(57)【要約】【課題】光励振と光計測を行うことにより、個々のカンチレバーに励振や検出用の素子を組み込む必要がなく、カンチレバーアレーの構造を簡単なものにとどめ、カンチレバーの高いＱ値や、高周波作動、修飾方法の多様性を得ることができるマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置を提供する。【解決手段】カンチレバー２〜ｎの固有振動数がそれぞれ異なるカンチレバーアレー１１を用い、その固有振動を変調光励振によって順次励振し、その振動をレーザドップラー計によって計測する。【選択図】    図１
2004212078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振し、その振動をレーザドップラー計によって計測することを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法。
【請求項２】
固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振し、その振動をホモダイン干渉計によって計測することを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、前記変調励振は変調光励振であることを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、前記変調励振は変調電界励振であることを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法。
【請求項５】
固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーの固有振動を一定光励振によって順次励振し、その振動をレーザドップラー計によって計測することを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法。
【請求項６】
固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーの固有振動を一定光励振によって順次励振し、その振動をホモダイン干渉計によって計測することを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法。
【請求項７】
（ａ）固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーと、
（ｂ）該カンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振する手段と、
（ｃ）その振動を計測するレーザドップラー計とを具備することを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置。
【請求項８】
（ａ）固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーと、
（ｂ）該カンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振する手段と、
（ｃ）その振動を計測するホモダイン干渉計とを具備することを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置。
【請求項９】
（ａ）固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーと、
（ｂ）そのカンチレバーの固有振動を一定光励振によって同時に励振する手段と、
（ｃ）その振動を計測するレーザドップラー計とを具備することを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置。
【請求項１０】
（ａ）固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーと、
（ｂ）そのカンチレバーの固有振動を一定光励振によって同時に励振する手段と、
（ｃ）その振動を計測するホモダイン干渉計とを具備することを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置。
【請求項１１】
請求項７、８、９又は１０記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、前記カンチレバーは列状に配置されたアレーであることを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置。
【請求項１２】
請求項７、８、９又は１０記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、前記カンチレバーは共通の励振スポットによって照射可能な放射状に配置された集合体であることを特徴とするマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置。
