ピンセット付き走査型プローブ顕微鏡および搬送方法
【課題】 ピンセットの基板への接触、試料の把持検出、試料の形状測定ができるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡の提供。
【解決手段】ピンセット付き走査型プローブ顕微鏡は、探針部が形成された第１のアームと、第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、開閉駆動電圧が印加され、第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、静電アクチュエータ６が有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により第２のアームを振動させる増幅器９１と利得調整手段９５を有し、第２のアームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部９３とを備える。
【解決手段】ピンセット付き走査型プローブ顕微鏡は、探針部が形成された第１のアームと、第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、開閉駆動電圧が印加され、第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、静電アクチュエータ６が有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により第２のアームを振動させる増幅器９１と利得調整手段９５を有し、第２のアームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部９３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピンセット付き走査型プローブ顕微鏡、および、そのピンセット付き走査型プローブ顕微鏡における試料の搬送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）において、観察機能と把持機能の両方を有するカンチレバーを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。カンチレバーの先端に２本のカーボンナノチューブを固定し、一方のカーボンナノチューブを探針として微小物体の観察に用いる。そして、２本のカーボンナノチューブの先端部を静電力などにより開閉させて、把持を行うようにしている。一方、静電アクチュエータを走査型プローブ顕微鏡の検出器に使用する例が記載されている（例えば、特許文献２参照：非特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５２９００号公報
【特許文献２】特開２００７−９３２３１号公報
【非特許文献１】Katsuyori Suzuki, Kenjiro Ayano, Gen Hashiguchi, IEEJ Trans. SM, P.148, Vol.127, No.3, 2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、カーボンナノチューブを備えた走査型プローブ顕微鏡では試料との接触や試料の把持を検知できず、接触や把持を確認するのが難しかった。また、静電アクチュエータを備える走査型プローブ顕微鏡では、探針が形成されたプローブを一定の微小振幅で感度良く共振振動させるのが困難であるとともに、検出系も複雑であり、走査型プローブ顕微鏡のＺ制御検出器としては実用上問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明によるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡は、探針部が形成された第１のアームと、第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、開閉駆動電圧が印加され、第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により第２のアームを振動させる増幅器と、第２のアームの物体への接触による振動の変化を検出する振動変化検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、自励発振により振動する第２のアームの振幅が非接触時に一定となるように、増幅器の利得を調整する利得調整手段を備えたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、振動状態検出部で検出された振動状態の変化に基づき、第１および第２のアームによる試料の把持を検出する把持検出手段を備えたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、振動状態の変化を、第２のアームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つとしたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、静電アクチュエータは、静止櫛歯電極部と、第２のアームに連結されて第２のアームを駆動する可動櫛歯電極部とを有するものである。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、探針部を観察対象に対して走査する走査手段と、探針部と観察対象との相互作用に関連する振動状態変化を検出する手段と、振動状態変化の量を一定になるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系とを有し、観察対象の形状および位置を測定するようにしたものである。
請求項７の発明は、請求項６に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、第１のアームをその固有振動で観察対象方向に撓み振動させる励振手段を備えたものである。
請求項８の発明によるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡は、第１のアームと、探針部が形成され、第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、開閉駆動電圧が印加され、第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により第２のアームを振動させる増幅器と、自励発振の増幅器の利得を調整する利得調整手段と、第２のアームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部と、探針部を観察対象に対して走査する走査手段とを備えたピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、第２のアームを自励発振による微小振動した状態で観察対象に近接させ、探針部と観察対象との相互作用に関する外力の影響による第２のアームの振動状態の変化が一定となるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系を動作させながら、走査手段による走査を行い、観察対象表面の凹凸情報を得ることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項８に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、振動状態検出部で検出された振動状態の変化に基づき、第１および第２のアームによる試料の把持を検出する把持検出手段を備えたものである。
請求項１０は、請求項８または９に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、振動状態の変化を、第２のアームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つとしたものである。
請求項１１の発明は、請求項６〜１０のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡における試料の搬送方法であって、試料に対して探針部を走査して試料の位置を求め、位置に基づいて第１および第２のアームを試料を挟む位置に移動し、第２のアームを閉じて第１および第２のアームにより試料を把持し、試料を把持した第１および第２のアームを移動して試料を搬送することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第２のアームの振動状態の変化、例えば、共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つを検出することにより、第２のアームによる接触、把持の検出が可能になる。さらに、請求項８の発明によれば、第２アームを静電アクチュエータと自動利得調整機構の付いた増幅器で共振振動させることにより、試料の形状測定が可能となり、従来の光テコ等の変位検出系なしで形状の測定が行える。以上により、ピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、確実な把持と簡便な試料の形状測定が可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
―第１の実施の形態―
図１は本発明によるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の一実施の形態を示す図であり、まず第１のアームで形状観察するための光テコ系を構成する従来と類似の原子間力顕微鏡装置（以下、ＡＦＭ装置と言う）の概略構成を模式的に示す図である。
【０００８】
ＡＦＭ装置１００は、櫛歯駆動型ＡＦＭピンセット１と、レーザ光源２と、フォトダイオード３と、制御部４と、励振部５と、静電アクチュエータ６と、３次元ステージ８と、駆動回路部９とを備えている。なお、フォトダイオード３には、２分割あるいは４分割フォトダイオードが用いられる。ＡＦＭピンセット１は、支持体２５に一体に形成された固定アーム１０および可動アーム２０を有し、後述するように、フォトリソグラフィー技術を利用してＳＯＩウエハを加工することにより形成される。
【０００９】
固定アーム１０は、レバー１０Ａと、レバー１０Ａの先端に設けられた探針部１０Ｂとを有している。ＡＦＭピンセット１を用いてＡＦＭ観察を行う際には、固定アーム１０を観察プローブとして使用する。可動アーム２０は、レバー２０Ａと、レバー２０Ａの先端に設けられた把持部２０Ｂとを有している。ほぼ平行に配置された探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとは、所定間隔を隔てて設けられている。可動アーム２０は、櫛歯型の静電アクチュエータ６により開閉駆動される。
【００１０】
支持体２５は、ＡＦＭ装置１００に設けられたホルダー（不図示）に着脱可能に保持されている。支持体２５が保持されるホルダーは、ＡＦＭ装置１００に設けられた３次元ステージ８に固定される。３次元ステージ８を駆動することにより、ＡＦＭピンセット１の全体を、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向のそれぞれの方向に移動させることができる。なお、支持体２５のホルダーへの装着方法としては、例えば、ホルダーに形成された溝部または凹部に支持体２５をスライドさせて嵌め込んだり、ホルダーに取り付けられた板バネで支持体２５を挟持するなど、種々の方法がある。
【００１１】
上記では、ピンセット側を３次元移動して走査を行う例を示したが、試料側に３次元ステージ８を設けてもよい。また、ＡＦＭピンセット１をＺステージ（アクチュエータ）に取り付け、試料側にＸＹステージ（アクチュエータ）を設けた構造でも良い。いずれの場合も、光テコ系の検出結果に基づいてＺサーボ系を動作させる。
【００１２】
レーザ光源２のレーザ光は固定アーム１０の上面に照射され、その反射レーザ光がフォトダイオード３によって検出される。２分割あるいは４分割フォトダイオード３からの検出信号は、装置全体の制御を行う制御部４に入力される。制御部４は、検出信号に基づいて固定アーム１０の振動状態変化（振幅、周波数、位相などの変化）を算出し、試料の表面形状を演算する。その演算結果はモニタ等（不図示）に表示される。図示していないが、励振部５には、ＡＦＭピンセット１の全体をｚ方向に振動させて固定アーム１０を励振させるためのピエゾ素子と、ピエゾ素子を駆動する駆動部とが設けられている。
【００１３】
図２はＡＦＭピンセット１の概略構造を示す図であり、ＡＦＭピンセット１を裏面側から（−ｚ方向から）見た斜視図である。静電アクチュエータ６は、支持体２５上に固定された櫛歯形状の固定電極６０と、可動アーム２０に連結される櫛歯形状の可動電極６１とを有している。固定電極６０と可動電極６１との間には、駆動回路部９により直流のアーム開閉電圧が印加される。
【００１４】
可動電極６１は、弾性支持部６２によって支持体２５上に支持されている。弾性支持部６２は、連結部材６３によって可動アーム２０に連結されている。そのため、アーム開閉電圧を制御して可動電極６１をｘ方向に駆動すると、可動アーム２０はＡＦＭピンセット１を閉じる方向に駆動される。それによって、探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとの間に試料を把持することができる。
【００１５】
ＡＦＭピンセット１は、探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとの間に試料を把持して搬送するピンセットとしての機能と、試料をＡＦＭ観察する観察プローブの機能とを備えている。探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂは、ｙ方向の長さ、ｘ方向の幅、ｚ方向の高さのすべてが等しく設定されており、それらの形状は、−ｚ方向に先細りとなったウェッジ型形状をしている。
【００１６】
探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの断面形状は直角三角形になっており、裏面側が尖っている。探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの互いに対向する把持面は垂直な平行面となっているので、試料を容易に把持することができる。また、探針部１０Ｂの先端が尖っているので、ＡＦＭ観察がし易い。
【００１７】
《観察動作》
