結部材４３０が固定部材４２０に接合されるとともに、カンチレバー保持機構４００Ａに対して正確に位置決めされる。
【００９２】
固定部材４２０に連結部材４３０が接合されると、位置決め部材４４０が取り外される。その後、ミラー２５を有するミラー固定部材４５０が連結部材４３０に取り付けられる。
【００９３】
ミラー固定部材４５０は、ミラー連結部４５３、第１の保持壁４５２および第２の保持壁４５１から形成されている。ミラー連結部４５３はＸ方向に延びる板状部材である。ミラー連結部４５３の一端には、ミラー２５が傾斜するように固定されている。
【００９４】
ミラー連結部４５３の他端側には、Ｙ方向に延びる板状の第１の保持壁４５２が形成されている。第１の保持壁４５２のＺ方向に沿う一辺からＸ方向に延びるように第２の保持壁４５１が形成されている。
【００９５】
第２の保持壁４５１には貫通孔４５１ａ，４５１ｂが形成されている。貫通孔４５１ａ，４５１ｂは、連結部材４３０の突起４３１ａ，４３１ｂと係合可能である。
【００９６】
図５に示すように、光学顕微鏡２０による試料Ｍの観察時には、連結部材４３０の突起４３１ａ，４３１ｂに、ミラー固定部材４５０の貫通孔４５１ａ，４５１ｂが係合される。それにより、連結部材４３０にミラー固定部材４５０が取り付けられる。
【００９７】
図５および図６に示すように、原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時には、カンチレバー保持機構４００Ａのカンチレバー保持孔４１０ｈにカンチレバー１００が取り付けられる。
【００９８】
カンチレバー１００の取り付け時においては、カンチレバー交換治具４６０が用いられる。カンチレバー交換治具４６０は、挿入片４６１、平面部材４６２、挟持片４６３および可動挟持片４６５を含む。
【００９９】
カンチレバー交換治具４６０において、平面部材４６２はＸ方向およびＹ方向に平行な面を有する板状部材である。平面部材４６２の一の隅部からＺ方向に延びるとともに所定の高さでＹ方向に延びるように挿入片４６１が形成されている。
【０１００】
平面部材４６２の他の隅部には、切り欠き部４６４が設けられている。切り欠き部４６４には、Ｙ方向に延びる可動挟持片４６５がＸ方向へ移動可能に取り付けられている。可動挟持片４６５の先端部の内側には図示しない溝部が形成されている。可動挟持片４６５の詳細は後述する。
【０１０１】
平面部材４６２のＸ方向に沿う一辺側からＹ方向に延びるように挟持片４６３が突出している。挟持片４６３の先端部の内側には溝部が形成されている。可動挟持片４６５の溝部および挟持片４６３の溝部は互いに対向している。
【０１０２】
使用者が可動挟持片４６５および平面部材４６２を把持することにより、可動挟持片４６５がＸ方向に移動する。これにより、可動挟持片４６５の溝部と挟持片４６３の溝部との間隔が短くなる。それにより、可動挟持片４６５の溝部および挟持片４６３の溝部により、板状のカンチレバー１００が把持される。
【０１０３】
このようにカンチレバー１００が把持された状態で、カンチレバー１００がカンチレバー保持機構４００Ａのカンチレバー保持孔４１０ｈに挿入される。このとき、カンチレバー交換治具４６０の挿入片４６１が連結部材４３０の貫通孔４３３ｈに挿入される。
【０１０４】
貫通孔４３３ｈは、予め挿入片４６１が所定の傾斜角度で挿入されるように形成されている。また、貫通孔４３３ｈは挿入片４６１が所定の長さ以上挿入されないように形成されている。
【０１０５】
これにより、カンチレバー交換治具４６０によるカンチレバー１００の交換時においては、カンチレバー保持孔４１０ｈへのカンチレバー１００の挿入角度および挿入量が挿入片４６１および貫通孔４３３ｈにより制限される。それにより、カンチレバー１００に過剰な負荷がかからない。その結果、使用者はカンチレバー１００の破損等を気にすることなく、カンチレバー１００の交換を容易に行うことができる。
【０１０６】
本実施の形態に係る顕微鏡装置１においては、図６に示すように、カンチレバー交換治具４６０の交換時にミラー固定部材４５０を取り外すことが可能である。
【０１０７】
この場合、使用者は広い角度でカンチレバー１００のカンチレバー保持孔４１０ｈへの取り付けを視認することができるので、カンチレバー１００のを容易に交換することができる。
【０１０８】
また、カンチレバー１００の交換時にミラー固定部材４５０を取り外すことができるので、カンチレバー１００の交換のためのスペースを確保するためにミラー２５を小さくする必要がない。それにより、ミラー２５を試料Ｍからの反射光をより多く光学顕微鏡２０へ導くことができるような十分な大きさにすることができる。その結果、光学顕微鏡によるマクロ的な光学像の十分な鮮明度および解像度が確保される。
【０１０９】
上述のように、本実施の形態に係る顕微鏡装置１の保持機構４００（図１および図２）において、ミラー保持機構４００Ｂ（図２）の連結部材４３０は突起４３１ａ，４３１ｂを有し、ミラー固定部材４５０は貫通孔４５１ａ，４５１ｂを有する。
【０１１０】
連結部材４３０の突起４３１ａ，４３１ｂにミラー固定部材４５０の貫通孔４５１ａ，４５１ｂが係合されることにより、ミラー固定部材４５０が連結部材４３０に着脱可能に保持される。それにより、使用者は容易に連結部材４３０に対するミラー固定部材４５０の着脱作業を行うことができる。
【０１１１】
また、本実施の形態に係る顕微鏡装置１の保持機構４００においては、固定部材４２０への連結部材４３０の接合時に、カンチレバー保持機構４００Ａおよび連結部材４３０が位置決め部材４４０により位置決めされる。それにより、連結部材４３０がカンチレバー保持機構４００Ａに対して正確に位置決めされる。その結果、ミラー固定部材４５０とカンチレバー１００との相対的な位置関係が正確に保たれる。
【０１１２】
さらに、図５および図６を用いて説明したように、カンチレバー１００のカンチレバー保持機構４００Ａに対する着脱時において、カンチレバー交換治具４６０はカンチレバー１００がカンチレバー保持機構４００Ａおよび連結部材４３０に対して所定の角度に保たれ、かつカンチレバー１００のカンチレバー保持孔４１０ｈへの差込量が制限されるように連結部材４３０の貫通孔４３３ｈにより案内される。
【０１１３】
これにより、使用者はカンチレバー１００を容易に所定の角度で貫通孔４３３ｈに差し込むことができるとともに、カンチレバー１００をカンチレバー保持孔４１０ｈに差し込みすぎることによる破損を防止することができる。それにより、使用者はカンチレバー１００を容易にカンチレバー保持機構４００Ａへ着脱することができる。
【０１１４】
本実施の形態において、図３〜図６の連結部材４３０、ミラー固定部材４５０およびカンチレバー交換治具４６０はさらに以下の構成を有する。
【０１１５】
図７は、連結部材４３０およびミラー固定部材４５０のより詳細な構成を説明するための図である。図７には、連結部材４３０およびミラー固定部材４５０を光学顕微鏡２０側から見た場合の側面図が示されている。
【０１１６】
連結部材４３０の後壁４３１において、２つの突起４３１ａ，４３１ｂの間には磁石４３０Ｍが設けられている。一方、ミラー固定部材４５０の２つの貫通孔４５１ａ，４５１ｂの間には磁石４５０Ｍが設けられている。
【０１１７】
連結部材４３０へのミラー固定部材４５０の取り付け時には、連結部材４３０の突起４３１ａ，４３１ｂがミラー固定部材４５０の貫通孔４５１ａ，４５１ｂに係合される。連結部材４３０とミラー固定部材４５０とが、磁石４３０Ｍおよび磁石４５０Ｍの磁力により正確かつ確実に固定される。
【０１１８】
このように、ミラー固定部材４５０が磁力により連結部材４３０に着脱可能に保持されるので、使用者は連結部材４３０へのミラー固定部材４５０の着脱が容易となる。
【０１１９】
図８は、カンチレバー交換治具４６０のより詳細な構成を説明するための図である。図８には、カンチレバー交換治具４６０を上方から見た場合の平面図が示されている。
【０１２０】
図６を用いて説明したように、挟持片４６３の先端部一側面側には、Ｙ方向に沿った溝部４６３Ｋが形成されている。また、可動挟持片４６５の先端部一側面側にも溝部４６５Ｋが形成されている。挟持片４６３の溝部４６３Ｋおよび可動挟持片４６５の溝部４６５Ｋは互いに対向している。
