(57)【要約】【課題】  新規なカンチレバー供給機構及びカンチレバー取り付け方法を得る。【解決手段】  探針を有するカンチレバー１を保持する粘着性弾性材料２０ａを有するカンチレバー供給機構２０を備える。粘着性弾性材料２０ａは、カンチレバー取り付け部２がカンチレバー１に対して物理的に接触する際の干渉を弾性変形として吸収し、両者を密着させる部材である。カンチレバー取り付け部２は、カンチレバー１を吸着固定させることで取り付ける部材であり、粘着性弾性材料２０ａに保持されたカンチレバー１と密着した後、カンチレバー１を吸着固定し、所定位置へ移動する。【選択図】図２
2006292768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバー取り付け部に探針付きのカンチレバーが取り付けられる走査型プローブ顕微鏡であって、
前記走査型プローブ顕微鏡は、さらに、カンチレバーを保持するカンチレバー保持部と弾性部材とを有するカンチレバー供給機構を備え、
前記弾性部材は、カンチレバー取り付け部がカンチレバーに対して物理的に接触する際の干渉を弾性変形として吸収し、両者を密着させる部材であり、
前記カンチレバー取り付け部は、カンチレバーを吸着固定させることで取り付ける部材であり、カンチレバー保持部に保持されたカンチレバーと密着した後、当該カンチレバーを吸着固定する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記カンチレバー取り付け部におけるカンチレバーを吸着固定する部分とカンチレバー保持部に保持されているカンチレバーにおける吸着固定される部分とは、両者が物理的に接触する際に略並行となるようにされた、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記弾性部材はシリコンゲルを材料として構成された、請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記弾性部材は、感圧導電性エラストマーで構成され、配線が施され、電気抵抗値が監視されており、
前記カンチレバー取り付け部は、前記電気抵抗値が所定値以下になった場合にカンチレバーとが密着したと判断する、請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記弾性部材はバネで構成されており、
前記走査型プローブ顕微鏡は、さらに、前記バネの変形量を検出するセンサーが設けられ、
前記カンチレバー取り付け部は、前記センサーが検出した値からカンチレバーと密着したことを判断する、請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記弾性部材はバネで構成されており、
前記走査型プローブ顕微鏡は、さらに、前記バネの変位量を計測するたわみ計測手段が設けられ、
前記カンチレバー取り付け部は、前記たわみ計測手段により計測された変位量からカンチレバーと密着したことを判断する、請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
カンチレバー保持部によるカンチレバーの保持力は、カンチレバー取り付け部によるカンチレバーの吸着力よりも弱く設定されている、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
カンチレバー保持部は粘着力によりカンチレバーを保持する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記粘着力は、カンチレバー取り付け部によるカンチレバーの吸着力よりも弱く設定されている、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記カンチレバー保持部はカンチレバーを真空吸着により保持する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記カンチレバー保持部による真空吸着の保持力は、カンチレバー取り付け部によるカンチレバーの吸着力よりも弱く設定されている、請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Atomic Force Microscope）はＳＴＭの発明者であるG.Binnigらによって考案（非特許文献１を参照。）されて以来、新規な表面形状観察手段として期待され、研究が進められている。その原理は先端を充分に鋭くした検出チップと試料間に働く原子間力を、検出チップが取り付けられているカンチレバーの変位として測定し、カンチレバーの変位量を一定に保ちながら試料表面を走査し、カンチレバーの変位量を一定に保つための制御信号を形状情報として、試料表面の形状を測定するものである。