まず、ＡＦＭピンセット１を用いた観察動作について説明する。ＡＦＭ観察を行う場合には、励振部５に設けられたピエゾ素子を駆動して、ＡＦＭピンセット１の全体をｚ方向に振動する。
【００１８】
図３は、探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの拡大図である。励振部５によりＡＦＭピンセット１の全体をｚ方向に振動する場合、振動の周波数を固定アーム１０の固有振動数である共振周波数に設定する。そして、固定アーム１０の共振周波数を、図４に示すように可動アーム２０の共振周波数よりも高く設定することにより、固定アーム１０のみをｚ方向に大きく共振させることができる。
【００１９】
図４は固定アーム１０の共振周波数を説明する図であり、縦軸は振幅を、横軸は周波数をそれぞれ表している。図４において、Ｖ１は固定アーム１０の振動曲線であり、Ｖ２は可動アーム２０の振動曲線である。励振部５により加える振動の周波数がｆ１のときに、固定アーム１０は共振して振幅のピークが発生する。この周波数ｆ１が固定アーム１０の共振周波数である。
【００２０】
一方、可動アーム２０の共振周波数はｆ２であり、周波数ｆ２に振幅のピークが現れる。周波数がｆ２よりも高くなると振幅は急激に小さくなり、可動アーム２０の周波数ｆ１における振幅量ｋは固定アーム１０の振幅に比べてはるかに小さい値となる。このように、固定アーム１０の共振周波数ｆ１が可動アーム２０の共振周波数ｆ２よりも高くなるようにレバー１０Ａ、２０Ａを設計することにより、固定アーム１０のみを大きく振動させることができる。
【００２１】
図３は、固定アーム１０が共振周波数ｆ１で大きく振動している場合を示したもので、探針部１０Ｂの振幅に比べて把持部２０Ｂの振幅は非常に小さい。ＡＦＭ観察においては、図３に示すように探針部１０Ｂを励振させつつＡＦＭピンセット１をＸＹ方向に走査して、観察対象の形状を計測する。この方式は、一般にダイナミックフォースモードと呼ばれる。このとき、固定アーム１０の探針部１０Ｂを試料表面に対して原子オーダーの距離に近接させた上で、上下に振動させながら観察対象の全体を走査する。
【００２２】
試料表面の凹凸により、探針部１０Ｂの先端と観察対象との距離（探針部１０Ｂは振動しているので平均距離）が変化すると、観察対象の表面と探針部１０Ｂとの間の相互作用の変化によってレバー１０Ａの振幅が変化する。この振幅の変化量をレーザ光源２とフォトダイオード（２分割あるは４分割フォトダイオード）３とを利用した光テコ方式の計測方法により測定する。
【００２３】
光テコ方式の計測方法では、図１に示したように、レーザ光源２からのレーザ光をレバー１０Ａの上面に入射させ、レバー１０Ａの上面からの反射光を受光部であるフォトダイオード３で受光する。フォトダイオード３は、その受光位置に応じた検出信号を制御部４へ送出する。制御部４は、２分割あるいは４分割フォトダイオードで構成されるフォトダイオード３からの検出信号に基づいてレバー１０Ａの振動状態の変化量を算出し、さらに、振動状態の変化量を一定になるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系を動作させながら、観測対象の試料表面をXY走査することにより、表面形状（表面凹凸像）を得ている。この表面形状は不図示のモニタ等に表示される。
【００２４】
《把持動作》
次に、把持動作について説明する。本実施の形態のＡＦＭピンセット１では、上述したように直流のアーム開閉電圧を印加し、その電圧値を制御することで可動アーム２０の開閉動作を行うようにしている。さらに、静電アクチュエータ６を自励発振させて可動アーム２０を微小振動させ、試料を把持した際の微小振動状態の変化によりＡＦＭピンセット１による把持を検出するようにした。
【００２５】
まず、アーム開閉電圧により電気系と機械系とが結合された静電アクチュエータ６が、交流電圧を印加することにより所定の振動数で発振すること、すなわち、静電アクチュエータ６が振動子として機能することを説明する。
【００２６】
図５は、静電アクチュエータ６における電気・機械結合系の等価回路を示す図である。一般に、電気・機械結合系においては、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの保存則が成立し、ここでは、アーム開閉電圧が小さく、可動電極６１の変位量や電荷量の変動は小さいとしてモデル化して考える。
【００２７】
固定電極６０および可動電極６１の各対向部は複数の凹凸が形成された櫛歯形状になっており、電極６０，６１は一方の凸部が他方の凹部に入り込むように配置されている。電極間に生じる静電容量Ｃ０は、各凹凸間の容量の総和であるトータルの静電容量を表している。また、ｍは可動部（可動アーム２０および可動電極６１）の質量、ｋはバネ定数、ｒｆは機械抵抗、ｖは可動部の振動速度を表している。Ａは、アーム開閉電圧Ｅ０を印加することによる機械系と電気系との間の結合係数である。振動を励起するための交流電圧を印加すると、電気系に電流ｉ２が流れて静電アクチュエータ６が駆動される。
【００２８】
図５の等価回路で示される静電アクチュエータ６に関して、線形近似基本方程式は式（１），（２）のように表される。なお、ＣＳは浮遊容量であり、図５の等価回路のＣ０をＣ０＋ＣＳと置き換えて式を立てた。
ｉ１＝ｊω（Ｃ０＋ＣＳ）ｅ１＋（Ｅ０Ｃ０／Ｘ０）ν１ （１）
ｆ１＝ｊωｍν１＋ｒｆν１＋ｋν１／ｊω＋Ｅ０Ｃ０ｅ１／Ｘ０ （２）
但し、ｉ１は交流電流値、ｅ１は入力交流電圧の振幅、ν１は可動部の振動速度であり、ｆ１は可動部に作用する外力を表している。また、Ｘ０は初期状態の櫛歯間距離である。
【００２９】
式（１），（２）より、外力が零の場合、静電アクチュエータ６のアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と角周波数ωとの関係は式（３）のように表すことができる。ここで、Ａ＝Ｅ０Ｃ０／Ｘ０である。
【数１】
【００３０】
図６は、アドミッタンス値｜Ｙ｜の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示したものである。このアドミッタンス曲線は、電気・機械結合系の特性曲線になっている。一方、｜Ｙ｜＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）で表される直線（破線）は、機械系がない電気系のみの場合の特性曲線であり、式（３）において次式（４）が成り立つ場合の特性曲線を表している。
Ａ２−２ω（Ｃ０＋ＣＳ）（ωｍ−ｋ／ω）＝０ （４）
【００３１】
式（４）を満たす角周波数ωを発振角周波数ω１と呼ぶと、発振角周波数ω１は、アドミッタンス曲線と｜Ｙ｜＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）で表される直線との交点における角周波数である。発振角周波数ω１は共振角周波数ω０に近い値であり、発振角周波数ω１で静電アクチュエータ６を駆動すると、上述したように機械系の特性がキャンセルされ、電気系のみのアドミッタンス計測が可能となる。
【００３２】
なお、共振角周波数ω０は、アドミッタンス曲線のピーク角周波数をωｐより僅かに高いところに位置しており、アドミッタンス曲線のピーク角周波数をωｐ、凹カーブを示す部分のボトムの角周波数をωｂとすれば、共振角周波数ω０と発振角周波数ω１との関係は、式（５）で表すことができる。
【数２】
【００３３】
このように、静電アクチュエータ６は共振回路として機能することが解った。そこで、本実施の形態では、静電アクチュエータ６と増幅器とを用いて自励発振駆動機構を構成するようにした。
【００３４】
図７は、静電アクチュエータ６を駆動するための駆動回路部９を示したブロック図である。本図において、静電アクチュエータ６は、櫛歯ドライブ（COMB-DRIVE）が本来的に有しているＬ，Ｃ,Ｒ共振回路に基づいて描いてある。すなわち、櫛歯ドライブ（COMB-DRIVE）を受動２端子素子とみなして駆動回路９を示したのが図７である。
【００３５】
駆動回路部９は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を帰還回路として有する増幅器９１と、増幅器９１の出力電圧Ｖ０を基準電圧Ｖｒと比較してゲイン制御電圧Ｖｃを発生するＡＧＣ（自動ゲイン制御）回路９５と、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６に対してバイアス直流電圧Ｅ０を印加するＤＣ電源９２を含んでいる。このバイアス印加用ＤＣ電源９２は、静電アクチュエータの機能に着目した場合、「アーム開閉用ＤＣ電源」と呼ぶことができる。
【００３６】
櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を増幅器９１の帰還回路に挿入する際、本実施の形態では、以下の点に注意を払っている。
【００３７】
第１に、バイアス直流電圧Ｅ０を印加するＤＣ電源９２の内部抵抗は非常に小さいので、帰還信号がＤＣ電源９２側を通過しないようにする必要がある。そこで、本実施の形態では、高抵抗ＲhighをＤＣ電源と直列に挿入してある。このことにより、バイアス用ＤＣ電源９２が帰還パスに影響を与えないようにしている。
【００３８】
第２に、バイアス印加用ＤＣ電源９２が、増幅器９１を含んだ回路系統からＤＣ回路としてフローティング状態にすると同時に、増幅器９１の端子（出力端子＆入力端子）にＤＣ電圧が直接印加されないよう、ブロッキング・コンデンサＣＢを挿入してある。
【００３９】
次に、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６における各端子の電圧Ｖ１，Ｖ２について説明する。電圧Ｖ１は、増幅器９１におけるＤＣバイアス回路の設計値により得られる値であり、一般的に、片電源電圧（＋Ｂ）のみを用いる場合には、Ｖ１＝＋Ｂ／２とする。他方、両電源電圧（±Ｂ）を用いる場合には、Ｖ１＝０とする。
【００４０】
電圧Ｖ２は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６の等価回路から明らかなようにＤＣ電流を通過させないので、Ｖ２＝Ｅ０となる。ここでＥ０は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６に対して印加されているバイアス直流電圧Ｅ０である。このようにして設定された電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差に従って、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６が開閉される。換言すると、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を開閉するために必要な端子間電位差は、｜Ｖ１−Ｖ２｜である。
【００４１】
静電アクチュエータ６の電極６０，６１には、アーム開閉用ＤＣ電源９２によりアーム開閉電圧Ｅ０が印加される。このアーム開閉電圧Ｅ０を制御することで、可動アーム２０の開閉動作が行われる。増幅器９１からの出力信号は、接触／把持検出回路９３に供給される。接触／把持検出回路９３は、試料の接触状態あるいは把持状態を検出するために、例えば電圧コンパレータあるいは周波数コンパレータを内蔵している（図示せず）。すなわち、電圧コンパレータを用いて増幅器９１の出力電圧値をモニタすることにより、試料の接触／把持を検出する。周波数コンパレータを用いた場合には、増幅器９１から出力される信号の周波数をモニタすることにより、試料の接触／把持を検出する。
【００４２】
増幅器９１と櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６とで発振回路を構成することにより、静電アクチュエータ６に電圧を印加すると可動アーム２０は共振周波数で振動することになる。この振動している可動アーム２０が試料や他の物に接触すると等価回路のＲ，Ｃ，Ｌが変化し、振動の振幅および周波数が変化する。本実施の形態では、この振動・周波数の変化を接触／把持検出回路９３で検出することにより、可動アーム２０による試料の把持や、試料が載置されている基板面等への可動アーム２０の接触を検出するようにした。
【００４３】
しかしながら、アーム開閉電圧を変えて可動アーム２０の開閉動作を行うと、アーム開閉電圧の大きさによって、すなわち、可動アーム２０の開き具合によって振動の振幅および周波数が変化することが分かった。また、十分な接触検出の精度を得るためには、可動アーム２０の振幅を１００ｎｍ程度まで小さくする必要がある。しかし、振幅が小さくなると空気の粘性等が原因して振動が不安定になり、不安定から振幅が小さくなった場合でも把持と誤判定してしまうおそれがあった。また、外来電気雑音に起因して、動作が不安定になる場合もあった。
【００４４】
そこで、本実施の形態では、ＡＧＣ回路９５により増幅器９１の利得を調整することで、アーム開閉によって入力Ｖ１が変化しても、増幅器９１からの出力電圧Ｖ０が一定となるようにした。そのため、ＡＦＭピンセット１が何も把持していないフリーな状態では、可動アーム２０は一定の振幅で振動するようになる。但し、接触／把持検出回路９３により上記接触あるいは把持の状態を検出可能とするために、ＡＧＣ回路９５が有しているゲイン制御機能は、予め適切な値に設定しておく。このゲイン設定については、設計事項であるので詳細な記載は省略する。
【００４５】
図７では、増幅器９１に電圧制御型可変利得増幅器を使用し、出力レベル検出器（図示せず）、誤差検出回路（図示せず）および制御回路（図示せず）によりＡＧＣ回路９５を構成するようにした。すなわち、増幅器９１の出力電圧Ｖ０を出力レベル検出器（図示せず）で監視し、出力レベル検出器（図示せず）から出力される直流電圧と予め設定されている基準電圧Ｖｒとを誤差検出回路（図示せず）で比較する。誤差検出回路（図示せず）は、比較結果として誤差信号ｋを制御回路（図示せず）に出力する。制御回路（図示せず）は、誤差信号ｋ（図示せず）がゼロとなるようなゲイン制御電圧Ｖｃを増幅器９１の制御端子に供給する。増幅器９１は、入力されたゲイン制御電圧Ｖｃに応じた利得で入力電圧Ｖ１を増幅し、出力電圧Ｖ０を出力する。本実施の形態では、出力電圧Ｖ０の増加に伴ってゲイン制御電圧Ｖｃを大きくし、増幅器９１の利得が小さくなるように制御して出力電圧Ｖ０が一定になるように制御する。
【００４６】
