(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小なプローブが試料表面上を走査することによって、試料表面の微小な構造を観察する走査型プローブ顕微鏡において、
複数のプローブを持ち、それぞれが独立して試料に対して上下に移動する手段と、
独立にそれぞれのプローブの変位を検出する手段と、
先端に前記プローブをもち、圧電体によって試料表面の凹凸に応じて上下に移動する複数のカンチレバーと、
複数のカンチレバーに光を照射し、光てこ法を利用して、前記複数のカンチレバーのたわみを個別に検出するたわみ検出手段と、を有し、
前記光てこ法は、複数のカンチレバーに照射する光に、カンチレバー毎に周波数の違う変調をかけ、検出器で周波数毎に検出することによって、単一の検出器で複数のカンチレバーのたわみを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記光てこ法は、線状の光スポットをカンチレバーに照射することを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
先端にプローブを有する複数のカンチレバーに、それぞれ周波数の違う変調をかけた光を照射する行程と、
前記複数のカンチレバーから反射した前記光を、単一の検出器で周波数毎に検出する行程と、
を有するカンチレバーのたわみ検出方法。
【請求項４】
前記光を照射する行程において、線状の光スポットをカンチレバーに照射する請求項３に記載のカンチレバーのたわみ検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面の微細な構造を観察するのに用いる原子間力顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来の走査型プローブ顕微鏡の一つである原子間力顕微鏡の説明図である。図において、２０はXYZトランスレータ、２１は試料ステージ、２２は試料、２はカンチレバー、５はカンチレバーのたわみ検出器、６はコンピュータおよびコントローラである。
【０００３】
この従来の原子間力顕微鏡においては、XYZトランスレータ上の試料ステージに試料をのせ、試料をカンチレバー先端に固定された先鋭化されたプローブへ接触させ、トランスレータで試料をX-Y面内を走査する。このとき、カンチレバーのたわみを５のたわみ検出器でモニターし、一定のたわみになるようにコントローラがフィードバック制御を行い、トランスレータで試料のZ方向の位置を調節する。試料表面上の各位置での調節量をコンピュータで画面上にマッピングすることによって試料表面の微細な構造を観察することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
走査型プローブ顕微鏡の性能として、重要なものの一つに測定時間がある。つまり、一つの画像を得るのにかかる時間である。他の同様の顕微鏡、たとえば、走査型電子顕微鏡や走査型レーザー顕微鏡、と比較するとプローブや試料をプローブと試料間の距離や、プローブと試料間に働く力を一定にしながら機械的に走査する走査型プローブ顕微鏡は走査スピードが遅く、測定に時間がかかってしまう。
【０００５】
測定時間を短くする一つの方法は、単に走査スピードを速くすることである。しかし、この場合、制御系および機械的な追従性の問題に加えて、プローブが試料表面を高速で移動することになり、プローブが摩耗する、試料を傷める等の問題がありあまり速くすることができない。
そこで、本発明は走査スピードを変えずに、または、走査スピードの限界を越えて測定時間を短くすることが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡においては、先端にプローブを持つ複数のカンチレバーを有し、複数のカンチレバーのたわみを独立に検出する手段と、複数のカンチレバーを独立に試料へ向けて上下に移動する手段を有する構成とした。これによって、単一のプローブで測定を行う場合に比べて、それぞれのプローブが走査する範囲を小さくできるので走査周波数を変えずに測定時間を短縮することができる。さらに、試料表面をプローブが走査する段階において、それぞれのカンチレバーのたわみを一定になるように制御する。これによってそれぞれのプローブと試料との間に働く力を制御でき、プローブと試料のダメージを抑えることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
図１において、１はプローブ、２はカンチレバー、３はカンチレバーの支持体、４は圧電アクチュエータ、５はカンチレバーのたわみ検出手段である、６はコンピュータおよびコントローラである。１のプローブと５のたわみ検出手段は一対一の構成になっており、複数のプローブの変位を独立に検出することができる。５のたわみ検出手段の出力をもとに、６のコンピュータおよびコントローラがそれぞれのカンチレバーのたわみを一定に保つように、４の圧電アクチュエータによって３の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査スピードを変えずに測定時間を短くすることができる。
【０００８】
［実施の形態２］
図２において、１はプローブ、２はカンチレバー、３はカンチレバーの支持体、４は圧電アクチュエータ、７は圧電抵抗体、６はコンピュータおよびコントローラである。カンチレバー上に取りつけられた、圧電抵抗体はプローブが力を受けてカンチレバーがたわむとたわみ量に応じて抵抗値が変化するものである。６のコンピュータおよびコントローラは、それぞれのカンチレバー上の圧電抵抗体の抵抗値を測定することで、複数のカンチレバーのたわみを独立に検出することができる。６のコンピュータおよびコントローラはそれぞれのカンチレバーのたわみを一定に保つように、４の圧電アクチュエータによって３の支持体を上下に移動させながら試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査スピードを変えずに測定時間を短くすることができる。
【０００９】
［実施の形態３］
図３において、１はプローブ、２はカンチレバー、３はカンチレバーの支持体、４は圧電アクチュエータ、８は圧電体、６はコンピュータおよびコントローラである。カンチレバー上に取りつけられた圧電体はプローブが力を受けてカンチレバーがたわむとたわみ量に応じて起電力が変化するものである。６のコンピュータおよびコントローラは、それぞれのカンチレバー上の圧電体の起電力を測定することで、複数のカンチレバーのたわみを独立に検出することができる。６のコンピュータおよびコントローラはそれぞれのカンチレバーのたわみを一定に保つように、４の圧電アクチュエータによって３の支持体を上下に移動させながら試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査スピードを変えずに測定時間を短くすることができる。
【００１０】
［実施の形態４］