近年では原子間力以外にも、磁気力、表面電位力などさまざまな物理量を測定する応用が広がり、走査型プローブ顕微鏡と総称されている。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーは半導体製造プロセスにより製造され、厚み０．３〜０．５ｍｍ、幅１．３〜１．６ｍｍ長さ３ｍｍ程度の寸法である。現在製品化されている走査型プローブ顕微鏡では、取り扱いの簡便化のために、レバーホルダー等と称する中間的部品を設け、カンチレバーをレバーホルダーに一旦取り付けた後、プローブ顕微鏡本体に搭載する構成の走査型プローブ顕微鏡が多い。しかしながらレバーホルダーという中間的部品の存在は自動化においては不利となるため、レバーホルダーを介さず、カンチレバーを微動機構先端のカンチレバー取り付け部に直接取り付ける方式もある。その場合カンチレバーの固定は小型化、自動化などの観点から真空吸着方式が適している。
【０００４】
図４は従来のカンチレバー供給機構の側断面図、図５は従来のカンチレバー供給機構の上面図である。従来、カンチレバー取り付け部にカンチレバーを供給するカンチレバー供給機構は、カンチレバー取り付け部の傾斜角度と同じ角度を持ち、カンチレバーを複数個並べて搭載可能な金属製のブロックであった。個々のカンチレバー１は位置決めのための溝にピンセット等の工具により設置される。
【０００５】
それぞれのカンチレバー１の位置座標はコントローラに登録されている。カンチレバー１を搭載する部分は傾斜しているが、滑り止めのためのストッパー部４０によりカンチレバー１は脱落しない構造となっている。より確実にカンチレバー１を固定したい場合には、配管口４１に真空吸着源を接続し、吸着固定すればよい。
【０００６】
カンチレバー取り付けの手順は、まずＸＹステージを登録された座標まで動かして、カンチレバー取り付け部を交換するカンチレバーの真上まで移動する。次にＺステージを動かし、カンチレバー取り付け部とカンチレバーを真空吸着可能な距離まで接近させる。試作した装置においては概略０．５ｍｍ以下であった。最後に真空吸着源を動作させてカンチレバーをカンチレバー取り付け部に吸着して、取り付け作業は完了する。
【非特許文献１】Physical Review Letters vol.56 p930 1986
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のカンチレバー供給機構によるカンチレバー取り付け方法では、下記の問題があった。
（１）カンチレバー取り付け部とカンチレバーが密着していない状態で真空吸着源を動作させるため、カンチレバーがカンチレバー取り付け部に吸着される際に、周囲に浮遊する埃も吸引され、カンチレバーとカンチレバー取り付け部の間に埃が挟まることで、動作が不安定になることがあった。
（２）カンチレバー取り付け部とカンチレバーが密着していない状態で真空吸着させるため、カンチレバーが吸引されカンチレバー取り付け部に飛び移る際に、水平方向に並進や回転の位置ずれをした状態で吸着されてしまい、カンチレバー取り付けの位置再現性に乏しかった。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、従来のこのような問題を解決する新規なカンチレバー供給機構及びカンチレバー取り付け方法を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、カンチレバーを真空吸着力によって光ヘッド部に固定する方式の走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバー供給機構のカンチレバー保持部を、カンチレバー固定手段と弾性を有する材料とによって構成し、カンチレバーをカンチレバー取り付け部に取り付ける際に、カンチレバー取り付け部がカンチレバーに接触するまでＺステージを動作させ、接触後更にＺステージを所定量動作させることとした。
【００１０】
上記のように構成されたカンチレバー供給機構においては、カンチレバーを取り付ける際に、カンチレバー取り付け部がカンチレバーに接触するまでＺステージを動作させ、接触後更にＺステージを動作させることで、カンチレバー取り付け部をカンチレバーに完全に密着させることが可能である。接触後の動作においての物理的干渉は、弾性を有する材料の弾性変形により吸収される。完全に密着した状態でカンチレバーを真空吸着することで、埃を吸引してしまう問題や、吸着時のカンチレバーの位置ずれの問題は解決される。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、以上説明したように、カンチレバー供給機構のカンチレバー保持部を、カンチレバー固定手段と弾性を有する材料とで構成したことにより、カンチレバーを取り付ける際に、カンチレバー取り付け部をカンチレバーに完全に密着させることが可能となった。そのため従来のように真空吸着時に周囲に浮遊する埃を吸引してしまう現象を回避することが可能となった。
