扫描型探针显微镜

摘要

提供一种扫描型探针显微镜，能够排除振动干扰的影响，正确并高分辨率地获得样品S的表面信息，扫描型探针显微镜(1)构成为具备主体部(10)与控制部(30)，所述主体部(10)具有：悬臂(21)，具有探针(21a)；传感器(23)，检测悬臂(21)的位移；XYZ驱动机构(25)，使悬臂(21)或者样品S移动；除振机构(12)，所述控制部(30)控制XYZ驱动机构(25)并且获取样品S的测量范围的表面信息，所述扫描型探针显微镜(1)还具备：无线支架(60)，具有供电线圈(63)与支架侧收发部(64)；电源信号缆线(42)，连接无线支架(60)与控制部(30)，主体部(10)具有：高电压发生电路(15)，用于驱动XYZ驱动机构(25)；受电线圈(13)；主体部侧收发部(14)，用于与支架侧收发部(64)通信。

权利要求

1.一种扫描型探针显微镜，具备主体部与控制部，

所述主体部具有：样品载置台，载置有样品；悬臂，在自由端部具有探针；传感器，检测所述悬臂的自由端部的位移；XYZ驱动机构，使所述悬臂或者样品在XYZ方向上移动；除振机构，用于除去振动，所述控制部对所述XYZ驱动机构进行控制并且获取所述样品的测量范围的表面信息，所述扫描型探针显微镜具备：无线支架，具有供电线圈与支架侧收发部；电源信号缆线，连接所述无线支架与所述控制部，所述主体部具有：高电压发生电路，生成用于驱动所述XYZ驱动机构的高电压信号；受电线圈，用于被从所述供电线圈供电；主体部侧收发部，用于与所述支架侧收发部通信。

2.如权利要求1所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，如果所述控制部没有从所述主体部侧收发部接收到信号，则断开所述供电线圈。

3.如权利要求1或2所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，具有显示灯或者显示器，显示所述供电线圈与所述受电线圈的供电状态。

4.如权利要求1或2所述的扫描型探针显微镜，其特征在于，所述XYZ驱动机构为压电元件。

说明书

扫描型探针显微镜

技术领域

[0001] 本发明涉及基于样品表面与探针(Probe)的相互作用而获取样品的表面信息的扫描型探针显微镜，特别是涉及获取样品的测量范围的表面信息的扫描型探针显微镜。

背景技术

[0002] 在扫描型探针显微镜中，在X方向或Y方向或Z方向上使用扫描仪(XYZ驱动机构)等，一边使形成于悬臂的自由端部的探针相对于样品移动，或者使样品相对于形成于悬臂的自由端部的探针移动，一边检测作用于探针与样品表面之间的相互作用(探针的位移量或共振频率的变化量)，基于其检测出的信息而高分辨率地制作样品的测量范围的表面形状(表面信息)。

[0003] 原子力显微镜(AFM)，使由悬臂等支撑的探针接近样品表面，由此测量在探针前端的原子与样品表面的原子之间产生的微小的原子力，利用原子力由探针与样品的距离毫无疑义地确定这一性质，一边沿着样品表面扫描，一边以该原子力变为恒定的方式调整探针与样品之间的距离，通过探针或者样品的高度方向的轨迹测量样品表面的凹凸形状。

[0004] 此外，扫描型隧道显微镜(STM)在样品与与其对置配置的探针之间施加电压，以在两者间流动的隧道电流变为恒定的方式对探针或者样品进行扫描，由此利用原子级别的分辨率观察样品表面的形状。即，利用隧道电流由探针与样品的距离毫无疑义地确定这一性质，以该隧道电流变为恒定的方式通过压电元件等的精密驱动机构控制探针或者样品的高度，通过计量该控制量来测量样品表面的凹凸。

[0005] 此处，图4是示出一般的原子力显微镜(AFM)的整体构成的立体图，图5是示出图4的原子力显微镜的内部构成的概略图。另外，将地面上水平的一方向作为X方向(左右方向)，将地面上水平的、与X方向垂直的方向作为Y方向(前后方向)，将与X方向和Y方向垂直的方向作为Z方向(上下方向)。

[0006] 原子力显微镜(AFM)101具备：SPM主体部110；控制部130，对SPM主体部110的整体进行控制；计算机150；高电压缆线141以及电源信号缆线42，将SPM主体部110与控制部130连接；信号缆线55，将控制部130与计算机150连接。

