(57)【要約】【課題】カンチレバー取り付け部へカンチレバーを固定する際に複雑な機構を必要とせず軽量化を実現できると共に、磁気の影響が生じない走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】第１取付け面１ａを有するカンチレバー１と、カンチレバーの第１取付け面を自身の第２取付け面２ａに取り付けるカンチレバー取り付け部２と、を備えた走査型プローブ顕微鏡１００であって、第２取付け面に、複数のナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体が形成され、該柱状構造体により第２取付け面が第１取付け面に接着される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１取付け面を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーの前記第１取付け面を自身の第２取付け面に取り付けるカンチレバー取り付け部と、
を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、
前記第２取付け面に、複数のナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体が形成され、該柱状構造体により前記第２取付け面が前記第１取付け面に接着される走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
第１取付け面を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーの前記第１取付け面を自身の第２取付け面に取り付けるカンチレバー取り付け部と、
を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、
前記第１取付け面に、複数のナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体が形成され、該柱状構造体により前記第１取付け面が前記第２取付け面に接着される走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
第１取付け面を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーの前記第１取付け面を自身の第２取付け面に取り付けるカンチレバー取り付け部と、
を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、
前記第１取付け面及び第２取付け面の両方に、複数のナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体が形成され、該柱状構造体により前記第２取付け面と前記第１取付け面とが接着される走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
さらに、交換用の前記カンチレバーを保持するカンチレバー供給機構を備え、
前記カンチレバー供給機構は、前記カンチレバーを設置する設置面と、該設置面から突出する壁部とを有し、
使用後の前記カンチレバーを、前記カンチレバー供給機構の空いている前記設置面に設置した後、該カンチレバーが前記壁部に当接するように前記カンチレバー取り付け部を移動させることにより、前記カンチレバー取り付け部から前記カンチレバーを取り外し可能である請求項１〜３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記設置面が弾性体を有する請求項４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】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの先端に取付けた探針を試料表面に近接又は接触させ、試料の表面形状や各種の特性を測定するものである。
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り、構造が複雑化して剛性の低下、ひいては装置性能を低下させることとなる。
そのため、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存在する。この場合、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採用されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2006-250954号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、カンチレバーの固定に真空吸着方式を採用すると、真空吸着用の機構やポンプが必要となり、走査型プローブ顕微鏡全体の小型化やコストダウンが困難となる。
