(57)【要約】【課題】  カンチレバーへの抵抗効果が試料表面の凹凸形状によらず、一定の振動状態を得ることが可能なプローブ及び走査型プローブ顕微鏡を提供すること。【解決手段】  先鋭化された探針２と、該探針２を先端に突出して設けたカンチレバー１１と、カンチレバー１１を支持する支持部１２とを備え、探針２が試料表面に平行なＸ、Ｙ方向の走査及びＺ方向の移動を試料表面に対して相対的に行い、カンチレバー１１と試料表面との間に、支持部１２に接続される遮蔽板１３が設けられている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先鋭化された探針と、該探針を先端に突出して設けたカンチレバーと、該カンチレバーを支持する支持部とを備え、前記探針が試料表面に平行な２方向の走査及び該試料表面の垂直方向の移動を該試料表面に対して相対的に行うプローブにおいて、
前記カンチレバーと前記試料表面との間に、前記支持部に接続される遮蔽部材が前記カンチレバーから間隙を介して設けられていることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
前記遮蔽部材が、断面視で前記カンチレバーに向かって突出する形状を有していることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記遮蔽部材が、前記カンチレバーから間隙をあけてほぼ平行に配置される平板部と、該平板部から突出して形成された突条部とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のプローブ。
【請求項４】
前記遮蔽部材が、間隙を介して前記カンチレバーを挟むように設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項５】
前記遮蔽部材が、間隙を介して前記カンチレバーを包む筒形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載のプローブ。
【請求項６】
前記遮蔽部材が、前記探針を挿通可能な開口を有する有底筒形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載のプローブ。
【請求項７】
前記遮蔽部材の前記カンチレバーと対向する内面に、疎液膜が被覆されていることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブと、
前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段と、
前記探針の振動状態を検出する検出手段と、
前記探針が前記試料表面に近接または接触した時点における観測データを採取する観測手段と、
前記探針を試料表面に平行な２方向の走査及び該試料表面の垂直方向の移動を制御する制御手段とを備え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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針を試料表面上で振動させながら走査することにより、試料の表面形状などの物性情報を得るプローブ及び走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポストゲノム時代を迎え、分子生物学的アプローチからＤＮＡをはじめとした生体分子や細胞などの生体試料の形態観察や機能解析への高分解能、多機能観察が求められている。このような解析においては、生体分子や細胞を生きたままの状態で観察や測定する必要があり、走査型プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscope)は有力な手段の１つであると考えられている。
一般的に、生体試料の活性を保ちながら観察するためには、培養溶液中での観察が不可欠である。また、生きた生体試料は軟らかいため、多機能測定やさらなる微小力検出を目的として、ダイナミックフォースモード（ＤＦＭ）を用いた観察が行われている。
【０００３】
このＤＦＭ顕微鏡は、探針が先端に取り付けられたカンチレバーを有するプローブを備えている。そして、このプローブは、探針を試料表面に対して走査できるようになっており、また、探針をカンチレバーの共振周波数またはその付近で振動できるようになっている。このＤＦＭ顕微鏡により、試料の表面形状を測定する場合には、まず、探針を上述のように振動させると共に、探針と試料表面とを相対的に接近させる。ここで、探針と試料表面との間にはファンデルワールス力や接触による斤力などの力が働くので、探針の振動状態が変化する。そこで、探針がある振動状態まで変化したときに、探針と試料表面とが近接または接触したと判断し、この振動状態を維持するように探針と試料表面との距離を調整しながら探針を試料表面に対して走査させ、試料の表面形状の測定を行う。
【０００４】
