プローブ顕微鏡、およびこれを備える摩擦摺動・ＣＭＰ・ハードディスクの検査装置
【課題】材料の重心が検知用の板ばねの中心からずれたり、板ばねが変形した場合にも測定を可能とする。
【解決手段】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、第１試料１が先端部に設置された板ばね３と、板ばね３の端部を固定する固定部材１４と、第２試料２が固定される試料台１５と、光源１６からの検出光が板ばね３に当てられ、その反射光を光検出器１７で検出する板ばね３の変位検出光学系１８と、試料台１５又は板ばね３を動かして、第１・第２試料１、２を接近・離隔させるための試料間隔調整機構１９と、第１・第２試料１、２間の摩擦を測定する水平走査機構２０と、第１・第２試料１、２間の吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定するための垂直走査機構２１とを備える走査型プローブ顕微鏡Ｓ１であって、検出光ｒ１１の光軸が当てられた板ばね３の傾きを、試料台１５に対して任意の角度で変化させる固定部材１４を回転させる回転機構２２を備える。
【解決手段】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、第１試料１が先端部に設置された板ばね３と、板ばね３の端部を固定する固定部材１４と、第２試料２が固定される試料台１５と、光源１６からの検出光が板ばね３に当てられ、その反射光を光検出器１７で検出する板ばね３の変位検出光学系１８と、試料台１５又は板ばね３を動かして、第１・第２試料１、２を接近・離隔させるための試料間隔調整機構１９と、第１・第２試料１、２間の摩擦を測定する水平走査機構２０と、第１・第２試料１、２間の吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定するための垂直走査機構２１とを備える走査型プローブ顕微鏡Ｓ１であって、検出光ｒ１１の光軸が当てられた板ばね３の傾きを、試料台１５に対して任意の角度で変化させる固定部材１４を回転させる回転機構２２を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二種類の物質間の相互作用を測定するプローブ顕微鏡に係わり、特に、変速機、ＣＭＰ、ハードディスクなどの摺動部材、研磨部材の物性を計測してこれらの特性を推定することができるプローブ顕微鏡、およびこれを備える摩擦摺動・ＣＭＰ・ハードディスクの検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、探針と試料とを接近させた状態で探針を試料に対して相対的に走査する際に、探針から試料へ接触または非接触の局所的刺激を発生させ、その刺激に対する試料表面からの局所的応答を測定することによって試料の表面を観察する顕微鏡である。走査型プローブ顕微鏡はその物理量の測定方法の違いから、探針と試料間に流れる電流を検出する走査トンネル顕微鏡と試料表面と探針との間に働くいろいろな力を検出する原子間力顕微鏡、試料表面の磁気分布を測定する磁気力顕微鏡をはじめ、試料表面の摩擦力、粘性、弾性、電位等を測定する多くの種類の顕微鏡が実用化されている。
【０００３】
この顕微鏡は、試料と探針の間に働く力によって、測定プローブを支持しているバネ要素がたわむことを利用した測定法が主流である。その制御手段としては、片持ち梁プローブの背面にレーザ光を照射して、反射光の光軸が、片持ち梁プローブのたわみによって、変化することを利用した光てこ方式や光波干渉方式が利用されている。
図１２に従来の光てこ方式の顕微鏡３００を示す。
顕微鏡３００は、板ばね３０３の先端に探針(カンチレバ)３１３が配置され、試料台３１５には試料３０２が固定されている。そして、板ばね３０３の先端に取り付けられた探針３１３で試料３０２に局所的刺激を発生させ、その際に板ばね３０３から反射するレーザ光ｒ１００を４分割ポジションディテクタ３０７で検知して、試料３０２の表面を観察する。
【０００４】
顕微鏡は、先端に探針３１３が取り付けられた板ばね３０３、レーザ光ｒ１０を発光する半導体レーザ３０４、発光されたレーザ光ｒ１００を板ばね３０３に向けて集光するレンズ３０５、板ばね３０３で反射したレーザ光ｒ１００を反射する鏡３０６、板ばね３０３で反射したレーザ光ｒ１００を検知する４分割ポジションディテクタ３０７、プリアンプ３０８、Ｚ軸方向(鉛直方向)の走査を制御するＺ軸サーボ系３０９、水平方向の走査を制御するＸ，Ｙラスタースキャン系３１０、試料３０２に鉛直方向(Ｚ軸方向)の微小な移動を付与するピエゾ素子３１１、および試料３０２を鉛直方向(Ｚ軸方向)に移動するステップインモータ３１２より構成される。
