(57)【要約】【課題】  レーザ光源とカンチレバーにおける反射部の相対的な位置関係に基づく検出精度の低下を防止できる走査型プローブ顕微鏡及びカンチレバーを得る。【解決手段】  半導体レーザの光源を構成する発光部５２の半導体層５６から材質的、構造的に連続してカンチレバー５０のレバー部６８を形成し、更に、レバー部６８の先端に材質的、構造的に連続して探針部７４と反射部７０を形成する。これにより、反射部７０と発光部５２の相対的な位置関係が変化することがない。このため、反射部７０と発光部５２の相対的な位置関係に基づく検出精度の低下を防止できる。【選択図】    図１
2006029957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部が試料の表面に対向すると共に、前記試料の表面をトレースすることで前記試料の表面形状に応じて変位する探針部と、
長手方向先端に前記探針部が一体形成されると共に長手方向基端側が支持され、前記探針部の前記変位に伴い長手方向先端が長手方向基端側に対して変位して変形するレバー部と、
前記レバー部の前記探針部とは反対側で前記レバー部と共に一体形成され、前記レバー部の長手方向基端側から先端側へ向けて出力されたレーザ光を前記レバー部の基端側とは異なる向きに設けられた受光部へ反射する反射部と、
前記レバー部の基端側で前記レバー部と共に一体形成されると共に、前記レバー部の長手方向に沿って前記反射部と対向し、前記反射部へ向けて前記レーザ光を出力する発光部と、
を含めて構成されたカンチレバーを備え、前記探針部と前記試料との対向方向に対して直交する方向に、前記試料を前記探針部に対して相対移動させた際の前記反射部にて反射されたレーザ光の前記受光部での到達位置に基づき、前記試料の表面状態を検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
順方向に電流を流すことで前記レーザ光を出力する半導体により前記発光部を形成すると共に、
前記発光部に流す電流を制御する電流制御手段を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
Ｐ型半導体により形成されたＰ型クラッド層とＮ型半導体により形成されたＮ型クラッド層との間に活性層が設けられ、前記Ｐ型クラッド層から前記Ｎ型クラッド層へ向けて電流を流すことにより前記Ｐ型クラッド層、前記活性層、及び前記Ｎ型クラッド層の積層方向とは直交した側の端面からレーザ光を出力する発光部と、
前記発光部の少なくとも一部を構成する材料により形成されると共に、前記発光部の前記端面から連続して延出されたレバー部と、
前記発光部の少なくとも一部を構成する材料により、前記レバー部の先端側で前記発光部の前記端面に対向して形成され、前記発光部から出力された前記レーザ光を、前記発光部の側とは異なる方向へ反射する反射部と、
前記レバー部の先端側の前記レバー部を介して前記反射部とは反対側に、前記発光部の少なくとも一部を構成する材料により先細テーパ状に形成された探針部と、
を備えるカンチレバー。
【請求項４】
前記反射部の前記発光部と対向する反射面が前記レバー部の長手方向に対して成す角度を、前記発光部から出力された前記レーザ光が前記反射面にて全反射する角度に設定した、
ことを特徴とする請求項３に記載のカンチレバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡及びこのような走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に微小な、例えば、所謂ナノスケールでの試料表面の凹凸を観察、測定するための装置として、原子間力顕微鏡（通称「ＡＦＭ」）等に代表される走査型プローブ顕微鏡（通称「ＳＰＭ」）が用いられている（その一例としては、下記特許文献１を参照）。
【０００３】
原子間力顕微鏡は、試料が載置される試料台を構成するピエゾスキャナを備えている。ピエゾスキャナは載置された試料の高さ方向（Ｚ軸方向）と、高さ方向に対して直交する一方向である縦方向（Ｙ軸方向）、及び高さ方向及び縦方向の双方に対して直交する横方向（Ｘ軸方向）の各々の方向へ試料を微小変位させることが可能なピエゾ素子（圧電素子）を備えている。
【０００４】
また、試料台に載置された試料に対して高さ方向上方側にはプローブ（探針）が設けられる。プローブは高さ方向に沿って試料側（すなわち、下方）へ向けて先細となるテーパ状に形成されている。プローブは、先端が試料表面に接触せず、且つ、試料表面からの引力や斥力がプローブの先端に作用する状態で配置される。
【０００５】
試料表面の極微小な領域とプローブの先端との間隔に応じてプローブの先端に作用する引力や斥力により、プローブが試料表面に対して接離する方向に変位する。このプローブの変位を解消するように高さ方向にピエゾスキャナを駆動し、プローブの変位が解消されるまでの高さ方向に沿った試料の変位量から、プローブの先端との対向部分における高さ方向に沿った試料の表面の位置が検出される。
