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JPH0540034A - 複合型顕微鏡 - Google Patents

複合型顕微鏡

Info

Publication number
JPH0540034A
JPH0540034A JP3199465A JP19946591A JPH0540034A JP H0540034 A JPH0540034 A JP H0540034A JP 3199465 A JP3199465 A JP 3199465A JP 19946591 A JP19946591 A JP 19946591A JP H0540034 A JPH0540034 A JP H0540034A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
atomic force
microscope
sample
objective lens
force lever
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3199465A
Other languages
English (en)
Inventor
Tetsuji Konuki
哲治 小貫
Masatoshi Suzuki
正敏 鈴木
Hiroyuki Matsushiro
弘之 松代
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP3199465A priority Critical patent/JPH0540034A/ja
Priority to US07/921,129 priority patent/US5360977A/en
Priority to DE69215030T priority patent/DE69215030T2/de
Priority to EP95106253A priority patent/EP0665417A3/en
Priority to EP92113490A priority patent/EP0527448B1/en
Publication of JPH0540034A publication Critical patent/JPH0540034A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/10—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] or apparatus therefor, e.g. STM probes
    • G01Q60/16—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/02—Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope
    • G01Q30/025—Optical microscopes coupled with SPM
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01Q60/02—Multiple-type SPM, i.e. involving more than one SPM techniques
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    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ＡＦＭの測定試料を、光学顕微鏡で観察可能な
複合型顕微鏡を提供する。 【構成】対物レンズと観察光学系を有する光学顕微鏡
と、反射面を有し、原子間力を検出する原子間力レバー
と、該原子間力レバーに対しスポット光を照射するため
の照射光学系と、原子間力レバーの変位による反射光の
変位を検出するディテクタと、試料を載置するための試
料台とを備えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、光学顕微鏡を
組み合わせた複合型顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと称す）
の動作原理を、図７を用いて簡単に説明する。光源７１
から発した光は、コリメートレンズ７２で集光され、原
子間力レバー７３の反射面でスポットを結び反射する。