【０１２１】
可動挟持片４６５の後端部一側面側に切り欠き部４６６が形成されている。切り欠き部４６６からＸ方向に突出するように可動連結軸４６５ａ，４６５ｂが形成されている。一方、切り欠き部４６４には可動連結軸４６５ａ，４６５ｂを挿入可能な孔部４６４ａ，４６４ｂが形成されている。
【０１２２】
可動挟持片４６５の可動連結軸４６５ａ，４６５ｂは、バネ４６５Ｄを介して切り欠き部４６４の孔部４６４ａ，４６４ｂに挿入される。これにより、可動連結軸４６５ａ，４６５ｂがＸ方向に移動可能に切り欠き部４６４の孔部４６４ａ，４６４ｂにより保持される。
【０１２３】
上記構造により、使用者が可動挟持片４６５および平面部材４６２を把持すると、溝部４６３Ｋ，４６５Ｋの間隔が狭まる。その結果、図５および図６に示すように、カンチレバー１００がカンチレバー交換治具４６０により把持される。
【０１２４】
次に、本実施の形態に係る顕微鏡装置１の制御系について説明する。なお、後述の図９に示す原子間力顕微鏡１０の制御系はコンタクトモードを用いる場合の制御系を示している。
【０１２５】
ここで、コンタクトモードとは、原子間力顕微鏡１０において、探針を試料に接触する位置まで近付けて試料表面に沿って走査させる測定モードである。
【０１２６】
図９は、本実施の形態に係る顕微鏡装置１のコンタクトモードを用いる場合の制御系を示すブロック図である。図９においても、図１と同様にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義する。
【０１２７】
原子間力顕微鏡１０は、板バネ状のカンチレバー１００、探針１０１、圧電素子１１０、光源１２１、反射鏡１２２，１２３、光検出器１２４および制御部１３０を含む。
【０１２８】
原子間力顕微鏡１においては、探針１０１と試料Ｍとの間に生じる原子間力、すなわちカンチレバー１００の変位量を検出する。
【０１２９】
カンチレバー１００の先端には探針１０１が設けられている。この探針１０１を試料Ｍに近付けると、探針１０１と試料Ｍとの間に原子間力が生じ、カンチレバー１００が上下方向にたわむ。
【０１３０】
ＡＦＭスキャナ１１内に設けられた圧電素子１１０により試料Ｍ表面に沿った探針１０１の走査が行われる。圧電素子１１０は、試料Ｍ表面に沿って探針１０１を走査させるために、カンチレバー１００をＸ方向およびＹ方向に移動させる。
【０１３１】
なお、探針１０１を固定した状態で試料載置台３０（移動プレート３３０）をＸ方向およびＹ方向に移動させることにより、試料Ｍ表面に沿った探針１０１の走査を行ってもよい。また、圧電素子１１０の代わりにボイスコイルモータを用いてもよい。
【０１３２】
圧電素子１１０は、カンチレバー１００の変位を一定に保つように、すなわち、探針１０１と試料Ｍとの間に生じる原子間力を一定に保つようにカンチレバー１００をＺ軸方向に動作させる。探針１０１と試料Ｍとの間の原子間力を一定に保つために圧電素子１１０に印加した電圧値の変化に基づいて、試料Ｍの３次元的な形状情報を画像化することが可能となる。
【０１３３】
なお、圧電素子１１０は、制御部１３０により制御される。制御部１３０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１３１、変位量検出部１３２、Ｚ方向サーボ回路１３３およびＸ−Ｙ方向サーボ回路１３４を含む。
【０１３４】
Ｚ方向サーボ回路１３３は、カンチレバー１００の探針１０１がＺ方向に動作するように圧電素子１１０を制御する。また、Ｘ−Ｙ方向サーボ回路１３４は、カンチレバー１００の探針１０１がＸ方向およびＹ方向に移動するように圧電素子１１０を制御する。変位量検出部１３２については後述する。
【０１３５】
ここで、試料Ｍ表面の凹凸により生じるカンチレバー１００の変位量を一定に保つための原子間力顕微鏡１０における動作について説明する。
【０１３６】
カンチレバー１００の微小なたわみ量（変位）を検出するために、光源１２１によりレーザ光がカンチレバー１００の先端に照射される。なお、カンチレバー１００の変位を検出するために、一般的に下記の光てこ方式が用いられる。
【０１３７】
光てこ方式とは、カンチレバー１００の変位を測定する方法の一例であり、レーザ光をカンチレバー１００に照射し、カンチレバー１００からの反射光を光検出器１２４により検出するものである。
【０１３８】
カンチレバー１００の微小な変位が、カンチレバー１００からの反射光のわずかな角度変化に反映され、この角度変化が光検出器１２４により検出される。なお、光検出器１２４としては、２分割フォトセル、４分割フォトセルまたはフォトセルアレイ等が用いられる。また、カンチレバー１００としては、半導体微細加工技術によりウエハ単位で生産されたカンチレバーの他、カンチレバーの一部に微小な反射用ガラス（反射鏡）を設けたものまたは光ファイバプローブ型カンチレバーの背面をフラットにして反射面を設けたもの等が用いられる。
【０１３９】
なお、本実施の形態では、光源１２１から出射されたレーザ光は、反射鏡１２２を介してカンチレバー１００に照射され、カンチレバー１００に照射されたレーザ光は反射光として反射鏡１２３を介して光検出器１２４により検出されるが、これに限定されるものではなく、反射鏡１２２および反射鏡１２３を設けずに、光源１２１から出射されたレーザ光を直接カンチレバー１００に照射し、カンチレバー１００に照射されたレーザ光を反射光として直接光検出器１２４により検出してもよい。
【０１４０】
光検出器１２４の出力信号は、制御部１３０の変位量検出部１３２に与えられる。変位量検出部１３２は、光検出器１２４の出力信号に基づいてカンチレバー１００の変位量を検出する。
【０１４１】
制御部１３０のＣＰＵ１３１は、変位量検出部１３２により検出されたカンチレバー１００の変位量に基づいて、この変位量を一定に保つように圧電素子１１０を制御する。
【０１４２】
制御部１３０にはＣＲＴ（陰極線管）等のディスプレイ４０が接続されている。ディスプレイ４０は、試料Ｍの３次元形状の画像を映し出す。
【０１４３】
なお、本実施の形態においては、原子間力顕微鏡１０の測定モードとして、コンタクトモードを用いているが、これに限定されるものではなく、探針１０１を試料Ｍに接触させることなく探針１０１を共振させ、試料Ｍ表面の近傍を走査させるノンコンタクトモードを用いてもよい。
【０１４４】
以上、本発明の一実施の形態に係る顕微鏡装置において、試料載置台３０は試料載置台に相当し、光学顕微鏡２０は光学顕微鏡に相当し、探針１０１は探針に相当し、カンチレバー１００はカンチレバーに相当する。
【０１４５】
また、原子間力顕微鏡１０は走査型プローブ顕微鏡に相当し、ミラー２５およびミラー固定部材４５０は反射部材に相当し、保持機構４００は保持機構に相当する。
【０１４６】
さらに、カンチレバー保持機構４００Ａは第１の保持部に相当し、ミラー保持機構４００Ｂ、固定部材４２０および連結部材４３０は第２の保持部に相当し、突起４３１ａ，４３１ｂは係合部に相当し、貫通孔４５１ａ，４５１ｂは第１の被係合部に相当し、突起４１３ａ，４１３ｂは嵌合部に相当する。
【０１４７】
固定部材４２０は固定部材に相当し、連結部材４３０は連結部材に相当し、貫通孔４４０ｃ，４４０ｄは被嵌合部に相当し、貫通孔４４０ａ，４４０ｂは第２の被係合部に相当し、カンチレバー交換治具４６０は把持部材に相当し、位置決め部材４４０は共通の治具に相当する。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明は、各種試料の表面形状の観察等に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本実施の形態に係る顕微鏡装置を示す斜視図である。
【図２】図１のＡＦＭスキャナに設けられる保持機構の基本構成を説明するための図である。
【図３】図１の保持機構の組立て斜視図である。
【図４】図１の保持機構の組立て斜視図である。
【図５】図１の保持機構の組立て斜視図である。
【図６】図１の保持機構の組立て斜視図である。
【図７】連結部材およびミラー固定部材のより詳細な構成を説明するための図である。
【図８】カンチレバー交換治具のより詳細な構成を説明するための図である。
