(57)【要約】【課題】  検出する力に応じた最適なバネ定数を有するカンチレバーを実現するために、連続的にバネ定数を変化させる手段を提供することである。【解決手段】  走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法において、走査プローブ顕微鏡のカンチレバー１のバネ定数を連続的に変化させて、測定対象物の物性情報を最も得られやすいバネ定数の最適値を見出し、バネ定数を有するバネによって所望の物性情報を得る。また、カンチレバー１のバネ定数を連続的に変化させ、粘弾性情報を得る。さらに、カンチレバー１のバネ定数を連続的に変化させ、フォースカーブを得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法において、
該走査プローブとしてカンチレバーが用いられており、
前記カンチレバーのバネ定数を連続的に変化させて、
測定対象物の物性情報を最も得られやすい前記バネ定数の最適値を見出し、
当該バネ定数を有するバネによって所望の物性情報を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項２】
前記カンチレバーのバネ定数を連続的に変化させ、測定対象物の粘弾性情報を得ることを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項３】
前記カンチレバーのバネ定数を連続的に変化させ、フォースカーブを得ることを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項４】
前記カンチレバーのバネ定数を連続的に変化させ、前記カンチレバーの振動の位相を示す情報を得ることを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項５】
前記カンチレバーの固定端の位置を変化させることによって、前記バネ定数を変化させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項６】
前記カンチレバーの一部を機械的に固定し、カンチレバーの腕の長さを変化させることを特徴とする請求項５記載の走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項７】
前記カンチレバーに形成された圧電層に電圧を印加し、当該電圧を変化させることによって、前記バネ定数を変化させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項８】
前記カンチレバーに形成された圧電層に、前記カンチレバーがたわむ方向に（反る方向と反対）電圧を印加することを特徴とする請求項７記載の走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項９】
前記カンチレバーに形成した互いに絶縁された２層の圧電層に、変位の方向が互いに打ち消されるような極性、かつ、電圧を印加し、当該電圧を変化させることを特徴とする請求項８記載の走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡において、
該走査プローブとして前記カンチレバーが用いられており、該走査プローブ顕微鏡を物性情報の測定方法に用いることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記カンチレバーの一部を機械的に固定し、カンチレバーの腕の長さを変化させることを特徴とする走査プローブ顕微鏡のためのカンチレバーホルダ。
【請求項１２】
請求項１１記載のカンチレバーホルダを具備することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭと略称する）を用いた物性情報の測定方法、カンチレバー及び走査プローブ顕微鏡に関し、特に、バネ定数を変化させることで所望の物性情報を得る走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法、カンチレバー及び走査プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査プローブ顕微鏡は、微細な表面形状情報を得る装置としてだけでなく、さまざまな物性情報を取得するための分析装置として、また、マニュピレーションなどの加工装置としても今やナノテクノロジーにおいて必須のツールとなっている。
【０００３】
さまざまな走査プローブ技術があるが、共通技術として、ピエゾによるＸＹＺ方向の高精度スキャンと原子間力顕微鏡をベースとしたプローブ顕微鏡の場合は、プローブにカンチレバーを用いることである。
【０００４】
どのような物性情報を取得するか、又はどのような走査プローブ制御を行うかによって、カンチレバーは適宜選択される。
【０００５】
例えば、試料表面の粘弾性を評価する場合、材料の粘弾性に応じたバネ定数を有するカンチレバーが必要である。
【０００６】
今、Ａという材料とＢという材料がミクロ相分離しているような試料があり、Ａの方が相対的にやわらかいとする。
【０００７】
このとき、Ａ材料はやわらかく、Ｂ材料は固くみえるようなバネ定数を用いるのが、最もよく両者の粘弾性の違いを識別できる。
【０００８】