【０００５】
試料３０２の測定に際して、板ばね３０３は試料３０２に局所的刺激を発生させることから、板ばね３０３に垂直方向の変位、及び試料３０２と探針３１３との摩擦により生じる板ばね３０３のねじれ、即ち板ばね３０３の水平方向の変位が発生する。半導体レーザ３０４からのレーザ光ｒ１００は、板ばね３０３の背面で反射され、４分割ポジションディテクタ３０７により検出されるので、板ばね３０３の垂直方向、及び水平方向の変位は４分割ポジションディテクタ３０７の検知信号から求められる（特許文献１参照）。
探針と試料の間に流れる電流を検出する走査型トンネル顕微鏡では、探針側に取り付けられているピエゾを走査して画像を収集している。
【０００６】
一方、光てこ方式からなる原子間力顕微鏡では、図１２に示すように、試料３０２の側にＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向のピエゾを設けているものが多い。
原子間力顕微鏡では、可動範囲の大きなピエゾ素子を搭載しているため、探針と試料との間の追随性が悪くなる。これを回避するため、探針(カンチレバー)３１３の母材上にＸ，Ｙ，Ｚのピエゾを設けている例がある。探針(カンチレバー)３１３の母材上にＸ，Ｙ，Ｚのピエゾを設けているものの中には、探針３１３は試料表面を「の」の字でなぞる様に小旋回動作をさせる例が開示されている（特許文献２）。
【０００７】
また、これらに使用される探針３１３は、円柱状、円錐状、円筒状、平面状、三角錐、正四面体、針状、球状等の対称性に優れた形状が一般に用いられる。さらには、球形度が０．７５以上の球状粒子をＡＦＭ(原子間力顕微鏡)用探針の先端に接着させる例（特許文献３）や、粒径が数十ミクロン以下の微小球状粒子を接着させる例（特許文献４）なども開示されている。これらの探針は、必ず、重心が板ばねの中心線上にある。これは、板ばねが試料に対して水平にアプローチする、あるいは上下振動する際に板ばねがズレて誤検知を生じないために必要不可欠だからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２４１７６２号公報
【特許文献２】特開２００８−１９１０６２号公報
【特許文献３】特開２００２−６２２５３号公報
【特許文献４】特開２００９−１１５５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の光てこ方式の顕微鏡に使用されている駆動系では、使用可能な探針は、その形状が対称性に優れ、探針の重心が板ばねの中心線上に存在すること、その大きさが板ばねの歪まない程度に十分小さく、軽いことなどの制約があった。しかし、種々の製品に使用されている摺動部材や研磨部材などの実材料は、多孔体、多結晶体、凝集体などや、特定の箇所に溝を切ってあるものなど、形状が複雑かつ不定形で、しかも非対称であり、重心が材料の中心から大きくずれていたり、重量が大きかったりする場合が多い。
【００１０】
これらの実材料を板ばねに取り付けて探針の替わりに使用しようとすると、板ばねの中心線上に材料の重心がくるように取り付けることが困難なために、板ばねがねじれてしまう。或いは、重量が大きいために板ばねが垂れ下がってしまうなどの不具合が生じている。
このように変形した板ばねでは、板ばねの背面にレーザ光を照射しても、その反射光が散乱してしまって集光させることができない、或いは、ディテクタで検出できないなどの問題がある。
【００１１】
本発明は上記実状に鑑み、材料の重心が検知用の板ばねの中心からずれたり、材料の重量が大きいために板ばねが垂れ下がる場合にも正確な測定が可能なプローブ顕微鏡、およびこれを備える摩擦摺動・ＣＭＰ・ハードディスクの検査装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わる走査型プローブ顕微鏡は、第１試料が先端部に取り付けられた板ばねと、前記板ばねの前記先端部とは反対側の端部を固定する固定部材と、第２試料が固定される試料台と、光源から発生する検出光の光軸が前記板ばねの先端部または前記板ばねの変位に追従する部分に当てられ、その反射光を光検出器で検出する前記板ばねの変位検出光学系と、前記試料台もしくは前記板ばねを動かして、前記第１試料と前記第２試料とを接近または離隔させるための試料間隔調整機構と、前記第１試料と前記第２試料との間の摩擦を測定するための水平走査機構と、前記第１試料と前記第２試料との間の吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定するための垂直走査機構とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、前記光源から発生する検出光の光軸が当てられた部分の前記第１試料が先端部に取り付けられた板ばねの傾きを、前記試料台に対して任意の角度で変化させるための前記固定部材を回転させる回転機構を備えている。
