扫描型探针显微镜的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种在扫描器的顶部搭载试料、利用光学显微镜从其上方进行观察的结构的扫描型探针显微镜，并提供一种能够进行试料的透过照明且进行基于光学显微镜的试料的观察的扫描型探针显微镜。扫描器(1)的致动器为筒状压电元件(11)，在其顶部的试料搭载部位设置与筒状压电元件的空洞连通的开口(贯通孔)，并且以非接触为前提而穿过筒状压电元件(11)的空洞内，其前端到达试料支架(3)的附近，并且在其前端配置有照明用光的照射机构(103)，通过设为上述结构，可以使来自照明用光的照射机构(103)的照明光经由试料支架(3)等而向试料的背面侧照射，从而实现基于光学显微镜的观察时的透过照明。
【专利说明】扫描型探针显微镜
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种扫描型探针显微镜，更详细来说涉及一种在试料侧进行扫描 且在试料的上方配置有探针的扫描型探针显微镜。
【背景技术】
[0002] 在以原子力显微镜（AFM)、扫描型隧道显微镜（STM)为代表的扫描型探针显微镜 (SPM)中，通过在使探针与试料表面对置的状态下使两者沿着试料表面相对地移动来进行 扫描，精密地检测各位置中的试料与探针之间的相互作用，从而获得试料表面的形状、物性 等表面信息。
[0003] S卩，在原子力显微镜中，使形成在悬臂的自由端附近的探针与试料表面对置，并且 利用光杠杆式传感器等位移检测机构来检测该悬臂的位移（挠曲），一边扫描探针向试料 表面的对置位置、一边以使基于位移检测机构的位移检测结果变得恒定的方式对探针与试 料表面之间的距离进行反馈控制，根据该反馈量来观察试料表面的三维形状等。
[0004] 另外，在扫描型隧道显微镜中，对在接近试料表面而与试料表面对置的探针和试 料之间流动的隧道电流进行检测，以使该电流值变为恒定的方式对探针与试料表面之间的 距离进行反馈控制，根据该反馈量来观察试料表面的形状等。
[0005] 在上述那样的扫描型探针显微镜中，探针相对于试料的扫描大多采用使试料侧在 沿着水平面的二维方向上微动的构造，此外，试料与探针的向接近/分离方向的移动也大 多采用使试料侧微动的构造。即，在通用的扫描型探针显微镜中，大多使用具备将搭载试料 的试料支架装配于顶部而使其在三维方向上微动的扫描器且在其上方设有探针的结构。
[0006] 作为这样的通用的扫描型探针显微镜中的扫描器而大多使用如下的扫描器：将筒 状压电元件、例如管状的压电元件用作致动器，即，在筒状压电元件的内表面与外表面的适 当位置形成电极，在该电极间赋予电位差，从而生成位移，上下地设置向水平面上的两个轴 向（Χ、γ方向）的微动区域和向垂直方向（Z方向）的微动区域，从而实现向三维方向的微 动（例如参照专利文献1、2)。
[0007] 另外，在扫描型探针显微镜中，必须进行基于光学显微镜的试料的预先观察、及把 握试料与悬臂之间的位置关系而决定分析对象位置等，为此，在通用的扫描型探针显微镜 中，大多在悬臂（探针）的更上方配置有或可以配置用于观察试料表面及悬臂等的光学显 微镜（例如参照专利文献3)。基于光学显微镜的观察所需的照明使用落射照明或侧射照明 等反射型的照明。
[0008] 需要说明的是，作为生物体观察专用的扫描型探针显微镜，公知有将保持试料的 试料支架以试料保持面朝向下方的方式配置，利用扫描器在三维方向上微动，并且在该试 料支架的下方设置悬臂且在该悬臂的更下方设有倒立显微镜的构造（例如参照专利文献 4)。使用该倒立显微镜的生物体观察专用的扫描型探针显微镜的装置结构为大规模，作为 扫描型探针显微镜的性能劣化，但在该类型的扫描型探针显微镜中，基于倒立显微镜的观 察所需的照明在夹着试料支架而与物镜相反的一侧存在有扫描器，因此采用来自与物镜相 同的方向、换句话说在下表面保持试料的试料支架的下方的反射照明。
[0009] 在先技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本特开2005-257502号公报
