(57)【要約】【課題】振動特性を向上させる。【解決手段】レバー加振機構１ａを、基端側から先端側に向かう長手方向に延びたカンチレバー３のレバー３ｃと、カンチレバー３の先端部を自由端とし基端部を片持ち状態で支持する斜面ブロック１０と、斜面ブロック１０を介してレバー３ｃを所定振動状態で振動させる加振源１１とを備えて構成した。斜面ブロック１０は、加振源１１を振動方向の両側から挟み込んで固定する切欠き溝部１３を備え、切欠き溝部１３は加振源１１の振動方向の厚さに対して所定の締め代を有し、加振源１１を切欠き溝部１３によって振動方向に締まりばめされた状態で固定した。走査型プローブ顕微鏡１を、レバー加振機構１ａと、探針３ａと試料Ｓとを相対的に移動させる移動手段５と、レバー３ｃの振動状態の変位を測定する測定手段６と、観測データを採取する制御手段８とを備えて構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端側から先端側に向かう長手方向に延びたカンチレバーと、
前記カンチレバーのレバーの先端部を自由端とし、前記レバーの基端部を片持ち状態で支持する支持部材と、
前記支持部材を介して前記レバーを所定振動状態で振動させる圧電部材とを備え、
前記支持部材は、前記圧電部材を振動方向の両側から挟み込んで固定する狭持部を備え、
前記狭持部は、前記圧電部材の振動方向の厚さに対して所定の締め代を有し、
前記圧電部材は、前記狭持部によって前記振動方向に締まりばめされた状態で固定されていることを特徴とするレバー加振機構。
【請求項２】
前記狭持部は、前記支持部材の前記長手方向の先端側の端面上に設けられ、前記支持部材の前記振動方向および前記長手方向に略直交する方向の両端部に向かい延びる凹溝であって、
前記凹溝は、前記支持部材の前記長手方向の基端側に設けられた底部を備え、
少なくとも前記底部近傍の内壁面によって前記圧電部材の前記長手方向の基端部を前記振動方向の両側から挟み込んで固定することを特徴とする請求項１に記載のレバー加振機構。
【請求項３】
前記凹溝の前記振動方向の内壁面のうち、前記レバーに近接する一方の内壁面は、前記圧電部材の前記長手方向の先端部に対して所定間隔を置いて配置される第１内壁面と、前記圧電部材の前記長手方向の基端部に当接する第２内壁面とを備えることを特徴とする請求項２に記載のレバー加振機構。
【請求項４】
前記狭持部は、前記支持部材の前記振動方向および前記長手方向に略直交する方向に貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項１に記載のレバー加振機構。
【請求項５】
基端側から先端側に向かう長手方向に延びたカンチレバーと、
前記カンチレバーのレバーの先端部を自由端とし、前記レバーの基端部を片持ち状態で支持する支持部材と、
前記支持部材を介して前記レバーを所定振動状態で振動させる圧電部材と、
前記支持部材および前記圧電部材を、所定圧力で前記圧電部材の振動方向の両側から挟み込んで固定する加圧部材とを備えることを特徴とするレバー加振機構。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１つに記載のレバー加振機構と、
前記レバーの先端に設けられた探針と、
前記探針に対向配置された試料を載置するステージと、
前記探針と前記試料とを、試料表面に平行な方向に相対的に走査させると共に、試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段と、
前記レバーの振動状態の変位を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に基づき、前記走査時に前記探針と前記試料表面との距離を、前記レバーの振動状態が所定状態となるように前記移動手段により制御すると共に、前記試料の状態に係るデータを取得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、例えば先端に探針を有するカンチレバー等のレバーを所定の周波数及び振幅で加振可能なレバー加振機構、及び該レバー加振機構を有する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の表面形状、粘弾性などの物性情報の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この走査型プローブ顕微鏡では、測定対象物に応じて多様な測定モードがあり、例えばカンチレバーホルダに装着したカンチレバーのレバーを振動させて、測定を行う振動モードＳＰＭが知られている。
【０００３】