【００１３】
第２の本発明に関わる摩擦摺動の検査装置は、第１の本発明の走査型プローブ顕微鏡を備え、相互に摩擦摺動する一対の摺動部材のうち少なくとも一方の前記摺動部材を、他方の前記摺動部材に対して摺動する摺動面が下面となるように、前記板ばねの先端部に取り付けると共に、前記他方の摺動部材を前記試料台の上に固定して、前記試料間隔調整機構が、前記板ばねの先端部に取り付けた一方の摺動部材と、前記他方の摺動部材との間に一定の荷重を加えるとともに、前記水平走査機構で前記試料台の上の他方の摺動部材を水平走査させることにより、前記一対の摺動部材間の摩擦特性を測定している。
【００１４】
第３の本発明に関わるＣＭＰの検査装置は、第１の本発明の走査型プローブ顕微鏡を備え、半導体用ウエハ、前記半導体用ウエハの表面を化学的機械的に研磨して平滑化するために用いるＣＭＰ用スラリに含まれる砥粒、一定の荷重をかけて回転させることにより前記半導体用ウエハの表面を研磨するためのＣＭＰ用パッド、前記ＣＭＰ用パッドをクリーニングするためのＣＭＰ用ドレスのうちの少なくとも一つを前記板ばねの先端部に取り付けるとともに前記板ばねの先端部に取り付けた部材とは異なる部材を試料台の上に固定して、前記水平走査機構または前記垂直走査機構で前記試料台の上の部材を走査させることにより、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定している。
【００１５】
第４の本発明に関わるハードディスクの検査装置は、第１の本発明の走査型プローブ顕微鏡を備え、ハードディスク用のヘッドを磁気記録媒体から一定の間隔で浮上させ、データの書き込みを行う磁気記録装置における前記ヘッドと前記磁気記録媒体のうち何れか一方の部材が前記板ばねの先端部に取り付けられるとともに他方の部材が前記試料台の上に固定され、前記水平走査機構または前記垂直走査機構で前記試料台の上の部材を走査させることにより、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定している。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、材料の重心が検知用の板ばねの中心からずれたり、材料の重量が大きいために板ばねが垂れ下がる場合にも正確な測定が可能なプローブ顕微鏡、およびこれを備える摩擦摺動・ＣＭＰ・ハードディスクの検査装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す相互作用測定装置を示す概念的構成図である。
【図２】(ａ)は、実施形態の一例の試料aを取り付けた板ばねの先端部側が試料aの重みで下方に向け変形した状態を示す図１のＡ方向矢視図であり、(ｂ)は、実施形態の試料aの重みで変形した板ばねを水平にした状態を示すＡ方向矢視図である。
【図３】(ａ)は、図１の実施形態の相互作用測定装置の板ばねの先端部に取り付けた試料ａの重心が板ばねの中心線より左側にある場合の状態を示す図１のＢ方向矢視図であり、(ｂ)は、(ａ)の相互作用測定装置の板ばねの先端部に取り付けた試料ａの重心が板ばねの中心線より右側にある場合の状態を示す図１のＢ方向矢視図であり、(ｃ)は、(ａ)、(ｂ)の相互作用測定装置の変形した板ばねを水平にした状態を示す図１のＢ方向矢視図である。
【図４】実施形態の相互作用測定装置における回転機構の第１回転式アクチュエータの一例を示す図１のＡ方向矢視図である。
【図５】実施形態の相互作用測定装置で使用する試料aと板ばねとの廻りの外観を示す図である。(ａ)〜(ｄ)は板ばねを上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、(ｅ)〜(ｈ)は板ばねを前方から見た図(図１のＢ方向矢視図)である。
【図６】(ａ)および(ｂ)は、実施形態の一例を示す相互作用測定装置で使用する試料aと板ばねとの廻りの外観および試料aの寸法を示す図であり、板ばねを上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)である。
【図７】実施形態の一例を示す相互作用測定装置で使用する雰囲気制御方式を示す図１のＢ方向矢視図である。
【図８】ＣＭＰ用パッドから作製した試料a付き板ばねの一例であり、(ａ)は、試料a付き板ばねを上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、(ｂ)は、試料a付き板ばねを向かって右側方から横から見た図(図１のＡ方向矢視図)である。
