(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする問題点は、カンチレバーの試料表面上での微小変位の変位量や変位スピードを高精度にコントロールしてカンチレバーと試料表面に働く局所的な微小な摩擦力の測定することができなかったという点である。また、上記測定において、長い時間をかけた状態と同等の状態を作り出して測定を行うことができなかったという点である。【解決手段】試料と対向する探針との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡の測定方法において、前記探針を有するカンチレバーを加振手段により前記試料表面方向に振動させ、前記試料と前記探針との間の距離をスキャナにより変化させ、前記探針を前記試料に押し込んで前記試料の微小摩擦を測定する方法。【選択図】        図１２
2006267027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料と対向する探針との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡の測定方法において、
前記探針を有するカンチレバーを加振手段により前記試料表面方向に振動させ、
前記試料と前記探針との間の距離をＺ変位手段により変化させ、
前記探針を前記試料に押し込んで前記試料の微小摩擦を測定する方法。
【請求項２】
前記加振手段を制御する制御手段により前記カンチレバーを可変自在に前記振動させることを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項３】
前記Ｚ変位手段を制御する制御手段により前記探針を前記試料に可変自在に押し込むことを特徴とする請求項１又は２に記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項４】
前記試料の温度を温度変化手段により変化させ、
前記試料の温度変化による前記微小摩擦の変化を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項５】
気密に保持された観察室に雰囲気ガスを導入して測定を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項６】
高分子である前記試料の測定を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項７】
試料と対向する探針の間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡において、
前記探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを前記試料表面方向に振動させる加振手段と、
前記試料と前記探針との間の距離を変化させるＺ変位手段と、を備え、
前記探針を前記試料に押し込んで前記試料の微小摩擦を測定する走査形プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記加振手段が剪断ピエゾ素子であることを特徴とした請求項７に記載した走査形プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記加振手段を制御する制御手段を備えた請求項７又は８に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記加振手段により前記振動が可変自在である走査形プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記Ｚ変位手段を制御するＺ制御手段を備えた請求項７乃至９のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記Ｚ変位手段により前記探針が前記試料を押しつける力が可変自在である走査形プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記試料の温度を変化させる温度変化手段を備えた請求項７乃至１０のいずれかに記載された走査形プローブ顕微鏡であって、
前記試料の温度変化による前記微小摩擦の変化を測定することを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
気密に保持された観察室を備えた請求項７乃至１１のいずれかに記載された走査形プローブ顕微鏡であって、
