(57)【要約】【課題】測定の際に測定画像に対して悪影響を与える振動ノイズを低減し、よりよい測定画像を得ることができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】この走査型プローブ顕微鏡は、試料２３を保持する試料台１３と、試料台を載置する支持体１２と、試料の表面との間に生じる物理的作用を感受する探針２２と、物理的作用を信号として出力する測定ヘッド３０と、探針を試料の表面に対して走査させる駆動機構（ＸＹ軸の粗動機構１５，１６とＸＹ軸微動スキャナ３５）と、探針と試料の間の距離を変化させる駆動機構（Ｚ軸粗動機構１７とＺ軸微動スキャナ３４）を備え、試料台が、制振合金スペーサ１９を介して他の部材に接続・固定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を保持する試料台と、前記試料台を載置する支持体と、前記試料の表面との間に生じる物理的作用を感受する探針と、前記物理的作用を信号として出力する測定手段と、前記探針を前記試料の表面に対して走査させる駆動機構と、前記探針と前記試料の間の距離を変化させる駆動機構とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料台は、制振合金によって形成された部材を介して他の部材に接続・固定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
試料を保持する試料台と、前記試料台を載置する支持体と、前記試料の表面との間に生じる物理的作用を感受する探針と、前記物理的作用を信号として出力する測定手段と、前記探針を前記試料の表面に対して走査させる駆動機構と、前記探針と前記試料の間の距離を変化させる駆動機構とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針を含む測定ヘッドは、制振合金によって形成された部材を介して他の部材に接続・固定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
試料を保持する試料台と、前記試料台を載置する支持体と、前記試料の表面との間に生じる物理的作用を感受する探針と、前記物理的作用を信号として出力する測定手段と、前記探針を前記試料の表面に対して走査させる駆動機構と、前記探針と前記試料の間の距離を変化させる駆動機構とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
前記試料台は、制振合金によって形成された部材と高分子系制振材料によって形成された部材の両方とを介して他の部材に接続・固定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
試料を保持する試料台と、前記試料台を載置する支持体と、前記試料の表面との間に生じる物理的作用を感受する探針と、前記物理的作用を信号として出力する測定手段と、前記探針を前記試料の表面に対して走査させる駆動機構と、前記探針と前記試料の間の距離を変化させる駆動機構とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針を含む測定ヘッドは、制振合金によって形成された部材と高分子系制振材料によって形成された部材の両方を介して他の部材に接続・固定され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】
本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、探針を試料の表面で走査しながら探針と試料との間の物理的作用を感受することにより試料の表面状態を測定する際に振動の影響を排除するのに好適な走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学顕微鏡や走査電子顕微鏡に加えて、走査型プローブ顕微鏡が広く用いられている。走査型プローブ顕微鏡は、試料表面に探針を近づけた状態で探針を試料表面で走査し、試料と探針との間に作用する物理的作用（原子間力やトンネル電流など）による信号を検出することにより試料表面の微細構造を観察する。走査型プローブ顕微鏡は、比較的簡単な原理と構造でナノメートル以下の分解能をもつという特徴を有している。特に、走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡は、原理的に試料の性質（導電性など）を問わないこと、真空環境下、大気環境下、および液中での測定も可能なことから、幅広い分野において、試料の表面状態、表面形状の測定に用いられている。
【０００３】
