(57)【要約】【課題】  探針と試料を測定領域に位置決めする際の探針破損を低減させ、探針先端形状に起因する分解能の変化を抑えて、適切でしかも安定な測定ができるプローブ顕微鏡を提供すること。【解決手段】  先端に粗動用探針２１を有した粗動用カンチレバー２３と、先端に測定用探針２２を有した測定用カンチレバー２４を構成したプローブ顕微鏡において、粗動用探針２２で試料測定領域に位置決めされた後に、粗動用探針２１と測定用探針２２の試料表面との距離を変更するカンチレバー変換手段で、一旦、粗動用探針２１を試料表面測定領域から離し、測定用探針２２に切り替えた後に、測定用探針２２を試料測定領域に位置決めして測定するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に探針を有したカンチレバーと、該カンチレバーと試料との距離を制御する粗動機構と微動機構とを含み、
前記探針を試料表面に接近または接触させて、前記試料表面の形状情報または物理情報を計測するプローブ顕微鏡であって、
前記カンチレバーは、測定用探針を有する測定用カンチレバーと、少なくても一つ以上の粗動用探針を有する粗動用カンチレバーと、からなり、
前記測定用探針と前記粗動用探針との前記試料表面に対する距離を制御するカンチレバー変換手段と、を含み、
前記粗動用探針が前記測定用探針より試料表面に接近するように突出した状態で前記粗動用カンチレバーの前記粗動用探針を試料表面に接近または接触させ、
前記カンチレバー変換手段で、前記測定用探針が前記粗動用探針より試料表面に接近するように突出させてから、前記測定用カンチレバーの測定用探針で前記試料表面を測定することを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載のプローブ顕微鏡において、
前記粗動用カンチレバーの前記粗動用探針を試料表面に接近または接触させた後に、
前記粗動機構または前記微動機構で前記粗動用カンチレバーを試料表面から離れる方向に移動させた後に、
前記カンチレバー変換手段で、前記測定用探針が前記粗動用探針より試料表面に接近するように突出させることを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１記載のプローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーと前記試料とを相対的に移動させる微動機構を含み、
前記カンチレバー変換手段で、前記測定用探針が前記粗動用探針より試料表面に接近するように突出させてから、前記前記微動機構で走査しながら前記測定用探針で前記試料表面を測定することを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載のプローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変換手段が、前記測定用カンチレバーと前記粗動用カンチレバーが設けられたカンチレバー基板上に、前記測定用カンチレバーや前記粗動用カンチレバーの長手方向に直行するカンチレバー基板の幅方向に対して、中心から外側にずらして設けられた圧電体からなることを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項４記載のプローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変換手段が、前記圧電体に変位拡大機構を付加したことを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１記載のプローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変換手段が、共振周波数が異なる前記測定用カンチレバーと前記粗動用カンチレバーであることを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１乃至６に記載のプローブ顕微鏡において、
前記測定用カンチレバーと前記粗動用カンチレバーが、自己検出型カンチレバーであることを特徴とするプローブ顕微鏡
【請求項８】
請求項１記載のプローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変換手段が、前記測定用カンチレバーと前記粗動用カンチレバーに少なくとも一方に熱抵抗体を備え、
前記熱抵抗体に電流を流して前記測定用カンチレバーまたは前記粗動用カンチレバーを反らすことを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項１記載のプローブ顕微鏡において、
粗動用探針の先端半径が測定用探針の先端半径より大きいことを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項１０】
探針を試料表面に接近または接触させて、前記試料表面の形状情報または物理情報を計測するプローブ顕微鏡の測定方法であって、
少なくても一つ以上の粗動用カンチレバーの先端に設けられた粗動用探針を試料表面に接近または接触させる工程と、