ここで、ＤＦＭ顕微鏡による測定には、探針を振動させる必要があるため、培養液などの液中観察では、液体による抵抗効果（ダンピング効果）の影響によりカンチレバーの振動が妨げられることから、ＤＦＭ顕微鏡の特性を十分に生かすことができなかった。
そこで、カンチレバーに貫通孔を設けることによって液体による抵抗を小さくしたプローブが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特願平９−２０９４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来のプローブには、以下の問題がある。すなわち、上記従来のプローブでは、探針と観測位置における試料表面との距離を等しくしても、試料表面に凹凸があることで、カンチレバーと試料表面との間の容積が変化する。これにより、カンチレバーに与える抵抗効果が試料表面の凹凸形状によって異なり、探針と試料表面との距離が等しくても異なった振動状態を示す。このように、探針が異なる振動状態を示すことで、ある振動状態を維持するように探針と試料表面との距離を調整して探針を試料表面に対して走査させても、探針と試料表面との距離が一定とならず、正確な観察が行えないという問題がある。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、カンチレバーへの抵抗効果が試料表面の凹凸形状によらず、一定の振動状態を得ることが可能なプローブ及び走査型プローブ顕微鏡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】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために、以下の構成を採用した。すなわち、本発明にかかるプローブは、先鋭化された探針と、該探針を先端に突出して設けたカンチレバーと、該カンチレバーを支持する支持部とを備え、前記探針が試料表面に平行な２方向の走査及び該試料表面の垂直方向の移動を該試料表面に対して相対的に行うプローブにおいて、前記カンチレバーと前記試料表面との間に、前記支持部に接続される遮蔽部材が前記カンチレバーから間隙を介して設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、カンチレバーと試料表面との間に遮蔽部材を設けることによって、探針を試料表面上で走査させたときに、試料表面の凹凸によってカンチレバーと試料表面との距離が変動しても、カンチレバーと遮蔽部材との距離が一定である。つまり、カンチレバーを振動させた状態で探針の振動状態の変化を基に探針が試料表面に対して接触または近接したと判断するときにおいて、カンチレバーの振動によって圧縮される容積とカンチレバー及び遮蔽部材の間の容積との比が、試料表面の凹凸に依存せず一定となる。
したがって、カンチレバーと試料表面との間の液体または空気による抵抗効果が試料表面凹凸形状に関わらず一定なので、カンチレバーの振動による探針の振動状態が探針下の観察部以外の試料表面の凹凸形状の影響を受けなくなる。
【０００９】
また、本発明にかかるプローブは、前記遮蔽部材が、断面視で前記カンチレバーに向かって突出する形状を有していることが好ましい。
この発明によれば、カンチレバーを振動させて探針の走査を行ったときに、カンチレバーによって圧縮される液体または空気の流れが良好となる。したがって、液体または空気によるカンチレバーの振動の抵抗を低減することができる。
【００１０】
また、本発明にかかるプローブは、前記遮蔽部材が、前記カンチレバーから間隙をあけてほぼ平行に配置される平板部と、該平板部から突出して形成された突条部とを備えることが好ましい。
この発明によれば、カンチレバーを振動させて探針の走査を行ったときに、カンチレバーが振動することで、カンチレバーの振動が伝達して遮蔽部材の平板部がこれに伴って振動することがある。しかし、平板部に突条部が設けられていることによって遮蔽部材の剛性が向上し、カンチレバーを振動させても、これに連動して平板部が振動することを防止する。したがって、正確な観測データの採取が行える。
【００１１】
また、本発明にかかるプローブは、前記遮蔽部材が、間隙を介して前記カンチレバーを挟むように設けられていることが好ましい。
この発明によれば、遮蔽部材が、カンチレバーの上下両側に設けられていることで、カンチレバーの振動が、より周りの測定環境の影響を受けにくくなる。したがって、より正確な観測データの採取が行える。
【００１２】
また、本発明にかかるプローブは、前記遮蔽部材が、間隙を介して前記カンチレバーを包む筒形状を有することが好ましい。
この発明によれば、遮蔽部材が、カンチレバーを包む筒形状であることで、上述と同様に、カンチレバーの振動が、測定環境の影響を受けにくくなる。したがって、より正確な観測データの採取が行える。
【００１３】
また、本発明にかかるプローブは、前記遮蔽部材が、前記探針を挿通可能な開口を有する有底筒形状を有することが好ましい。