【００１２】
またカンチレバー取り付け部とカンチレバーを完全に密着した状態でカンチレバーを真空吸着することにより、吸着時にカンチレバーが位置ずれしてしまうという問題は解決された。
更に感圧導電性エラストマーを組み込んだカンチレバー供給機構とすれば、感圧導電性エラストマーの電気抵抗値を監視することにより、ステージの誤動作や操作上の人為的な誤りによってカンチレバーや微動機構等を破損してしまう可能性を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針と試料間に働く力を、前記探針が取り付けられているカンチレバーの変位として測定し、微動機構により前記カンチレバーの変位量を一定に保ちながら試料表面を走査し、前記カンチレバーの変位量を一定に保つための制御信号を物性情報として、試料表面の物性を測定し、前記カンチレバーを試料に対して接近させるためのＺステージと、前記カンチレバーを試料面内の任意の位置に位置決めするためのＸＹステージと、前記微動機構端部に取り付けられ、前記カンチレバーを真空吸着力により保持するカンチレバー取付部とを有する走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバーと試料を観察するための光学顕微鏡と、複数のカンチレバーを保持し、前記ＸＹステージによる位置決めと前記Ｚステージの接近動作とにより前記取り付け部にカンチレバーを供給するためのカンチレバー供給機構とを有し、前記カンチレバー供給機構のカンチレバー保持部において、前記カンチレバーは弾性部材を介して保持されている。
【００１４】
更に一部詳細に述べれば、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、先端に探針を有し、該探針と試料表面に働く力により変位するカンチレバーと、半導体レーザー、レンズ、光検出素子より成り、この半導体レーザー光をカンチレバーに照射しその反射光の位置ずれをカンチレバーの変位として光検出素子にて検出する光テコ方式の変位検出手段と、真空吸着力によってカンチレバーを保持するカンチレバー取り付け部と、先端にカンチレバー取り付け部が取り付けられ、カンチレバーを試料に対して一定の距離に制御しつつ試料表面を走査するための微動機構と、カンチレバーを試料に対して接近させるためのＺステージと、カンチレバーを試料面内の任意の位置に位置決めするためのＸＹステージと、カンチレバーと試料を観察するための光学顕微鏡と、装置全体を制御するコントローラと、複数のカンチレバーを保持し、前記ＸＹステージにより位置決めされ、前記カンチレバー取り付け部にカンチレバーを供給するためのカンチレバー供給機構とからなる。
【００１５】
前記カンチレバー供給機構のカンチレバー保持部は、カンチレバー固定手段と、弾性を有する材料により構成されている。
前記固定手段は粘着性を有する材料であってもいいし、真空吸着機構であってもいい。
前記弾性を有する材料としては、例えば、弾性を有する高分子材料または金属材料を用いる。この弾性を有する高分子材料として、感圧導電性エラストマーを用いればカンチレバー取付部にカンチレバー供給機構の保持部のカンチレバーを押しつけた時、その抵抗値により感圧導電性エラストマーの弾性変形量をチェックできる。これにより必要以上に押しつけることがない。
【００１６】
前記カンチレバー供給機構のカンチレバー保持部は、粘着性を有する弾性材料により構成されていてもよい。この粘着性を有する弾性材料として、例えばシリコンゲルを用い、その粘着性と弾性を利用する。また、粘着性を有する弾性材料として、粘着性と感圧導電性を同時に有するエラストマーを用いても良い。
【００１７】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の第一の実施形態例である。
図１において、変位検出系とカンチレバー取り付け部２が一体となり、光ヘッド３を構成している。変位検出系は半導体レーザー４とレンズ５と光検出素子６より成る。カンチレバー取り付け部２は光ヘッド３の先端に配置されている。カンチレバー１はカンチレバー取り付け部２に真空吸着により取り付けられている。カンチレバー取り付け部の配管口２ａにはチューブ（図示せず）が接続され、真空ポンプに連結される。半導体レーザー４から出射されたレーザー光はレンズ５によりカンチレバー１の先端に集光され、その反射光は光検出素子６に照射される。光ヘッド３は微動機構７の先端に取り付けられている。微動機構７によりカンチレバー１は試料８に対して、高さ方向の位置を制御されつつ試料面内方向に走査される。試料８の表面の状態や、カンチレバー１と試料８の位置合わせのために光学顕微鏡１１が設けられている。微動機構７はＺステージ９に取り付けられ、Ｚステージ９によりカンチレバー１は試料８に接触する位置まで送られる。試料８はＸＹステージ１０上に搭載される。光学顕微鏡１１によりカンチレバー１と試料８の位置関係を観察しながらＸＹステージ１０を動作させ、試料８の任意の場所を測定することができる。