【０００６】
さらに、縦方向や横方向にピエゾスキャナを駆動させて試料を変位させつつ、上記のようにプローブの先端との対向部分における高さ方向に沿った試料の表面の位置を検出することで、試料の表面の凹凸（すなわち、試料の表面形状）を観察、測定できる。
【０００７】
一方、上記のようにプローブの変位を解消するようにピエゾスキャナを駆動するためには、プローブの変位を検出しなくてはならない。このようなプローブの変位の検出にはレーザ光が用いられる。レーザ光でプローブの変位量の検出する構成の場合、プローブはカンチレバーと称されるレバー部材の先端における厚さ方向一方の面に設けられる（カンチレバーの一例としては、下記特許文献２を参照）。
【０００８】
カンチレバーは所謂「片持ち梁」の状態で基端部が固定されている。上記のようにプローブが試料表面の凹凸に応じて変位すると、カンチレバーの先端側が基端側に対して変位し、これにより、カンチレバーが撓む。
【０００９】
カンチレバーの厚さ方向の他方の面の先端側から離間した位置にはレーザ光源が設けられており、レーザ光源から出力されたレーザ光はカンチレバーの先端側の厚さ方向他方の面にて反射される。カンチレバーで反射されたレーザ光は、四分割フォトダイオードにて構成される変位検出装置に到達する。
【００１０】
上記のように、プローブが変位してカンチレバーが撓むことで、変位検出装置の四分割フォトダイオードにおけるレーザ光の到達位置がプローブの変位量及び変位方向に応じて変化する。
【００１１】
したがって、四分割フォトダイオードでの出力結果からプローブの変位量及び変位方向が検出される。この検出結果に基づきカンチレバーの撓み、すなわち、プローブの変位が解消されるまでピエゾスキャナが駆動される。
【特許文献１】特開平９−２８８９９０号公報
【特許文献２】特開２００１−２４２０６１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、カンチレバーでのレーザ光の反射方向は、カンチレバーに対するレーザ光源の取付位置、更には、この取付位置におけるレーザ光源の向き等によっても当然変化し、この変化分が反射光の到達位置の検出結果、ひいては、この検出結果に基づいて得られる試料表面の観察、測定結果に誤差として含まれてしまう。
【００１３】
このため、このような誤差が含まれることで、観察、測定の精度が悪くなる。したがって、レーザ光源やカンチレバーを極めて高い位置精度で厳格に取り付けなくてはならない。しかしながら、このような極めて高い位置精度で厳格にレーザ光源やカンチレバーを取り付けることは難しく、上記のような観察、測定の精度を向上させることが難しかった。
【００１４】
本発明は、上記事実を考慮して、レーザ光源とカンチレバーにおける反射部の相対的な位置関係に基づく検出精度の低下を防止できる走査型プローブ顕微鏡及びカンチレバーを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、先端部が試料の表面に対向すると共に、前記試料の表面をトレースすることで前記試料の表面形状に応じて変位する探針部と、長手方向先端に前記探針部が一体形成されると共に長手方向基端側が支持され、前記探針部の前記変位に伴い長手方向先端が長手方向基端側に対して変位して変形するレバー部と、前記レバー部の前記探針部とは反対側で前記レバー部と共に一体形成され、前記レバー部の長手方向基端側から先端側へ向けて出力されたレーザ光を前記レバー部の基端側とは異なる向きに設けられた受光部へ反射する反射部と、前記レバー部の基端側で前記レバー部と共に一体形成されると共に、前記レバー部の長手方向に沿って前記反射部と対向し、前記反射部へ向けて前記レーザ光を出力する発光部と、を含めて構成されたカンチレバーを備え、前記探針部と前記試料との対向方向に対して直交する方向に、前記試料を前記探針部に対して相対移動させた際の前記反射部にて反射されたレーザ光の前記受光部での到達位置に基づき、前記試料の表面状態を検出することを特徴としている。
【００１６】
請求項１に記載の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーを構成するレバー部の長手方向先端に形成された探針部の先端が、試料の表面に対向させられる。この状態でレバー部の長手方向基端側に形成されたカンチレバーの発光部からレーザ光が出力される。発光部から出力されたレーザ光は、カンチレバー部の長手方向先端側に形成された反射部にて反射される。反射部にて反射されたレーザ光は受光部に到達する。
【００１７】
探針部と試料表面との対向方向に対して直交する方向に試料を探針部に対して相対移動させると、試料表面の探針部と対向する部分における形状（凹凸等）に応じて、探針部が試料表面に対して接離するように変位する。
【００１８】