前記試料表面に対して前記測定用探針と前記粗動用探針と距離関係を制御するカンチレバー変換手段で、測定用カンチレバーの先端に設けられた測定用探針が前記粗動用探針より試料表面に接近するように突出させる工程と、
前記測定用カンチレバーの測定用探針で前記試料表面を測定する工程と、を含むプローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項１１】
請求項１０記載のプローブ顕微鏡の測定方法において、
前記粗動用カンチレバーの前記粗動用探針を試料表面に接近または接触させた後に、
前記粗動機構または前記微動機構で前記粗動用カンチレバーを試料表面から離れる方向に移動させる工程を加えたプローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項１２】
請求項１０記載のプローブ顕微鏡の測定方法において、
前記カンチレバー変換手段で、前記測定用探針が前記粗動用探針より試料表面に接近するように突出させる工程の後に、前記カンチレバーと前記試料とを相対的に移動させる微動機構で、前記測定用探針で前記試料表面を走査しながら測定するプローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項１３】
請求項１０記載のプローブ顕微鏡の測定方法において、
前記カンチレバー変換手段で前記測定用カンチレバーの先端に設けられた前記測定用探針が前記粗動用探針より試料表面に接近するように突出させる工程が、前記測定用カンチレバーと前記粗動用カンチレバーが設けられたカンチレバー基板上に、前記測定用カンチレバーや前記粗動用カンチレバーの長手方向に直行するカンチレバー基板の幅方向に対して、中心から外側にずらして設けられた圧電体を用いたことを特徴とするプローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項１４】
請求項１０記載のプローブ顕微鏡の測定方法において、
共振周波数が異なる前記測定用カンチレバーと前記粗動用カンチレバーと、前記測定用カンチレバーと前記粗動用カンチレバーを振動させる振動用圧電板を用いて、
粗動用カンチレバーの先端に設けられた粗動用探針を試料表面に接近または接触させる工程では、前記振動用圧電板により前記粗動用カンチレバーの共振周波数で振動させ、
測定用カンチレバーの先端に設けられた測定用探針が前記粗動用探針より試料表面に接近するように突出させる工程では、前記振動用圧電板により前記測定用カンチレバーの共振周波数で振動させることを特徴とするプローブ顕微鏡の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料表面の表面粗さや段差などの形状情報や、誘電率や粘弾性などの物理情報を測定するプローブ顕微鏡およびプローブ顕微鏡の測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細形状の評価としての形状測定として、原子分解能を有する、原子間力顕微鏡をはじめとする、プローブ顕微鏡が期待されている。プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）は走査トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＭ）の発明者であるＧ．Ｂｉｎｎｉｇらによって考案されて以来、新規な絶縁性物質の表面形状観察手段として期待され、研究が進められている。（例えば、非特許文献１を参照）
プローブ顕微鏡の原理は、先端を充分に鋭くした探針と試料間に働く物理力を、前記探針が取り付けられているばね要素の変位として測定し、前記ばね要素の変位量が一定に保つように前記試料表面を走査し、その前記ばね要素の変位量を一定に保つための制御信号を形状情報として、前記試料表面の形状を測定するものである。
【０００３】
ばね要素の変位検出手段としては光学的方式及び、バネ要素の変形ひずみを電気信号として検出する自己検出方式がある。
【０００４】
光学的方式にはいわゆる干渉法そのものを使った例（例えば、非特許文献２を参照。）や、レーザ光をばね要素に照射し、その反射光の位置ずれを光検出素子で検出して変位信号とする、光てこ方式と呼ばれる例（例えば、非特許文献３を参照。）が報告されており、プローブ顕微鏡の検出方式として、主に用いられている。
【０００５】
また、近年、先端に探針を設けたレバー部とそのレバー部を支持する支持部とが２つの屈曲部によって連結されて構成され、屈曲部をピエゾ抵抗体形成領域となし、２つのピエゾ抵抗体間において、カンチレバーの捩れにより生じる両屈曲部の変位差を示す抵抗値差を計測することでカンチレバーを制御する、自己検出方式が知られている。（例えば、特許文献１を参照。）
また、プローブ顕微鏡は、試料に対向する位置に配置された探針（プローブ）が試料から原子間力を受けるものならば原子間力顕微鏡と称され、磁気力ならば磁気力顕微鏡と称される様に試料から生じる様々な力を検出して試料の状態を観察できるものである。
【０００６】
プローブ顕微鏡の概略システム構成の一例として、図１０を用いて説明する。