この発明によれば、遮蔽部材が、探針が突出可能な開口を除いてカンチレバーを包む有底筒形状であることで、上述と同様に、カンチレバーの振動が、測定環境の影響を受けにくくなる。したがって、より正確な観測データの採取が行える。
【００１４】
また、本発明にかかるプローブは、前記遮蔽部材の前記カンチレバーと対向する内面に、疎液膜が被覆されていることが好ましい。
この発明によれば、遮蔽部材のカンチレバーと対向する内面を疎液膜で被覆することによって、培養溶液などの液中で走査を行う場合に、カンチレバーと遮蔽部材との間に液体が入り込みにくくなる。したがって、カンチレバーと遮蔽部材との間には、液体よりも粘性の低い空気が閉じ込められることになるので、カンチレバーの振動が受ける抵抗を低減させることができる。
【００１５】
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、上記記載のプローブと、前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段と、前記探針の振動状態を検出する検出手段と、前記探針が前記試料表面に近接または接触した時点における観測データを採取する観測手段と、前記探針を試料表面に平行な２方向の走査及び該試料表面の垂直方向の移動を制御する制御手段とを備えることが好ましい。
この発明によれば、加振手段によって上記記載のプローブに設けられている探針を振動させた状態で走査及び観測データの採取を行っている。つまり、観測位置において探針を試料表面に接近する垂直方向に移動させて探針が試料表面に近接または接触したときに、探針と試料との間にファンデルワールス力や接触による斤力などの力が働くので、探針の振動状態が変化する。この変化を検出手段が検出すると観測手段が観測データを採取する。そして制御手段は探針を試料表面に平行な２方向に向けて走査する。ここで、上記記載のプローブを備えるので、試料表面の凹凸形状によらず一定の振動状態を得ることができる。したがって、より正確に探針の振動状態の変化を検出することができ、より正確な観測データの採取を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明にかかるプローブによれば、カンチレバーと試料表面との間に遮蔽部材を設けることによって、探針を試料表面上で走査させたときに、試料表面の凹凸によってカンチレバーと試料表面との距離が変動しても、カンチレバーと遮蔽部材との距離が一定である。つまり、カンチレバーを振動させた状態で探針の振動状態の変化を基に探針が試料表面に対して接触または近接したと判断するときにおいて、カンチレバーの振動によって圧縮される容積とカンチレバー及び遮蔽部材の間の容積との比が、試料表面の凹凸に依存せず一定となる。
したがって、カンチレバーと試料表面との間の液体または空気による抵抗効果が試料表面凹凸形状に関わらず一定となり、カンチレバーの振動による探針の振動状態が試料表面の凹凸形状に依存しなくなる。
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡によれば、上述したプローブを備えているので、より正確に探針の振動状態の変化を検出することができ、より正確な観測データの採取を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明にかかる走査プローブ及び走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態について、図１及び図２を参照しながら説明する。
本実施形態による走査型プローブ顕微鏡１は、図１に示すように、試料Ｐの表面（以下、試料表面Ｓ）に平行なＸ、Ｙ方向の走査及び試料表面に対して垂直なＺ方向の移動を試料表面Ｓに対して相対的に行う探針２を有するプローブ３と、プローブ３の後述する探針２をこれに共振または強制振動する振動用周波数で振動させる加振手段４と、探針２が試料表面Ｓに近接または接触した時点における探針２の振動状態を検出する検出手段５と、プローブ３のＸ、Ｙ方向の走査及びＺ方向の移動を制御する制御手段６と、探針２と試料表面Ｓとが近接または接触した時点における観測データを採取する観測手段７とを備えている。
【００１８】
プローブ３は、図１及び図２に示すように、先端に先鋭化された探針２が設けられたカンチレバー１１と、カンチレバー１１の基端に設けられた支持部１２と、基端が支持部１２に接続されて試料表面Ｓとカンチレバー１１との間に配置される遮蔽板（遮蔽部材）１３とを備えており、一体的に構成されている。そして、図１に示すように、内部に例えば培養液などの液体が満たされたシャーレセル１４内に配置された試料Ｐの上方に、試料Ｐと対向するように配置されている。また、プローブ３は、シャーレセル１４に対して摺動可能なホルダ１５に取り付け固定されている。このホルダ１５は、シャーレセル１４の上面にシャーレセル１４の内部に空気が入り込まないように接触して配置されており、後述するレーザ光Ｌを透過可能とするためのガラス窓１６を備えている。
