JP2019190985A - 走査型プローブ顕微鏡及び光強度調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの作業性を向上できる走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡１は、光源４、検出器７、筐体、開閉扉、開閉センサ１４及び制御部１６を備えている。開閉扉は、筐体に設けられている。制御部１６は、光強度変更処理部１６４としても機能する。走査型プローブ顕微鏡１では、開閉扉の開閉を開閉センサ１４が検知すると、開閉センサ１４の検知結果に基づいて、光強度変更処理部１６４により光源４から照射される光の強度が自動で変更される。そのため、ユーザによる手動での光の強度調整作業を省くことができ、ユーザの作業性を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、試料の表面に沿ってカンチレバーを走査させることにより試料の表面画像を取得する走査型プローブ顕微鏡、及び、当該走査型プローブ顕微鏡の光強度調整方法に関するものである。

従来より、試料の微細な表面形状を検査する装置として、走査型プローブ顕微鏡が利用されている。走査型プローブ顕微鏡では、試料の表面に対してプローブが相対移動されて走査が行われ、その走査中にプローブにレーザ光が照射される。そして、プローブからの反射光に基づいて、試料表面との間に作用する物理量（トンネル電流又は原子間力など）の変化が検出される。そして、走査中の上記物理量を一定に保つようにプローブの相対位置がフィードバック制御されることにより、そのフィードバック量に基づいて試料の表面形状を測定することができる（例えば、下記特許文献１参照）。

特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡では、プローブに向けて照射するレーザ光の強度を調整することができる。これにより、例えば、プローブの種類に応じてレーザ光の強度を調整することができ、測定精度を向上できる。

特開２００８−５１５５６号公報

上記した従来の走査型プローブ顕微鏡では、レーザ光の強度の調整を手動により行っている。そのため、ユーザの操作が煩雑化するという不具合が生じてしまう。また、安全性の面で不具合が生じることもあった。具体的には、走査型プローブ顕微鏡では、レーザ光の光軸調整の作業を行う場合など、走査型プローブ顕微鏡の筐体を開放する場合には、安全性の観点からレーザ光の強度を低くする必要がある。この場合、ユーザが手動によりレーザ光の強度を調整することとなるが、操作ミスが発生した場合には、レーザ光の強度が高いまま筐体が開放される可能性があり危険である。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ユーザの作業性を向上できる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料の表面に沿ってカンチレバーを走査させることにより試料の表面画像を取得する走査型プローブ顕微鏡である。前記走査型プローブ顕微鏡は、光源と、検出器と、筐体と、開閉扉と、開閉センサと、光強度変更処理部とを備える。前記光源は、前記カンチレバーに向けて光を照射する。前記検出器は、前記カンチレバーからの反射光を受光する。前記筐体は、前記光源及び前記検出器を内部に収容する。前記開閉扉は、前記筐体を開閉する。前記開閉センサは、前記開閉扉の開閉を検知する。前記光強度変更処理部は、前記開閉センサの検知結果に基づいて前記光源から照射される光の強度を変更する。

このような構成によれば、走査型プローブ顕微鏡では、筐体に設けられた開閉扉の開閉を開閉センサが検知すると、開閉センサの検知結果に基づいて、光強度変更処理部により光源から照射される光の強度が自動で変更される。
そのため、ユーザによる手動での光の強度調整作業を省くことができる。
その結果、走査型プローブ顕微鏡を用いる際のユーザの作業性を向上できる。

（２）また、前記光強度変更処理部は、前記開閉扉が開かれたことを前記開閉センサが検知した場合に、前記開閉扉が閉じた状態で試料の測定が行われるときよりも前記光源から照射される光の強度を低下させてもよい。
このような構成によれば、開閉扉が開かれたときには、光強度変更処理部により光源からの光の強度が自動で低下される。
そのため、光源からの光の強度が高いままで開閉扉が開かれることを防止できる。
その結果、走査型プローブ顕微鏡を用いる際の安全性を向上できる。

（３）本発明に係る光強度調整方法は、試料の表面に沿ってカンチレバーを走査させ、光源から照射した光を前記カンチレバーで反射させて、その反射光を検出器で受光することにより試料の表面画像を取得する走査型プローブ顕微鏡の光強度調整方法である。前記光強度調整方法は、前記光源及び前記検出器を内部に収容する筐体を開閉するための開閉扉が開閉された場合に、前記光源から照射される光の強度を変更する光強度変更ステップを含む。