【図９】本実施の形態に係る顕微鏡装置のコンタクトモードを用いる場合の制御系を示すブロック図である。
【図１０】従来の顕微鏡装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１ 顕微鏡装置
１０ 原子間力顕微鏡
２０ 光学顕微鏡
２５ ミラー
３０，３１ 試料載置台
５０ ベース筐体部
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ 支持脚
５３ａ，５３ｄ 被支持部
５４ 底部
１０１ 探針
１００ カンチレバー
４００ 保持機構
４２０ 固定部材
４３０ 連結部材
４４０ 位置決め部材
４５０ ミラー固定部材
４００Ａ カンチレバー保持機構
４００Ｂ ミラー保持機構
４１３ａ，４１３ｂ，４３１ａ，４３１ｂ 突起
４４０ａ，４４０ｂ，４４０ｃ，４４０ｄ，４５１ａ，４５１ｂ 貫通孔
４６０ カンチレバー交換治具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡を一体的に備えた顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来の光学顕微鏡または電子顕微鏡等とは全く異なる原理を利用した走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope:ＳＰＭ）が開発され、注目を浴びている。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡は、プローブと呼ばれる鋭く尖った探針を自由端に有するカンチレバーを備えている。上記の走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope:ＡＦＭ）においては、探針を試料に近づけると、探針の先端を構成している原子と試料を構成している原子との間に原子間力が生じる。この原子間力によりカンチレバーの自由端が変位する。
【０００４】
このカンチレバーの自由端の変位量を電気的に測定しながら、探針を試料に沿って走査させることにより、試料の表面形状を示す三次元的な情報を得ることができる。例えば、カンチレバーの自由端の変位を一定に保つように探針と試料との距離を制御しながら探針を走査させると、探針の先端は試料表面の凹凸に沿って移動するので、探針の先端の位置情報から試料の表面形状を示す三次元的な情報を得ることができる。
【０００５】
なお、走査型プローブ顕微鏡のその他の例としては、探針の原子と試料表面の原子との間に生じる原子間力を用いる代わりに、探針と試料との間に流れるトンネル電流を利用することにより試料表面の三次元的な情報を得ることも可能な走査型トンネル顕微鏡もある。
【０００６】
また、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡とが一体化された顕微鏡装置が開発されている。
【０００７】
ここで、従来の顕微鏡装置の概略を図面を参照しながら説明する。なお、下記に示す顕微鏡装置は、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡とが一体的に構成されたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図１０は、従来の顕微鏡装置を示す模式図である。
【０００９】
図１０に示すように、支持台２０１には、図示しないリニアガイドを介して光学系支持台２０２が上下方向に移動可能に設けられている。
【００１０】
光学系支持台２０２には、対物レンズ２０７、変位計測光学系２０６および観察光学系２０４が取り付けられている。
【００１１】
光学系支持台２０２上に設けられた光学系支持台粗動マイクロメーター２０３を調整することにより、対物レンズ２０７、変位計測光学系２０６および観察光学系２０４が一体的に上下に移動させることができる。
【００１２】
また、光学系支持台２０２には、図示しないリニアガイドを介してスキャナ支持台２１５が上下方向に移動可能に設けられている。
【００１３】
スキャナ支持台２１５には、探針微動用円筒型圧電素子２０８が固定されている。探針微動用円筒型圧電素子２０８の下端に探針支持リング２０９が設けられている。
【００１４】
この探針支持リング２０９にカンチレバー２１８が取り付けられており、カンチレバー２１８の自由端に探針２１０が設けられている。なお、探針２１０は、探針支持リング２０９の中央の開口部分から突出するように設けられている。
【００１５】
スキャナ支持台２１５上に設けられたスキャナ支持台粗動マイクロメーター２１４を調整することにより、スキャナ支持台２１５を光学系支持台２０２に対して上下方向に移動させることができる。
【００１６】
一方、支持台２０１上には、試料走査用円筒型圧電素子２１３が固定されている。試料走査用円筒型圧電素子２１３上には試料台２１２が設けられており、試料台２１２上に試料２１１が載置される。
【００１７】
上記のような構成により、光学顕微鏡による試料の観察と走査型プローブ顕微鏡による試料の観察とを一台の顕微鏡装置により行うことができる。
【特許文献１】特開平５−１５７５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記従来の顕微鏡装置では、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡とを一体的に構成すると、顕微鏡装置の高さが非常に高くなる。そのため、顕微鏡装置が大型化するとともに除振性に乏しい。その結果、試料の測定および評価の信頼性が損なわれる。
【００１９】
そこで、顕微鏡装置の高さを低くするために、光学顕微鏡の鏡筒を傾斜させて設けた顕微鏡装置が提案されている。この顕微鏡装置においては、試料の上部にミラーが設けられる。この場合、図示しない照明源から発せられる照明光が試料に照射され、その試料からの反射光がミラーを介して傾斜された鏡筒に導かれる。それにより、試料表面のマクロ的な観察が行われる。
【００２０】
さらに、この顕微鏡装置においては、光学顕微鏡による試料の観察位置と、走査型プローブ顕微鏡による試料の観察位置とを一致させることにより、使用者は光学顕微鏡により試料をマクロ的に観察し、走査型プローブ顕微鏡によるミクロ的な観察のために試料の位置決めを行うことができる。
【００２１】
このように、光学顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡による試料の観察位置を一致させるためには、試料上部に設けられる光学顕微鏡のミラーと走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーとを近づけて配置する必要がある。
【００２２】
上述のように、カンチレバーには探針が設けられている。この探針は、試料表面で走査されることにより磨耗する。また、カンチレバーは使用により変形する場合がある。このような探針の磨耗またはカンチレバーの変形等があった場合には、カンチレバーを交換する必要がある。
【００２３】
このカンチレバーの交換時において、光学顕微鏡のミラーと走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーとが近い位置に設けられている場合には、光学顕微鏡のミラーによりカンチレバーの交換のためのスペースが制限されてしまう。それにより、カンチレバーの交換が困難となる。
【００２４】
特に、光学顕微鏡によるマクロ的な光学像の鮮明度および解像度を向上させるためには、試料からの反射光をより多く取り入れるためにミラーをより大きくすることが好ましいが、ミラーがより大きくなると、さらにカンチレバーの交換が困難となる。
【００２５】
本発明の目的は、カンチレバーを容易に交換することができ、かつ光学像の十分な鮮明度および解像度を確保することができる顕微鏡装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明に係る顕微鏡装置は、試料が載置される試料載置台と、光学顕微鏡と、探針を有するカンチレバーと試料載置台とを相対的に移動させることにより探針を試料の表面に沿って走査させる走査型プローブ顕微鏡と、探針の位置を含む試料の領域からの光を光学顕微鏡に導く反射部材と、カンチレバーおよび反射部材をそれぞれ着脱可能に保持する保持機構とを備えたものである。