図８は、ＡＧＣ回路９５の一例を示したものである。増幅器９１の出力電圧Ｖ０は全波整流され、後段のオペアンプからは全波整流した電圧と基準電圧−Ｖｒとを比較した結果ゲイン制御電圧Ｖｃが出力される。ゲイン制御電圧ＶｃはＦＥＴ９７のゲートに入力され、ゲート電圧を変化させることで増幅器９１の利得を変化させる。ゲイン制御電圧Ｖｃは誤差信号ｋがゼロになるように制御されるので、一定振幅の出力電圧Ｖ０が得られることになる。
【００４７】
図９はＡＧＣ機能を説明する図であり、アーム開閉電圧Ｅ０およびゲイン制御電圧Ｖｃを変えたときの可動アーム２０の振幅を、レーザードップラー振動計を用いて測定したデータである。縦軸は振幅、横軸はゲイン制御電圧Ｖｃを示しており、４種類の開閉電圧１６，１８，２０，２２Ｖに対して曲線Ｌ１〜Ｌ４が得られた。例えば、ゲイン制御電圧ＶｃをＶｃ＝１Ｖに固定してＡＧＣ機能を働かせなかった場合、開閉電圧を１６Ｖに設定すると可動アーム２０の振幅は約３μｍとなり、開閉電圧を１８Ｖに増加して可動アーム２０を閉じると振動の振幅は約７μｍに増加する。
【００４８】
そこで、アーム開閉に関わらず振幅を一定に保つためには、開閉電圧の変化に同期してゲイン制御電圧Ｖｃを変化させれば良い。例えば、開閉電圧を１６Ｖ、１８Ｖ、２０Ｖと変化させてアームを閉じる場合に、その変化に同期させてゲイン制御電圧Ｖｃを１Ｖ、１．２Ｖ、１．３Ｖと変化させることで、振幅を約３μｍに保持することができる。
【００４９】
可動アーム２０が振動しながら試料や他の物に接触したり、可動アーム２０で試料を把持したり、可動アーム２０と固定アーム１０が接触するまで閉じたりすると、等価回路のＲ，Ｃ，Ｌが変化して振動の振幅や周波数が変化するので、その変化を接触／把持検出回路９３で検出する。例えば、接触前後において、出力電圧Ｖ０は図１０（ａ）の状態から図１０（ｂ）に示す状態へと変化する。この出力電圧Ｖ０を直流信号に変換してその大きさを基準値と比較し、基準値以下となったならば接触状態や把持状態となったと判断する。
【００５０】
また、可動アーム２０が試料に接触したり、試料を把持したりすると、可動アーム２０の振幅を所定値に維持しようとＡＧＣ回路９５が働き、増幅器９１の制御端子に供給されるゲイン制御電圧Ｖｃが変化する。そこで、増幅器９１に供給されるゲイン制御電圧Ｖｃの変化から振動の変化を検出し、それによって接触を検出するようにしても良い。ゲイン制御電圧Ｖｃの変化は振幅や周波数の変化に先立って検出されるので、より高感度な接触検出ができる。
【００５１】
図７に示した駆動回路部９および接触／把持検出回路９３は、振動振幅を検出することにより櫛歯ドライブの接触・把持状態を検出するものである。しかし、櫛歯ドライブの接触・把持状態を検出するためには、周波数検出に基づいて接触・把持状態を検出すること、あるいは位相検出に基づいて接触・把持状態を検出することも可能である。以下、周波数検出系を備えた接触・把持検出回路、および、位相検出系を備えた接触・把持検出回路について説明する。
【００５２】
図１１は、振動周波数検出系を備えた接触・把持検出回路である。本図において、図７と同様の構成要素には、図７と同様の符号を付してある。本図では、図７と異なり、増幅器９１の正帰還路中にバンドパスフィルタＢＰＦおよび位相シフタＰＳを含んでいる。位相シフタＰＳを調整することにより、発振周波数の微調整を行うことができる。ＦＭデモジュレータＦＭＤＭは、基準周波数ｆ０に対する周波数シフト量を検出して周波数偏差信号を出力する。この周波数偏差信号は接触／把持検出回路９３Ａに入力され、図示されていない閾値回路による判定結果に基づいて、試料との接触あるいは把持状態が検出される。
【００５３】
図１２は、位相検出系を備えた接触・把持検出回路である。本図において、図７と同様の構成要素には、図７と同様の符号を付してある。本図では、上記図１１の場合と同様、増幅器９１の正帰還路中にバンドパスフィルタＢＰＦおよび位相シフタＰＳを含んでいる。位相シフタＰＳを調整することにより、発振周波数の微調整を行うことができる。本図では、位相検出器ＰＨＤＥＴを備えており、予め調整した任意の位相（フリー状態の位相を用いる）を零位相として、位相シフト量を電圧に変換する。位相検出器ＰＨＤＥＴの出力信号は接触／把持検出回路９３Ｂに入力され、図示されていない閾値回路による判定結果に基づいて、試料との接触あるいは把持状態が検出される。
【００５４】
《試料搬送動作》
上述した動作説明では、ＡＦＭ観察動作および把持動作を個別に説明したが、実際には、ＡＦＭ観察と把持動作との両方を行うことで試料搬送動作を行う。図１３，１４は試料搬送動作における一連の動作を説明する図である。なお、図１３，１４では、ＡＦＭピンセット１の先端部（探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂ）のみを示した。
【００５５】
まず、アーム開閉電圧を印加しないで可動アーム２０を開いた状態とするとともに、励振部５を駆動して励振により固定アーム１０を振動させる。そして、図１３（ａ）に示すように、固定アーム１０を振動させつつＡＦＭピンセット１を降下させる。試料３００が載置されている台３０２を検出したならば、ＡＦＭピンセット１の降下を停止する。
【００５６】
その後、図１３（ｂ）に示すように台３０２上を固定アーム１０で走査し、試料３００を探す。すなわち、台３０２上をＡＦＭ観察する。破線Ｌは探針部１０Ｂの先端の軌跡を示しており、走査により試料３００の形状が観察され、試料３００の位置を検出することができる。
【００５７】
固定アーム１０の走査により試料３００の位置が検出されたならば、図１３（ｃ）に示すようにＡＦＭピンセット１を台３０２から上昇させた後、探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂを試料３００の上方に移動する。この場合、試料３００の位置が探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとの間に来るように移動する。探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂを試料３００の上方に移動したならば、図１４（ａ）に示すように、台３０２を検出するまでＡＦＭピンセット１を降下させる。台３０２を検出したならば、降下を停止する。
【００５８】
次いで、励振部５を停止して固定アーム１０の振動を止めるとともに、アーム開閉電圧を印加する。アーム開閉電圧の印加により静電アクチュエータ６が発振し、図１４（ｂ）に示すように可動アーム２０が開閉方向に振動する。そして、アーム開閉電圧を上昇させて、可動アーム２０を閉じるように駆動する。
【００５９】
把持部２０Ｂが試料３００に接触すると、接触時の振幅変化から接触したことが検出される。さらに、図１４（ｃ）に示すように、試料３００が探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとの間に把持されると、把持部２０Ｂの動きが拘束されて振幅が小さくなり、可動アーム２０の振動が止まる。振動が止まったことが検出されたならば、すなわち把持が検出されたならば、アーム開閉電圧の上昇を停止して把持検出時の電圧に保持する。その後、３次元ステージ８を駆動して、図１４（ｄ）に示すように試料３００を把持した状態でＡＦＭピンセット１を移動し、試料３００を所望の位置へと搬送する。
【００６０】
《製造方法》
次に、図１に示したＡＦＭピンセット１の製造方法について説明する。ＡＦＭピンセット１は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。後述するように、支持体２５は、ＳＯＩウエハを構成する上部Ｓｉ層、ＳｉＯ２層および下部Ｓｉ層で形成されている。固定アーム１０、可動アーム２０、静電アクチュエータ６は、上部Ｓｉ層に形成される。本実施の形態では、上部Ｓｉ層、ＳｉＯ２層および下部Ｓｉ層の厚さが順に６μｍ，１μｍ，３００μｍであるＳＯＩウエハが用いられているが、このような寸法組み合わせに限定されるものではない。
【００６１】
図１５〜２１は、本実施の形態のＡＦＭピンセット１の製造工程を示す図であり、工程ａからｇまで順に処理される。図１５の（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ａ１）は斜視図、（ａ２）は断面図である。工程ａでは、上部Ｓｉ層３１、ＳｉＯ２層３２および下部Ｓｉ層３３から成るＳＯＩウエハ３０を用意し、上部Ｓｉ層３１の上に厚さ５０ｎｍの窒化珪素（ＳｉＮ）膜３４を形成する。なお、ＳＯＩウエハ３０の上部Ｓｉ層３１は、表面がＳｉ単結晶の主面Ｓｉ（００１）となるように構成されている。
【００６２】
図１５の（ｂ１）および（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｂ１）は斜視図、（ｂ２）はＲ−Ｒ断面図である。工程ｂでは、図１６に示すマスクＭ１を用いて、Ｃ２Ｆ６によるＲＩＥ(Reactive Ion Etching)でＳｉＮ膜３４を部分的にエッチング除去し、上部Ｓｉ層３１の一部（白抜きの領域Ａ１）を露出させる。ＳｉＮ膜３４がエッチング除去された領域Ａ１は、固定アーム１０、可動アーム２０、静電アクチュエータ６が形成される領域である。これら固定アーム１０、可動アーム２０の先端が延在する方向には、上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向を選んでいる。
【００６３】
なお、図１６に示したマスクＭ１は支持体２５の領域も含めたマスクとなっており、図１５（ｂ１）に示す部分は、図１６のＲ１−Ｒ１線よりも上側の領域が関係している。以下の説明では、Ｒ１−Ｒ１線よりも上側の領域について説明する。
【００６４】
図１５の（ｃ１），（ｃ２）に示す工程ｃでは、領域Ａ１の上部Ｓｉ層３１の表面に厚さ０．１μｍの酸化膜３５を形成する。酸化方法にはウェット酸化法（水蒸気酸化）を用いている。
【００６５】
図１７の（ａ１），（ａ２）は工程ｄを説明する図であり、（ａ２）は（ａ１）のＲ２−Ｒ２断面図である。また、図１７（ａ１）に示した部分は、図１８に示すマスクＭ２のＲ３−Ｒ３線より上部領域に対応している。工程ｄでは、図１８に示すマスクＭ２を用いて、ＡＦＭピンセット１の外形のパターニングを行う。なお、櫛歯形状もここの工程で形成する。パターニング後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively coupled plasma - Reactive Ion Etching）によりＳｉＯ２層３２までエッチングを行う。このエッチングにより、固定アーム１０と可動アーム２０の先端となる箇所に細いスリットＳＬ１（上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向）が形成される。このスリットＳＬ１は基板面に対して垂直にエッチングされる。
【００６６】
図１７の（ｂ１），（ｂ２），（ｂ３）は工程ｅを説明する図であり、（ｂ２）は（ｂ１）のＲ４−Ｒ４断面図、（ｂ３）は（ｂ１）のＲ５−Ｒ５断面図である。工程ｅでは、露出している上部Ｓｉ層３１をウェット酸化法で酸化する。その後、図１９の（ａ１），（ａ２）に示す工程ｆにおいて、ＳｉＮ膜３４をＣ２Ｆ６によるＲＩＥでエッチング除去し、ＳｉＮ膜３４の下層に残っている上部Ｓｉ層３１を露出させる。なお、図１９（ａ２）はＲ６−Ｒ６断面図である。
【００６７】
なお、ウェット酸化で形成された酸化膜３５は、このエッチングの際の上部Ｓｉ層３１の保護膜として機能する。このときのＲＩＥ条件としてＣ２Ｆ６のガス圧力を高めることで、ＳｉＮ膜３４と酸化膜３５の選択比を調整し、図１９（ａ２）に示すようにＳｉＮ膜３４だけを除去する。その結果、保護のため形成した酸化膜３５は残り、ＳｉＮ膜３４の下の上部Ｓｉ層３１のみが露出される状態になる。
【００６８】
図１９の（ｂ１），（ｂ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ２）はＲ７−Ｒ７断面図である。工程ｇでは、露出した上部Ｓｉ層３１に対して、３０％ＫＯＨ水溶液を用いて異方性エッチングする。酸化膜で保護された箇所はエッチングされず、上部Ｓｉ層３１のみが異方性エッチングされて斜面３１０が形成される。その結果、三角形の断面形状を有する探針部１０Ｂ，把持部２０Ｂに相当する部分が形成される。前述したように、上部Ｓｉ層３１の表面を単結晶Ｓｉの主面（００１）に選んでいるので、異方性エッチングによって形成される斜面３１０は単結晶Ｓｉの｛１１１｝面になっている。
【００６９】
次いで、図２０（ａ）に示すマスクＭ３を用いたＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングを行い、不要部を除去する。その後、酸化膜をエッチング除去する。このマスクＭ３を用いたエッチングにより、探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの長さを調節することができる。最後に、図２０（ｂ）に示すマスクＭ４を用いてＳＯＩウエハの裏面から下部Ｓ１層３３側の不要部分をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチング除去する。このエッチングはＳｉＯ２層３２で停止する。そして、フッ酸溶液によりＳｉＯ２層の不要部分を除去すれば、図２１に示すような静電駆動型ＡＦＭピンセット１の形状（裏面側から見た形状）となる。
【００７０】
上記の製造工程では、１個のＡＦＭピンセット１についての一連の作製手順を説明したが、実際の製造工程は、ＳＯＩウエハ単位で行われる、いわゆるバッチ処理である。このバッチ処理では、フォトリソグラフィー法により、１枚のＳＯＩウエハから多数のＡＦＭピンセット１を一括で作製することができ、大幅な製造コストの削減をもたらすものである。
【００７１】
上述したように、第１の実施の形態では、ＡＦＭピンセット１の可動アーム２０を開閉駆動することで、固定アーム１０と可動アーム２０との間に試料等を把持することができるとともに、固定アーム１０を用いてＡＦＭ観察を行うことができる。さらに、可動アーム２０を静電アクチュエータ６で振動させ、その可動アーム２０が試料に接触したときの振動状態の変化（例えば、振幅の変化あるいは周波数の変化あるいは位相の変化など）を検出することにより、ＡＦＭピンセット１による把持の検出が可能となった。
【００７２】
また、ＡＦＭピンセット観察時にＡＦＭピンセット１をステージ方向に降下動作をする際に、振動状態の変化により試料またはステージへの接近や接触を検知することができるので、降下させすぎてアームを破損するようなことを防止することができる。さらに、ＡＧＣ回路９５を設けたことで、外乱により振動が不安定となるのを防止することができ、振動振幅を小さくして接触検出や把持検出の精度を向上させることができる。
【００７３】