（４）また、前記光強度変更ステップでは、前記開閉扉が開かれた場合に、前記開閉扉が閉じられて試料の測定が行われるときよりも前記光源から照射される光の強度を低下させてもよい。

本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡では、筐体に設けられた開閉扉の開閉を開閉センサが検知すると、開閉センサの検知結果に基づいて、光強度変更処理部により光源から照射される光の強度が自動で変更される。そのため、ユーザによる手動での光の強度調整作業を省くことができる。その結果、走査型プローブ顕微鏡を用いる際のユーザの作業性を向上できる。

本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。 制御部及びその周辺の部材の電気的構成を示したブロック図である。

１．走査型プローブ顕微鏡の全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１の構成例を示した概略図である。この走査型プローブ顕微鏡１（ＳＰＭ）は、例えば、ステージ２、カンチレバー３、光源４、ビームスプリッタ５、ミラー６及び検出器７などを備え、試料Ｓの表面に対してカンチレバー３を走査させることにより、試料Ｓの表面の凹凸画像（表面画像）を得るためのものである。

また、走査型プローブ顕微鏡１は、筐体１０及び開閉扉１１を備えている。筐体１０は、箱状に形成されている。開閉扉１１は、筐体１０に設けられている。開閉扉１１は、板状に形成されており、一端部を中心として回転可能に構成されている。開閉扉１１は、筐体１０を開閉するための扉である。具体的には、開閉扉１１は、閉状態において筐体１０に形成された開口を覆い（閉鎖し）、開状態において筐体１０に形成された開口を開放する。
カンチレバー３、光源４、ビームスプリッタ５、ミラー６及び検出器７は、筐体１０内に収容されている。

走査型プローブ顕微鏡１では、試料Ｓは、ステージ２上に載置されている。走査型プローブ顕微鏡１では、ステージ２及びカンチレバー３のいずれか一方を変位させることで、試料Ｓの表面に沿ってカンチレバー３が相対移動される。

ステージ２は、例えば、その外周面に圧電素子（図示せず）が設けられている。ステージ２を変位（変形）させる場合には、圧電素子に電圧が印加される。これにより、ステージ２が適宜変形して、ステージ２上の試料Ｓの位置が変化する。

カンチレバー３は、ステージ２上の試料Ｓに対向する位置に設けられている。カンチレバー３は、例えば、長さが１５０μｍ程度、幅が３０〜４０μｍ程度の非常に小さい長尺状の部材であって、片持ち支持されている。カンチレバー３の自由端側の先端部には、反射面３１が形成されている。カンチレバー３において、反射面３１と反対側の面には、探針３２が設けられている。この探針３２を試料Ｓの表面に沿って移動させることにより、試料Ｓの表面の凹凸画像を得ることができるようになっている。

光源４は、例えば、半導体レーザなどのレーザ光源である。
ビームスプリッタ５は、光源４からの光が入射される位置に配置されている。光源４からの光は、ビームスプリッタ５を経て、カンチレバー３に入射する。

なお、光源４からカンチレバー３までの光路中には、例えば、コリメートレンズやフォーカスレンズ（いずれも図示せず）などの他の光学部材が設けられていてもよい。この場合、光源４からの照射光をコリメートレンズにより平行光とした後、その平行光をフォーカスレンズで集光させてカンチレバー３側へと導くことができる。

ビームスプリッタ５の他、上記コリメートレンズ及びフォーカスレンズなどは、光源４からの照射光をカンチレバー３へと導くための光学系を構成している。ただし、光学系の構成は、これに限られるものではなく、上記のような各光学部材の少なくとも１つが備えられていないような構成などであってもよい。
ミラー６は、カンチレバー３の反射面３１で反射した光を、再度反射させることにより検出器７に導く。
検出器７は、例えば、４分割フォトダイオードなどのように、フォトダイオードを備えた構成である。

走査型プローブ顕微鏡１において、試料Ｓの観察を行う場合には、ステージ２上に試料Ｓがセットされた状態で、試料Ｓの表面に対して、カンチレバー３の探針３２が相対移動されて、試料Ｓの表面に沿って走査が行われる。この走査中にカンチレバー３の探針３２と試料Ｓとの表面との間に作用する原子間力などの物理量が変化する。

また、光源４からは、レーザ光が照射される。光源４からの光は、ビームスプリッタ５を経て、カンチレバー３の反射面３１に向かう。そして、カンチレバー３の反射面３１で反射された光（反射光）は、ミラー６で再度反射されて検出器７で受光される。