一般に、走査型プローブ顕微鏡の検出分野能は、探針と試料の間の物理的作用による信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ比）で決まる。走査型プローブ顕微鏡で問題となるノイズには、電気ノイズや振動ノイズがあり、これらが測定結果に対して影響する。原子間力顕微鏡では、微小変位や力を検出するという計測の原理上、特に振動の影響を受けやすく、振動に対する対策が重要である。以下に、走査型プローブ顕微鏡での振動対策に関する従来技術を説明する。
【０００４】
例えば特許文献１では、外界からの振動の伝達を防止するため、顕微鏡本体を除振台上に載置し、さらに防音フードによって覆っている。通常の走査型プローブ顕微鏡はこれらを装備している。しかしながら、顕微鏡本体自体には、走査用の微動アクチュエータ、ステージ駆動用や光路調整用のモータなどの振動発生源があり、さらに本体や構成部品が固有の共振周波数をもつため、細部の構造についても振動対策が必要となる。
【０００５】
そこで特許文献２では、弾性体の除振部材を探針近傍に設置することにより、探針の振動を抑えた走査型プローブ顕微鏡の構造が開示されている。さらにステージの粗動に伴う振動に対して、特許文献３では、ステージ駆動に起因する振動が十分減衰した後、試料の測定に入るという方法をとっている。
【０００６】
さらに特許文献４は、原子間力顕微鏡を光学顕微鏡のステージの上に載せて使用する構成において、当該ステージの剛性が不十分で外部からの振動が原子間力顕微鏡に影響を与えるおそれのある場合に、当該外部振動を遮断する構成を開示する。この構成では、光学顕微鏡のステージに対して、その上に搭載される走査型プローブ顕微鏡用支持台を別途に用意する。測定対象である試料は走査型プローブ顕微鏡用支持台の上に置かれ、走査型プローブ顕微鏡本体の探針は当該支持台上の試料に臨む。光学顕微鏡のステージが剛性が足りず変形が生じたとしても、走査型プローブ顕微鏡用支持台は変形を生じないので、走査型プローブ顕微鏡本体による測定で外部の振動の影響を受けない。
【特許文献１】特開平１１−２７１３３５号公報
【特許文献２】特開平８−３３４５１９号公報
【特許文献３】特開２０００−２４１４３９号公報
【特許文献４】特開平９−１５２４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に振動を防止するには、特許文献２に開示されているようなゴムなどの弾性体での支持や、その他の高分子系の振動吸収材の使用が一定の効果がある。しかしながら、顕微鏡を構成する上で剛性が必要な部位には金属やセラミックなどの剛性の高い材料を用いざるをえない。このような場合、ゴム等を併用しても金属やセラミックを介しての振動の伝達が避けられない。また振動の周波数によっては、高分子系の振動吸収材では振動吸収効果が小さい場合もある。さらに高分子系材料は、温度や経時変化により振動吸収効果が変化することが大きな問題となる。
【０００８】
本発明の目的は、上記の問題に鑑み、測定の際に測定画像に対して悪影響を与える振動ノイズを低減し、よりよい測定画像を得ることができる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１０】
第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に対応）は、試料を保持する試料台と、試料台を載置する支持体と、試料の表面との間に生じる物理的作用を感受する探針と、物理的作用を信号として出力する測定手段（測定ヘッド）と、探針を試料の表面に対して走査させる駆動機構（ＸＹ軸の粗動機構とＸＹ軸の微動スキャナ）と、探針と試料の間の距離を変化させる駆動機構（Ｚ軸粗動機構とＺ軸微動スキャナ）を備え、試料台が、制振合金によって形成された部材を介して他の部材に接続・固定されることで特徴づけられる。
【００１１】
第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に対応）は、上記と同様な構成要素を備える走査型プローブ顕微鏡であって、探針を含む測定ヘッドが、制振合金によって形成された部材を介して他の部材に接続・固定されることで特徴づけられる。
【００１２】
第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に対応）は、上記と同様な構成要素を備える走査型プローブ顕微鏡であって、試料台が、制振合金によって形成された部材と高分子系制振材料によって形成された部材の両方とを介して他の部材に接続・固定されることで特徴づけられる。
【００１３】
第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に対応）は、上記と同様な構成要素を備える走査型プローブ顕微鏡であって、探針を含む測定ヘッドは、制振合金によって形成された部材と高分子系制振材料によって形成された部材の両方を介して他の部材に接続・固定されることで特徴づけられる。
【発明の効果】
【００１４】