[0007] SPM主体部110具备：大致长方体形状的壳体111；大致长方体形状的除振台(除振机构)112，形成于壳体111的下部，配置在壳体111与地板或桌子等之间。

[0008] 在壳体111的内部具备：悬臂架22，支撑悬臂21；光源部24，射出激光；位移测量部(传感器)23，测量悬臂21的位移；样品载置台25，载置有样品S；控制电路126，对光源部24进行控制。

[0009] 悬臂21是例如长度为100μm，宽度为30μm，厚度为0.8μm的板状体，在前端部的下表面形成有朝向下方突出的尖锐的探针21a。悬臂21的前端部的上表面，成为用于被来自光源部24的激光照射的照射面。而且，悬臂架22被安装在壳体111的头部(未图示)，悬臂21的另一端部被固定于悬臂架22。

[0010] 光源部24具备激光元件24a，所述激光元件24a被安装在壳体111的头部(未图示)并射出激光。由激光元件24a射出的激光，朝向悬臂21的背面射出。此外，位移测量部23具备光电二极管23a，所述光电二极管23a被安装在壳体111的头部(未图示)，检测由悬臂21的背面反射的激光。此时，来自悬臂21的背面的反射光(激光)的反射方向因悬臂21的挠曲(位移)而变化。即，利用光杠杆型光学检测装置检测悬臂21的挠曲(位移)。

[0011] 样品载置台25被安装在壳体111的中央部附近，例如具备在俯视状态下直径为15mm的圆形状的载置面25a、被安装在载置面25a的下部的压电元件(XYZ驱动机构)25b。而且载置面25a通过压电元件25b能够相对于壳体111分别地在X方向、Y方向和Z方向上移动。
由此，操作员将样品S载置在载置面25a上，并且将来自控制部130的驱动信号(振幅约200V的高电压信号)输入至压电元件25b，由此能够使载置面25a相对于壳体111在X方向、Y方向和Z方向上移动，从而在测量前调整样品S表面的初始位置。进而通过将来自控制部130b的驱动信号输入至压电元件25b，能够在测量中沿X方向、Y方向和Z方向扫描样品S表面的测量点。

[0012] 控制部130具备大致长方体形状的壳体131，在壳体131的内部具备：CPU132；存储器(存储部)133；高电压电源134，向压电元件控制部132c供给高电压。此外，若模块化地对CPU132的处理功能进行说明，则CPU132具有：输入信息获取部132a，经由信号缆线55获取来自后述的输入信息输出部151a的输入信息；压电元件控制部132c，经由高电压缆线141将驱动信号输出至压电元件25b；位移信号获取部132d，经由电源信号缆线42获取来自控制电路126的位移信号；样品信息输出部132e，经由信号缆线55将样品S的测量范围的表面形状(表面信息)输出至后述的样品信息获取部151b。

[0013] 另外，在存储器133中暂时储存有获取的位移信号。

[0014] 计算机150具备CPU151、显示装置53、输入装置54。此外，若模块化地对CPU151的处理功能进行说明，则CPU151具有：输入信息输出部151a，经由信号缆线55将由输入装置54输入的输入信息输出至输入信息获取部132a；样品信息获取部151b，经由信号缆线55从样品信息输出部132e获取样品S的测量范围的表面形状(表面信息)；样品信息显示控制部151c，在显示装置53上显示样品S的测量范围的表面形状(表面信息)。

[0015] 但是，因为这样的原子力显微镜(AFM)101，利用原子级别的分辨率能够测量样品S的表面信息，所以容易受到例如噪音、来自地板或驱动机构的振动之类的干扰的影响。因此，通过将SPM主体部110配置在除振台112上，降低地面的振动的影响(例如，参照专利文献1)。

[0016] 现有技术文献

[0017] 专利文献

[0018] 专利文献1：日本国特开2001－21477号公报

发明内容

[0019] 发明要解决的技术问题

[0020] 然而，在除振台112上配置SPM主体部110的壳体111的构成中，在地板或桌子上延伸的高电压缆线141或电源信号缆线42受到地板或桌子的振动，或者控制部130振动的情况下，该振动经由高电压缆线141或电源信号缆线42被传送至壳体111。而且，若这样的振动作用于悬臂架22或样品载置台25，则会使悬臂21与样品S之间的相对位移变化，其结果是会产生以下这样的不良状况：振动成为来自光电二极管23a的位移信号的振动干扰并混入至该位移信号中，因该振动干扰的影响而不能正确地获得样品S的表面信息。

