(57)【要約】【課題】  走査型プローブ顕微鏡の感度および空間分解能を向上させるためのカンチレバーの冷却システムを提供すること。【解決手段】  カンチレバー保持部４の一方の端部には先端にプローブ１を有するカンチレバー２が圧電素子３を介して設けられ、カンチレバー保持部４の他方の端部には、カンチレバー保持部４を介する熱伝導によりカンチレバー２を冷却する冷却手段が設けられている。この冷却手段は、例えば、カンチレバー保持部４の他方端部上に設けられた熱伝導部７に接続された冷媒部８である。なお、冷却手段としては、カンチレバー保持部４の他方端部上に設けられた冷却素子９や、カンチレバー保持部４の内部に設けられた冷媒導入管１０を用いてもよい。また、カンチレバー２の先端のプローブ１は、ＣｏＣｒＰｔ系合金などの磁性材料や導電性材料を成膜させたものとしてもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方端部にカンチレバーを固定する保持部の他方端部に冷却手段を備え、前記カンチレバーは前記保持部を介する前記冷却手段との熱伝導により冷却され、前記カンチレバーは前記保持部に設けられた加熱手段により加熱されるように構成されていることを特徴とするカンチレバーの冷却システム。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記保持部の他方端部上に設けられた熱伝導部に接続された冷媒溜であることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバーの冷却システム。
【請求項３】
前記冷却手段は、前記保持部の他方端部上に設けられた冷却素子であることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバーの冷却システム。
【請求項４】
前記冷却手段は、前記保持部の内部に設けられた冷媒管であることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバーの冷却システム。
【請求項５】
前記カンチレバーの先端部には、磁性材料を成膜させたプローブが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のカンチレバーの冷却システム。
【請求項６】
前記磁性材料はＣｏＣｒＰｔ系合金であることを特徴とする請求項５に記載のカンチレバーの冷却システム。
【請求項７】
前記カンチレバーの先端部には、導電性材料を成膜させたプローブが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のカンチレバーの冷却システム。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載のカンチレバーの冷却システムを備えてい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、カンチレバーの冷却システムに関し、より詳細には、走査型プローブ顕微鏡の感度および空間分解能を向上させるためのカンチレバーの冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料表面を高い分解能で観察するための装置としては走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が知られており、ＳＰＭでは先鋭化されたプローブを試料表面に走査させ、プローブと試料表面との間に働く相互作用の大きさをプローブの上下動としてモニタすることで表面観察を行う。
【０００３】
このようなＳＰＭには、その相互作用の種類に応じて種々の態様があり、原子間力に基づく観察を行うための原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：例えば、非特許文献１を参照）や、磁性材料からなる先端を有するプローブを用いて観察試料たる磁性材料との間に生じる磁気力相互作用を測定して試料表面の磁気構造分布の観察を可能とする走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：例えば、非特許文献２を参照）、あるいは、導電性材料からなる先端を有するプローブを用いて観察試料との間に生じる電気的相互作用を測定して試料表面の表面電位分布を観察するケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ：例えば、非特許文献３を参照）などが知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３５９１号公報
【特許文献２】特開平１０−１３２８３３号公報
【非特許文献１】Y. Martin, C. C. Williams, and H. K. Wickramasinghe, J. Appl. Phys., 61 (10) pp.4723-4729 (1987).
【非特許文献２】T. R. Abbrecht, P. Gruter, D. Horne, and D. Rugar, J. Appl. Phys., 69 (29) pp.668-673 (1991).