又、カンチレバーを固定したカンチレバー取り付け部をスキャンして測定を行うタイプ（いわゆるレバースキャン方式）の走査型プローブ顕微鏡が存在する。この場合、カンチレバー取り付け部に真空吸着用の機構を設けると、カンチレバー取り付け部が重くなってカンチレバー取り付け部の移動のレスポンスが低下したり、真空チューブがカンチレバー取り付け部の移動を妨げたり、真空ポンプからの振動に起因した不必要な共振等が生じるという問題がある。
又、カンチレバーをマグネットでカンチレバー取り付け部に固定した場合には、走査型プローブ顕微鏡を磁気力顕微鏡（MFM）に適用する場合に磁気の影響が生じるおそれがある。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、カンチレバー取り付け部へカンチレバーを固定する際に複雑な機構を必要とせず軽量化を実現できると共に、磁気の影響が生じない走査型プローブ顕微鏡の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、第１取付け面を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの前記第１取付け面を自身の第２取付け面に取り付けるカンチレバー取り付け部と、を備えた走査型プローブ顕微鏡であって、前記第２取付け面に、複数のナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体が形成され、該柱状構造体により前記第２取付け面が前記第１取付け面に接着される。
この走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバー取り付け部にカンチレバーを固定する際に、真空吸着機構等の複雑な機構を必要とせず、全体の小型化、軽量化やコストダウンを実現できる。又、カンチレバー取り付け部が重くならず、カンチレバー取り付け部の移動のレスポンスが向上する。又、カンチレバーをカンチレバー取り付け部にマグネットで固定する場合と異なり、測定時に磁気の影響が生じることが回避できる。
さらに、市販のカンチレバーをそのまま利用できるという利点がある。
【０００７】
又、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、第１取付け面を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの前記第１取付け面を自身の第２取付け面に取り付けるカンチレバー取り付け部と、を備え、前記第１取付け面に、複数のナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体が形成され、該柱状構造体により前記第１取付け面が前記第２取付け面に接着される。
この走査型プローブ顕微鏡においても、カンチレバー取り付け部にカンチレバーを固定する際に、真空吸着機構等の複雑な機構を必要とせず、全体の小型化、軽量化やコストダウンを実現できる。又、カンチレバー取り付け部が重くならず、カンチレバー取り付け部の移動のレスポンスが向上する。又、カンチレバーをカンチレバー取り付け部にマグネットで固定する場合と異なり、測定時に磁気の影響が生じることが回避できる。
【０００８】
又、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、第１取付け面を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの前記第１取付け面を自身の第２取付け面に取り付けるカンチレバー取り付け部と、を備え、前記第１取付け面及び第２取付け面の両方に、複数のナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体が形成され、該柱状構造体により前記第２取付け面と前記第１取付け面とが接着される。
この走査型プローブ顕微鏡においても、カンチレバー取り付け部にカンチレバーを固定する際に、真空吸着機構等の複雑な機構を必要とせず、全体の小型化、軽量化やコストダウンを実現できる。又、カンチレバー取り付け部が重くならず、カンチレバー取り付け部の移動のレスポンスが向上する。又、カンチレバーをカンチレバー取り付け部にマグネットで固定する場合と異なり、測定時に磁気の影響が生じることが回避できる。
又、第１取付け面及び第２取付け面の両方に柱状構造体が形成されているため、柱状構造体による吸着力が増大し、各取付け面が汚れた場合も吸着状態を維持しやすい。
【０００９】
さらに、交換用の前記カンチレバーを保持するカンチレバー供給機構を備え、前記カンチレバー供給機構は、前記カンチレバーを設置する設置面と、該設置面から突出する壁部とを有し、使用後の前記カンチレバーを、前記カンチレバー供給機構の空いている前記設置面に設置した後、該カンチレバーが前記壁部に当接するように前記カンチレバー取り付け部を移動させることにより、前記カンチレバー取り付け部から前記カンチレバーを取り外し可能であってもよい。