この反射光を、ディテクタ７４で受光する。サンプル７
５は、Ｚステージ１１５ａに取り付けられたスキャナ７
６により、揺動される。サンプルホルダ７７上のサンプ
ル７５との原子間力により生じた原子間力レバー７３の
傾きを、ディテクタ７４上での、受光位置の変化として
とらえる。受光位置の変化を、サンプル７５と原子間力
レバー７３との相対距離の変化に変換する。
【０００３】ＡＦＭの観察領域は、スキャナ７６の揺動
範囲で決まるため、数μｍと非常に小さい。従って、広
いサンプル上から特異点を見つけ出すには、測定点を次
々に移動させる必要があり、観察には非常に長い時間を
要していた。予め、光学顕微鏡等で、測定点を限定しよ
うとしても、従来のＡＦＭでは、光源７１、ディテクタ
７４が障害となり、非常に困難であった。
【０００４】一方、従来の走査型トンネル顕微鏡（以
下、ＳＴＭと称す）においては、図８に示すように、光
学顕微鏡の対物レンズ１１２を備えた可視光学系の外側
に、ＳＴＭスキャナ１１６を設けた同軸構成の同軸型走
査トンネル顕微鏡が、開発されている。この顕微鏡で
は、まず、光学顕微鏡の撮像装置１１１で、Ｚステージ
１１５ｂ上のサンプル１１７を観察し、ＳＴＭの探針ホ
ルダ１１３に固定された、探針１１４の位置を確認し、
測定点を特定することができるように努力が成されてい
る。
【０００５】また、図９に示したように、貫通孔を有す
る光学顕微鏡の対物レンズ１１８の貫通孔内に、ＳＴＭ
スキャナ１１６を配置する同軸型走査トンネル顕微鏡も
提案されている。
【０００６】また、ＡＦＭおよびＳＴＭは、その制御方
法および観察データ取得のアルゴリズムが、非常に似て
いることから、図１０に示すように、Ｉ／Ｖアンプ１１
９、フィードバック回路１２０、高圧アンプ１２１、デ
ィスプレイ１２２等の電気制御系を共通化した装置が、
開発されている。この装置では、検出系及びドライブ系
のみを、スイッチ１２３、１２４で切換えて、ＳＴＭお
よびＡＦＭを選択的に動作させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
ＡＦＭにおいては、観察領域が数μｍであり、生体試料
等の広い領域から数μｍの範囲を見い出すには数μｍの
測定範囲を次々と移動させ目標のサンプルのある一点を
見い出す必要があり、非常に長い時間を要していた。
【０００８】また、従来のＳＴＭと光学顕微鏡を同軸に
配置した同軸型走査トンネル顕微鏡は、光学顕微鏡の中
央部に探針を設けていたため、ＡＦＭの光源、検出器を
配置することはスペース上困難であった。
【０００９】本発明の第１の目的は、ＡＦＭの測定試料
を、光学顕微鏡で観察可能な複合型顕微鏡を提供するこ
とを目的とする。
【００１０】本発明の第２の目的は、ＡＦＭまたはＳＴ
Ｍを選択的に使用可能であるとともに、ＡＦＭまたはＳ
ＴＭの試料を光学顕微鏡で観察可能な複合型顕微鏡を提
供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様によ
れば、対物レンズと観察光学系を有する光学顕微鏡と、
反射面を有し、原子間力を検出する原子間力レバーと、
該原子間力レバーに対しスポット光を照射するための照
射光学系と、原子間力レバーの変位による反射光の変位
を検出するディテクタと、試料を載置するための試料台
とを備えることを特徴とする複合型顕微鏡が提供され
る。
【００１２】本発明の第２の態様によれば、交換可能な
探針を有する走査型トンネル顕微鏡と、対物レンズを有
する光学顕微鏡とを同軸に配置するとともに、原子間力
レバーを有する原子間力顕微鏡をさらに有し、前記探針
と前記原子間力レバーとは、前記対物レンズ下方に選択
的に配置されることを特徴とする複合型顕微鏡が提供さ
れる。
【００１３】
【作用】本発明の第１の態様で提供される複合型顕微鏡
では、対物レンズと観察光学系を有する光学顕微鏡によ
り、試料台に載置された試料を予め観察して、ＡＦＭで
観察すべき範囲を決定可能である。つぎに、反射面を有
し、原子間力を検出する原子間力レバーを、観察すべき
範囲に合わせ、該原子間力レバーに対し、照射光学系か
らスポット光を照射する。ディテクタにより、原子間力
レバーの変位による反射光の変位を検出する。この複合
型顕微鏡では、予め、ＡＦＭで観察すべき範囲を光学顕
微鏡で観察して決定することができるため、広範囲に試
料を移動させる必要がなくなり、ＡＦＭの観察時間を短
縮することができる。
