(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を有するカンチレバーを備え、前記カンチレバーと試料との試料面方向の相対位置を変えながら、前記カンチレバーと試料との間の原子間力によって生ずる相互作用量が一定となるように、試料面に対する前記カンチレバーの高さ方向の位置を制御することで、試料の表面の情報を取得する原子間力顕微鏡であって、さらに、
前記カンチレバーを支持するカンチレバー支持具と、
前記高さ方向を駆動方向として前記カンチレバー支持具を振動させる、一つのＺスキャナとを備え、
前記一つのＺスキャナによって振動される前記カンチレバー支持具は、前記Ｚスキャナの駆動方向に直交する方向に突出したカンチレバー取付部と、前記カンチレバー取付部の突出方向と反対方向に突出したバランス突出部を有している
ことを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項２】
前記カンチレバー支持具は、前記Ｚスキャナの駆動により生じるモーメントが釣り合う形状及び比重分布で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３】
前記カンチレバー支持具は、前記Ｚスキャナの駆動軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と垂直な第２の平面について、面対称の形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４】
前記カンチレバー支持具は、前記Ｚスキャナの駆動軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と平行な第１の平面について、面対称の形状を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の原子間力顕微鏡。
【請求項５】
前記カンチレバー支持具は、頂部に前記Ｚスキャナに取り付けられる取付面が形成され、前記取付面から斜め下方向に第１の脚部が延伸し、前記第１の脚部と反対方向に第２の脚部が延伸し、前記第１の脚部と前記第２の脚部は下端部で横脚部によって連結され、前記第１の脚部と前記横脚部との連結部から前記カンチレバー取付部が突出し、前記第２の脚部と前記横脚部との連結部から前記カンチレバー取付部と同形状の前記バランス突出部が突出した形状を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の原子間力顕微鏡。
【請求項６】
前記カンチレバー支持具は、頂部に前記Ｚスキャナに取り付けられる取付面が形成された略台形円錐形状を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の原子間力顕微鏡。
【請求項７】
前記カンチレバー取付部に前記カンチレバーが取り付けられるとともに、前記バランス突出部に試料の表面の情報の取得に用いられないダミーカンチレバーが取り付けられることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の原子間力顕微鏡。
【請求項８】
カンチレバーを支持して、試料面に対する前記カンチレバーの高さ方向を駆動方向として振動する原子間力顕微鏡の一つのＺスキャナに取り付けられるカンチレバー支持具であって、
前記一つのＺスキャナの駆動方向に直交する方向に突出したカンチレバー取付部と、前記カンチレバー取付部の突出方向と反対方向に突出したバランス突出部を有していることを特徴とするカンチレバー支持具。
【請求項９】
前記Ｚスキャナに取り付けられたときに前記Ｚスキャナの駆動軸と一致する軸を中心軸として、当該中心軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と垂直な第２の平面について、面対称の形状を有することを特徴とする請求項８に記載のカンチレバー支持具。
【請求項１０】
前記Ｚスキャナに取り付けられたときに前記Ｚスキャナの駆動軸と一致する軸を中心軸として、当該中心軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と平行な第１の平面について、面対称の形状を有することを特徴とする請求項８又は９に記載のカンチレバー支持具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子間力顕微鏡及びそのカンチレバー支持具に関する。本発明は、光てこ法等の光を使った測定法でカンチレバーの変位を検出する高速原子間力顕微鏡及びそのカンチレバー支持具に好適に適用される。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）は、先端に探針を有するカンチレバーと試料との間の原子間力によって生ずる相互作用量を検出することで、試料の表面の情報を取得する顕微鏡である。相互作用によってカンチレバーが撓むので、原子間力顕微鏡は、この撓み量を相互作用量として検出し（ＤＣモードの場合）、又はこのカンチレバーの撓みによるカンチレバーの振動の振幅変化量、位相変化量、周波数変化量を相互作用量として検出する（ＡＣモードの場合）。