この振動モードＳＰＭとしては、例えば、共振させたレバーの振動振幅が一定になるように探針と試料との間の距離を制御しながら走査を行うＤＦＭ（共振モード測定−原子間力顕微鏡：Dynamic Force Mode Microscope）や、ＡＦＭ（Atomic Force Mode）動作中に、試料を試料表面に垂直なＺ方向に微小振動させて、又はレバーを試料表面に垂直なＺ方向に微小振動させて、周期的な力を加え、この際のレバーの撓み振幅や、ｓｉｎ成分、ｃｏｓ成分を検出することで粘弾性分布を測定するＶＥ−ＡＦＭ（マイクロ粘弾性測定−原子間力顕微鏡：Viscoelastic AFM）や、ＡＦＭ動作中に、試料を試料表面に平行な水平方向に横振動させ、又はレバーを試料表面に平行な水平方向に横振動させ、この際のレバーのねじれ振動振幅を検出することで摩擦力分布を測定するＬＭ−ＦＦＭ（横振動摩擦力顕微鏡：Lateral Force Modulation Friction Force Microscope）等が知られている。
【特許文献１】特開２００３−４２９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した従来技術に係る走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバーのレバーを振動させる加振源として圧電素子を用いた場合には、カンチレバーホルダに取り付けられた圧電素子に所定の交流電圧を印加して、圧電素子を周期的に伸縮させることで、カンチレバーを所定の振動数および振幅で振動させる。
しかしながら、圧電素子では、伸び方向に作用する力に比べて、縮み方向に作用する力が相対的に小さいことから、振動状態が不安定になる虞がある。特に、カンチレバーと、カンチレバーが載置されるレバー台とを圧電素子により振動させる際に、振動周波数が増大すると、振動に要する運動エネルギーが増大し、この運動エネルギーは、カンチレバーおよびレバー台の質量と、周波数および振幅の積の２乗に比例する加速度との積に比例して増大することから、伸び方向の振幅と縮み方向の振幅との差異が増大すると、振動状態を安定化させることが困難となる虞がある。
【０００５】
また、加振源の振動は、レバー以外の周辺構造物にも伝達することから、例えば周辺構造物の共振等の振動成分が、レバーの共振等の振動成分に重畳されてしまうと、レバーの振動特性を精度良く検出することが困難となり、振動特性の再現性が悪化したり、感度が低下してしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、振動特性を向上させることが可能なレバー加振機構、及び該レバー加振機構を有する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】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明のレバー加振機構は、基端側から先端側に向かう長手方向に延びたカンチレバー（例えば、実施の形態でのカンチレバー３）と、前記カンチレバーのレバー（例えば、実施の形態でのレバー３ｃ）の先端部を自由端とし、前記レバーの基端部を片持ち状態で支持する支持部材（例えば、実施の形態での斜面ブロック１０）と、前記支持部材を介して前記レバーを所定振動状態で振動させる圧電部材（例えば、実施の形態での加振源１１）とを備え、前記支持部材は、前記圧電部材を振動方向の両側から挟み込んで固定する狭持部（例えば、実施の形態での切欠き溝部１３、貫通孔１５）を備え、前記狭持部は、前記圧電部材の振動方向の厚さに対して所定の締め代を有し、前記圧電部材は、前記狭持部によって前記振動方向に締まりばめされた状態で固定されている。
【０００８】
この発明のレバー加振機構によれば、レバーを所定振動状態で振動させる圧電部材は、狭持部によって振動方向に締まりばめされた状態で固定されていることから、圧電部材は縮み方向に加圧され、縮み方向に作用する力が補助されており、例えば相対的に高い周波数で周期的に伸縮する場合であっても、伸び方向の振幅と縮み方向の振幅との差異が増大することを抑制することができ、振動状態を安定化させることができる。
【０００９】
さらに、本発明のレバー加振機構では、前記狭持部は、前記支持部材の前記長手方向の先端側の端面（例えば、実施の形態での先端側端面１０ｂ）上に設けられ、前記支持部材の前記振動方向および前記長手方向に略直交する方向の両端部に向かい延びる凹溝であって、前記凹溝は、前記支持部材の前記長手方向の基端側に設けられた底部（例えば、実施の形態での第１底面１３ｄおよび第２底面１３ｅ、底面１３ｇ）を備え、少なくとも前記底部近傍の内壁面（例えば、実施の形態での内壁上面１３ａおよび基端側内壁下面１３ｂ、内壁上面１３ａおよび内壁下面１３ｆ）によって前記圧電部材の前記長手方向の基端部を前記振動方向の両側から挟み込んで固定する。
【００１０】
この発明のレバー加振機構によれば、圧電部材は支持部材に設けられた凹溝内に装着されることから、例えば圧電部材を振動方向の両側から加圧するための特別な新たな部材を付加する必要無しに圧電部材を固定することができる。これにより、例えば新たな部材が付加されることで、部品点数の増大に伴いレバー加振機構の構成に要する費用が増大してしまったり、レバー以外の周辺構造物の振動に起因する雑音成分が増大してしまったり、レバーの振動特性の再現性が悪化してしまう等の不具合が生じることを防止することができる。
【００１１】