【非特許文献３】Y. Martin, D. W.Abraham, and H. K. Wicheramasinghe, Appl. Phys. Lett. 52 (13) pp.1103-1105 (1988).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
昨今のナノテクノロジの進歩に伴って、これらの表面観察手法においても更なる感度と空間分解能の向上が求められるようになってきており、そのためには、プローブの先鋭化と観察ノイズの低減が必要である。これらのうち、プローブ先鋭化については様々な改良がなされてきているが、観察ノイズの低減については未だ充分な検討がなされているとは言い難い。
【０００６】
観察ノイズの原因としては、外部からの電気ノイズによるもの、音などの空気振動を含む機械的な振動ノイズ、あるいは、熱振動によるノイズが挙げられる。このうち、電気ノイズと機械的な振動ノイズについては、装置への電磁シールド処理や除振・防音処理によって容易に改善が可能である。
【０００７】
一方、熱振動によるノイズを低減する方法については未だ十分な検討がなされているとは言い難い。本発明は、発明者が鋭意検討の結果、カンチレバーを冷却してカンチレバーの熱振動を低減することが、熱振動によるノイズを低減するために有効であることを見出したことに基づく。
【０００８】
走査型プローブ顕微鏡を低温で動作することはこれまで提案されている。特許文献１では試料を含む測定部全体を冷却する方法が提案されている。この方法は、試料の低温度特性を測定することを目的としたものであり、測定部全体を冷却することが必要とされ、大掛かりな冷却装置が必要とされる。特許文献２ではMFMに備えるプローブ（探針）の冷却方法が開示されている。この方法は、カンチレバーの先端位置における磁気の強さを検出するための超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を動作温度まで冷却することを目的としたものであり、その目的からして、ＳＱＵＩＤの動作温度以下にまで冷却することが要請され、この動作温度以上の所望の温度において測定を行うことは考慮されていない。また、これらの文献においては、熱振動によるノイズを低減する課題については開示されておらず、さらには、カンチレバーを冷却してカンチレバーの熱振動を低減することにより、熱振動によるノイズが低減されることは開示されていない。
【０００９】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、走査型プローブ顕微鏡の感度および空間分解能を向上させるための汎用性の高いカンチレバーの冷却システムに関する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、一方端部にカンチレバーを固定する保持部の他方端部に冷却手段を備え、前記カンチレバーは前記保持部を介する前記冷却手段との熱伝導により冷却されるように構成され、前記カンチレバーは前記保持部に設置された加熱手段により加熱されるように構成されていることを特徴とする。好ましくは、前記冷却手段は、前記保持部の他方端部上に設けられた熱伝導部に接続された冷媒溜や、前記保持部の他方端部上に設けられた冷却素子や、前記保持部の内部に設けられた冷媒管である。
【００１１】
また、前記カンチレバーの先端部には、磁性材料を成膜させたプローブが設けられていてもよく、好ましくは、前記磁性材料はＣｏＣｒＰｔ系合金である。さらに、前記カンチレバーの先端部には、導電性材料を成膜させたプローブが設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のカンチレバーの冷却システムを備えるＳＰＭにおいては、熱振動による観察ノイズが低減され、そのＳ／Ｎと空間分解能の双方を大幅に向上させることが可能となる。また、本発明のカンチレバーの冷却システムは、ＡＦＭ、ＭＦＭ、ＫＦＭなどのＳＰＭ全般に応用可能な高い汎用性を有するシステムである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明のカンチレバーの冷却システムの第１の構成例を説明するための図で、先端にプローブ１を有するカンチレバー２は、圧電素子３を介してカンチレバー保持部４の片方の端部に固定され、圧電素子３に変動電圧を印加することでカンチレバー２が振動する。カンチレバー保持部４の他方の端部には熱伝導性の高い材料からなる熱伝導部７が接続され、この熱伝導部７の他端に設けられている冷媒部８に冷媒が収容されてカンチレバー保持部４とカンチレバー２を冷却することを可能にしている。カンチレバー２の温度はその近傍に設けられている熱電対５によりモニタされ、所望の温度設定を可能にするための加熱手段であるヒータ６がカンチレバー保持部４に設けられている。
【００１５】
走査型プローブ顕微鏡においては、測定時間が比較的長時間にわたることが多く、測定中に温度変化が生じた場合には測定値が変動する。本発明のカンチレバーの冷却システムでは、冷却手段ならびに加熱手段を適宜制御して、温度を安定に維持することで温度変化による測定値の変動を低減させている。
【００１６】
熱伝導部７の材料としては熱を効率よく伝達させる材料であること以外に特に制限はないが、例えばＣｕやＡｕなどの金属とされる。カンチレバー２の冷却に用いられる冷媒はその測定温度に応じて選択され、例えば液体ヘリウムや液体窒素などの液化されたガスを用いることができる。
【００１７】
図２は、本発明のカンチレバーの冷却システムの第２の構成例を説明するための図で、この構成例では、図１において熱伝導部７と冷媒部８とで構成していた冷却源を、ペルチェ素子などの冷却素子９で置き換えている。