[0012] 专利文献2 :日本特开2005-241392号公报
[0013] 专利文献3 :日本特开2000-338027号公报
[0014] 专利文献4 :日本特开2005-274461号公报
[0015] 实用新型概要
[0016] 实用新型要解决的课题
[0017] 然而，在扫描型探针显微镜中，为了在光学显微镜中鲜明且清楚地观察试料，需要 相对于该观察部位而设置相应的照明是不言而喻的，在现有的落射照明等反射型的照明 中，虽然能够对反射率较高的不透明试料进行鲜明观察，但有时无法对生物体试料、薄膜等 进行鲜明观察。
[0018] 相对于这样的透明试料而期望基于透过照明的光学显微镜观察，但在紧凑且性能 优良的通用的扫描型探针显微镜中，将试料支架装配于扫描器的顶部并在其上搭载试料， 进而在其更上方配置有光学显微镜，从上述关系出发，无法从下方照射试料而从上方利用 光学显微镜来观察。 实用新型内容
[0019] 本实用新型是鉴于这样的实际情况而完成的，其课题在于，提供一种构成为在扫 描器的顶部搭载试料、且能够利用光学显微镜从其上方来观察的扫描型探针显微镜，还提 供一种能够进行试料的透过照明且利用光学显微镜来观察试料的扫描型探针显微镜。
[0020] 解决方案
[0021] 为了解决上述的课题，本实用新型的扫描型探针显微镜在扫描器的顶部搭载试料 且为了扫描试料而在至少沿着二维方向微动的扫描器的上方配置有与试料对置的探针，并 且在该探针的更上方配置有光学显微镜，其特征在于，上述扫描器的致动器是具有沿着中 心轴的空洞而成的筒状压电元件，且在该扫描器的试料搭载部位形成有与上述筒状压电元 件的空洞连通的开口，并且该扫描型探针显微镜具备支承构件，其基端部固定于装置的固 定部位，该支承构件以不与该筒状压电元件接触为前提而穿过所述筒状压电元件的空洞 内，其前端部到达上述试料搭载部位的附近，且在其前端部具有照明用光的照射机构（技 术方案1)。
[0022] 在此，在本实用新型中，采用如下结构：在上述扫描器的试料搭载部位借助支架装 配机构而装配试料支架，试料搭载于该试料支架上，并且在该试料支架及支架装配机构上 分别形成有与上述筒状压电元件的空洞连通的贯通孔（技术方案2)。
[0023] 另外，在本实用新型中，上述照明用光的照射机构为LED灯，该LED灯固定于所述 支承构件的前端部（技术方案3)，或者，能够采用如下结构：上述照明用光的照射机构是导 入另外设置的光源灯的光的光纤，该光纤穿过上述支承构件的内侧而使该光纤端在上述试 料支架的附近开口（技术方案4)。
[0024] 本实用新型作为通用的扫描型探针显微镜的扫描器的致动器而能够使用具有沿 着中心轴的空洞而成的筒状压电元件，并且在其顶部的试料搭载部位形成与筒状压电元件 的空洞连通的开口，通过经由上述的空洞而进行照明光的照射，从而解决课题。
[0025] S卩，在扫描器的致动器中使用筒状压电元件，在其空洞内以非接触为前提而插入 支承构件。支承构件的基端部固定在装置（扫描型探针显微镜主体）的适当固定部位，使 前端部到达至扫描器顶部的试料搭载部位附近，在其前端部设置照明用光的照射机构。而 且，在扫描器的顶部的试料搭载部位形成与筒状压电元件的空洞连通的开口。利用该结构， 夹着搭载于扫描器的顶部的试料而在其上方设置光学显微镜，在其下方设置照明用光的照 射机构，该照明光经由形成于试料搭载部位的开口而向试料的下表面照射，从而实现搭载 于扫描器上的试料的透过照明。
[0026] 实用新型效果
[0027] 根据本实用新型，在扫描器的顶部经由试料支架而搭载试料并且在其上方配置探 针、进而在其上方设有光学显微镜的通用的扫描型探针显微镜中，能够在基于光学显微镜 的试料的观察时进行透过照明，能够利用光学显微镜而鲜明地观察生物体试料、薄膜等透 明试料。
[0028] 并且，在将筒状压电元件用作扫描器的致动器的扫描型探针显微镜中，具有如下 优点：仅通过在试料的安装部位形成开口并且设法固定支承构件，就能利用现有结构而简 单地改进为具有透过照明功能的扫描型探针显微镜。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1是表示本实用新型的实施方式的结构的示意图。