【００１４】また、本発明の第２の態様により提供され
る複合型顕微鏡では、交換可能な探針を有する走査型ト
ンネル顕微鏡と、対物レンズを有する光学顕微鏡とを、
探針の軸方向と対物レンズの軸方向が一致するように、
同軸に配置する。さらに、原子間力レバーを有する原子
間力顕微鏡を、前記原子間力レバーが、前記対物レンズ
下方に位置するように、配置する。前記探針と前記原子
間力レバーとは、選択的に配置される。したがって、Ａ
ＦＭを使用する場合には、探針を取外し、原子間力レバ
ーを取り付けることにより、ＡＦＭと光学顕微鏡が使用
可能となり、光学顕微鏡で試料を観察して、ＡＦＭ観察
範囲を決定した後、ＡＦＭで観察することができる。ま
た、ＳＴＭを使用する場合には、原子間力レバーを取外
し、探針と取り付けることにより、試料をＳＴＭで観察
することができ、また同時に、光学顕微鏡で観察可能で
ある。
【００１５】
【実施例】本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例の複合型顕微鏡の主要部
を示す構成図であり、前記第１の態様の一例である。図
１に示した複合型顕微鏡は、撮像装置６２および対物レ
ンズ６１を主体に構成される光学顕微鏡部と、光源５
１、コリメートレンズ５２、原子間力レバー５３、ディ
テクタ５４、ＡＦＭ用スキャナ５６、サンプルホルダ５
５およびＺステージ５９を主体に構成されるＡＦＭとを
複合して構成されている。
【００１６】対物レンズ６１は中央部に貫通孔６１ａを
有しており、光源５１およびコリメートレンズ５２は、
貫通孔６１ａ内に配置されている。また、原子間力レバ
ー５３に原子間力が作用する領域まで、サンプル５７を
接近させるためのＺステージ５９には、凹部５９ａが設
けられ、内部には、スキャナ５６が、配置されている。
スキャナ５６は、サンプルホルダ５５上のサンプル５７
を揺動させる。光源５２から発せられた光は、コリメー
トレンズ５２によりコリメートされた後、結像レンズ６
０によって、原子間力レバー５３の反射面上に、スポッ
ト状に絞られる。そして、原子間力レバー５３により反
射され、ディテクタ５４により受光される。
【００１７】このとき、原子間力レバー５３およびサン
プル５７は、対物レンズ６１のフォーカス面にくるよう
に、対物レンズ６１は配置されている。そのため、ＡＦ
Ｍでサンプルを観察しながら、同時に、光学顕微鏡で、
原子間力レバー５３およびサンプル５７の観察が可能で
ある。光学顕微鏡は、対物レンズ６１を上下動させる機
構（図示せず）を有しており、原子間力レバー５３の加
工誤差等によるフォーカス面からのずれも、対物レンズ
６１を上下動させる機構により、常にフォーカス面に合
わせることが可能である。光源５１は、外部よりファイ
バ又はリレー光学系で導いてもよい。
【００１８】図２は、本発明の第３の実施例を示す構成
図であり、前記第１の態様の一例である。光学顕微鏡の
対物レンズ６４は、貫通孔を有さず、ＡＦＭの光源５１
およびコリメートレンズ６３を対物レンズ６４の上部に
配置しているＡＦＭは、光学顕微鏡の対物レンズ６４を
レンズ系の一部として用いる。光源５２から発せられた
光は、コリメートレンズ６３および対物レンズ６４によ
り、原子間力レバー５３の反射面上に、スポット状に絞
られ、原子間力レバー５３により反射され、集光レンズ
６５により、ディテクタ５４上に集光され、受光され
る。その他の構成は、図１に示した複合型顕微鏡と、同
様であるので説明を省略する。
【００１９】次に、本発明の第３の実施例の複合型顕微
鏡を、図３、４、５および６を用いて説明する。図３
は、ＡＦＭ用の原子間力レバー１３を装着した場合の、
本実施例の複合型顕微鏡の主要部を示す構成図である。
図４は、ＳＴＭ用の探針を装着した場合の、複合型顕微
鏡の主要部を示す構成図である。図５は、複合型顕微鏡
の基本装置の主要部を示す構成図である。図６は、複合
型顕微鏡のＡＦＭユニットの構成図である。本実施例の
複合型顕微鏡は、撮像装置２２および対物レンズ２１を
主体に構成される光学顕微鏡と、ＳＴＭ用スキャナ１
８、探針ホルダ２０および探針２５を主体に構成される
ＳＴＭと、光源１１、コリメートレンズ１２ａ、結像レ
ンズ１２ｂ、原子間力レバー１３、ディテクタ１４、Ａ
ＦＭ用サンプルホルダ１５、ＡＦＭ用スキャナ１６およ
びＺステージ１９を主体に構成されるＡＦＭとが複合し
て構成されている。
【００２０】対物レンズ２１には貫通孔２１ａが設けら