さらに、本発明のレバー加振機構は、前記凹溝の前記振動方向の内壁面のうち、前記レバーに近接する一方の内壁面は、前記圧電部材の前記長手方向の先端部に対して所定間隔を置いて配置される第１内壁面（例えば、実施の形態での先端側内壁下面１３ｃ）と、前記圧電部材の前記長手方向の基端部に当接する第２内壁面（例えば、実施の形態での基端側内壁下面１３ｂ）とを備える。
【００１２】
この発明のレバー加振機構によれば、凹溝内に装着された圧電部材は、圧電部材の基端部が振動方向の両側から加圧された状態で固定され、圧電部材の先端部は凹溝によって固定されていないことから、圧電部材の基端部での振動は、いわばてこの原理によって増幅されて支持部材の先端部およびレバーに伝達される。これにより、圧電部材の振動を増大させる必要無しに、圧電部材の振動に伴う周辺構造物の共振等の不要な振動成分が増大することを防止しつつ、支持部材の先端部およびレバーを所望の振動状態で加振させることができる。
【００１３】
さらに、本発明のレバー加振機構では、前記狭持部は、前記支持部材の前記振動方向および前記長手方向に略直交する方向に貫通する貫通孔（例えば、実施の形態での貫通孔１５）である。
【００１４】
この発明のレバー加振機構によれば、圧電部材は支持部材に設けられた貫通孔内に装着されることから、例えば圧電部材を振動方向の両側から加圧するための特別な新たな部材を付加する必要無しに圧電部材を固定することができる。これにより、例えば新たな部材が付加されることで、部品点数の増大に伴いレバー加振機構の構成に要する費用が増大してしまったり、レバー以外の周辺構造物の振動に起因する雑音成分が増大してしまったり、レバーの振動特性の再現性が悪化してしまう等の不具合が生じることを防止することができる。
この場合、例えば貫通孔の基端部の内径を先端部の内径よりも小さく設定し、貫通孔内に装着された圧電部材を、圧電部材の基端部が振動方向の両側から加圧された状態で固定されるように、かつ、圧電部材の先端部は貫通孔によって固定されないように設定することにより、圧電部材が高い剛性で支持され、高い周波数の振動も安定に先端部およびレバーに伝達される。これにより、圧電部材の振動に伴う周辺構造物の共振等の不要な周波数成分の増大を防止し、かつ支持部材の先端部およびレバーを高い周波数で振動状態で加振させることができる。
【００１５】
さらに、本発明のレバー加振機構は、基端側から先端側に向かう長手方向に延びたカンチレバー（例えば、実施の形態でのカンチレバー３）と、前記カンチレバーのレバー（例えば、実施の形態でのレバー３ｃ）の先端部を自由端とし、前記レバーの基端部を片持ち状態で支持する支持部材（例えば、実施の形態での斜面ブロック１０）と、前記支持部材を介して前記レバーを所定振動状態で振動させる圧電部材（例えば、実施の形態での加振源１１）と、前記支持部材および前記圧電部材を、所定圧力で前記圧電部材の振動方向の両側から挟み込んで固定する加圧部材（例えば、実施の形態での加圧部材１６）とを備える。
【００１６】
この発明のレバー加振機構によれば、加圧部材によって、支持部材および圧電部材を所定圧力で圧電部材の振動方向の両側から挟み込んで固定することにより、レバーを所定振動状態で振動させる圧電部材は、縮み方向に加圧され、縮み方向に作用する力が補助されており、例えば相対的に高い周波数で周期的に伸縮する場合であっても、伸び方向の振幅と縮み方向の振幅との差異が増大することを抑制することができ、振動状態を安定化させることができる。
【００１７】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の何れか１つのレバー加振機構（例えば、実施の形態でのレバー加振機構１ａ）と、前記レバーの先端に設けられた探針（例えば、実施の形態での探針３ａ）と、前記探針に対向配置された試料（例えば、実施の形態での試料Ｓ）を載置するステージ（例えば、実施の形態でのステージ４）と、前記探針と前記試料とを、試料表面に平行な方向に相対的に走査させると共に、試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段（例えば、実施の形態での移動手段５）と、前記レバーの振動状態の変位を検出する検出手段（例えば、実施の形態での測定手段６）と、前記検出手段による検出結果に基づき、前記走査時に前記探針と前記試料表面との距離を、前記レバーの振動状態が所定状態となるように前記移動手段により制御すると共に、前記試料の状態に係るデータを取得する制御手段（例えば、実施の形態での制御手段８）とを備える。
【００１８】
この発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、レバー加振機構において圧電部材は振動方向の両側から加圧された状態で支持部材に固定されていることにより、圧電部材は縮み方向に加圧され、縮み方向に作用する力が補助されており、例えば相対的に高い周波数で周期的に伸縮する場合であっても、伸び方向の振幅と縮み方向の振幅との差異が増大することを抑制することができ、振動状態を安定化させることができる。これにより、Ｑカーブ測定の際に、レバーの共振特性を精度良く識別することができ、レバーの振動周波数や振幅、位相等の振動特性に対して適切な設定を行うことができる。この結果、振動モードＳＰＭでの測定を適切に行うことができ、測定精度を向上させることができると共に利便性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のレバー加振機構によれば、圧電部材は振動方向の両側から加圧された状態で支持部材に固定されていることにより、伸び方向の振幅と縮み方向の振幅との差異が増大することを抑制することができ、レバーの振動状態を安定化させることができる。
