(57)【要約】【課題】  走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバーを高速に移動させてもずれることがないようにカンチレバーを固定でき、かつカンチレバーをカンチレバー保持台に簡単に固定または外すことができるようにすること。【解決手段】  先端に探針８を有するカンチレバー４を固定するカンチレバー保持台１と、カンチレバー保持台１にカンチレバー４の片面を密着させ、カンチレバー４の逆面と押え板２とを低融点金属３を用いてカンチレバー４を固定するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由端に先鋭化した探針を有するカンチレバーと、
該カンチレバーを固定するカンチレバー保持台と、
前記カンチレバーをサンプルに対して相対的に移動させる移動機構と、を具備し
前記探針をサンプル表面に近接又は接触させて、サンプルの表面形状情報又は物理情報を計測する走査型プローブ顕微鏡において、
カンチレバー保持台に前記カンチレバーの片面が接し、前記カンチレバーの逆面側に設けられた押え板により、前記カンチレバーと押さえ板の間に設けられた低融点金属を介して前記カンチレバーを固定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記押え板に凹部または凸部を設けることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記低融点金属が、ガリウム及びガリウム合金、ビスマス及びビスマス合金や、ガリウムとビスマスとの合金であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、
該カンチレバー保持台は、前記低融点金属との濡れ性の低い物質からなることを特徴とするカンチレバー保持機構を有する走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、
該押え板の素材は、前記低融点金属との濡れ性が高い物質からなる、あるいは該濡れ性が高い物質で該押え板表面をコーティングすることを特徴とするカンチレバー保持機構を有する走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項５記載の走査型プローブ顕微鏡において、
該押え板の表面で前記カンチレバー側以外の面は、前記低融点金属との濡れ性の低い物質からなること特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記押え板に加熱源を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記押え板に温度測定器を設けた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、先端に探針を備えたカンチレバーを用いて、サンプル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計測する走査型プローブ顕微鏡に関する。特に、カンチレバーを移動してサンプルとカンチレバーの相対位置を制御するカンチレバー駆動方式の走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡とは、自由端に先鋭化した探針を有するカンチレバーと、カンチレバーとサンプル（被測定物）の相対位置を移動させるピエゾ素子などからなる移動機構を備えており、探針先端とサンプルとの間に働く相互作用によるカンチレバーの自由端の変位を検出しながら、探針をサンプル表面に沿ってＸＹ方向（サンプル表面に水平な面方向）に走査し、サンプルの表面形状や物性などの情報を３次元的に測定する装置である。
【０００３】
カンチレバーとサンプルの相対位置を移動させる方法には、サンプルをＸＹＺ方向に移動させる方法や、カンチレバーをＸＹＺ方向に移動させる方法、あるいは一方をＸＹ方向に移動しもう一方をＺ方向に移動させる方法、両方を移動させる方法などがあり、特にサンプルの質量が大きいものではカンチレバーを移動させるカンチレバー駆動方式が主に使用されている。カンチレバー駆動方式では、ピエゾ素子などからなる移動機構にカンチレバー保持台を設け、そこにカンチレバーを固定している。
【０００４】
従来の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー固定方法としては、カンチレバー保持機構部分の構成概要図である図４に示すように、先端に探針８を有するカンチレバー４を板バネ２０でカンチレバー保持台１に押さえつけて固定する方法や、バネで引っ張られたワイヤーで固定する方法（例えば、特許文献１を参照）などがある。
【０００５】
上記の様に、従来の走査型プローブ顕微鏡においてカンチレバー４を保持するためにバネを使用する理由は、走査型プローブ顕微鏡においてカンチレバー４は頻繁に交換する消耗品であり、簡単に取り付け取り外しができることが要求されるからである。
【０００６】
しかしながら、カンチレバー４を移動することでサンプルＡとカンチレバー４の相対位置を制御するカンチレバー駆動方式を採用した走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバー４を高速で移動させる場合にカンチレバー保持台１に固定されたカンチレバー４がずれてしまう問題があった。
【０００７】
これは、バネを利用してカンチレバー４を固定しているため、バネの共振周波数によって決まるバネが追従できる速度の限界を超えてカンチレバー４を高速で移動する場合にバネで押えられなくなるからであるといわれている。