このように探針部が変位すると、探針部が形成されたレバー部は長手方向先端が、支持されている長手方向基端側に対して変位するように撓む。このようにレバー部が撓むことでレバー部の先端に形成された反射部が変位する。
【００１９】
これにより、発光部から出力されたレーザ光の光軸に対して、反射部の反射面の傾斜角度が変化し、これにより、反射部にて反射されたレーザ光の受光部における到達位置が変化する。この到達位置に基づき探針部の変位が検出され、更に、例えば、探針部の変位を解消するように試料を変位させた際の試料の変位量に基づき、試料の表面の形状等、試料の表面の状態が検出される。
【００２０】
ここで、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、レバー部と共に探針部、反射部、及び発光部がカンチレバーとして一体形成される。このため、レバー部が撓んでいない状態での発光部と反射部との間隔はカンチレバーが形成された状態で既に決まっており、しかも、レバー部が撓んでいない状態での発光部と反射部との間隔が変化することはない。
【００２１】
これにより、反射部に対する発光部の位置調整が不要であると共に、位置調整における誤差等が生じることがなく、位置調整の誤差等に起因する検出結果の精度低下が生じることもない。このため、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、極めて高い精度で試料の表面の形状等、試料の表面の状態を検出できる。
【００２２】
請求項２に記載の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、請求項１に記載の本発明において、順方向に電流を流すことで前記レーザ光を出力する半導体により前記発光部を形成すると共に、前記発光部に流す電流を制御する電流制御手段を備える、ことを特徴としている。
【００２３】
請求項２に記載の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、半導体により発光部が形成されており、この半導体に順方向の電流を流すと、発光部からレーザ光が出力され、このレーザ光が反射部にて反射して受光部に到達する。
【００２４】
また、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、電流制御手段を備えており、この電流制御手段により発光部に流される電流が制御される。
【００２５】
ここで、発光部を半導体により構成した本発明、すなわち、レーザ光を所謂「半導体レーザ光」とした本発明では、半導体である発光部に流す電流の電流値により出力するレーザ光を直接変調できる。このため、レーザ光を変調するための制御手段である電流制御手段を簡素で小型にでき、その結果、走査型プローブ顕微鏡を全体的に小型化できる。
【００２６】
しかも、半導体レーザは、その光源（すなわち、発光部）が、他のレーザ光源に比べて小型であるため、この意味でも走査型プローブ顕微鏡を全体的に小型化できる。
【００２７】
請求項３に記載の本発明に係るカンチレバーは、Ｐ型半導体により形成されたＰ型クラッド層とＮ型半導体により形成されたＮ型クラッド層との間に活性層が設けられ、前記Ｐ型クラッド層から前記Ｎ型クラッド層へ向けて電流を流すことにより前記Ｐ型クラッド層、前記活性層、及び前記Ｎ型クラッド層の積層方向とは直交した側の端面からレーザ光を出力する発光部と、前記発光部の少なくとも一部を構成する材料により形成されると共に、前記発光部の前記端面から連続して延出されたレバー部と、前記発光部の少なくとも一部を構成する材料により、前記レバー部の先端側で前記発光部の前記端面に対向して形成され、前記発光部から出力された前記レーザ光を、前記発光部の側とは異なる方向へ反射する反射部と、前記レバー部の先端側の前記レバー部を介して前記反射部とは反対側に、前記発光部の少なくとも一部を構成する材料により先細テーパ状に形成された探針部と、を備えている。
【００２８】
請求項３に記載の本発明に係るカンチレバーによれば、レバー部の長手方向先端に、先細テーパ状の探針部が形成されており、本発明に係るカンチレバーを原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に装着した際には、この探針部の先端が試料表面に対向させられる。
【００２９】
また、レバー部の先端側における探針部とは反対側には反射部が形成され、この反射部と対向してレバー部の基端側には発光部が形成される。発光部はＰ型半導体により形成されたＰ型クラッド層、Ｎ型半導体により形成されたＮ型クラッド層、及び、これらのＰ型クラッド層とＮ型クラッド層との間に介在した活性層を有しており、この発光部に順方向の電流（すなわち、Ｐ型クラッド層側を正極側、Ｎ型クラッド層側を負極側とした電流）が流される。
【００３０】
このように発光部に電流が流されると、Ｐ型クラッド層、活性層、Ｎ型クラッド層の積層方向に対して直交する側の端面からレーザ光が出力される。このレーザ光が出力される発光部の端面は、レバー部の長手方向に沿って反射部と対向しており、発光部の端面から出力されたレーザ光は反射部にて発光部とは異なる方向に反射される。