ここで、カンチレバー３の反射面３１は、光源４からの照射光の光軸Ｌに直交する方向に対して所定の傾斜角度θで傾斜している。したがって、試料Ｓの表面の凹凸に沿ってカンチレバー３の探針３２を移動させた場合には、カンチレバー３が撓み、反射面３１の傾斜角度θが変化する。このとき、検出器７において反射面３１からの反射光を受光する位置が変化する。したがって、検出器７における反射光の受光位置の変化に基づいて、走査中にカンチレバー３の探針３２と試料Ｓの表面との間に作用する物理量の変化を検出することができる。そして、この物理量を一定に保つようにカンチレバー３の探針３２の相対位置がフィードバック制御され、そのフィードバック量に基づいて試料Ｓの表面形状が測定される（表面画像が取得される）。

２．制御部及びその周辺の部材の電気的構成
図２は、走査型プローブ顕微鏡１の制御部１６及びその周辺の部材の電気的構成を示したブロック図である。
走査型プローブ顕微鏡１は、上記した光源４及び検出器７に加えて、表示部１２、移動機構１３、開閉センサ１４、記憶部１５及び制御部１６などを電気的構成として備えている。

表示部１２は、例えば、液晶表示器などにより構成される。
移動機構１３は、ステージ２又はカンチレバー３を移動させるための機構（ステージ２とカンチレバー３とを相対移動させるための機構）である。具体的には、移動機構１３は、ステージ２をＸ方向及びＹ方向にそれぞれ移動させ、又は、カンチレバー３をＸ方向及びＹ方向にそれぞれ移動させる。

開閉センサ１４は、開閉扉１１の近傍に設けられている。開閉センサ１４は、開閉扉１１の開閉を検知するためのセンサである。開閉センサ１４は、接触型のセンサであってもよいし、非接触型のセンサであってもよい。

記憶部１５は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びハードディスクなどにより構成されている。記憶部１５には、表面画像１５１が記憶されている。表面画像１５１は、試料Ｓの表面画像の情報である。

制御部１６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成である。制御部１６には、光源４、検出器７、表示部１２、移動機構１３、開閉センサ１４及び記憶部１５などが電気的に接続されている。制御部１６は、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、走査処理部１６１、画像取得処理部１６２、表示処理部１６３及び光強度変更処理部１６４などとして機能する。

走査処理部１６１は、移動機構１３の動作を制御することにより、カンチレバー３を試料Ｓの表面に対して相対変位させる。
画像取得処理部１６２は、走査処理部１６１による走査中の検出器７からの検出信号に基づいて、試料Ｓの表面画像を取得する。画像取得処理部１６２が取得した表面画像の情報は、表面画像１５１として記憶部１５に記憶される。

表示処理部１６３は、記憶部１５の表面画像１５１を読み出すとともに、読み出した表面画像１５１を表示部１２に表示させる処理を行う。
光強度変更処理部１６４は、開閉センサ１４からの検知信号に基づいて、光源４の強度を変更する処理を行う。

３．制御部の制御動作
走査型プローブ顕微鏡１において、試料Ｓの表面画像を取得する場合には、まず、走査処理部１６１の制御により、移動機構１３が動作される。そして、カンチレバー３が試料Ｓの表面に対して相対変位されるとともに、カンチレバー３に光源４からのレーザ光が照射される。さらに、検出器７によりカンチレバー３の相対位置のフィードバック量が検出される。また、画像取得処理部１６２により検出器７からの検出信号に基づいて試料Ｓの表面画像を取得され、その表面画像の情報が表面画像１５１として記憶部１５に記憶される。表示処理部１６３は、表面画像１５１を読み出すとともに、読み出した表面画像１５１を表示部１２に表示させる処理を行う。

このような表面画像を取得する動作が行われる際には、開閉扉１１が閉じられている。この状態において、開閉センサ１４は、開閉扉１１が閉じられていることを検知する。光強度変更処理部１６４は、開閉センサ１４により開閉扉１１が閉じられていることが検知されることに応じて、光源４の強度を高い状態で保つ。このように、光源４から照射される強度が高い状態で試料Ｓの表面画像が取得されるため、精度のよい画像を取得できる。

