(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの変位検出によって試料の表面観察を行う走査型プローブ顕微鏡において、
カンチレバーの変位検出手段の出力からカンチレバーの熱ゆらぎを検出し、熱ゆらぎとバネ定数との関係からバネ定数を演算する演算部を有する測定手段と、
カンチレバーの特性を表すパラメータを記憶する記憶手段とを備え、
前記測定手段で求めたバネ定数に基づいて記憶手段からパラメータを選択し、設定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に走査型プローブ顕微鏡が備えるカンチレバーのバネ定数ないしパラメータの設定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡として、プローブと試料表面間に働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。この走査型プローブ顕微鏡は、探針および探針を支持するカンチレバーと、このカンチレバーの曲がりを検出する変位測定系とを備え、探針と試料との間の原子間力（引力または斥力）を検出し、この原子間力が一定となるように制御することによって、試料表面の形状を観察するものであり、生物，有機分子，絶縁物等の非導電物質の観察を行うことができる顕微鏡である。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡は、コンタクトモード、コンタクトハイトモード、ノンコンタクトモード、ダイナミックモード等の各種の測定モードを備えている。コンタクトモードはカンチレバーと試料との間に働く斥力が一定となるようにフィードバック制御を行いながら試料表面を走査し、フィードバック量から高さを測定するモードであり、コンタクトハイトモードはカンチレバーの高さを一定に保ちながら試料表面を走査し、カンチレバーのたわみ量から高さを測定するモードであり、ノンコンタクトモードは共振点付近で振動しているカンチレバーと試料との間に働く引力が一定となるようにフィードバック制御を行いながら試料表面を走査し、フィードバック量から高さを測定するモードであり、ダイナミックモードは共振点付近で振動しているカンチレバーと試料との間に働く斥力が一定となるようにフィードバック制御を行いながら試料表面を走査し、フィードバック量から高さを測定するモードである。
【０００４】
上記各種の測定モードでは、試料表面の形状をカンチレバーの変位に置き換えて検出を行うものであり、カンチレバーの背面からの反射光の反射方向がカンチレバーのたわみによって変化することを利用して検出を行うものである。カンチレバーは、通常、長さ数百ミクロンの大きさで、先端に先鋭な探針が形成されており、試料や測定目的に応じて用意された複数種のカンチレバーの中から選択して用いている。また、試料は走査手段によって三次元方向に走査・制御され、カンチレバーは試料表面の形状をトレースして、三次元の観察像を得ている。試料走査型の他にカンチレバー走査型の走査手段を用いることもできる。
【０００５】
走査型プローブ顕微鏡は上記したようにカンチレバーのたわみを利用して検出を行うため、カンチレバーの素材や長さ，厚さあるいは形状等によって、探針と試料との接触圧や振動数等の条件が異なる。そこで、カンチレバーによる測定結果の偏差を除去するために、カンチレバーのバネ定数等のパラメータを測定手段に入力し、該パラメータに基づいて測定結果の校正を行っている。
【０００６】
従来、このカンチレバーのバネ定数の入力は、あらかじめコンピュータによるシミュレーションで計算しておいたバネ定数を、オペレータが人手で入力し設定を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーのバネ定数等のパラメータの設定において、使用する各カンチレバーの特性のばらつきを無視し、カンチレバーの種類毎に定められた一定の所定値を設定しているため、力の検出精度に限界があり、測定の良好な再現性を得ることができないという問題がある。
【０００８】
また、異なる種類のカンチレバーに交換した場合にパラメータの変更を怠ると、不適切なパラメータ設定によってカンチレバーや試料に損傷を与えるおそれがある。
【０００９】
さらに、カンチレバーの種類が不明となるとパラメータの設定ができなくなり、また、カンチレバーのバネ定数の測定を行うにも適当な測定装置がなく、バネ定数を知ることができず、場合によっては該カンチレバーの使用をあきらめなければならないという問題もある。
【００１０】