また、フォースカーブを用いて、試料表面の凝着力を評価するようなケースにおいても、凝着力に応じたバネ定数のカンチレバーが必要で、バネ定数が凝着力に対して強すぎると凝着力は計測できないし、弱すぎるとカンチレバーのチップ先端がＺ方向のスキャン範囲内で離れることができず、これまた凝着力の定量が不可能となる。
【０００９】
このように、カンチレバーのバネ定数は検出する力との相対的な関係で最適値が存在し、取得する物性値のＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比にバネ定数は大きく影響する。
【００１０】
これまで、カンチレバーのバネ定数といえば、カンチレバー固有の値が一つあるのみであった。
【００１１】
市販品の中には、長さや幅を変えた４種類のバネ定数をもつカンチレバーを一つの基板に設けたものがある（図１１（ａ））。
【００１２】
Ｓｉ単結晶プローブにおいても、長さなどを変えることによって、０．０１−５０前後Ｎ／ｍのバネ定数を有するカンチレバーがいくつか用意されている（図１１（ｂ））。
【特許文献１】特開２０００−３４６７８４号公報
【非特許文献１】M.Radmacher, R.W.Tillman, M.Fritz, H.E.Gaub, "From Molecules to Cells:Imaging Soft Samples with the Atomic Force Microscope", Science 1992,257,1900-1905
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、ＳＰＭによる物性情報−特に、粘弾性や表面の凝着力及び吸着力−を評価する際に、最適なバネ定数を選択する方法としては、これまで、個々のバネ定数を持つカンチレバーの中から、最も適当なバネ定数を有するカンチレバーを選択するしかなかった。
【００１４】
そこで、本発明は、検出する力に応じた最適なバネ定数を有するカンチレバーを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、走査プローブ顕微鏡を用いた物性情報の測定方法において、該走査プローブとしてカンチレバーが用いられており、前記カンチレバーのバネ定数を連続的に変化させて、測定対象物の物性情報を最も得られやすい前記バネ定数の最適値を見出し、当該バネ定数を有するバネによって所望の物性情報を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、検出する力に応じた最適なバネ定数を設定できることができ、取得情報をＳ／Ｎよく検出できる。特に、粘弾性、凝着力及び吸着力を効果的に評価することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、バネ定数を連続的に変化させることにより、粘弾性、フォースカーブ及び位相イメージングにおける最適なバネ定数を選択することができ、Ｓ／Ｎの良い計測が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。
【００１９】
バネ定数を変化させる第１の方法は、カンチレバー１のカンチレバーの腕の長さを連続的に変化させる方法である。カンチレバーとは片持ち梁のことをいう。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態は、カンチレバー１と、治具２と、治具３と、調整機構４と、圧電素子５とを備えている。
【００２１】
治具２と治具３とを合わせて、カンチレバーホルダとする。
【００２２】
図１（ａ）に示すように、カンチレバー１を上下方向から挟み込み、カンチレバー１の腕の部分を出す長さを調整することでバネ定数を変化するようにする。
【００２３】
挟み込む冶具は、カンチレバー１を上からはさむ冶具２と下からはさむ冶具３があり、冶具２にはカンチレバー１を振動させるための圧電素子５が設けられている。
【００２４】
また、これら冶具２及び３とカンチレバー１の相対的な位置を調整できる調整機構４が設けてあり、カンチレバー１の固定端の位置を変えることができる。
【００２５】
図１（ｂ）には、上記カンチレバー６を用いた走査プローブ顕微鏡を示した。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、本実施の形態の走査プローブ顕微鏡は、カンチレバー６と、レーザー７と、フォトディテクタ９と、ピエゾ１０と、制御器１２と、表示装置１３とを備えている。
【００２７】
レーザー７から放射されるレーザー光は、バネ定数可変機構を設けたカンチレバー６の反射面で反射し、その反射光８はフォトディテクタ９に入射する。
【００２８】
試料１１はピエゾ１０によって、ＸＹＺ方向に変位できる。
【００２９】
制御器１２は、フォトディテクタ９からの信号を検出し、ピエゾ１０を制御する。
【００３０】
この冶具から出すカンチレバーの腕の長さが長いほど、バネ定数は小さくなり、短いほど大きくなる。この信号の制御量を表示装置１３で表示する。
【００３１】
上述したように、Ａという材料とＢという材料がミクロ相分離しているような試料があり、Ａの方が相対的にやわらかいとき、Ａ材料は相対的にやわらかく、Ｂ材料は相対的に固くみえるようなバネ定数を用いるのが、最もよく両者の粘弾性の違いを識別できる。
【００３２】
ここで、ミクロ相分離とは、２種類の異なるポリマーが互いに溶け合うことなく、ミクロサイズでそれぞれの領域を形成しているような状態のことをいう。