図４において、１はプローブ、２はカンチレバー、３はカンチレバーの支持体、４は圧電アクチュエータ、９は光干渉計、６はコンピュータおよびコントローラである。光干渉計のカンチレバー背面へ光を照射する開口部はカンチレバー支持体と一体になって上下に動くようになっている。６のコンピュータおよびコントローラは、それぞれの光干渉計の出力をモニターすることで複数のカンチレバーのたわみを独立に検出することができる。６のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、４の圧電アクチュエータによって３の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【００１１】
［実施の形態５］
図５において１０、１１はそれぞれ、光てこ検出系のポジションセンシティブディテクター(PSD)と光源である。２はカンチレバーで、４は圧電アクチュエータ、１２は線状の光スポットを示している。１０のPSDは受光面での光スポットの位置からカンチレバーのたわみを検出するものである。点光源ではなく、１２に示すように線状の光源を用いることで、複数のカンチレバーに対しても、一つの光源で光てこ検出系を構成することができ、複数のカンチレバーそれぞれのたわみを検出できる。６のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、４の圧電アクチュエータによって３の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【００１２】
［実施の形態６］
図６において１０、１１はそれぞれ、光てこ検出系のPSDと光源である。２はカンチレバーで、４は圧電アクチュエータ、１３は光スポットを示している。１４は変調信号発生器、１５はロックインアンプ、６はコンピュータおよびコントローラである。各カンチレバーに照射する光にそれぞれ周波数の違う変調をかけ、１５のロックインアンプで各カンチレバーへ照射した光と同じ周波数で変調された信号をPSDの出力から検出する。このような構成とすることで、一つのPSDで複数のプローブの変位を検出可能な光てこ検出系を構成することができ、複数のカンチレバーそれぞれのたわみを検出できる。６のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、４の圧電アクチュエータによって３の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【００１３】
［実施の形態７］
図７において１０、１６はそれぞれ、光てこ検出系のPSDと光スポットを走査する手段を持つ光源である。２はカンチレバーで、４は圧電アクチュエータ、１３は光スポットを示している。１７は光スポットを走査するための信号発生器、１８は１０のPSDの出力からそれぞれのカンチレバーのたわみを検出する手段、６はコンピュータおよびコントローラである。この場合、１０のPSDの出力はパルス状になり各パルスの大きさがそれぞれのそれぞれのカンチレバーのたわみを表す。このような構成とすることで、一つのPSDで複数のプローブの変位を検出可能な光てこ検出系を構成することができ、複数のカンチレバーそれぞれのたわみを検出できる。６のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、４の圧電アクチュエータによって３の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【００１４】
［実施の形態８］
図８において１０、１１はそれぞれ、光てこ検出系のPSDと光源である。２はカンチレバーで、４は圧電アクチュエータ、１２は線状の光スポットを示している。１９は変調手段、１４は変調信号発生器、１５はロックインアンプ、６はコンピュータおよびコントローラである。線状の光スポットを照射する光源と、カンチレバーとの間に光を一定の周波数で変調する手段を各カンチレバー上に配置し、それぞれ、周波数を変えて変調する。１５のロックインアンプで各カンチレバーへ照射した光の変調周波数で変調された信号をPSDの出力から検出する。このような構成とすることで、一つのPSDおよび一つの光源で複数のプローブの変位を検出可能な光てこ検出系を構成することができ、複数のカンチレバーそれぞれのたわみを検出できる。６のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、４の圧電アクチュエータによって３の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡において、先端にプローブをもつカンチレバーを複数有することで、走査周波数を変えずに測定時間を短縮することができ、かつ、それぞれのカンチレバーのたわみを検出し、そのたわみを一定に保ちながら試料表面を走査することができるため、各プローブと試料との間に生じる力を制御できるので、プローブと試料の損傷を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図２】実施の形態２で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図３】実施の形態３で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図４】実施の形態４で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図５】実施の形態５で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図６】実施の形態６で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図７】実施の形態７で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図８】実施の形態８で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図９】従来の走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【符号の説明】
１    プローブ
２    カンチレバー
３    カンチレバーの支持体
４    圧電アクチュエータ
５    カンチレバーのたわみ検出器
６    コンピュータおよびコントローラ
７    圧電抵抗体
８    圧電体
９    光干渉計
１０    ポジションセンシティブディテクター(PSD)
１１    光源
１２    線状の光スポット
１３    光スポット
１４    変調信号発生器
１５    ロックインアンプ
１６    光スポットを走査する手段を持つ光源
１７    信号発生器
１８    カンチレバーのたわみを検出する手段
１９    変調手段
２０    XYZトランスレータ
２１    試料ステージ
２２    試料
【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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【図８】
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【図９】
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