【００１９】
そして、プローブ３は、図２（ｂ）に示すように、シリコンからなるシリコン（Ｓｉ）支持基板４１の上にＳｉＯ２である埋め込み酸化層（ＢＯＸ層）４２を形成し、さらにその上にシリコン活性層（Ｓｉ活性層）４３を貼り合わせたＳＯＩ（Silicon on Insulator）技術を用いることによって形成される。
探針２及びカンチレバー１１は、後述するＳｉ活性層４３によって構成され、Ｓｉ支持基板４１及びＢＯＸ層４２上に固定されている。
支持部１２は、Ｓｉ活性層４３、Ｓｉ支持基板４１及びＢＯＸ層４２によって構成されている。
遮蔽板１３は、ＳｉＯ２によって構成され、カンチレバー１１から間隙を介して配置されている。そして、遮蔽板１３の基端部は、支持部１２に取り付けられている。
【００２０】
加振手段４は、カンチレバー１１の基端側に設けられたバイモルフ２１と、バイモルフ２１に所定の電圧を印加することによってカンチレバー１１を共振または強制振動させる加振電源２２とによって構成されている。なお、バイモルフ２１の振動用周波数は、例えば１００ｋＨｚであり、探針２をこの振動用周波数で振動させる。
【００２１】
検出手段５は、上記三次元アクチュエータ２６に設けられてカンチレバー１１の裏面にレーザ光Ｌを照射するレーザ発生器２３と、カンチレバー１１の裏面で反射したレーザ光Ｌを受光するカンチレバー変位検出器２４と、カンチレバー変位検出器２４から伝送されたカンチレバー１１の変位量に基づいて探針２の振動振幅の減衰量を検出する振幅減衰検出部２５とによって構成されている。
【００２２】
カンチレバー変位検出器２４は、例えばフォトディテクタによって構成されている。そして、カンチレバー変位検出器２４は、カンチレバー１１の裏面で反射したレーザ光Ｌを受光すると共に入射位置を測定してカンチレバー１１の変位量を検出する機能を有している。すなわち、カンチレバー１１の振動状態に応じて、レーザ発生器２３からカンチレバー１１の裏面に照射されたレーザ光Ｌの反射位置が変化するので、カンチレバー変位検出器２４への入射位置が変化する。このカンチレバー変位検出器２４は、カンチレバー１１の変位量をこの入射位置に応じた振動波形として振幅減衰検出部２５に出力するようになっている。
【００２３】
振幅減衰検出部２５は、カンチレバー変位検出器２４より伝送されたカンチレバー１１の変位量である振動波形に基づいて、探針２の振動振幅を算出するようになっている。そして、振幅減衰検出部２５は、探針２の振動振幅の減衰量が、予め設定されている閾値を超えたときに、その旨を後述する制御部２９に知らせるようになっている。
【００２４】
制御手段６は、シャーレセル１４に接続された三次元アクチュエータ２６と、三次元アクチュエータ２６を駆動してシャーレセル１４をＸ、Ｙ方向に移動させることで探針２を相対的にＸ、Ｙ方向に走査させるＸＹ駆動部２７と、三次元アクチュエータ２６を駆動してシャーレセル１４をＺ方向に移動させるＺ駆動部２８と、ＸＹ駆動部２７及びＺ駆動部２８を総合的に制御する制御部２９とによって構成されている。
制御部２９は、上述したように振幅減衰検出部２５によって検出された探針２の振動振幅の減衰量に基づいてＺ駆動部２８を制御するように構成されている。また、制御部２９は、振幅減衰検出部２５が探針２の振動振幅の減衰量が予め設定されている閾値を超えたことを知らされると、三次元アクチュエータ２６によってシャーレセル１４のＺ方向上方の移動を停止するようになっている。この制御部２９の動作の詳細については後述する。
【００２５】
観測手段７は、イメージデータ生成部３１と、イメージデータ生成部３１に接続された表示部３２とによって構成されている。
イメージデータ生成部３１は、ＸＹ駆動部２７及びＺ駆動部２８に接続されており、ＸＹ駆動部２７及びＺ駆動部２８の駆動データに基づいて探針２の位置を検出すると共に、この位置データを観測データとして採取するように構成されている。
表示部３２は、例えばモニタなどによって構成されており、イメージデータ生成部３１で採取された観測データを表示する。
【００２６】
次に、このように構成されたプローブ３の製造方法について、図３から図６を参照しながら説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板４０は、シリコン（Ｓｉ）支持基板４１（例えば、厚さ４００μｍ）と、このＳｉ支持基板４１上に形成されたに酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のＢＯＸ層４２と、このＢＯＸ層４２上に形成されたＳｉ活性層４３（例えば、厚さ１５μｍ）とを有するＳＯＩ基板として説明する。
【００２７】