【００３１】
このような本発明に係るカンチレバーを上記の走査型プローブ顕微鏡に用いた場合には、試料表面に先端を対向させた探針部が、探針部と試料との対向方向に対して直交する方向に探針部に対して試料を移動させた際に、試料表面の凹凸等の表面形状に応じて試料表面に対して接離するように変位する。
【００３２】
この探針部の変位によりレバー部は先端側が基端側に対して変位し、これにより、レバー部が撓む（変形する）。レバー部が撓むことでレバー部の基端側に形成された発光部に対し、レバー部の先端側に形成された反射部が変位し、発光部にて出力されたレーザ光は反射部で反射された際の反射方向が変化する。
【００３３】
これにより、反射部にて反射されたレーザ光を受光するために設けられた受光部でのレーザ光の到達位置が変化する。この受光部でのレーザ光の到達位置の変化を検出し、例えば、レーザ光の到達位置の変化が解消するように試料を変位させた際の試料の変位量に基づき、試料の表面の形状等、試料の表面の状態が検出される。
【００３４】
ここで、本発明に係るカンチレバーでは、発光部からレバー部が連続して延出され、更に、レバー部の先端側に探針部及び反射部が形成される。しかも、これらのレバー部、探針部、及び反射部は、発光部の少なくとも一部を構成する材料により形成される。
【００３５】
したがって、本発明に係るカンチレバーでは、発光部、レバー部、探針部、及び反射部が一体形成される。このように、発光部と反射部とがレバー部や探針部と共に一体形成されることで、レバー部が撓んでいない状態での発光部と反射部との間隔は、カンチレバーが形成された状態で既に決まっており、しかも、レバー部が撓んでいない状態での発光部と反射部との間隔が変化することがない。
【００３６】
これにより、本発明に係るカンチレバーでは、カンチレバーを走査型プローブ顕微鏡に装着する際に反射部に対する発光部の位置調整が不要であると共に、位置調整における誤差等が生じることはなく、位置調整の誤差等に起因する検出結果の精度低下が生じることもない。このため、本発明に係るカンチレバーを用いることで、極めて高い精度で試料の表面の形状等、試料の表面の状態を検出できる。
【００３７】
しかも、上記の発光部は、所謂「半導体レーザ」の光源であるため、発光部に流す電流の電流値を制御するたけで、出力するレーザ光を直接変調できる。このため、レーザ光を変調するための制御装置等を簡素で小型にできる。
【００３８】
さらに、半導体レーザ光を出力する発光部は、半導体レーザ以外のレーザ光の光源に比べて極めて小型である。このため、本発明に係るカンチレバーを用いることで走査型プローブ顕微鏡を全体的に小型化できる。
【００３９】
請求項４に記載の本発明に係るカンチレバーは、請求項３に記載の本発明において、前記反射部の前記発光部と対向する反射面が前記レバー部の長手方向に対して成す角度を、前記発光部から出力された前記レーザ光が前記反射面にて全反射する角度に設定した、ことを特徴としている。
【００４０】
請求項４に記載の本発明に係るカンチレバーによれば、発光部にて出力されたレーザ光は反射部にて全反射される。このため、発光部からのレーザ光の出力を大きくしなくても、反射部にて反射されたレーザ光を受光部等で確実に受光して、受光部におけるレーザ光に到達位置に応じた信号（電気信号等）を出力できる。
【発明の効果】
【００４１】
以上説明したように、本発明では、レーザ光源とカンチレバーにおける反射部の相対的な位置関係が変化することがない。このため、このような位置関係に基づく検出精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
＜本実施の形態の構成＞
（原子間力顕微鏡１０の構成の概略）
図５には本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の一態様である原子間力顕微鏡１０（以下、ＡＦＭ１０と称する）の構成の概略がブロック図により示されている。
【００４３】
図５に示されるように、ＡＦＭ１０はスキャナ１２を備えている。スキャナ１２は試料台１４を備えており、この試料台１４上に観察する試料１６がセットされる。試料台１４の下方には駆動機構１８が設けられている。
【００４４】
駆動機構１８はピエゾ素子２０Ｘ、２０Ｙ、２０Ｚを備えている。ピエゾ素子２０Ｘ〜２０Ｚは電圧が印加されることで結晶が一定の方向に伸縮する構造で、ピエゾ素子２０Ｘは結晶の伸縮で試料台１４をその試料載置面に対して平行な一方向（Ｘ方向）に微小変位させる。
【００４５】
また、ピエゾ素子２０Ｙは結晶の伸縮で試料台１４をその試料載置面に対して平行で且つ上記のＸ方向対して直交する方向（Ｙ方向）に微小変位させる。さらに、ピエゾ素子２０Ｚは結晶の伸縮で試料台１４をその試料載置面の向き、すなわち、上記のＸ方向及びＹ方向の双方に対して直交する方向（Ｚ方向）に微小変位させる。