そこで、本発明は前記した従来の走査型プローブ顕微鏡の持つ問題点を解決し、カンチレバーのバネ定数を求めることができ、また、求めたバネ定数に基づいてパラメータを自動設定することができる走査型プローブ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】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、バネ定数を求めるための格別の装置を設けることなく、走査型プローブ顕微鏡が備える機構を用いてカンチレバーのバネ定数を求め、個々のカンチレバーの特性を求めることができるものであり、バネ定数に基づいてパラメータの自動設定を行うことができるものである。
【００１２】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、バネ定数の上記測定を行うために、カンチレバーの変位検出によって試料の表面観察を行う走査型プローブ顕微鏡において、走査型プローブ顕微鏡が備えるカンチレバーの変位検出手段の出力に基づいてカンチレバーのバネ定数を測定する測定手段を備える。これによって、バネ定数を求めるための格別の装置を設けることなく、走査型プローブ顕微鏡が備える変位検出手段の出力を用いてカンチレバーのバネ定数を求め、個々のカンチレバーの特性を求めることができる。
【００１３】
カンチレバーのバネ定数を測定する測定手段は、変位検出手段の出力からカンチレバーの熱ゆらぎを検出し、熱ゆらぎとバネ定数との関係からバネ定数を演算するものである。
【００１４】
一般に、物質は熱運動により熱ゆらぎとして知られる微小振動を行っている。カンチレバーのバネ定数をｋとし、熱ゆらぎの振幅をｘとすると、熱ゆらぎとバネ定数との関係は、以下の式（１）で表される。
【００１５】
ｋ・〈ｘ2〉／２＝ｋB・Ｔ／２                      …（１）
なお、〈ｘ2〉は振幅ｘの自乗平均を表し、ｋBはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である。
【００１６】
また、熱ゆらぎの振幅と周波数の関係をパワースペクトルで表すと、熱ゆらぎの振幅の自乗平均〈ｘ2〉は以下の式（２）で示すようにパワースペクトルの面積Ｓで表される。
【００１７】
〈ｘ2〉＝Ｓ                                      …（２）
上記式（１），（２）から、バネ定数ｋは以下の式（３）で表される。
【００１８】
ｋ＝ｋB・Ｔ／Ｓ                                  …（３）
上記式（３）から、バネ定数ｋはパワースペクトルの面積Ｓと絶対温度Ｔから求めることができ、したがって、カンチレバーの熱ゆらぎを測定することによって、バネ定数ｋを自動的に求めることができる。
【００１９】
本発明の本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、走査型プローブ顕微鏡を非測定状態とし、このときの変位検出手段の出力の振幅と周波数からパワースペクトルを求め、この出力のパワースペクトルの積算値Ｓを求める。更に、バネ定数ｋとパワースペクトルの積算値Ｓとの関係を表す上記式（３）に、パワースペクトルの積算値Ｓと絶対値温度Ｔを代入することによってバネ定数ｋを求めることができる。
【００２０】
また、カンチレバーの特性を走査型プローブ顕微鏡に登録しておき、求めたバネ定数を用いてパラメータを読み出し、自動設定を行うことができる。
【００２１】
本発明の第１の実施態様において、カンチレバーのバネ定数を測定する測定手段は、変位検出手段の出力からカンチレバーの熱ゆらぎを検出し、熱ゆらぎとバネ定数との関係からバネ定数を演算する演算部を備え、これによって、走査型プローブ顕微鏡のバネ定数を求める装置を付加することなく、カンチレバーのバネ定数を自動で求めることができる。
【００２２】
本発明の第２の実施態様において、パラメータを記憶する記憶手段を備え、求めたバネ定数に基づいて該記憶手段からパラメータを選択し、走査型プローブ顕微鏡に設定することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施の形態の構成例について、図１の本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施形態を説明する概略ブロック線図を用いて説明する。
【００２４】
図１に示す走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡の場合の構成を示している。走査型プローブ顕微鏡１は、試料ｓの表面形状を測定するための変位検出系２と、試料Ｓを三次元方向に移動可能な走査系３と、測定および走査の制御を行う制御部４を備える。
【００２５】