【請求項１３】
請求項７、８、９又は１０記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置を用いて、前記カンチレバーの固有振動数の自励を実現し、それによりカンチレバー先端の探針と試料の相互作用を、自励振動周波数の変化や、自励振動振幅、位相の変化として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１４】
請求項７、８、９又は１０記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置を用いて、前記カンチレバーの固有振動数の自励を実現し、それによりカンチレバー先端の探針に付着した質量の変化を、自励振動周波数の変化や、自励振動振幅、位相の変化として検出することを特徴とする質量・物質検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置に係り、特にその振動計測、走査型プローブ顕微鏡、質量・物質検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、カンチレバーごとに配線を行い、振動励振や、信号の取り出しを行ったり、カンチレバーごとに光学グレーチングを組み込み、それぞれの回折パターンからのカンチレバーの変位や振動周波数を計測していた。
【０００３】
このような従来の方法を用いた先行技術としては、下記の非特許文献１〜７がある。
【０００４】
また、時系列で複数個並んだ光てこ機構で５本から１０本程度のカンチレバーの変位を順次読出した例としては、下記の非特許文献８がある。
【０００５】
レーザドップラー計は、振動する試料の振動計測に広く用いられている。このレーザドップラー計をカンチレバーの振動計測に用いて、力、場、物質をセンシングする方法として、本発明者は既に特願２００１−１８４６０４を提案している。
【０００６】
また、光励振は１０数年来から存在する振動の励振方法であり、下記の非特許文献９〜１７に研究成果が開示されている。
【０００７】
さらに、レーザドップラー計と光励振を組み合わせ、力、場、物質のセンシングを行う方法に関して、本発明者は、ＰＣＴ／ＪＰ０２／０５８３５として提案している。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｐｒｏｂｅ  ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ａｒｒａｙ  ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ，Ｓｃｏｔｔ  Ａ．Ｍｉｌｌｅｒ，Ｋｉｍｂｅｒｌｙ  Ｌ．Ｔｕｒｎｅｒ，ａｎｄ  Ｎｏｅｌ  Ｃ．ＭａｃＤｏｎａｌｄ，Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ６８（１９９７）４１５５−４１６２．
【非特許文献２】
２Ｄ  ＡＦＭ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ａｒｒａｙｓ  ａ  ｆｉｒｓｔ  ｓｔｅｐ  ｔｏｗａｒｄｓ  ａ  Ｔｅｒａｂｉｔ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｄｅｖｉｃｅ，Ｍ．Ｌｕｔｗｙｃｈｅ，Ｃ．Ａｎｄｒｅｏｌｉ，Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ，Ｊ．Ｂｒｕｇｇｅｒ，Ｕ．Ｄｒｅｃｈｓｌｅｒ，Ｗ．Ｈａｅｂｅｒｌｅ，Ｈ．Ｒｏｈｒｅｒ，Ｈ．Ｒｏｔｈｕｉｚｅｎ，Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ，Ｇ．Ｙａｒａｌｉｏｇｌｕａｎｄ  Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ：Ｓｅｎｓ．＆  Ａｃｔｕａｔ．Ａ７３（１９９９）８９．
【非特許文献３】
Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ  ｄｅｎｓｉｔｙ，ｈｉｇｈ−ｄａｔｅ−ｒａｔｅ  ＮＥＭＳ−ｂａｓｅｄ  ＡＦＭ  ｄａｔａ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｓｙｓｔｅｍ，Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ，Ｊ．Ｂｒｕｇｇｅｒ，Ｍ．Ｄｅｓｐｏｎｔ，Ｕ．Ｄｒｅｃｈｓｌｅｒ，Ｕ．Ｄｕｅｒｉｇ，Ｗ．Ｈａｅｂｅｒｌｅ，Ｍ．Ｌｕｔｗｙｃｈｅ，Ｈ．Ｒｏｔｈｕｉｚｅｎ，Ｒ．Ｓｔｕｔｚ，Ｒ．Ｗｉｄｍｅｒ  ａｎｄ  Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ：Ｍｉｃｒｏ．Ｅｎｇ．４６（１９９９）１１．
【非特許文献４】
Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｒｏｕｇｈ−ｗａｆｅｒ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ  ｗｉｔｈ  ａ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ａｒｒａｙ，Ｅ．Ｍ．Ｃｈｏｗ，Ｈ．Ｔ．Ｓｏｈ，Ｈ．Ｃ．Ｌｅｅ，Ｊ．Ｄ．Ａｄａｍｓ，Ｓ．Ｃ．Ｍｉｎｎｅ，Ｇ．Ｙａｒａｌｉｏｇｌｕ，Ａ．Ａｔａｌａｒ，Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ  ａｎｄ  Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙ：Ｓｅｎｓ．＆  Ａｃｔｕａｔ．Ａ８３（２０００）１１８．
【非特許文献５】
Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｓｈａｒｐ  ｔｉｐｓ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ａｃｔｕａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ＡＦＭ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐ．−Ｆ．Ｉｎｄｅｒｍｕｈｌｅ，Ｇ．Ｓｃｈｕｒｍａｎｎ，Ｇ．−Ａ．Ｒａｃｉｎｅ  ａｎｄ  Ｎ．Ｆ．ｄｅ  Ｒｏｏｉｊ：Ｓｅｎｓ．＆  Ａｃｔｕａｔ．Ａ６０（１９９７）１８６．
【非特許文献６】
ＶＬＳＩ−ＮＥＭＳ  ｃｈｉｐ  ｆｏｒ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ＡＦＭ  ｄａｔａ  ｓｔｏｒａｇｅ，Ｍ．Ｄｅｓｐｏｎｔ，Ｊ．Ｂｒｕｇｇｅｒ，Ｕ．Ｄｒｅｃｈｓｌｅｒ，Ｕ．Ｄｕｅｒｉｇ，Ｗ．Ｈａｅｂｅｒｌｅ，Ｍ．Ｌｕｔｗｙｃｈｅ，Ｈ．Ｒｏｔｈｕｉｚｅｎ，Ｒ．Ｓｔｕｔｚ，Ｒ．Ｗｉｄｍｅｒ，Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ，Ｈ．Ｒｏｈｒｅｒ  ａｎｄ  Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ：Ｓｅｎｓ．＆  Ａｃｔｕａｔ．Ａ８０（２０００）１００．
【非特許文献７】
Ａｎ  ａｒｔｆｉｃｉａｌ  ｎｏｓｅ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ａｒｒａｙ，Ｈ．Ｐ．Ｌａｎｇ，Ｍ．Ｋ．Ｂａｌｌｅｒ，Ｒ．Ｂｅｒｇｅｒ，Ｃｈ．Ｇｅｒｂｅｒ，Ｊ．Ｋ．Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ，Ｆ．Ｍ．Ｂａｔｔｉｓｔｏｎ，Ｐ．Ｆｏｒｎａｒｏ，Ｊ．Ｐ．Ｒａｍｓｅｙｅｒ，Ｅ．Ｍｅｙｅｒ  ａｎｄ  Ｈ．−Ｊ．Ｇｕｅｎｔｈｅｒｏｄｔ：Ａｎａｌｙｔｉｃａ  Ｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ  ３９３（１９９９）５９．
【非特許文献８】
Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｒｅａｄｏｕｔ  ｆｒｏｍ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｈ．Ｐ．Ｌａｎｇ，Ｒ．Ｂｅｒｇｅｒ，Ｃ．Ａｎｄｒｅｏｌｉ，Ｊ．Ｂｒｕｇｇｅｒ，Ｍ．Ｄｅｓｐｏｎｔ，Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ，Ｃｈ．Ｇｅｒｂｅｒ，Ｊ．Ｋ．Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ，Ｊ．Ｐ．Ｒａｍｓｅｙｅｒ，Ｅ．Ｍｅｙｅｒ  ａｎｄ  Ｈ．−Ｊ．Ｇｕｅｎｔｈｅｒｏｄｔ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８）３８３．
【非特許文献９】
Ｄ．Ｗ．Ｓａｔｃｈｅｌｌ，Ｊ．Ｃ．Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ，“Ａ  ｔｈｅｒｍａｌｌｙ−ｅｘｃｉｔｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，”Ｓｅｎｓ．Ａｃｔ．，１７（１９８９）２４１−２４５．
【非特許文献１０】
Ｍ．Ｂ．Ｏｔｈｍａｎ  ａｎｄ  Ａ．Ｂｒｕｎｎｓｃｈｗｅｉｌｅｒ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｅｘｃｉｔｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｂｅａｍ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，”Ｅｌｅｃｔ．Ｌｅｔｔ．，２（１９８７）７２８−７３０．
【非特許文献１１】