【００３３】
例えば、ポリマーＡとポリマーＢとが、それぞれの領域を確保しつつ、ミクロレベルで互いに入り組んだ状態を形成し、全体として形をなしているような状態のことをいう。
【００３４】
例えば、ＡとＢという機械的特性の異なる材料がミクロ相分離しているような場合、粘弾性のイメージ取得をカンチレバーの長さを変化させバネ定数を調整することで、この材料系における最もコントラストを与える条件を見出すことができる。
【００３５】
カンチレバー１のドライブ位相と実際のカンチレバー１の振動位相との差をコントラスト化する位相イメージングにおいても、このような方法によってバネ定数を変化させることで最適なコントラストを得ることができる。
【００３６】
また、同様に、フォースカーブを用いて試料表面の凝着力を評価するようなケースにおいても、フォースカーブの測定とバネ定数の調整を繰り返すことで、検出する凝着力に応じたバネ定数を決定することができる。
【００３７】
ここで、フォースカーブとは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）において、試料とプローブの距離に対するプローブの変位量をプロットしたものが、フォースカーブである。プローブの変位量から、プローブが受ける力の大きさがわかる。
【００３８】
バネ定数を可変させる第２の方法は、カンチレバー１の片持ち梁に形成した圧電層に電圧を印加し、この電圧を変化させることによってバネ定数を変化させる方法である。
【００３９】
カンチレバー１上下面のどちらか１面に、圧電層を１層形成し（図２）、カンチレバー１がたわむ方向に（反る方向と反対）電圧を印加した状態で試料表面を押し込むと、電圧を印加しない状態に比べ、バネ定数は大きい状態となる。
【００４０】
また、カンチレバー１に絶縁された２層の圧電層（図３）を形成し、それぞれ変位を打ち消すような極性で電圧を印加することで、バネ定数を大きくすることができる。
【００４１】
カンチレバー１の変位はないが、圧電層にはそれぞれ内部応力がかかっているため、バネ定数は大きくなるわけである。
【００４２】
そして、印加電圧が高いほど、内部応力が大きくなり、バネ定数も大きくなる。
【００４３】
圧電層の形成は、図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、カンチレバー１４の上下面のどちらか一方に、互いに絶縁された２層の圧電層を形成する場合もあるし、図３（ｂ）に示すようにカンチレバー１４の上下面に形成してもよい。
【００４４】
このような電圧印加によるバネ定数の可変は、測定中にも可能であり、試料表面の機械特性や凝着力を評価しながら、バネ定数を可変させ、最もコントラストのよい検出を実現する最適なバネ定数を見出すことができる。
【００４５】
［実施例］
本発明をさらに実施例を挙げ、詳述する。
【００４６】
（実施例１）
低密度のポリエチレンと高密度のポリエチレンを積層した試料を、ミクロトームで断面方向に薄片化し、これを基板に固定した。
【００４７】
その表面の高さイメージをタッピングＡＦＭで計測し、同時に粘弾性のイメージングを計測した。
【００４８】
タッピングＡＦＭ（原子間力顕微鏡）とは、ＳＰＭの中の一つで、主に試料表面の凹凸イメージを測定するために用いる手法であり、カンチレバーをプローブとし、これをその共振周波数で振動させ、試料表面に断続的に接触させながら、表面の凹凸像を計測していく手法である。
【００４９】
粘弾性はカンチレバーをカンチレバーホルダの固有振動数で加振させ、試料に押しこまれた際の振幅を検出する方法で行った。
【００５０】
１画面測定するごとに、カンチレバーの腕の長さを５μｍづつ短くしていき、３０μｍまで短くした。
【００５１】
図４に示すように、カンチレバーの長さを変化させていくと、低密度ポリエチレン２０と高密度ポリエチレン２１の相対的なコントラストが変化し、２０μｍ短くしたところでコントラストは最大になった（図４（ｄ））。
【００５２】
このようにカンチレバーの長さを変化させることで、バネ定数を変化させ、試料に適切なバネ定数を調整することができる。
【００５３】
（実施例２）
カンチレバーの上下面に圧電膜をそれぞれ形成し（図３（ｂ））、これを用いて、実施例１と同様な試料の粘弾性イメージ測定を行った。
【００５４】
走査はＸＹスキャンを２５６ラインで行い、上下圧電膜に同極性、同値のＤＣ電圧を印加しながら粘弾性イメージ測定を行った。
【００５５】
２８ラインごとに、電圧を０〜３５Ｖまで、５Ｖづつ上昇させていった。
【００５６】
なお、形状イメージはタッピングＡＦＭを用いたが、形状を計測するときは、上記圧電膜には電圧は印加せずに計測し、粘弾性計測の時のみ圧電膜に電圧を印加した。
【００５７】
これは、形状を計測するときのカンチレバーの共振周波数を一定に保つためである。
【００５８】
計測結果を図５に示した。低密度ポリエチレン２２に対して、高密度ポリエチレン２３の相対的コントラストは、印加電圧が２０Ｖのとき最もコントラストのよい粘弾性イメージが得られた。
【００５９】
なお、上記実施例では、圧電層はカンチレバーの上下にそれぞれ形成したが、カンチレバーの片面に圧電層を２層絶縁して形成してもよい。
【００６０】
この場合は、反対極性の同値のＤＣ電圧を印加することで、見た目カンチレバーの変位のない状態でバネ定数を連続的に大きくすることができる。
【００６１】