【図９】水平走査機構を用いてパッド粉を３ｎＮの荷重をかけて左右に１ミクロンずつ走査させ、パッド粉とウエハとの間の摩擦を測定した際の板ばねのねじれの変位カーブを示す図である。
【図１０】配線パターンの異なるウエハとパッド粉との相互作用を測定したときのねじれ変位幅と研磨速度との結果を示す図である。
【図１１】ＣＭＰ用スラリの砥粒から作製した試料a付き板ばねの一例であり、(ａ)は、試料a付き板ばねを上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、(ｂ)は、試料a付き板ばねを横から見た図(図１のＡ方向矢視図)である。
【図１２】従来の光てこ方式の顕微鏡を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態の一例を示す走査型プローブ顕微鏡の相互作用測定装置Ｓ１を示す概念的構成図である。
＜実施形態の相互作用測定装置Ｓ１の概要＞
実施形態の走査型プローブ顕微鏡の相互作用測定装置Ｓ１は、非対称の不定形形状を有する試料や、板ばねの重心を通る中心線から重心がずれた位置にしか設置できない試料を板ばねに接着して種々の相互作用の測定に使用する。
そのため、相互作用測定装置Ｓ１は、光源１６から発生する検出光の光軸が当てられた部分の板ばね３の傾きを、試料台１５に対して任意の角度で変化させるための板ばね３を回転させる回転機構２２を備える。
【００１９】
＜相互作用測定装置Ｓ１の構成＞
実施形態の相互作用測定装置Ｓ１は、先端部に試料a(１)が取り付けられた板ばね３と、板ばね３の先端部とは反対側の端部を固定した固定ホルダ１４(図２参照)と備え、試料台１５の上には試料ｂ(２)が固定されている。なお、固定ホルダ１４は、固定ホルダケース１４ｃで覆われている。
相互作用測定装置Ｓ１は、光源１６から発生するレーザ検出光等の検出光ｒ１１の光軸が板ばね３の先端部または板ばね３の変位に追従する部分に当てられた反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する板ばね３の変位検出光学系１８と、試料台１５もしくは板ばね３を動かして試料ａ(１)と試料ｂ(２)とを接近または離隔させるための微動／粗動機構１９と、試料ａ(１)と試料ｂ(２)との間の摩擦を測定するために試料台１５を水平方向(Ｘ・Ｙ軸方向)に走査させる水平走査機構２０と、試料ａ(１)と試料ｂ(２)との間の吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定するために試料台１５を垂直方向(Ｚ軸方向)に走査させる垂直走査機構２１とを有する走査型プローブ顕微鏡である。
【００２０】
変位検出光学系１８は、検出光ｒ１１を発する光源１６と、光源１６からの検出光ｒ１１を板ばね３に向けて集光するレンズ５と、ビームスプリッタと、板ばね３で反射した反射光ｒ１２を反射する鏡６と、鏡６で反射した反射光ｒ１２を検出する光検出器１７とを有する。
相互作用測定装置Ｓ１は、試料ａ(１)と試料ｂ(２)とを接近させる前に、光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸が当てられた部分の板ばね３の傾きを、試料台１５に対して任意の角度で変化させるための固定ホルダ１４を回転させる回転機構２２を備えている。
【００２１】
図２〜図４は本発明の実施形態の一例を示す回転機構を表わす図である。
図２(ａ)は、実施形態の一例の試料a(１)を取り付けた板ばね３の先端部側が試料a(１)の重みで下方に向け変形した状態を示す図１のＡ方向矢視図であり、図２(ｂ)は、実施形態の試料a(１)の重みで変形した板ばね３を水平にした状態を示すＡ方向矢視図である。
相互作用測定装置Ｓ１の回転機構２２は、板ばね３の試料a(１)を取り付けた先端部から固定ホルダ１４に固定された端部までの長手方向(例えば、板ばね３の長手方向の中心線ｃ３１)を、固定ホルダ１４の固定端側を支点として、試料台１５に対して水平方向になるように、図２(ｂ)の矢印α１１、α１２方向に回転させる第１回転式アクチュエータ２４ａを備えている。
【００２２】
図２(ａ)に示すように、固定ホルダ１４の自由端側で水平に支持される板ばね３の先端部に試料a(１)を取り付けた場合、板ばね３が試料a(１)の重量により下方に向けて曲げ変形する。すると、光源１６から発した検出光ｒ１１は、曲げ変形した板ばね３で反射し、反射した反射光ｒ１２が光検出器１７から外れ、光検出器１７で検出することができなくなる。
