(57)【要約】【課題】試料固定用として従来使用していた基板による悪影響を無くし、高い空間自由度で試料の三次元立体画像を取得できる試料保持・走査機構、この試料保持・走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及び試料保持・走査機構で用いる保持部の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の試料保持・走査機構1は、XYZ直交座標系におけるX軸方向に沿って対向配置した2つの保持部11,12で構成されるX軸方向保持部組10と、前記2つの保持部それぞれを少なくともX軸回りに回転させる2つの駆動機構20とを備えており、前記2つの保持部それぞれを試料Sの両端部に固着することを特徴とする。試料の両端を保持部で保持するので、従来のように試料を基板に載せる場合の立体形状が崩れてしまうという諸問題を本発明では解消でき、基板の影響を受けずに高い空間自由度で現実の立体形状により近い状態で三次元立体画像を取得できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
XYZ直交座標系におけるX軸方向に沿って対向配置した2つの保持部で構成されるX軸方向保持部組と、前記2つの保持部それぞれを少なくともX軸回りに回転させる2つの駆動機構とを備えており、
前記2つの保持部それぞれを試料の両端部に固着することを特徴とする試料保持・走査機構。
【請求項２】
前記2つの駆動機構が、前記2つの保持部それぞれをXYZ軸方向に移動させることを特徴とする請求項1に記載の試料保持・走査機構。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の試料保持・走査機構と、前記試料を三次元走査する探針と、当該探針で取得した画像を合成することで前記試料の三次元立体画像を得る画像合成手段を備え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又は2に記載の試料保持・走査機構に用いる保持部の製造方法において、
保持部材料となる柱状部材の両端を前記駆動機構に固定するステップと、
当該柱状部材の両端から長手方向の中央に向かって断面積が小さくなるようにテーパー加工を施すステップと、
前記断面積の最小位置において柱状部材を2つに切り離すことで、前記対向配置した2つの保持部を製造するステップを備えることを特徴とする保持部の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料固定用として従来使用していた基板による悪影響を無くし、高い空間自由度で試料の三次元立体画像を取得できる試料保持・走査機構、この試料保持・走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及び試料保持・走査機構で用いる保持部の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（SPM）を用いて各種試料の構造解析が行われている。
走査型プローブ顕微鏡は探針を試料に対して相対的に走査させて試料の形状や性状等の情報を得る装置の総称であり、例えば原子間力顕微鏡（AFM）は、探針をその自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、探針と試料とを相対的に走査するスキャナとを備えている。
そして、スキャナによって基板上の試料に対して探針を相対的にXY方向（基板の水平方向）に走査しながら、光学式変位センサーの出力を一定に保つように探針のZ方向（基板の垂直方向）の位置を制御し、これをマッピングすることによって、試料表面の画像を得る仕組みになっている。
近年、試料の三次元立体画像を取得することを目的とした走査型プローブ顕微鏡の開発が進められており、例えば、平坦基板上に固定した立体試料に対し、一本の探針を基板面に対して順方向と逆方向の2方向に傾斜させてそれぞれ画像を取得し、これら2枚の画像と、探針を傾斜させずに取得した画像の計3枚の画像を合成処理して立体画像を構築する手法が知られている(非特許文献1及び2)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】“New three-dimensional AFM for CD measurement and sidewall characterization”, Proc. SPIE 7971, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXV, 797118 (April 20, 2011)
【非特許文献２】“Three-dimensional imaging of undercut and sidewall structures by atomic force microscopy”, Review of Scientific Instruments Volume 82, Issue 2, 023707 (February 2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上述したような試料の三次元立体画像を取得するための従来手法では以下のような問題があった。
すなわち、試料が柔らかい場合、平坦基板上に固定した試料は基板からの引力等の強い作用を受けて平面方向に広がってしまい、立体形状が崩れてしまうという問題があった。
また、基板の表面側しか走査できないため、試料と基板との接触面積が大きい場合には、当該接触箇所の画像を得ることができないという問題もあった。
このように、従来手法では画像取得時の空間自由度が基板の存在により大きく制限されてしまうという問題があった。
また、従来手法では試料に引張、圧縮、ねじれ、剪断等の外力を加えた状態で画像を取得することが困難であり、そうした外力付加に対する機械(電気・化学)的諸特性の変化を三次元立体画像化することが難しいという問題もあった。
