掃描型探針顯微鏡的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種在掃描器的頂部搭載試料、利用光學顯微鏡從其上方進行觀察的結構的掃描型探針顯微鏡，并提供一種能夠進行試料的透過照明且進行基于光學顯微鏡的試料的觀察的掃描型探針顯微鏡。掃描器(1)的致動器為筒狀壓電元件(11)，在其頂部的試料搭載部位設置與筒狀壓電元件的空洞連通的開口(貫通孔)，并且以非接觸為前提而穿過筒狀壓電元件(11)的空洞內，其前端到達試料支架(3)的附近，并且在其前端配置有照明用光的照射機構(103)，通過設為上述結構，可以使來自照明用光的照射機構(103)的照明光經(jīng)由試料支架(3)等而向試料的背面?zhèn)日丈?，從而實現(xiàn)基于光學顯微鏡的觀察時的透過照明。
【專利說明】掃描型探針顯微鏡

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種掃描型探針顯微鏡，更詳細來說涉及一種在試料側進行掃描 且在試料的上方配置有探針的掃描型探針顯微鏡。

【背景技術】
[0002] 在以原子力顯微鏡（AFM)、掃描型隧道顯微鏡（STM)為代表的掃描型探針顯微鏡 (SPM)中，通過在使探針與試料表面對置的狀態(tài)下使兩者沿著試料表面相對地移動來進行 掃描，精密地檢測各位置中的試料與探針之間的相互作用，從而獲得試料表面的形狀、物性 等表面信息。
[0003] S卩，在原子力顯微鏡中，使形成在懸臂的自由端附近的探針與試料表面對置，并且 利用光杠桿式傳感器等位移檢測機構來檢測該懸臂的位移（撓曲），一邊掃描探針向試料 表面的對置位置、一邊以使基于位移檢測機構的位移檢測結果變得恒定的方式對探針與試 料表面之間的距離進行反饋控制，根據(jù)該反饋量來觀察試料表面的三維形狀等。
[0004] 另外，在掃描型隧道顯微鏡中，對在接近試料表面而與試料表面對置的探針和試 料之間流動的隧道電流進行檢測，以使該電流值變?yōu)楹愣ǖ姆绞綄μ结樑c試料表面之間的 距離進行反饋控制，根據(jù)該反饋量來觀察試料表面的形狀等。
[0005] 在上述那樣的掃描型探針顯微鏡中，探針相對于試料的掃描大多采用使試料側在 沿著水平面的二維方向上微動的構造，此外，試料與探針的向接近/分離方向的移動也大 多采用使試料側微動的構造。即，在通用的掃描型探針顯微鏡中，大多使用具備將搭載試料 的試料支架裝配于頂部而使其在三維方向上微動的掃描器且在其上方設有探針的結構。
[0006] 作為這樣的通用的掃描型探針顯微鏡中的掃描器而大多使用如下的掃描器：將筒 狀壓電元件、例如管狀的壓電元件用作致動器，即，在筒狀壓電元件的內表面與外表面的適 當位置形成電極，在該電極間賦予電位差，從而生成位移，上下地設置向水平面上的兩個軸 向（Χ、γ方向）的微動區(qū)域和向垂直方向（Z方向）的微動區(qū)域，從而實現(xiàn)向三維方向的微 動（例如參照專利文獻1、2)。
[0007] 另外，在掃描型探針顯微鏡中，必須進行基于光學顯微鏡的試料的預先觀察、及把 握試料與懸臂之間的位置關系而決定分析對象位置等，為此，在通用的掃描型探針顯微鏡 中，大多在懸臂（探針）的更上方配置有或可以配置用于觀察試料表面及懸臂等的光學顯 微鏡（例如參照專利文獻3)。基于光學顯微鏡的觀察所需的照明使用落射照明或側射照明 等反射型的照明。
[0008] 需要說明的是，作為生物體觀察專用的掃描型探針顯微鏡，公知有將保持試料的 試料支架以試料保持面朝向下方的方式配置，利用掃描器在三維方向上微動，并且在該試 料支架的下方設置懸臂且在該懸臂的更下方設有倒立顯微鏡的構造（例如參照專利文獻 4)。使用該倒立顯微鏡的生物體觀察專用的掃描型探針顯微鏡的裝置結構為大規(guī)模，作為 掃描型探針顯微鏡的性能劣化，但在該類型的掃描型探針顯微鏡中，基于倒立顯微鏡的觀 察所需的照明在夾著試料支架而與物鏡相反的一側存在有掃描器，因此采用來自與物鏡相 同的方向、換句話說在下表面保持試料的試料支架的下方的反射照明。
[0009] 在先技術文獻
[0010] 專利文獻
[0011] 專利文獻1 :日本特開2005-257502號公報