れており、内部にＳＴＭ用スキャナ１８が配置されてい
る。ＳＴＭ用スキャナ１８には、探針２５を着脱可能な
探針ホルダ２０が係合されている。ＡＦＭ用の光源１
１、コリメートレンズ１２は、対物レンズの外側から、
斜めに配置し、原子間力レバー１３による反射光を、光
源１１の反対側に、斜めに配置したディテクタ１４で、
原子間力レバー１３の反射光を受けるように配置した。
これらは、図６に示すように、１つにユニット化し、図
５に示した基本装置に、取付け、取りはずしができる。
また、原子間力レバー１３にサンプル１７の原子間力が
作用する領域まで、サンプル１７を接近させるためのＺ
ステージ１９には、凹部１９ａが設けられており、内部
には、ＡＦＭ用スキャナ１６が、配置されている。ＡＦ
Ｍ用スキャナ１６は、サンプルホルダ１５上のサンプル
１７を揺動させる。
【００２１】本実施例の複合型顕微鏡により、ＡＦＭお
よび光学顕微鏡の観察を行う場合の、動作を、図３を用
いて、説明する。この場合ＳＴＭ用スキャナ１８が光顕
の対物２１内に配置されているが、ＡＦＭ動作時は使用
しない。光学顕微鏡の対物レンズ２１および撮像装置２
２は、ＡＦＭ動作時もサンプル１７の観察にも使用す
る。
【００２２】光源１１より発した光はコリメートレンズ
１２でコリメートされた後、結像レンズによりスポット
上に絞られ、ＳＴＭ探針が配置されるべき位置に、代っ
て配置されたＡＦＭ用原子間力レバー１３に照射され、
反射光が、ディテクタ１４により受光される。サンプル
１７は、ＡＦＭ用スキャナ１６上の、ＡＦＭ用サンプル
ホルダ１５に載置する。このとき、原子間力レバー１３
およびサンプル１４は、光学顕微鏡の対物レンズ２１の
フォーカス面にあり、撮像装置２２により、撮像するこ
とができ、同時に観察が可能である。原子間力レバーの
加工誤差等によるフォーカス面からのずれも、対物レン
ズ２１を上下動させる機構（図示せず）により、常にフ
ォーカス面に合わせることが可能である。
【００２３】本実施例の複合型顕微鏡により、ＳＴＭお
よび光学顕微鏡の観察を行う場合の、動作を、図４を用
いて、説明する。この場合、原子間力レバー１３を取外
し、ＳＴＭ用探針２５を探針ホルダ２０に取り付ける。
探針２５は、ＳＴＭ用スキャナ１８によりスキャンされ
る。ＡＦＭ用スキャナ１６は、Ｚステージ１９中に埋込
まれているので、Ｚステージ１９上にＳＴＭ用サンプル
ホルダ２６を載置し、その上にサンプル１７を乗せるこ
とにより支障なく観察が行える。また、ＡＦＭ用スキャ
ナを、取りはずしても良い。
【００２４】また、ＡＦＭ用の光源１１、コリメートレ
ンズ１２ａ、結像レンズ１２ｂおよびディテクタ１４
は、取り付けたままにしておいて良く、ＳＴＭおよび、
光学顕微鏡の観察に支障を与えない。もちろん、取りは
ずすことも可能である。
【００２５】ＳＴＭ観察時には、対物レンズ２１を上下
させることにより、サンプル１７および探針２５の先端
に、フォーカス面に合わせることができ、撮像装置２２
により撮像して観察することができる。
【００２６】上述のように、本発明の第３の実施例にお
いては、ＳＴＭスキャナ１８は、光学顕微鏡の対物レン
ズ２１の貫通孔２１ａ内に、配置されており、探針２５
を取り付けない限り、光学顕微鏡の焦点位置付近は、ス
ペースが確保できるため、ＡＦＭ用原子間力レバーが配
置することができる。
【００２７】また、ＡＦＭとＳＴＭの制御系は、ほぼ同
一となるので、特に大きな変更をしなくて、共通に使用
することができる。
【００２８】Ｚステージ１９に設けられた凹部に、配置
されたＡＦＭ用スキャナは、ＳＴＭ動作時には、支障を
与えない。
【００２９】
【発明の効果】上述のように本発明の第１の態様によれ
ば、ＡＦＭの測定試料を、光学顕微鏡で観察可能な複合
型顕微鏡を提供される。従って、予め、ＡＦＭで観察す
べき範囲を光学顕微鏡で観察して決定することができる
ため、広範囲に試料を移動させる必要がなくなり、ＡＦ
Ｍの観察時間を短縮することができる。
【００３０】本発明の第２の態様によれば、ＡＦＭまた
はＳＴＭを選択的に使用可能であるとともに、ＡＦＭま
たはＳＴＭの試料を光学顕微鏡で観察可能な複合型顕微
鏡が提供される。
【００３１】したがって、ＡＦＭを使用する場合には、
探針を取外し、原子間力レバーを取り付けることによ
り、ＡＦＭと光学顕微鏡が使用可能となり、光学顕微鏡
で試料を観察して、ＡＦＭ観察範囲を決定した後、ＡＦ
Ｍで観察することができる。また、ＳＴＭを使用する場