[0030] 图2是图1所示的扫描器的纵向剖视图。
[0031] 图3是图2所示的扫描器的顶部附近的放大图。
[0032] 图4是本实用新型的实施方式中的透过照明单元的纵向剖视图。。
[0033] 附图标记说明如下：
[0034] 1扫描器
[0035] 11筒状压电元件
[0036] 12扫描器罩
[0037] 12a内凸缘
[0038] 2支架装配机构
[0039] 2a试料支架台座部
[0040] 2b短型配件
[0041] 2c 磁铁
[0042] 2d固定螺纹
[0043] 3 试料支架
[0044] 4 悬臂
[0045] 4a 探针
[0046] 5激光二极管
[0047] 6偏振光分光器
[0048] 7 镜子
[0049] 8 光电二极管
[0050] 9光学显微镜
[0051] 100灯支承构件
[0052] 101 杆部
[0053] 102凸缘部
[0054] 103 LED灯（照射机构）
[0055] 104 配线
[0056] 105带开关的电源
【具体实施方式】
[0057] 以下，参照附图对本实用新型的实施方式进行说明。
[0058] 图1是表示将本实用新型适用于原子力显微镜的实施方式的结构的示意图。
[0059] 试料W保持在借助支架装配机构2而装配于扫描器1的顶部的试料支架3上，扫 描器1能够在使试料支架3上的试料W向沿着其表面的X、Y方向微动的同时，向与其表面 正交的Z方向微动。
[0060] 在试料支架3的上方配置有悬臂4,该悬臂4在前端（自由端）部设有与试料W的 表面对置的探针4a。该悬臂4的位移（挠曲）通过由激光二极管5、偏振光分光器6、镜子 7及光电二极管8构成的公知的光杠杆式的位移检测机构来检测。即，从激光二极管5输 出的光被偏振光分光器6导向悬臂4的上表面，其反射光经由镜子7而射入光电二极管8。 该光电二极管8在由悬臂4向Z方向的移动引起的反射光的移动方向上将受光面分割成两 部分，能够根据该入射光量向各受光面的变化而求得悬臂4向Z方向的位移。
[0061] 通过以一边使扫描器1在X、Y方向上微动、一边使各位置中的位移检测结果变为 恒定的方式对扫描器1在Z方向上进行反馈控制，根据各位置处的反馈量而获得试料W的 凹凸等表面信息。
[0062] 在悬臂4的上方设有光学显微镜9,利用该光学显微镜9,能够进行试料支架3上 的试料W的预先观察、试料W与悬臂4的位置调整等。基于该光学显微镜9的试料观察时 的照明与以往相同地通过用于落射照明或侧射照明的照明装置（未图示）来进行，除此之 夕卜，作为本实施方式的特征，在试料W为透明试料的情况下，能够根据需要进行透过照明。
[0063] 以下，说明用于该透过照明的构造。
[0064] 图2是扫描器1的纵向剖视图，图3是其顶部附近的放大图。该扫描器1中，作为 致动器而具备筒状压电元件11，其外周隔开规定的空隙而被扫描器罩12覆盖。在扫描器罩 12的底部固定有内凸缘12a，筒状压电元件11的下端面相对于内凸缘12a固定。另外，在 筒状压电元件11的上端面借助支架装配机构2而装配有试料支架3。
[0065] 支架装配机构2由固定在筒状压电元件11的上端面的大致圆环状的试料支架台 座部2a、插入到该试料支架台座部2a的孔的短型配件2b、埋入到该短型配件2b的永久磁 铁2c、及将短型配件2b (例如日本特开2005-241392号所公开的结构）相对于试料支架台 座部2a固定的固定螺纹2d构成。试料支架3由平板状的磁性体构成，载置在短型配件2b 的上表面，从而被永久磁铁2c吸引固定。
[0066] 以上的支架装配机构2的构造自身是公知的，本实施方式的特征在于，在短型配 件2b及埋入于该短型配件2b的永久磁铁2c、及试料支架3各自中形成有贯通孔h，上述各 贯通孔h与存在于筒状压电元件11的中心的空洞连通。