[0012] 專利文獻2 :日本特開2005-241392號公報
[0013] 專利文獻3 :日本特開2000-338027號公報
[0014] 專利文獻4 :日本特開2005-274461號公報
[0015] 實用新型概要
[0016] 實用新型要解決的課題
[0017] 然而，在掃描型探針顯微鏡中，為了在光學顯微鏡中鮮明且清楚地觀察試料，需要 相對于該觀察部位而設置相應的照明是不言而喻的，在現(xiàn)有的落射照明等反射型的照明 中，雖然能夠對反射率較高的不透明試料進行鮮明觀察，但有時無法對生物體試料、薄膜等 進行鮮明觀察。
[0018] 相對于這樣的透明試料而期望基于透過照明的光學顯微鏡觀察，但在緊湊且性能 優(yōu)良的通用的掃描型探針顯微鏡中，將試料支架裝配于掃描器的頂部并在其上搭載試料， 進而在其更上方配置有光學顯微鏡，從上述關系出發(fā)，無法從下方照射試料而從上方利用 光學顯微鏡來觀察。 實用新型內容
[0019] 本實用新型是鑒于這樣的實際情況而完成的，其課題在于，提供一種構成為在掃 描器的頂部搭載試料、且能夠利用光學顯微鏡從其上方來觀察的掃描型探針顯微鏡，還提 供一種能夠進行試料的透過照明且利用光學顯微鏡來觀察試料的掃描型探針顯微鏡。
[0020] 解決方案
[0021] 為了解決上述的課題，本實用新型的掃描型探針顯微鏡在掃描器的頂部搭載試料 且為了掃描試料而在至少沿著二維方向微動的掃描器的上方配置有與試料對置的探針，并 且在該探針的更上方配置有光學顯微鏡，其特征在于，上述掃描器的致動器是具有沿著中 心軸的空洞而成的筒狀壓電元件，且在該掃描器的試料搭載部位形成有與上述筒狀壓電元 件的空洞連通的開口，并且該掃描型探針顯微鏡具備支承構件，其基端部固定于裝置的固 定部位，該支承構件以不與該筒狀壓電元件接觸為前提而穿過所述筒狀壓電元件的空洞 內，其前端部到達上述試料搭載部位的附近，且在其前端部具有照明用光的照射機構（技 術方案1)。
[0022] 在此，在本實用新型中，采用如下結構：在上述掃描器的試料搭載部位借助支架裝 配機構而裝配試料支架，試料搭載于該試料支架上，并且在該試料支架及支架裝配機構上 分別形成有與上述筒狀壓電元件的空洞連通的貫通孔（技術方案2)。
[0023] 另外，在本實用新型中，上述照明用光的照射機構為LED燈，該LED燈固定于所述 支承構件的前端部（技術方案3)，或者，能夠采用如下結構：上述照明用光的照射機構是導 入另外設置的光源燈的光的光纖，該光纖穿過上述支承構件的內側而使該光纖端在上述試 料支架的附近開口（技術方案4)。
[0024] 本實用新型作為通用的掃描型探針顯微鏡的掃描器的致動器而能夠使用具有沿 著中心軸的空洞而成的筒狀壓電元件，并且在其頂部的試料搭載部位形成與筒狀壓電元件 的空洞連通的開口，通過經(jīng)由上述的空洞而進行照明光的照射，從而解決課題。
[0025] S卩，在掃描器的致動器中使用筒狀壓電元件，在其空洞內以非接觸為前提而插入 支承構件。支承構件的基端部固定在裝置（掃描型探針顯微鏡主體）的適當固定部位，使 前端部到達至掃描器頂部的試料搭載部位附近，在其前端部設置照明用光的照射機構。而 且，在掃描器的頂部的試料搭載部位形成與筒狀壓電元件的空洞連通的開口。利用該結構， 夾著搭載于掃描器的頂部的試料而在其上方設置光學顯微鏡，在其下方設置照明用光的照 射機構，該照明光經(jīng)由形成于試料搭載部位的開口而向試料的下表面照射，從而實現(xiàn)搭載 于掃描器上的試料的透過照明。
[0026] 實用新型效果
[0027] 根據(jù)本實用新型，在掃描器的頂部經(jīng)由試料支架而搭載試料并且在其上方配置探 針、進而在其上方設有光學顯微鏡的通用的掃描型探針顯微鏡中，能夠在基于光學顯微鏡 的試料的觀察時進行透過照明，能夠利用光學顯微鏡而鮮明地觀察生物體試料、薄膜等透 明試料。
[0028] 并且，在將筒狀壓電元件用作掃描器的致動器的掃描型探針顯微鏡中，具有如下 優(yōu)點：僅通過在試料的安裝部位形成開口并且設法固定支承構件，就能利用現(xiàn)有結構而簡 單地改進為具有透過照明功能的掃描型探針顯微鏡。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是表示本實用新型的實施方式的結構的示意圖。