また、ＡＦＭ観察動作と把持動作と組み合わせて用いることで、微小試料の検出と、検出した微小試料を把持して所望の位置に搬送する動作とを一括して行うことができ、作業効率の向上を図ることができる。
【００７４】
なお、固定アーム１０によるＡＦＭ観察の観察モードとして、ダイナミックフォースモードに限定して説明したが、コンタクトモードで観察する方式も適用できる。この場合、固定アーム１０の下端の位置を、可動アーム２０の下端の位置よりもわずかに下方となるように形成して、固定アーム１０によるＡＦＭ観察に支障がないようにする。あるいは、可動アーム２０をバイモルフ構造のリフトアップ機構に接続し、試料観察時は、バイモルフを駆動して可動アーム２０を試料から離れるようにしてもよい。バイモルフ構造も上記プロセスで製作することができる。
【００７５】
―第２の実施の形態―
図２２は本発明によるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡の第２実施の形態を示す図である。上述した第１の実施の形態では、固定アーム１０の先端を探針として用い、固定アーム１０の振動状態の変化（振幅変化、周波数変化、位相変化）を光テコ系により検出し、その検出信号に基づいてＡＦＭ観察の際のＺサーボ系を動作させた。一方、第２の実施の形態では、静電アクチュエータ６により共振振動する可動アーム２０を用いてＡＦＭ観察を行うようにした。そのため、図２２では、図１に記載されていた形状観察のための光テコ系（レーザ光源２、フォトダイオード３）よび励振部５が不要である。櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を駆動するための駆動回路部の主要構成部分は、第１の実施の形態と同様である（図７の駆動回路部９参照）。
【００７６】
前述したように可動アーム２０を、その機械的共振周波数で共振振動させる。この共振の振幅は、静電アクチュエータ６のＱ値と静電アクチュエータ６のばね定数と増幅器９１とＡＧＣ回路９５から構成される正帰還系の利得（励振電圧）によって決定される。可動アーム２０は、構造上試料面に対して平行方向（横方向）に振動している。従って、ＡＦＭの像分解能とＺ方向の検出感度を得るために、できるだけ小さな振動振幅（例えば振幅０．１〜１００ｎｍ）で持続的振動を行うようにＡＧＣ回路９５を調整する必要がある。
【００７７】
ここで、図７に示したＡＧＣ回路９５の制御出力Ｖｃを用いて、Ｚサーボ制御について説明する。図２３は、上記制御出力ＶｃをＺ軸制御信号としてピエゾ素子を駆動する際の構成を模式的に示した図である。すなわち、既定のセットポイント値と比較するために、Ｚ軸制御信号（Ｖｃ）をコンパレータＣＯＭＰに入力する。その後、ＰＩＤ制御器および高圧電源を介してピエゾ素子を駆動する。このピエゾ素子は、図２２の３次元ステージ中のＺステージと同等の動作を行う。なお、Ｚ信号およびＸ，Ｙ信号に基づいて画像表示を行う手法については、本発明と直接関係がないので、詳細な説明は省略する。
【００７８】
振動状態の可動アーム２０を試料面に近接させると、可動アーム２０の横方向の振動振幅は、試料と可動アーム２０の先端に働く横方向の相互作用力（シアフォース）により減衰を受ける。この横方向振動の振幅減衰量が一定になるように図２３に示すＺサーボ系を制御して、探針・試料間の距離制御を行う。この制御信号とＸＹステージ走査信号（記載していない）より、試料の３次元形状信号が得られる。また静電櫛歯アクチュエータの機械的剛性が低い場合は静電櫛歯アクチュエータの高次の共振モードも利用できる。
【００７９】
振幅のズレ量を検出することによる構成は上述した通りであるが、同様に第２のアームを試料面に近接させると、横方向振動の周波数、あるいは、位相にずれが生じる。これらのずれ量を検出して電圧に変換し、ずれ量が一定となるようにZサーボ系を動作させることにより、同様に試料の形状が求まる。
【００８０】
図２４は、周波数検出系の回路構成に基づいてＺサーボ出力を得るための回路構成図である。本図は、先に説明した図１１と同様の回路構成を有しているので、詳細な説明は省略する。ここでは、ＦＭデモジュレータＦＭＤＭから出力された周波数偏差信号をＺサーボ出力として用いる。このＺサーボ出力により、Ｚデータ信号を形成する。
【００８１】
図２５は、位相検出系の回路構成に基づいてＺサーボ出力を得るための回路構成図である。本図は、先に説明した図１２と同様の回路構成を有しているので、詳細な説明は省略する。ここでは、位相検出器ＰＨＤＥＴから出力された位相シフト量検出信号をＺサーボ出力として用いる。このＺサーボ出力により、Ｚデータ信号を形成する。
【００８２】
上述した第２の実施の形態では、可動アーム２０を共振振動させて、その振動状態の変化を検出することでＡＦＭ観察を行うようにした。その結果、図１に示した光テコ系および励振部５が（レーザ２、フォトダイオード３）不要となり、装置構成の簡素化およびコスト低減を図ることができる。さらに、ＡＧＣ回路９５により利得調整を行うことにより外乱による振動振幅の変化を低減するようにしたので、環境変化に関わらず持続的振動を行わせることができる。なお、振動状態変化による試料の接触および把持検出に関しては、上述した第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００８３】
一方、上述した特許文献２や非特許文献１に記載の従来の走査型プローブ顕微鏡では、静電アクチュエータを走査型プローブ顕微鏡の検出器に使用しているが、第２の実施の形態のようなＡＧＣ機能を有していない。静電アクチュエータは微小なアクチュエータであり、空気の流れなどの外乱の影響を非常に受けやすい。そのため、プローブを一定の微小振幅で感度良く振動させるのが困難であった。一方、本実施の形態では、ＡＧＣ回路９５を設けたことにより、このような問題を解決することができるようになった。
【００８４】
なお、上述した第２の実施の形態では、ＡＦＭピンセット１の可動アーム２０をＡＦＭ観察に用いる構成であったが、非特許文献１に記載のようなＡＦＭ用プローブを静電アクチェータ６で振動させる構成とし、それに本実施の形態のようなＡＧＣ回路を設け、振動の振幅の変化あるいは周波数の変化あるいは位相の変化が一定となるようにＺサーボ系を動作させるようにしても良い。この場合、把持機能は有していないが、ＡＦＭ観察に関しては第２の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができる。
【００８５】
上述した実施の形態では、シリコン基板を加工してＡＦＭピンセット１を形成したが、このような形成方法に限らず、種々の形成方法によりＡＦＭピンセット１を形成しても良い。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本実施の形態におけるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】ＡＦＭピンセット１の概略構造を示す図である。
【図３】探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの拡大図である。
【図４】固定アーム１０の共振周波数を説明する図である。
【図５】静電アクチュエータ６における電気・機械結合系の等価回路を示す図である。
【図６】アドミッタンス値｜Ｙ｜の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。
【図７】駆動回路部９を説明するブロック図である。
【図８】ＡＧＣ回路９５の一例を示す図である。
【図９】開閉電圧およびゲイン制御電圧Ｖｃを変えたときのアーム３Ａ，３Ｂの振幅の測定データを示す図である。
【図１０】接触前後における出力電圧Ｖ０の一例を示す図であり、（ａ）は接触前の信号を、（ｂ）は接触後の信号をそれぞれ示す。
【図１１】振動周波数検出系を備えた接触・把持検出回路を示す図である。
【図１２】位相検出系を備えた接触・把持検出回路を示す図である。
【図１３】試料搬送動作を説明する図であり、（ａ）は降下動作を、（ｂ）は走査動作を、（ｃ）は移動動作をそれぞれ示す。
【図１４】試料搬送動作を説明する図であり、（ａ）は降下動作を、（ｂ）は閉駆動動作を、（ｃ）は把持動作を、（ｄ）は搬送動作をそれぞれ示す。
【図１５】（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｃ１），（ｃ２）は工程ｃを説明する図である。
【図１６】マスクＭ１を示す図である。
【図１７】（ａ１），（ａ２）は工程ｄを説明する図であり、（ｂ１）〜（ｂ３）は工程ｅを説明する図である。
【図１８】マスクＭ２を示す図である。
【図１９】（ａ１），（ａ２）は工程ｆを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｇを説明する図である。
【図２０】（ａ）はマスクＭ３を示す図で、（ｂ）はマスクＭ４を示す図である。
【図２１】最終的なＡＦＭピンセット１を示す図である。
【図２２】本実施の形態におけるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡の第２の実施の形態を示す図である。
【図２３】ＡＧＣ回路から出力される制御出力ＶｃをＺ軸制御信号としてピエゾ素子を駆動する際の構成を模式的に示した図である。
【図２４】周波数検出系の回路構成に基づいてＺサーボ出力を得るための回路構成図である。
【図２５】位相検出系の回路構成に基づいてＺサーボ出力を得るための回路構成図である。
【符号の説明】
【００８７】
１：ＡＦＭピンセット、２：レーザ光源、３：２あるいは４分割フォトダイオード、４：制御部、５：励振部、６：静電アクチュエータ、８：３次元ステージ、９：駆動回路部、１０：固定アーム、１０Ｂ：探針部、２０：可動アーム、２０Ｂ：把持部、６０：固定電極、６１：可動電極、９１：増幅器、９３：接触／把持検出回路、９５：ＡＧＣ回路、１００：ＡＦＭ装置、３００：試料、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピンセット付き走査型プローブ顕微鏡、および、そのピンセット付き走査型プローブ顕微鏡における試料の搬送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）において、観察機能と把持機能の両方を有するカンチレバーを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。カンチレバーの先端に２本のカーボンナノチューブを固定し、一方のカーボンナノチューブを探針として微小物体の観察に用いる。そして、２本のカーボンナノチューブの先端部を静電力などにより開閉させて、把持を行うようにしている。一方、静電アクチュエータを走査型プローブ顕微鏡の検出器に使用する例が記載されている（例えば、特許文献２参照：非特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５２９００号公報
【特許文献２】特開２００７−９３２３１号公報
【非特許文献１】Katsuyori Suzuki, Kenjiro Ayano, Gen Hashiguchi, IEEJ Trans. SM, P.148, Vol.127, No.3, 2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、カーボンナノチューブを備えた走査型プローブ顕微鏡では試料との接触や試料の把持を検知できず、接触や把持を確認するのが難しかった。また、静電アクチュエータを備える走査型プローブ顕微鏡では、探針が形成されたプローブを一定の微小振幅で感度良く共振振動させるのが困難であるとともに、検出系も複雑であり、走査型プローブ顕微鏡のＺ制御検出器としては実用上問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明によるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡は、探針部が形成された第１のアームと、第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、開閉駆動電圧が印加され、第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により第２のアームを振動させる増幅器と、第２のアームの物体への接触による振動の変化を検出する振動変化検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、自励発振により振動する第２のアームの振幅が非接触時に一定となるように、増幅器の利得を調整する利得調整手段を備えたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、振動状態検出部で検出された振動状態の変化に基づき、第１および第２のアームによる試料の把持を検出する把持検出手段を備えたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、振動状態の変化を、第２のアームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つとしたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、静電アクチュエータは、静止櫛歯電極部と、第２のアームに連結されて第２のアームを駆動する可動櫛歯電極部とを有するものである。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、探針部を観察対象に対して走査する走査手段と、探針部と観察対象との相互作用に関連する振動状態変化を検出する手段と、振動状態変化の量を一定になるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系とを有し、観察対象の形状および位置を測定するようにしたものである。
請求項７の発明は、請求項６に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、第１のアームをその固有振動で観察対象方向に撓み振動させる励振手段を備えたものである。