Ｔ．Ｓ．Ｊ．Ｌａｍｍｅｒｉｎｋ，Ｍ．Ｅｌｗｅｎｓｐｏｅｋ，ａｎｄ  Ｊ．Ｈ．Ｊ．Ｆｌｕｉｔｍａｎ，“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，”Ｓｅｎｓ．Ａｃｔ．Ａ，２５−２７（１９９１）  ６８５−６８９．
【非特許文献１２】
Ｈ．Ｙｕ，Ｙ．Ｗａｎｇ，Ｃ．Ｄｉｎｇ，Ｙ．Ｗａｎｇ，ａｎｄ  Ｙ．Ｘｕ，“Ｔｈｅ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｐｏｉｎｔ−ｈｅａｔｉｎｇ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｍｉｃｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，”Ｓｅｎｓ．Ａｃｔ．，Ａ７７（１９９９）１８７−１９０．
【非特許文献１３】
Ｊ．Ｆｕｎｋ，Ｊ．Ｂｕｅｈｌｅｒ，Ｊ．Ｇ．Ｋｏｒｖｉｎｋ，ａｎｄ  Ｈ．Ｂａｌｔｅｓ，“Ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆａｎ  ａｃｔｕａｔｅｄ  ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ，”Ｓｅｎｓ．Ａｃｔ．Ａ，４６−４７（１９９５）６３２−６３６．
【非特許文献１４】
Ｇ．Ｃ．Ｒａｔｃｌｉｆｆ，Ｄ．Ａ．Ｅｒｉｅ，ａｎｄ  Ｒ．Ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ，“Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ  ｍｏｄｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｉｎ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７２（１９９８）１９１１−１９１３．
【非特許文献１５】
Ｎ．Ｕｍｅｄａ，Ｓ．Ｉｓｈｉｚａｋｉ，ａｎｄ  Ｈ．Ｕｗａｉ，“Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｕｓｉｎｇ  ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，”Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ  ９（１９９１）１３１８−１３２２．
【非特許文献１６】
Ｍ．Ｚａｌａｌｕｔｄｉｎｏｖ，Ａ．Ｚｅｈｎｄｅｒ，Ａ．Ｏｌｋｈｏｖｅｔｓ，Ｓ．Ｔｕｒｎｅｒ，Ｌ．Ｓｅｋａｒｉｃ，Ｂ．Ｉｌｉｃ，Ｄ．Ｃｚａｐｌｅｗｓｋｉ，Ｊ．Ｍ．Ｐａｒｐｉａ，ａｎｄ  Ｈ．Ｇ．Ｃｒａｉｇｈｅａｄ，“Ａｕｔｏｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｒｉｖｅ  ｆｏｒ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７９（２００１）６９５−６９７．
【非特許文献１７】
Ｙ．−Ｃ．Ｓｈｅｎ，Ａ．Ｌｏｍｏｎｏｓｏｖ，Ａ．Ｆｒａｓｓ，ａｎｄ  Ｐ．Ｈｅｓｓ，“Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈｅｒ  ｈａｒｍｏｎｉｃｓ  ｉｎ  ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｌａｓｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇｓ  ｂｙ  ａｎ  ａｂｌａｔｉｖｅ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７３（１９９８）１６４０−１６４２．
【非特許文献１８】
Ｈ．Ｋａｗａｋａｔｓｕ，Ｓ．Ｋａｗａｉ，Ｄ．Ｓａｙａ，Ｍ．Ｎａｇａｓｈｉｏ，Ｄ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｈ．Ｔｏｓｈｉｙｏｓｈｉ，ａｎｄ  Ｈ．Ｆｕｊｉｔａ，“Ｔｏｗａｒｄｓ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｕｐ  ｔｏ  １００  ＭＨｚ，”Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ７３（２００２）２３１７．
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしなら、上記した従来のマルチカンチレバーの検出方法のままでは、カンチレバーの数が数百万や数億にまで増大した場合、マルチカンチレバーの振動周波数の計測は困難になってしまう。
【００１０】
すなわち、従来のマルチカンチレバーで、自己振動、自己振動検出機能を有するものは、カンチレバーの数が増大すると、カンチレバーアレーの構造がより複雑化し、カンチレバー個々の性能が低下することや、カンチレバーアレーに様々な修飾を行うことが困難になるという問題を有する。また、カンチレバーの振動のＱ値が低下することが予想される。