[0030] 圖2是圖1所示的掃描器的縱向剖視圖。
[0031] 圖3是圖2所示的掃描器的頂部附近的放大圖。
[0032] 圖4是本實用新型的實施方式中的透過照明單元的縱向剖視圖。。
[0033] 附圖標記說明如下：
[0034] 1掃描器
[0035] 11筒狀壓電元件
[0036] 12掃描器罩
[0037] 12a內凸緣
[0038] 2支架裝配機構
[0039] 2a試料支架臺座部
[0040] 2b短型配件
[0041] 2c 磁鐵
[0042] 2d固定螺紋
[0043] 3 試料支架
[0044] 4 懸臂
[0045] 4a 探針
[0046] 5激光二極管
[0047] 6偏振光分光器
[0048] 7 鏡子
[0049] 8 光電二極管
[0050] 9光學顯微鏡
[0051] 100燈支承構件
[0052] 101 桿部
[0053] 102凸緣部
[0054] 103 LED燈（照射機構）
[0055] 104 配線
[0056] 105帶開關的電源

【具體實施方式】
[0057] 以下，參照附圖對本實用新型的實施方式進行說明。
[0058] 圖1是表示將本實用新型適用于原子力顯微鏡的實施方式的結構的示意圖。
[0059] 試料W保持在借助支架裝配機構2而裝配于掃描器1的頂部的試料支架3上，掃 描器1能夠在使試料支架3上的試料W向沿著其表面的X、Y方向微動的同時，向與其表面 正交的Z方向微動。
[0060] 在試料支架3的上方配置有懸臂4,該懸臂4在前端（自由端）部設有與試料W的 表面對置的探針4a。該懸臂4的位移（撓曲）通過由激光二極管5、偏振光分光器6、鏡子 7及光電二極管8構成的公知的光杠桿式的位移檢測機構來檢測。即，從激光二極管5輸 出的光被偏振光分光器6導向懸臂4的上表面，其反射光經(jīng)由鏡子7而射入光電二極管8。 該光電二極管8在由懸臂4向Z方向的移動引起的反射光的移動方向上將受光面分割成兩 部分，能夠根據(jù)該入射光量向各受光面的變化而求得懸臂4向Z方向的位移。
[0061] 通過以一邊使掃描器1在X、Y方向上微動、一邊使各位置中的位移檢測結果變?yōu)?恒定的方式對掃描器1在Z方向上進行反饋控制，根據(jù)各位置處的反饋量而獲得試料W的 凹凸等表面信息。
[0062] 在懸臂4的上方設有光學顯微鏡9,利用該光學顯微鏡9,能夠進行試料支架3上 的試料W的預先觀察、試料W與懸臂4的位置調整等?；谠摴鈱W顯微鏡9的試料觀察時 的照明與以往相同地通過用于落射照明或側射照明的照明裝置（未圖示）來進行，除此之 夕卜，作為本實施方式的特征，在試料W為透明試料的情況下，能夠根據(jù)需要進行透過照明。
[0063] 以下，說明用于該透過照明的構造。
[0064] 圖2是掃描器1的縱向剖視圖，圖3是其頂部附近的放大圖。該掃描器1中，作為 致動器而具備筒狀壓電元件11，其外周隔開規(guī)定的空隙而被掃描器罩12覆蓋。在掃描器罩 12的底部固定有內凸緣12a，筒狀壓電元件11的下端面相對于內凸緣12a固定。另外，在 筒狀壓電元件11的上端面借助支架裝配機構2而裝配有試料支架3。
[0065] 支架裝配機構2由固定在筒狀壓電元件11的上端面的大致圓環(huán)狀的試料支架臺 座部2a、插入到該試料支架臺座部2a的孔的短型配件2b、埋入到該短型配件2b的永久磁 鐵2c、及將短型配件2b (例如日本特開2005-241392號所公開的結構）相對于試料支架臺 座部2a固定的固定螺紋2d構成。試料支架3由平板狀的磁性體構成，載置在短型配件2b 的上表面，從而被永久磁鐵2c吸引固定。
[0066] 以上的支架裝配機構2的構造自身是公知的，本實施方式的特征在于，在短型配 件2b及埋入于該短型配件2b的永久磁鐵2c、及試料支架3各自中形成有貫通孔h，上述各 貫通孔h與存在于筒狀壓電元件11的中心的空洞連通。