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑み、試料固定用として従来使用していた基板による悪影響を無くし、高い空間自由度で試料の三次元立体画像を取得できる試料保持・走査機構、この試料保持・走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及び試料保持・走査機構で用いる保持部の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の試料保持・走査機構は、XYZ直交座標系におけるX軸方向に沿って対向配置した2つの保持部で構成されるX軸方向保持部組と、前記2つの保持部それぞれを少なくともX軸回りに回転させる2つの駆動機構とを備えており、前記2つの保持部それぞれを試料の両端部に固着することを特徴とする。
また、前記2つの駆動機構が、前記2つの保持部それぞれをXYZ軸方向に移動させることを特徴とする。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記試料保持・走査機構と、前記試料を三次元走査する探針と、当該探針で取得した画像を合成することで前記試料の三次元立体画像を得る画像合成手段を備えることを特徴とする。
本発明の保持部の製造方法は、上記試料保持・走査機構に用いる保持部の製造方法において、保持部材料となる柱状部材の両端を前記駆動機構に固定するステップと、当該柱状部材の両端から長手方向の中央に向かって断面積が小さくなるようにテーパー加工を施すステップと、前記断面積の最小位置において柱状部材を2つに切り離すことで、前記対向配置した2つの保持部を製造するステップを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の試料保持・走査機構は試料の両端を保持部で保持するので、試料が空中に浮いた状態になる。従来のように試料を基板に載せる場合の立体形状が崩れてしまうという諸問題を本発明では解消でき、基板の影響を受けずに高い空間自由度で現実の立体形状により近い状態で三次元立体画像を取得できる。
また、保持部を試料の両端に固着し、保持部をX軸回りやXYZ軸方向に回転・移動させることで、試料に引張、圧縮、ねじれ、剪断等の外力を付加することができ、そうした外力付加に対する試料の機械(電気・化学)的諸特性の変化を三次元立体画像化することができる。
また、対向配置した2つの保持部を、保持部材料となる柱状部材を加工して同時に製造することにすれば、当該2つの保持部の位置決め作業を簡略化でき、作業効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】試料保持・走査機構の外観を示す図
【図２】試料保持・走査機構の構造を示すブロック図
【図３】保持部の製造方法を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の試料保持・走査機構の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明の試料保持・走査機構は一般的な走査型プローブ顕微鏡に使用することができるものであり、走査型プローブ顕微鏡の動作原理は周知であるため詳細な説明は省略する。
図1に示すように、試料保持・走査機構1はX軸方向保持部組10及び駆動機構20を備える。
X軸方向保持部組10はX軸方向に沿って対向配置した2つの保持部11，12で構成される。
具体的には、各保持部11,12は円錐状であり、一方の保持部11はX軸の正方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびており、他方の保持部12はX軸の負方向に沿ってその断面積が縮径するようにのびている。これにより、2つの保持部11,12はその先端の鋭利な部分同士が試料Sを挟んで対向するように配置されている。
試料Sはその両端部において2つの保持部11,12に固着（保持）される。保持部11,12を試料に固着させる方法としては電子ビームによる溶接法や炭化物による接着法等の周知の技術を用いればよい。
試料Sとしては通常の走査型プローブ顕微鏡で観察し得るものであれば限定されないが、特に炭素繊維等の各種化学繊維、天然繊維、カーボンナノチューブ、高分子鎖等の細長い形状を有する試料が好ましい。従来手法では試料が繊維状等の細長い形状の場合、試料に引張、圧縮、ねじれ、剪断等の外力を加えた状態で画像を取得することが困難であり、そうした外力付加に対する機械(電気・化学)的諸特性の変化を三次元立体画像化することが難しいという問題があったが、本発明ではこの問題を解消できる。
【００１０】
駆動機構20は2つの保持部11,12それぞれをX軸回りに回転させ、更にXYZ軸方向に移動させるために、一つの保持部に対して一つ設けられる。
この駆動機構20は、図1(b)に示すように長手方向がX軸に沿ってのびる円柱形の本体部21を備えており、本体部21の側面であってY軸を貫く位置に2つの圧電素子22を備えており、Z軸を貫く位置にも2つの圧電素子23を備えており、更に本体部21の後端に1つの圧電素子24を備えている。圧電素子による保持部の駆動制御は周知の技術であるため詳細な説明は省略するが、本体部21に設けたこれら圧電素子22,23,24への印加電圧を制御して圧電素子22,23,24の変位量を調節することで、保持部11,12をXYZの3軸方向に移動させる仕組みになっている。
また、本体部21自体は回転型モータ（図示略）に接続されており、回転型モータを駆動することで本体部21及び保持部11,12をX軸回りに回転させることができる仕組みになっている。
【００１１】
図2は本実施の形態の試料保持・走査機構1を備える走査型プローブ顕微鏡2を、電子顕微鏡3に組み込んだ場合の構成の概略を示すブロック図である。