【０００３】
原子間力顕微鏡では、カンチレバーと試料との試料面方向（Ｘ−Ｙ方向）の相対位置を変えながら、即ち、カンチレバーを試料に対して試料面方向に相対的に走査しながら、相互作用量が一定となるように、カンチレバーの高さ（Ｚ方向の位置）、もしくは、試料ステージの高さ（Ｚ方向の位置）をフィードバック制御し、その制御量に基づいて、試料の表面の各点の高さや物性の情報を取得する。
【０００４】
このような原子間力顕微鏡において、カンチレバーを試料に対してＸＹＺ方向に相対的に移動させる方法には、試料ステージ側を移動するステージ・スキャン方式と、カンチレバー側を移動するチップ・スキャン方式とがある。チップ・スキャン方式は、質量の小さいカンチレバーを移動するだけでよいので、試料が大きい場合にも適用でき、また、カンチレバーと試料との相対移動を高速化できるという利点がある。
【０００５】
チップ・スキャン方式では、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向について、それぞれアクチュエータが用いられる。アクチュエータには、例えばピエゾアクチュエータが用いられる。一般的には、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向のうち、Ｚ方向の走査周波数が最も高いので、Ｚ走査用アクチュエータが末端に設けられる。即ち、Ｚ走査用アクチュエータに、カンチレバー支持用のジグを介してカンチレバーが取り付けられ、ジグに支持されたカンチレバーをＺ走査用アクチュエータとともにＸ方向（又はＹ方向）に駆動するＸ走査用（又はＹ走査用）アクチュエータが設けられ、かつ、カンチレバー、カンチレバーを保持するジグ、ジグを保持するＺ走査用アクチュエータ、及びＸ走査用（又はＹ走査用）アクチュエータの全体をＹ方向（又はＸ方向）に駆動するＹ走査用（又はＸ走査用）アクチュエータが設けられる。
【０００６】
従来の原子間力顕微鏡では、カンチレバーにレーザ光を照射して、その反射光を検出して、カンチレバーの撓みによる変位を計測する光てこ法等が採用されている。このため、チップ・スキャン型の原子間力顕微鏡では、カンチレバーは、Ｚ走査用アクチュエータによってレーザ光が遮られないように、Ｚ走査用アクチュエータから外側にＸＹ平面方向に突出させる必要がある。
【０００７】
図９は、Ｚ走査用アクチュエータに取り付けられた従来のカンチレバーを示す図である。カンチレバー１は、ジグ２を介してＺ走査用ピエゾアクチュエータ３に取り付けられている。図９に示すように、カンチレバー１は、ジグ２の先端部分２ａの下面に、ジグ２の先端部分２ａから上面１ａが僅かに突出するように取り付けられる。これにより、カンチレバー１の上面１ａにレーザ光を当て、かつこの上面１ａから反射したレーザ光を二分割フォトダイオード等のセンサにより検知することで、カンチレバー１の撓みによるＺ方向の変位を検出する。
【０００８】
カンチレバー１の上面１ａに入射するレーザ光及びカンチレバー１の上面１ａから反射するレーザ光がＺ走査用ピエゾアクチュエータ３によって遮られないように、図９に示すように、ジグ２の先端部分２ａは、Ｚ走査用ピエゾアクチュエータ３に対して、ＸＹ平面方向に突出している。これによって、レーザ光の光路を確保でき、光てこ法等の光を使った測定法によるカンチレバー１の撓みによるＺ方向の変位の検出が可能になる。
【０００９】
上記のような従来技術は、例えば特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０８−０８３７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図１に示すように、ジグ２をＺ走査用ピエゾアクチュエータ３に対して一方向に突出させた上で、このようなジグ２をＺ走査用ピエゾアクチュエータ３によって高速に振動させると、ジグ２にトルクがかかり、ジグ２は一定範囲内の回転を伴いながらＺ方向の振動をする。また、Ｚ走査用ピエゾアクチュエータ３もジグ２からトルクを受けて、ジグ２の突出方向への揺れを伴いながらＺ方向の振動をする。
【００１２】
このようなジグ２やＺ走査用ピエゾアクチュエータ３の望ましくない振動が発生すると、光てこ法等の光を使った検出方式においてカンチレバー１と試料との間の原子間力によるカンチレバー１の撓み量や振動の変化量等を正確に検出できなくなる。カンチレバー１をＺ方向に低速で駆動する場合には、上記の望ましくない振動の発生は問題とならないが、カンチレバー１をＺ方向に高速で駆動するほど、上記の望ましくない振動が顕著となる。
【００１３】