[0067] 而且，將透過照明單元的燈支承構件100以相對于筒狀壓電元件11非接觸為前提 插入到筒狀壓電元件11的空洞內。該燈支承構件100如在圖4中示出其縱向剖視圖那樣， 具有在基端部具備凸緣部102且桿部101與該凸緣部102 -體形成的形狀，凸緣部102固 定于掃描器罩12的下端部的內凸緣12a (參照圖2)，桿部101插入到筒狀壓電元件11的空 洞內，其前端到達至筒狀壓電元件11的上端部的試料支架臺座部2a的附近，在其前端安裝 有LED燈103。LED燈103利用穿過桿部101內的配線104而與帶開關的電源105連接。
[0068] 需要說明的是，在凸緣部102處雖省略圖示，但用于供與筒狀壓電元件11的電極 連接的配線、與試料支架臺座部2a連接的試料接地用的現(xiàn)有配線穿過的缺口等設置在適 當位置。
[0069] 在以上的結構中，當操作帶開關的電源105而點亮LED燈103時，該光穿過形成于 短型配件2b、永久磁鐵2c、及試料支架3的貫通孔h而向試料支架3上的試料W的背面照 射。因而，在透明試料的觀察時能基于透過照明而進行利用光學顯微鏡9的觀察。由此，即 使對于在現(xiàn)有的反射光下難以觀察、無法定位掃描型探針顯微鏡的試料，也能夠利用簡單 的操作來進行正確的試料的預先觀察與懸臂的定位。
[0070] 另外，在以上的實施方式中，由于不需要對掃描型探針顯微鏡主體特別進行設計 變更等而直接使用，僅將圖4例示的透過照明單元安裝于掃描器就可實現(xiàn)試料的透過照 明，因此對于現(xiàn)有的裝置也能夠簡單地賦予透過照明功能。
[0071] 需要說明的是，在以上的實施方式中，示出了作為透過照明單元的光源而使用LED 燈的例子，但也可以對其進行替代，將來自另外配置的適當?shù)墓庠礋舻墓馔ㄟ^光纖導入筒 狀壓電元件11的內部。在這種情況下，使用與上述實施方式相同的燈支承構件100而在其 內側插入并支承光纖，只要使該光纖端位于試料支架臺座部2a的附近即可。
[0072] 另外，在以上的實施方式中，示出了在掃描器的頂部借助試料支架而搭載有試料 的例子，但根據(jù)情況有時在掃描器的頂部直接搭載試料。本實用新型在基于上述的裝置結 構而使用掃描型探針顯微鏡的情況下也是有效的，重點在于，若在掃描器的試料搭載部位 設置與筒狀壓電元件的空洞連通的開口，則能夠實現(xiàn)與上述例子相同的作用效果。
[0073] 另外，本實用新型除了適用于上述的實施方式所示的原子力顯微鏡之外，還能夠 同樣地適用于掃描型隧道顯微鏡等其他種類的掃描型探針顯微鏡是不言而喻的。
【權利要求】
1. 一種掃描型探針顯微鏡，該掃描型探針顯微鏡在掃描器的頂部搭載試料且為了掃描 試料而在至少沿著二維方向微動的掃描器的上方配置有與試料對置的探針，并且在該探針 的更上方配置有光學顯微鏡，其特征在于， 所述掃描器的致動器是具有沿著中心軸的空洞而成的筒狀壓電元件，且在該掃描器的 試料搭載部位形成有與所述筒狀壓電元件的空洞連通的開口，并且所述掃描型探針顯微鏡 具備支承構件，其基端部固定于裝置的固定部位，所述支承構件以不與該筒狀壓電元件接 觸為前提而穿過所述筒狀壓電元件的空洞內，其前端部到達所述試料搭載部位的附近，且 在其前端部具有照明用光的照射機構。
2. 根據(jù)權利要求1所述的掃描型探針顯微鏡，其特征在于， 在所述掃描器的試料搭載部位借助支架裝配機構而裝配試料支架，試料搭載于該試料 支架上，并且在該試料支架及支架裝配機構上分別形成有與所述筒狀壓電元件的空洞連通 的貫通孔。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的掃描型探針顯微鏡，其特征在于， 所述照明用光的照射機構為LED燈，該LED燈固定于所述支承構件的前端部。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的掃描型探針顯微鏡，其特征在于， 所述照明用光的照射機構是導入另外設置的光源燈的光的光纖，該光纖穿過所述支承 構件的內側而使該光纖端在所述試料支架的附近開口。
【文檔編號】G01Q60/10GK203881800SQ201420237552
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權日:2013年5月14日
【發(fā)明者】粉川良平, 松田政夫 申請人:株式會社島津制作所