最初に、半導体基板４０の表面及び裏面を熱酸化することにより、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）４４、４５を形成する（図３（ａ）参照）。次に、表面のシリコン酸化膜４４に、エッチングマスクとなるフォトレジスト膜４６を、フォトリソグラフィ技術を用いて探針２の形状でパターンニングする（図３（ｂ）参照）。そして、フォトレジスト膜４６をマスクとしてフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いてシリコン酸化膜４４をエッチングすることにより、探針２を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜４４をパターンニングする（図３（ｃ）参照）。なお、フォトレジスト膜４６として用いられるレジストは、ポジでもネガでもよい。
続いて、マスクとしたフォトレジスト膜４６を除去した後、シリコン酸化膜４４をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）やディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching）を行うことにより、シリコン酸化膜４４の下に先鋭化した探針２を形成する（図３（ｄ）参照）。この際、ＲＩＥやＤＲＩＥは、探針２の長さでストップするように反応速度などが設定されている。
【００２８】
次に、Ｓｉ活性層４３の上面に、エッチングマスクとなるフォトレジスト膜４７を、フォトリソグラフィ技術を用いてカンチレバー１１の形状でパターンニングする（図４（ａ）参照）。なお、フォトレジスト膜４７として用いられるレジストは、ポジでもネガでもよい。そして、フォトレジスト膜４７をマスクとして、ＲＩＥやＤＲＩＥを行うことにより、カンチレバー１１の端部を形成する（図４（ｂ）参照）。この際、ＲＩＥやＤＲＩＥは、Ｓｉ活性層４３のみをエッチングするように反応速度などが設定されている。
【００２９】
続いて、マスクとしたフォトレジスト膜４７を除去した後、Ｓｉ活性層４３の上面に、スパッタや真空蒸着のマスクとなるフォトレジスト膜をフォトリソグラフィ技術を用いて犠牲層４８の形状でパターンニングする。そして、このフォトレジスト膜をマスクとして、スパッタや真空蒸着により、金属層（Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕなど）などを形成し、フォトレジスト膜を除去することで、カンチレバー１１の上面に犠牲層４８を形成する（図４（ｃ）参照）。
【００３０】
次に、Ｓｉ活性層４３または犠牲層４８の上面に、スパッタや真空蒸着のマスクとなるフォトレジスト膜をフォトリソグラフィ技術を用いて遮蔽板１３の形状でパターンニングする。そして、このフォトレジスト膜をマスクとして、スパッタや真空蒸着により、ＳｉＯ２層を形成し、フォトレジスト膜を除去することで、遮蔽板１３を形成する（図４（ｄ）参照）。その後、硝酸によって犠牲層４８を溶解させることで、カンチレバー１１と遮蔽板１３との間に間隙を形成する（図５（ａ）参照）。
【００３１】
次に、裏面のシリコン酸化膜４５の下面に、エッチングマスクとなるフォトレジスト膜４９を、フォトリソグラフィ技術を用いて支持部１２の形状でパターンニングする（図５（ｂ）参照）。なお、フォトレジスト膜４９として用いられるレジストは、ポジでもネガでもよい。そして、フォトレジスト膜４９をマスクとして、ＢＨＦを用いたバックエッチングを行い、シリコン酸化膜４５をパターンニングする（図５（ｃ）参照）。
【００３２】
続いて、マスクとしたフォトレジスト膜４９を除去した後、シリコン酸化膜４５をマスクとして、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）などのアルカリ性エッチャントによる異方性エッチング、またはＤＲＩＥによりＳｉ支持基板４１をエッチングにより支持部１２側を残した状態で除去し、さらに、ＢＨＦなどによりＢＯＸ層４２を、同様に支持部１２側を残した状態で除去することで、プローブ３を製造する（図６参照）。
【００３３】
次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡１を用いた試料Ｐの観察方法について説明する。
まず、図１に示す加振電源２２によりバイモルフ２１に電源を供給し、探針２を振動用周波数で振動させる。この状態で、制御部２９は、Ｚ駆動部２８を制御して三次元アクチュエータ２６をＺ方向に移動させて探針２と試料表面Ｓとの距離を小さくする。なお、探針２は、加振電源２２によって図７に示す振動波形Ｗ１のように、振動振幅Ａ１で振動している。
この状態で探針２と試料表面Ｓとの距離を小さくしていくと、探針２と試料Ｐとの間に、ファンデルワールス力や接触による斤力などが働く。すると、探針２の振動振幅Ａ１は、図８に示す振動振幅Ａ２で振動する振動波形Ｗ２に減衰した状態となる。振幅減衰検出部２５は、カンチレバー変位検出器２４から送られてきたカンチレバー１１の変位量から探針２の振動振幅を算出し、この振動振幅の変化が予め設定されている閾値を超えたときに、探針２の振動状態が変化したと判断してその旨を制御部２９に知らせる。
