(57)【要約】【課題】流体抵抗を低減し、大気中または液中でも固有振動数の高い原子間力顕微鏡のプロ―ブを実現する。【解決手段】原子間力顕微鏡のプローブ１０において、両端の支持梁１２，１３に対して回転可能な円断面の回転体１７に探針１６を固定し、被測定物を走査することにより、面形状情報を取得する。回転体１７は両端が円断面の弾性体１４，１５により支持梁１２，１３に接続され、回転体１７と弾性体１４，１５により構成される弾性機構１８を一定周波数にてねじり振動させると簡単に探針１６の駆動を実現できる。探針１６の中心軸は、回転体１７の中心軸と空間的ねじれの位置関係にあるため、被測定物の垂直方向に探針１６を駆動して摩擦の影響を低減できる。【選択図】図１
2009068930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブの先端に設置された探針と被測定物を接近させたときの原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちながら走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得する原子間力顕微鏡において、
前記プローブは、
円断面を有する回転体と、
前記回転体を回転可能に支持する支持部材と、を有し、
前記回転体の円周面に前記探針が固定されたことを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項２】
前記回転体の両端は、それぞれ円断面の弾性体により前記支持部材に接続され、前記回転体と前記弾性体により構成される振動部を一定周波数にてねじり振動させながら前記プローブを走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３】
前記探針の中心軸は、前記回転体の中心軸と空間的ねじれの位置関係にあることを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４】
前記回転体の角度変位を、前記回転体に設けた回折格子に光を照射し、その一次回折光により求めることを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡
【請求項５】
探針と被測定物を接近させたときの原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちながら走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得する原子間力顕微鏡のプローブにおいて、
円断面を有する回転体と、
前記回転体を回転可能に支持する支持部材と、を有し、
前記回転体の円周面に前記探針が固定されたことを特徴とするプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブの先端に設置された探針を被測定物に接近させて走査することにより、探針と被測定物間の引力または斥力（原子間力）を検出して被測定物の面形状を計測する原子間力顕微鏡及びプローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡はその原理が特許文献１に開示されている。それによれば、ばね状の片持ち梁（カンチレバー）の一端に固定した探針を被測定物に接近させて、探針の頂点の原子と被測定物表面の原子間に発生する原子間力によって、カンチレバーをたわませる。このたわみ量が一定になるように探針と被測定物間の距離を制御（トラッキング制御）し、かつ制御のための信号を探針の位置を表す走査位置信号として取り出し、被測定物表面の像を形成している。
【０００３】
なお、特許文献１ではトンネル電流検知によりカンチレバーのたわみ量を検知しているが、光テコ法も従来技術としては一般的である。すなわち、カンチレバー背面にはレーザ光を反射するミラー面を形成しておく。変位計測光学系にはミラー面に向けてレーザビームを射出するレーザダイオードと、カンチレバー上のミラー面からレーザビームを受ける二分割受光器を設置する。二分割受光器は二つの受光領域を有し、カンチレバーが測定時の基準状態にあるとき、ミラー面からのレーザビーム中心が二つの受光領域の境界に照射されるように配置しておく。二つの受光領域は受光した光の強度に応じた電圧信号を出力するので、その出力差を調べることにより、ミラー面の傾きすなわちカンチレバーの変位を測定できる。
【０００４】
原子間力顕微鏡では、探針を被測定物に接触させた状態で走査するＤＣモードと、カンチレバーに代表される弾性機構を一定の周波数及び振幅で振動させながら被測定物上を走査し、その振幅・位相・周波数の変化を測定するＡＣモードがある。
【０００５】
探針を支持するカンチレバーに代表される弾性機構と基台を含めた部分をプローブと呼ぶ。ＡＣモードにて原子間力を精度良く検出するには、探針と被測定物間の原子間力に対応して敏感に振幅・位相・周波数の変化が現れることが望ましいため、プローブ固有振動数のＱ値が高いことが必要である。薄膜平板の先端に探針を形成したカンチレバーでは振動時の移動速度に探針と被測定物間の流体は追従できず、スクイズ効果による大きな抵抗を示す。また周囲流体の粘性単独でも大きな抵抗となる。この抵抗がダンピング効果となり、プローブ固有振動数のＱ値が低下することになる。