【００４６】
ピエゾ素子２０Ｘ、２０ＹはＸ，Ｙ走査機構２６に接続されている。Ｘ，Ｙ走査機構２６は一種のドライバ回路を含めて構成されており、図示しない電源とピエゾ素子２０Ｘ、２０Ｙとの間に介在している。また、Ｘ，Ｙ走査機構２６はＣＰＵ２８に接続されており、ＣＰＵ２８からの走査制御信号がＸ，Ｙ走査機構２６に入力されると、Ｘ，Ｙ走査機構２６がピエゾ素子２０Ｘ及びピエゾ素子２０Ｙの少なくとも何れか一方に走査制御信号に応じた電圧を印加する。
【００４７】
また、ＣＰＵ２８はキーボードやマウス等により構成される入力部３０に直接又は間接的に接続されている。試料１６を上記のＸ方向やＹ方向にスキャン（変位）させるために、入力部３０で入力操作を行なうと、この入力操作に応じた入力信号がＣＰＵ２８に入力され、更に、入力信号に応じた走査制御信号がＣＰＵ２８から出力される。
【００４８】
一方、本ＡＦＭ１０は受光部３２を備えている。図６に示されるように、受光部３２は縦横２列に並んだ４つのホトダイオード３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄを備えており、ホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄがブリッジ回路を成す所謂「４分割ホトダイオード」を構成している。
【００４９】
また、受光部３２（すなわち、ホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄ）はロックインアンプ４２に接続されており、受光部３２から出力された光検出信号はロックインアンプ４２に入力される。ロックインアンプ４２では、ノイズを含む光検出信号から特定の繰り返し周波数を有する信号を取り出し、受光部３２における光の到達位置に対応した位置検出信号を出力する。
【００５０】
また、図５に示されるように、ロックインアンプ４２はＣＰＵ２８に接続されている。ロックインアンプ４２から出力された位置検出信号はＣＰＵ２８に入力され、更に、ＣＰＵ２８では入力された位置検出信号に基づいてサーボ信号を出力する。さらに、ＣＰＵ２８はＺ軸サーボ機構４４に接続されている。
【００５１】
Ｚ軸サーボ機構４４は一種のドライバ回路を含めて構成されており図示しない電源に接続されていると共に、ピエゾ素子２０Ｚに接続されている。ＣＰＵ２８にて出力されたサーボ信号はＺ軸サーボ機構４４に入力され、Ｚ軸サーボ機構４４では入力されたサーボ信号に基づいてピエゾ素子２０Ｚに電圧を印加する構成になっている。
【００５２】
（カンチレバー５０の構造）
一方、図５に示されるように、上述した試料台１４の上方には本発明の一実施の形態に係るカンチレバー５０が設けられている。ここで、図１には本発明の一実施の形態に係るカンチレバー５０の構造の概略が断面図によって示されており、図２にはカンチレバー５０の構造が斜視図によって示されている。
【００５３】
図１及び図２に示されるように、カンチレバー５０は発光部５２を備えている。図１に示されるように、発光部５２は、直方体形状に形成されており、構造的には、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム−ガリウム−砒素の化合物からなるｎ型半導体）により構成されるｎ型クラッド層５４を備えている。
【００５４】
発光部５２の厚さ方向に沿ったｎ型クラッド層５４の一方の側（図１における下方側）にはｎ−ＧａＡｓ（ガリウム−砒素の化合物からなるｎ型半導体）により構成される半導体層５６が設けられている。また、発光部５２の厚さ方向に沿ったｎ型クラッド層５４の他方の側（図１における上方側）にはｐ−ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム−ガリウム−砒素の化合物からなるｐ型半導体）により構成されるｐ型クラッド層５８が設けられている。
【００５５】
ｐ型クラッド層５８のｎ型クラッド層５４とは反対側にはｐ−ＧａＡｓ（ガリウム−砒素の化合物からなるｐ型半導体）により構成される半導体層６０が設けられており、更に、ｐ型クラッド層５８とｎ型クラッド層５４との間にはガリウムと砒素の化合物により形成された活性層６２が設けられている。以上の構成の発光部５２は半導体レーザ光のレーザ光源を構成しており、半導体層６０側を正極（＋）、半導体層５６側を負極（−）として一定の周期で変化する電流Ｉが流される。
【００５６】
また、発光部５２の長手方向一方の側の端面６４及び他方の側の端面６６は鏡面状のへき開面とされており、上記のように一定の電圧以上で直流電流Ｉを発光部５２に流すと、端面６４からレーザ光Ｌが出力される構造になっている。
【００５７】
一方、図１及び図２に示されるように、発光部５２の端面６４からは、半導体層５６がそのまま端面６４の向きに延出されており、この延出部分がレバー部６８を形成している。レバー部６８は幅寸法が発光部５２の幅寸法に略等しい細幅平板状に形成されている。レバー部６８は発光部５２よりも薄肉に形成されており、このため、例えば、レバー部６８の幅方向を軸方向とする軸周りに弾性的に撓曲可能な剛性をレバー部６８は有している。