【０００７】
測定対象の試料３は試料を三次元に移動させる微動機構４上に配置されている。微動機構４は、電圧を印加すると変形を生じる圧電素子が用いられ、試料３をこの試料と相対した位置に配置された探針１に対して微小な位置決めを行うものである。探針１はカンチレバー２と称する片持ち状の梁材の先端に構成されている。
【０００８】
一般的なカンチレバーの形状の一例を図１１に示す。カンチレバー基板２５に片持ち梁状のカンチレバー２が設けられ、カンチレバー２の先端に主に四角垂状で高さは１〜２μｍの微細な探針（プローブ）１が形成されている。そして、これらのカンチレバー基板２５やカンチレバー２や探針１はシリコンまたはシリコン系の材料からなり、異方性エッチング技術などを用いて一体ものとして加工されている。
【０００９】
カンチレバー２を有したカンチレバー基板２５は、カンチレバーホルダ１３に保持される。
【００１０】
また、微動機構４は試料３と探針１を３次元的に移動させるステージ等からなる粗動機構５上に構成されている。ここでは、粗動機構５は、ステッピングモータ駆動によるネジ送り機構が用いられている。
【００１１】
カンチレバー２側に探針１が試料表面から受ける原子間力等の物理量力により片持ち状の梁材の変形を検出する変位検出系６が構成されている。変位検出系６は、カンチレバー２の裏面に照射する半導体レーザ７と、その反射光を検出する４分割された光検出器８とから構成され、カンチレバー２の変位により光検出器に入射するする位置が変化することでカンチレバーの変位（たわみ変形）を検出する光てこ検出と呼ばれる方式が使用されている。
【００１２】
光検出器８の信号はアンプ９を介して、試料３と探針１のＺ軸（鉛直方向）距離を制御するＺ軸制御フィードバック回路１０に送られ、微動機構４を稼動させて、探針１と試料３のＺ軸位置関係が制御される。探針１と試料３の面内走査はＸＹ駆動回路１１からの信号により微動機構を走査して行われる。そして、Ｚ軸制御およびＸＹ駆動等はコンピュータおよび制御系１２により制御させる。
【００１３】
粗動機構５を用いてカンチレバー２の先端の探針１を試料３表面に近づけていく。そして、試料３表面から探針１が受ける原子間力や磁気力、粘弾性等の物理量力によるカンチレバー２の変形を変位検出系６で検出して、所定の変形に達したときに、測定領域に探針１が位置決めされたと判断して、粗動機構５を停止するとともに、試料側または、カンチレバー側に構成された試料３と探針１を相対的に移動させる微動機構４のＺ軸を制御して探針１と試料３表面距離を保つ、また、微動機構４のＺ軸を制御しつつ、粗動機構５を駆動させて、微動機構４のＺ軸の変位量を調整して、探針１と試料３表面の位置決めを行う。そして、カンチレバー２の変形値が一定になるように制御し、微動機構４を試料面内に対して走査しながら計測することで試料面内の形状や物性を視覚的に画像化していた。
【００１４】
従来のような、粗動機構５により探針１と試料３表面を近づける方法で、探針１が試料３表面から受ける原子間力等の何らかの物理量によりカンチレバー２の変形を検出して、粗動機構５を停止および微動機構４による探針１と試料３表面距離の制御を行う場合、探針１と試料３を近接させるにあたり、探針１と試料３の距離を光学顕微鏡等の手段で確認する方法や（例えば、特許文献２、３を参照。）、振動モードにおいて振動振幅量を変える方法が知られていた。（例えば、特許文献４を参照。）
ここで、粗動機構５は、ステップ送りであるステッピングモータを含むステージ等が用いられる。そのために、微動機構４の特にＺ軸（垂直方向）に対する追従応答性が十分速くない場合に、粗動動作状態によっては、探針１先端が試料３表面に接した後、微動機構４が探針１と試料３表面の距離を制御することがある。探針１が試料３に少しでも接した場合、探針１先端が変形して、探針１先端形状が分解能を左右するプローブ顕微鏡において、測定分解能が低下することがある。また、試料３表面が探針１よりやわらかい材料である場合は、試料３表面を破損させてしまう可能性が生じるという問題点があった。
【００１５】
また、粗動機構５の動作速度を遅くした場合は、探針１が接触する可能性は少なくなるが、探針１を試料３測定領域に位置決めするのに長時間がかかることになる。
【００１６】
また、微動機構４や他の移動機構を駆動して、試料測定領域に近づいているかを探りながら、粗動機構５を動作させる、いわゆる、尺取虫の動作を行い、探針を試料測定領域に位置決めする方法がある。（例えば、特許文献５、６、７を参照。）この方法においても、微動機構や他の移動機構を駆動した分、一気に粗動機構を動作させる方法であるが、微動機構や他の移動機構を駆動して探査する時間が生じてしまい、設定条件によっては、時間を要することになる。
【００１７】
そこで、探針１を試料３測定領域（たとえば原子間力）に探針破損させることなく、しかも、位置あわせに多くの時間を要せずに、位置決めして測定可能とするプローブ顕微鏡が求められている。
【非特許文献１】G. Binnig、 C.F. Quate and Ch. Gerber、 Atomic Force Microscope、 “Physical Review Letters”、American、 Physical Society、 1986、 Vol.56、 No.9、 p.931