【００３４】
制御部２９は、振動振幅減衰検出部２５から探針２の振動状態が変化したことを受けてＺ駆動部２８を停止し、三次元アクチュエータ２６のＺ方向への移動を停止する。これにより、試料Ｐに対して大きな負荷を与える前に探針２と試料Ｐとの接近が停止する。また、探針２の移動が停止した時点で、イメージデータ生成部３１がこの観測位置での観測データ、すなわち、Ｚ方向の位置データを採取する。
【００３５】
ここで、試料表面Ｓが図９（ａ）から（ｃ）に示すように、試料表面の凹凸形状によって探針２と観測位置における試料表面Ｓとの距離が等しい場合であっても、カンチレバー１１と試料表面Ｓとの距離が異なる。しかし、カンチレバー１１と遮蔽板１３との距離は、試料表面Ｓの形状によらず一定である。これにより、カンチレバー１１の振動によって圧縮される容積とカンチレバー１１及び遮蔽板１３の間の容積との比が、試料表面Ｓの凹凸に依存せず一定となる。したがって、カンチレバー１１が培養液などの液体による抵抗効果が試料表面Ｓの形状に関わらず一定となり、カンチレバー１１の振動による探針２の振動状態が試料表面の凹凸形状に依存しない。
【００３６】
観測データの採取を行った後、制御部２９は、ＸＹ駆動部２７を制御して三次元アクチュエータ２６をＸ方向またはＹ方向あるいはその双方に移動させて探針２を試料表面Ｓで走査させる。ここで、変化率検出手段５が探針２の試料表面Ｓに対する振動振幅の減衰量が閾値で一定となるように、制御部２９は、Ｚ駆動部２８を制御して三次元アクチュエータ２６をＺ方向に移動させて探針２と試料表面Ｓとの距離を適宜調整する。このようにして、試料表面Ｓの所定範囲の走査を行い、観測データの採取を行う。探針２の走査によって採取された観測データは、表示部３２に表示してもよい。
【００３７】
以上のように構成されたプローブ３及び走査型プローブ顕微鏡１によれば、カンチレバー１１と試料表面Ｓとの間に遮蔽板１３を設けることで、試料表面Ｓの凹凸によってカンチレバー１１と試料表面Ｓとの距離が変動しても、カンチレバー１１と遮蔽板１３との距離が一定となる。すなわち、カンチレバー１１の振動によって圧縮される容積と、カンチレバー１１及び遮蔽板１３の間の容積との比が、試料表面Ｓの凹凸に依存せず一定となる。これにより、カンチレバー１１と試料表面Ｓとの間の液体による抵抗効果が試料表面Ｓの凹凸形状に関わらず一定となり、カンチレバー１１の振動による探針２の振動状態が試料表面Ｓの凹凸形状によらず一定となる。
したがって、より正確に探針の振動状態の変化を検出することができ、より正確な観測データの採取を行うことができる。
【００３８】
次に、本発明にかかるプローブの第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態で説明した構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態では、遮蔽板１３が平板状であるのに対して、第２の実施形態のプローブ６１では、図１０に示すように、遮蔽板６２がカンチレバー１１に向かって突出するような曲面を有している点である。
すなわち、図１０に示すように、遮蔽板６２は、断面がほぼＵ字形状に曲げられている。
【００３９】
このように構成されたプローブ６１においても、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を有するが、遮蔽板６２がカンチレバー１１に向かって突出する曲面を有しているので、カンチレバー１１を振動させたときに、カンチレバー１１によって圧縮される液体の流れが良好となる。したがって、液体によるカンチレバー１１の振動の抵抗を低減することができる。
なお、本実施形態において、遮蔽板６２はカンチレバー１１の振動による液体の流れが良好になるように、カンチレバー１１に向かって突出するような形状を有していればよく、例えば断面Ｖ字状に屈曲されたものであってもよい。また、平板の上面にカンチレバー１１に向かって突出する曲面を有する突条を形成した、断面ほぼ蒲鉾形状であるような構造であってもよい。さらに、遮蔽板の下面にも、試料表面に向かって突出するような形状を有する構造であってもよい。
【００４０】
次に、本発明にかかるプローブの第３の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態で説明した構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態では、遮蔽板１３が平板状であるのに対して、第３の実施形態のプローブ７１では、図１１に示すように、遮蔽板７２がその両側辺にカンチレバー１１に向かって突出する突条７３を備えている点である。
すなわち、図１１に示すように、遮蔽板７２は、平板部７３と平板部７３の両側辺に形成された突条部７４とを備えており、断面ほぼコの字形状となるように形成されている。