[0021] 用于解决上述技术问题的方案

[0022] 本发明的申请人就正确并且高分辨率地获得样品S的表面信息的方法进行研究。首先，虽然想到将高电压缆线141或电源信号缆线42的原料变更为柔软的原料，但是为了将大约200V的高电压信号从控制部130传递至SPM主体部110，需要使用具有耐电压性能的缆线，所以在现阶段无法采用该变更方案。

[0023] 于是发现，去掉连接控制部130与SPM主体部110之间的高电压缆线141或电源信号缆线42，设置用于电力供给的供电线圈与受电线圈而进行无线供电，并且通过电波或者光通信进行位移信号等的收发。因此，在SPM主体部110内生成驱动压电元件25b的高电压信号。另外也发现了，在这种情况下，供电线圈与受电线圈的位置关系变得重要，为了判断该位置关系是否适当，而设置显示供电状态的显示灯或者显示器显示。

[0024] 即，本发明的扫描型探针显微镜具备主体部与控制部，所述主体部具有：悬臂，在自由端部具有探针；传感器，检测所述悬臂的自由端部的位移；XYZ驱动机构，使所述悬臂或者样品在XYZ方向上移动；除振机构，用于除去振动，所述控制部对所述XYZ驱动机构进行控制并且获取所述样品的测量范围的表面信息，所述扫描型探针显微镜具备：无线支架，具有供电线圈与支架侧收发部；电源信号缆线，连接所述无线支架与所述控制部，所述主体部具有：高电压发生电路，生成用于驱动所述XYZ驱动机构的高电压信号；受电线圈，用于被从所述供电线圈供电；主体部侧收发部，用于与所述支架侧收发部通信。

[0025] 根据本发明的扫描型探针显微镜，利用电源信号缆线连接控制部与无线支架。此外，无线支架与主体部利用由线圈与收发部构成的无线结构连接。即，在主体部完全没有连接电线。

[0026] 而且，若信号经由电源信号缆线从控制部被输出至无线支架，则利用无线结构使得信号从无线支架被输出至主体部的线圈与收发部。输入有信号的主体部，在高电压发生电路中生成高电压信号，控制XYZ驱动机构。之后，构成为若利用无线结构将信号从主体部的收发部输入至无线支架的收发部，则信号经由电源信号缆线从无线支架被输出至控制部。

[0027] 发明效果

[0028] 如上所述，根据本发明的扫描型探针显微镜，因为在主体部无需外部连接用的缆线，所以在主体部的下表面安装橡胶垫脚(除振机构)，或搭载于除振台(除振机构)的情况下，不会因缆线而产生振动。此外，通过去除连接于主体部的缆线，主体部的操作变得容易。

[0029] (用于解决其他技术问题的方案及效果)

[0030] 此外，本发明的扫描型探针显微镜也可以是，如果所述控制部没有从所述主体部侧收发部接受到信号，则断开所述供电线圈。

[0031] 根据本发明的扫描型探针显微镜，在配置了无线支架之后，例如在供电线圈侧按压供电开始开关，虽然从那时开始供电，但是若电波或者信号在一定时间内没有从受电线圈侧被送回，则判定为供电不良，断开供电线圈。此外，即便在供电中，也每隔一定时间监视工作正常的信号，并在位置关系偏离而导致受电线圈侧的电压中断的情况下，断开供电线圈。

[0032] 而且，本发明的扫描型探针显微镜，也可以是具有显示灯或者显示器显示，显示所述供电线圈与所述受电线圈的供电状态。

[0033] 进而，本发明的扫描型探针显微镜，也可以是所述XYZ驱动机构为压电元件。

附图说明

[0034] 图1是示出本发明的一实施方式即原子力显微镜的立体图。

[0035] 图2是示出图1的SPM主体部与无线支架的侧视图。

[0036] 图3是示出图1的原子力显微镜的内部构成的概略图。

[0037] 图4是示出一般的原子力显微镜(AFM)的立体图。

[0038] 图5是示出图4的原子力显微镜的内部构成的概略图。

具体实施方式

[0039] 以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。另外，本发明并不受以下说明的那样的实施方式所限定，在不脱离本发明的主旨的范围内当然包含各种各样的方案。