【非特許文献２】R. Erlandsson、 G. M. McClelland、 C. M. Mate、 and S. Chiang、 Atomic force microscopy using optical interferometry、 “Journal of Vacuum Science Technology”、Mar/Apr 1988、 A6(2)、 pp. 266-270
【非特許文献３】S. Alexander、 L. Hellemans、 O. Marti、 J. Schneir、 V. Elings、 and P. K. Hansma、 Matt Longmire and John Gurley、 An atomic-resolution atomic-force microscope implemented using an optical lever、 “Journal of Applied Physics”、1989、 65(1)、 pp. 164-167
【特許文献１】特開２０００−１１１５６３号公報
【特許文献２】特開平５−１８７４３号公報
【特許文献３】特開平７−１９８７２９号公報
【特許文献４】特開２００５−１６４２７８号公報
【特許文献５】特許３１６９２２７号公報
【特許文献６】特開平１−１８６７４２号公報
【特許文献７】特開２００２−３７２４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記の問題点を解決し、測定時間が大きく増えることなく、探針を試料表面上の測定領域に位置決めができ、かつ測定する探針破損による探針先端形状に起因する分解能の変化を低減させ、安定的に高分解な測定ができるプローブ顕微鏡の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００２０】
本発明のプローブ顕微鏡は、探針を試料表面に接近または接触させて、試料表面の形状情報または物理情報を計測するプローブ顕微鏡であって、
先端に測定用探針を有する測定用カンチレバーと、少なくても一つの先端に粗動用探針を有する粗動用カンチレバーとを有し、
粗動用探針が測定用探針より試料表面に対しての距離を制御するカンチレバー変換手段と、
測定用探針が粗動用探針より試料表面に接近させた状態で測定用カンチレバーの測定用探針を試料表面に接近または接触させた状態で、試料表面を測定するようにした。
【００２１】
カンチレバーに構成された探針を試料測定領域（たとえば原子間力）に近づける、粗動時の探針と測定用の探針を構成し、粗動時の探針が試料測定領域に位置決めされた後、カンチレバーと試料間の距離を制御する手段により、一旦、粗動用探針を試料表面測定領域から離し、測定用の探針に切り替え、測定用探針を試料測定領域に位置決めする構成にした。
【発明の効果】
【００２２】
粗動用探針と測定用探針を構成し、粗動用探針にて試料測定領域に位置決めし、その後、測定用探針に切り替えることで、測定用探針の先端を破損することなく、しかも、従来の位置決め時間より遅くなること無く、試料測定表面に位置決めすることが可能になる。
【００２３】
これにより、測定用探針先端形状が測定前に変化することなく測定できることになるので、安定した測定分解能を得ることが可能となる。さらに、測定結果の再現性や安定性にもつながり、測定結果の信頼性が向上したプローブ顕微鏡を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係るプローブ顕微鏡の第一実施形態を、図１から図３を参照して説明する。尚、以下の実施形態では、図１０で説明したプローブ顕微鏡の概略システム構成と基本的には同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２５】
図１は、本発明に係る第一実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーの構成図である。
【００２６】
カンチレバー基板２５に粗動用カンチレバー２３と測定用カンチレバー２４が構成され、各カンチレバーの先端には粗動用探針２１と、測定用探針２２を有して、これらがシリコン系を材料として一体化されて形成されている。
【００２７】
図２は、本発明に係る第一実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーと試料測定表面との位置関係を示す正面図である。粗動時と計測時とで粗動用カンチレバー２３と測定用カンチレバー２４には、試料３表面に対して角度の差が生じさせ、粗動用探針２１と測定用探針２２の試料３測定表面との距離を変えている。
【００２８】
図３は、本発明に係る第一実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーホルダ部分を示す構成図の一例である。
【００２９】