図１０は、図９に示すジグ２でカンチレバー１をＺ走査用ピエゾアクチュエータ３に固定した場合の振動特性を示すグラフである。図１０は、Ｚ走査用ピエゾアクチュエータ３を一定の振幅で振動周波数を変化させながら正弦波振動させて、ゲイン及び位相を観察した結果を示している。図１０のグラフの横軸は、振動周波数（対数表示をしている）であり、縦軸の左側目盛りはゲイン（ｄＢ）を表し、右側目盛りは位相（ｄｅｇ）を表す。
【００１４】
ここで、縦軸のゲインは、カンチレバー１のＺ方向の振幅である。ゲインが０になる場合は、カンチレバー１が、入力振動（Ｚ走査用ピエゾアクチュエータの振動）と完全に同じ振動をすることを意味する。また、縦軸の位相は、入力振動（Ｚ走査用ピエゾアクチュエータの振動）に対するカンチレバーの振動の位相差である。ジグに望ましくない振動が生じていない場合には、ゲインがピークになる周波数で位相が−９０度となる。図１０から分かるように、図９のような従来の構造のジグを用いた場合には、１ｋＨｚと２ｋＨｚで既に振動が現れ、１０ｋＨｚ以上では激しく振動する。共振周波数は１２ｋＨｚ程度である。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、カンチレバーをＺ方向に高速に駆動した場合にも、光てこ法等の光を使った測定法でカンチレバーと試料との間の原子間力による相互作用量を正確に検出できる原子間力顕微鏡及びそのカンチレバー支持具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記従来の課題を解決するために、本発明の原子間力顕微鏡は、探針を有するカンチレバーを備え、前記カンチレバーと試料との試料面方向の相対位置を変えながら、前記カンチレバーと試料との間の原子間力によって生ずる相互作用量が一定となるように、試料面に対する前記カンチレバーの高さ方向の位置を制御することで、試料の表面の情報を取得する原子間力顕微鏡であって、この原子間力顕微鏡は、さらに、前記カンチレバーを支持するカンチレバー支持具と、前記高さ方向を駆動方向として前記カンチレバー支持具を駆動するＺスキャナとを備えている。そして、前記カンチレバー支持具は、前記Ｚスキャナの駆動方向に直交する方向に突出したカンチレバー取付部と、前記カンチレバー取付部の突出方向と反対方向に突出したバランス突出部を有している。
【００１７】
このように、カンチレバー取付部が、Ｚスキャナの駆動方向に直交する方向に突出しているので、光てこ法等の光を使った測定法によるカンチレバーの変位の検出が可能になるとともに、バランス突出部がカンチレバー取付部の突出方向と反対方向に突出しているので、Ｚスキャナを高速に駆動した場合にも、カンチレバー取付部によってジグやＺスキャナに生じるモーメントをバランス突出部が打ち消し、これによって、ジグやＺスキャナにはモーメントによる撓みが生じにくくなり、光てこ法等の光を使った測定法でカンチレバーと試料との間の原子間力による相互作用量を正確に検出できる。
【００１８】
前記カンチレバー支持具は、前記Ｚスキャナの駆動により生じるモーメントが釣り合う形状及び比重分布で構成されていてよい。
【００１９】
この構成により、ジグやＺスキャナに生じるモーメントは、カンチレバー取付部とバランス突出部とで打ち消されるので、ジグやＺスキャナにはモーメントによる変形は生じない。
【００２０】
前記カンチレバー支持具は、前記Ｚスキャナの駆動軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と垂直な第２の平面について、面対称の形状を有していてよく、さらに、前記Ｚスキャナの駆動軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と平行な第１の平面について、面対称の形状を有していてよい。
【００２１】
これにより、簡単な構成によって、カンチレバー取付部とバランス突出部によるモーメントが釣り合う構成を実現できる。
【００２２】
前記カンチレバー支持具は、頂部に前記Ｚスキャナに取り付けられる取付面が形成され、前記取付面から斜め下方向に第１の脚部が延伸し、前記第１の脚部と反対方向に第２の脚部が延伸し、前記第１の脚部と前記第２の脚部は下端部で横脚部によって連結され、前記第１の脚部と前記横脚部との連結部から前記カンチレバー取付部が突出し、前記第２の脚部と前記横脚部との連結部から前記カンチレバー取付部と同形状の前記バランス突出部が突出した形状を有していてよい。
【００２３】
この構成により、Ｚスキャナの駆動軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と平行な第１の平面及びＺスキャナの駆動軸を含みカンチレバー取付部の突出方向と垂直な第２の平面中の何れについても面対称となる形状を実現できるとともに、軽量なジグを構成できる。
【００２４】
前記カンチレバー支持具は、頂部に前記Ｚスキャナに取り付けられる取付面が形成された略台形円錐形状を有していてよい。
【００２５】