[0040] 图1是示出本发明的一实施方式即原子力显微镜的整体构成的立体图，图2是示出图1的SPM主体部与无线支架部分的侧视图。此外，图3是示出图1的原子力显微镜的内部构成的概略图。另外，对与原子力显微镜(AFM)101相同的构成，赋予相同的附图标记。

[0041] 原子力显微镜(AFM)1具备：SPM主体部10；控制部30，对SPM主体部10整体进行控制；无线支架60；计算机50；电源信号缆线42，连接无线支架60与控制部30；信号缆线55，连接控制部30与计算机50。

[0042] SPM主体部10具备：大致长方体形状的壳体11；大致长方体形状的除振台(除振机构)12，形成于壳体11的下部，配置在壳体11与地板等之间。

[0043] 在壳体11的内部具备：悬臂架22，支撑悬臂21；光源部24，射出激光；位移测量部(传感器)23，测量悬臂21的位移；样品载置台25，载置有样品S；受电线圈13；光模块(主体部侧收发部)14；高电压发生电路15，将高电压供给至控制电路16；控制电路16，对光源部24与样品载置台25进行控制。

[0044] 受电线圈13与光模块14被设置在壳体11内部的背面侧，利用无线结构与后述的无线支架60连接。光模块14包括：接收部14a，对来自发送部64b的控制信号进行光接收；发送部14b，将供电状态信号或位移信号光发送至接收部64a，受电线圈13由供电线圈63供电。

[0045] 控制电路16，基于由接收部14a光接收的控制信号，在对光源部24与样品载置台25进行控制之后，获取来自光电二极管23a的位移信号并进行控制，使得从发送部14b对位移信号进行光发送，并且判断受电线圈13的电压振幅，从发送部14b对供电状态信号进行光发送。即，利用SPM主体部10的控制电路16处理以无线通信的速度无法赶上的高速的模拟信号。

[0046] 样品载置台25被安装在壳体11的中央部附近，例如具备在俯视状态下直径为15mm的圆形状的载置面25a、被安装在载置面25a的下部的压电元件(XYZ驱动机构)25b。而且载置面25a通过压电元件25b能够相对于壳体11分别地在X方向、Y方向和Z方向上移动。由此，操作员将样品S载置在载置面25a上，并且能够将来自控制电路16的驱动信号(振幅约200V的高电压信号)输入至压电元件25b，由此使载置面25a相对于壳体11在X方向、Y方向和Z方向上移动，而在测量前调整样品S表面的初始位置。进而通过将来自控制电路16的驱动信号输入至压电元件25b，能够在测量中在X方向、Y方向和Z方向上扫描样品S表面的测量点。

[0047] 无线支架60具备由上部壳体61a与下部壳体61b构成的壳体部61，在上部壳体61a内部的前表面，设置有对受电线圈13进行供电的供电线圈63、光模块(支架侧收发部)64。此外，上部壳体61a能够相对于下部壳体61b在上下方向上移动，由操作员进行高度的调整。

[0048] 光模块(支架侧收发部)64包括：发送部64b，将控制信号光发送至接收部14a；接收部64a，从发送部14b光接收位移信号或供电状态信号。

[0049] 另外，供电线圈63与受电线圈13之间的电力传送可以由电磁感应或磁共振方式等进行。此外，在恒温室内使用壳体11的情况下，在恒温室的器壁上设置能够供上部壳体61a的前部插入的孔，或在形成于恒温室的壁面的、以往的高电压缆线141或电源信号缆线42用孔的位置相匹配地对无线支架60的形状进行变形。

[0050] 控制部30具备大致长方体形状的壳体31、供电开始开关(未图示)、供电状态显示灯(未图示)，在壳体31的内部具备CPU32与存储器(存储部)33。此外，若模块化地对CPU32的处理功能进行说明，则CPU32具有：输入信息获取部32a，经由信号缆线55获取来自后述的输入信息输出部51a的输入信息或获取来自供电开始开关的输入信息；控制信号输出部32b，经由电源信号缆线42将控制信号输出至发送部64b；供电线圈控制部32c，经由电源信号缆线42将控制信号输出至供电线圈63；信号获取部32d，经由电源信号缆线42获取来自接收部64a的位移信号或供电状态信号；信息输出部32e，经由信号缆线55将样品S的测量范围的表面形状(表面信息)输出至后述的信息获取部51b；供电状态显示控制部32f，在供电状态显示灯(未图示)中显示供电状态。