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、レバー加振機構によってレバーの振動状態の安定性が向上させられることから、レバーの共振特性を精度良く識別することができ、振動モードＳＰＭでの測定を適切に行うことができると共に、測定結果の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明のレバー加振機構及び走査型プローブ顕微鏡の第１実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この第１実施形態によるレバー加振機構１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１は、例えば試料側を３次元方向に移動させる試料スキャン方式により測定を行うものであって、例えば図１に示すように、加振型カンチレバーホルダ２と、レバー３ｃの先端に探針３ａを有すると共に基端側が本体部３ｂに片持ち状態に支持され、この本体部３ｂを介して加振型カンチレバーホルダ２に固定されるカンチレバー３と、探針３ａに対向配置された試料Ｓを載置するステージ４と、探針３ａと試料Ｓとを、試料表面Ｓ１に平行なＸＹ方向に相対的に走査させると共に、試料表面Ｓ１に垂直なＺ方向に相対的に移動させる移動手段５と、レバー３ｃの振動状態の変位を測定する測定手段６と、この測定手段６による測定結果に基づいて、走査時に探針３ａと試料表面Ｓ１とを、レバー３ｃの振動状態が一定となるように移動手段５を制御すると共に、観測データを採取する制御手段８とを備えている。
なお、この実施形態では制御手段８が、レバー３ｃの振動振幅が一定となるように移動手段５を制御している。
【００２１】
加振型カンチレバーホルダ２は、例えば図２に示すように、カンチレバー３を試料Ｓに対して所定角度傾けた状態で本体部３ｂを載置面１０ａに載置して固定する斜面ブロック（載置台）１０と、この斜面ブロック１０の内部に固定され、所定の波形信号に応じた位相及び振幅で振動する加振源１１と、この斜面ブロック１０が固定されたホルダ本体１２とを備えて構成されている。
【００２２】
斜面ブロック１０は、載置面１０ａを試料Ｓ側に向けた状態でホルダ本体１２の下面１２ａに固定されている。
例えば試料表面Ｓ１に平行なＸＹ方向において、レバー３ｃの略先端側から略基端側に向かう方向をＸ方向とし、このＸ方向に直交する方向をＹ方向として、斜面ブロック１０のＸ方向の両端面１０ｂ，１０ｃのうち、レバー３ｃの先端が突出する側の先端側端面１０ｂ上には、この先端側端面１０ｂから基端側端面１０ｃに向かうＸ方向に所定深さを有すると共にＹ方向に延びる切欠き溝部１３が形成され、この切欠き溝部１３には、例えば略長方形板状等であってＺ方向に伸縮可能（つまり振動可能）な圧電素子からなる加振源１１が装着されている。
そして、この実施の形態でのレバー加振機構１ａは、斜面ブロック１０および加振源１１により構成されている。
【００２３】
この切欠き溝部１３は、例えば斜面ブロック１０のＹ方向の両端面（図示略）上で開口し、加振源１１の上面１１ａに当接する内壁上面１３ａと、加振源１１の下面１１ｂの基端部に当接する基端側内壁下面１３ｂおよび加振源１１の下面１１ｂの先端部に対してＹ方向に所定間隔ｈを置いて配置された先端側内壁下面１３ｃと、基端側内壁下面１３ｂおよび先端側内壁下面１３ｃに接続される第１底面１３ｄと、内壁上面１３ａおよび基端側内壁下面１３ｂに接続される第２底面１３ｅとを備えて構成されている。
【００２４】
この切欠き溝部１３のＺ方向において、内壁上面１３ａと基端側内壁下面１３ｂとの間の間隔は、加振源１１のＺ方向厚さＷよりも僅かに小さな値とされ、切欠き溝部１３に装着された加振源１１は、加振源１１の基端部が内壁上面１３ａと基端側内壁下面１３ｂとによってＺ方向の両側から挟み込まれ、締まり嵌めされた状態、つまり加振源１１の伸縮方向に所定の圧力が加圧された状態で固定されている。
【００２５】
また、切欠き溝部１３の第２底面１３ｅは、例えば斜面ブロック１０の基端側端面１０ｃに対して所定角度だけ傾斜し、Ｘ方向における第２底面１３ｅと基端側内壁下面１３ｂとの間の間隔（つまり、斜面ブロック１０のＸ方向厚さ）は、Ｚ方向での上部から下部に向かい漸次、減少傾向に変化している。これにより、加振源１１の基端側端面と切欠き溝部１３の第２底面１３ｅとの間には、Ｙ方向に対する断面形状が略三角形となる空間部１４が形成されている。
【００２６】