【００１８】
図３は、本発明のカンチレバーの冷却システムの第３の構成例を説明するための図で、この構成例では、カンチレバー保持部４の内部に冷媒導入管１０を設け、この冷媒導入管１０の中に冷媒を循環させることでカンチレバー２の冷却を行うように構成されている。
【００１９】
図４は、本発明のカンチレバーの冷却システムを備えている走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の構成を説明するための図である。プローブ１は試料台１２の上に載置された測定試料１１の表面に近接して配置され、この試料台１２の下側に設けられている圧電素子部１３に電圧を印加することで測定試料１１上をプローブ１が走査する。これらは真空チャンバ１４の内部に納められて真空ポンプ１５により排気され、内部を真空としたり乾燥窒素などのガスによる置換が可能となっている。
【００２０】
真空チャンバ１４にはガラス窓１６が設けられており、このガラス窓１６を通して入射されたレーザ光源１７からの光は、プローブ１とは反対側のカンチレバー２の面にて反射される。反射を確実にするために、カンチレバー２の面に図示しないミラーまたは反射膜を設けてもよく、あるいは、カンチレバー２の面自体で反射させてもよい。その反射光が再度窓ガラス１６を通って光学式位置センサ１８に入射する。カンチレバー２の先端に取り付けられているプローブ１の変位量は、光学式位置センサ１８に入射したレーザ光の位置によりモニタされる、いわゆる「光梃子方式」により測定される。
【００２１】
以下に実施例により、本発明をより詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
本実施例では、非磁性材料のプローブ１の先端に磁性材料をスパッタ成膜し、磁性材料表面との間に作用する磁気力を測定して磁性材料表面の磁気構造分布を観察する走査型磁気力顕微鏡を構成した。プローブ１先端に成膜した磁性材料はＣｏＣｒＰｔ系合金であり、その厚みは２０ｎｍである。なお、磁性材料部分を保護するためにカーボン薄膜を保護層として形成している。
【００２３】
図５は、このようにして作製されたプローブ１に着磁させる際の磁場印加の様子を説明するための図で、図中に矢印で示したプローブ１の軸方向と同じ方向に磁力線が走るように電磁石２０を配置し、発生する２００００Ｏｅの強度の磁場１９中にプローブ１を保持して着磁させている。
【００２４】
観察試料は垂直磁気記録媒体に２００ｋＦＣＩの線記録密度で書込みを行った磁気ビットとし、カンチレバー２の温度を３００Ｋ、２００Ｋ、１００Ｋ、５０Ｋおよび１０Ｋと変化させ、各温度において３×３μｍ２の領域を観察し、各温度で観察された磁気像からＳ／Ｎと空間分解能とを求めた。なお、Ｓ／Ｎは磁気ビットの強度とホワイトノイズ強度との比から求め、空間分解能は観察像にフーリエ変換を施して得られた２次元スペクトルから１次元スペクトルを抽出した。
【００２５】
図６は、このようにして得られた典型的な磁気像の２次元フーリエ変換処理によるパワースペクトラムから求めた１次元スペクトルの強度と波数の関係を説明するための図である。この図に示すように、１次元スペクトルの強度はある特定波数以上でノイズレベル以下の一定値となっており、このことは磁気的情報が失われたことを意味している。垂直磁気記録媒体での磁化方向は、試料面に対して上向き若しくは下向きの２つにほぼ分類できるため、この波数に対する波長の半波長を空間分解能としている。
【００２６】
図７は、本実施例におけるＳ／Ｎおよび空間分解能のカンチレバー温度依存性を説明するための図で、カンチレバー温度が低くなるに従ってＳ／Ｎは大きくなり、かつ、空間分解能も高くなっている。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、熱振動による観察ノイズが低減され、高いＳ／Ｎと高い空間分解能を有する走査型プローブ顕微鏡の提供を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のカンチレバーの冷却システムの第１の構成例を説明するための図である。
【図２】本発明のカンチレバーの冷却システムの第２の構成例を説明するための図である。
【図３】本発明のカンチレバーの冷却システムの第３の構成例を説明するための図である。
【図４】本発明のカンチレバーの冷却システムを備えている走査型プローブ顕微鏡の構成を説明するための図である。
【図５】磁性材料を成膜させたプローブに着磁させる際の磁場印加の様子を説明するための図である。
【図６】測定により得られた典型的な磁気像の２次元フーリエ変換処理によるパワースペクトラムから求めた１次元スペクトルの強度と波数の関係を説明するための図である。
【図７】Ｓ／Ｎおよび空間分解能のカンチレバー温度依存性を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  プローブ
２  カンチレバー
３  圧電素子
４  カンチレバー保持部
５  熱電対
６  ヒータ
７  熱伝導部
８  冷媒部
９  冷却素子
１０  冷媒導入管
１１  測定試料
１２  試料台
１３  圧電素子部
１４  真空チャンバ
１５  真空ポンプ
１６  ガラス窓
１７  レーザ光源
１８  光学式位置センサ
１９  磁場
２０  電磁石
【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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