[0051] 供电状态显示控制部32f基于供电状态进行控制，使得在显示灯上显示目前的供电状态、或者将控制信号输出至供电线圈控制部32c。

[0052] 例如，供电状态显示控制部32f如果没有每隔一定时间送回表示工作正常信号的供电状态，则判定为供电不良，将使供电线圈63断开的控制信号输出至供电线圈控制部32c。由此，能够防止因对受电线圈13以外的异物持续供电而发热之类的事故。

[0053] 另一方面，供电状态显示控制部32f，在表示工作正常信号的供电状态被送回的情况下，点亮表示正常状态的供电状态显示灯。此时，如果处于最适合供电状态的相互位置关系，则点亮绿色，如果位于稍微偏离的位置关系，则点亮黄色，如果位于异常的位置关系，则点亮红色，操作员由此对位置偏移进行修正。

[0054] 计算机50具备CPU51、显示装置53、输入装置54。此外，若模块化地对CPU51的处理功能进行说明，则CPU51具有：输入信息输出部51a，经由信号缆线55将由输入装置54输入的输入信息输出至输入信息获取部32a；信息获取部51b，经由信号缆线55获取来自信息输出部32e的样品S的测量范围的表面形状(表面信息)；样品信息显示控制部51c，在显示装置53上显示样品S的测量范围的表面形状(表面信息)。

[0055] 如上所述，根据本发明的原子力显微镜1，在SPM主体部10中无需外部连接用的缆线，因此不会因缆线而振动。此外，通过去除连接于SPM主体部10的缆线，SPM主体部10的操作变得容易。

[0056] 此外，在配置了无线支架60之后，例如，在供电线圈63侧按压供电开始开关，虽然从那时开始供电，但是若在一定时间内没有从受电线圈13侧送回工作正常信号，则判定为供电不良，断开供电线圈63。此外，即便在供电中，也每隔一定时间监视工作正常的信号，并在位置关系偏离而导致受电线圈13侧的电压中断的情况下，断开供电线圈63。

[0057] <其他的实施方式>。

[0058] (1)虽然在上述的原子力显微镜1中，示出了样品载置台25能够在X方向、Y方向、Z方向上移动的构成，但是作为其替代，也可以是悬臂架能够在X方向、Y方向、Z方向上移动的构成。

[0059] (2)虽然在上述的原子力显微镜1中，示出了利用光杠杆型光学检测装置检测悬臂21的挠曲(位移)的构成，但是也可以是利用其他的方法而检测悬臂的挠曲的构成。

[0060] (3)虽然在上述的原子力显微镜1中，示出了利用光模块14、64进行光通信的构成，但是也可以是利用电波传送等的其他的方法进行通信的构成。另外在通过电波传送的情况下，SPM主体部的天线与无线支架的天线的配置位置，只要是能够通信的位置即可。

[0061] (4)虽然在上述的原子力显微镜1中，示出了在供电状态显示灯中进行显示的构成，但是也可以是在计算机的显示装置中显示供电状态，或者在设置于无线支架的供电状态显示灯中进行显示的构成。

[0062] (5)虽然在上述的原子力显微镜1中，示出了如下的构成：将受电线圈13与光模块14设置在壳体11内部的背面侧，将供电线圈63与光模块64设置在上部壳体61a内部的前表面侧，但是也可以是如下的构成：将受电线圈与光模块设置在壳体内部的底面侧，将供电线圈与光模块设置在壳体内部的上表面侧。

[0063] 而且，在光模块14、64之间，为了使光信号不因周围环境的光而错乱，也可以是形成包围光路或者线圈整体的壁面这样的构成。

[0064] 工业实用性

[0065] 本发明能够应用于扫描型探针显微镜等，所述扫描型探针显微镜适用于观察样品表面。

[0066] 附图标记说明

[0067] 1 原子力显微镜(扫描型探针显微镜)

[0068] 10SPM 主体部

[0069] 12 除振台(除振机构)

[0070] 13 受电线圈

[0071] 14 光模块(主体部侧收发部)

[0072] 15 高电压发生电路

[0073] 21 悬臂

[0074] 21a 探针

[0075] 23 位移测量部(传感器)

[0076] 25 压电元件(XYZ驱动机构)

[0077] 30 控制部

[0078] 42 电源信号缆线

[0079] 60无线支架

[0080] 63 供电线圈

[0081] 64 光模块(支架侧收发部)