そして、加振源１１は、例えば図１に示す加振電源７から入力された波形信号に基づいて、所定の位相及び振幅でＺ方向に振動する。この振動に対して、斜面ブロック１０には、加振源１１の基端部を内壁上面１３ａと共にＺ方向の両側から挟み込む基端側内壁下面１３ｂの近傍に力点Ｒが設定され、切欠き溝部１３の第２底面１３ｅと斜面ブロック１０の基端側端面１０ｃとの間で斜面ブロック１０のＸ方向厚さが最小となる位置近傍に支点Ｓが設定され、載置面１０ａの先端部近傍に作用点Ｔが設定される。これにより、作用点Ｔでの振動は、加振源１１の振動が増幅された振動となり、この増幅された振動によってカンチレバー３のレバー３ｃが加振される。
【００２７】
ホルダ本体１２は、互いに対向する下面１２ａ及び上面１２ｂを有する平板状に形成されており、下面１２ａを試料Ｓ側に向けて配されている。また、ホルダ本体１２には、固定されたカンチレバー３のレバー３ｃの反射面（図示略）に対して、後述するレーザ光Ｌを入射させると共に、反射面で反射したレーザ光Ｌを出射させる開口部１２ｃが形成されている。
【００２８】
このように構成された加振型カンチレバーホルダ２は、図１に示すように、図示しない架台により試料Ｓの上方に固定されている。また、ステージ４は、ＸＹスキャナ２０上に載置されており、このＸＹスキャナ２０はＺスキャナ２１上に載置されている。また、このＺスキャナ２１は、図示しない防振台上に載置されている。
【００２９】
これらＸＹスキャナ２０及びＺスキャナ２１は、例えば、ピエゾ素子であり、それぞれＸＹ駆動部２２及びＺ駆動部２３から電圧を印加されて、それぞれの方向に微小移動するようになっている。即ち、これらＸＹスキャナ２０、Ｚスキャナ２１、ＸＹ駆動部２２及びＺ駆動部２３は、移動手段５を構成している。
【００３０】
また、加振型カンチレバーホルダ２の上方には、ミラー２５を利用して、カンチレバー３のレバー３ｃの裏面に形成された反射面（図示略）に向けてレーザ光Ｌを照射する光照射部２６と、ミラー２７を利用して、反射面で反射されたレーザ光Ｌを受光する光検出部２８とが設けられている。
なお、光照射部２６から照射されたレーザ光Ｌは、ホルダ本体１２の開口部１２ｃ内を通過しながら反射面に達し、反射面で反射された後、再度、開口部１２ｃ内を通過して光検出部２８に入射するようになっている。
【００３１】
また、光検出部２８は、例えば、フォトディテクタであり、レーザ光Ｌの入射位置からレバー３ｃの振動状態（振幅）を検出する。そして、光検出部２８は、検出したレバー３ｃの振動状態の変位をＤＩＦ信号としてプリアンプ２９に出力している。即ち、これら光照射部２６、ミラー２５、２７及び光検出部２８は、測定手段６を構成している。
【００３２】
また、光検出部２８から出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ２９によって増幅された後、交流−直流変換回路３０に送られて直流変換され、Ｚ電圧フィードバック回路３１に送られる。Ｚ電圧フィードバック回路３１は、直流変換されたＤＩＦ信号が常に一定となるように、Ｚ駆動部２３をフィードバック制御する。
これにより、移動手段５により走査を行ったときに、探針３ａと試料表面Ｓ１との距離を、レバー３ｃの振動状態が一定になるように、即ち、振幅が一定となるように制御することができる。
【００３３】
また、このＺ電圧フィードバック回路３１には、制御部３２が接続されており、この制御部３２が直流変換されたＤＩＦ信号に基づいて試料Ｓの表面形状を測定したり、位相の変化を検出して各種の物性情報(例えば、磁気力や電位等)を測定したりすることができるようになっている。
即ち、これらＺ電圧フィードバック回路３１、制御部３２は、制御手段８を構成している。なお、この制御手段８は、制御手段８を構成する各構成要素を総合的に制御する機能を有している。
【００３４】
本実施の形態によるレバー加振機構１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１は上記構成を備えており、次に、この走査型プローブ顕微鏡１の動作、特に、試料Ｓを振動モードＳＰＭの１つであるＤＦＭで測定する方法について説明する。
【００３５】
まず、はじめに、測定を行うための初期設定を行う。即ち、測定対象物である試料Ｓに応じて最適なカンチレバー３を選択し、このカンチレバー３を加振型カンチレバーホルダ２に固定する。次いで、ステージ４上に試料Ｓを載置した後、カンチレバー３のレバー３ｃの反射面に確実にレーザ光Ｌが入射するように、また、反射したレーザ光Ｌが光検出部２８に確実に入射するように、光照射部２６及び光検出部２８の位置や、カンチレバー３の取付状態等を調整する。
【００３６】
次に、加振電源７から加振源１１に対して所定の波形信号を出力して、加振源１１所定の振幅及び位相で振動させる。ここで、加振源１１から発生した振動は、斜面ブロック１０を介して増幅されてカンチレバー３に伝達されるので、このカンチレバー３のレバー３ｃを、加振源１１からホルダ本体１２等の周辺構造物に伝達される所定の波形信号に応じた振動よりも大きな振幅で振動させることができる。
【００３７】