【０００６】
これに対する改善策として、特許文献２に開示されたプローブでは、カンチレバー先端領域に貫通孔を設け、探針と被測定物間の流体が容易に通過できる構成とすることで、スクイズ効果を低減させ、プローブ固有振動数のＱ値を高くしている。
【０００７】
また、特許文献３に開示されたプローブでは、カンチレバーの被測定物に対向する片面または両面に凸条部を形成している。このように構成することにより、カンチレバーが振動する際に周囲流体がこの凸条部に沿って円滑に流れ、抵抗を減少させることで、プローブ固有振動数のＱ値を高くしている。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−１３０３０２号公報
【特許文献２】特開２００４−１９８１３４号公報
【特許文献３】特開２００６−１４５５１０号公報
【特許文献４】特開平１０−２８２１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来例では流体抵抗を減少させることはできるが、カンチレバーが周囲流体を押しのけるように動くことになるので、根本的な解決には至っていない。すなわち、特許文献２では貫通孔により先端のスクイズ効果は減少するが、貫通孔より先の平板部分および多くの可撓梁部分では振動時の動きによる流体排除とその剥離流のため、大きな流体抵抗を受けることになる。
【００１０】
また、特許文献３ではカンチレバーの可撓梁部分の断面が円形または曲線形状になっているため、振動時の動きによる流体排除での流体抵抗は減少させることができるが、やはり剥離流をなくすことはできないため、可撓梁部分での流体抵抗は残ることになる。また、より多くの効果を狙って、可撓梁部分の断面を円形または試料に対抗する面とその反対側両面とも曲面形状にした場合には、被測定物と対向する方向と、水平な方向の固有振動数が一致又は近接してしまう。このため分離が困難になったり、測定誤差が大きくなるという未解決の課題があった。
【００１１】
本発明は、周囲の流体抵抗を低減させた、固有振動数のＱ値が高いプローブを有し、被測定物表面の凹凸に対する応答分解能の高い原子間力顕微鏡及びプローブを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の原子間力顕微鏡は、プローブの先端に設置された探針と被測定物を接近させたときの原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちながら走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得する原子間力顕微鏡において、前記プローブは、円断面を有する回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持部材と、を有し、前記回転体の円周面に前記探針が固定されたことを特徴とする。
【００１３】
本発明のプローブ は、探針と被測定物を接近させたときの原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちながら走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得する原子間力顕微鏡のプローブにおいて、円断面を有する回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持部材と、を有し、前記回転体の円周面に前記探針が固定されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成によれば、探針を一定の周波数及び振幅で振動させながら被測定物上を走査し、その振幅・位相・周波数の変化を測定するＡＣモードにおいて、駆動時の流体抵抗を低減し、固有振動数のＱ値が非常に高いプローブを実現できる。これにより被測定物表面の凹凸に対する応答分解能の高い原子間力顕微鏡を提供することができる。
【００１５】
探針を設置する基台となる円断面の回転体を含む振動部を一定周波数にてねじり振動させることで、回転体の回転運動による簡単な機構で探針の往復運動が実現できる。
【００１６】
探針の中心軸を、回転体の中心軸に一致させたときには、探針の動きは回転体の回転とともに、対向する被測定物の略水平方向となり、探針と被測定物の間には摩擦力が伴う。しかし、探針の中心軸を、回転体の中心軸に対して空間的ねじれの位置関係に配置したときは、回転体の回転による探針の動きは、対向する被測定物の略垂直方向となり、前記摩擦力を生じさせない効果がある。
【００１７】
また、円断面の回転体の表面に回折格子を設けることで、光を照射して得られる一次回折光の位置を回転体の角度変位として得ることができ、従来公知の光テコ法の適用を可能とする。
【００１８】
このようなプローブにより被測定物を走査し、例えば振幅・位相・周波数の変化が一定になるようにトラッキング制御を行うことで、高精度な面形状情報を取得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】
【００１９】