請求項８の発明によるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡は、第１のアームと、探針部が形成され、第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、開閉駆動電圧が印加され、第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により第２のアームを振動させる増幅器と、自励発振の増幅器の利得を調整する利得調整手段と、第２のアームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部と、探針部を観察対象に対して走査する走査手段とを備えたピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、第２のアームを自励発振による微小振動した状態で観察対象に近接させ、探針部と観察対象との相互作用に関する外力の影響による第２のアームの振動状態の変化が一定となるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系を動作させながら、走査手段による走査を行い、観察対象表面の凹凸情報を得ることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項８に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、振動状態検出部で検出された振動状態の変化に基づき、第１および第２のアームによる試料の把持を検出する把持検出手段を備えたものである。
請求項１０は、請求項８または９に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、振動状態の変化を、第２のアームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つとしたものである。
請求項１１の発明は、請求項６〜１０のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡における試料の搬送方法であって、試料に対して探針部を走査して試料の位置を求め、位置に基づいて第１および第２のアームを試料を挟む位置に移動し、第２のアームを閉じて第１および第２のアームにより試料を把持し、試料を把持した第１および第２のアームを移動して試料を搬送することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第２のアームの振動状態の変化、例えば、共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つを検出することにより、第２のアームによる接触、把持の検出が可能になる。さらに、請求項８の発明によれば、第２アームを静電アクチュエータと自動利得調整機構の付いた増幅器で共振振動させることにより、試料の形状測定が可能となり、従来の光テコ等の変位検出系なしで形状の測定が行える。以上により、ピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、確実な把持と簡便な試料の形状測定が可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
―第１の実施の形態―
図１は本発明によるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の一実施の形態を示す図であり、まず第１のアームで形状観察するための光テコ系を構成する従来と類似の原子間力顕微鏡装置（以下、ＡＦＭ装置と言う）の概略構成を模式的に示す図である。
【０００８】
ＡＦＭ装置１００は、櫛歯駆動型ＡＦＭピンセット１と、レーザ光源２と、フォトダイオード３と、制御部４と、励振部５と、静電アクチュエータ６と、３次元ステージ８と、駆動回路部９とを備えている。なお、フォトダイオード３には、２分割あるいは４分割フォトダイオードが用いられる。ＡＦＭピンセット１は、支持体２５に一体に形成された固定アーム１０および可動アーム２０を有し、後述するように、フォトリソグラフィー技術を利用してＳＯＩウエハを加工することにより形成される。
【０００９】
固定アーム１０は、レバー１０Ａと、レバー１０Ａの先端に設けられた探針部１０Ｂとを有している。ＡＦＭピンセット１を用いてＡＦＭ観察を行う際には、固定アーム１０を観察プローブとして使用する。可動アーム２０は、レバー２０Ａと、レバー２０Ａの先端に設けられた把持部２０Ｂとを有している。ほぼ平行に配置された探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとは、所定間隔を隔てて設けられている。可動アーム２０は、櫛歯型の静電アクチュエータ６により開閉駆動される。
【００１０】
支持体２５は、ＡＦＭ装置１００に設けられたホルダー（不図示）に着脱可能に保持されている。支持体２５が保持されるホルダーは、ＡＦＭ装置１００に設けられた３次元ステージ８に固定される。３次元ステージ８を駆動することにより、ＡＦＭピンセット１の全体を、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向のそれぞれの方向に移動させることができる。なお、支持体２５のホルダーへの装着方法としては、例えば、ホルダーに形成された溝部または凹部に支持体２５をスライドさせて嵌め込んだり、ホルダーに取り付けられた板バネで支持体２５を挟持するなど、種々の方法がある。
【００１１】
上記では、ピンセット側を３次元移動して走査を行う例を示したが、試料側に３次元ステージ８を設けてもよい。また、ＡＦＭピンセット１をＺステージ（アクチュエータ）に取り付け、試料側にＸＹステージ（アクチュエータ）を設けた構造でも良い。いずれの場合も、光テコ系の検出結果に基づいてＺサーボ系を動作させる。
【００１２】
レーザ光源２のレーザ光は固定アーム１０の上面に照射され、その反射レーザ光がフォトダイオード３によって検出される。２分割あるいは４分割フォトダイオード３からの検出信号は、装置全体の制御を行う制御部４に入力される。制御部４は、検出信号に基づいて固定アーム１０の振動状態変化（振幅、周波数、位相などの変化）を算出し、試料の表面形状を演算する。その演算結果はモニタ等（不図示）に表示される。図示していないが、励振部５には、ＡＦＭピンセット１の全体をｚ方向に振動させて固定アーム１０を励振させるためのピエゾ素子と、ピエゾ素子を駆動する駆動部とが設けられている。
【００１３】
図２はＡＦＭピンセット１の概略構造を示す図であり、ＡＦＭピンセット１を裏面側から（−ｚ方向から）見た斜視図である。静電アクチュエータ６は、支持体２５上に固定された櫛歯形状の固定電極６０と、可動アーム２０に連結される櫛歯形状の可動電極６１とを有している。固定電極６０と可動電極６１との間には、駆動回路部９により直流のアーム開閉電圧が印加される。
【００１４】
可動電極６１は、弾性支持部６２によって支持体２５上に支持されている。弾性支持部６２は、連結部材６３によって可動アーム２０に連結されている。そのため、アーム開閉電圧を制御して可動電極６１をｘ方向に駆動すると、可動アーム２０はＡＦＭピンセット１を閉じる方向に駆動される。それによって、探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとの間に試料を把持することができる。
【００１５】
ＡＦＭピンセット１は、探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとの間に試料を把持して搬送するピンセットとしての機能と、試料をＡＦＭ観察する観察プローブの機能とを備えている。探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂは、ｙ方向の長さ、ｘ方向の幅、ｚ方向の高さのすべてが等しく設定されており、それらの形状は、−ｚ方向に先細りとなったウェッジ型形状をしている。
【００１６】
探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの断面形状は直角三角形になっており、裏面側が尖っている。探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの互いに対向する把持面は垂直な平行面となっているので、試料を容易に把持することができる。また、探針部１０Ｂの先端が尖っているので、ＡＦＭ観察がし易い。
【００１７】
《観察動作》
まず、ＡＦＭピンセット１を用いた観察動作について説明する。ＡＦＭ観察を行う場合には、励振部５に設けられたピエゾ素子を駆動して、ＡＦＭピンセット１の全体をｚ方向に振動する。
【００１８】
図３は、探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの拡大図である。励振部５によりＡＦＭピンセット１の全体をｚ方向に振動する場合、振動の周波数を固定アーム１０の固有振動数である共振周波数に設定する。そして、固定アーム１０の共振周波数を、図４に示すように可動アーム２０の共振周波数よりも高く設定することにより、固定アーム１０のみをｚ方向に大きく共振させることができる。
【００１９】
図４は固定アーム１０の共振周波数を説明する図であり、縦軸は振幅を、横軸は周波数をそれぞれ表している。図４において、Ｖ１は固定アーム１０の振動曲線であり、Ｖ２は可動アーム２０の振動曲線である。励振部５により加える振動の周波数がｆ１のときに、固定アーム１０は共振して振幅のピークが発生する。この周波数ｆ１が固定アーム１０の共振周波数である。
【００２０】
一方、可動アーム２０の共振周波数はｆ２であり、周波数ｆ２に振幅のピークが現れる。周波数がｆ２よりも高くなると振幅は急激に小さくなり、可動アーム２０の周波数ｆ１における振幅量ｋは固定アーム１０の振幅に比べてはるかに小さい値となる。このように、固定アーム１０の共振周波数ｆ１が可動アーム２０の共振周波数ｆ２よりも高くなるようにレバー１０Ａ、２０Ａを設計することにより、固定アーム１０のみを大きく振動させることができる。
【００２１】
図３は、固定アーム１０が共振周波数ｆ１で大きく振動している場合を示したもので、探針部１０Ｂの振幅に比べて把持部２０Ｂの振幅は非常に小さい。ＡＦＭ観察においては、図３に示すように探針部１０Ｂを励振させつつＡＦＭピンセット１をＸＹ方向に走査して、観察対象の形状を計測する。この方式は、一般にダイナミックフォースモードと呼ばれる。このとき、固定アーム１０の探針部１０Ｂを試料表面に対して原子オーダーの距離に近接させた上で、上下に振動させながら観察対象の全体を走査する。
【００２２】
試料表面の凹凸により、探針部１０Ｂの先端と観察対象との距離（探針部１０Ｂは振動しているので平均距離）が変化すると、観察対象の表面と探針部１０Ｂとの間の相互作用の変化によってレバー１０Ａの振幅が変化する。この振幅の変化量をレーザ光源２とフォトダイオード（２分割あるは４分割フォトダイオード）３とを利用した光テコ方式の計測方法により測定する。
【００２３】
光テコ方式の計測方法では、図１に示したように、レーザ光源２からのレーザ光をレバー１０Ａの上面に入射させ、レバー１０Ａの上面からの反射光を受光部であるフォトダイオード３で受光する。フォトダイオード３は、その受光位置に応じた検出信号を制御部４へ送出する。制御部４は、２分割あるいは４分割フォトダイオードで構成されるフォトダイオード３からの検出信号に基づいてレバー１０Ａの振動状態の変化量を算出し、さらに、振動状態の変化量を一定になるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系を動作させながら、観測対象の試料表面をXY走査することにより、表面形状（表面凹凸像）を得ている。この表面形状は不図示のモニタ等に表示される。
【００２４】
《把持動作》
次に、把持動作について説明する。本実施の形態のＡＦＭピンセット１では、上述したように直流のアーム開閉電圧を印加し、その電圧値を制御することで可動アーム２０の開閉動作を行うようにしている。さらに、静電アクチュエータ６を自励発振させて可動アーム２０を微小振動させ、試料を把持した際の微小振動状態の変化によりＡＦＭピンセット１による把持を検出するようにした。
【００２５】
まず、アーム開閉電圧により電気系と機械系とが結合された静電アクチュエータ６が、交流電圧を印加することにより所定の振動数で発振すること、すなわち、静電アクチュエータ６が振動子として機能することを説明する。
【００２６】
図５は、静電アクチュエータ６における電気・機械結合系の等価回路を示す図である。一般に、電気・機械結合系においては、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの保存則が成立し、ここでは、アーム開閉電圧が小さく、可動電極６１の変位量や電荷量の変動は小さいとしてモデル化して考える。
【００２７】
固定電極６０および可動電極６１の各対向部は複数の凹凸が形成された櫛歯形状になっており、電極６０，６１は一方の凸部が他方の凹部に入り込むように配置されている。電極間に生じる静電容量Ｃ０は、各凹凸間の容量の総和であるトータルの静電容量を表している。また、ｍは可動部（可動アーム２０および可動電極６１）の質量、ｋはバネ定数、ｒｆは機械抵抗、ｖは可動部の振動速度を表している。Ａは、アーム開閉電圧Ｅ０を印加することによる機械系と電気系との間の結合係数である。振動を励起するための交流電圧を印加すると、電気系に電流ｉ２が流れて静電アクチュエータ６が駆動される。
【００２８】
図５の等価回路で示される静電アクチュエータ６に関して、線形近似基本方程式は式（１），（２）のように表される。なお、ＣＳは浮遊容量であり、図５の等価回路のＣ０をＣ０＋ＣＳと置き換えて式を立てた。
ｉ１＝ｊω（Ｃ０＋ＣＳ）ｅ１＋（Ｅ０Ｃ０／Ｘ０）ν１ （１）
ｆ１＝ｊωｍν１＋ｒｆν１＋ｋν１／ｊω＋Ｅ０Ｃ０ｅ１／Ｘ０ （２）
但し、ｉ１は交流電流値、ｅ１は入力交流電圧の振幅、ν１は可動部の振動速度であり、ｆ１は可動部に作用する外力を表している。また、Ｘ０は初期状態の櫛歯間距離である。
【００２９】
式（１），（２）より、外力が零の場合、静電アクチュエータ６のアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と角周波数ωとの関係は式（３）のように表すことができる。ここで、Ａ＝Ｅ０Ｃ０／Ｘ０である。
【数１】
【００３０】
図６は、アドミッタンス値｜Ｙ｜の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示したものである。このアドミッタンス曲線は、電気・機械結合系の特性曲線になっている。一方、｜Ｙ｜＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）で表される直線（破線）は、機械系がない電気系のみの場合の特性曲線であり、式（３）において次式（４）が成り立つ場合の特性曲線を表している。