この走査型プローブ顕微鏡によれば、壁部によってカンチレバーとカンチレバー取り付け部との間に水平方向（接着面と平行な方向）に力が加わり、柱状構造体の接着力が急激に弱まる。このため、カンチレバー供給機構にカンチレバーを取り外す複雑な機構を設けることを不要とし、容易にカンチレバーを取り外すことができると共に、取り外したカンチレバーをそのままカンチレバー供給機構に保持することができる。
【００１０】
前記設置面が弾性体を有してもよい。
この走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーをカンチレバー取り付け部の下面に取付ける際、上面と下面の取り付け角度の誤差やカンチレバー取付け部の厚さにばらつきにより取付け時の最適な押圧距離に差異が発生しても、多めに押しつけることによりこのブレを吸収できる。弾性体としては、ゴムシートやゲルシート、バネ機構が設けられた板等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、カンチレバー取り付け部へカンチレバーを固定する際に複雑な機構を必要とせず軽量化を実現できると共に、磁気の影響が生じない走査型プローブ顕微鏡が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。
【図２】カンチレバー供給機構の斜視図である。
【図３】カンチレバーをカンチレバー取り付け部から取り外す方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００のブロック図である。図１において、走査型プローブ顕微鏡１００は、カンチレバー１と、カンチレバー取り付け部２と、微動機構７と、Ｚステージ９と、ＸＹステージ１０と、走査型プローブ顕微鏡の各構成部分を支持するフレーム１２と、カンチレバー供給機構２０と、全体を制御する制御部（コンピュータ）５０等とを備える。カンチレバー供給機構２０は交換用の複数のカンチレバー１を保持し、ＸＹステージ１０の一隅に配置されている。
【００１５】
走査型プローブ顕微鏡１００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に後述するように接着されて取付けられている。なお、カンチレバー１の先端に探針１ｔ（図２）が取付けられている。
ＸＹステージ１０上に試料８が搭載される。光ヘッド３は微動機構７の先端に取り付けられ、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（Ｚ）方向の位置を制御されつつ試料面（ＸＹ）内方向に走査される。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。そして、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。
なお、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００は、カンチレバー取り付け部２をスキャンして測定を行うレバースキャン方式の走査型プローブ顕微鏡となっている。
【００１６】
このようにして、試料８にカンチレバー１の探針を近接又は接触させ、このとき半導体レーザ４から出射されたレーザ光はレンズ５によりカンチレバー１の先端の背面に集光され、その反射光は光検出素子６に照射される。これにより、探針と試料８間に働く力を、探針が取り付けられているカンチレバー１の変位として測定し、微動機構７によりカンチレバー１の変位量を一定に保ちながら試料８表面を走査する。つまり、カンチレバー１に照射した光の反射光の位置ずれをカンチレバー１の変位として検出する光テコ方式を採用している。
このとき、カンチレバー１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８表面の物性を測定する。
【００１７】
なお、ＸＹステージ１０は、カンチレバー１を試料８面内の任意の位置に位置決めする粗動機構であり、Ｚステージ９は、カンチレバー１を試料８に対して高さ（Ｚ）方向に接近させる粗動機構である。
又、微動機構７は、カンチレバー１を試料８に対して一定の距離に制御しつつ試料８表面を走査し、例えば３軸の圧電素子から構成されている。
【００１８】
次に、図２を参照し、本発明の特徴部分であるカンチレバー取り付け部２について説明する。カンチレバー取り付け部２は、その下面２ａが傾斜するブロック状をなし、その下面２ａにナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体が形成されている。そして、カンチレバー取り付け部２の下面２ａにカンチレバー１の上面１ａが接着されて取り付けられるようになっている。この場合、市販のカンチレバーをそのまま利用できるという利点がある。