【００１８】
カンチレバー供給機構２０はＸＹステージ１０の一隅に配置される。カンチレバー供給機構２０上には粘着性を有する弾性材料２０ａと、感圧導電性を有するエラストマー層２０ｂが形成され、カンチレバー保持部を構成している。カンチレバー１は粘着性弾性材料２０ａの上に粘着力により保持される。
図２にカンチレバー取り付け作業の流れを示す。一連の作業は光学顕微鏡による監視下で行われる。まず、ＸＹステージによりカンチレバー供給機構２０をカンチレバー取り付け部２の真下に移動し、Ｚステージによりカンチレバー取り付け部２をカンチレバー供給機構２０のカンチレバー保持部近傍に近づける（図２ａ）。カンチレバー供給機構２０のカンチレバー保持部はカンチレバー取り付け部２の傾斜角度と同じ角度に作られている。次にＺステージを下げてカンチレバー取り付け部２をカンチレバー１に接触させる（図２ｂ）。接触したかどうかの判定は光学顕微鏡による観察で判断できる。更にＺステージを所定量下げて、カンチレバー取り付け部２とカンチレバー１を完全に密着させる（図２ｃ）。接触後に押し込んだ変位量は、粘着性弾性材料２０ａと感圧導電性エラストマー２０ｂの弾性変形として吸収される。カンチレバー取り付け部２とカンチレバー１が完全に接触後、真空吸着源を動作させ吸着固定する。最後にＺステージを上昇させてカンチレバー取り付け作業は完了する。
【００１９】
粘着性弾性材料２０ａは、粘着力がカンチレバー取り付け部２の真空吸着力よりも強い場合、上記手順にて最後にＺステージを上昇させたとき、カンチレバー１がカンチレバー保持部に残存してしまう。カンチレバーの大きさにより真空吸着穴の大きさは制限され、従って吸着力も制限される。幅１．３ｍｍ、長さ３ｍｍのカンチレバーの場合、吸着力の限界は１０ｇ程度であり、粘着性弾性材料２０ａの粘着力は１０ｇ以下でなければならない。試作した結果では、シリコンゲルが好適な粘着力を示した。また粘着性材料として、材質として粘着性を有する材料の替わりに、粘着剤を塗布した素材を使用しても本特許を逸脱するものではない。
【００２０】
感圧導電性エラストマー２０ｂには配線が施され、電気抵抗値がコントローラにより監視されている。弾性変形量の増加により所定の抵抗値よりも下がった時にはＺステージを自動的に停止させることで、クラッシュ破壊に対する安全機構として動作する。
【００２１】
図３は本特許の第二の実施例である。カンチレバー保持部は板バネ３０と配管金具３１で構成され、配管金具３１にはチューブ３２が配管されている。チューブ３２はシリコン等の柔軟な素材のものを使用する。チューブ３２の終端には真空ポンプ（図示せず）が連結され、カンチレバー１は真空吸着力により固定される。Ｚステージを所定量押し込んだ時に、板バネ３０が変形することにより、弾性変形機能が実現される。板バネ３０にストレインゲージ等のセンサーを貼り付けるか、光学式等の変位計で板バネ３０のたわみを計測することにより、クラッシュ破壊に対する安全機構とすることもできる。板バネは金属、樹脂など、通常バネとして使用される材質でできている。またバネの形態は板状である必要は無く、コイルバネ等の形態でも容易に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成図である。
【図２】本発明にかかるカンチレバー取り付け作業の手順を示す説明図である。
【図３】本発明のカンチレバー供給機構の、第二の実施例の構成図である。
【図４】従来のカンチレバー供給機構の側断面図である。
【図５】従来のカンチレバー供給機構の上面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    カンチレバー
２    カンチレバー取り付け部
２ａ  配管口
３    光ヘッド部
４    半導体レーザー
５    レンズ
６    光検出素子
７    微動機構
８    試料
９    Ｚステージ
１０    ＸＹステージ
１１    光学顕微鏡
１２    フレーム
２０    カンチレバー供給機構
２０ａ  粘着性弾性材料
２０ｂ  感圧導電性エラストマー
３０    板バネ
３１    配管金具
３２    チューブ
４０    ストッパー部
４１    配管口
【図１】
2006292768.tif 000003
【図２】
2006292768.tif 000004
【図３】
2006292768.tif 000005
【図４】
2006292768.tif 000006
【図５】
2006292768.tif 000007