前記観察室に雰囲気ガスを導入して観察を行うことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記試料が高分子である請求項７乃至１２のいずれかに記載された走査形プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，磁気力，摩擦力或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像・摩擦像等を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。この探針に働く物理量を測定する方法には、探針を有するカンチレバーの背面にレーザ光を照射し、反射したレーザ光を検出器で受光し、その位置の変位又はレーザ光の周波数変位を測定する方法がとられる。
【０００３】
図１にカンチレバーの変位検出に光てこ方式を用いた従来技術における走査プローブ顕微鏡の構成を示す。試料１に対向するように先端に探針を有するカンチレバー２が配置されている。カンチレバー２の背面にレーザ光源３のレーザ光が照射されている。カンチレバー２からの反射光１０は検出器４で出力を検出している。カンチレバー２が変位すると、検出器４に入射するレーザ光のスポットがシフトする。これにあわせて検出器４の出力が変化し、カンチレバー２の変位を検出することができる。カンチレバー２が撓むと分割フォトダイオードで構成される検出器１４上でレーザ光のスポットはＺ方向にシフトする。カンチレバー２が捻れると検出器１４上でレーザ光のスポットはＹ方向にシフトする。
【０００４】
図２のように、カンチレバー２を矢印で示す方向に試料１表面を走査した際に、カンチレバー２先端の探針１５の探針１５と試料１表面間に摩擦がほとんど存在しない場合にはカンチレバー２は変形しない。しかし図３のように、カンチレバー２先端の探針１５と試料１表面間に摩擦が発生した場合にはカンチレバー２は捻れ方向に変形する。捻れが発生するとカンチレバー２からの反射光１０は検出器４上でＹ方向にシフトする。このシフトによる検出器４の出力変化からカンチレバー２先端の探針１５と試料１表面間に働く摩擦力を画像化することができる。しかしこの方法では試料１表面の凹凸によってもカンチレバー２が捻れることで、凹凸の影響が画像に混入してしまう。
【０００５】
上記の問題を克服する方法を図４に示す。試料１を走査方向に数ｎｍ程度に振動させる。試料１の振動はカンチレバー２先端の探針１５と試料１表面間に摩擦がほとんど存在しない場合にはカンチレバー２は試料１の振動に追従せず、変形しない。しかし図５に示すように、カンチレバー２先端の探針１５と試料１表面間に摩擦が発生した場合には、カンチレバー２は試料１の振動に追従し、捻れ方向に変形する。摩擦の大きさにより捻れの度合いや、試料１の振動に対して捻れの周期に位相の遅れが生じる。これらの変化を画像化することで、カンチレバー２先端の探針１５と試料１表面間に働く摩擦力を画像化することができる。この方法では上記のような試料１表面の凹凸の影響が画像に混入することを防ぐことができる。
【０００６】
近年、カンチレバーと試料表面に働く局所的な微小な摩擦力の測定を高分子等の分子力学物性の評価等に応用しようと試みられている。これらを実現するには更に微小な領域で動的または静的な摩擦力を高精度に測定することが要求されており、そのためにはカンチレバーの試料表面上での微小変位の変位量や変位スピードを高精度にコントロール必要がある。
【０００７】
しかしながら、上述の方法ではスキャナに変位信号と基準信号の差信号を重畳することでカンチレバーを変位させている。スキャナは数十〜数百μｍの走査のために設計され、装置に組み込まれている。そのため、数ｎｍ単位の変位量やスピードを高精度にコントロールすることはできない。
【０００８】
また、高分子はその性質を非常に長い時間の経過の中で変化させる。長いときには数年という時間を要する場合もある。しかし、実際の測定ではこのような長い時間をかけて実施することは不可能である。
【０００９】
なお、従来技術としては、試料を横方向に振動させることにより、凹凸の影響を排除し、振動振幅像及び振動位相像を得る原子間力顕微鏡がある（例えば、特許文献１）。
【００１０】
【特許文献１】特開平６−３２３８３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする問題点は、カンチレバーの試料表面上での微小変位の変位量や変位スピードを高精度にコントロールしてカンチレバーと試料表面に働く局所的な微小な摩擦力の測定することができなかったという点である。また、上記測定において、長い時間をかけた状態と同等の状態を作り出して測定を行うことができなかったという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、試料と対向する探針との間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡の測定方法において、前記探針を有するカンチレバーを加振手段により前記試料表面方向に振動させ、前記試料と前記探針との間の距離をＺ変位手段により変化させ、前記探針を前記試料に押し込んで前記試料の微小摩擦を測定する方法である。