【００１１】
そこで、本発明は、上記状況に鑑みて、光乃至電界励振と光計測を行うことにより、個々のカンチレバーに励振や検出用の素子を組み込む必要がなく、カンチレバーアレーの構造を簡単なものにとどめ、カンチレバーの高いＱ値や、高周波作動、修飾方法の多様性を得ることができるマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また、多数のカンチレバーの励振数の計測を可能にすることにより、複数のカンチレバーで同一の物質の検出を行うことが可能となり、より多くの物質の検出が可能になる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振し、その振動をレーザドップラー計によって計測することを特徴とする。
【００１４】
〔２〕マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振し、その振動をホモダイン干渉計によって計測することを特徴とする。
【００１５】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、前記変調励振は変調光励振であることを特徴とする。
【００１６】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、前記変調励振は変調電界励振であることを特徴とする。
【００１７】
〔５〕マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、固有振動数がそれぞれ異な  る複数のカンチレバーの固有振動を一定光励振によって順次励振し、その振動をレーザドップラー計によって計測することを特徴とする。
【００１８】
〔６〕マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーの固有振動を一定光励振によって順次励振し、その振動をホモダイン干渉計によって計測することを特徴とする。
【００１９】
〔７〕マルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーと、そのカンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振する手段と、その振動を計測するレーザドップラー計とを具備することを特徴とする。
【００２０】
〔８〕マルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーと、そのカンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振する手段と、その振動を計測するホモダイン干渉計とを具備することを特徴とする。
【００２１】
〔９〕マルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーと、そのカンチレバーの固有振動を一定光励振によって同時に励振する手段と、その振動を計測するレーザドップラー計とを具備することを特徴とする。
【００２２】
〔１０〕マルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、固有振動数がそれぞれ異なる複数のカンチレバーと、そのカンチレバーの固有振動を一定光励振によって同時に励振する手段と、その振動を計測するホモダイン干渉計とを具備することを特徴とする。
【００２３】
〔１１〕上記〔７〕、〔８〕、〔９〕又は〔１０〕記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、前記カンチレバーは列状に配置されたアレーであることを特徴とする。
【００２４】
〔１２〕上記〔７〕、〔８〕、〔９〕又は〔１０〕記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、前記カンチレバーは共通の励振スポットによって照射可能な放射状に配置された集合体であることを特徴とする。
【００２５】
〔１３〕走査型プローブ顕微鏡において、上記〔７〕、〔８〕、〔９〕又は〔１０〕記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置を用いて、前記カンチレバーの固有振動数の自励を実現し、それによりカンチレバー先端の探針と試料の相互作用を、自励振動周波数の変化や、自励振動振幅、位相の変化として検出することを特徴とする。
【００２６】