【００４１】
このように構成されたプローブ７１においても、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を有するが、遮蔽板７２がカンチレバー１１に向かって突出する突条部７４を有していることで、遮蔽板７２の剛性が向上する。これにより、カンチレバー１１の振動が遮蔽板７２に伝達して遮蔽板７２がこれに伴って振動することを防止する。したがって、正確な観測データの採取を行える。
なお、本実施形態において、突条部７４は遮蔽板７２の剛性を向上するように形成されていればよく、カンチレバー１１から離間する方向に突出して形成されてもよい。
【００４２】
次に、本発明にかかるプローブの第４の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態で説明した構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第４の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態では、遮蔽板１３が平板状であるのに対して、第４の実施形態のプローブ８１では、図１２に示すように、カンチレバー１１が遮蔽筒（遮蔽部材）８２によって覆われている点である。
すなわち、図１２に示すように、遮蔽筒８２は、断面ほぼ楕円形の楕円筒形状を有しており、カンチレバー１１の長軸方向でカンチレバー１１との間に間隙を設けながら覆うように配置されている。遮蔽筒８２とカンチレバー１１との間隙は、カンチレバー１１の振動によってカンチレバー１１と遮蔽筒８２の内面とが接触しないように設けられている。なお、遮蔽筒８２は、図１に示すレーザ発振器２３からカンチレバー１１にレーザ光Ｌを照射させるために、例えば、透光性材料（ＳｉＯ２など）によって構成されていればよい。
【００４３】
このように構成されたプローブ８１においても、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を有するが、カンチレバー１１が遮蔽筒８２によって包まれることで、カンチレバー１１の振動が、測定環境の影響を受けにくくなる。したがって、より正確な観測データの採取を行える。
なお、本実施形態において、遮蔽筒８２は円筒形状を有しているが、断面形状が試料表面側に向かって凸である三角形状のように、他の筒形状であってもよい。また、上述した第１から第３の実施形態における遮蔽板１３、６１、７１をカンチレバー１１の試料表面Ｓから離間する上面側に配置しても、同様にカンチレバー１１の振動が、測定環境の影響を受けにくくすることができる。
【００４４】
次に、本発明にかかるプローブの第５の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態で説明した構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第５の実施形態と第４の実施形態との異なる点は、第４の実施形態では、遮蔽筒８２がカンチレバー１１全体を覆っていないのに対して、第５の実施形態におけるプローブ９１では、図１３に示すように、カンチレバー１１全体が遮蔽筒９２によって覆われている点である。
すなわち、図１３に示すように、遮蔽筒９２は、断面ほぼ楕円形の有底筒形状を有しており、カンチレバー１１の長軸方向でカンチレバー１１との間に間隙を設けながら覆うように配置されている。また、遮蔽筒９２の底部側には、探針２を挿通可能な開口９３が設けられている。遮蔽筒９２とカンチレバー１１との間隙は、上述した第４の実施形態と同様に、カンチレバー１１の振動によってカンチレバー１１と遮蔽筒９２の内面とが接触しないように設けられている。また、開口９３は探針２の振動で、探針２が開口９３の端部と接触しないように設けられている。なお、遮蔽筒９２は、図１に示すレーザ発振器２３からカンチレバー１１にレーザ光Ｌを照射させるために、上述した遮蔽筒８２と同様に、透光性材料によって構成されていればよい。
【００４５】
このように構成されたプローブ９１においても、上述した第４の実施形態と同様の作用、効果を有する。
なお、本実施形態において、遮蔽筒９２の内面に、液体に対して疎液性を有する疎液膜を形成してもよい。このようにすることで、培養溶液などの液中で走査を行う場合に、カンチレバー１１と遮蔽筒９２との間に液体が入り込みにくくなる。したがって、カンチレバー１１と遮蔽筒９２との間には、液体よりも粘性の低い空気が閉じ込められることになるので、カンチレバー１１の振動が受ける抵抗を低減させることができる。
また、上述した第４の実施形態と同様に、断面形状が試料表面側に向かって凸である三角形状のように、他の筒形状であってもよい。
【００４６】
なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態において、培養液中にある試料の観察を行う液中観察であるが、空気中での観察であってもよい。