なお、カンチレバー１の上面１ａが特許請求の範囲の「第１取付け面」に相当し、カンチレバー取り付け部２の下面２ａが特許請求の範囲の「第２取付け面」に相当する。
【００１９】
ナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体は、その直径がナノサイズであるため、被着体の表面凹凸に追従し、ファンデルワールス力によって接着力を発揮するといわれている。特に、カーボンナノファイバー又はカーボンナノチューブからなる柱状構造体は、例えば特開2011-132387号公報、特許5374354号公報に記載されている。特許5374354号公報によれば、上記柱状構造体の密着力は5N/cm2以上であり、カンチレバー１の表面積が0.03〜0.10cm2程度、質量が0.03〜0.01g程度であるので、カンチレバー１をカンチレバー取り付け部２に接着固定するには十分である。
なお、上記柱状構造体は、カンチレバー取り付け部２の下面２ａから略垂直方向に多数の本数延びている。
【００２０】
ナノファイバー又はナノチューブからなる柱状構造体は、単層であっても多層であってもよい。また、上記柱状構造体の直径、比表面積、密度は、任意に設定することができ、例えば直径０．５〜５０ｎｍとすることができる。
上記柱状構造体の横断面の形状は任意に設定することができ、例えば、略円形、楕円形、多角形とすることができる。
上記柱状構造体の長さは、任意に設定することができ、好ましくは０．０１〜１００μｍ、より好ましくは０．０１〜１０μｍ、最も好ましくは０．０１〜１μｍの長さとすることができる。柱状構造体の長さを０．０１〜１００μｍと短くすることにより、カンチレバーとカンチレバー取付け部２の間の剛性が向上し、走査型プローブ顕微鏡の性能を向上させることができる。しかしながら、短く均一な柱状構造体を製造する場合、歩留まりが悪くいなる場合があるので、性能とコストが両立するよう、柱状構造体の長さを適宜選択することとなる。
上記柱状構造体の形状等は、例えば、２０本以上の柱状構造体を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって測定することができる。
【００２１】
ナノファイバーとしては、カーボンナノファイバー、セルロースナノファイバー、シクロデキストリンナノファイバーが挙げられ、特にカーボンナノファイバーが好ましい。
ナノチューブとしては、カーボンナノチューブ、ニッケルナノチューブ、無機・金属ナノチューブ、有機・高分子系ナノチューブが挙げられ、特にカーボンナノチューブが好ましい。
無機・金属ナノチューブの具体例としては、チタニアナノチューブ、酸化物ナノチューブ、酸化モリブデン・ナノチューブ、りん酸セリウムナノチューブ、希土類酸化物ナノチューブ、マンガン酸化物ナノチューブ、酸化ケイ素・酸化タンタル・酸化バナジウム・酸化ニオブナノチューブ、ケイ酸塩ナノチューブ、イモゴライトナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブ、カルコゲナイドナノチューブ、自己組織化グラファイトナノチューブ、貴金属ナノチューブが挙げられる。
有機・高分子系ナノチューブの具体例としては、脂質ナノチューブ、タンパク質ナノチューブが挙げられる。
【００２２】
柱状構造体との接着性を確保するため、カンチレバー取り付け部２の下面２ａは例えば、単結晶シリコン、窒化シリコン、酸化シリコン、各種金属（Au、Pt、Ni、黄銅、ステンレス鋼）、ガラス、透明導電膜（ITO）等から成っていると好ましい。
そして、下面２ａに、例えば化学蒸着気相法（ＣＶＤ法）により、ナノファイバー又はナノチューブを成長形成させ、上記柱状構造体を形成することができる。
カーボンナノファイバー又はカーボンナノチューブを成長形成させる場合は、例えば、４００〜８００℃程度の温度下で、炭素源を導入した化学蒸着気相法（ＣＶＤ法）を適用することができる。
【００２３】
カンチレバー１は一般にＭＥＭＳ（微小電気機械システム）によりシリコン基板から製造される。
【００２４】
以上のように、本実施形態においては、カンチレバー取り付け部２にカンチレバー１を固定する際に、真空吸着機構等の複雑な機構を必要とせず、全体の小型化、軽量化やコストダウンを実現できる。又、カンチレバー取り付け部が重くならず、カンチレバー取り付け部の移動のレスポンスが向上する。又、カンチレバーをカンチレバー取り付け部にマグネットで固定する場合と異なり、測定時に磁気の影響が生じることが回避できる。
【００２５】
次に、カンチレバー供給機構２０の構成について説明する。図２に示すように、カンチレバー供給機構２０は、交換用の複数のカンチレバー１を保持し、カンチレバー１を設置する設置面２０ａと、設置面２０ａから突出する壁部２０ｂ、２０ｃとを有している。