〔１４〕質量・物質検出器において、上記〔７〕、〔８〕、〔９〕又は〔１０〕記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置を用いて、前記カンチレバーの固有振動数の自励を実現し、それによりカンチレバー先端の探針に付着した質量の変化を、自励振動周波数の変化や、自励振動振幅、位相の変化として検出することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の第１実施例を示す変調光による励振を行う場合のマルチカンチレバーとレーザースポットの模式図（その１）、図２はそのマルチカンチレバーとレーザースポットの模式図（その２）、図３はそのマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置の模式図である。
【００２９】
図１〜図２において、１は基板、２〜Ｎはカンチレバー、１１はカンチレバーアレー（ここでは一列）、２１はレーザスポット、２２は図１におけるレーザスポット走査方向、２３は図２におけるレーザスポット走査方向である。
【００３０】
このように、レーザスポット走査は、図１においては、下方から上方へと行われ、図２においては、水平方向に行い、このレーザスポット２１は光励振と光検出機能を有する。
【００３１】
図３において、３０はレーザドップラー計の計測光、３１はレーザドップラー計、３２はレーザドップラー計３１からの出力が接続されるネットワークアナライザ、３３はネットワークアナライザ３２に接続される変調光光源、３４はその変調光光源から照射される変調光（励振光）である。
【００３２】
ここで、導光手段（図示なし）を用いて計測光３０と励振光３４を、カンチレバー２上に走査し、レーザスポットが照射されているカンチレバー２の固有振動数をカバーする帯域でネットワークアナライザ３２の振動発生用励振信号の周波数を掃引する。レーザスポットの走査と周波数掃引を同期させることにより、レーザスポットをカンチレバー２〜Ｎの列の一端から一端まで走査すると、その列内のカンチレバー２の固有振動数や振幅が計測される。周波数分解能と掃引に要する時間は相反する関係にある。変化がみられたカンチレバー群に観察を限定し、その周辺でより細かい観測を行うと使い勝手の良い装置となる。
【００３３】
変調光励振は、レーザスポット走査と、励振光変調周波数をカンチレバーの位置と周波数に合わせる必要がある。その一方、基板とカンチレバーの間のキャビティを必要としない。
【００３４】
例えば、１０００×１０００個のカンチレバーからなるカンチレバーアレーを例に挙げて説明する。
【００３５】
カンチレバーの１列の固有振動数をｆ1 ，ｆ2 ，…，ｆ1000とする。個々の固有振動数はｆ1 ＜ｆ2 ＜ｆ3 ＜…＜ｆ1000を満たすものとする。
【００３６】
そこで、レーザドップラー計３１の計測光３０を、カンチレバー２〜Ｎの列のうち、Ｎ個のカンチレバーに同時に照射する。振動励振のための変調光３４をカンチレバーアレー１１に照射すると、変調光３４の周波数と、カンチレバーの固有振動数が一致したものの振動が励起される。ネットワークアナライザ３２の出力信号を用いて光励振信号を駆動し、レーザドップラー計３１の出力を前記ネットワークアナライザ３２に接続することにより、複数のカンチレバー２〜Ｎの固有振動数が、複数のピークとしてネットワークアナライザ３２により計測可能となる。
【００３７】
Ｎの値については、Ｎを増やすと光軸を走査せずに、ネットワークアナライザ３２により計測可能なカンチレバーの数が増大する一方、レーザドップラー計３１のＳＮ比が低下する。そのため、カンチレバーの有効計測面積を増大させるとともに、ＳＮ比の観点から許される最大のＮの値を用いる。Ｎが列に含まれるカンチレバーの数を下回る場合は、レーザ光の走査により、観察範囲を拡大する。列ごとには、第１列と同一の周波数の繰り返し、ｆ1 ，ｆ2 ，…，ｆ1000を用いることが可能である。
【００３８】
極端な例として、Ｎ＝１とする場合は、光励振と検出を、ある時刻においては、一本のカンチレバーに対してのみ行う。その際、ネットワークアナライザ３２の振動発生励振信号の周波数を、該当するカンチレバーの固有振動数をカバーするに足りる帯域に設定する。カンチレバーアレー１１に対する光スポットの走査と、ネットワークアナライザ３２の振動発生用励振信号の周波数を同期させ、レーザスポットがある時刻に観察しているカンチレバーの固有振動数をネットワークアナライザ３２の観測周波数帯域内に存在させることが可能である。
【００３９】
これにより、例えば１０００本のカンチレバーの列上をレーザスポットで走査し、走査と同期してネットワークアナライザ３２の振動発生用励振信号の周波数を掃引すると、各カンチレバーの周波数特性を計測することが可能となる。
【００４０】
特定のカンチレバー、例えば、通常ｆ０ヘルツの固有振動数を有するカンチレバーの周波数や振幅が変化した場合、そのカンチレバーが力、場、物質を検出したことが観測者に分かる。
【００４１】
１＜Ｎ＜１０程度とすることで、光学検出のＳＮ比と、周波数掃引とカンチレバー上のレーザスポット走査の同期に対するトレランスを両立させることが可能となる。
【００４２】
以上では、カンチレバーの列ごとの計測を例として挙げたが、カンチレバーアレー１１の面全体にレーザドップラー計３１の計測光３０を照射し、一括で計測することも可能になる。
【００４３】
