(57)【要約】【課題】表面状態の種々の相違、特に表面の疎水性あるいは親水性の差を観察することができる走査プローブ原子間力顕微鏡を用いた表面の観察方法を提供する。【解決手段】表面に疎水性または親水性が異なる部分を有する対象物を有機化合物で修飾されたカンチレバータイプの探針を有する走査プローブ原子間力顕微鏡を用いて水平力を測定することで対象物の表面を観察する。【選択図】図１
2007171006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に疎水性または親水性が異なる部分を有する対象物を有機化合物で修飾されたカンチレバータイプの探針を有する走査プローブ原子間力顕微鏡を用いて水平力を測定することで観察することを特徴とする対象物の表面の観察方法。
【請求項２】
走査プローブ原子間力顕微鏡が一般式  ＲnＳｉＸ4-n（式中、Ｒは一部の水素がアミノ基、メルカプト基、ヒドロキシ基、カルボキシル基で置換されても良い炭素数１−３０の炭化水素残基、Ｘは炭素数１−６のアルコキシ基またはハロゲン、ｎは１−３の整数）であらわされる有機化合物を用いて単分子膜を形成するように処理した探針を有するものである請求項１に記載の観察方法。
【請求項３】
予め、請求項１ないし２に記載の走査プローブ原子間力顕微鏡を用いて、疎水性および／または親水性が既知で異なる少なくとも２つの部分を有する標準試料を測定して得られた疎水性および／または親水性と水平力の関係を用いて表面の疎水性または親水性を評価することを特徴とする対象物の表面の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特殊な処理を施したカンチレバータイプの探針を有する走査プローブ原子間力顕微鏡を用いた表面の観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査プローブ原子間力顕微鏡は表面の状態を簡便にしかも高分解能で観察することが可能な優れた装置である。この顕微鏡を用いると観察する表面を染色するとか金属を蒸着することなくそのままの状態で観察できるので極めて有用である。中でも水平力を測定することにより表面の力学的相違を知ることができ、さらに画像処理することで表面の状態が簡単に理解できる。
【０００３】
一方、探針の材料として特定のものを選択したり、探針の表面を処理することなども知られており、探針の表面をシラン処理した後、アミノ基を付けさらに蛍光物質で処理することで高精度に位置付けることができるとした提案がある（特許文献１）。また、分子識別、化学親和力、または物理的性質を機械応答に変換するカンチレバーベイスのセンサーが知られており、チオールまたはシランを反応することにより機能化されたカンチレバーを用いて液体内でのセンサーとして用いることが開示されている（特許文献２）。しかしながら、前者は探針を機能化することを意図するものではないし、後者は液体内でのセンサーとしての利用であり固体表面の観察を意図するものではなく、また特定のシランを利用することを開示するものではない。一方、探針を有機化合物で処理する方法は公知である（特許文献３）が、導電性有機化合物を用いてトンネル電流を測定する目的であり、水平力の測定により表面の親水性とか疎水性を評価することを意図するものではない。更に、探針を高硬質ＤＬＣ膜で被覆する方法も公知である（特許文献４）が、これは酸化物やセラミック等の硬い試料表面を走査した場合の耐磨耗性能を向上させることが目的である。
【０００４】
上述のように表面の疎水性または親水性を有効に観察する方法は知られていない。
【特許文献１】特開２００２−３４０７７６号公報
【特許文献２】特表２００４−５０６８７２号公報
【特許文献３】特開平９−１３３６８９号公報
【特許文献４】特開２００１−２１４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、表面状態の種々の相違、特に表面の疎水性あるいは親水性の差を観察することができる走査プローブ原子間力顕微鏡を用いた表面の観察方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決する為に、鋭意検討したところ、特定のカンチレバータイプの探針を有する走査プローブ原子間力顕微鏡を用いて水平力を観察することで上記問題が解決できることを見出し本発明を完成した。