【００５８】
さらに、レバー部６８の先端側（すなわち、発光部５２とは反対側）には反射部７０が形成されている。反射部７０はレバー部６８の幅方向を軸方向とする三角柱形状又は発光部５２の厚さ方向を高さ方向とする四角錐形状等（本実施の形態では前者の三角柱形状）に形成されている。
【００５９】
図１に示されるように、反射部７０もまた発光部５２と同様に半導体層５６、ｎ型クラッド層５４、活性層６２、ｐ型クラッド層５８、半導体層６０により構成されており、反射部７０を構成する半導体層５６、ｎ型クラッド層５４、活性層６２、ｐ型クラッド層５８、半導体層６０の各々は、非撓曲状態でのレバー部６８の長手方向に沿って、発光部５２を構成する半導体層５６、ｎ型クラッド層５４、活性層６２、ｐ型クラッド層５８、半導体層６０と対向している。
【００６０】
但し、反射部７０を構成する半導体層５６は、少なくともその一部がレバー部６８を構成する半導体層５６から連続している。
【００６１】
また、図１に示されるように、反射部７０の発光部５２と対向する側の面は反射面７２とされている。反射面７２は、発光部５２から出力されたレーザ光Ｌを、図１におけるカンチレバー５０の上方側に設けられた受光部３２（図５参照）へ向けて全反射するように、レバー部６８の長手方向に対する傾斜角度が設定されている。
【００６２】
一方、図１及び図３に示されるように、レバー部６８の先端側における反射部７０とは反対側の面には探針部（プローブ）７４が形成されている。探針部７４は、先端形状が非常に鋭い先細テーパ状に形成されており、試料台１４上の試料１６の表面に探針部７４の先端が対向する。
【００６３】
また、探針部７４はレバー部６８と同じ材質、すなわち、半導体層５６と同じ材質により形成されており、構造的及び材質的にレバー部６８に連続している。
【００６４】
以上の構成のカンチレバー５０は、図４（Ａ）に示されるように、半導体層５６、ｎ型クラッド層５４、活性層６２、ｐ型クラッド層５８、及び半導体層６０の各々は、これらの層の積層方向に対して直交する方向に均一に形成された母材８０から形成される。
【００６５】
カンチレバー５０を形成する際には、図４（Ａ）に示されるように、半導体層６０側の所定部位（例えば、発光部５２や反射部７０に対応した部位）にマスク８２が配置され、この状態でエッチングが半導体層６０側に施される。異方性エッチングや等方性エッチングが施されることで、半導体層６０、ｐ型クラッド層５８、活性層６２、ｎ型クラッド層５４、及び半導体層５６の所定の部位が除去される。これにより、レバー部６８及び発光部５２の一部及び反射部７０が形成される。
【００６６】
この半導体層６０側でのエッチング処理に前後して、図４（Ｂ）に示されるように、半導体層５６側の所定部位（例えば、発光部５２や探針部７４に対応した部位）にマスク８４が配置され、この状態でエッチングが半導体層５６側に施される。半導体層５６に異方性エッチングや等方性エッチングが施されることで、図４（Ｃ）に示されるように、半導体層５６の所定部位が除去され、発光部５２、レバー部６８、及び探針部７４が形成される。
【００６７】
なお、エッチング処理の順番に関しては特に限定されるものではなく、半導体層５６側及び半導体層６０側の何れが先でも構わない。
【００６８】
以上のように形成されたカンチレバー５０は、図５に示されるように、発光部５２が電流制御手段としての電流制御部９２に接続されている。電流制御部９２は図示しない電源に接続されていると共に、ＣＰＵ２８に接続されており、ＣＰＵ２８からの電流制御信号に基づき、Ｉ＝Ｉ0＋Ｉ1ｓｉｎωｔという周期的に電流値が変化する電流を発光部５２に流す。
【００６９】
＜本実施の形態の作用、効果＞
本ＡＦＭ１０では、カンチレバー５０の探針部７４の先端が、試料１６の表面に対して極微小な間隔だけ離間した状態で試料台１４上に試料１６がセットされる。この状態でＣＰＵ２８からの電流制御信号に基づき、電流制御部９２が発光部５２に電流Ｉを流し、発光部５２からレーザ光Ｌを出力すると、反射部７０の反射面７２で反射されたレーザ光Ｌの反射光Ｌｒが受光部３２の中央部、すなわち、図６におけるホトダイオード３４Ａとホトダイオード３４Ｃとの境目で且つホトダイオード３４Ｂとホトダイオード３４Ｄとの境目（図６において矢印Ｓで示される位置）に到達する。
【００７０】
この状態で、ＣＰＵ２８からの走査制御信号に基づいてＸ，Ｙ走査機構２６がピエゾ素子２０Ｘ、２０Ｙに所定の電圧を印加すると、試料１６がＸ方向やＹ方向に微小変位する。試料１６の表面に微小な凹凸が形成されていることで、上記のような試料１６の微小変位に伴い試料１６の表面と探針部７４の先端との間隔が変化する。
【００７１】