この構成によってもＺスキャナの駆動軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と平行な第１の平面及びＺスキャナの駆動軸を含みカンチレバー取付部の突出方向と垂直な第２の平面中の何れについても面対称となる形状を実現でき、特に、Ｚスキャナの駆動軸を含むどの面についても面対称な形状を実現できる。
【００２６】
前記カンチレバー取付部に前記カンチレバーが取り付けられるとともに、前記バランス突出部に試料の表面の情報の取得に用いられないダミーカンチレバーが取り付けられてよい。
【００２７】
この構成により、カンチレバーの質量も含めてカンチレバー取付部側とバランス突出部側でバランスしたジグを実現できる。
【００２８】
本発明の別の態様は、カンチレバーを支持して、試料面に対する前記カンチレバーの高さ方向を駆動方向として駆動する原子間力顕微鏡のＺスキャナに取り付けられるカンチレバー支持具であって、前記Ｚスキャナの駆動方向に直交する方向に突出したカンチレバー取付部と、前記カンチレバー取付部の突出方向と反対方向に突出したバランス突出部を有している。
【００２９】
このジグによっても、上記と同様に、カンチレバー取付部が、Ｚスキャナの駆動方向に直交する方向に突出しているので、光てこ法等の光を使った測定法によるカンチレバーの変位の検出が可能になるとともに、バランス突出部がカンチレバー取付部の突出方向と反対方向に突出しているので、Ｚスキャナを高速に駆動した場合にも、カンチレバー取付部によってジグやＺスキャナに生じるモーメントをバランス突出部が打ち消し、これによって、ジグやＺスキャナにはモーメントによる撓みが生じにくくなり、光てこ法等の光を使った測定法でカンチレバーと試料との間の原子間力による相互作用量を正確に検出できる。
【００３０】
前記Ｚスキャナに取り付けられたときに前記Ｚスキャナの駆動軸と一致する軸を中心軸として、当該中心軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と垂直な第２の平面について、面対称の形状を有していてよく、さらに、前記Ｚスキャナに取り付けられたときに前記Ｚスキャナの駆動軸と一致する軸を中心軸として、当該中心軸を含み前記カンチレバー取付部の突出方向と平行な第１の平面について、面対称の形状を有していてよい。
【００３１】
これにより、簡単な構成によって、カンチレバー取付部とバランス突出部によるモーメントが釣り合う構成を実現できる。  
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、カンチレバーをＺ方向に高速に駆動した場合にも、光てこ法等の光を使った測定法でカンチレバーの試料との間の原子間力による相互作用量を正確に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるジグの正面図
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるジグの側面図
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるジグの斜視図
【図４】本発明の実施の形態における原子間力顕微鏡の構成図
【図５】本発明の実施の形態におけるジグを用いた場合の振動特性を示すグラフ
【図６】本発明の第２の実施の形態におけるジグの平面図
【図７】本発明の第２の実施の形態におけるジグの断面図
【図８】本発明の第２の実施の形態におけるジグの斜視図
【図９】従来のジグの斜視図
【図１０】従来のジグを用いた場合の振動特性を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に本発明の詳細な説明を述べる。以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規定される。
【００３５】
図１〜図３は、本発明の実施の形態の原子間力顕微鏡に採用されるジグの実施の形態を示す図であり、図４は、本発明の実施の形態における原子間力顕微鏡の構成図である。以下では、まず、図４を参照して原子間力顕微鏡の全体の構成を説明して、その後にジグの構成を詳細に説明する。
【００３６】
図４において、左右方向をＸ方向、上下方向をＺ方向、紙面と垂直な方向をＹ方向とする。原子間力顕微鏡１００は、探針を有するカンチレバーを備え、前記カンチレバーと試料との試料面方向の相対位置を変えながら、前記カンチレバーと試料との間の原子間力によって生ずる相互作用量が一定となるように、試料面に対する前記カンチレバーの高さ方向の位置を制御することで、試料の表面の情報を取得する顕微鏡である。
【００３７】
図４に示すように、原子間力顕微鏡１００は、顕微鏡本体１０と、処理部２０と、モニタ３０とを備えている。顕微鏡本体１０は、Ｘ−Ｙスキャナ１１、Ｚスキャナ１２、ジグ１３、カンチレバー１４、ダミーカンチレバー１４’、ピエゾドライバ１５、レーザ光源１６、二分割フォトダイオード１７、及び試料ステージ１８を備えている。