Ａ２−２ω（Ｃ０＋ＣＳ）（ωｍ−ｋ／ω）＝０ （４）
【００３１】
式（４）を満たす角周波数ωを発振角周波数ω１と呼ぶと、発振角周波数ω１は、アドミッタンス曲線と｜Ｙ｜＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）で表される直線との交点における角周波数である。発振角周波数ω１は共振角周波数ω０に近い値であり、発振角周波数ω１で静電アクチュエータ６を駆動すると、上述したように機械系の特性がキャンセルされ、電気系のみのアドミッタンス計測が可能となる。
【００３２】
なお、共振角周波数ω０は、アドミッタンス曲線のピーク角周波数をωｐより僅かに高いところに位置しており、アドミッタンス曲線のピーク角周波数をωｐ、凹カーブを示す部分のボトムの角周波数をωｂとすれば、共振角周波数ω０と発振角周波数ω１との関係は、式（５）で表すことができる。
【数２】
【００３３】
このように、静電アクチュエータ６は共振回路として機能することが解った。そこで、本実施の形態では、静電アクチュエータ６と増幅器とを用いて自励発振駆動機構を構成するようにした。
【００３４】
図７は、静電アクチュエータ６を駆動するための駆動回路部９を示したブロック図である。本図において、静電アクチュエータ６は、櫛歯ドライブ（COMB-DRIVE）が本来的に有しているＬ，Ｃ,Ｒ共振回路に基づいて描いてある。すなわち、櫛歯ドライブ（COMB-DRIVE）を受動２端子素子とみなして駆動回路９を示したのが図７である。
【００３５】
駆動回路部９は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を帰還回路として有する増幅器９１と、増幅器９１の出力電圧Ｖ０を基準電圧Ｖｒと比較してゲイン制御電圧Ｖｃを発生するＡＧＣ（自動ゲイン制御）回路９５と、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６に対してバイアス直流電圧Ｅ０を印加するＤＣ電源９２を含んでいる。このバイアス印加用ＤＣ電源９２は、静電アクチュエータの機能に着目した場合、「アーム開閉用ＤＣ電源」と呼ぶことができる。
【００３６】
櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を増幅器９１の帰還回路に挿入する際、本実施の形態では、以下の点に注意を払っている。
【００３７】
第１に、バイアス直流電圧Ｅ０を印加するＤＣ電源９２の内部抵抗は非常に小さいので、帰還信号がＤＣ電源９２側を通過しないようにする必要がある。そこで、本実施の形態では、高抵抗ＲhighをＤＣ電源と直列に挿入してある。このことにより、バイアス用ＤＣ電源９２が帰還パスに影響を与えないようにしている。
【００３８】
第２に、バイアス印加用ＤＣ電源９２が、増幅器９１を含んだ回路系統からＤＣ回路としてフローティング状態にすると同時に、増幅器９１の端子（出力端子＆入力端子）にＤＣ電圧が直接印加されないよう、ブロッキング・コンデンサＣＢを挿入してある。
【００３９】
次に、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６における各端子の電圧Ｖ１，Ｖ２について説明する。電圧Ｖ１は、増幅器９１におけるＤＣバイアス回路の設計値により得られる値であり、一般的に、片電源電圧（＋Ｂ）のみを用いる場合には、Ｖ１＝＋Ｂ／２とする。他方、両電源電圧（±Ｂ）を用いる場合には、Ｖ１＝０とする。
【００４０】
電圧Ｖ２は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６の等価回路から明らかなようにＤＣ電流を通過させないので、Ｖ２＝Ｅ０となる。ここでＥ０は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６に対して印加されているバイアス直流電圧Ｅ０である。このようにして設定された電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差に従って、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６が開閉される。換言すると、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を開閉するために必要な端子間電位差は、｜Ｖ１−Ｖ２｜である。
【００４１】
静電アクチュエータ６の電極６０，６１には、アーム開閉用ＤＣ電源９２によりアーム開閉電圧Ｅ０が印加される。このアーム開閉電圧Ｅ０を制御することで、可動アーム２０の開閉動作が行われる。増幅器９１からの出力信号は、接触／把持検出回路９３に供給される。接触／把持検出回路９３は、試料の接触状態あるいは把持状態を検出するために、例えば電圧コンパレータあるいは周波数コンパレータを内蔵している（図示せず）。すなわち、電圧コンパレータを用いて増幅器９１の出力電圧値をモニタすることにより、試料の接触／把持を検出する。周波数コンパレータを用いた場合には、増幅器９１から出力される信号の周波数をモニタすることにより、試料の接触／把持を検出する。
【００４２】
増幅器９１と櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６とで発振回路を構成することにより、静電アクチュエータ６に電圧を印加すると可動アーム２０は共振周波数で振動することになる。この振動している可動アーム２０が試料や他の物に接触すると等価回路のＲ，Ｃ，Ｌが変化し、振動の振幅および周波数が変化する。本実施の形態では、この振動・周波数の変化を接触／把持検出回路９３で検出することにより、可動アーム２０による試料の把持や、試料が載置されている基板面等への可動アーム２０の接触を検出するようにした。
【００４３】
しかしながら、アーム開閉電圧を変えて可動アーム２０の開閉動作を行うと、アーム開閉電圧の大きさによって、すなわち、可動アーム２０の開き具合によって振動の振幅および周波数が変化することが分かった。また、十分な接触検出の精度を得るためには、可動アーム２０の振幅を１００ｎｍ程度まで小さくする必要がある。しかし、振幅が小さくなると空気の粘性等が原因して振動が不安定になり、不安定から振幅が小さくなった場合でも把持と誤判定してしまうおそれがあった。また、外来電気雑音に起因して、動作が不安定になる場合もあった。
【００４４】
そこで、本実施の形態では、ＡＧＣ回路９５により増幅器９１の利得を調整することで、アーム開閉によって入力Ｖ１が変化しても、増幅器９１からの出力電圧Ｖ０が一定となるようにした。そのため、ＡＦＭピンセット１が何も把持していないフリーな状態では、可動アーム２０は一定の振幅で振動するようになる。但し、接触／把持検出回路９３により上記接触あるいは把持の状態を検出可能とするために、ＡＧＣ回路９５が有しているゲイン制御機能は、予め適切な値に設定しておく。このゲイン設定については、設計事項であるので詳細な記載は省略する。
【００４５】
図７では、増幅器９１に電圧制御型可変利得増幅器を使用し、出力レベル検出器（図示せず）、誤差検出回路（図示せず）および制御回路（図示せず）によりＡＧＣ回路９５を構成するようにした。すなわち、増幅器９１の出力電圧Ｖ０を出力レベル検出器（図示せず）で監視し、出力レベル検出器（図示せず）から出力される直流電圧と予め設定されている基準電圧Ｖｒとを誤差検出回路（図示せず）で比較する。誤差検出回路（図示せず）は、比較結果として誤差信号ｋを制御回路（図示せず）に出力する。制御回路（図示せず）は、誤差信号ｋ（図示せず）がゼロとなるようなゲイン制御電圧Ｖｃを増幅器９１の制御端子に供給する。増幅器９１は、入力されたゲイン制御電圧Ｖｃに応じた利得で入力電圧Ｖ１を増幅し、出力電圧Ｖ０を出力する。本実施の形態では、出力電圧Ｖ０の増加に伴ってゲイン制御電圧Ｖｃを大きくし、増幅器９１の利得が小さくなるように制御して出力電圧Ｖ０が一定になるように制御する。
【００４６】
図８は、ＡＧＣ回路９５の一例を示したものである。増幅器９１の出力電圧Ｖ０は全波整流され、後段のオペアンプからは全波整流した電圧と基準電圧−Ｖｒとを比較した結果ゲイン制御電圧Ｖｃが出力される。ゲイン制御電圧ＶｃはＦＥＴ９７のゲートに入力され、ゲート電圧を変化させることで増幅器９１の利得を変化させる。ゲイン制御電圧Ｖｃは誤差信号ｋがゼロになるように制御されるので、一定振幅の出力電圧Ｖ０が得られることになる。
【００４７】
図９はＡＧＣ機能を説明する図であり、アーム開閉電圧Ｅ０およびゲイン制御電圧Ｖｃを変えたときの可動アーム２０の振幅を、レーザードップラー振動計を用いて測定したデータである。縦軸は振幅、横軸はゲイン制御電圧Ｖｃを示しており、４種類の開閉電圧１６，１８，２０，２２Ｖに対して曲線Ｌ１〜Ｌ４が得られた。例えば、ゲイン制御電圧ＶｃをＶｃ＝１Ｖに固定してＡＧＣ機能を働かせなかった場合、開閉電圧を１６Ｖに設定すると可動アーム２０の振幅は約３μｍとなり、開閉電圧を１８Ｖに増加して可動アーム２０を閉じると振動の振幅は約７μｍに増加する。
【００４８】
そこで、アーム開閉に関わらず振幅を一定に保つためには、開閉電圧の変化に同期してゲイン制御電圧Ｖｃを変化させれば良い。例えば、開閉電圧を１６Ｖ、１８Ｖ、２０Ｖと変化させてアームを閉じる場合に、その変化に同期させてゲイン制御電圧Ｖｃを１Ｖ、１．２Ｖ、１．３Ｖと変化させることで、振幅を約３μｍに保持することができる。
【００４９】
可動アーム２０が振動しながら試料や他の物に接触したり、可動アーム２０で試料を把持したり、可動アーム２０と固定アーム１０が接触するまで閉じたりすると、等価回路のＲ，Ｃ，Ｌが変化して振動の振幅や周波数が変化するので、その変化を接触／把持検出回路９３で検出する。例えば、接触前後において、出力電圧Ｖ０は図１０（ａ）の状態から図１０（ｂ）に示す状態へと変化する。この出力電圧Ｖ０を直流信号に変換してその大きさを基準値と比較し、基準値以下となったならば接触状態や把持状態となったと判断する。
【００５０】
また、可動アーム２０が試料に接触したり、試料を把持したりすると、可動アーム２０の振幅を所定値に維持しようとＡＧＣ回路９５が働き、増幅器９１の制御端子に供給されるゲイン制御電圧Ｖｃが変化する。そこで、増幅器９１に供給されるゲイン制御電圧Ｖｃの変化から振動の変化を検出し、それによって接触を検出するようにしても良い。ゲイン制御電圧Ｖｃの変化は振幅や周波数の変化に先立って検出されるので、より高感度な接触検出ができる。
【００５１】
図７に示した駆動回路部９および接触／把持検出回路９３は、振動振幅を検出することにより櫛歯ドライブの接触・把持状態を検出するものである。しかし、櫛歯ドライブの接触・把持状態を検出するためには、周波数検出に基づいて接触・把持状態を検出すること、あるいは位相検出に基づいて接触・把持状態を検出することも可能である。以下、周波数検出系を備えた接触・把持検出回路、および、位相検出系を備えた接触・把持検出回路について説明する。
【００５２】
図１１は、振動周波数検出系を備えた接触・把持検出回路である。本図において、図７と同様の構成要素には、図７と同様の符号を付してある。本図では、図７と異なり、増幅器９１の正帰還路中にバンドパスフィルタＢＰＦおよび位相シフタＰＳを含んでいる。位相シフタＰＳを調整することにより、発振周波数の微調整を行うことができる。ＦＭデモジュレータＦＭＤＭは、基準周波数ｆ０に対する周波数シフト量を検出して周波数偏差信号を出力する。この周波数偏差信号は接触／把持検出回路９３Ａに入力され、図示されていない閾値回路による判定結果に基づいて、試料との接触あるいは把持状態が検出される。
【００５３】
図１２は、位相検出系を備えた接触・把持検出回路である。本図において、図７と同様の構成要素には、図７と同様の符号を付してある。本図では、上記図１１の場合と同様、増幅器９１の正帰還路中にバンドパスフィルタＢＰＦおよび位相シフタＰＳを含んでいる。位相シフタＰＳを調整することにより、発振周波数の微調整を行うことができる。本図では、位相検出器ＰＨＤＥＴを備えており、予め調整した任意の位相（フリー状態の位相を用いる）を零位相として、位相シフト量を電圧に変換する。位相検出器ＰＨＤＥＴの出力信号は接触／把持検出回路９３Ｂに入力され、図示されていない閾値回路による判定結果に基づいて、試料との接触あるいは把持状態が検出される。
【００５４】
《試料搬送動作》
上述した動作説明では、ＡＦＭ観察動作および把持動作を個別に説明したが、実際には、ＡＦＭ観察と把持動作との両方を行うことで試料搬送動作を行う。図１３，１４は試料搬送動作における一連の動作を説明する図である。なお、図１３，１４では、ＡＦＭピンセット１の先端部（探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂ）のみを示した。
【００５５】
まず、アーム開閉電圧を印加しないで可動アーム２０を開いた状態とするとともに、励振部５を駆動して励振により固定アーム１０を振動させる。そして、図１３（ａ）に示すように、固定アーム１０を振動させつつＡＦＭピンセット１を降下させる。試料３００が載置されている台３０２を検出したならば、ＡＦＭピンセット１の降下を停止する。
【００５６】
その後、図１３（ｂ）に示すように台３０２上を固定アーム１０で走査し、試料３００を探す。すなわち、台３０２上をＡＦＭ観察する。破線Ｌは探針部１０Ｂの先端の軌跡を示しており、走査により試料３００の形状が観察され、試料３００の位置を検出することができる。
【００５７】
固定アーム１０の走査により試料３００の位置が検出されたならば、図１３（ｃ）に示すようにＡＦＭピンセット１を台３０２から上昇させた後、探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂを試料３００の上方に移動する。この場合、試料３００の位置が探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとの間に来るように移動する。探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂを試料３００の上方に移動したならば、図１４（ａ）に示すように、台３０２を検出するまでＡＦＭピンセット１を降下させる。台３０２を検出したならば、降下を停止する。
【００５８】
次いで、励振部５を停止して固定アーム１０の振動を止めるとともに、アーム開閉電圧を印加する。アーム開閉電圧の印加により静電アクチュエータ６が発振し、図１４（ｂ）に示すように可動アーム２０が開閉方向に振動する。そして、アーム開閉電圧を上昇させて、可動アーム２０を閉じるように駆動する。
【００５９】