試料１６の表面と探針部７４との間隔が変化すると、探針部７４の先端の原子と、この原子に対向する試料１６の表面の原子との間に作用する原子間力が変化し、この原子間力の変化により、試料１６の表面に対して接離する方向に探針部７４が微小変位する。探針部７４が試料１６の表面に対して接離する方向に変位することで、レバー部６８の先端がレバー部６８の基端に対してレバー部６８の幅方向を軸方向とする軸周りに微小回動するようにレバー部６８が極僅かに撓む。
【００７２】
このように、レバー部６８が撓むことでレバー部６８の先端側に形成された反射部７０がレバー部６８の先端側と共に回動するように微小変位する。この状態では、発光部５２からレーザ光Ｌが出力されて反射部７０の反射面７２にてレーザ光Ｌが反射されているが、レバー部６８の先端側と共に反射部７０が回動するように変位することで、反射面７２の傾斜角度が微小変化し、これにより、反射面７２に対するレーザ光Ｌの入射角度が変化する。
【００７３】
このように、反射面７２でのレーザ光Ｌの反射角度が変化し、反射面７２で反射された反射光Ｌｒ（レーザ光Ｌ）の受光部３２での到達位置が変化する。
【００７４】
受光部３２では、反射光Ｌｒの到達位置に応じてホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄが受ける反射光Ｌｒの光量に差異が生じ、この差異に応じて各ホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄからの出力信号が変化する。ホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄはブリッジ状に互いに接続されているため、受光部３２の中央部に反射光Ｌｒが到達した状態に比べて、受光部３２での反射光Ｌｒの到達位置に応じた差異を有する光検出信号が受光部３２から出力される。
【００７５】
受光部３２から出力された光検出信号はロックインアンプ４２に入力される。上記のように、発光部５２にはＩ＝Ｉ0＋Ｉ1ｓｉｎωｔと言う正弦波的に周期的に変化する電流が流されているため、発光部５２から出力されるレーザ光Ｌも正弦波的に変調されている。したがって、受光部３２の各ホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄは正弦波的に変調された反射光Ｌｒを受光する。これにより、各ホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄでの出力信号も正弦波的に変化する。
【００７６】
ロックインアンプ４２では、この一定の周期で変化する信号、すなわち、各ホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄが受けた反射光Ｌｒに対応する信号のみを取り出して増幅して位置検出信号として出力する。ロックインアンプ４２から出力された位置検出信号はＣＰＵ２８に入力される。
【００７７】
ＣＰＵ２８では、入力された位置検出信号に基づいて、受光部３２での反射光Ｌｒの到達位置を受光部３２の中央部にするために必要なＺ方向に沿った試料１６の変位量を演算し、この演算結果に基づきサーボ信号を生成して出力する。
【００７８】
ＣＰＵ２８から出力されたサーボ信号はＺ軸サーボ機構４４に入力され、Ｚ軸サーボ機構４４では入力されたサーボ信号に基づいてピエゾ素子２０Ｚに電圧を印加してＺ方向に試料１６を微小変位させる。このようにＺ方向に試料１６が微小変位することで試料１６の表面と探針部７４との間隔の変化が解消されると、レバー部６８の撓みが解消される。これにより、反射面７２での反射光Ｌｒが受光部３２の中央部に到達する。
【００７９】
さらに、以上のような探針部７４の先端部と試料１６の表面との間隔を一定にするための試料１６のＺ方向の変位量が、Ｘ方向、Ｙ方向に連続して検出され、更に、ＣＰＵ２８にて画像解析され、その解析結果がＣＰＵ２８に接続されたモニタ９４に表示される。このようなＸ方向、Ｙ方向に連続して検出される試料１６のＺ方向の変位量の変化は、試料１６の表面の形状（凹凸）に対応している。したがって、モニタ９４に表示された画像から試料１６の表面の形状（凹凸）を観察、測定できる。
【００８０】
ここで、上述したように、本実施の形態に係るＡＦＭ１０のカンチレバー５０は、母材８０にエッチングを施すことで発光部５２、レバー部６８、探針部７４、及び反射部７０が一体形成される。このため、発光部５２、反射部７０、探針部７４の各々の相対的な位置関係や発光部５２の端面６４に対する反射部７０の反射面７２の向きが変化することなく、常に一定になる。
【００８１】
したがって、本カンチレバー５０を採用することで、ＡＦＭ１０にカンチレバー５０を装着する際に、反射部７０に対する発光部５２の相対的な位置調整が不要になる。このような位置調整には誤差が伴うが、本カンチレバー５０では、上記のように位置調整が不要であるため、このような誤差が生じることがない。このような誤差が生じないことで、本カンチレバー５０を採用したＡＦＭ１０は、極めて高い精度で試料１６の表面形状等を観察、測定できる。
【００８２】