さらに、カンチレバーの上下面のどちらかに１層の圧電膜を形成してもよい。
【００６２】
カンチレバーが撓む方向に電圧を印加することで、プローブ先端を試料表面に押し込む力を連続的に大きくすることができる。
【００６３】
（実施例３）
上記、実施例２において、低密度のポリエチレンと高密度のポリエチレンを積層した領域それぞれで、印加電圧vsカンチレバーの変位を計測（図６）することで、最もよいコントラストを与えるバネ定数を決定することができる。
【００６４】
すなわち、印加電圧vsカンチレバーの変位を示す図６において、低密度ポリエチレンの変位が２４、高密度のポリエチレンのそれが２５である。
【００６５】
それぞれの領域における変位曲線の差分２６をとり、最もそれが大きかった印加電圧を求める。
【００６６】
差分曲線のピーク値を与える印加電圧が、粘弾性イメージにおける最大のコントラストを与える。この場合、およそ２０Ｖであった。
【００６７】
このようにして、最適なバネ定数を決定し、最もコントラストよく測定できる条件を見出した。
【００６８】
（実施例４）
ポリエステルとスチレンアクリルを１３０度で加熱混練したバルク試料の一部をミクロトームで平坦化した（薄片化した試料でなくバルク試料の一部を平坦化した面を分析）。
【００６９】
この面をカンチレバーを加振させながら断続的に試料表面に接触させるタッピングＡＦＭとカンチレバーホルダの固有振動数を用いて、カンチレバーを試料表面に押しこむことによる粘弾性の測定を行った。
【００７０】
３０μｍ領域の粘弾性イメージから数ミクロンオーダーの２種類の特性を有する領域が観察された（図７）。
【００７１】
実施例１と同様に、印加電圧を調整し、最もよくコントラストが得られるバネ定数を調整した。
【００７２】
次に、相対的に弾性の大きいポリエステル領域２７に走査プローブを位置させ、コンタクトモードに切り替えた後、フォースカーブを測定したところ、電圧印加なしの状態では、Ｚ方向のスキャンストロークに対し、プローブ先端が試料表面から離れず、フォースカーブを計測できなかった（図８）。
【００７３】
そこで、２層の圧電層にＤＣ電圧を印加しながら、フォースカーブ計測を繰り返し行った。
【００７４】
１０Ｖ印加したところで、凝着力の現れたフォースカーブが得られた（図９）。
【００７５】
相対的に弾性の小さいポリスチレン領域２８（図７）において、同様な条件でフォースカーブを計測したところ、フォースカーブが得られ、ポリエステル領域の約１／５の凝着力であった（図１０）。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明によるバネ定数を変化させる機構を設けたカンチレバー及びそれを具備した走査プローブ顕微鏡を説明するための図である。
【図２】本発明による、カンチレバーに圧電膜を形成し、バネ定数を変化させることを説明するための図である。
【図３】本発明による、カンチレバーに圧電膜を形成し、バネ定数を変化させることを説明するための図である。
【図４】本発明による実施例を説明するための図である。
【図５】本発明による別の実施例を説明するための図である。
【図６】本発明による別の実施例を説明するための図である。
【図７】本発明による別の実施例を説明するための図である。
【図８】凝着力がバネ応力よりも大きい場合のフォースカーブを示す。
【図９】本発明による別の実施例を説明するための図である。
【図１０】本発明による別の実施例を説明するための図である。
【図１１】従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  カンチレバー
２  カンチレバー１を上からはさむ冶具
３  カンチレバー１を下からはさむ冶具
４  冶具２及び３とカンチレバーの相対的な位置を調整できる調整機構
５  圧電素子
６  バネ定数可変機構を設けたカンチレバー
７  レーザー
８  レーザー反射光
９  フォトディテクタ
１０  ピエゾ
１１  試料
１２  制御器
１３  表示装置
１４  カンチレバーの基板
１５  カンチレバーの上面に設けた１層の圧電膜
１６  カンチレバーの下面に設けた１層の圧電膜
１７  カンチレバーの上面に設けた互いに絶縁された２層の圧電膜
１８  カンチレバーの上下面に１層づつ設けた圧電膜
１９  カンチレバーの下面に設けた互いに絶縁された２層の圧電膜
２０  低密度ポリエチレン領域
２１  高密度ポリエチレン領域
２２  低密度ポリエチレン領域
２３  高密度ポリエチレン領域
２４  低密度ポリエチレン領域の印加電圧に対するカンチレバー変位
２５  高密度ポリエチレン領域の印加電圧に対するカンチレバー変位
２６  ２４と２５の印加電圧に対する差分
２７  ポリエチレン領域
２８  ポリスチレン領域
２９  基板
３０  カンチレバー
３１  基板
３２  カンチレバー
【図１】
2006078219.tif 000003
【図２】
2006078219.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006078219.tif 000008
【図７】
2006078219.tif 000009
【図８】
2006078219.tif 000010
【図９】
2006078219.tif 000011
【図１０】
2006078219.tif 000012
【図１１】
2006078219.tif 000013