把持部２０Ｂが試料３００に接触すると、接触時の振幅変化から接触したことが検出される。さらに、図１４（ｃ）に示すように、試料３００が探針部１０Ｂと把持部２０Ｂとの間に把持されると、把持部２０Ｂの動きが拘束されて振幅が小さくなり、可動アーム２０の振動が止まる。振動が止まったことが検出されたならば、すなわち把持が検出されたならば、アーム開閉電圧の上昇を停止して把持検出時の電圧に保持する。その後、３次元ステージ８を駆動して、図１４（ｄ）に示すように試料３００を把持した状態でＡＦＭピンセット１を移動し、試料３００を所望の位置へと搬送する。
【００６０】
《製造方法》
次に、図１に示したＡＦＭピンセット１の製造方法について説明する。ＡＦＭピンセット１は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。後述するように、支持体２５は、ＳＯＩウエハを構成する上部Ｓｉ層、ＳｉＯ２層および下部Ｓｉ層で形成されている。固定アーム１０、可動アーム２０、静電アクチュエータ６は、上部Ｓｉ層に形成される。本実施の形態では、上部Ｓｉ層、ＳｉＯ２層および下部Ｓｉ層の厚さが順に６μｍ，１μｍ，３００μｍであるＳＯＩウエハが用いられているが、このような寸法組み合わせに限定されるものではない。
【００６１】
図１５〜２１は、本実施の形態のＡＦＭピンセット１の製造工程を示す図であり、工程ａからｇまで順に処理される。図１５の（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ａ１）は斜視図、（ａ２）は断面図である。工程ａでは、上部Ｓｉ層３１、ＳｉＯ２層３２および下部Ｓｉ層３３から成るＳＯＩウエハ３０を用意し、上部Ｓｉ層３１の上に厚さ５０ｎｍの窒化珪素（ＳｉＮ）膜３４を形成する。なお、ＳＯＩウエハ３０の上部Ｓｉ層３１は、表面がＳｉ単結晶の主面Ｓｉ（００１）となるように構成されている。
【００６２】
図１５の（ｂ１）および（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｂ１）は斜視図、（ｂ２）はＲ−Ｒ断面図である。工程ｂでは、図１６に示すマスクＭ１を用いて、Ｃ２Ｆ６によるＲＩＥ(Reactive Ion Etching)でＳｉＮ膜３４を部分的にエッチング除去し、上部Ｓｉ層３１の一部（白抜きの領域Ａ１）を露出させる。ＳｉＮ膜３４がエッチング除去された領域Ａ１は、固定アーム１０、可動アーム２０、静電アクチュエータ６が形成される領域である。これら固定アーム１０、可動アーム２０の先端が延在する方向には、上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向を選んでいる。
【００６３】
なお、図１６に示したマスクＭ１は支持体２５の領域も含めたマスクとなっており、図１５（ｂ１）に示す部分は、図１６のＲ１−Ｒ１線よりも上側の領域が関係している。以下の説明では、Ｒ１−Ｒ１線よりも上側の領域について説明する。
【００６４】
図１５の（ｃ１），（ｃ２）に示す工程ｃでは、領域Ａ１の上部Ｓｉ層３１の表面に厚さ０．１μｍの酸化膜３５を形成する。酸化方法にはウェット酸化法（水蒸気酸化）を用いている。
【００６５】
図１７の（ａ１），（ａ２）は工程ｄを説明する図であり、（ａ２）は（ａ１）のＲ２−Ｒ２断面図である。また、図１７（ａ１）に示した部分は、図１８に示すマスクＭ２のＲ３−Ｒ３線より上部領域に対応している。工程ｄでは、図１８に示すマスクＭ２を用いて、ＡＦＭピンセット１の外形のパターニングを行う。なお、櫛歯形状もここの工程で形成する。パターニング後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively coupled plasma - Reactive Ion Etching）によりＳｉＯ２層３２までエッチングを行う。このエッチングにより、固定アーム１０と可動アーム２０の先端となる箇所に細いスリットＳＬ１（上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向）が形成される。このスリットＳＬ１は基板面に対して垂直にエッチングされる。
【００６６】
図１７の（ｂ１），（ｂ２），（ｂ３）は工程ｅを説明する図であり、（ｂ２）は（ｂ１）のＲ４−Ｒ４断面図、（ｂ３）は（ｂ１）のＲ５−Ｒ５断面図である。工程ｅでは、露出している上部Ｓｉ層３１をウェット酸化法で酸化する。その後、図１９の（ａ１），（ａ２）に示す工程ｆにおいて、ＳｉＮ膜３４をＣ２Ｆ６によるＲＩＥでエッチング除去し、ＳｉＮ膜３４の下層に残っている上部Ｓｉ層３１を露出させる。なお、図１９（ａ２）はＲ６−Ｒ６断面図である。
【００６７】
なお、ウェット酸化で形成された酸化膜３５は、このエッチングの際の上部Ｓｉ層３１の保護膜として機能する。このときのＲＩＥ条件としてＣ２Ｆ６のガス圧力を高めることで、ＳｉＮ膜３４と酸化膜３５の選択比を調整し、図１９（ａ２）に示すようにＳｉＮ膜３４だけを除去する。その結果、保護のため形成した酸化膜３５は残り、ＳｉＮ膜３４の下の上部Ｓｉ層３１のみが露出される状態になる。
【００６８】
図１９の（ｂ１），（ｂ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ２）はＲ７−Ｒ７断面図である。工程ｇでは、露出した上部Ｓｉ層３１に対して、３０％ＫＯＨ水溶液を用いて異方性エッチングする。酸化膜で保護された箇所はエッチングされず、上部Ｓｉ層３１のみが異方性エッチングされて斜面３１０が形成される。その結果、三角形の断面形状を有する探針部１０Ｂ，把持部２０Ｂに相当する部分が形成される。前述したように、上部Ｓｉ層３１の表面を単結晶Ｓｉの主面（００１）に選んでいるので、異方性エッチングによって形成される斜面３１０は単結晶Ｓｉの｛１１１｝面になっている。
【００６９】
次いで、図２０（ａ）に示すマスクＭ３を用いたＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングを行い、不要部を除去する。その後、酸化膜をエッチング除去する。このマスクＭ３を用いたエッチングにより、探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの長さを調節することができる。最後に、図２０（ｂ）に示すマスクＭ４を用いてＳＯＩウエハの裏面から下部Ｓ１層３３側の不要部分をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチング除去する。このエッチングはＳｉＯ２層３２で停止する。そして、フッ酸溶液によりＳｉＯ２層の不要部分を除去すれば、図２１に示すような静電駆動型ＡＦＭピンセット１の形状（裏面側から見た形状）となる。
【００７０】
上記の製造工程では、１個のＡＦＭピンセット１についての一連の作製手順を説明したが、実際の製造工程は、ＳＯＩウエハ単位で行われる、いわゆるバッチ処理である。このバッチ処理では、フォトリソグラフィー法により、１枚のＳＯＩウエハから多数のＡＦＭピンセット１を一括で作製することができ、大幅な製造コストの削減をもたらすものである。
【００７１】
上述したように、第１の実施の形態では、ＡＦＭピンセット１の可動アーム２０を開閉駆動することで、固定アーム１０と可動アーム２０との間に試料等を把持することができるとともに、固定アーム１０を用いてＡＦＭ観察を行うことができる。さらに、可動アーム２０を静電アクチュエータ６で振動させ、その可動アーム２０が試料に接触したときの振動状態の変化（例えば、振幅の変化あるいは周波数の変化あるいは位相の変化など）を検出することにより、ＡＦＭピンセット１による把持の検出が可能となった。
【００７２】
また、ＡＦＭピンセット観察時にＡＦＭピンセット１をステージ方向に降下動作をする際に、振動状態の変化により試料またはステージへの接近や接触を検知することができるので、降下させすぎてアームを破損するようなことを防止することができる。さらに、ＡＧＣ回路９５を設けたことで、外乱により振動が不安定となるのを防止することができ、振動振幅を小さくして接触検出や把持検出の精度を向上させることができる。
【００７３】
また、ＡＦＭ観察動作と把持動作と組み合わせて用いることで、微小試料の検出と、検出した微小試料を把持して所望の位置に搬送する動作とを一括して行うことができ、作業効率の向上を図ることができる。
【００７４】
なお、固定アーム１０によるＡＦＭ観察の観察モードとして、ダイナミックフォースモードに限定して説明したが、コンタクトモードで観察する方式も適用できる。この場合、固定アーム１０の下端の位置を、可動アーム２０の下端の位置よりもわずかに下方となるように形成して、固定アーム１０によるＡＦＭ観察に支障がないようにする。あるいは、可動アーム２０をバイモルフ構造のリフトアップ機構に接続し、試料観察時は、バイモルフを駆動して可動アーム２０を試料から離れるようにしてもよい。バイモルフ構造も上記プロセスで製作することができる。
【００７５】
―第２の実施の形態―
図２２は本発明によるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡の第２実施の形態を示す図である。上述した第１の実施の形態では、固定アーム１０の先端を探針として用い、固定アーム１０の振動状態の変化（振幅変化、周波数変化、位相変化）を光テコ系により検出し、その検出信号に基づいてＡＦＭ観察の際のＺサーボ系を動作させた。一方、第２の実施の形態では、静電アクチュエータ６により共振振動する可動アーム２０を用いてＡＦＭ観察を行うようにした。そのため、図２２では、図１に記載されていた形状観察のための光テコ系（レーザ光源２、フォトダイオード３）よび励振部５が不要である。櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を駆動するための駆動回路部の主要構成部分は、第１の実施の形態と同様である（図７の駆動回路部９参照）。
【００７６】
前述したように可動アーム２０を、その機械的共振周波数で共振振動させる。この共振の振幅は、静電アクチュエータ６のＱ値と静電アクチュエータ６のばね定数と増幅器９１とＡＧＣ回路９５から構成される正帰還系の利得（励振電圧）によって決定される。可動アーム２０は、構造上試料面に対して平行方向（横方向）に振動している。従って、ＡＦＭの像分解能とＺ方向の検出感度を得るために、できるだけ小さな振動振幅（例えば振幅０．１〜１００ｎｍ）で持続的振動を行うようにＡＧＣ回路９５を調整する必要がある。
【００７７】
ここで、図７に示したＡＧＣ回路９５の制御出力Ｖｃを用いて、Ｚサーボ制御について説明する。図２３は、上記制御出力ＶｃをＺ軸制御信号としてピエゾ素子を駆動する際の構成を模式的に示した図である。すなわち、既定のセットポイント値と比較するために、Ｚ軸制御信号（Ｖｃ）をコンパレータＣＯＭＰに入力する。その後、ＰＩＤ制御器および高圧電源を介してピエゾ素子を駆動する。このピエゾ素子は、図２２の３次元ステージ中のＺステージと同等の動作を行う。なお、Ｚ信号およびＸ，Ｙ信号に基づいて画像表示を行う手法については、本発明と直接関係がないので、詳細な説明は省略する。
【００７８】
振動状態の可動アーム２０を試料面に近接させると、可動アーム２０の横方向の振動振幅は、試料と可動アーム２０の先端に働く横方向の相互作用力（シアフォース）により減衰を受ける。この横方向振動の振幅減衰量が一定になるように図２３に示すＺサーボ系を制御して、探針・試料間の距離制御を行う。この制御信号とＸＹステージ走査信号（記載していない）より、試料の３次元形状信号が得られる。また静電櫛歯アクチュエータの機械的剛性が低い場合は静電櫛歯アクチュエータの高次の共振モードも利用できる。
【００７９】
振幅のズレ量を検出することによる構成は上述した通りであるが、同様に第２のアームを試料面に近接させると、横方向振動の周波数、あるいは、位相にずれが生じる。これらのずれ量を検出して電圧に変換し、ずれ量が一定となるようにZサーボ系を動作させることにより、同様に試料の形状が求まる。
【００８０】
図２４は、周波数検出系の回路構成に基づいてＺサーボ出力を得るための回路構成図である。本図は、先に説明した図１１と同様の回路構成を有しているので、詳細な説明は省略する。ここでは、ＦＭデモジュレータＦＭＤＭから出力された周波数偏差信号をＺサーボ出力として用いる。このＺサーボ出力により、Ｚデータ信号を形成する。
【００８１】
図２５は、位相検出系の回路構成に基づいてＺサーボ出力を得るための回路構成図である。本図は、先に説明した図１２と同様の回路構成を有しているので、詳細な説明は省略する。ここでは、位相検出器ＰＨＤＥＴから出力された位相シフト量検出信号をＺサーボ出力として用いる。このＺサーボ出力により、Ｚデータ信号を形成する。
【００８２】
上述した第２の実施の形態では、可動アーム２０を共振振動させて、その振動状態の変化を検出することでＡＦＭ観察を行うようにした。その結果、図１に示した光テコ系および励振部５が（レーザ２、フォトダイオード３）不要となり、装置構成の簡素化およびコスト低減を図ることができる。さらに、ＡＧＣ回路９５により利得調整を行うことにより外乱による振動振幅の変化を低減するようにしたので、環境変化に関わらず持続的振動を行わせることができる。なお、振動状態変化による試料の接触および把持検出に関しては、上述した第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００８３】
一方、上述した特許文献２や非特許文献１に記載の従来の走査型プローブ顕微鏡では、静電アクチュエータを走査型プローブ顕微鏡の検出器に使用しているが、第２の実施の形態のようなＡＧＣ機能を有していない。静電アクチュエータは微小なアクチュエータであり、空気の流れなどの外乱の影響を非常に受けやすい。そのため、プローブを一定の微小振幅で感度良く振動させるのが困難であった。一方、本実施の形態では、ＡＧＣ回路９５を設けたことにより、このような問題を解決することができるようになった。
【００８４】
なお、上述した第２の実施の形態では、ＡＦＭピンセット１の可動アーム２０をＡＦＭ観察に用いる構成であったが、非特許文献１に記載のようなＡＦＭ用プローブを静電アクチェータ６で振動させる構成とし、それに本実施の形態のようなＡＧＣ回路を設け、振動の振幅の変化あるいは周波数の変化あるいは位相の変化が一定となるようにＺサーボ系を動作させるようにしても良い。この場合、把持機能は有していないが、ＡＦＭ観察に関しては第２の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができる。
【００８５】