2つの駆動機構20はそれぞれ微動制御用と粗動制御用のコントローラ100に接続されており、これらコントローラ100はCPU101から出力される駆動信号に基いて動作する。
上述のとおり試料Sはその両端において保持部11,12に保持されており、図1(a)に示すように試料Sの上方には走査型プローブ顕微鏡2の探針4が位置している。
【００１２】
そして、駆動機構20の駆動を制御して、試料SをX軸回りに回転させながら引張、圧縮、ねじれ、剪断等の外力を加えながら、探針4をXYZ方向に走査する。
そして、探針−試料間の相互作用（例：トンネル電流、原子間力、静電気力、近接場、磁気力、交換力、化学結合力など）の信号を信号検出器で検出し、得られた画像を画像合成手段としてのCPU101で相補的に組み合わせることで外力を加えた状態の試料の三次元立体画像を取得する。
なお、保持部11,12をXYZの3軸方向に移動させずにX軸回りに回転させるだけでも試料の三次元立体画像を取得できる。また、保持部11,12を介して試料Sに通電することにすれば通電状態の試料Sの三次元立体画像を取得できる。
取得した三次元立体画像には試料Sの幾何学的構造に関する情報のみならず、機械的、電気的、化学的諸特性についての情報が含まれているため、新素材開発のみならず幾何学的構造と物性とが密接に関係する三次元構造の電子デバイス開発、医薬品開発、ドラックデリバリー分野等の様々な研究分野に利用できる。
【００１３】
このように、本実施の形態の試料保持・走査機構1では、試料の両端を保持するため、従来、試料を基板に載せた場合、試料が基板からの引力等の強い作用を受けて平面方向に広がってしまい、立体形状が崩れてしまうという問題や、試料の下面側が基板で隠れてしまうという問題があったが、これら問題を解消でき、より現実の立体形状に近い状態で試料Sを観察できる。
また、走査型プローブ顕微鏡2を電子顕微鏡3単体や、さらに収束イオンビーム発生装置を備えた電子顕微鏡3に組み込むことで、電子顕微鏡3による試料Sの観察も行なうことができるだけでなく、後述するとおり、電子線や、さらにはイオンビームを保持部11，12の製造時に利用できるという利点も有する。
【００１４】
次に、試料保持・走査機構1に用いる保持部11,12の製造方法において説明する。
本製造方法は、図3(a)に示すように保持部材料となる柱状部材30の両端を駆動機構20に固定する第1ステップと、図3(b)に示すように当該柱状部材30の両端から長手方向の中央に向かって断面積が小さくなるようにテーパー加工を施す第2ステップと、図3(c)に示すように断面積の最小位置において柱状部材30を2つに切り離すことで、対向配置した2つの保持部11,12を製造する第3ステップを少なくとも備える。
このように、両端を駆動機構20に固定した一つの柱状部材30に加工を施して2つの保持部11,12を対向配置させる方が、別途製造した2つの保持部をそれぞれ駆動機構20に固定した後、駆動機構20を動作させて2つの保持部が対向するように位置決めする場合と比較して作業効率を高めることができる。
柱状部材30の両端から長手方向の中央に向かって断面積が小さくなるようにテーパー加工を施す方法として、例えば電子線による電子ビーム加工が挙げられるが、上記実施の形態で示したように、走査型プローブ顕微鏡2を電子顕微鏡3に組み込んでおけば、電子顕微鏡3が備える電子銃を利用して電子ビーム加工を行なうことができるという利点がある。また、三次元立体画像を取得する試料Sの形状や性状に応じて保持部の形状を調節する必要があるが、電子顕微鏡3が備える電子銃を利用することで、観察直前に保持部を所望の形状に加工できるので作業効率を向上させることができる。また、保持部の製造過程及び画像取得時に電子顕微鏡3の機能を利用して各保持部の状態や位置をモニタリングできるという利点もある。
なお、必ずしも走査型プローブ顕微鏡2を電子顕微鏡3に組み込む必要はなく、電子顕微鏡3以外の周知の加工機の電子ビームを利用したり、或いは集束イオンビーム等の周知の加工方法を利用してもよい。
【００１５】
次に、走査型プローブ顕微鏡2を電子顕微鏡3に組み込んだ場合の保持部製造から画像取得までの流れを示す。
まず、保持部材料となる柱状部材30を駆動機構20に固定し、試料保持・走査機構1を電子顕微鏡3内に導入する。そして、電子線を用いて2つの保持部11,12が対向するように柱状部材30を加工する。
次に、2つの保持部11,12で試料Sを保持した状態で、試料Sに電子線を照射して清浄試料を作製する。そして、駆動機構20を駆動させて探針4で複数の画像を取得し、これら画像を画像合成手段（CPU101）で相補的に組み合わせることで三次元立体画像を得る。
そして、試料保持・走査機構1を電子顕微鏡3から取り出して終了する。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、試料固定用として従来使用していた基板による悪影響を無くし、高い空間自由度で試料の三次元立体画像を取得できる試料保持・走査機構、この試料保持・走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及び試料保持・走査機構で用いる保持部の製造方法であり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００１７】
S 試料
1 試料保持・走査機構
2 走査型プローブ顕微鏡
3 電子顕微鏡
4 探針
10 X軸方向保持部組
11,12 保持部
20 駆動機構
21 本体部
22,23,24圧電素子
30 柱状部材
100 コントローラ
101 CPU
【図１】
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【図２】
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【図３】
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