【０００７】
即ち本発明は、表面に疎水性または親水性が異なる部分を有する対象物を有機化合物で修飾されたカンチレバータイプの探針を有する走査プローブ原子間力顕微鏡を用いて水平力を測定することで観察することを特徴とする対象物の表面の観察方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の走査プローブ原子間力顕微鏡を用いた観察方法は、簡便に表面の状態、特に疎水性と親水性差を明瞭に観察することができ工業的に極めて価値がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明で用いられる走査プローブ原子間力顕微鏡とは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）、ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）等として知られる顕微鏡を含んだ広義の概念であり、カンチレバータイプの探針を持つものである。
【００１０】
カンチレバーの材質はシリコン、窒化珪素などがあげられ、更に金、アルミニウムなどがコーティングされたものでもよい。板バネのバネ定数は０．０８から２０Ｎ／ｍ程度のものが知られており適宜選択することができる。
【００１１】
探針を有機化合物で修飾する方法については公知であり先に示した特許文献３にもその例が開示されている。例えば、窒化珪素製カンチレバーの場合、探針部に真空紫外光を照射して洗浄することで、探針表面の汚染物質を除去し、次いで、洗浄された探針部を修飾するための有機化合物を必要に応じ溶剤で希釈した溶液として、カンチレバーとともに、耐圧分解容器に入れ、昇温して気相から昇華吸着させることによって均一な有機薄膜を形成させるのが一般的である。ここで有機化合物としては、探針上に単分子膜を形成して結合することができればよく特に制限はないが、一般式  ＲnＳｉＸ4-n（式中、Ｒは一部の水素がアミノ基、メルカプト基、ヒドロキシ基、カルボキシル基で置換されても良い炭素数１−３０の炭化水素残基、Ｘは炭素数１−６のアルコキシ基またはハロゲン、ｎは１−３の整数）であらわされる有機珪素化合物が好ましく利用できる。
【００１２】
得られたカンチレバーはそのまま用いることもできるが、必要に応じ有機化合物の官能基をさらに反応して用いることもできる。例えば、官能基としてメルカプト基を有するものは紫外線（例えば２５４ｎｍの紫外線を１０時間）を照射して酸化することによりスルホン酸基とすることができる。
【００１３】
このようにして作製されたカンチレバーを走査プローブ顕微鏡に取り付けて、測定の対象物である試料との間の水平力を測定することで、表面状態を観察することができる。測定に際しては試料及び探針上の表面吸着水の影響を避けるために、水中で行うこともできる。
【００１４】
即ち、走査プローブ顕微鏡測定用シャーレにミリポア水（超純水）をはり、その中に観察用試料を静置し試料に探針を接触し走査して観察することができる。水中では表面吸着水由来の表面張力が働かないため、純粋に試料と探針の官能基相互作用が観測される。
【００１５】
この相互作用の強弱から試料表面の化学的性質を調べることが出来る。
【００１６】
水中で測定する際に、アミノ基やスルホン酸基等の解離性の官能基の場合には、水の液性を制御することで解離を促進させてより強い相互作用を観測することもできる。ＰＨを３程度に低下させると、アミノ基とスルホン酸基がそれぞれ正と負に解離するため強い静電相互作用が観察される。
【００１７】
上記方法によって試料表面と探針との相互作用の力が測定でき、試料表面の性質を水平力によって現すことができる。水平力に相関する色あるいは明度を定めれば、表面の状態を色あるいは明度で表現することが可能となり表面の状態を可視化することができる。
【００１８】
本発明においては、標準試料の親水性、疎水性を他の評価尺度で測定した値と、上述の走査プローブ原子間力顕微鏡で測定された水平力の関係を利用することで、試料の親水性、疎水性を、本発明における方法で測定された水平力によって評価することもできる。
【００１９】