次に、レバー３ｃを振動させた後、Ｑカーブの測定を行うと共に動作点（加振周波数の最適値）の設定を行う。この際、レバー３ｃの振動は増幅されているので、例えば図３（ａ）に示す実施例のように、図３（ｂ）に示す比較例に比べて、レバー３ｃの共振成分Ａ以外に副次的な共振成分Ｂが生じることを抑制することができる。これにより、レバー３ｃの共振特性を精度良く識別することができ、レバー３ｃの振動周波数や振幅、位相等の振動特性に対して、より正確な設定を行うことができる。
【００３８】
なお、本実施の形態によるレバー加振機構１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１により得られるＱカーブを図３（ａ）に示す実施例とし、この実施例に対して、加振源１１の圧電素子を振動方向に加圧せず、かつ、斜面ブロック１０において切欠き溝部１３を省略して、加振源１１の圧電素子をホルダ本体１２の下面１２ａと斜面ブロック１０との間に配置した場合に得られるＱカーブを図３（ｂ）に示す比較例とした。
【００３９】
そして、初期設定の処理が終了した後、試料Ｓの測定を行う。
即ち、試料Ｓの測定表面と、探針３ａとの距離を、振幅が一定になるように制御した状態で、ＸＹ駆動部２２よりＸＹスキャナ２０を移動させて、試料Ｓの走査を行う。この際、試料表面Ｓ１の凹凸に応じてレバー３ｃの振幅が増減しようとするので、光検出部２８に入射するレーザ光Ｌ（反射面で反射したレーザ光）の振幅が異なる。光検出部２８は、この振幅に応じたＤＩＦ信号をプリアンプ２９に出力する。出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ２９によって増幅されると共に、交流−直流変換回路３０によって直流変換された後、Ｚ電圧フィードバック回路３１に送られる。
【００４０】
Ｚ電圧フィードバック回路３１は、直流変換されたＤＩＦ信号が常に一定になるように（つまり、レバーの振幅が一定になるように）、Ｚ駆動部２３によりＺスキャナ２１をＺ方向に微小移動させて、フィードバック制御を行う。これにより、試料Ｓの測定表面と、探針３ａとの距離を、振幅が一定になるように制御した状態で走査を行うことができる。
また、制御部３２は、Ｚ電圧フィードバック回路３１により上下させる信号に基づいて、試料Ｓの表面形状を測定する。
【００４１】
上述したように、第１実施形態に係るレバー加振機構１ａによれば、加振源１１を加圧するための特別な構成要素を必要とせずに、装置構成に要する費用の増大を抑制しつつ、加振源１１の圧電素子の縮み方向に作用する力を、切欠き溝部１３による加圧によって補うことができ、相対的に高い周波数であっても、安定な振動特性を得ることができる。
しかも、このレバー加振機構１ａによれば、いわばてこの原理によって、加振源１１から斜面ブロック１０を介してレバー３ｃに伝達される振動を増幅することができ、加振源１１に必要とされる振動を相対的に小さくすることができる。
【００４２】
そして、第１実施形態に係るレバー加振機構１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１によれば、レバー加振機構１ａによってレバー３ｃの振動特性の安定性を向上させることができ、例えばＱカーブ等の検出精度を容易に向上させることができ、試料Ｓの表面形状の測定精度を向上させることができる。
さらに、この走査型プローブ顕微鏡１によれば、加振源１１からレバー３ｃ以外の周辺構造物に伝達される振動を相対的に小さくすることができ、周辺構造物の共振等の不要な振動成分（例えば、図３（ｂ）に示す共振成分Ｂ）がレバー３ｃの共振等の所望の振動成分（例えば、図３（ａ），（ｂ）に示す共振成分Ａ）に重畳されてしまうことを抑制し、レバー３ｃの振動特性を検出する際の雑音を低減し、検出感度および検出精度および検出結果の信頼性を向上させることができる。
【００４３】
なお、上述した実施の形態において、切欠き溝部１３に装着された加振源１１の基端部が内壁上面１３ａと基端側内壁下面１３ｂとによって締まり嵌めされた状態で固定されるとしたが、これに限定されず、例えば図４に示す上述した実施の形態の第１変形例に係るレバー加振機構１ａのように、加振源１１の先端部から基端部に亘る全体が切欠き溝部１３の内壁上面１３ａと内壁下面１３ｆとによって締まり嵌めされた状態で固定されてもよい。
【００４４】
この第１変形例において、切欠き溝部１３は、例えば斜面ブロック１０のＹ方向の両端面（図示略）上で開口し、加振源１１の上面１１ａに当接する内壁上面１３ａと、加振源１１の下面１１ｂに当接する内壁下面１３ｆと、内壁上面１３ａおよび内壁下面１３ｆに接続される底面１３ｇとを備えて構成されている。
【００４５】
そして、この切欠き溝部１３のＺ方向において、内壁上面１３ａと内壁下面１３ｆとの間の間隔は、加振源１１のＺ方向厚さＷよりも僅かに小さな値とされ、切欠き溝部１３に装着された加振源１１は、内壁上面１３ａと内壁下面１３ｆとによってＺ方向の両側から挟み込まれ、締まり嵌めされた状態、つまり加振源１１の伸縮方向に所定の圧力が加圧された状態で固定されている。