【００２７】
その顕微鏡装置においては、試料載置台に載置された試料が光学顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡により観察される。これにより、使用者は走査型プローブ顕微鏡により試料の表面形状を高倍率でミクロ的に観察することができる。また、使用者は光学顕微鏡により試料の表面形状を低倍率でマクロ的に観察することができる。
【００２８】
走査型プローブ顕微鏡による試料の観察時には、カンチレバーの探針が試料の表面に沿って走査される。また、光学顕微鏡による試料の観察時には、反射部材により探針の位置を含む試料の領域からの光が光学顕微鏡に導かれる。これにより、使用者は走査型プローブ顕微鏡によるミクロ的な観察を行うために光学顕微鏡によるマクロ的な観察に基づいて試料の位置決めを行うことができる。
【００２９】
カンチレバーおよび反射部材はそれぞれ着脱可能に保持機構により保持されている。これにより、カンチレバーの交換時に反射部材を保持機構から取り外すことができるので、カンチレバーの交換のためのスペースが確保され、カンチレバーを容易に交換することができる。
【００３０】
また、カンチレバーの交換を容易にするために反射部材を小さくする必要がない。これにより、マクロ的な観察に十分な大きさの反射部材を用いることができる。その結果、光学顕微鏡によるマクロ的な光学像の鮮明度および解像度が十分に確保される。
【００３１】
保持機構は、カンチレバーを着脱可能に保持する第１の保持部と、反射部材を着脱可能に保持する第２の保持部とを備え、第１および第２の保持部は互いに分離されてもよい。
【００３２】
この場合、第１および第２の保持部が互いに分離されているので、試料の表面に対するカンチレバーの探針の走査時に第１の保持部が移動しても、第２の保持部は移動しない。それにより、走査型プローブ顕微鏡における探針の走査に影響を受けることなく光学顕微鏡による光学像を得ることができる。
【００３３】
第２の保持部は係合部を有し、反射部材は係合部に係合可能な第１の被係合部を有してもよい。この場合、第２の保持部の係合部に反射部材の第１の被係合部が係合される。これにより、第２の保持部に反射部材が着脱可能に保持される。それにより、使用者は、容易に第２の保持部に対する反射部材の着脱作業を行うことができる。
【００３４】
第１の保持部は嵌合部を有し、第２の保持部は走査型プローブ顕微鏡に固定された固定部材と、係合部を有するとともに固定部材に接合される連結部材とを含み、第１の保持部材および連結部材は、嵌合部に嵌合可能な被嵌合部および係合部に係合可能な第２の被係合部を有する共通の治具により位置決め可能であってもよい。
【００３５】
この場合、固定部材への連結部材の接合時に、第１の保持部および連結部材が共通の治具により位置決めされることにより、連結部材が第１の保持部に対して正確に位置決めされる。それにより、反射部材とカンチレバーとの相対的な位置関係が正確に保たれる。
【００３６】
反射部材は、磁力により第２の保持部に着脱可能に保持されてもよい。これにより、使用者は反射部材の第２の保持部への着脱が容易となる。
【００３７】
保持機構へのカンチレバーの着脱時にカンチレバーを把持する把持部材をさらに備え、保持機構は、カンチレバーの着脱時に把持部材に把持されたカンチレバーが保持機構に対して所定の角度に保たれ、かつカンチレバーの差込量が制限されるように把持部材を案内してもよい。
【００３８】
この場合、カンチレバーの着脱時において、把持部材はカンチレバーが保持機構に対して所定の角度に保たれ、かつカンチレバーの差込量が制限されるように保持機構へ案内される。
【００３９】
これにより、使用者はカンチレバーを容易に所定の角度で保持機構に差し込むことができるとともに、カンチレバーを保持機構に差し込みすぎることによる破損を防止することができる。それにより、使用者はカンチレバーを容易に保持機構へ着脱することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る顕微鏡装置において、カンチレバーおよび反射部材はそれぞれ着脱可能に保持機構により保持されている。これにより、カンチレバーの交換時に反射部材を保持機構から取り外すことができるので、カンチレバーの交換のためのスペースが確保され、カンチレバーを容易に交換することができる。
【００４１】
また、カンチレバーの交換を容易にするために反射部材を小さくする必要がない。これにより、マクロ的な観察に十分な大きさの反射部材を用いることができる。その結果、光学顕微鏡によるマクロ的な光学像の鮮明度および解像度が十分に確保される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の一実施の形態に係る顕微鏡装置について説明する。
【００４３】
図１は、本実施の形態に係る顕微鏡装置を示す斜視図である。ここで、水平面内で直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とする。また、後述の図２〜図９においても、上記同様にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義する。
【００４４】
図１に示すように、本実施の形態に係る顕微鏡装置１は、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope:ＡＦＭ）１０および光学顕微鏡２０を一体的に備える。原子間力顕微鏡１０および光学顕微鏡２０はベース筐体部５０により保持されている。
【００４５】
ベース筐体部５０は、Ｘ方向およびＹ方向からなる平面上に位置する底部５４を有する。
【００４６】
底部５４の四隅からＺ軸方向に支持脚５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ（５２ｃは図示せず）が延びている。支持脚５２ａ，５２ｄの上端には、被支持部５３ａ，５３ｄがそれぞれ設けられている。
【００４７】
支持脚５２ｂ，５２ｃ上には平面視でＬ字状に形成された被支持部５３が設けられている。
【００４８】
ベース筐体部５０の被支持部５３ａ，５３ｄは、それぞれＺ軸方向に延びる円筒状の脚部Ｓ１，Ｓ４（Ｓ４は図示せず）により支持されている。また、ベース筐体部５０の被支持部５３は、Ｚ軸方向に延びる円筒状の脚部Ｓ２および脚部Ｓ３により支持されている。
【００４９】
原子間力顕微鏡１０は、ＡＦＭスキャナ１１および試料載置台３０を備える。被支持部５３は、水平な上面を有する。この上面上にＡＦＭスキャナ１１が支持されている。なお、ＡＦＭスキャナ１１の後述するカンチレバーに設けられている探針を試料表面上に沿って走査させる構成については後述する。
【００５０】
ＡＦＭスキャナ１１は、Ｙ方向およびＺ方向に平行な側壁部１１Ａ、Ｘ方向およびＺ方向に平行な側壁部１１Ｂ、ならびにＸ方向およびＹ方向に平行な天板部１１Ｃにより構成される。側壁部１１Ａと側壁部１１Ｂとは、Ｘ方向およびＹ方向に平行な面においてＬ字状となるように形成されている。
【００５１】
図１に示すように、ＡＦＭスキャナ１１の天板部１１Ｃの下面に保持機構保持部１１ｃが設けられている。
【００５２】
ベース筐体部５０内部の中央に試料載置台３０が設けられている。試料載置台３０は、ＸＹ方向移動機構３０ａおよびＺ方向移動機構３０ｂを含む。ＸＹ方向移動機構３０ａはＺ方向移動機構３０ｂ上に設けられている。Ｚ方向移動機構３０ｂはＸＹ方向移動機構３０ａをＺ方向に上下動可能に保持する。
【００５３】
ＸＹ方向移動機構３０ａの上部には、試料Ｍを載置するための移動プレート３３０が設けられている。ＸＹ方向移動機構３０ａの側面側からＹ方向に延びるようにＸ方向移動ノブ３４０およびＹ方向移動ノブ３５０が互いに平行に設けられている。
【００５４】
ＸＹ方向移動機構３０ａにおいて、使用者がＸ方向移動ノブ３４０およびＹ方向移動ノブ３５０を回転操作することにより、移動プレート３３０がＸ方向およびＹ方向に移動する。
【００５５】