さらに、上記のような位置調整が不要であることから、操作性やメンテナンス性と言う観点で本ＡＦＭ１０が扱い易くなる。
【００８３】
また、上記のように、発光部５２は所謂「半導体レーザ」の光源を構成している。したがって、上記のように発光部５２に流す電流Ｉの電流値を、例えば、正弦波等のように周期的に変化させるだけで、出力するレーザ光Ｌを周期的に変調できる。このため、ロックインアンプ４２に入力される光検出信号が微弱で且つノイズを含んでいても、受光部３２での反射光Ｌｒの到達位置に対応したホトダイオード３４Ａ〜３４Ｄの出力信号（光検出信号）は、発光部５２に流す電流Ｉの電流値の変化に応じた特定の周期で変化する。
【００８４】
これにより、ロックインアンプ４２にて容易に受光部３２での反射光Ｌｒの到達位置に対応した光検出信号だけを取り出して増幅できる。この結果、受光部３２での反射光Ｌｒの到達位置を受光部３２の中央部にするために必要なＺ方向に沿った試料１６の変位量を精度よく演算でき、試料１６の表面の凹凸の高さや深さを精度よく検出できる。
【００８５】
さらに、上記のように、Ｚ方向に沿った試料１６の変位量を精度よく演算できること、すなわち、受光部３２からロックインアンプ４２に送られる光検出信号に含まれるノイズの影響をなくし、又は、効果的に軽減できることで、ＡＦＭ１０の高感度化、高分解能化を実現できる。これにより、極めて高い精度で試料１６の表面の形状（凹凸）を観察、測定できる。
【００８６】
また、上記のように、発光部５２に半導体レーザ光源を採用していることで、発光部５２の小型化を図ることができる。しかも、上記のように、発光部５２から探針部７４及び反射部７０を連続して形成してがカンチレバー５０として一体形成されていることで、上記のような位置調整のための機構が不要である。このため、ＡＦＭ１０を全体的に小型化できると共に、製造コストを安価にできる。
【００８７】
なお、本実施の形態では、ｐ型、ｎ型のＡｌＧａＡｓの化合物やＧａＡｓの化合物を適用した半導体を発光部５２に適用したが、基本的に発光部５２が半導体レーザの光源を構成していれば、発光部５２を構成する半導体の組成に関して何ら限定されるものではない。
【００８８】
また、本実施の形態では、母材８０の所定部位を除いた部分をエッチングによって除去することでカンチレバー５０を形成した。しかしながら、母材８０からカンチレバー５０を形成する方法に関してはなんら限定されるものではなく、エッチング以外の他の手法をもって母材８０からカンチレバー５０を形成してもよい。
【００８９】
さらに、本実施の形態では、発光部５２を構成する半導体層５６でレバー部６８や探針部７４を形成したが、レバー部６８や探針部７４、更に反射部７０は、発光部５２を構成する材質の少なくとも何れか１つによって、発光部５２から構造的、材質的に連続して形成されていればよい。したがって、レバー部６８や探針部７４の材質が半導体層５６に限定されるものではない。
【００９０】
例えば、半導体層５６のｎ型クラッド層５４とは反対側に半導体層５６やｎ型クラッド層５４とは異なる材質の基盤層等を形成して、このような基盤層からレバー部６８や探針部７４を形成する構成にしてもよい。
【００９１】
また、本実施の形態では、母材８０から反射部７０を形成した後は、反射部７０に関して格別な処理を施していないが、例えば、反射部７０の反射面７２に反射率が高い被膜等を蒸着等により形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るカンチレバーの構成の概略を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るカンチレバーの斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るカンチレバーを探針部側から見た部分的な拡大斜視ずである。
【図４】本発明の一実施の形態に係るカンチレバーの製造工程の概略を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成の概略を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の受光部の構成の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０    原子間力顕微鏡（走査型プローブ顕微鏡）
１６    試料
３２    受光部
５０    カンチレバー
５２    発光部
５４    ｎ型クラッド層
５８    ｐ型クラッド層
６２    活性層
６４    端面
６８    レバー部
７０    反射部
７２    反射面
７４    探針部
９２    電流制御部（電流制御手段）
【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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