[0067] 而且，将透过照明单元的灯支承构件100以相对于筒状压电元件11非接触为前提 插入到筒状压电元件11的空洞内。该灯支承构件100如在图4中示出其纵向剖视图那样， 具有在基端部具备凸缘部102且杆部101与该凸缘部102 -体形成的形状，凸缘部102固 定于扫描器罩12的下端部的内凸缘12a (参照图2)，杆部101插入到筒状压电元件11的空 洞内，其前端到达至筒状压电元件11的上端部的试料支架台座部2a的附近，在其前端安装 有LED灯103。LED灯103利用穿过杆部101内的配线104而与带开关的电源105连接。
[0068] 需要说明的是，在凸缘部102处虽省略图示，但用于供与筒状压电元件11的电极 连接的配线、与试料支架台座部2a连接的试料接地用的现有配线穿过的缺口等设置在适 当位置。
[0069] 在以上的结构中，当操作带开关的电源105而点亮LED灯103时，该光穿过形成于 短型配件2b、永久磁铁2c、及试料支架3的贯通孔h而向试料支架3上的试料W的背面照 射。因而，在透明试料的观察时能基于透过照明而进行利用光学显微镜9的观察。由此，即 使对于在现有的反射光下难以观察、无法定位扫描型探针显微镜的试料，也能够利用简单 的操作来进行正确的试料的预先观察与悬臂的定位。
[0070] 另外，在以上的实施方式中，由于不需要对扫描型探针显微镜主体特别进行设计 变更等而直接使用，仅将图4例示的透过照明单元安装于扫描器就可实现试料的透过照 明，因此对于现有的装置也能够简单地赋予透过照明功能。
[0071] 需要说明的是，在以上的实施方式中，示出了作为透过照明单元的光源而使用LED 灯的例子，但也可以对其进行替代，将来自另外配置的适当的光源灯的光通过光纤导入筒 状压电元件11的内部。在这种情况下，使用与上述实施方式相同的灯支承构件100而在其 内侧插入并支承光纤，只要使该光纤端位于试料支架台座部2a的附近即可。
[0072] 另外，在以上的实施方式中，示出了在扫描器的顶部借助试料支架而搭载有试料 的例子，但根据情况有时在扫描器的顶部直接搭载试料。本实用新型在基于上述的装置结 构而使用扫描型探针显微镜的情况下也是有效的，重点在于，若在扫描器的试料搭载部位 设置与筒状压电元件的空洞连通的开口，则能够实现与上述例子相同的作用效果。
[0073] 另外，本实用新型除了适用于上述的实施方式所示的原子力显微镜之外，还能够 同样地适用于扫描型隧道显微镜等其他种类的扫描型探针显微镜是不言而喻的。
【权利要求】
1. 一种扫描型探针显微镜，该扫描型探针显微镜在扫描器的顶部搭载试料且为了扫描 试料而在至少沿着二维方向微动的扫描器的上方配置有与试料对置的探针，并且在该探针 的更上方配置有光学显微镜，其特征在于， 所述扫描器的致动器是具有沿着中心轴的空洞而成的筒状压电元件，且在该扫描器的 试料搭载部位形成有与所述筒状压电元件的空洞连通的开口，并且所述扫描型探针显微镜 具备支承构件，其基端部固定于装置的固定部位，所述支承构件以不与该筒状压电元件接 触为前提而穿过所述筒状压电元件的空洞内，其前端部到达所述试料搭载部位的附近，且 在其前端部具有照明用光的照射机构。
2. 根据权利要求1所述的扫描型探针显微镜，其特征在于， 在所述扫描器的试料搭载部位借助支架装配机构而装配试料支架，试料搭载于该试料 支架上，并且在该试料支架及支架装配机构上分别形成有与所述筒状压电元件的空洞连通 的贯通孔。
3. 根据权利要求1或2所述的扫描型探针显微镜，其特征在于， 所述照明用光的照射机构为LED灯，该LED灯固定于所述支承构件的前端部。
4. 根据权利要求1或2所述的扫描型探针显微镜，其特征在于， 所述照明用光的照射机构是导入另外设置的光源灯的光的光纤，该光纤穿过所述支承 构件的内侧而使该光纤端在所述试料支架的附近开口。
【文档编号】G01Q60/10GK203881800SQ201420237552
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2013年5月14日
【发明者】粉川良平, 松田政夫 申请人:株式会社岛津制作所