【００１３】
請求項２の発明は、前記加振手段を制御する制御手段により前記カンチレバーを可変自在に前記振動させることを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法である。
【００１４】
請求項３の発明は、前記Ｚ変位手段を制御する制御手段により前記探針を前記試料に可変自在に押し込むことを特徴とする請求項１又は２に記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法である。
【００１５】
請求項４の発明は、前記試料の温度を温度変化手段により変化させ、前記試料の温度変化による摩擦の変化を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法である。
【００１６】
請求項５の発明は、気密に保持された観察室に雰囲気ガスを導入して測定を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法である。
【００１７】
請求項６の発明は、高分子である前記試料の測定を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡の測定方法である。
【００１８】
請求項７の発明は、試料と対向する探針の間に作用する物理量により検出される信号に基づいて像を表示する走査形プローブ顕微鏡において、前記探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを前記試料表面方向に振動させる加振手段と、前記試料と前記探針との間の距離を変化させるＺ変位手段と、を備え、前記探針を前記試料に押し込んで前記試料の微小摩擦を測定する走査形プローブ顕微鏡である。
【００１９】
請求項８の発明は、前記加振手段が剪断ピエゾ素子であることを特徴とした請求項７に記載した走査形プローブ顕微鏡である。
【００２０】
請求項９の発明は、前記加振手段を制御する制御手段を備えた請求項７又は８に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記加振手段により前記振動が可変自在である走査形プローブ顕微鏡である。
【００２１】
請求項１０の発明は、前記Ｚ変位手段を制御するＺ制御手段を備えた請求項７乃至９のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記Ｚ変位手段により前記探針が前記試料を押しつける力が可変自在である走査形プローブ顕微鏡である。
【００２２】
請求項１１の発明は、前記試料の温度を変化させる温度変化手段を備えた請求項７乃至１０のいずれかに記載された走査形プローブ顕微鏡であって、前記試料の温度変化による摩擦の変化を測定することを特徴とする走査形プローブ顕微鏡である。
【００２３】
請求項１２の発明は、気密に保持された観察室を備えた請求項７乃至１１のいずれかに記載された走査形プローブ顕微鏡であって、前記観察室に雰囲気ガスを導入して観察を行うことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡である。
【００２４】
請求項１３の発明は、前記試料が高分子である請求項７乃至１２のいずれかに記載された走査形プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により剪断ピエゾを用いてカンチレバーを試料表面方向に振動させることにより、カンチレバーの試料表面上での微小変位量や変位スピードを高精度にコントロールしてカンチレバーと試料表面に働く局所的な微小な摩擦力の測定が可能となった。また、上記測定において、試料周りの環境を変化させることで、長い時間をかけた状態と同等の状態を作り出して測定を行うことが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
原子間力顕微鏡のコンタクトモードは、試料表面と探針間の原子間斥力を用いて観察・測定を行う。片持ちばりの端に取り付けた探針を試料表面に近づけていくと、試料と探針の間に原子間力が働くことから、この原子間力や探針と試料との距離制御に基づき試料表面の観察を行うものである。ここで、原子間力は、試料と探針が離れている間は引力が働き、近づいてくると斥力が働くので、この原子間力によって片持ちばりがたわむ。そこで、レーザを用いた光てこ方式などでこの片持ちばりのたわみを検出して、原子間力が一定となるようにＺ変位手段であるチューブ型圧電素子を用いたスキャナにより試料をＺ方向に制御して、かつ、試料表面上を二次元的に走査を行い、試料の観察を行う。
【００２８】
本発明の構成を図６を用いて説明する。先端に探針１５を有するカンチレバー２が試料１に対向して設置されている。試料１は高分子や生体等の分子力学物性の評価を行うものである。カンチレバー２の他端には剪断ピエゾ素子６が設置されており、剪断ピエゾ素子６は図示しないベースに固定されている。また、剪断ピエゾ素子６は発振器７に接続されており、発振器７はコントローラ８に接続されている。