【００３８】
Ｘ−Ｙスキャナ１１には、Ｚスキャナ１２が取り付けられている。Ｘ−Ｙスキャナ１１は、Ｚスキャナ１２をＸ方向及びＹ方向に移動させる。Ｚスキャナ１２には、カンチレバー１４の支持具であるジグ１３が取り付けられている。ジグ１３には、カンチレバー１４が取り付けられている。Ｚスキャナ１２は、ジグ１３及びジグ１３に支持されたカンチレバー１４を試料面に対する前記カンチレバーの高さ方向（Ｚ方向）に移動させる。即ち、ジグ１３は、Ｚスキャナ１２のＺ方向の駆動に従ってカンチレバー１４がＺ方向に移動するように、Ｚスキャナ１２とカンチレバー１４とにそれぞれ固定された剛性の高い部材である。
【００３９】
Ｘ−Ｙスキャナ１１及びＺスキャナ１２は、ピエゾアクチュエータで構成される。ピエゾドライバ１５は、処理部２０から入力される制御信号に基づいて、Ｘ−Ｙスキャナ１１及びＺスキャナ１２にそれぞれ駆動信号を供給する。Ｘ−Ｙスキャナ１１及びＺスキャナ１２はそれぞれ駆動信号に従って駆動する。Ｚスキャナ１２は、Ｚ方向に長い四角柱形状である。Ｚスキャナ１２は、Ｚ方向に長い円柱形状であってもよい。
【００４０】
カンチレバー１４の下面には探針が設けられている（探針はカンチレバー１４の大きさに比べてきわめて小さいため、図４では図示していない）。顕微鏡本体１０は、試料ステージ１８に試料Ｓが載せられたときに、カンチレバー１４の探針の先端が試料Ｓの表面に接近するように構成されている。カンチレバー１４は、探針が下を向くように、ジグ１３の下面に取り付けられており、先端部分がジグ１３の先端部分から突出している。ジグ１３にはカンチレバー１４のほか、ダミーカンチレバー１４’が取り付けられている。ダミーカンチレバー１４’は、カンチレバー１４と同じ構成を有する部材であるが、試料の表面の情報の取得に用いられない。ジグ１３、カンチレバー１４、及びダミーカンチレバー１４’を含む構造については後述する。
【００４１】
レーザ光源１６は、カンチレバー１４のジグ１３から突出した先端部分にレーザ光を照射するように設置されている。二分割フォトダイオード１７は、レーザ光源１６から照射されてカンチレバー１４で反射する反射光の光路上に設けられている。カンチレバー１４の下面に設けられた探針と試料との間の原子間力によってカンチレバー１４が撓むと、レーザ光の反射方向が変化するので、これを二分割フォトダイオード１７で検知する。この構成により、光てこ法を採用してカンチレバー１４の変位を測定できる。なお、原子間力顕微鏡１００は、カンチレバー１４の変位を測定する方法として、光干渉法を採用する構成を有していてもよい。
【００４２】
処理部２０は、振幅計測部２１、減算器２２、ＰＩＤ演算部２３、及び演算制御部２４を備えている。振幅計測部２１は、二分割フォトダイオード１７に接続されている。振幅計測部２１には、二分割フォトダイオード１７の出力電流が入力される。
【００４３】
本実施の形態の原子間力顕微鏡１００は、ＡＣモードを採用しており、試料の計測において、Ｚスキャナ１２を正弦波振動させるとともに、カンチレバー１４の探針と試料との原子間力による変化量が加わった振動の振幅を振幅計測部２１にて計測する。振幅計測部２１は、二分割フォトダイオード１７から出力される電流に基づいてカンチレバー１４の振幅を計測して、計測値を出力する。振幅計測部２１の出力端子は、減算器２２の第１の入力端子（非反転入力端子）に接続されている。なお、本発明は、ＤＣモードにも適用できる。その場合には振幅計測部２１は不要であり、二分割フォトダイオード１７の出力は、減算器２２の第１の入力端子に入力される。
【００４４】
減算器２２の第２の入力端子（反転入力端子）には、制御のための定値（セットポイント）が入力される。減算器２２は、振幅計測部２１から出力された計測値減算器２２の出力はＰＩＤ演算部２３の入力に接続されている。ＰＩＤ演算部２３は、減算器２２の出力に対して、比例演算、積分演算、微分演算を行って、Ｚスキャナ１２に対する制御値を算出する。ＰＩＤ演算部２３の出力は、演算制御部２４の入力端子及びピエゾドライバ１５のＺ入力端子に接続されている。
【００４５】
演算制御部２４は、ＰＩＤ演算部２３から入力されるＺスキャナに対する制御値を、その制御値が得られたＸＹ座標と対応付けることで、当該ＸＹ座標における試料の高さや物性の情報を生成する。ＸＹ座標ごとの試料の高さや物性の情報は画像情報の形態で、モニタ３０に出力される。演算制御部２４のＸ出力端子及びＹ出力端子は、それぞれピエゾドライバ１５のＸ入力端子及びＹ入力端子に接続されている。演算制御部２４は、カンチレバー１４を試料Ｓに対してＸＹ面内で走査するためのＸスキャナ及びＹスキャナ用の制御信号をそれぞれＸ出力端子及びＹ出力端子から出力する。
【００４６】
次に、本実施の形態のジグ及びカンチレバーの構成を詳しく説明する。以下の説明において、Ｚスキャナ１２の中心を通り、Ｚスキャナ１２の駆動方向、即ちＺ方向に伸びる軸をＺスキャナ１２の駆動軸といい、ジグ１３がＺスキャナ１２に取り付けられたときに、Ｚスキャナ１２の駆動軸と重なるジグ１３の軸をジグ１３の中心軸という。