なお、移動プレート３３０のＸ方向およびＹ方向への移動時において、Ｘ方向移動ノブ３４０およびＹ方向移動ノブ３５０はＸ方向およびＹ方向に移動しない。
【００５６】
ＡＦＭスキャナ１１の保持機構保持部１１ｃの下部には保持機構４００が設けられている。
【００５７】
保持機構４００は、光学顕微鏡２０のミラー２５および後述のミラー固定部材（図２参照）を保持する。保持機構４００において、ミラー２５は試料Ｍの上方に位置する。この場合、図示しない照明源から発せられる照明光が試料Ｍに照射され、その試料Ｍからの反射光がミラー２５に照射される。さらに、保持機構４００はカンチレバーを保持する。保持機構４００およびカンチレバーの詳細については後述する。
【００５８】
ベース筐体部５０には、光学顕微鏡２０が取り付けられている。光学顕微鏡２０は、レンズ格納部２１、光軸変換部２２、電動ズーム鏡筒２３およびＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラボックス２４を備える。光軸変換部２２は光軸変換ミラー２２ａを内蔵する。
【００５９】
光学顕微鏡２０のレンズ格納部２１は、光軸変換部２２に取り付けられ、光軸変換部２２は、電動ズーム鏡筒２３の上端部に取り付けられている。電動ズーム鏡筒２３の下端部にＣＣＤカメラボックス２４が設けられている。
【００６０】
ここで、光学顕微鏡２０の電動ズーム鏡筒２３は、試料載置台３０の側方においてＺ軸方向に延びるように配置され、光軸変換ミラー２２ａは電動ズーム鏡筒２３の上端部に配置されている。
【００６１】
この光学顕微鏡２０において、試料Ｍからの反射光は、ミラー２５により反射され、レンズ格納部２１のレンズを通して光軸変換部２２内の光軸変換ミラー２２ａにより反射される。光軸変換ミラー２２ａによる反射光は、電動ズーム鏡筒２３を通してＣＣＤカメラボックス２４に取り込まれ、ＣＣＤカメラボックス２４内のＣＣＤカメラに試料Ｍの光学像が形成される。
【００６２】
顕微鏡装置１の制御系についての詳細は後述する。
【００６３】
図２は、図１のＡＦＭスキャナ１１に設けられる保持機構４００の基本構成を説明するための図である。図２（ａ）は保持機構４００のＹ方向から見た側面図であり、図２（ｂ）は保持機構４００のＸ方向から見た拡大側面図である。
【００６４】
図２に示すように、保持機構４００はカンチレバー保持機構４００Ａおよびミラー保持機構４００Ｂから構成されている。
【００６５】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、カンチレバー保持機構４００Ａは保持機構保持部１１ｃの下部からＺ方向に延びるように設けられている。カンチレバー保持機構４００Ａは、その下端部においてカンチレバー１００を着脱可能に保持する。
【００６６】
原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時においては、カンチレバー保持機構４００ＡがＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に動作する。これにより、カンチレバー１００が試料Ｍ上で走査される。
【００６７】
図２（ｂ）に示すように、ミラー保持機構４００Ｂは側壁部１１Ａの内面１１ｘからＸ方向に延びるように設けられている。ミラー保持機構４００Ｂは、先端部においてミラー固定部材４５０を着脱可能に保持する。ミラー固定部材４５０にはミラー２５が固定されている。
【００６８】
ここで、カンチレバー保持機構４００Ａとミラー保持機構４００Ｂとは互いに分離されている。それにより、カンチレバー保持機構４００Ａが動作した場合であっても、ミラー保持機構４００Ｂはその動作に影響されない。
【００６９】
すなわち、カンチレバー保持機構４００Ａが動作することによりカンチレバー１００の探針が試料Ｍの表面上で移動しても、ミラー保持機構４００Ｂはカンチレバー保持機構４００Ａの動作の影響を受けない。
【００７０】
それにより、ミラー２５およびミラー固定部材４５０は原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時においてもミラー保持機構４００Ｂにより確実に固定される。
【００７１】
このように、本実施の形態に係る顕微鏡装置１においては、試料載置台３０に載置された試料Ｍが光学顕微鏡２０および原子間力顕微鏡１０により観察される。これにより、使用者は原子間力顕微鏡１０により試料Ｍの表面形状を高倍率でミクロ的に観察することができる。また、使用者は光学顕微鏡２０により試料の表面形状を低倍率でマクロ的に観察することができる。
【００７２】
原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時には、カンチレバー１００の探針が試料Ｍの表面に沿って走査される。また、光学顕微鏡２０による試料Ｍの観察時には、ミラー２５およびミラー固定部材４５０により探針の位置を含む試料Ｍの領域からの反射光が光学顕微鏡２０に導かれる。これにより、使用者は原子間力顕微鏡１０によるミクロ的な観察を行うために光学顕微鏡２０によるマクロ的な観察に基づいて試料Ｍの位置決めを行うことができる。
【００７３】
カンチレバー１００ならびにミラー２５およびミラー固定部材４５０はそれぞれ着脱可能に保持機構４００により保持されている。これにより、カンチレバー１００の交換時にミラー２５およびミラー固定部材４５０を保持機構４００から取り外すことができるので、カンチレバー１００の交換のためのスペースが確保され、カンチレバー１００を容易に交換することができる。
【００７４】
また、カンチレバー１００の交換を容易にするためにミラー２５を小さくする必要がない。これにより、マクロ的な観察に十分な大きさのミラー２５を用いることができる。その結果、光学顕微鏡２０によるマクロ的な光学像の鮮明度および解像度が十分に確保される。
【００７５】
さらに、本実施の形態に係る顕微鏡装置１においては、カンチレバー保持機構４００Ａおよびミラー保持機構４００Ｂが互いに分離されているので、試料Ｍの表面に対するカンチレバー１００の探針の走査時にカンチレバー保持機構４００Ａが移動しても、ミラー保持機構４００Ｂは移動しない。それにより、原子間力顕微鏡１０における探針の走査に影響を受けることなく光学顕微鏡２０による光学像を得ることができる。
【００７６】
続いて、図３〜図６に基づいて本発明の一実施の形態に係る顕微鏡装置１の保持機構４００の具体的構成例を説明する。図３〜図６は、図１の保持機構４００の組立て斜視図である。
【００７７】
図３〜図６に示すように、保持機構４００はカンチレバー保持機構４００Ａ、固定部材４２０および連結部材４３０から構成されている。固定部材４２０および連結部材４３０が図２のミラー保持機構４００Ｂを構成する。
【００７８】
図３に示すように、ＡＦＭスキャナ１１においては、保持機構保持部１１ｃの一部から下方に延びるように支持柱１１ｚが形成されている。支持柱１１ｚは中空の円筒形状を有する。
【００７９】
カンチレバー保持機構４００Ａは、走査軸４１１、板状の水平連結片４１２および逆Ｔ字状のカンチレバーホルダ４１３から形成されている。
【００８０】
走査軸４１１は支持柱１１ｚの内部でＺ方向に延びる。走査軸４１１の下端に水平連結片４１２が形成されている。水平連結片４１２はＹ方向に延びる。水平連結片４１２の一端側からＺ方向に延びるようにカンチレバーホルダ４１３が形成されている。
【００８１】
カンチレバーホルダ４１３のＸ方向およびＺ方向に平行な一側面には、Ｙ方向に突出した突起４１３ａ，４１３ｂが形成されている。カンチレバーホルダ４１３の下端にカンチレバー保持孔４１０ｈが形成されている。
【００８２】
固定部材４２０はＺ方向およびＹ方向に平行な面を有する固定板４２０Ｂを備える。固定板４２０Ｂの略中央部にはＸ方向に延びる２つの貫通孔４２０ｐ，４２０ｑが形成されている。
【００８３】
固定板４２０Ｂの一面からＸ方向に階段状の固定突起４２１が突出している。固定突起４２１の下段側にはＺ方向に延びる孔部４２０ｚが形成されている。
【００８４】
連結部材４３０はＺ方向およびＸ方向に平行な面を有する後壁４３１および前壁４３３ならびにＺ方向およびＹ方向に平行な面を有する中壁４３２から形成されている。