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、一実施形態によるプローブ１０を示す斜視図である。プローブ基台１１からは支持部材である一対の支持梁１２、１３が突き出しており、その間には円断面の弾性体１４、１５と、円断面の回転体１７と、そこに固着された探針１６により構成される弾性機構(振動部）１８が結合されている。探針１６は回転体１７の円周面に固定されており、回転体１７の往復回転に伴って振動する。このプローブ１０の固有振動数は最低次のモードが主たる質量が回転体１７であり、弾性定数が弾性体１４、１５のねじり剛性で決まるように構成されている。したがってプローブ外部より所定の一定振動数で加振することにより、探針１６を振動させることができる。
【００２１】
図２は、本実施形態による原子間力顕微鏡の動作・作用を説明する模式図である。上述の構成のプローブ（プローブ基台１１，支持梁１２、１３、探針１６、回転体１７等を含む）は加振用ピエゾ２１に接続されており、被測定物２０に対して、所定周波数の加振を行うことが可能である。これにより、弾性機構１８をねじり振動させて探針１６を振動させることができるようになっている。加振用ピエゾ２１はプローブ取付け台２２を介してＺスキャナ２３に接続されている。Ｚスキャナ２３は円筒状の圧電素子で製作されており、図示しない電極が円筒内面および外面に形成されている。これに電圧を印加することで、円筒軸方向の伸縮が可能となっている。
【００２２】
Ｚスキャナ２３はスキャナ連結部材２４を介してＸＹスキャナ２５に連結されている。ＸＹスキャナ２５は弾性ヒンジと駆動用圧電素子で構成した直交微小変位機構であり、Ｚスキャナ２３の変位方向に垂直な面内で二軸方向に変位可能となっている。探針１６の回動角度の計測には、回転体１７上にレーザ光源２６より、レーザ光を照射しその反射光は折返しミラー２７を介して、フォトダイオード２８に導かれる。回転体１７の円周面を一部きり欠き、反射面とするか、あるいは回折格子を形成することで、回転体１７の角度変位をフォトダイオード２８上で計測することができる。
【００２３】
このプローブは、先端に設置された探針１６と被測定物２０を近接させたときの引力または斥力を検出し、前記力（原子間力）を一定に保ちつつ走査することにより、被測定物２０の面形状を得る。
【００２４】
探針１６を設置する部分は円断面の回転体１７で構成されており、回転体１７の回転運動により探針１６を駆動する。平板を流体中で移動させるような流体を押しのける動きがないため、大幅に流体抵抗を減少させることができる。
【００２５】
回転体１７の両端は、円断面の弾性体１４、１５により回転可能に支持梁１２、１３に接続される。回転体１７及び弾性体１４、１５により構成される弾性機構１８を一定周波数にてねじり振動をさせた状態で被測定物２０を走査することにより、面形状情報を取得する。
【００２６】
このように、回転体１７の両端は円断面の弾性体１４，１５にて支持され、弾性体１４，１５と回転体１７よりなる弾性機構１８に対して外部より振動を与えれば、一定周波数にてねじり振動させることができる。弾性機構１８の固有周波数近傍でのねじり振動であれば振幅を大きなものとすることができ、簡単な方法で探針１６の大きな動きを得ることができる。
【００２７】
被測定物表面を走査する探針１６の中心軸を、探針１６を設置する基台となる回転体１７の中心軸と交差しない位置、いわゆる空間的ねじれの位置に配置する。このような位置関係にすることにより、弾性機構１８のねじり振動による探針１６の動きを、対向する被測定物２０の略垂直方向とすることができる。
【００２８】
回転体１７の角度変位は、回転体１７の表面に設けた回折格子に光を照射し、その一次回折光より求めるとよい。
【００２９】
図２において、探針１６が被測定物２０に近づくとき、遠距離ではファン・デル・ワールス力などの引力が作用し、さらに原子結合距離程度の近距離になると斥力が作用する。
【００３０】
原子間力顕微鏡にはいくつかのモードがあり、以下に代表的なモードを記載しておく。コンタクトモードは上記の斥力領域で動作するものであり、探針が被測定物と接触した状態で利用される。ノンコンタクトモードは逆に探針が常に被測定物と接触しない距離で走査される。この場合、探針を振動させないＤＣモードと、加振用圧電素子により探針を強制振動させ被測定物と相対的に近接・離反させるＡＣモードがある。また、分解能は高いが探針や被測定物に損傷を与える可能性のあるコンタクトモードと、一般的には分解能の劣るノンコンタクトモードの折衷案として、強制振動する探針を部分的に接触させて損傷の可能性を低減させるタッピングモードがある。
【００３１】
上記の３モードはいずれも被測定物垂直方向の探針の動きであるが、被測定物と平行に探針を振動させ、摩擦力等を測定するトーションモードがある。
【００３２】
本発明のプローブおよび原子間力顕微鏡は、上記モードのうち探針を振動させるＡＣモードのいずれでもその効果を発揮できるが、ここではタッピングモードを中心に説明する。
【００３３】
図２において、まず加振用ピエゾ２１を周波数スイープすることにより、プローブの固有振動数を求める。振幅計測手段はレーザ光源２６、折返しミラー２７、フォトダイオード２８により構成された光テコ法である。
【００３４】
図３に示すように、回転体１７にはその円筒表面（円周面）に回転角とともに格子の傾斜が変化する回折格子１７ａが形成されている。これにレーザ光源２６からレーザを照射する。さらに、入射光の一次回折光をフォトダイオード２８に導く。このようにすることで回転体１７の回転により、一次回折光はフォトダイオード２８上を移動する。したがって回転体１７の回転角度は光路の長さで拡大されてフォトダイオード２８上で計測可能である。