粗動用カンチレバー２３と測定用カンチレバー２４を有したカンチレバー基板２５は、カンチレバーホルダ１３上に設けられた傾斜ブロック２６に固定バネ２７を用いて固定される。また、カンチレバーホルダ１３にはカンチレバーホルダの上方に配置された、光テコ機構を用いた変位検出系６のレーザ光を通すおよびカンチレバーを上方側から光学顕微鏡等で観察するための穴２８が設けられ、カンチレバーホルダ１３の両側面にある傾斜部２９がプローブ顕微鏡の本体に設置する時に、位置決めとして、プローブ顕微鏡の本体側に設けられたあり溝に差し込まれるようになっている。
【００３０】
また、カンチレバーホルダ１３には取り扱いしやすいように取っ手３０が構成されている。
【００３１】
そして、カンチレバーホルダ１３上に設けられた傾斜ブロック２６には傾斜機構３１が構成されている。この傾斜機構３１が、試料表面に対して測定用探針２２と前記粗動用探針２１と距離関係を制御するカンチレバー変換手段となっている。傾斜機構３１としては、積層型の圧電体を用いた。または、積層型の圧電体単体での変位量が十分でない場合は、圧電体を力点とし、カンチレバー取付部分を作用点とした、てこの機構を用いて、圧電体の少ない変位をカンチレバー取付部分で拡大する、いわゆる変位拡大機構を構成することでもよい。
【００３２】
傾斜機構３１の駆動は傾斜機構配線４８を介してプローブ顕微鏡の本体に配線され、制御機構（図示せず）により制御される。傾斜機構３１はカンチレバー基板２５の粗動用カンチレバー２３や測定用カンチレバー２４の長手方向に直行する方向に対して偏芯した位置に設けられ、傾斜機構３１を駆動させて、カンチレバー基板２５の片側への押し込み量を変えることにより、カンチレバー基板２５に捩れを生じさせ粗動用カンチレバー２３の粗動用探針２１と測定用カンチレバー２４の測定用探針２２の試料表面に対する姿勢を変えて、粗動用探針２１か測定用探針２２を選択して、どちらかを試料表面に対して突出させることができる。
【００３３】
また、粗動時に用いる粗動用探針２１の先端は測定用探針２２と異なり、分解能を要求されないため、比較的曲率半径を大きくし、粗動時に、試料と探針が接した場合でも、試料表面への単位面積あたりの接触圧を低くすることで、試料表面への傷を少なくするようにしている。
【００３４】
そして、このように構成されたカンチレバーを用いたプローブ顕微鏡において測定方法を以下に説明する。
【００３５】
まず、傾斜機構３１を駆動させて、粗動用探針２１側を測定用探針２２より試料３の表面に対して突出した（接近した）状態で、粗動機構５で粗動用探針２１と試料３との距離近づける粗動を行う。試料３表面から探針１が受ける原子間力や磁気力、粘弾性等の物理量力による粗動用カンチレバー２３の変形を変位検出系６で検出して、その変形が所定の値に達したときに、粗動機構５を停止するとともに、試料側に構成された試料３と粗動用探針２１を相対的に移動させる微動機構４のＺ軸を制御して粗動用探針２１と試料３表面距離を保つ、また、微動機構４はＺ軸方向の制御しつつ、粗動機構５を駆動させて、微動機構４のＺ軸の変位量を調整して、粗動用探針２１と試料３表面の位置を接近または接触させ所定の距離になるようにする。次に、一旦試料３と粗動用探針２１間の距離を離す方向に試料側に設けられた微動機構４を用いてＺ軸方向に移動させる。次に、傾斜機構３１を駆動させて、測定用探針２２が粗動用探針２１より試料３に接近するように突出させる。次に、微動機構４を用いて、さらに測定用探針２２と試料３表面間の距離を近づけて、測定用カンチレバー２４の変形が所定の値に達したら、その変形値が一定になるように制御し、微動機構４を試料面内に対して走査しながら計測することで試料面内の形状や物性を視覚的に画像化する。
【００３６】
これにより、測定用探針２２を試料３表面の測定領域に位置決めすることで、従来の粗動機構と粗動時間に大差なく、しかも、測定用探針の破損する確率を低減して、プローブ顕微鏡の測定が行うことができ、測定結果の安定を図ることができる。
【００３７】
尚、本実施形態において、一つの変位検出系６を用いて、粗動用カンチレバー２３と測定用カンチレバー２４の変動の検出を切り替えていたが、各々のカンチレバーの変動検出用として２つの変位検出系を設けてもよい。
【００３８】
また、粗動用探針を比較的先端半径の大きいものを用いて、試料表面と探針間の位置決めの際に、試料への単位面積あたりの圧力を低くすることで、試料へのダメ−ジを小さくすることができる。
【００３９】
尚、粗動用探針２１と試料３表面の位置を接近または接触させ所定の距離になった状態に制御しながら、この粗動用探針を用いて、微動機構４を試料面内に対して走査しながら計測することで試料面内の形状や物性を視覚的に画像化する試し測定をして、測定用探針２２を用いた測定前に測定領域、走査速度、制御条件等の測定条件出しを実施した後に、測定用探針で測定してもよい。このことで、測定用探針の破損をさらに低減することができる。
【００４０】
また、測定用探針２２に、金属膜をメッキ法やスパッタ法を用いて導電性膜を形成することで導電性をもたせることで、測定用探針２２により試料表面と電気測定が可能となり、測定用探針２２の表面に同様に磁性膜を形成することで磁気を持たせたものにすれば、磁気計測が可能になるような構成してもよい。
【００４１】