【０００８】
また、図４に示した板バネ２０を使用した方法では、板バネ２０が塑性変形してしまう場合があり、そのような場合に板バネ２０を一旦外して元の形状に戻すことができなければならないため、板バネ２０を接着せず図４に示したようにネジ２１で固定する構造が用いられるが、カンチレバー駆動方式の走査型プローブ顕微鏡においては、特に高速で駆動するためには、被駆動部の質量を軽量化することが要求され、ネジ２１で固定する構造ではカンチレバー保持機構１０の重量が重くなり、カンチレバーの移動の妨げになるという問題がある。
【０００９】
また、カンチレバー４の固定を高めるために、接着剤を用いてカンチレバー４をカンチレバー保持台１に固定する方法がある。この方法では、カンチレバー４がカンチレバー保持台１からずれるという問題は起きないが、接着剤が完全に硬化するまで測定できない点と、一度カンチレバー４を取り付けると取り外すことが困難であるという点から、カンチレバー４の付け外しに不便である問題がるので、一般に使用されることは少ない。
【特許文献１】特開２００３−１２１３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決し、カンチレバーを高速で移動する場合においても、カンチレバーがカンチレバー保持台からずれない固定力を持ち、且つカンチレバーの交換が簡単なカンチレバー保持機構を有する走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決するために、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、自由端に先鋭化した探針を有するカンチレバーを固定するカンチレバー保持台と、カンチレバーをサンプルに対して相対的に移動させる移動機構を有し、探針をサンプル表面に近接又は接触させて、サンプルの表面形状情報又は物理情報を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバー保持台にカンチレバーの片面を密着させ、カンチレバーの逆面と押え板とを低融点金属を用いて固定するようにした。
【００１２】
低融点金属は、ガリウムやビスマス、あるいはそれらの合金であり、温度変化により液体から固体に変化するときに体積が膨張する性質を持つ物質である。
【００１３】
押さえ板上の低融点金属を加熱により溶解した状態でカンチレバーを配置し、その後冷却して固体に戻すことでカンチレバーを固定するようにした。
【００１４】
カンチレバー保持台は、セラミックやガラスあるいは耐熱性の樹脂のような低融点金属が付着しない物質からなるようにした。
【００１５】
押え板は銅や真鍮などの低融点金属と濡れ性が高い物質からなり、カンチレバー側の面を除きエナメル樹脂等の低融点金属と濡れ性が低い物質で被覆するようにした。
【００１６】
押え板のカンチレバー側に凹部や凸部、または溝などを設けるようにした。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、低融点金属を用いてカンチレバーを固定することにより以下の効果を奏する。
【００１８】
第一に、カンチレバーを高速で移動する場合においても、カンチレバーがカンチレバー保持台からずれない固定力を持つことができるようになる。
【００１９】
第二に、簡単にカンチレバーの交換することができ、かつカンチレバーや押え板などを繰り返し使用することもできるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明のプローブ顕微鏡の第１実施形態について図１および図２を参照して説明する。
【００２１】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー保持機構１０は、図１に示すように、自由端に先鋭化した探針８を有するカンチレバー４と、カンチレバー４を保持するカンチレバー保持台１と、カンチレバー４に対してカンチレバー保持台１の逆側に押さえ板２が設けられている。そして、カンチレバー保持台１のカンチレバー４が取り付けられる面である傾斜面と、押さえ板２のカンチレバー４が取り付けられる側の隙間（距離）が、カンチレバー４の固定部の厚さ以上になるようにしてある。押え板２とカンチレバー４との間に塗布した低融点金属３が設けられている。
【００２２】
本実施形態では、カンチレバー４の取り付けは、押え板２に加熱源としてヒーター７を設け、ヒーター７で低融点金属３を加熱することで溶解し、溶解した状態でカンチレバー４をカンチレバー保持台１の傾斜面に沿って隙間に差し込み、その後加熱を止めて低融点金属３を冷やして再び固体に戻すことでカンチレバー４を固定させる。
【００２３】
これは、低融点金属３には液体状態から固体状態になる際に体積が増加する性質があるので、カンチレバー４は緩み無くカンチレバー保持台１に押し付けられ固定することができる。
【００２４】
また、カンチレバー４を取り外す際は再び押え板２にヒーター７で加熱して低融点金属３を溶かした状態にして、カンチレバー４を隙間から抜き取るようにする。
【００２５】
このとき、押え板２に温度測定器として熱電対６を設け、ヒーター７の出力との間にフィードバック回路（図示せず）を取り付け、押え板２の温度を測定してヒーター７の出力を調整して温度調節をできるようにしている。
【００２６】
尚、本実施形態ではシリコン基板で作製されたカンチレバー４を用い、シリコンと低融点金属３とは濡れ性が悪く、かつカンチレバー４のシリコン表面が鏡面になっている。そのために、カンチレバー４を取り外す時にカンチレバー４に低融点金属３が付着することを防ぐことができる。