上記のごとき本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡において、試料台の支持部や測定ヘッドの支持部における適切な所定箇所に制振合金を利用したスペーサを介設するようにしたため、測定装置の機械各部の位置関係を変えることなく、さらに測定装置の機械としての組付け精度を保つことでができ、その結果、従来では測定に際して問題となった振動ノイズを飛躍的に低減することができ、試料表面の微細形状や性質をより高い分解能で測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
本発明は走査型プローブ顕微鏡野全般に対して適用可能である。しかし、この実施形態では、説明の便宜を考慮して走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡の例に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、原子間力顕微鏡装置の一実施形態を示し、原子力顕微鏡装置の側面図を示す。台車１０の上に除振台１１が設置され、さらに除振台１１の上に定盤１２が固定される。定盤１２の上には試料台１３のＸＹＺ軸粗動機構１４が設けられる。このＸＹＺ軸粗動機構１４は、Ｘ軸粗動機構１５、Ｙ軸粗動機構１６、Ｚ軸粗動機構１７から構成される。Ｘ軸粗動機構１５はＸ軸粗動機構用モータ１５Ａにより駆動され、Ｙ軸粗動機構１６はＹ軸粗動機構用モータ１６Ａにより駆動され、Ｚ軸粗動機構１７はＺ軸粗動機構用モータ（図示せず）により駆動される。試料台１３は、制振合金スペーサ１９を介してＸＹＺ軸粗動機構１４に接続・固定されている。試料台１３は、カンチレバー２１の先端の探針（プローブ）２２が、試料２３の表面上の所望位置の上方に来るように、Ｘ軸粗動機構１５とＹ軸粗動機構１６により駆動される。
【００１８】
一方、測定ヘッド３０は、支持金具３１と制振合金スペーサ３２を介して、試料２３の上方位置において矩形アーチ状の支持部材３３に固定される。測定ヘッド３０は、さらに、上記のカンチレバー２１、Ｚ軸微動スキャナ３４、ＸＹ軸微動スキャナ３５、半導体レーザ３６、位置検出可能型光センサ３７を含む。測定ヘッド３０において、支持金具３１は支持部材３３に固定され、さらに支持部材３１の下端に上記制振合金スペーサ３２を介して、上記のカンチレバー２１やＺ軸微動スキャナ３４等を含む検出測定ユニットが取り付けられている。
【００１９】
原子間力顕微鏡は、カンチレバー２１の先端に設けられた探針２２と試料２３との間の物理的作用である原子間力を検出し、この原子間力が一定になるようにＺ軸微動スキャナ３４を伸縮させながら、ＸＹ軸微動スキャナ３５を動作させて試料２３を走査する。このときのＺ軸微動スキャナ３４の指令値、またはカンチレバー２１のＺ軸変位量の測定値が測定画像を作成するための信号となる。
【００２０】
探針２２と試料２３の間に作用する物理的量すなわち原子間力を測定する方法の一例として、光てこ方式の光学検出装置の基本的構成を図２に示す。図２に示すごとく、光てこ方式では、半導体レーザ３６から出射されたレーザ光Ｌ１を、ミラー３９Ａでシリコン等で作られた微小な梁であるカンチレバー２１の背面平坦部に照射し、その反射光Ｌ２をミラー３９Ｂで遠方のフォトダイオード等で作られた位置検出可能型光センサ３７に入射させて検出する。微小力によるカンチレバー２１のごく微小なたわみが、反射光Ｌ２のわずかな角度変化に反映され、その角度変化が遠方で拡大されて検出される。位置検出可能型光センサ３７としては、２分割フォトダイオードや４分割フォトダイオードがよく利用される。図２では４分割のフォトダイオード３７を示している。探針２２が試料２３に触れないときのレーザ光が４分割フォトダイオード３７の中心にくるように予め光路を調整しておくと、４分割のうちの上下のフォトダイオードの光出力の差（差信号）がカンチレバー２１の角度変化ひいては探針２２と試料２３の間の原子間力に比例する。従って前述のように、この差信号が一定になるようにＺ軸微動スキャナ３４を伸縮させながらＸＹ軸微動スキャナ３５を用いて試料２３を走査する。これにより、試料２３の表面形状が得られる。
【００２１】
ここで、図２には明確に図示されないが、レーザ光路（Ｌ１，Ｌ２）がカンチレバー２１の適切な位置を経由してフォトダイオード３７の中心に入射するように、半導体レーザ３６および位置検出可能型光センサ３７の位置を矢印３８Ａ，３８Ｂのごとく微調整する光軸調整機構が装備されている。なおレーザ光路を形成する要素として、上述のごとく適宜な場所にミラー３９Ａ，３９Ｂが設けられている。
【００２２】
上記のＸＹ軸微動スキャナ３５は、例えば図３に示すような形状および構造を有している。一般的に、レーザ加工により梁構造を形成した金属板４１にＸ軸用圧電アクチュエータ４２およびＹ軸用圧電アクチュエータ４３が内蔵されている。圧電アクチュエータ４２，４３の伸縮により中心のステージ部４４が微小距離駆動される。