一方、測定前などにおいて、光軸調整を行うことがある。光軸調整は、カンチレバー３の反射面３１に光源４からのレーザ光が正確に照射されるように、各種光学系の部材（例えば、光源４、ミラー６及び検出器７など）の配置を調整することで行う。この場合、開閉扉１１が開かれた状態で作業が行われる。開閉扉１１が開かれると、開閉センサ１４は、開閉扉１１が開かれたことを検知する。光強度変更処理部１６４は、開閉センサ１４により開閉扉１１が閉じられていることが検知されると、光源４の強度を低下させる（光強度変更ステップ）。この状態で、光軸調整の作業が行われる。このように、ユーザが開閉扉１１を開いて筐体１０の内部に対して作業を行う場合には、光強度変更処理部１６４の制御により光源４の強度が自動で低下される。そのため、走査型プローブ顕微鏡１を用いる際のユーザの作業性が向上するとともに、安全性が向上する。

具体的には、光強度変更処理部１６４は、光源４がＣＷ駆動される状態では、光強度変更処理として、ＡＰＣ（Auto Power Control）駆動やＡＣＣ（Auto Current Control）駆動の設定値を変更する処理を行う。また、光強度変更処理部１６４は、光源４がパルス駆動される状態では、光強度変更処理として、ＤＵＴＹ比を変更する処理を行う。

４．作用効果
（１）本実施形態によれば、走査型プローブ顕微鏡１は、光源４、検出器７、筐体１０、開閉扉１１、開閉センサ１４及び制御部１６などを備えている。開閉扉１１は、筐体１０に設けられている。制御部１６は、光強度変更処理部１６４としても機能する。走査型プローブ顕微鏡１では、開閉扉１１の開閉を開閉センサ１４が検知すると、開閉センサ１４の検知結果に基づいて、光強度変更処理部１６４により光源４から照射される光の強度が自動で変更される（光強度変更ステップ）。
そのため、ユーザによる手動での光の強度調整作業を省くことができる。
その結果、走査型プローブ顕微鏡１を用いる際のユーザの作業性を向上できる。

（２）また、本実施形態によれば、走査型プローブ顕微鏡１において、光強度変更処理部１６４は、開閉扉１１が開かれたことを開閉センサ１４が検知した場合に、開閉扉１１が閉じた状態で試料Ｓの測定が行われるときよりも光源４から照射される光の強度を低下させる。

すなわち、走査型プローブ顕微鏡１において、開閉扉１１が開かれたときには、光強度変更処理部１６４により光源４からのレーザ光の強度が自動で低下される。
そのため、光源４からのレーザ光の強度が高いままで開閉扉１１が開かれることを防止できる。
その結果、走査型プローブ顕微鏡１を用いる際の安全性を向上できる。

また、開閉扉１１が開かれたときに光源４の強度が低下されるため、光源４の寿命を長くすることができる。例えば、光軸調整時には、測定時間に比べて長い時間がかかるため、光源４の強度を低下させることが効果的である。さらに、光強度変更処理部１６４が光源４のＤＵＴＹ比を変更する処理を行う場合には、光源４を消灯している時間が増えるため、光源４の寿命を一層長くすることができる。

１ 走査型プローブ顕微鏡
３ カンチレバー
４ 光源
７ 検出器
１０ 筐体
１１ 開閉扉
１４ 開閉センサ
１６ 制御部
１５１ 表面画像
１６４ 光強度変更処理部

Claims (4)

1. 試料の表面に沿ってカンチレバーを走査させることにより試料の表面画像を取得する走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記カンチレバーに向けて光を照射する光源と、
   前記カンチレバーからの反射光を受光する検出器と、
   前記光源及び前記検出器を内部に収容する筐体と、
   前記筐体を開閉するための開閉扉と、
   前記開閉扉の開閉を検知する開閉センサと、
   前記開閉センサの検知結果に基づいて前記光源から照射される光の強度を変更する光強度変更処理部とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記光強度変更処理部は、前記開閉扉が開かれたことを前記開閉センサが検知した場合に、前記開閉扉が閉じた状態で試料の測定が行われるときよりも前記光源から照射される光の強度を低下させ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。
3. 試料の表面に沿ってカンチレバーを走査させ、光源から照射した光を前記カンチレバーで反射させて、その反射光を検出器で受光することにより試料の表面画像を取得する走査型プローブ顕微鏡の光強度調整方法であって、
   前記光源及び前記検出器を内部に収容する筐体を開閉するための開閉扉が開閉された場合に、前記光源から照射される光の強度を変更する光強度変更ステップを含むことを特徴とする光強度調整方法。
4. 前記光強度変更ステップでは、前記開閉扉が開かれた場合に、前記開閉扉が閉じられて試料の測定が行われるときよりも前記光源から照射される光の強度を低下させることを特徴とする請求項３に記載の光強度調整方法。

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