また、光検知式のカンチレバーによって探針部分の変位量を検出したが、該光検知式のカンチレバーに限られるものではなく、例えば、自己の変位量を検知する自己検知レバーを用いても良い。
また、遮蔽板または遮蔽筒は、探針、カンチレバー及び支持部と一体的に形成しているが、遮蔽板または遮蔽筒を別途形成して支持部に取り付け固定するような構成であってもよい。また、第４及び第５の実施形態において、遮蔽筒によってカンチレバーを包むことで、カンチレバーの振動が測定環境の影響を受けにくくしているが、ここで、遮蔽筒として、静電遮蔽材料や磁気遮蔽材料を用いてもよい。また、上述した自己検知レバーを用いて探針部分の変位量を検出する場合には、遮蔽筒として光遮蔽材料を用いてもよい。このようにすることで、カンチレバーの振動が測定環境の所望の影響を受けにくくなり、より正確な観測データの採取を行うことができる。
【００４７】
また、検出手段は、探針の振動振幅の変化率を検出しているが、これに限らず、例えば振動の位相の変化率や振動の周波数の変化率などに注目することで、探針の振動状態の変化率を検出してもよい。なお、これらの場合においても、振動の位相の変化率が設定された範囲内になったとき、振動の周波数の変化率が設定された範囲内になったときに、それぞれ探針が試料表面に近接または接触したものと判断する。
また、検出手段は、探針と試料との間に流れるトンネル電流の電流量を検出するようにしてもよい。探針と試料との間に流れるトンネル電流の電流量は、探針と試料表面との距離が小さくなるに従って漸次増大すると共に、探針と試料表面との距離の単位長さ当たりの変化量も増大する。したがって、接近時と離間時における電流量の変化率を検出してこの変化率が設定範囲内にあるときに探針が試料表面に近接または接触したものと判断する。
【００４８】
また、観測手段は、観測データとして位置データを採取したが、これに限らず、試料の弾性や粘性に関する定数、電気抵抗や吸着力などの物性量を測定してもよい。さらに、これら観測データの内の１つだけを採取するのではなく、探針が試料表面に近接または接触した状態で同時に、異なる種類の観測データを採取してもよい。このようにすることで、一度に所望するさまざまな観測データを効率よく採取することができる。
そして、三次元アクチュエータによって探針をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動させているが、探針を試料に対して相対的に移動させることができるものであればよく、試料を三次元アクチュエータによって動かしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる走査型プローブ顕微鏡を示すブロック図である。
【図２】図１に示すプローブを示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図３】図２に示すプローブの製造工程を示す図である。
【図４】図３に続く、図２に示すプローブの製造工程を示す図である。
【図５】図４に続く、図２に示すプローブの製造工程を示す図である。
【図６】図５に続く、図２に示すプローブの製造工程を示す図であり、（ａ）は、断面図、（ｂ）は平面図である。
【図７】図１に示す走査型プローブ顕微鏡において、探針の振動振幅の減衰度合いを説明するための振動波形図である。
【図８】図１に示す走査型プローブ顕微鏡において、探針の振動振幅の減衰度合いを説明するための振動波形図であり、探針と試料との間に力が作用したときの振動波形を示す図である。
【図９】試料表面形状におけるカンチレバーと試料表面との関係を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかるプローブを示す斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態にかかるプローブを示す斜視図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態にかかるプローブを示す斜視図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態にかかるプローブを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  走査型プローブ顕微鏡
２  探針
３、６１、７１、８１、９１  プローブ
４  加振手段
５  検出手段
６  制御手段
７  観測手段
１１  カンチレバー
１２  支持部
１３、６２、７２  遮蔽板（遮蔽部材）
７３  平板部
７４  突条部
８２、９２  遮蔽筒（遮蔽部材）
Ｓ  試料表面
Ｐ  試料
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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