【００４７】
ジグ１３は、中心軸を含む第１の平面と平行な方向に、Ｚスキャナ１２への取付面から遠ざかるに従って中心軸から離れるように突出した第１の突出部を有している。この第１の突出部にカンチレバー１４が取り付けられる。そして、第１の平面と平行で、かつ第１の突出部とは反対の方向に突出する第２の突出部を有している。この第２の突出部は、第１の突出部とバランスをとるためのものであり、本発明のバランス突出部に相当する。本実施の形態のジグ１３は、第１の平面と直行する第２の平面について、面対称の形状を有している。さらに、ジグ１３は、第１の平面についても、面対称の形状を有している。
【００４８】
以下、図１〜３を参照して、本実施の形態のジグ１３の具体的な形状を説明する。図１、図２、図３は、それぞれ本実施の形態のジグの正面図、側面図、斜視図である。以下では、図１の左右方向をＸ方向、上下方向をＺ方向とし、図２の左右方向をＹ方向、上下方向をＺ方向として説明する。なお、このＸ、Ｙ、Ｚの各方向は、図４のＸ、Ｙ、Ｚ方向と一致している。
【００４９】
まず、図１の正面図を参照して、本実施の形態のジグ１３の正面視の形状を説明する。以下、適宜図３の斜視図も参照されたい。ジグ１３は、中心軸Ｃについて左右（Ｘ方向）に対称の形状を有している。ジグ１３は、概ね上向きの三角形状をしている。三角形の頂部はＺスキャナ１２に取り付けられる平坦な取付面１３１となっている。
【００５０】
取付面１３１は、平面視で四角形であり、中心軸Ｃはこの四角形の中心を通る。取付面１３１から左斜め下方向に左脚部１３２が延伸し、右斜め下方向に右脚部１３３が延伸している。左脚部１３２と右脚部１３３は下端部で、Ｘ方向に伸びる横脚部１３４によって連結されている。この構成により、左脚部１３２、右脚部１３３、及び横脚部１３４によって三角形の構造が形成され、三角形の内部は中空となっていている。
【００５１】
左脚部１３２と横脚部１３４との連結部からは、カンチレバー取付部１３５が左方向に突出している。また、右脚部１３３と横脚部１３４との連結部からは、ダミーカンチレバー取付部１３６が右方向に突出している。カンチレバー取付部１３５及びダミーカンチレバー取付部１３６の下面は、水平から若干下向きに傾いている。
【００５２】
ジグ１３の取付面１３１とＺスキャナ１２の下面の形状は一致している。ジグ１３は、取付面１３１の中心がＺスキャナ１２の下面の中心と一致するように、Ｚスキャナ１２に取り付けられる。ジグ１３は、Ｚスキャナ１２に取り付けられた状態で、カンチレバー取付部１３５が、取付面１３１からＺスキャナ１２の駆動方向に直交する方向に突出するとともに、Ｚスキャナ１２の駆動軸に対してカンチレバー取付部１３５の突出方向と反対方向にもダミーカンチレバー取付部１３６が突出することになる。
【００５３】
ジグ１３の材質は、ジュラルミンであり、全体的に一様な密度（比重分布）となっている。ジグ１３の材質としては、アルミニウム、ＰＥＥＫ樹脂、ガラス等を採用してもよい。ジグ１３は、金型成型により製造できる。
【００５４】
カンチレバー１４の先端部の下面には探針が設けられている。カンチレバー１４は、探針を有する下面が下向きになるように、その上面がカンチレバー取付部１３５の下面に固定される。カンチレバー１４は、探針を有する先端部がカンチレバー取付部１３５の先端から突出するように取り付けられる。これにより、カンチレバー取付部１３５の先端から突出したカンチレバー１４の上面部分は、レーザ光反射面１４１となる。
【００５５】
ダミーカンチレバー１４’は、カンチレバー１４と左右対称となる位置及び姿勢でダミーカンチレバー取付部１３６に取り付けられる。即ち、ダミーカンチレバー１４’は、先端部がダミーカンチレバー取付部１３６の先端から突出するように、その上面がダミーカンチレバー取付部１３６の下面に固定される。ダミーカンチレバー１４’は、カンチレバー１４と同一の構成を有するものである。
【００５６】
次に、図２を参照して、側面方向から見たジグ１３の形状を説明する。ジグ１３は、図２に示すように側面方向（Ｘ方向）から見ると、左右（Ｙ方向）に対称な形状を有している。ジグ１３は、左右方向に一定の幅を有している。カンチレバー１４及びダミーカンチレバー１４’は、左右方向の中央に取り付けられる。
【００５７】
以上のように構成されたジグ１３の作用を説明する。ジグ１３は、Ｚスキャナ１２によって、数十ｋＨｚ程度の周波数でＺ方向に振動する。ジグ１３は、Ｘ方向にもＹ方向にも対称であるので、ジグ１３の質量は中心軸Ｃを中心としてバランスしている。このため、ジグ１３には、Ｚ方向の高周波の振動にもかかわらず、トルクが働きにくく、従って、そのようなトルクによる撓みが発生しにくい。即ち、ジグ１３にはＺ方向の高速な駆動によってモーメントが発生するが、ジグ１３の形状は中心軸に対してＸ方向にもＹ方向にも対称な形状であるため、このモーメントはジグ１３内でバランスし、ジグ１３やＺスキャナ１２に変形が生じにくくなる。