変位検出系２は、先鋭な探針２１を有するカンチレバー２０と、このカンチレバー２０の背面にレーザー光等の照射光を照射するためのレーザーダイオード等の光源２２と、照射光を収束させるレンズ２３と、照射光をカンチレバー２０側に向けるビームスプリッタ２４と、カンチレバー２０の背面で反射された反射光の光路を調整するミラー２５と、反射光を検出するフォト検出器２６を備える。カンチレバー２０が試料ｓの表面形状に応じて変位すると、カンチレバー２０の背面に照射された光の反射角度はその変位に応じて変化する。フォト検出器２６はこのカンチレバー２０の変位に基づく反射光を検出する。なお、変位検出系は、上記した光てこ法による変位検出系の他に、光干渉法や光臨界角法による変位検出系を用いることができる。以下、光てこ法による変位検出系を一例として説明する。
【００２６】
走査系３は、ピエゾ素子等の三次元方向に移動可能な三次元アクチュエータ３０を備え、該三次元アクチュエータ３０上に試料ｓを支持する。三次元アクチュエータ３０のＸ，Ｙ方向の移動制御はＸ，Ｙ走査部３１によって行い、Ｚ方向の移動制御はフォト検出器２６からの測定信号を入力するサーボ回路６によって行う。この移動制御のデータは、測定信号処理部３２中の記憶部に記憶し、信号処理によって試料ｓの表面形状を測定して表示装置に表示する。なお、記憶部および表示装置は図示していない。
【００２７】
制御部４は、パラメータを設定するパラメータ部５と、Ｚ方向の移動制御を行うサーボ回路６を備える。パラメータ部５が設定するパラメータは、カンチレバーのバネ定数等のカンチレバーの個々の特性を表す値であり、これによって、測定値を校正し、カンチレバーによる測定結果の偏差の除去を行う。
【００２８】
図２はパラメータ部の機能を説明するための機能ブロック図である。図２において、パラメータ部５は、フォト検出器２６からの検出信号を受け、その振幅と周波数を求める信号検出部５ａと、温度を測定する測温部５ｂと、検出信号の振幅と周波数および絶対温度Ｔを入力してカンチレバーのバネ定数ｋを求める演算部５ｃと、求めたバネ定数ｋに基づいて記憶しておいたパラメータｐを読み出すパラメータ記憶部５ｄ等の各機能部を含んでいる。
【００２９】
信号検出部５ａは、フォト検出器２６で検出したカンチレバー２０の変位信号からカンチレバーの変位の振幅ｘと周波数ｆを検出し演算部５ｃに送る。
演算部５ｃは、信号検出部５ａからの入力したカンチレバーの変位の振幅ｘと周波数ｆからパワースペクトルを求める。図３はカンチレバーのパワースペクトルの一例であり、横軸に周波数ｆを示し、縦軸に振幅ｘを自乗した値ｘ2を周波数ｆで除した値を示している。演算部５ｃは、カンチレバーの変位の振幅ｘと周波数ｆからパワースペクトルの面積Ｓを求め（演算部５ｃ中の５ｃ１）、このパワースペクトルの面積Ｓと測温部５ｂからの絶対温度Ｔとからバネ定数ｋを求める（演算部５ｃ中の５ｃ２）。このバネ定数ｋの演算は、前記式（３）中にパワースペクトルの面積Ｓと絶対温度Ｔを代入することによって求めることができる。  求めたバネ定数ｋは測定信号処理部３２に送られ、試料ｓの測定信号処理に用いられる。
【００３０】
また、パラメータ記憶部５ｄ中にあらかじめバネ定数およびカンチレバーの特性を表すパラメータｐを格納しておき、求めたバネ定数ｋを用いてパラメータｐを読み出し、測定信号処理部３２に送り、試料ｓの測定信号処理に用いる。
【００３１】
本発明の実施態様によれば、カンチレバーのバネ定数およびパラメータの設定を、通常の走査型顕微鏡に対してバネ定数測定のための装置を付加することなく行うことができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーのバネ定数を求めることができ、また、求めたバネ定数に基づいてパラメータを自動設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施形態を説明する概略ブロック線図である。
【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡のパラメータ部の機能を説明するための機能ブロック図である。
【図３】カンチレバーのパワースペクトルの一例である。
【符号の説明】
１…装置型プローブ顕微鏡、２…変位検出系、３走査系、４…制御部、５…パラメータ部、５ａ…信号検出部、５ｂ…測温部、５ｃ…演算部、５ｄ…パラメータ記憶部、６…サーボ部、２０…カンチレバー、２１…探針、２２…光源、２３…レンズ、２４…ビームスプリッタ、２５…ミラー、２６…フォト検出器、３０…三次元アクチュエータ、３１…Ｘ，Ｙ走査部、３２…走査試料処理部、ｓ…試料。
【図１】
0003713695.tif 000002
【図２】
0003713695.tif 000003
【図３】
0003713695.tif 000004