上述した実施の形態では、シリコン基板を加工してＡＦＭピンセット１を形成したが、このような形成方法に限らず、種々の形成方法によりＡＦＭピンセット１を形成しても良い。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本実施の形態におけるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】ＡＦＭピンセット１の概略構造を示す図である。
【図３】探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの拡大図である。
【図４】固定アーム１０の共振周波数を説明する図である。
【図５】静電アクチュエータ６における電気・機械結合系の等価回路を示す図である。
【図６】アドミッタンス値｜Ｙ｜の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。
【図７】駆動回路部９を説明するブロック図である。
【図８】ＡＧＣ回路９５の一例を示す図である。
【図９】開閉電圧およびゲイン制御電圧Ｖｃを変えたときのアーム３Ａ，３Ｂの振幅の測定データを示す図である。
【図１０】接触前後における出力電圧Ｖ０の一例を示す図であり、（ａ）は接触前の信号を、（ｂ）は接触後の信号をそれぞれ示す。
【図１１】振動周波数検出系を備えた接触・把持検出回路を示す図である。
【図１２】位相検出系を備えた接触・把持検出回路を示す図である。
【図１３】試料搬送動作を説明する図であり、（ａ）は降下動作を、（ｂ）は走査動作を、（ｃ）は移動動作をそれぞれ示す。
【図１４】試料搬送動作を説明する図であり、（ａ）は降下動作を、（ｂ）は閉駆動動作を、（ｃ）は把持動作を、（ｄ）は搬送動作をそれぞれ示す。
【図１５】（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｃ１），（ｃ２）は工程ｃを説明する図である。
【図１６】マスクＭ１を示す図である。
【図１７】（ａ１），（ａ２）は工程ｄを説明する図であり、（ｂ１）〜（ｂ３）は工程ｅを説明する図である。
【図１８】マスクＭ２を示す図である。
【図１９】（ａ１），（ａ２）は工程ｆを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｇを説明する図である。
【図２０】（ａ）はマスクＭ３を示す図で、（ｂ）はマスクＭ４を示す図である。
【図２１】最終的なＡＦＭピンセット１を示す図である。
【図２２】本実施の形態におけるピンセット付き走査型プローブ顕微鏡の第２の実施の形態を示す図である。
【図２３】ＡＧＣ回路から出力される制御出力ＶｃをＺ軸制御信号としてピエゾ素子を駆動する際の構成を模式的に示した図である。
【図２４】周波数検出系の回路構成に基づいてＺサーボ出力を得るための回路構成図である。
【図２５】位相検出系の回路構成に基づいてＺサーボ出力を得るための回路構成図である。
【符号の説明】
【００８７】
１：ＡＦＭピンセット、２：レーザ光源、３：２あるいは４分割フォトダイオード、４：制御部、５：励振部、６：静電アクチュエータ、８：３次元ステージ、９：駆動回路部、１０：固定アーム、１０Ｂ：探針部、２０：可動アーム、２０Ｂ：把持部、６０：固定電極、６１：可動電極、９１：増幅器、９３：接触／把持検出回路、９５：ＡＧＣ回路、１００：ＡＦＭ装置、３００：試料、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針部が形成された第１のアームと、
前記第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、
開閉駆動電圧が印加され、前記第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、
前記静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により前記第２のアームを振動させる増幅器と、
前記第２のアームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部とを備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記自励発振により振動する前記第２のアームの振幅が非接触時に一定となるように、前記増幅器の利得を調整する利得調整手段を備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または２に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記振動状態検出部で検出された前記振動状態の変化に基づき、前記第１および第２のアームによる試料の把持を検出する把持検出手段を備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記振動状態の変化は、前記第２のアームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つであることを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記静電アクチュエータは、静止櫛歯電極部と、前記第２のアームに連結されて該第２のアームを駆動する可動櫛歯電極部とを有することを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針部を観察対象に対して走査する走査手段と、
前記探針部と観察対象との相互作用に関連する振動状態変化を検出する手段と、
前記振動状態変化の量を一定になるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系とを有し、
前記観察対象の形状および位置を測定することを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記第１のアームをその固有振動で観察対象方向に撓み振動させる励振手段を備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
第１のアームと、
探針部が形成され、前記第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、
開閉駆動電圧が印加され、前記第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、
前記静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により前記第２のアームを振動させる増幅器と、
前記自励発振の前記増幅器の利得を調整する利得調整手段と、
前記第２のアームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部と、
前記探針部を観察対象に対して走査する走査手段とを備えたピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記第２のアームを自励発振による微小振動した状態で観察対象に近接させ、前記探針部と観察対象との相互作用に関連する外力の影響による前記第２のアームの振動状態の変化が一定となるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系を動作させながら、前記走査手段による走査を行い、観察対象表面の凹凸情報を得ることを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項８に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記振動状態検出部で検出された前記振動状態の変化に基づき、前記第１および第２のアームによる試料の把持を検出する把持検出手段を備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記振動状態の変化は、前記第２のアームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つであることを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡における試料の搬送方法であって、
前記試料に対して前記探針部を走査して前記試料の位置を求め、
前記位置に基づいて前記第１および第２のアームを前記試料を挟む位置に移動し、
前記第２のアームを閉じて前記第１および第２のアームにより前記試料を把持し、
前記試料を把持した前記第１および第２のアームを移動して前記試料を搬送することを特徴とする試料の搬送方法。
【請求項１】
探針部が形成された第１のアームと、
前記第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、
開閉駆動電圧が印加され、前記第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、
前記静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により前記第２のアームを振動させる増幅器と、
前記第２のアームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部とを備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記自励発振により振動する前記第２のアームの振幅が非接触時に一定となるように、前記増幅器の利得を調整する利得調整手段を備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または２に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記振動状態検出部で検出された前記振動状態の変化に基づき、前記第１および第２のアームによる試料の把持を検出する把持検出手段を備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記振動状態の変化は、前記第２のアームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つであることを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記静電アクチュエータは、静止櫛歯電極部と、前記第２のアームに連結されて該第２のアームを駆動する可動櫛歯電極部とを有することを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針部を観察対象に対して走査する走査手段と、
前記探針部と観察対象との相互作用に関連する振動状態変化を検出する手段と、
前記振動状態変化の量を一定になるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系とを有し、
前記観察対象の形状および位置を測定することを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記第１のアームをその固有振動で観察対象方向に撓み振動させる励振手段を備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
第１のアームと、
探針部が形成され、前記第１のアームに対して開閉自在に設けられた第２のアームと、
開閉駆動電圧が印加され、前記第２のアームを開閉駆動する静電アクチュエータと、
前記静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により前記第２のアームを振動させる増幅器と、
前記自励発振の前記増幅器の利得を調整する利得調整手段と、
前記第２のアームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部と、
前記探針部を観察対象に対して走査する走査手段とを備えたピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記第２のアームを自励発振による微小振動した状態で観察対象に近接させ、前記探針部と観察対象との相互作用に関連する外力の影響による前記第２のアームの振動状態の変化が一定となるように探針・試料間の距離制御を行うZサーボ系を動作させながら、前記走査手段による走査を行い、観察対象表面の凹凸情報を得ることを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項８に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記振動状態検出部で検出された前記振動状態の変化に基づき、前記第１および第２のアームによる試料の把持を検出する把持検出手段を備えたことを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡において、
前記振動状態の変化は、前記第２のアームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つであることを特徴とするピンセット付き走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか一項に記載のピンセット付き走査型プローブ顕微鏡における試料の搬送方法であって、
前記試料に対して前記探針部を走査して前記試料の位置を求め、
前記位置に基づいて前記第１および第２のアームを前記試料を挟む位置に移動し、
前記第２のアームを閉じて前記第１および第２のアームにより前記試料を把持し、
前記試料を把持した前記第１および第２のアームを移動して前記試料を搬送することを特徴とする試料の搬送方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００９−８６７１（Ｐ２００９−８６７１Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４４６２３（Ｐ２００８−１４４６２３）
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（３９００２２４７１）アオイ電子株式会社 (85)
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（３９００２２４７１）アオイ電子株式会社 (85)
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【Ｆターム（参考）】
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