【００５８】
図５は、ジグ１３を用いた場合の振動特性を示すグラフである。図５は図１０に対応しており、Ｚスキャナ１２を一定の振幅で正弦波振動させた場合のゲイン及び位相を示している。横軸は正弦波振動の周波数（対数で表示している）であり、縦軸の左の目盛りはゲイン（ｄＢ）であり、縦軸の右の目盛りは位相（ｄｅｇ）である。図５から明らかなように、共振周波数（ゲインがピークとなる周波数）は９０ｋＨｚに達している。
【００５９】
そして、この共振周波数における位相が−９０度に近くなっており、このことは共振周波数以下でジグ１３の共振が少ないことを示している。従って、本実施の形態のジグ１３を用いることで、Ｚスキャナ１２を高速駆動させる場合に、その振動周波数を９０ｋＨｚ程度まで上げてもカンチレバー１４には望ましくない振動が発生せず、光てこ法でカンチレバー１４と試料Ｓとの間の原子間力による相互作用量を正確に検出できる。
【００６０】
以上のように、本実施の形態のジグ１３によれば、カンチレバー１４を取り付ける部分が、ジグ１３が取り付けられるＺスキャナ１２の駆動軸から、Ｚスキャナ１２の駆動方向に直交する方向に突出しているので、光てこ法によるカンチレバー１４の変位の検出が可能になるとともに、Ｚスキャナ１２の駆動軸に対して、カンチレバー１４を取り付ける部分の突出方向と反対方向にも突出した形状を有しているので、Ｚスキャナ１２を駆動したことによりカンチレバー１４を取り付ける側の突出部分によってジグ１３やＺスキャナ１２に生じるモーメントが反対側の突出部分によって打ち消され、結果としてジグ１３やＺスキャナ１２にモーメントによる撓みが生じにくくなり、光てこ法でカンチレバー１４の試料Ｓとの間の原子間力による相互作用量を正確に検出できる。
【００６１】
また、本実施の形態のジグ１３は、比重分布が一様であるとともに、それが取り付けられるＺスキャナ１２の駆動方向に直交するＸ方向及びＹ方向に対称な形状を有しているので、Ｚスキャナ１２の駆動により発生するモーメントは完全に打ち消し合い、ジグ１３及びＺスキャナ１２にはモーメントによる変形は生じない。
【００６２】
なお、ジグ１３は、Ｚスキャナ１２の駆動軸に対するモーメントの釣り合いをとるために、必ずしもカンチレバー１４を取り付ける突出側と駆動軸に関してそれとは反対側の部分の形状とをＺスキャナ１２の駆動軸に対して対称の形状としなくてもよい。即ち、Ｚ方向の駆動に対して、モーメントを打ち消すような形状及び比重分布でジグを構成すればよい。しかしながら、上記の実施の形態のように比重分布を一様とした上で対称形状を採用することで、複雑な計算をして形状及び比重分布を求めることなく、容易に、カンチレバー１４を取り付ける突出側と駆動軸に関してそれとは反対側の部分とのモーメントがバランスする構成を実現できる。
【００６３】
また、上記の実施の形態では、ダミーカンチレバー１４’として、カンチレバー１４と同一の構成の部材を用いたが、カンチレバー１４と質量が等しい他の部材を用いてもよい。また、ダミーカンチレバー１４’を省略してもよい。特に、カンチレバー１４やダミーカンチレバー１４’の質量がジグ１３の質量に対して無視できるほど小さい場合には、ダミーカンチレバー１４’を省略してもよい。
【００６４】
また、本実施の形態のジグ１３は、概ね三角形状をしているので、変形による撓みが生じにくく、この点でも望ましくない振動を抑制できる。また、その三角形状は左脚部１３２、右脚部１３３、及び横脚部１３４からなる中空の三角形状であるので、ジグ１３を軽量化でき、高速な駆動が容易となる。
【００６５】
なお、本発明のジグは上記の形状に限られない。以下、他の実施の形態のジグを説明する。図６は、第２の実施の形態のジグの平面図であり、図７は、図６のＡ−Ａ’断面図である。図８は、第２の実施の形態のジグの斜視図である。図６及び図８では、カンチレバー及びダミーカンチレバーが取り付けられた様子を示している。図７は、カンチレバー及びダミーカンチレバーが取り付けられていないジグを示している。
【００６６】
本実施の形態のジグ４３は、概ね台形円錐形状をしている。台形円錐の頂部はＺスキャナ１２に取り付けられる平坦な取付面４３１となっている。取付面４３１は、平面視で円形である。本実施の形態の場合、Ｚスキャナ１２は、円柱形状であってよく、その場合にはＺスキャナの底面の面と取付面４３１の円が一致するように構成することができる。そして、この場合には、ジグ４３の中心軸Ｃは、取付面４３１の円の中心を通る。
【００６７】
ジグ４３は、取付面４３１から下に向かって徐々に径が大きくなる形状を有している。ジグ４３の底は、縁から中心に向かってやや上向きに傾いた底面４３２がドーナツ状に形成されており、底の中心部分には取付面４３１に向けて抉られた円錐形状の空洞部４３３が形成されている。
【００６８】