なお、この第１変形例において、加振源１１の基端側端面は切欠き溝部１３の底面１３ｇに当接してもよいし、加振源１１の基端側端面と切欠き溝部１３の底面１３ｇとの間に適宜の間隔が設けられてもよい。
【００４６】
この第１実施形態の第１変形例に係るレバー加振機構１ａによれば、加振源１１を加圧するための特別な構成要素を必要とせずに、装置構成に要する費用の増大を抑制しつつ、加振源１１の圧電素子の縮み方向に作用する力を、切欠き溝部１３による加圧によって補うことができ、相対的に高い周波数であっても、安定な振動特性を得ることができる。
そして、この第１変形例に係るレバー加振機構１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１によれば、レバー加振機構１ａによってレバー３ｃの振動特性の安定性を向上させることができ、試料Ｓの表面形状の測定精度を向上させることができる。
【００４７】
なお、上述した実施の形態において、斜面ブロック１０の切欠き溝部１３に加振源１１を装着するとしたが、これに限定されず、例えば図５に示す上述した実施の形態の第２変形例に係るレバー加振機構１ａのように、斜面ブロック１０の貫通孔１５に加振源１１を装着してもよい。
この第２変形例において、例えばＹ方向に伸びる貫通孔１５は斜面ブロック１０のＹ方向の両端面（図示略）上で開口し、Ｙ方向に対する断面形状が略長方形状とされ、少なくとも、加振源１１の上面１１ａに当接する内壁上面１５ａと、加振源１１の下面１１ｂに当接する内壁下面１５ｂとを備えて構成されている。
そして、この貫通孔１５のＺ方向において、内壁上面１５ａと内壁下面１５ｂとの間の間隔は、加振源１１のＺ方向厚さＷよりも僅かに小さな値とされ、貫通孔１５に装着された加振源１１は、内壁上面１５ａと内壁下面１５ｂとによってＺ方向の両側から挟み込まれ、締まり嵌めされた状態、つまり加振源１１の伸縮方向に所定の圧力が加圧された状態で固定されている。
【００４８】
この第１実施形態の第２変形例に係るレバー加振機構１ａによれば、加振源１１を加圧するための特別な構成要素を必要とせずに、装置構成に要する費用の増大を抑制しつつ、加振源１１の圧電素子の縮み方向に作用する力を、貫通孔１５による加圧によって補うことができ、相対的に高い周波数であっても、安定な振動特性を得ることができる。
そして、この第２変形例に係るレバー加振機構１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１によれば、レバー加振機構１ａによってレバー３ｃの振動特性の安定性を向上させることができ、試料Ｓの表面形状の測定精度を向上させることができる。
【００４９】
以下、本発明のレバー加振機構及び走査型プローブ顕微鏡の第２実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
なお、この第２実施形態において、上述した第１実施形態と異なる点は、加振型カンチレバーホルダ２のホルダ本体１２に固定されると共にカンチレバー３を保持するレバー加振機構１ａの構成である。
つまり、この第２実施形態によるレバー加振機構１ａは、例えば図６および図７に示すように、斜面ブロック１０と、加振源１１と、加圧部材１６とを備えて構成されている。
【００５０】
加振源１１はホルダ本体１２の下面１２ａに固定され、斜面ブロック１０は載置面１０ａを試料Ｓ側に向けた状態で加振源１１の下面１１ｂに固定されている。そして、この載置面１０ａにカンチレバー３の本体部３ｂが載置され、例えばワイヤ等によって斜面ブロック１０とカンチレバー３の本体部３ｂとが固定されている。
加圧部材１６は、例えば伸縮性を有する材質（例えば、ゴム、高分子化合物、ばね材等）からなるベルト状に形成され、Ｘ軸周りに斜面ブロック１０および加振源１１に巻き掛けられ、加振源１１をＺ方向の両側から所定圧力で加圧する。
【００５１】
この第２実施形態に係るレバー加振機構１ａによれば、加振源１１の圧電素子の縮み方向に作用する力を、加圧部材１６による加圧によって補うことができ、相対的に高い周波数であっても、安定な振動特性を得ることができる。
しかも、ベルト状の加圧部材１６は、斜面ブロック１０および加振源１１に巻き掛けられるだけであり、例えばカンチレバー３の本体部３ｂに加圧部材１６が巻き掛けられることで、この本体部３ｂに過剰な圧力が作用してしまうことは防止されており、加振源１１に対して所望の圧力を適切に加圧することができる。
そして、この第２実施形態に係るレバー加振機構１ａを有する走査型プローブ顕微鏡１によれば、レバー加振機構１ａによってレバー３ｃの振動特性の安定性を向上させることができ、試料Ｓの表面形状の測定精度を向上させることができる。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は、上述した各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。
例えば上述した各実施形態によるレバー加振機構１ａを、適宜のレバーの振動状態を検出するセンサを振動させる振動機構として適用してもよい。
【００５３】