【００８５】
後壁４３１にはＹ方向に延びる突起４３１ａ，４３１ｂが形成されている。後壁４３１のＺ方向に沿った一辺からＹ方向に延びるように中壁４３２が形成され、中壁４３２のＺ方向に沿った他辺からＸ方向に延びるように前壁４３３が形成されている。
【００８６】
前壁４３３の略中央部には、貫通孔４３３ｈが形成されている。前壁４３３の下部にはＺ方向に延びる係止突起４３３ｚが形成されている。
【００８７】
保持機構４００の組立て時においては、ＡＦＭスキャナ１１の内面１１ｘに固定部材４２０が取り付けられる。固定部材４２０の取り付けは、ねじ４２０ｍ，４２０ｎを固定部材４２０の貫通孔４２０ｐ，４２０ｑを介して予め内面１１ｘに設けられたねじ孔１１ｐ，１１ｑに螺合させることにより行う。これにより、図４に示すように、固定部材４２０がＡＦＭスキャナ１１の内面１１ｘに固定される。固定部材４２０の孔部４２０ｚには連結部材４３０の係止突起４３３ｚが挿入される。
【００８８】
固定部材４２０の孔部４２０ｚに連結部材４３０の係止突起４３３ｚが挿入された状態で、カンチレバー保持機構４００Ａおよび連結部材４３０に位置決め部材４４０が取り付けられる。位置決め部材４４０は４つの貫通孔４４０ａ，４４０ｂ，４４０ｃ，４４０ｄを有する。
【００８９】
貫通孔４４０ａは連結部材４３０の突起４３１ａと係合し、貫通孔４４０ｂは連結部材４３０の突起４３１ｂと係合する。貫通孔４４０ｃはカンチレバー保持機構４００Ａの突起４１３ｂと係合し、貫通孔４４０ｄはカンチレバー保持機構４００Ａの突起４１３ａと係合する。
【００９０】
カンチレバー保持機構４００Ａおよび連結部材４３０に位置決め部材４４０が取り付けられることにより、カンチレバー保持機構４００Ａに対する連結部材４３０の位置関係が固定される。
【００９１】
この状態で、固定部材４２０の孔部４２０ｚと係止突起４３３ｚとの係合部に硬化性の樹脂（接着剤）が充填される。それにより、連結部材４３０が固定部材４２０に接合されるとともに、カンチレバー保持機構４００Ａに対して正確に位置決めされる。
【００９２】
固定部材４２０に連結部材４３０が接合されると、位置決め部材４４０が取り外される。その後、ミラー２５を有するミラー固定部材４５０が連結部材４３０に取り付けられる。
【００９３】
ミラー固定部材４５０は、ミラー連結部４５３、第１の保持壁４５２および第２の保持壁４５１から形成されている。ミラー連結部４５３はＸ方向に延びる板状部材である。ミラー連結部４５３の一端には、ミラー２５が傾斜するように固定されている。
【００９４】
ミラー連結部４５３の他端側には、Ｙ方向に延びる板状の第１の保持壁４５２が形成されている。第１の保持壁４５２のＺ方向に沿う一辺からＸ方向に延びるように第２の保持壁４５１が形成されている。
【００９５】
第２の保持壁４５１には貫通孔４５１ａ，４５１ｂが形成されている。貫通孔４５１ａ，４５１ｂは、連結部材４３０の突起４３１ａ，４３１ｂと係合可能である。
【００９６】
図５に示すように、光学顕微鏡２０による試料Ｍの観察時には、連結部材４３０の突起４３１ａ，４３１ｂに、ミラー固定部材４５０の貫通孔４５１ａ，４５１ｂが係合される。それにより、連結部材４３０にミラー固定部材４５０が取り付けられる。
【００９７】
図５および図６に示すように、原子間力顕微鏡１０による試料Ｍの観察時には、カンチレバー保持機構４００Ａのカンチレバー保持孔４１０ｈにカンチレバー１００が取り付けられる。
【００９８】
カンチレバー１００の取り付け時においては、カンチレバー交換治具４６０が用いられる。カンチレバー交換治具４６０は、挿入片４６１、平面部材４６２、挟持片４６３および可動挟持片４６５を含む。
【００９９】
カンチレバー交換治具４６０において、平面部材４６２はＸ方向およびＹ方向に平行な面を有する板状部材である。平面部材４６２の一の隅部からＺ方向に延びるとともに所定の高さでＹ方向に延びるように挿入片４６１が形成されている。
【０１００】
平面部材４６２の他の隅部には、切り欠き部４６４が設けられている。切り欠き部４６４には、Ｙ方向に延びる可動挟持片４６５がＸ方向へ移動可能に取り付けられている。可動挟持片４６５の先端部の内側には図示しない溝部が形成されている。可動挟持片４６５の詳細は後述する。
【０１０１】
平面部材４６２のＸ方向に沿う一辺側からＹ方向に延びるように挟持片４６３が突出している。挟持片４６３の先端部の内側には溝部が形成されている。可動挟持片４６５の溝部および挟持片４６３の溝部は互いに対向している。
【０１０２】
使用者が可動挟持片４６５および平面部材４６２を把持することにより、可動挟持片４６５がＸ方向に移動する。これにより、可動挟持片４６５の溝部と挟持片４６３の溝部との間隔が短くなる。それにより、可動挟持片４６５の溝部および挟持片４６３の溝部により、板状のカンチレバー１００が把持される。
【０１０３】
このようにカンチレバー１００が把持された状態で、カンチレバー１００がカンチレバー保持機構４００Ａのカンチレバー保持孔４１０ｈに挿入される。このとき、カンチレバー交換治具４６０の挿入片４６１が連結部材４３０の貫通孔４３３ｈに挿入される。
【０１０４】
貫通孔４３３ｈは、予め挿入片４６１が所定の傾斜角度で挿入されるように形成されている。また、貫通孔４３３ｈは挿入片４６１が所定の長さ以上挿入されないように形成されている。
【０１０５】
これにより、カンチレバー交換治具４６０によるカンチレバー１００の交換時においては、カンチレバー保持孔４１０ｈへのカンチレバー１００の挿入角度および挿入量が挿入片４６１および貫通孔４３３ｈにより制限される。それにより、カンチレバー１００に過剰な負荷がかからない。その結果、使用者はカンチレバー１００の破損等を気にすることなく、カンチレバー１００の交換を容易に行うことができる。
【０１０６】
本実施の形態に係る顕微鏡装置１においては、図６に示すように、カンチレバー交換治具４６０の交換時にミラー固定部材４５０を取り外すことが可能である。
【０１０７】
この場合、使用者は広い角度でカンチレバー１００のカンチレバー保持孔４１０ｈへの取り付けを視認することができるので、カンチレバー１００のを容易に交換することができる。
【０１０８】
また、カンチレバー１００の交換時にミラー固定部材４５０を取り外すことができるので、カンチレバー１００の交換のためのスペースを確保するためにミラー２５を小さくする必要がない。それにより、ミラー２５を試料Ｍからの反射光をより多く光学顕微鏡２０へ導くことができるような十分な大きさにすることができる。その結果、光学顕微鏡によるマクロ的な光学像の十分な鮮明度および解像度が確保される。
【０１０９】
上述のように、本実施の形態に係る顕微鏡装置１の保持機構４００（図１および図２）において、ミラー保持機構４００Ｂ（図２）の連結部材４３０は突起４３１ａ，４３１ｂを有し、ミラー固定部材４５０は貫通孔４５１ａ，４５１ｂを有する。
【０１１０】
連結部材４３０の突起４３１ａ，４３１ｂにミラー固定部材４５０の貫通孔４５１ａ，４５１ｂが係合されることにより、ミラー固定部材４５０が連結部材４３０に着脱可能に保持される。それにより、使用者は容易に連結部材４３０に対するミラー固定部材４５０の着脱作業を行うことができる。
【０１１１】
また、本実施の形態に係る顕微鏡装置１の保持機構４００においては、固定部材４２０への連結部材４３０の接合時に、カンチレバー保持機構４００Ａおよび連結部材４３０が位置決め部材４４０により位置決めされる。それにより、連結部材４３０がカンチレバー保持機構４００Ａに対して正確に位置決めされる。その結果、ミラー固定部材４５０とカンチレバー１００との相対的な位置関係が正確に保たれる。
【０１１２】
さらに、図５および図６を用いて説明したように、カンチレバー１００のカンチレバー保持機構４００Ａに対する着脱時において、カンチレバー交換治具４６０はカンチレバー１００がカンチレバー保持機構４００Ａおよび連結部材４３０に対して所定の角度に保たれ、かつカンチレバー１００のカンチレバー保持孔４１０ｈへの差込量が制限されるように連結部材４３０の貫通孔４３３ｈにより案内される。
【０１１３】