また、上記したレーザドップラー計による振動の計測に代えて、ホモダイン干渉計によって計測するようにしてもよい。
【００４４】
なお、上記した光励振に代えて、電界励振を用いるようにしてもよい。その場合、各カンチレバーと基板や試料の間の静電容量を用いる。この場合、レーザドップラー計の計測光３０が照射されているカンチレバーの固有振動数を含むように電界励振の周波数を掃引する。
【００４５】
以上の説明のように、カンチレバーの固有振動数に変化を持たせることにより、計測対象とするカンチレバーを適宜選択可能とし、かつ、カンチレバーアレー全体のカンチレバーを順次計測対象とすることが可能となる。
【００４６】
一定光励振は、基板とのキャビティ長をある波長で励振される寸法にあらかじめ作製する必要があるが、変調を行う必要がないため、観測中のカンチレバーに合わせて励振周波数を制御する必要がない。
【００４７】
このように、それぞれの利点を有する。
【００４８】
次に、一定光による励振を行う場合について説明する。
【００４９】
図４は本発明の第２実施例を示す一定光による励振を行う場合のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置の模式図である。
【００５０】
この図において、４１は一定光光源、４２は集光レンズ、４３は一定光（励振光）、５１は光を透過する基板、５２はカンチレバー、５３は基板５１とカンチレバー５２間の空隙（キャビティ長）ｄである。
【００５１】
例えば、１０００×１０００個のカンチレバーからなるカンチレバーアレーを例に挙げて説明する。
【００５２】
ここで、カンチレバー５２は光を透過する基板５１との間に空隙ｄを持ち、その空隙ｄは励振光の波長の１／２の整数倍とする。これにより、一定光４３を照射すると、照射されたカンチレバー５２が自励を開始する。
【００５３】
カンチレバーの１列の固有振動数をｆ1 ，ｆ2 ，…，ｆ1000とする。
【００５４】
そこで、レーザドップラー計３１の計測光３０を、カンチレバーの列のうち、Ｎ個のカンチレバーに同時に照射する。振動励振のための一定光４３をカンチレバーアレーに照射すると、カンチレバー５２の自励が励起される。複数のカンチレバー５２の固有振動数が、レーザドップラー計３１により計測可能となる。Ｎの値については、Ｎを増やすと光軸を走査せずに、計測可能なカンチレバー５２の数が増大する一方、レーザドップラー計３１のＳＮ比が低下する。そのため、カンチレバー５２の有効計測面積を増大させるとともに、ＳＮ比の観点から許される最大のＮの値を用いる。Ｎが列に含まれるカンチレバー５２の数を下回る場合は、レーザ光の走査により、観察範囲を拡大する。列ごとには、第１列と同一の周波数の繰り返し、ｆ1 ，ｆ2 ，…，ｆ1000を用いることが可能である。
【００５５】
極端な例として、Ｎ＝１とする場合は、光励振と検出をある時刻においては、一本のカンチレバーに対してのみ行う。その際、掃引周波数を、該当するカンチレバーの固有振動数をカバーするに足りる帯域に設定する。カンチレバーアレーに対する光スポットの走査と、レーザドップラー計３１の帯域を同期させ、レーザスポットがある時刻に観察しているカンチレバーの固有振動数をレーザドップラー計３１の観測周波数帯域内に存在させることが可能である。これにより、例えば、１０００本のカンチレバーの列上をレーザスポットで走査し、各カンチレバーの周波数特性を計測することが可能となる。
【００５６】
特定のカンチレバー、例えばｆ０ヘルツの固有振動数を有するカンチレバーの周波数や振幅が変化した場合、そのカンチレバーが力、場、物質を検出したことが観測者に分かる。
【００５７】
以上では、カンチレバーの列ごとの計測を例として挙げたが、カンチレバーアレーの面全体にレーザドップラー計３１の計測光３０を照射し、一括で計測することも可能となる。
【００５８】
また、上記したレーザドップラー計による振動の計測に代えて、ホモダイン干渉計によって計測するようにしてもよい。
【００５９】
以上の説明のように、カンチレバーの固有振動数に変化を持たせることにより、計測対象とするカンチレバーを適宜選択可能とし、かつ、カンチレバーアレー全体のカンチレバーを順次計測対象とすることが可能となる。
【００６０】
特定のカンチレバーが変化を生じた場合、そのカンチレバーに着目し、そのカンチレバーの固有振動数近傍を高い周波数分解能で計測することにより、より微小な変化を観測することが可能となる。
【００６１】
一定光励振は、基板とカンチレバーとの間のキャビティ長ｄをある波長で励振される寸法にあらかじめ作製する必要があるが、変調を行う必要がないため、観測中のカンチレバーに合わせて励振周波数を制御する必要がない。
【００６２】
そして、カンチレバーアレーのファブリケーションの容易さでは、第１実施例が有利であり、励振、走査、掃引の容易さでは、第２実施例が有利となる。
【００６３】
また、上記実施例では、カンチレバーを列状に配置したカンチレバーアレーについて説明したが、以下に説明するように直線状に配置されたカンチレバーでなくてもよい。
【００６４】