また、上述した各実施形態では、ホルダ本体１２に形成された開口部１２ｃを介して、カンチレバー３のレバー３ｃにレーザ光Ｌを入射させると共に反射したレーザ光Ｌを出射させる構成としたが、これに限定されず、例えばホルダ本体１２を光学的に透明な材料（例えば、ガラス等）で構成して開口部１２ｃを省略してもよい。
この場合には、光照射部２６から照射されたレーザ光Ｌは、ホルダ本体１２の上面１２ｂに垂直に入射してカンチレバー３のレバー３ｃの反射面（図示略）に入射する。そして、この反射面で反射したレーザ光Ｌは、ホルダ本体１２の下面１２ａに斜めに入射して、屈折を繰り返しながら光検出部２８に向けて出射する。このように、光学的に透明な材料でホルダ本体１２を構成することで、開口部１２ｃを省略することができるので、開口部１２ｃを形成する手間を省くことができる。
【００５４】
また、上述した各実施形態では、走査時において、レバー３ｃの振動振幅が一定になるように、探針３ａと試料Ｓとの距離を制御したが、これに限定されず、レバー３ｃの振動状態、例えば周波数や角度等が一定になるように制御してもよい。
【００５５】
また、上述した各実施形態では、試料側を３次元方向に移動させる試料スキャン方式を例にして説明したが、この方式に限定されず、例えばカンチレバー側を３次元方向に移動させるカンチレバースキャン方式であってもよいし、試料側及びカンチレバー側を共に３次元方向に移動可能としてもよい。
【００５６】
また、上述した各実施形態では、振動モードＳＰＭの一例として、ＤＦＭ測定を行う場合を例にしたが、これに限定されず、例えば磁気を検知できる探針を有するカンチレバー３のレバー３ｃを同様に振動させ、この際のレバー３ｃの撓み振幅や位相を検出することで磁気試料の磁気分布や磁区構造等の測定を行うＭＦＭ（Magnetic Force Microscope：磁気力顕微鏡）においても同等の作用効果を奏することができる。
【００５７】
更に、上述したＭＦＭに限定されず、例えば導電性探針（カンチレバー３）と試料との間に、ＡＣバイアス電圧を印加し、探針と試料との静電結合によってレバー３ｃを振動させ、この際のレバー３ｃの撓み振幅を検知することで試料の表面電位分布等の測定を行うＫＦＭ（Kelvin Prove Force Microscope：ケルビンプローブフォース顕微鏡）やＳＭＭ（Scanning Maxwell-stress Microscope：走査型マクスウェル応力顕微鏡）等のＳＰＭにおいても同等の作用効果を奏することができる。
【００５８】
更には、ＡＦＭ動作中に、試料を試料表面に平行な水平方向に横振動させ、又はレバー３ｃを試料表面に平行な水平方向に横振動させ、この際のレバー３ｃのねじれ振動振幅を検出することで摩擦力分布を測定するＬＭ−ＦＦＭ（Lateral Force Modulation Friction Force Microscope：横振動摩擦力顕微鏡）や、ＡＦＭ動作中に、試料Ｓを試料表面Ｓ１に垂直なＺ方向に微小振動させて、又は、レバー３ｃを試料表面に垂直なＺ方向に微小移動させて、周期的な力を加え、この際のレバー３ｃの撓み振幅や、ｓｉｎ成分、ｃｏｓ成分を検出することで粘弾性分布を測定するＶＥ−ＡＦＭ（Viscoelastic AFM：マイクロ粘弾性測定−原子間力顕微鏡）等においても同様の作用効果を奏することができる。
【００５９】
また、上述した実施の形態では、測定手段６が光てこ方式によりレバー３ｃの変位検出を行ったが、これに限定されず、例えばカンチレバー３自身に変位検出機能（例えば、ピエゾ抵抗素子等）を設けた自己検知方式を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るレバー加振機構の構成図である。
【図３】本発明の第１実施形態の実施例および比較例に係るレバー加振機構によるレバーの共振特性を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態の第１変形例に係るレバー加振機構の構成図である。
【図５】本発明の第１実施形態の第２変形例に係るレバー加振機構の構成図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るレバー加振機構の構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
Ｓ試料  １ａレバー加振機構  ３カンチレバー（レバー）  ３ａ探針  ３ｃレバー  ４ステージ  ５移動手段  ６測定手段  ８制御手段  １０斜面ブロック（支持部材）  １０ｂ先端側端面（端面）  １１加振源（圧電部材）  １３切欠き溝部（狭持部）  １３ａ内壁上面（内壁面）  １３ｂ基端側内壁下面（内壁面、第２内壁面）  １３ｃ先端側内壁下面（第１内壁面）  １３ｄ第１底面（底部）  １３ｅ第２底面（底部）  １３ｆ内壁下面（内壁面）  １３ｇ底面（底部）  １５貫通孔（狭持部）  １６加圧部材
【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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