これにより、使用者はカンチレバー１００を容易に所定の角度で貫通孔４３３ｈに差し込むことができるとともに、カンチレバー１００をカンチレバー保持孔４１０ｈに差し込みすぎることによる破損を防止することができる。それにより、使用者はカンチレバー１００を容易にカンチレバー保持機構４００Ａへ着脱することができる。
【０１１４】
本実施の形態において、図３〜図６の連結部材４３０、ミラー固定部材４５０およびカンチレバー交換治具４６０はさらに以下の構成を有する。
【０１１５】
図７は、連結部材４３０およびミラー固定部材４５０のより詳細な構成を説明するための図である。図７には、連結部材４３０およびミラー固定部材４５０を光学顕微鏡２０側から見た場合の側面図が示されている。
【０１１６】
連結部材４３０の後壁４３１において、２つの突起４３１ａ，４３１ｂの間には磁石４３０Ｍが設けられている。一方、ミラー固定部材４５０の２つの貫通孔４５１ａ，４５１ｂの間には磁石４５０Ｍが設けられている。
【０１１７】
連結部材４３０へのミラー固定部材４５０の取り付け時には、連結部材４３０の突起４３１ａ，４３１ｂがミラー固定部材４５０の貫通孔４５１ａ，４５１ｂに係合される。連結部材４３０とミラー固定部材４５０とが、磁石４３０Ｍおよび磁石４５０Ｍの磁力により正確かつ確実に固定される。
【０１１８】
このように、ミラー固定部材４５０が磁力により連結部材４３０に着脱可能に保持されるので、使用者は連結部材４３０へのミラー固定部材４５０の着脱が容易となる。
【０１１９】
図８は、カンチレバー交換治具４６０のより詳細な構成を説明するための図である。図８には、カンチレバー交換治具４６０を上方から見た場合の平面図が示されている。
【０１２０】
図６を用いて説明したように、挟持片４６３の先端部一側面側には、Ｙ方向に沿った溝部４６３Ｋが形成されている。また、可動挟持片４６５の先端部一側面側にも溝部４６５Ｋが形成されている。挟持片４６３の溝部４６３Ｋおよび可動挟持片４６５の溝部４６５Ｋは互いに対向している。
【０１２１】
可動挟持片４６５の後端部一側面側に切り欠き部４６６が形成されている。切り欠き部４６６からＸ方向に突出するように可動連結軸４６５ａ，４６５ｂが形成されている。一方、切り欠き部４６４には可動連結軸４６５ａ，４６５ｂを挿入可能な孔部４６４ａ，４６４ｂが形成されている。
【０１２２】
可動挟持片４６５の可動連結軸４６５ａ，４６５ｂは、バネ４６５Ｄを介して切り欠き部４６４の孔部４６４ａ，４６４ｂに挿入される。これにより、可動連結軸４６５ａ，４６５ｂがＸ方向に移動可能に切り欠き部４６４の孔部４６４ａ，４６４ｂにより保持される。
【０１２３】
上記構造により、使用者が可動挟持片４６５および平面部材４６２を把持すると、溝部４６３Ｋ，４６５Ｋの間隔が狭まる。その結果、図５および図６に示すように、カンチレバー１００がカンチレバー交換治具４６０により把持される。
【０１２４】
次に、本実施の形態に係る顕微鏡装置１の制御系について説明する。なお、後述の図９に示す原子間力顕微鏡１０の制御系はコンタクトモードを用いる場合の制御系を示している。
【０１２５】
ここで、コンタクトモードとは、原子間力顕微鏡１０において、探針を試料に接触する位置まで近付けて試料表面に沿って走査させる測定モードである。
【０１２６】
図９は、本実施の形態に係る顕微鏡装置１のコンタクトモードを用いる場合の制御系を示すブロック図である。図９においても、図１と同様にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義する。
【０１２７】
原子間力顕微鏡１０は、板バネ状のカンチレバー１００、探針１０１、圧電素子１１０、光源１２１、反射鏡１２２，１２３、光検出器１２４および制御部１３０を含む。
【０１２８】
原子間力顕微鏡１においては、探針１０１と試料Ｍとの間に生じる原子間力、すなわちカンチレバー１００の変位量を検出する。
【０１２９】
カンチレバー１００の先端には探針１０１が設けられている。この探針１０１を試料Ｍに近付けると、探針１０１と試料Ｍとの間に原子間力が生じ、カンチレバー１００が上下方向にたわむ。
【０１３０】
ＡＦＭスキャナ１１内に設けられた圧電素子１１０により試料Ｍ表面に沿った探針１０１の走査が行われる。圧電素子１１０は、試料Ｍ表面に沿って探針１０１を走査させるために、カンチレバー１００をＸ方向およびＹ方向に移動させる。
【０１３１】
なお、探針１０１を固定した状態で試料載置台３０（移動プレート３３０）をＸ方向およびＹ方向に移動させることにより、試料Ｍ表面に沿った探針１０１の走査を行ってもよい。また、圧電素子１１０の代わりにボイスコイルモータを用いてもよい。
【０１３２】
圧電素子１１０は、カンチレバー１００の変位を一定に保つように、すなわち、探針１０１と試料Ｍとの間に生じる原子間力を一定に保つようにカンチレバー１００をＺ軸方向に動作させる。探針１０１と試料Ｍとの間の原子間力を一定に保つために圧電素子１１０に印加した電圧値の変化に基づいて、試料Ｍの３次元的な形状情報を画像化することが可能となる。
【０１３３】
なお、圧電素子１１０は、制御部１３０により制御される。制御部１３０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１３１、変位量検出部１３２、Ｚ方向サーボ回路１３３およびＸ−Ｙ方向サーボ回路１３４を含む。
【０１３４】
Ｚ方向サーボ回路１３３は、カンチレバー１００の探針１０１がＺ方向に動作するように圧電素子１１０を制御する。また、Ｘ−Ｙ方向サーボ回路１３４は、カンチレバー１００の探針１０１がＸ方向およびＹ方向に移動するように圧電素子１１０を制御する。変位量検出部１３２については後述する。
【０１３５】
ここで、試料Ｍ表面の凹凸により生じるカンチレバー１００の変位量を一定に保つための原子間力顕微鏡１０における動作について説明する。
【０１３６】
カンチレバー１００の微小なたわみ量（変位）を検出するために、光源１２１によりレーザ光がカンチレバー１００の先端に照射される。なお、カンチレバー１００の変位を検出するために、一般的に下記の光てこ方式が用いられる。
【０１３７】
光てこ方式とは、カンチレバー１００の変位を測定する方法の一例であり、レーザ光をカンチレバー１００に照射し、カンチレバー１００からの反射光を光検出器１２４により検出するものである。
【０１３８】
カンチレバー１００の微小な変位が、カンチレバー１００からの反射光のわずかな角度変化に反映され、この角度変化が光検出器１２４により検出される。なお、光検出器１２４としては、２分割フォトセル、４分割フォトセルまたはフォトセルアレイ等が用いられる。また、カンチレバー１００としては、半導体微細加工技術によりウエハ単位で生産されたカンチレバーの他、カンチレバーの一部に微小な反射用ガラス（反射鏡）を設けたものまたは光ファイバプローブ型カンチレバーの背面をフラットにして反射面を設けたもの等が用いられる。
【０１３９】
なお、本実施の形態では、光源１２１から出射されたレーザ光は、反射鏡１２２を介してカンチレバー１００に照射され、カンチレバー１００に照射されたレーザ光は反射光として反射鏡１２３を介して光検出器１２４により検出されるが、これに限定されるものではなく、反射鏡１２２および反射鏡１２３を設けずに、光源１２１から出射されたレーザ光を直接カンチレバー１００に照射し、カンチレバー１００に照射されたレーザ光を反射光として直接光検出器１２４により検出してもよい。
【０１４０】
光検出器１２４の出力信号は、制御部１３０の変位量検出部１３２に与えられる。変位量検出部１３２は、光検出器１２４の出力信号に基づいてカンチレバー１００の変位量を検出する。
【０１４１】
制御部１３０のＣＰＵ１３１は、変位量検出部１３２により検出されたカンチレバー１００の変位量に基づいて、この変位量を一定に保つように圧電素子１１０を制御する。
【０１４２】
制御部１３０にはＣＲＴ（陰極線管）等のディスプレイ４０が接続されている。ディスプレイ４０は、試料Ｍの３次元形状の画像を映し出す。
【０１４３】
なお、本実施の形態においては、原子間力顕微鏡１０の測定モードとして、コンタクトモードを用いているが、これに限定されるものではなく、探針１０１を試料Ｍに接触させることなく探針１０１を共振させ、試料Ｍ表面の近傍を走査させるノンコンタクトモードを用いてもよい。
【０１４４】