また、試料表面の形状計測に関しても、測定用探針２２に円筒状の探針を構成することで、深い形状を有した試料においても測定ができるようになる。
【００４２】
しかも、深い形状測定に向いているが衝撃には弱いとされているアスペクト比（長さと太さの比）が大きい測定用探針でも、粗動を粗動用探針で行なった後に、この測定用探針を試料表面に位置決めするために、試料表面へ比較的探針に衝撃を与えず位置決めできるので、アスペクト比が大きい測定用探針を破損する率が低減できることになる。
【００４３】
次に、本発明に係るプローブ顕微鏡装置の第二実施形態を、図４から図５を参照して説明する。
【００４４】
尚、第二実施形態において、第一実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００４５】
図４は、本発明に係る第二実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーの構成図である。
【００４６】
本実施例はカンチレバーの共振周波数付近で振動させて、試料表面からの原子間力等、物理量を受けることで、振動周波数や振動振幅量の変動を検出する、いわゆる、振動モードによる測定の例である。
【００４７】
先端に粗動用探針２１を有した粗動用カンチレバー２３と、先端に測定用探針２２に有した測定用カンチレバー２４は、カンチレバー基板２５に形成している。ここで、粗動用カンチレバー２３は共振周波数、約１３０ＫＨｚ、測定用カンチレバー２４は共振周波数、約３００ＫＨｚと共振周波数の異なるものを用いている。
【００４８】
図５は、本発明に係る第二実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーホルダ部分を示す構成図の一例である。
【００４９】
そして、このカンチレバー基板２５は、カンチレバーホルダ１３上に設けられた傾斜ブロック２６に固定バネ２７を用いて固定される。また、カンチレバーホルダ１３にはカンチレバーホルダの上方に配置された、光テコ機構を用いた変位検出系６のレーザ光を通すおよびカンチレバーを上方側から光学顕微鏡等で観察するための穴２８が設けられ、カンチレバーホルダ１３の両側面にある傾斜部２９がプローブ顕微鏡の本体に設置する時に、位置決めとして、プローブ顕微鏡の本体側に設けられたあり溝に差し込まれるようになっている。
【００５０】
傾斜ブロック２６とカンチレバーホルダ１３の間には粗動用カンチレバー２３と測定用カンチレバー２４を振動させるための圧電素子からなる振動用圧電板３２が構成されている。振動用圧電板３２は振動板配線４９を介して電源（図示せず）と配線され、振動用圧電板３２に制御電圧を印加する。
【００５１】
そして、このように構成されたカンチレバーを用いたプローブ顕微鏡において測定方法を以下に説明する。
【００５２】
まず、振動用圧電板３２が粗動用カンチレバー２３の共振周波数になるように制御電圧の印加により振動させ、それにより粗動用カンチレバー２３と測定用カンチレバー２４を振動させる。これにより、粗動用カンチレバー２３が測定用カンチレバー２４よりの振幅が大きい状態にする。この状態で、粗動機構５で粗動用探針２１と試料３との距離を近づける粗動を行い、試料３表面から探針１が受ける原子間力や磁気力、粘弾性等の物理量力による粗動用カンチレバー２３の変形を変位検出系６で検出して、その変形が所定の値に達したときに、粗動機構５を停止するとともに、試料側に構成された試料３と粗動用探針２１を相対的に移動させる微動機構４のＺ軸を制御して粗動用探針２１と試料３表面距離を保つ、また、微動機構４はＺ軸方向の制御をしつつ、粗動機構５を駆動させて、微動機構４のＺ軸の変位量を調整して、粗動用探針２１と試料３表面の位置を接近または接触させ所定の距離になるようにする。次に、一旦試料３と粗動用探針２１間の距離を離す方向に試料側に設けられた微動機構４を用いてＺ軸方向に移動させる。次に、次に振動用圧電板３２が測定用カンチレバー２４の共振周波数になるように制御電圧の印加により振動させ、それにより粗動用カンチレバー２３と測定用カンチレバー２４を振動させる。これにより、測定用カンチレバー２４が粗動用カンチレバー２３よりの振幅が大きい状態にする。これにより、測定用カンチレバー２４が粗動用カンチレバー２３よりの振幅が大きい状態にする。次に、この状態で、微動機構３のＺ軸を動作させて、さらに探針１と試料３表面間の距離を近づけて、変位検出系６で検出しながら測定用カンチレバー２４の変形が所定の値に達したら、その変形値が一定になるように制御し、微動機構４を試料面内に対して走査しながら計測することで試料面内の形状や物性を視覚的に画像化する。
【００５３】
このように、振動用圧電板３２の制御電圧を各々の共振周波数に変更することでカンチレバー変換手段としている。
【００５４】
次に、本発明に係るプローブ顕微鏡装置の第三実施形態を、図６から図７を参照して説明する。
【００５５】
なお、第三実施形態において、第一、二実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
本実施形態、はカンチレバーの変形を抵抗値の変化として検出する、いわゆる自己検出型カンチレバーを用いた。