本発明で用いる標準試料を作成するには、カンチレバーに代えてシリコンウエハーに上記カンチレバーを修飾する方法を適用することで簡単に製造できる。そうして形成された標準試料にさらにクロムを蒸着して作製したフォトマスクラインパターンを介して真空紫外光照射して、シリコンウエハー上に有機化合物で被覆された部分とシリコンが露出した部分からなる試料とすることもできる。このシリコン露出部は、真空紫外光により水酸化されており極めて高い親水性を示す。この試料を修飾処理された探針で走査することによって、親水性シリコンと固定された有機官能基の相互作用を測定することができる。
【００２０】
さらに、シリコンが露出した部分を別の性質を有する有機化合物で修飾して特定の特性を交互に有する試料とすることもできる。
【実施例】
【００２１】
以下に実施の態様について一例を示し本発明についてさらに説明する。
【００２２】
装置；バネ定数０．１Ｎ／ｍの窒化珪素製のカンチレバーを装着したエスアイアイ・ナノテクノロジー(株)製ＳＰＡ４００を用いた。
【００２３】
探針の修飾；Ｎ−２−(アミノエチル)−３−アミノプロピルトリメトキシシラン（化合物１）、ｎ−オクチルトリメトキシシラン（化合物２）をそれぞれ用いて化学気相吸着法により探針の先端に単分子膜を固定した。即ち、上記化合物をそれぞれトルエンに８倍に希釈し、テフロン製の耐圧容器に探針と別の容器に入れたトルエン溶液を入れ３９３Ｋで２時間処理し固定した。
【００２４】
標準試料の製造；疎水性の膜として化合物２（標準試料２）、親水性の膜として化合物１（標準試料１）を用いて水酸化処理した（１７２ｎｍの光を５０Ｐａの真空下で１０分間照射）表面を有するウエハーに周知の方法で単分子膜を形成して固定した。
【００２５】
上記標準試料に幅２μｍ間隔４μｍのファトマスクラインパターンを介して真空紫外光を照射して（１７２ｎｍの光を３×１０3Ｐａの真空下で３０分間照射）、幅２μｍの未処理の領域と幅４μｍの親水性シリコンの領域からなる試料（それぞれ試料１、２）を作製した。
【００２６】
上記標準試料について水滴を用いた接触角の測定を行ったところ標準試料１（化合物１）で１０°、標準試料２（化合物２）で１０１°、真空紫外照射後のシリコンウエハーで２°以下であった。接触角測定には２９６Ｋ、５０％の恒温恒湿室内で行った。
【００２７】
水平力はエスアイアイ・ナノテクノロジー社製ＳＰＡ４００を用いて測定した。
【００２８】
化合物２でアルキル化した探針で、標準試料１と標準試料２をそれぞれ水平力測定した値は平均２．４ｎＮと４．５ｎＮであり、水滴を用いて測定した接触角と相関する水平力が定まる。
【００２９】
（実施例１）
上記装置を用い、はじめに、化合物２を固定した端針を用いて、標準試料２にフォトマスクを介して真空紫外線を３０分間照射することで作成したアルキル基を有する部分と親水性シリコンからなる部分を有する試料２を上記修飾された探針で水平力を測定した例を図１に示す。アルキル基の部分が親水性シリコンの部分よりも水平力が大きく観測され明るく観察されている。処理されたウエハー表面の各部の疎水性、親水性を観察することができた。
【００３０】
（実施例２）
化合物１を固定した探針を用いて、標準試料１にフォトマスクを介して真空紫外線を３０分間照射することでアミノ基を有する部分と親水性シリコンからなる部分を有する試料１を測定した例を図２に示す。アミノ基の部分が親水性シリコンの部分よりも水平力が大きく観測され明るく観察されている。処理されたウエハー表面の各部の疎水性、親水性を示すことができた。
【００３１】
（比較例１）
処理しない探針を用いて試料１を測定した結果を図４に示す。表面のコントラストが明確でない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１の表面の観察結果を表す図面である。水平力の出力を下方に示すような関係で示される濃淡で表している。
【図２】実施例２の表面の観察結果を表す図面である。図１と同様に水平力の出力を濃淡で表している。
【図３】実施例２の表面の観察結果を表す図面であり、操作距離と水平力の関係を示している。
【図４】比較例１の表面の観察結果を表す図面である。図１と同様に水平力の出力を濃淡で表している。
【符号の説明】
【００３３】
１    アルキル基部分
２    水酸化したシリコン部分
３    アミノ基部分
４    水平力と濃淡の関係を示したもの
【図３】
2007171006.tif 000003
【図１】
2007171006.tif 000004
【図２】
2007171006.tif 000005
【図４】
2007171006.tif 000006