ここで、カンチレバー取り付け部２の下面２ａは傾斜しており、この下面２ａの傾斜面とカンチレバー１の上面１ａとがほぼ平行になるよう、設置面２０ａも前面に向かって傾斜している。
又、設置面２０ａの前面側は開口し、設置面２０ａの２つの側面の垂直面が壁部２０ｂを形成し、設置面２０ａの背面の垂直面が壁部２０ｃを形成している。なお、カンチレバー１が設置面２０ａの前面側の開口から脱落しないよう、図示しない突起が適宜設けられている。
なお、本実施形態では、設置面２０ａ上に弾性体（図示せず）が配置されており、カンチレバー１をカンチレバー取り付け部２の下面２ａに取付ける際、上面１ａと下面２ａの取り付け角度の誤差やカンチレバー取付け部の厚さにばらつきにより取付け時の最適な押圧距離に差異が発生しても、多めに押しつけることによりこのブレを吸収できる。弾性体としては、ゴムシートやゲルシート、バネ機構が設けられた板等が挙げられる。
【００２６】
そして、ＸＹステージ１０及びＺステージ９を操作し、カンチレバー取り付け部２をＺ方向から下してカンチレバー供給機構２０に保持されたカンチレバー１の上面１ａに垂直方向から接触させると、下面２ａの柱状構造体が上面１ａに接着して固定される。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。
なお、カンチレバー取り付け部２は通常は交換せず、カンチレバー１を消耗品として交換すること、及び市販されているカンチレバーを使用可能とする観点から、カンチレバー取り付け部２に柱状構造体を形成すると好ましい。但し、後述するように、カンチレバー１側に柱状構造体を形成しても構わない。
又、カンチレバー取り付け部２を導電性とし、柱状構造体として導電性のもの（例えば、カーボンナノファイバー又はカーボンナノチューブ）を用いると、カンチレバー１に電気信号を加えることが可能となる。
【００２７】
次に、図３を参照し、カンチレバー１をカンチレバー取り付け部２から取り外す方法について説明する。
上述のように、上記柱状構造体はカンチレバー取り付け部２の下面２ａから略垂直方向に延びている。このため、カンチレバー１とカンチレバー取り付け部２との間に水平方向（接着面と平行な方向）に力が加わると、柱状構造体の接着力が急激に弱まり、カンチレバー取り付け部２から取り外すことができる。
従って、まず、図３（ａ）に示すように、ＸＹステージ１０及びＺステージ９を操作し、カンチレバー取り付け部２に取り付けられている使用後のカンチレバー１ｘを、カンチレバー供給機構２０の空いている設置面２０ａ１に設置する。次に、図３（ｂ）に示すように、この状態でＸＹステージ１０及びＺステージ９を操作し、カンチレバー取り付け部２を後方に移動させると（図３（ｂ）の矢印参照）、カンチレバー１ｘが壁部２０ｂに当接し、カンチレバー１ｘが外れて設置面２０ａ１に収容される。このようにして、カンチレバー供給機構にカンチレバーを取り外す複雑な機構を設けることを不要とし、壁部２０ｂによって容易にカンチレバーを取り外すことができると共に、取り外したカンチレバーをそのままカンチレバー供給機構に保持することができる。
なお、壁部２０ｃを用いてカンチレバーを取り外してもよい。
【００２８】
本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、上記実施形態では、カンチレバー取り付け部２の下面（第２取付け面）２ａに柱状構造体が形成されているが、これに限らず、カンチレバー１の上面（第１取付け面）１ａに柱状構造体が形成されていてもよい。
ここで、上述のように、カンチレバー１は一般にＭＥＭＳ（微小電気機械システム）によりシリコン基板から製造される。従って、カンチレバー１の上面１ａに、例えば化学蒸着気相法（ＣＶＤ法）により、ナノファイバー又はナノチューブを成長形成させ、上記柱状構造体を形成することができる。
又、第１取付け面及び第２取付け面の両方に柱状構造体が形成されていてもよい。この場合、柱状構造体による吸着力が増大し、各取付け面が汚れた場合も吸着状態を維持しやすい。
又、例えば、上記実施形態では、カンチレバー取り付け部が微動機構によって試料８をスキャンするレバースキャン方式の走査型プローブ顕微鏡であるが、カンチレバー取り付け部が固定されてＸＹステージ１０が微動機構によって試料８をスキャンするサンプルスキャン方式の走査型プローブ顕微鏡に本発明を適用することもできるのはいうまでもない。
【符号の説明】
【００２９】
１      カンチレバー
１ａ      第１取付け面
１ｘ      使用後のカンチレバー
２      カンチレバー取り付け部
２ａ      第２取付け面
２０      カンチレバー供給機構
２０ａ      設置面
２０ａ１      空いている設置面
２０ｂ、２０ｃ      壁部
１００      走査型プローブ顕微鏡
【図１】
2015190778.tif 000003
【図２】
2015190778.tif 000004
【図３】
2015190778.tif 000005