【００５６】
自己検出型カンチレバーは、先端に探針を有するカンチレバーと先端に探針を有しないダミー用カンチレバーが形成され、各カンチレバーにはピエゾ素子からなる抵抗層が設けられ、探針を有するカンチレバーの変形に伴う抵抗値の変化を検出することで、探針と試料間に働いた物理量によるカンチレバーの変形を検出するものである。いわゆる、ひずみゲージに用いられているホイーストンブリッジ回路の原理である。
【００５７】
図６は、本発明に係る第三実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーの構成図である。
【００５８】
先端に粗動用探針２１を有した粗動用カンチレバー２３と先端に測定用探針２２に有した測定用カンチレバー２４、と先端に探針を有しないダミー抵抗４１は、カンチレバー基板４２に形成されている。さらに、粗動用カンチレバー２３上と測定用カンチレバー２４上にそれぞれ熱抵抗体４０が形成されている。カンチレバー基板４２は基板４３に貼り付けられ、モールド部４４でカンチレバー基板４２と基板４３間の自己検知信号配線４５が結線されている。
【００５９】
図７は、本発明に係る第三実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーホルダ部分を示す構成図の一例である。
【００６０】
この実施形態のカンチレバーを用いるプローブ顕微鏡は、第一実施形態などで説明したとプローブ顕微鏡とは、光てこ検出による変位検出系６が必要ない点を除き、同等の構成からなるものを用いる。
【００６１】
そして、この基板４３は、カンチレバーホルダ１３上に設けられたカンチレバーマウント４７に差し込むことで保持される。このとき、カンチレバーマウント４７内の接点と基板４３の接点電極４６とが接することで、カンチレバーホルダ１３に構成された配線５０を介して、プローブ顕微鏡から検出や制御がおこなわれる。
【００６２】
また、カンチレバーホルダ１３には、上方からカンチレバーの状態を光学顕微鏡等で観察するための穴２８が設けられ、プローブ顕微鏡本体に設置する時に位置決めるためのカンチレバーホルダ１３の傾斜部２９の両側が、プローブ顕微鏡側に設けられたあり溝に差し込むことで、カンチレバーホルダ１３が固定される。また、取り扱いしやすいように取手３０が構成されている
そして、このように構成されたカンチレバーを用いたプローブ顕微鏡において測定方法を以下に説明する。
【００６３】
まず、測定用カンチレバー２４の熱抵抗体４０に電流を流し、抵抗体で発生する熱により測定用カンチレバー２４を反らせて、粗動探針側２１が測定用探針２２より試料３に近い方向に突出するようにする。
【００６４】
この状態で、粗動機構５で粗動用探針２１と試料３との距離を近づける粗動を行い、試料３表面から探針１が受ける原子間力や磁気力、粘弾性等の物理量力による粗動用カンチレバー２３の変形を、粗動用カンチレバー２３に設けられたピエゾ素子（図示せず）の抵抗値の変化から検出して、その変形が所定の値に達したときに、粗動機構５を停止するとともに、試料側に構成された試料３と粗動用探針２１を相対的に移動させる微動機構４のＺ軸を制御して粗動用探針２１と試料３表面距離を保つ、また、微動機構４のＺ軸を制御しつつ、粗動機構５を駆動させて、微動機構４のＺ軸の変位量を調整して、粗動用探針２１と試料３表面の位置決めを行う。次に、試料側に設けられた微動機構４をＺ軸方向に移動させて一旦、試料３と粗動用探針２１間の距離を離す。次に、測定用カンチレバー２４の熱抵抗体４０に電流を止め、粗動用カンチレバー２３の熱抵抗体４０に電流を流し、測定用探針２２が粗動用探針２１より突出するようにする。この状態で、微動機構３のＺ軸を動作させて、さらに探針１と試料３表面間の距離を近づけて、測定用カンチレバー２４の変形を測定用カンチレバー２４に設けられたピエゾ素子（図示せず）の抵抗値の変化から検出しながら、その変形が所定の値に達したら、その変形値が一定になるように制御し、微動機構４を試料面内に対して走査しながら計測することで試料面内の形状や物性を視覚的に画像化する。
【００６５】
尚、本実施形態では電流を流すことでカンチレバーが試料から離れる方向に反らせたが、電流を流すことで試料に近づく方向に反らせてもよい。または、両方のカンチレバーに電流を流して、その電流量を制御することで探針の姿勢の差を生じさせてもよい。
【００６６】
このように、熱抵抗体に電流を流して熱によるカンチレバーが反ることを利用してカンチレバー変換手段としている。
【００６７】
次に、本発明に係るプローブ顕微鏡装置の第四実施形態を、図８から図９を参照して説明する。
【００６８】
なお、第四実施形態において、第一、二、三実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００６９】
図８は、本発明に係る第四実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーの構成図である。
【００７０】
本実施例は第三実施例で示した自己検出型カンチレバーにおいて、粗動用探針２１のついたカンチレバーと測定用探針２２がついたカンチレバーは共振周波数が異なる形状をしている。