図５は本発明の第３実施例を示すカンチレバーの配置構造を示す図である。
【００６５】
この図においては、島状の基部６１から固有振動数がそれぞれ異なる（ここでは、長さが異なる）カンチレバー６２〜Ｎが共通のレーザー（励振）スポット７１によって照射可能な放射状に配置された集合体となっている。また、不規則に放射状に群生していてもよい。
【００６６】
このような場合には、点線で示されるレーザスポット７１をあてることにより、その振動をレーザドップラー計（図示なし）によって計測することができる。
【００６７】
図６は本発明の第４実施例を示すカンチレバーの配置構造を示す図である。
【００６８】
この図においては、渦巻き状の基部８１から固有振動数がそれぞれ異なる（ここでは、長さが異なる）カンチレバー８２〜Ｎが共通のレーザスポット９１によって照射可能な放射状に配置された集合体となっている。また、不規則に放射状に群生していてもよい。
【００６９】
このような場合には、点線で示されるレーザスポット９１をあてることにより、そのカンチレバーの振動をレーザドップラー計（図示なし）によって計測することができる。
【００７０】
また、図５、図６の構造においても、変調電界励振と光検出を組み合わせることが可能である。
【００７１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７３】
（Ａ）多数のカンチレバーの周波数特性計測を、レーザスポットの走査と、ネットワークアナライザ等により周波数掃引を同期させることによって可能とする。もしくは、レーザスポットの走査による時系列の振動特性読み取りと、一定光による自励発生を用いて可能とする。１列の走査ごとにカンチレバーの列の周波数特性が同時に計測されるため、複雑な光学パターン認識等を行う必要がなく、光の走査がカンチレバーの行と列方向で完了すると、すべてのカンチレバーの周波数や振幅の計測が終了する。
【００７４】
（Ｂ）数１００万やそれ以上のカンチレバー数にも適用することができる。
【００７５】
（Ｃ）幅が１０ｎｍオーダのカンチレバーの光励振、光検出が可能であるため、より高周波での振動励振と検出、より高感度の検出、より高密度でのカンチレバーの集積が可能である。
【００７６】
（Ｄ）光励振と光検出をともに光で行うことによる装置の機械部分の単純化、小型化とそれに伴う信頼性の向上と装置の高清浄化が得られる。
【００７７】
（Ｅ）光励振と光検出をともに光で行うことにより、カンチレバーアレーの構造を単純にとどめ、高い振動Ｑ値、様々な修飾材料の選択、高集積度が得られる。
【００７８】
（Ｆ）光励振と光検出をともに光で行うことにより、超高真空、極低温等の特殊環境において、装置の単純化、小型化と高清浄化を向上させることが可能である。
【００７９】
（Ｇ）すべてのカンチレバーに対し、一括で電界を変調する変調電界励振と光検出を行うことにより、超高真空、極低温等の特殊環境において、装置の単純化、小型化と高清浄化を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す変調光による励振を行う場合のマルチカンチレバーとレーザスポットの模式図（その１）である。
【図２】本発明の第１実施例を示す変調光による励振を行う場合のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置の模式図（その２）である。
【図３】本発明の第１実施例を示す変調光による励振を行う場合のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置の模式図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す一定光による励振を行う場合のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置の模式図である。
【図５】本発明の第３実施例を示すカンチレバーの配置構造を示す図である。
【図６】本発明の第４実施例を示すカンチレバーの配置構造を示す図である。
【符号の説明】
１    基板
２〜Ｎ，５２，６２〜Ｎ，８２〜Ｎ  カンチレバー
１１    カンチレバーアレー
２１，７１，９１    レーザスポット
２２，２３    レーザスポット走査方向
３０    レーザドップラー計の計測光
３１    レーザドップラー計
３２    ネットワークアナライザ
３３    変調光光源
３４    変調光（励振光）
４１    一定光光源
４２    集光レンズ
４３    一定光（励振光）
５１    光を透過する基板
５３    基板とカンチレバー間の空隙（キャビティ長）ｄ
６１    島状の基部
８１    渦巻き状の基部
【図１】
2004212078.tif 000003
【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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