(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブを振動させ、その振動を該プローブに対する光の反射を検出することで試料の弾性係数を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
弾性係数を測定するプローブは片持ちはりの形状をしており、
前記片持ちはりは、先端部に高密度の集中質量を付加した構成であり、
付加した前記高密度の集中質量により先端部の慣性力が増し、振動した前記プローブがプローブ先端の探針を試料表面に押し込む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に記載された弾性係数を測定する走査型プローブ顕微鏡に使用するプローブであって、
弾性係数を測定するプローブは片持ちはりの形状をしており、
前記片持ちはりは、先端部に高密度の集中質量を付加した構成である
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ。
【請求項３】
付加した前記高密度の集中質量は金属粒子であることを特徴とする請求項２の走査型プローブ顕微鏡のプローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に走査型プローブ顕微鏡により弾性を測定するときに用いる片持ちはり（カンチレバー）構造のプローブに関する。
【０００２】
【背景技術】
走査型プローブ顕微鏡の１つである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の動的な動作を応用して、ナノメートル・レベルの微小領域を対象とした弾性的性質の定量評価や画像化が試みられている。その一つとして、走査型プローブ顕微鏡のプローブである微小片持ちはり（カンチレバー）の先端に微小な触針をとりつけ、この触針を被測定物に接触させた上で、この触針を種々の周波数で振動させ、この片持ちはり全体が共振する周波数を測定することで、該接触部分の弾性的性質を計測する方法がある。この方法は、ナノメートル・レベルの領域における弾性的性質の計測方法として既に知られている
探針接触時の微小片持ちはりの共振周波数ｆresは、被測定物の弾性的性質に依存する。これに基づく同定量評価・画像化では、ｆres値が被測定物の弾性的性質の相違に敏感であることが好ましい。しかしながら、通常の片持ちはりを用いた場合、ポリマーよりも硬い一般の工業材料に対しては、検出感度が悪いという問題がある。これは、ばね定数の小さい通常の片持ちはりでは、はり先端の探針が試料表面を十分に押込まないためである。一方、ばね定数の小さい片持ちはりほど、微小領域の計測に適している。
なお、この片持ちはりは、走査型顕微鏡に付属する消耗品で、従来は全体が先端の触針も含めてシリコンで作られており、価格は￥50,000／15個程度、数回の使用ごとに取り換える必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡における、弾性係数を測定するためのプローブである片持ちはり（カンチレバー）を、高感度にすることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、プローブを振動させ、その振動を該プローブに対する光の反射を検出することで試料の弾性係数を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、弾性係数を測定するプローブは片持ちはりの形状をしており、前記片持ちはりは、先端部に高密度の集中質量を付加した構成であり、付加した前記高密度の集中質量により先端部の慣性力が増し、振動した前記プローブがプローブ先端の探針を試料表面に押し込むことを特徴とする。
走査型プローブ顕微鏡に使用するプローブも本発明であり、弾性係数を測定するプローブは片持ちはりの形状をしており、前記片持ちはりは、先端部に高密度の集中質量を付加した構成である。
付加した前記高密度の集中質量は金属粒子とするとよい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本発明では、走査型プローブ顕微鏡のプローブである片持ちはり（カンチレバー）の先端触針部の質量を大きくすることによって、問題点の解決を図っている。以下で詳しく説明する実施形態としては、プローブとして普通に用いられているシリコン製カンチレバーの先端部に、タングステン製の重りを接着した。この重りを取り付けた先端触針部の質量は、片持ちはり全体の質量より十分に大きく、質量が先端部に集中しているとみなすことができる。片持ちはりをこのように構成することによって、アクリル樹脂、ガラス、銅など各種の材料について弾性的性質の測定感度を大幅に改善することができる。
【０００６】
図１に、本発明の実施形態で用いている走査型プローブ顕微鏡による試料の弾性検出のための構成を示す。