合には、原子間力レバーを取外し、探針と取り付けるこ
とにより、試料をＳＴＭで観察することができ、また同
時に、光学顕微鏡で観察可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の複合型顕微鏡の主要部
を示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施例の複合型顕微鏡の主要部
を示す構成図。
【図３】ＡＦＭ用の原子間力レバー１３を装着した場合
の、本発明の第３の実施例の複合型顕微鏡の主要部を示
す構成図。
【図４】ＳＴＭ用の探針を装着した場合の、本発明の第
３の実施例の複合型顕微鏡の主要部を示す構成図。
【図５】本発明の第３の実施例の複合型顕微鏡の基本装
置の主要部を示す構成図。
【図６】本発明の第３の実施例の複合型顕微鏡のＡＦＭ
ユニットの構成図。
【図７】従来のＡＦＭを示す構成図。
【図８】従来のＳＴＭを示す構成図。
【図９】従来のＳＴＭを示す構成図。
【図１０】従来のＡＦＭ／ＳＴＭを示す構成図。
【符号の説明】
１１…光源、１２ａ…コリメートレンズ、１２ｂ…結像
レンズ、１３…原子間力レバー、１４…ディテクタ、１
５…ＡＦＭ用サンプルホルダ、１６…ＡＦＭ用スキャ
ナ、１７…サンプル、１８…ＳＴＭ用スキャナ、１９…
Ｚステージ、２０…探針ホルダ、２１…対物レンズ、２
５…探針、５１…光源、５２…コリメートレンズ、５３
…原子間力レバー、５４…ディテクタ、５５…サンプル
ホルダ、５６…ＡＦＭ用スキャナ、５７…サンプル、５
９…Ｚステージ、６１…対物レンズ、６２…撮像装置、
６３…コリメートレンズ、６４…対物レンズ、６５…集
光レンズ、７１…光源、７２…コリメートレンズ、７３
…原子間力レバー、７４…ディテクタ、７５…サンプ
ル、７６…スキャナ、７７…サンプルホルダ、１１１…
撮影装置、１１２…対物レンズ、１１３…探針ホルダ、
１１４…探針、１１５…Ｚステージ、１１６…スキャ
ナ、１１７…サンプル、１１８…対物レンズ。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】対物レンズと観察光学系を有する光学顕微
    鏡と、反射面を有し、原子間力を検出する原子間力レバ
    ーと、該原子間力レバーに対しスポット光を照射するた
    めの照射光学系と、原子間力レバーの変位による反射光
    の変位を検出するディテクタと、試料を載置するための
    試料台とを備えることを特徴とする複合型顕微鏡。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記照明光学系と前記
    対物レンズとを同軸に配置したことを特徴とする複合型
    顕微鏡。
  3. 【請求項３】請求項２において、前記対物レンズは中央
    部に貫通孔を有し、前記照明光学系は前記貫通孔を介し
    て、前記原子間力レバーにスポット光を照射することを
    特徴とする複合型顕微鏡。
  4. 【請求項４】請求項３において、前記照射光学系は、光
    源とレンズ系を有し、前記貫通孔内にそれらの少なくと
    も一部が配置されることを特徴とする複合型顕微鏡。
  5. 【請求項５】請求項２において、前記照射光学系は、光
    源とレンズ系を有し、前記レンズ系は、その一部に前記
    対物レンズを含むことを特徴とする複合型顕微鏡。
  6. 【請求項６】請求項１において、前記照明光学系は、前
    記光学顕微鏡の外側から前記原子間力レバーにスポット
    光を照射するように配置されていることを特徴とする複
    合型顕微鏡。
  7. 【請求項７】請求項１において、前記試料台は、前記試
    料を揺動させるスキャナを有することを特徴とする複合
    型顕微鏡。
  8. 【請求項８】交換可能な探針を有する走査型トンネル顕
    微鏡と、対物レンズを有する光学顕微鏡とを同軸に配置
    するとともに、原子間力レバーを有する原子間力顕微鏡
    をさらに有し、前記探針と前記原子間力レバーとは、前
    記対物レンズ下方に選択的に配置されることを特徴とす
    る複合型顕微鏡。
JP3199465A 1991-08-08 1991-08-08 複合型顕微鏡 Pending JPH0540034A (ja)

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