本実施の形態のジグ４３は、図９に示した従来のジグを、中心軸Ｃ周りに回転させて形成される立体形状を有している。ジグ４３の稜線は、取付面４３１から下に向かうに従って緩やかになり、最下付近で再び急になる形状を有している。
【００６９】
ジグ４３にカンチレバー１４及びダミーカンチレバー１４’が取り付けられる。上記の実施の形態と同様に、カンチレバー１４は、探針を有する下面が下向きになるように、その上面が底面４３２に固定される。カンチレバー１４は、探針を有する先端部が底面４３２の先端から突出するように取り付けられる。これにより、底面４３２の縁から突出したカンチレバー１４の上面部分は、レーザ光反射面１４１となる。ダミーカンチレバー１４’は、中心軸Ｃについてカンチレバー１４と対称な位置に取り付けられる。
【００７０】
ジグ４３において、中心軸Ｃ、カンチレバー１４及びダミーカンチレバー１４’を通る平面を第１の平面とし、中心軸Ｃを通り第１の平面に垂直な面を第２の平面とし、第２の平面によって分けられる２つの部分のうち、カンチレバー１４が取り付けられる方を第１の突出部とし、ダミーカンチレバー１４’が取り付けられる方を第２の突出部とすると、第１の突出部と第２の突出部とは第２の平面について面対称の形状を有している。また、ジグ４３は、第１の平面についても、面対称の形状を有している。
【００７１】
ジグ４３の材質は、ジュラルミンであり、全体的に一様な密度（比重分布）となっている。ジグ４３の材質としては、アルミニウム、ＰＥＥＫ樹脂、ガラス等を採用してもよい。ジグ４３は、金型成型により製造できる。
【００７２】
ジグ４３のこのような構成によって、ジグ４３の質量は中心軸Ｃを中心としてバランスしている。このため、Ｚ方向の高周波の振動にもかかわらず、ジグ４３にはトルクが働きにくく、従って、そのようなトルクによる撓みが発生しにくい。即ち、ジグ４３にはＺ方向の高速な駆動によってモーメントが発生するが、ジグ４３の形状は中心軸に対して線対称の形状であるため、このモーメントはジグ４３内でバランスし、ジグ４３やＺスキャナ１２に変形が生じにくくなる。
【００７３】
上記のような中心軸及びカンチレバーの中心を通る第１の平面、及び中心軸を通り第１の平面に垂直な第２の平面の何れについても面対称となる形状は、上記以外の形状でも実現できる。
【００７４】
例えば、第２の実施の形態では、ジグ４３を概ね台形円錐形状になるように構成したが、ジグを概ね台形楕円錐形状になるように構成してもよい。この場合、カンチレバー１４及びダミーカンチレバー１４’は、底面の楕円の長軸上に取り付けることができる。また、ジグを概ね底面が長方形の台形四角錐形状となるように構成してもよい。この場合、カンチレバー１４及びダミーカンチレバー１４’は底面の短辺の中心に位置するように取り付けることができる。さらに、第１の実施の形態で説明したジグ１３の横脚部１３４が省略されて、左脚部１３２及び右脚部１３３による二股形状としてもよい。
【００７５】
上記の実施の形態では、試料ステージを固定して、カンチレバーをＸ、Ｙ、Ｚの３方向に移動させるチップ・スキャン方式の原子間力顕微鏡を説明したが、試料面方向であるＸ−Ｙ方向にはＺ方向ほどの高速な走査は必要とされないため、Ｘ方向、Ｙ方向、又はその両方向の試料とカンチレバーとの相対的移動のために、試料ステージ側を移動させる構成としてもよい。このような原子間力顕微鏡においても、カンチレバーを支持するジグにはＺスキャナが取り付けられることとなるため、光てこ法等の光を使った測定法でカンチレバーの変位を検出するためにはカンチレバーの上面がＺスキャナとの干渉を避けるために、ジグはＺスキャナから突出させなければならないため、本発明が有効となる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上のように、本発明は、カンチレバーをＺ方向に高速に駆動した場合にも、光てこ法等の光を使った測定法でカンチレバーの試料との間の原子間力による相互作用量を正確に検出できるという効果を有し、高速原子間力顕微鏡及びそのカンチレバー支持具などに好適に用いられる。
【符号の説明】
【００７７】
１００  原子間力顕微鏡
１０  顕微鏡本体
１１  Ｘ−Ｙスキャナ
１２  Ｚスキャナ
１３  ジグ
１４  カンチレバー
１４’  ダミーカンチレバー
１５  ピエゾドライバ
１６  レーザ光源
１７  二分割フォトダイオード
１８  試料ステージ
２０  処理部
２１  振幅計測部
２２  減算器
２３  ＰＩＤ演算部
２４  演算制御部
３０  モニタ
１３１  取付面
１３２  左脚部
１３３  右脚部
１３４  横脚部
１３５  カンチレバー取付部
１３６  ダミーカンチレバー取付部
１４１  レーザ光反射面
４３  ジグ
４３１  取付面
４３２  底面
４３３  空洞部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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