【００２３】
また本実施形態ではＸＹ軸の微動アクチュエータが測定ヘッド３０の側に内蔵されているが、ＸＹ軸の微動アクチュエータを試料台１３の側に内蔵し、試料２３を微小距離移動させるようにしてもよい。
【００２４】
図１で示した構成において、試料台１３側の振動源となるのはＸＹＺ軸の粗動に伴う残存振動である。これに対しては、例えば前述した特許文献３（特開２０００−２４１４３９号公報）に開示されているように、待ち時間を設けて振動がおさまるのを待つのがもっとも確実であるが、反面、測定に要する時間が増加するという問題が提起される。さらに駆動は行わなくても励磁状態のモータの振動も無視できない。一方で、試料台１３は、水平度や測定ヘッド３０に対する位置関係が重要であるため、定盤１２のように弾性体によって浮かせることはできない。そこで本実施形態の場合には、前述のごとく制振合金スペーサ１９を介して試料台１３を支持している。
【００２５】
「制振合金」とは、金属でありながら振動を吸収する材料である。制振合金としては、古くからの材料としては鋳鉄や鉛などが知られている。
【００２６】
図４に、一例として、各種の制振合金の対数減衰率（縦軸）と引張り強度（ＭＰａ：横軸）との関係を示す。図４において、特に「Ｍ２０５２」という制振合金は、旧科学技術省金属材料技術研究所（現：独立行政法人  物質・材料研究機構）が開発した制振合金である。「Ｍ２０５２」は、マンガンをベースにした双晶型の制振合金に分類され、合金内部の双晶が外部からの振動エネルギを双晶の摩擦による熱に変換する。
【００２７】
「Ｍ２０５２」は振動に対して以下の特徴をもつ。
（１）優れた制振性能を有する。対数減衰率は通常の金属より１桁または２桁高い。
（２）振動の振幅依存性がない。
（３）振動吸収周波数範囲が広い。０．０１Ｈｚ〜数ＭＨｚの広い周波数範囲で制振効果がある。
（４）温度変化に強く、極低温でも制振効果がある。
（５）通常の金属なみに強度が高い。
（６）加工性が良好で、切削、鋳造、熱間、冷間加工、溶接、およびプレス加工などが可能である。
【００２８】
図４に示したように、制振合金は、通常の金属と同等の強度を持つため、位置精度の必要な支持部材として使用できる。図１に示したように、試料台１３とＸＹＺ軸粗動機構１４の間に、制振合金から成るスペーサ１９を設けることにより、装置の下側部分からの、例えばモータに起因する振動の試料２３に対する伝達を防止すると共に、試料台１３における粗動による残存振動を速やかに減衰させる。
【００２９】
図１に示した構成では、さらに測定ヘッド３０の支持部にも制振合金スペーサ３２を用いている。これにより、支持部材３３および支持金具３１を経由した振動が測定ヘッド３０の部分へ伝達することを防止する。
【００３０】
さらに振動を遮断するには、図３に示したＸＹ軸微動スキャナ３５そのものを制振合金で形成してもよい。
【００３１】
図５に、従来の原子間力顕微鏡装置において探針を試料に接触させた状態における差信号を周波数解析した結果を示す。図５で、横軸は周波数を示し、縦軸は減衰率を示す。図５で明かなように、上記の差信号には４００Ｈｚ付近のピークを最大に振動に起因する成分が多くみられる。これに対して、図６に、本実施形態に係る制振合金を用いた原子間力顕微鏡装置における同様な結果を示す。図６で明らかなように、本実施形態による上記原子間力顕微鏡装置によれば、依然として若干の４００Ｈｚ付近のピークは見られるが、全体として約２０ｄＢもピークが低減していることがわかる。
【００３２】
図７は、試料台１３とＺ軸粗動機構１７の間に制振合金スペーサ１９を設けたより具体的な構造を示す。試料台１３は、Ｚ軸粗動機構１７に対して、ワッシャ５１を取り付けたボルト５２で制振合金スペーサ１９を介して固定される。Ｚ軸粗動機構１７から試料台１３および試料２３への振動伝達のルートは、Ｚ軸粗動機構１７→制振合金スペーサ１９→試料台１３、またはＺ軸粗動機構１７→ボルト５２→ワッシャ５１→試料台１３となる。従って、これら両方の経路の途中に制振合金を用いることが望ましい。すなわち、上記のスペーサと、ボルトおよび／またはワッシャとを制振合金で形成することが望ましい。
【００３３】
図８は、図１に示した原子間力顕微鏡装置を構成する主要な部品の機械的な繋がりを示すブロック図である。図８において、図１に示した要素と同一の要素には同一の符号を付している。微動スキャナ（ＸＹ軸微動スキャナ３５、Ｚ軸微動スキャナ３４）や粗動機構（Ｘ軸粗動機構１５、Ｙ軸粗動機構１６、Ｚ軸粗動機構１７）、および光軸調整機構５５は振動源になるため、これから試料２３または探針２２に至る振動伝達経路に制振合金部材５６を用いることが有効である。さらに振動源に直接に制振合金部材を取り付けることにより振動を減衰させる効果が期待できる。
【００３４】