【００３５】
また、図４に示すように、回転体１７の円周面の一部に反射面１７ｂを形成してもよい。
【００３６】
なお、探針の変位計測手段は、特許文献４に記載されたように、ねじり振動の回転軸となる弾性体の一部にピエゾ抵抗体を配置して角度変位を計測する方法でもよい。このように構成することで、プローブ自体は複雑になるが、光テコ計測系が不用になるので、全体構成は簡単になり、光軸アライメントも不用になる。
【００３７】
被測定物２０の形状測定時には、求められたプローブの一次の固有振動数近傍の周波数にて加振用ピエゾ２１を駆動しておく。プローブの一次の固有振動数は、回転体１７の質量と弾性体１４，１５のねじりバネ定数で決まる振動数となるように設計しておくことで、大きなねじり角度を得ることが可能となる。
【００３８】
ここで、図５（ｂ）に示すように、回転体３７の回転中心軸と探針３６の中心軸が交差するように配置すれば、トーションモードでの測定が可能である。しかし本実施形態では、図５（ａ）に示すように回転体１７の回転軸と探針１６の中心軸は交差しない、すなわち、空間的ねじれの位置関係で配置されている。このため探針１６は、回転体１７の回転により、被測定物２０の垂直方向に振動することになるので、タッピングモードでの測定が可能である。
【００３９】
探針１６が被測定物２０の垂直方向に振動した場合、上述のように遠距離ではファン・デル・ワールス力などの引力が作用し、さらに原子結合距離程度の近距離になると斥力が作用する。このため、プローブと被測定物２０の位置を一定に保って加振用ピエゾ２１を駆動させた場合、周波数および振幅が一定の入力であっても、探針１６の位置により周波数および振幅が変化する。そこで、この周波数または振幅の変化量が一定になるように、XYスキャナ２４にて被測定物２０との平行面内で走査し、被測定物２０の凹凸にあわせてZスキャナ２２をトラッキング制御することにより被測定物２０の表面形状を得ることができる。
【００４０】
一方、従来の原子間力顕微鏡に用いられるプローブはカンチレバーと呼ばれる平板状の片持ち梁先端に探針が形成されている。このため探針を振動させると、周囲の静止した流体（大気中では空気、液中では環境液体）中を平板状の片持ち梁が横切るように高速で動くことになる。これにより平板状片持ち梁の振動進行方向の後方では剥離流が発生し、大きな流体抵抗を生じることになる。この流体抵抗は平板状片持ち梁の速度に比例するため、運動方程式上は粘性項となり、固有振動数付近での振動における振幅を小さくする。また、探針と被測定物間の流体は平板状片持ち梁の動きに追従できず、接近する場合は圧縮され、離れる場合には膨張させられる。このスクイズ効果でも粘性抵抗は大きなものとなる。これらの原因は、探針そのものは小さいので、主に平板状片持ち梁が流体中で高速に振動することに起因している。したがって従来のプローブでは、流体中では固有振動数のＱ値を小さくする効果を本質的に持ち、真空中のような限られた環境でしか固有振動数のＱ値を高くすることができない。
【００４１】
これに対して、本発明のプローブでは、円断面を有する回転体の回転運動であり、従来の平板状片持ち梁と異なり、本質的に剥離流やスクイズ効果をもたらす動きをしない。したがって粘性抵抗はごく僅かであり、大気や液中のような流体中においても固有振動数のＱ値を高くすることができる。これにより、探針と被測定物間の原子間力変化に対応して、敏感に振幅・位相・周波数が変化し、検出分解能の高い測定を行うことができる。
【００４２】
なお、本実施形態のプローブ製作には、イオンビーム加工にて一体もので製作する方法のほかに、例えば図１における弾性機構１８と、プローブ基台１１及び支持梁１２、１３を含む部分を別々に製作し、接合してもよい。
【００４３】
また、構成が簡単なねじり振動による実施形態を説明したが、図１において弾性機構１８に相当する部分を支持梁１２、１３に対して回転自在とし、外部駆動により往復回転（振動）運動を行なわせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】一実施形態によるプローブを示す斜視図である。
【図２】図１のプローブ を用いた原子間力顕微鏡を示す模式図である。
【図３】探針の変位をする計測方法を示す図である。
【図４】探針の変位を計測する別の方法を示す図である。
【図５】探針の配置を説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１    プローブ基台
１２、１３    支持梁
１４、１５    弾性体
１６    探針
１７    回転体
１８    弾性機構
２０    被測定物
２１    加振用ピエゾ
２２    プローブ取付け台
２３    Ｚスキャナ
２４    スキャナ連結部材
２５    ＸＹスキャナ
２６    レーザ光源
２７    折返しミラー
２８    フォトダイオード
【図１】
2009068930.tif 000003
【図２】
2009068930.tif 000004
【図３】
2009068930.tif 000005
【図４】
2009068930.tif 000006
【図５】
2009068930.tif 000007