【００２９】
図１３はカンチレバー２の詳細図であり、図１４は図１３における矢視Ａである。剪断ピエゾ素子６は方向１６の方向に分極している。分極方向１６に電圧を印加すると、剪断ピエゾ素子１６が剪断するように振動する。
【００３０】
さらに、探針１５と試料１表面間に作用する原子間力（斥力）をカンチレバー２の撓みから検知する構成で、カンチレバー２先端にレーザ光源３から照射したレーザ光線の反射光１０を検出器４で検出している。この光学検出系は光てこ法を利用したもので、カンチレバー２の微小な変位を検出器４上に拡大投影して検出している。検出器４には４分割フォトダイオードを使用し、それぞれの検出信号量の差をコントローラ８によって演算することで位置情報を得る。
【００３１】
また、試料１はスキャナ５に交換自在に載置されており、ＸＹＺ方向に変位自在である。スキャナ５はコントローラ８に接続されており、コントローラ８はコンピュータ９に接続されている。
【００３２】
以上、図における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。
【００３３】
コンピュータ９からの命令はコントローラ８を経て、発振器７に与えられる。発振器７からカンチレバー２をＹ方向（横方向）に振動させるための信号が剪断ピエゾに印加されると、カンチレバー２及び探針１５がＹ方向に振動する。
【００３４】
カンチレバー２が振動による試料１からの摩擦で変位すると、検出器４に入射するレーザ光のスポットがシフトする。これにあわせて検出器４の出力が変化し、カンチレバー２の変位を検出する。変位の情報はコントローラ８を経て、コンピュータ９で管理される。
【００３５】
また、試料１と探針１５間に適切な摩擦が生じるように、コンピュータ９はコントローラ８経由でスキャナ５を変位させる。
【００３６】
ここで、図７に示すように、剪断ピエゾ素子６に加振信号を加え、カンチレバー２をＹ方向に数ｎｍ程度振動させる。カンチレバー２先端の探針１５と試料１表面間に摩擦がほとんど存在しない場合にはカンチレバー２先端の探針１５は振動に追従せず、変形しない。しかし図８に示すように、カンチレバー２先端の探針１５と試料１表面間に摩擦が発生した場合には、カンチレバー２先端の探針１５は振動に追従し、カンチレバー２は捻れ方向に変形する。
【００３７】
また、摩擦の大きさにより捻れの度合いや、試料の振動に対して捻れの周期に位相の遅れが生じる。これらの変化を画像化することで、カンチレバー２先端の探針１５と試料１表面間に働く摩擦力を画像化することができる。
【００３８】
例えば、剪断ピエゾ素子６の大きさは幅４ｍｍ長さ８ｍｍ程度であり、スキャナ５の大きさは直径２０ｍｍ長さ５０ｍｍ程度である。剪断ピエゾ素子６はスキャナ５と比較すると薄く、小さく、変位量も非常に小さい。そのために微小に高速に変形させることができるので、カンチレバー２の試料１表面上での微小変位の変位量や変位スピードを高精度にコントロールすることが可能となる。また、押し込み量は多くとも数百ｎｍ程度であるが、探針１５を試料１に押し込んでも試料の組織や構造を破壊することがない。
【００３９】
以上、図における動作について説明したが、カンチレバーを試料表面に近づけて、試料、カンチレバー先端に働く力を用いて、試料表面の形状または物性を観察する走査プローブ顕微鏡において、カンチレバーの近傍にカンチレバーを横方向に振動させるための剪断ピエゾ素子が配置することにより、カンチレバーの横振動の振幅やスピードを高精度にコントロールが可能となり、カンチレバーを横振動させたときのカンチレバーの捻れを検出しすることで、カンチレバー先端を試料に押し込んだときに働く局所的な微小な摩擦力が可能となった。また、垂直方向にカンチレバーの押しつける力を連続的に変化させながら摩擦力を測定することで、局所領域での静摩擦係数、動摩擦係数を求めることができる。
【実施例２】
【００４０】
実施例２の装置の構成は実施例１と同様であり、実施例１との相違はスキャナのＺ方向を変位させるところである。
【００４１】
図６において、スキャナのＺ方向を制御し、カンチレバー２の試料表面に押しつける力（垂直抗力）を変化させながらカンチレバー２をＹ方向（横方向）に数ｎｍ程度振動させる。カンチレバー２の試料表面に押しつける力が変化すると、カンチレバー２が撓む。カンチレバー２からの反射光１０は検出器１４上で上下方向にシフトする。このシフトによる検出器１４の出力変化から、コンピュータ９によりカンチレバー２の試料表面に押しつける力が求められる。
【００４２】