【００７１】
カンチレバー２３、２４は図９に示すような、カンチレバー２３、２４を振動させるための圧電素子からなる振動用圧電板３２が構成されたカンチレバーホルダ１３を介して第三実施形態で説明したと同等なプローブ顕微鏡に取り付ける。
そして、粗動時には振動用圧電板３２を粗動用探針２１が構成されたカンチレバー２３の共振周波数で駆動して、粗動用カンチレバー２３を振動させ、粗動探針２１側を測定用探針２２側より振幅が大きい状態にして、第三実施形態のように粗動を行う。粗動が完了した後、微動機構４のＺ軸を動作させて一旦、試料３と粗動探針２１間の距離を離す。次に振動用圧電板３２を測定用探針２２が構成された測定用カンチレバー２４の共振周波数で駆動して、カンチレバーを振動させ、計測探針２２側を粗動用探針２１側より振幅が大きい状態にしてＺ軸を動作させて測定用探針２２を試料表面に位置決めして測定可能な状態にする。
【００７２】
このように、振動用圧電板３２の制御電圧を各々の共振周波数に変更することでカンチレバー変換手段としている。
【００７３】
尚、各実施形態において、試料側を三次元に走査する例を示しているが、探針側に微動機構４を設けたり、試料と探針の面内（二次元）位置あわせる機構（ステージ等）を探針側や、試料側に設ける等の構成もある。
【００７４】
尚、各実施形態において、一つの粗動用カンチレバーの場合を用いたが、複数の粗動用カンチレバーを設けてもよい。これにより、試料表面の傾きの影響を低減でき、測定用カンチレバーの破損の可能性をさらに低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第一実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーの概要を示す構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態のプローブ顕微鏡におけるカンチレバーの位置決めを示した状態図である。
【図３】本発明の第一実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーホルダ部分の概要を示す構成図である。
【図４】本発明の第二実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーの概要を示す構成図である。
【図５】本発明の第二実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーホルダ部分の概要を示す構成図である。
【図６】本発明の第三実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーの概要を示す構成図である。
【図７】本発明の第三実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーホルダ部分の概要を示す構成図である。
【図８】本発明の第四実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーの概要を示す構成図である。
【図９】本発明の第四実施形態のプローブ顕微鏡のカンチレバーホルダ部分の概要を示す構成図である。
【図１０】プローブ顕微鏡の概略システムを示す構成図である
【図１１】一般的なカンチレバー形状を示した構成図である。
【符号の説明】
【００７６】
１      探針
２      カンチレバー
３      試料
４      微動機構
５      粗動機構
６      変位検出系
７      レーザ
８      光検出器
９      アンプ
１０    Ｚ軸制御フィードバック回路
１１    ＸＹ駆動回路
１２    コンピュータおよび制御系
１３    カンチレバーホルダ
２１    粗動用探針
２２    測定用探針
２３    粗動用カンチレバー
２４    測定用カンチレバー
２５    カンチレバー基板
２６    傾斜ブロック
２７    固定バネ
２８    カンチレバーホルダの穴
２９    傾斜部
３０    取っ手
３１    傾斜機構（カンチレバー変換手段）
３２    振動用圧電板
４０    熱抵抗体（カンチレバー変換手段）
４１    ダミー抵抗
４２    カンチレバー基板
４３    基板
４４    モールド部
４５    自己検知信号配線
４６    接点電極
４７    カンチレバーマウント
４８    傾斜機構配線
４９    振動板配線
５０    配線
【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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【図８】
2007240238.tif 000010
【図９】
2007240238.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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