【００２７】
もし、付着してしまった場合は、押え板２に塗られた低融点金属３が減少し、次回のカンチレバー４を取り付けるときにカンチレバー４をカンチレバー保持台１に充分に押さえつけることができなくなる恐れがあるので、低融点金属３を補うようにする。
【００２８】
また、カンチレバー４の取り付けあるいは取り外しの際に、低融点金属３がカンチレバー保持台１に付着して、カンチレバー４の取付け角度が変化することを防ぐために、カンチレバー保持台１は、低融点金属３との濡れ性が低いセラミック等の物質を使用し、低融点金属３がカンチレバー保持台１に付着しないように防止している。尚、カンチレバー保持台１の表面にエナメル樹脂等の低融点金属３との濡れ性が低い物質でコーティングしてもよい。
【００２９】
また、押え板２から低融点金属３が外れることを防止するために、押え板２の素材として銅や真鍮等の低融点金属３との濡れ性が高い物質で製作したり、あるいはそれらの物質で押え板２の表面をスパッタ法などでコーティングする。
【００３０】
また、押え板２の隙間側に塗られた低融点金属３が押え板２の反対側のサンプル側の面に付着した場合、カンチレバー４を固定するために使われる低融点金属３が減少することになるのみならず、カンチレバー４をサンプルに接近させる際に、押え板２のサンプル側に付着した低融点金属３がサンプルに接触して測定の妨げになる可能性があるため、押え板２のカンチレバー側の面の低融点金属３を塗布する部分を除いてエナメル樹脂等の低融点金属３との濡れ性の低い物質でコーティングする。
【００３１】
尚、本実施形態では押え板２にヒーター７を設けて、ヒーター７で低融点金属３を加熱することで溶解する構造にしたが、押え板２に半田ごてや赤外線ヒーターなどで外部から加熱源を当てて加熱することで低融点金属３を溶解してもよい。
【００３２】
尚、本実施形態では熱電対６で温度測定しているが、赤外線温度計で押え板２の温度を測定してもよい。
【００３３】
このカンチレバー保持機構１０を備えた走査型プローブ顕微鏡のブロック図を図２に示す。
【００３４】
カンチレバー保持機構１０は、ヒーター７などの加熱源の熱が他の構成要素に伝わらないように断熱部１１を介して、カンチレバーを移動させるための移動機構９に固定されている。
【００３５】
移動機構９には、カンチレバー４の変位を検出するためのレーザ光を照射するためのレーザ光源１３と２分割あるいは４分割されたフォトディテクタからなるカンチレバー変位検出素子１２が固定されている。
【００３６】
レーザ光源１３から照射されたレーザ光がカンチレバー４の裏面で反射され、カンチレバー変位検出素子１２で受光される。そして、各フォトディテクタで受光したレーザ光の光量を電流信号に変換して、カンチレバー変位検出素子１２に接続された変位検出部１４に出力する。変位検出部１４では、各フォトディテクタからの電気信号の差分からカンチレバーの変位量を測定し、測定した変位量の信号を制御部１５に送る。
【００３７】
次に、制御部１５では、カンチレバー４の変位に応じてカンチレバーの位置を制御するための信号を移動機構駆動部１６に送り、移動機構駆動部１６から移動機構９を駆動するための出力電圧が移動機構９に出力される。
【００３８】
このとき同時に、移動機構９を駆動するための出力電圧をイメージデータ生成部１７に送り、イメージデータ生成部１７では逐一送られてくる出力電圧を基づいてサンプル保持台１９に設置されたサンプルＡの表面形状を反映したモニター画像を生成し表示部１８で表示する。
【００３９】
また、本発明のカンチレバー保持機構部分の第２実施形態として、図３に示すように押え板２のカンチレバー側に窪みや凹部を設けてもよい。これにより、低融点金属３を押え板２に保持しやすくなり、外部への流出を防ぎ効率的にカンチレバーの固定できるようになる。
【００４０】
尚、本実施形態では低融点金属として、ガリウム及びガリウム合金、ビスマス及びビスマス合金や、ガリウムとビスマスとの合金を用いたが、温度変化により液体から固体になるときに体積が膨張し、かつ融点が室温以上でカンチレバー移動機構に利用されるピエゾ素子のキュリー点以下である物質であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー保持機構部分の構成を示す概要図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る第２実施形態の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー保持機構部分の構成を示す概要図である。
【図４】従来の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー保持機構部分の構成を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  カンチレバー保持台
２  押え板
３  低融点金属
４  カンチレバー
５  エナメル被膜
６  熱電対（温度測定器）
７  ヒーター（加熱源）
８  探針
９  移動機構
１０  カンチレバー保持機構
１１  断熱部
１２  カンチレバー変位検出素子
１３  レーザ光源
１４  カンチレバー変位検出部
１５  制御部
１６  移動機構駆動部
１７  イメージデータ生成部
１８  表示部
１９  サンプル保持台
２０  板バネ
２１  板バネ固定用ネジ
Ａ  サンプル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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