図９に示すように、押しつける力が弱いときにはカンチレバー２と試料１表面に働く摩擦力は小さく、カンチレバー２の捻れも小さい。図１０に示すように、押しつける力が強くなるとカンチレバー２と試料１表面に働く摩擦力は大きくなり、カンチレバー２の捻れも大きくなる。カンチレバー２の試料へ押しつける力を連続的に変化させ、そのときのカンチレバー２の捻れる度合い（摩擦力）を測定する。
【００４３】
カンチレバー２の試料表面への押しつける力を横軸にし、カンチレバー２の捻れによる摩擦力を縦軸にプロットすると、図１１のようになる。カーブの傾き（ｋ１またはｋ２）から、動摩擦係数（ｋ１／ｋ２）が求められる。また、カンチレバー２を試料に強く押しつけた状態から徐々に押しつける力を弱くしていったとき、カンチレバー２が滑り出すときの押しつける力（垂直抗力  Ｆｖ）と、最大摩擦力（ＦＨ）から静擦係数（Ｆｖ／ＦＨ）が求められる。また、この一連の動作はコンピュータ８により制御され、静／動摩擦係数を自動的に求められる。
【実施例３】
【００４４】
実施例３の構成を図１２を用いて説明する。図１２は、実施例１、２の構成に試料の温度をコントロール可能な機能を付加した構成である。装置は真空チャンバ１３内に設置されており、図示しない真空ポンプにより装置周辺を真空状態にしたり、図示しないガス供給装置により特定のガス雰囲気で測定可能となっている。試料１はヒータ１４の上にセットされている。また、試料１はヒートコンダクタ１１を介して冷却装置１２に接続されており、試料１を任意の温度に保つ機能を有する。
【００４５】
以上、図における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。真空チャンバ１３内を真空にすることで、試料１をヒータ１４や冷却装置１２を用いて高温または低温で保持することができる。また、真空チャンバ１３を真空にした後に、腐食性を有する有機ガス等のガスや湿度コントロールされたガスを真空チャンバ１３内に導入することで、試料の雰囲気をコントロールすることが可能となる。以上のような温度や雰囲気のコントロールにより、長時間の時間経過を擬似的に作り出し、高分子材料の時間経過による特性の変化を観察することが可能となる。また、試料１を加熱、冷却することにより、高分子材料の相転移御温度付近の特性変化を測定することが可能となる。
【００４６】
以上、図における動作について説明したが、このような装置によれば、試料温度を高温に保持したり、雰囲気のガスや湿度をコントロールすること等の試料周りの環境を変化させることで、長い時間をかけた状態と同等の状態を作り出し、測定を行うことが可能となった。また、試料を加熱、冷却することにより、相転移御温度付近の特性変化を測定することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来技術による装置の図である。
【図２】従来技術における、摩擦のない場合に試料走査する模式図である。
【図３】従来技術における、摩擦のある場合に試料走査する模式図である。
【図４】従来技術における、摩擦のない場合に試料を横振動させて走査する模式図である。
【図５】従来技術における、摩擦のある場合に試料を横振動させて走査する模式図である。
【図６】本発明による実施例１、２の装置の図である。
【図７】本発明における、摩擦のない場合に試料を測定する模式図である。
【図８】本発明における、摩擦のある場合に試料を測定する模式図である。
【図９】本発明における、垂直抗力の小さい場合に試料を測定する模式図である。
【図１０】本発明における、垂直抗力の大きい場合に試料を測定する模式図である。
【図１１】垂直抗力とねじれ力の図である。
【図１２】本発明による実施例３の装置の図である。
【図１３】本発明によるカンチレバーの詳細図である。
【図１４】図１３における矢視Ａである。
【符号の説明】
【００４８】
１  試料
２  カンチレバー
３  レーザ光源
４  検出器
５  スキャナ
６  剪断ピエゾ素子
７  発振器
８  コントローラ
９  コンピュータ
１０  反射光
１１  ヒートコンダクタ
１２  冷却器
１３  真空チャンバ
１４  ヒータ
１５  探針
１６  分極方向
【図１】
2006267027.tif 000003
【図２】
2006267027.tif 000004
【図３】
2006267027.tif 000005
【図４】
2006267027.tif 000006
【図５】
2006267027.tif 000007
【図６】
2006267027.tif 000008
【図７】
2006267027.tif 000009
【図８】
2006267027.tif 000010
【図９】
2006267027.tif 000011
【図１０】
2006267027.tif 000012
【図１１】
2006267027.tif 000013
【図１２】
2006267027.tif 000014
【図１３】
2006267027.tif 000015
【図１４】
2006267027.tif 000016