図１において、走査型プローブ顕微鏡のプローブであるカンチレバー１３０を、外部発振器１１０からの出力によりピエゾ振動子１２０で振動させている。この外部発振器１１０からの広範囲の周波数に対する振動応答を計測するため、カンチレバー１３０の先端部をレーザー光で照射している。カンチレバー１３０の先端部で反射したレーザ光は、位置敏感検出器（ＰＳＤ）１５０に入力する。位置敏感検出器（ＰＳＤ）１５０からの信号はロックイン・アンプ１７０に入力している。ロックイン・アンプ１７０は、雑音に埋もれた交流信号の振幅や位相を計測する測定器であり、耐雑音性のある高感度な交流電圧計とみなすことができる。なお、ロックイン・アンプ１７０には、測定上限を拡大するための周波数エクステンダ１６０を付加している。
【０００７】
＜集中質量について＞
本発明では、振動して試料における微小領域の弾性分布を計測しているカンチレバー１３０として、先端部に集中質量があると見なせるように、先端部に十分重いものを付加する構成のものを使用している。このカンチレバーの構成を、図２を用いて説明する。図２（ａ）に示すように、本発明のカンチレバーは、カンチレバーの先端に集中質量（質量：ｍｔ）を付加した構成としている。
集中質量の付加によりカンチレバー先端での慣性力が増し、振動中に探針が試料表面を良好に押込む状態が実現できる。そのため弾性検出感度が飛躍的に向上する。しかしながら、集中質量の体積が大きい場合には、ここで注目しているたわみ振動モードの他にねじり振動モードが顕著に現れる等の弊害が表れる。そのため、集中質量として、慣性モーメントが極力小さくなるように密度の大きい材料を選ぶ必要がある。
ここに、接触剛性ｋ＊とは、探針接触時の押込み力と押込み深さの関係における傾きを表し、試料の弾性係数に依存する量である。また、接触剛性は、試料の弾性係数の他、接触面積（平衡接触力、探針先端半径等に依存）、探針の弾性係数、付着力などに依存するが、適切な接触モデル（例えばBurnham,N.A.,外２名，Nanotechnology,４（１９９３），６４を参照）により、これらの定量的な関係を知ることができる。
【０００８】
＜弾性的性質の定量評価＞
カンチレバーがこのような集中質量とみなせる場合、剛性と弾性係数との関係は、図２（ｂ）のモデルより得られる次の簡単な式に従う。
【数１】
0004328474.tif 000002
ここにｋｃは、本プローブのバネ定数である。またｆfree（1）は、先端自由時の一次共振周波数である。ｆfree（1）値は容易に計測できる。またｋcの値は集中質量付加前のカンチレバーのｋc値と同一である（なお、市販のカンチレバーのｋｃは仕様書から知ることができる）。
この様な集中質量とみなせる高感度プローブでは、先端に集中質量を付加しているため、図３のように、共振周波数が接触剛性ｋ＊の相違によって大きく変化する曲線が現れる。この集中質量は、付加前カンチレバー質量の例えば約４倍以上である。この曲線は、図３のおける各振動次数に対応する曲線の一部からなる全体的な曲線である。
高感度プローブを用いて計測される、試料Ｎおよび試料Ｕの接触時スペクトルの例を図４に模式的に示す。図４のように、先端自由時の２次、３次共振周波数（Ｆ２，Ｆ３）の近傍に、共振ピークが現れる（Ｎ２，Ｎ３，Ｕ１，Ｕ３）。これは、図３において、横軸に平行な線が現れることからも理解できる。これらの共振ピークには注目せず、これら以外の共振ピーク（Ｎ１，Ｕ２）に注目する。このような選別は、Ｆ２、Ｆ３の事前計測をしておけば容易である。図４における共振ピークＮ１、Ｕ２の共振周波数は、図３の大域的な曲線に従うため、同共振周波数を計測することにより、式（１）を用いて、未知試料Ｎ、Ｕに対する接触剛性（ｋ*）が評価できる。さらに適切な接触モデルを用いれば、未知試料の弾性係数が評価できる。なお、弾性マッピングの揚合も、Ｎ１、Ｕ２のような試料の弾性的性質を大きく反映した共振ピークに注目し、同ピークの近傍に加振周波数を設定すればよい。
上述のように、集中質量として、付加前カンチレバー質量の約４倍以上を採用すれば前述の式（１）が適用でき、最高の弾性検出感度が得られる。なお、その質量を厳密に定める必要は無い。しかしながら、集中質量が大きいほど体積が増し、上記の問題（慣性モーメントの影響）が生じる。さらに、集中質量が大きいほど先端自由時の１次共振周波数が低下するため、機械的振動ノイズの影響を受けやすくなる。さらに、たわみ計測用レーザーのスポット位置の確保が困難となる。そのため、集中質量は、付加前カンチレバー質量の約４倍以上であり、かつ、小さい値が望ましい。
【０００９】
【実施例】
図５は、三次元マイクロ・マニピュレータを用いて、タングステン微粒子（片状）を片持ちはり先端に接着している様子を示している。図５（ａ）は、カンチレバー１３０に接着剤２２０が付加されており、マイクロ・ピペット２１０を用いて、その接着剤２２０上に、タングステン微粒子１３４を乗せようとしている図である。図５（ｂ）では、マイクロ・ピペット２１０により、タングステン微粒子１３４をカンチレバー１３０上に乗せたときである。図５（ｃ）は、最終的に、カンチレバー１３０にタングステン微粒子１３４が接着された状態を示している。図５（ｄ）は、カンチレバー１３０，探針１３２，タングステン微粒子１３４の関係を示している図である。