図９は、図１とは異なる他の構成に基づく原子間力顕微鏡における構成部品の機械的な繋がりを示すブロック図である。図９において、図１または図８に示した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。この例では、ＸＹ軸微動スキャナ３５が粗動ステージ（ＸＹＺ軸粗動機構１４）側に設けられる。
【００３５】
上記のような構成の利点は、複雑になりがちな測定ヘッド等のセンサ部の構造を簡単化できることである。反対に欠点は、高速性が要求される微動機構の上に試料が載ることになり、ＸＹ軸微動スキャナ３５の動特性が試料の影響を受けることになる。このような場合においても、図８に示した構成例の場合と同様に、センサ部側と試料側いずれに対しても振動が問題になることは変わりなく、制振合金部材を図９に示すような適切な場所に設置することにより、図１または図８に示した構成と同様に、測定に対する振動ノイズの影響を抑えることができる。
【００３６】
また、ゴムなどの高分子系の制振材料は、温度特性や経時安定性の点で課題はあるが、例えば低周波の大きい振幅の振動に対して効果が高いなどの特徴がある。そこで高分子系の制振材料と制振合金とを複合的に使用することにより、これらを単体で使用するよりも高い制振効果を発揮することができる。
【００３７】
図１０に、本発明の他の変形実施形態を示す。図１０に示した構成では、Ｚ軸粗動機構１７と試料台１３とを連結する上記のワッシャ５１とボルト５２に対して、Ｚ軸粗動機構１７と試料台１３との間に、リング状の制振合金スペーサ６１と、それよりも大きい径を有するリング状の高分子系制振材料スペーサ６２とを例えば同心円的に位置関係に配列して並列的に設けている。このような構造を用いれば、高分子系制振材料スペーサ６２が劣化などによって寸法の縮減が起こっても、制振合金スペーサ６１としての寸法を決めるので、試料台１３の高さに狂いが生じることがない。
【００３８】
なお本発明は、図１０に示した構造のみならず、本実施形態で説明した走査型プローブ顕微鏡において制振合金スペーサを介設した同じ箇所において、制振合金と高分子系制振材料を複合的に使用して振動を吸収・減衰させるあらゆる方法を含む。
【００３９】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡において外部振動が試料や探針に影響を与えるのを阻止する構成として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施形態である原子間力顕微鏡の装置外観を示す側面図である。
【図２】本実施形態に係る原子間力顕微鏡の光てこ式光学検出装置の基本的構成を示す構成図である。
【図３】本実施形態におけるＸＹ軸微動スキャナの外観を示す斜視図である。
【図４】各種の制振合金の対数減衰率（縦軸）と引張り強度（ＭＰａ：横軸）との関係を示すグラフである。
【図５】従来の原子間力顕微鏡装置において探針を試料に接触させた状態における差信号を周波数解析した結果を示す波形図である。
【図６】本実施形態に係る原子間力顕微鏡装置において探針を試料に接触させた状態における差信号を周波数解析した結果を示す波形図である。
【図７】本実施形態における試料台とＺ軸粗動機構の間に制振合金スペーサを設けたより具体的な構造を示す要部縦断面図である。
【図８】図１に示した原子間力顕微鏡装置を構成する主要な部品の機械的な繋がりを示すブロック図である。
【図９】変形実施形態に係る原子間力顕微鏡装置を構成する主要な部品の機械的な繋がりを示すブロック図である。
【図１０】本実施形態に係る原子間力顕微鏡の試料台の固定構造の一例を示す要部縦断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０          台車
１１          除振台
１２          定盤
１３          試料台
１４          ＸＹＺ軸粗動機構
１９          制振合金スペーサ
２１          カンチレバー
２２          探針
２３          試料
３０          測定ヘッド
３１          支持金具
３２          制振合金スペーサ
３３          支持部材
３６          半導体レーザ
３７          位置検出可能型光センサ
４１          金属板
４２          Ｘ軸用圧電アクチュエータ
４３          Ｙ軸用圧電アクチュエータ
４４          ステージ
【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】
2007218677.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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