以上、本発明の一実施の形態に係る顕微鏡装置において、試料載置台３０は試料載置台に相当し、光学顕微鏡２０は光学顕微鏡に相当し、探針１０１は探針に相当し、カンチレバー１００はカンチレバーに相当する。
【０１４５】
また、原子間力顕微鏡１０は走査型プローブ顕微鏡に相当し、ミラー２５およびミラー固定部材４５０は反射部材に相当し、保持機構４００は保持機構に相当する。
【０１４６】
さらに、カンチレバー保持機構４００Ａは第１の保持部に相当し、ミラー保持機構４００Ｂ、固定部材４２０および連結部材４３０は第２の保持部に相当し、突起４３１ａ，４３１ｂは係合部に相当し、貫通孔４５１ａ，４５１ｂは第１の被係合部に相当し、突起４１３ａ，４１３ｂは嵌合部に相当する。
【０１４７】
固定部材４２０は固定部材に相当し、連結部材４３０は連結部材に相当し、貫通孔４４０ｃ，４４０ｄは被嵌合部に相当し、貫通孔４４０ａ，４４０ｂは第２の被係合部に相当し、カンチレバー交換治具４６０は把持部材に相当し、位置決め部材４４０は共通の治具に相当する。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明は、各種試料の表面形状の観察等に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本実施の形態に係る顕微鏡装置を示す斜視図である。
【図２】図１のＡＦＭスキャナに設けられる保持機構の基本構成を説明するための図である。
【図３】図１の保持機構の組立て斜視図である。
【図４】図１の保持機構の組立て斜視図である。
【図５】図１の保持機構の組立て斜視図である。
【図６】図１の保持機構の組立て斜視図である。
【図７】連結部材およびミラー固定部材のより詳細な構成を説明するための図である。
【図８】カンチレバー交換治具のより詳細な構成を説明するための図である。
【図９】本実施の形態に係る顕微鏡装置のコンタクトモードを用いる場合の制御系を示すブロック図である。
【図１０】従来の顕微鏡装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１ 顕微鏡装置
１０ 原子間力顕微鏡
２０ 光学顕微鏡
２５ ミラー
３０，３１ 試料載置台
５０ ベース筐体部
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ 支持脚
５３ａ，５３ｄ 被支持部
５４ 底部
１０１ 探針
１００ カンチレバー
４００ 保持機構
４２０ 固定部材
４３０ 連結部材
４４０ 位置決め部材
４５０ ミラー固定部材
４００Ａ カンチレバー保持機構
４００Ｂ ミラー保持機構
４１３ａ，４１３ｂ，４３１ａ，４３１ｂ 突起
４４０ａ，４４０ｂ，４４０ｃ，４４０ｄ，４５１ａ，４５１ｂ 貫通孔
４６０ カンチレバー交換治具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料が載置される試料載置台と、
光学顕微鏡と、
探針を有するカンチレバーと前記試料載置台とを相対的に移動させることにより前記探針を前記試料の表面に沿って走査させる走査型プローブ顕微鏡と、
前記探針の位置を含む前記試料の領域からの光を前記光学顕微鏡に導く反射部材と、
前記カンチレバーおよび前記反射部材をそれぞれ着脱可能に保持する保持機構とを備えたことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記保持機構は、前記カンチレバーを着脱可能に保持する第１の保持部と、前記反射部材を着脱可能に保持する第２の保持部とを備え、
前記第１および第２の保持部は互いに分離されたことを特徴とする請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記第２の保持部は係合部を有し、
前記反射部材は前記係合部に係合可能な第１の被係合部を有することを特徴とする請求項２記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記第１の保持部は嵌合部を有し、前記第２の保持部は前記走査型プローブ顕微鏡に固定された固定部材と、前記係合部を有するとともに前記固定部材に接合される連結部材とを含み、
前記第１の保持部材および前記連結部材は、前記嵌合部に嵌合可能な被嵌合部および前記係合部に係合可能な第２の被係合部を有する共通の治具により位置決め可能であることを特徴とする請求項３記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記反射部材は、磁力により前記第２の保持部に着脱可能に保持されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記保持機構への前記カンチレバーの着脱時に前記カンチレバーを把持する把持部材をさらに備え、
前記保持機構は、前記カンチレバーの着脱時に前記把持部材に把持されたカンチレバーが前記保持機構に対して所定の角度に保たれ、かつカンチレバーの差込量が制限されるように前記把持部材を案内することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項１】
試料が載置される試料載置台と、
光学顕微鏡と、
探針を有するカンチレバーと前記試料載置台とを相対的に移動させることにより前記探針を前記試料の表面に沿って走査させる走査型プローブ顕微鏡と、
前記探針の位置を含む前記試料の領域からの光を前記光学顕微鏡に導く反射部材と、
前記カンチレバーおよび前記反射部材をそれぞれ着脱可能に保持する保持機構とを備えたことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記保持機構は、前記カンチレバーを着脱可能に保持する第１の保持部と、前記反射部材を着脱可能に保持する第２の保持部とを備え、
前記第１および第２の保持部は互いに分離されたことを特徴とする請求項１記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記第２の保持部は係合部を有し、
前記反射部材は前記係合部に係合可能な第１の被係合部を有することを特徴とする請求項２記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記第１の保持部は嵌合部を有し、前記第２の保持部は前記走査型プローブ顕微鏡に固定された固定部材と、前記係合部を有するとともに前記固定部材に接合される連結部材とを含み、
前記第１の保持部材および前記連結部材は、前記嵌合部に嵌合可能な被嵌合部および前記係合部に係合可能な第２の被係合部を有する共通の治具により位置決め可能であることを特徴とする請求項３記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記反射部材は、磁力により前記第２の保持部に着脱可能に保持されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記保持機構への前記カンチレバーの着脱時に前記カンチレバーを把持する把持部材をさらに備え、
前記保持機構は、前記カンチレバーの着脱時に前記把持部材に把持されたカンチレバーが前記保持機構に対して所定の角度に保たれ、かつカンチレバーの差込量が制限されるように前記把持部材を案内することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の顕微鏡装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−７２０８１（Ｐ２００６−７２０８１Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５６７８０（Ｐ２００４−２５６７８０）
【出願日】平成１６年９月３日（２００４．９．３）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月３日（２００４．９．３）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
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