本実施例としては、タングステン微粒子の質量ｍｔは約２００ｎｇであり、片持ちはりの質量ｍｃとの比α（＝ｍｔ／ｍｃ）は約５である。接着にはＵＶ硬化形接着材を用いた。また、ＡＦＭ片持ちはりとして、Ｓｉｌｉｃｏｎ−ＭＤＴ製シリコンカンチレバー（ＮＳＣ１２／Ｗ２Ｃ／５，Ｔｙｐｅ  Ｆ，厚さｔ＝２μｍ，幅ｗ＝３５μｍ，長さｌ＝２５０μｍ，ばね定数ｋｃ＝０．６５Ｎ／ｍ）を用いた。なお、探針は先端半径３５ｎｍのシリコン円錐であり、その表面に厚さ２５ｎｍのＷ２Ｃの耐磨耗コーティングが施されている。
【００１０】
図６に、それぞれタングステン微粒子を取付ける前および取付け後の片持ちはりの振幅スペクトルを示す。図６中の各曲線はアクリル樹脂（Ａｃｒｙｌａｔｅｒｅｓｉｎ）、ソーダ石灰ガラス（Ｇｌａｓｓ）および銅（Ｃｏｐｐｅｒ）の３つの試料に対する結果である。また、共振ピークを矢印（試料の頭文字および振動モードの次数を付している）で示している。なお、矢印Ｆ１〜Ｆ３は、それぞれ先端自由時の１次から３次の共振周波数を表す。図６（ａ）では、１次、２次共振ともに、材料の違いによる共振周波数の有意な差はみられない（２次について共振周波数に差があるようにみえるが、試料の弾性係数に関する大小の序列と相関がない）。一方、図６（ｂ）では、図６（ａ）よりも多くの共振ピークが現れている。先端自由時の共振（Ｆ２，Ｆ３）近傍における接触共振（Ａ２，Ｇ１，Ｃ１およびＡ３，Ｇ３，Ｃ３）については、材料による共振周波数の相違がみられない。しかしながら、図６（ａ）では見られなかった明らかな共振ピークが、アクリル樹脂および銅について現れている（図６（ｂ）中のＡ１，Ｃ２）。
【００１１】
図７は、共振周波数と接触剛性（ｋ＊）の関係について、計測結果と図２（ａ）のモデルによる理論結果（実線）を比較したものである。ただし、各試料に対するｋ＊値は、Ｂｕｒｎｈａｍのフォース・カーブ（上述の刊行物参照）により見積もっている。図７（ａ）からわかるように、集中質量を取付けていない通常のＡＦＭ片持ちはりでは、１次共振、２次共振ともに共振周波数がｋ＊によって変化しない不感応領域にある。一方、図７（ｂ）からわかるように、集中質量を取付けた場合、先端自由時の共振周波数（Ｆ２，Ｆ３）の近傍に横軸にほぼ平行な線が現れる。さらに、共振周波数がｋ＊値によって大きく変化する曲線（各次数を横断する曲線）も現れる。共振ピークＡ１およびＣ２は同曲線上にあり、材料の相違による共振周波数の変化が極めて大きいこと、すなわち弾性的性質検出感度が非常に大きいことが理解できる。
【００１２】
＜弾性的性質の高分解能マッピング＞
通常のプローブの代りに上述の高感度プローブを用いれば、広範囲の材料に対して理論上最高の感度で画像化が可能となる。例えば、ナノメートル・サイズの微粒子等を分散させたナノコンポジットの分散状態の観察に役立つ。また、表面形状観察ではわからない表面下のナノメートル・サイズの欠陥や結晶粒界などを非破壊的に検出できる。これは微細パターンを有するＬＳＩの検査や各種結晶組織観察に役立つ。
膜厚数ｎｍが要求されるハードディスク用ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）保護膜に対して、本高感度プローブを用いた弾性係数の定量評価法を適用すれば、基板の影響を大きく受けることなく、膜自身の弾性係数が評価できる。これは、押込み深さが数Åであるため、基板の影響を大きく受けない変形状態が実現できるからである。通常の超微小押込み試験では最小でも数ｎｍ程度の押込み変形を必要とするため、このような極薄の膜に対しては適用が困難となる。本プローブによる上記定量評価は、成膜条件の検討に役立つ。また、ナノコンポジットの分散粒子の弾性係数が評価できるので、ナノコンポジット設計にも役立つ。
【００１３】
【発明の効果】
上述のように、走査型プローブ顕微鏡のプローブとして、カンチレバーの先端に集中質量があるとみなすことができる構成としたカンチレバーを用いることにより、試料の弾性係数の分布を高感度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いて、試料の弾性係数の分布状態を測定するための構成を示す図である。
【図２】本発明の高感度プローブの構成を説明するための図である。
【図３】高感度プローブを用いて測定した場合の接触剛性の図である。
【図４】高感度プローブを用いて共振周波数を測定した場合を説明する図である。
【図５】カンチレバーに集中質量を付加する方法を説明する図である。
【図６】高感度のプローブと従来のプローブを用いて共振周波数を測定した場合を比較した図である。
【図７】高感度のプローブと従来のプローブを用いて接触剛性を測定した場合を比較した図である。
【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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