この際、図２(ａ)の矢印α１２方向に、第１回転式アクチュエータ２４ａによって固定ホルダ１４を介して変形した板ばね３を回転させ、図２(ｂ)に示すように、変形した板ばね３の位置を変え、光源１６から発した検出光ｒ１１が曲げ変形した板ばね３で反射し、反射した反射光ｒ１３が光検出器１７に入るようにして、検出できるようにする。
【００２３】
図３(ａ)は、実施形態の相互作用測定装置Ｓ１の板ばね３の先端部に取り付けた試料ａ(１)の重心１Ｇが板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３より左側にある場合の状態を示す図１のＢ方向矢視図であり、図３(ｂ)は、図３(ａ)の相互作用測定装置Ｓ１の板ばね３の先端部に取り付けた試料ａ(１)の重心１Ｇが板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３より右側にある場合の状態を示す図１のＢ方向矢視図であり、図３(ｃ)は、図３(ａ)、図３(ｂ)の相互作用測定装置Ｓ１の変形した板ばね３を水平にした状態を示す図１のＢ方向矢視図である。
なお、板ばね３の重心は、板ばね３を上から見た場合、板ばね３の短手方向の幅を等分する中心線ｃ３３上に位置する。
相互作用測定装置Ｓ１の回転機構２２は、板ばね３の短手方向(例えば、板ばね３の短手方向の中心線ｃ３２)を、試料台１５に対して、図３(ａ)の矢印α２１、図３(ｂ)の矢印α２２に示す方向に回転させる第２回転式アクチュエータ２４ｂ(図２参照)を備えている。
【００２４】
図３(ａ)に示すように、板ばね３の先端部に取り付けた試料a(１)の重心１Ｇが、板ばね３の重心が位置する板ばね３の短手方向の幅を等分する中心線ｃ３３より向かって左側にある場合、板ばね３が向かって左側に曲げ変形する。そのため、光源１６からの検出光ｒ２１が曲げ変形した板ばね３で反射し、反射した反射光ｒ２２が光検出器１７からずれて光検出器１７で検出することができなくなる。
【００２５】
そこで、第２回転式アクチュエータ２４ｂによって、固定ホルダ１４を介して、図２(ａ)の矢印α２１方向に、変形した板ばね３を回転させてその位置を変えて、図３(ｃ)に示すように、光源１６から発し変形した板ばね３で反射した反射光ｒ２４が、光検出器１７に入射し光検出器１７で検出できるようにする。
また、図３(ｂ)に示すように、板ばね３の先端部に取り付けた試料a(１)の重心１Ｇが、板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３より向かって右側にある場合、板ばね３が向かって右側に曲げ変形する。そのため、光源１６から発した検出光ｒ２１が曲げ変形した板ばね３で反射し、反射した反射光ｒ２３が検出器１７からずれて、光検出器１７で検出できなくなる。
【００２６】
そこで、第２回転式アクチュエータ２４ｂによって、固定ホルダ１４を介して、図３(ｂ)の矢印α２２方向に、変形した板ばね３の短手方向を回転させて位置を変えて、図３(ｃ)に示すように、光源１６から発し変形した板ばね３で反射した反射光ｒ２４が、光検出器１７に入るようにすることで光検出器１７で検出できるようにする。
図４は、相互作用測定装置Ｓ１における回転機構２２(図２参照)の第１回転式アクチュエータ２４ａの一例を示す図１のＡ方向矢視図である。
【００２７】
第１回転式アクチュエータ２４ａは、固定支軸ｏ１廻りにプーリｐ１が回転自在に支持されており、プーリｐ１に巻装されるベルトｂ１を介して、プーリｐ１の回転が伝達されるプーリｐ２が、固定支軸ｏ２廻りに回転自在に支持されている。そして、プーリｐ２に巻装されるベルトｂ２を介してプーリｐ２の回転が伝達されるプーリｐ３が、固定支軸ｏ３廻りに回転自在に支持されている。プーリｐ３には固定ホルダ１４が固定され、プーリｐ３の回転により、固定ホルダ１４が、図４の矢印α１１方向または矢印α１２方向に回転する。
【００２８】
また、プーリｐ１には、長孔ｐ１１が形成され、長孔ｐ１１には、積層した圧電素子２６に固定された伝達部材２６ｄに固定されたピン２６ｄ１がスライド自在に嵌入されている。この積層した圧電素子２６は、電圧が印加されることにより、図４の矢印β１１方向または矢印β１２方向に微動する。
積層した圧電素子２６の下方には、ステップモータ２５の回転運動が、図４の矢印β１１方向または矢印β１２方向の直線運動に変換され、矢印β１１方向または矢印β１２方向に粗動させる粗動機構２５ｋが設けられており、粗動機構２５ｋの上に、積層した圧電素子２６が固定されている。
【００２９】
第１回転式アクチュエータ２４ａは、ステップモータ２５と圧電素子２６を組み合わせた図４の矢印β１１方向、矢印β１２方向に移動する微動／粗動機構から得られる動力を、固定ホルダ１４の回転運動へ変換する回転構造(プーリｐ１、ｐ２、ｐ３、ベルトｂ１、ｂ２)を備え、この回転構造により、固定ホルダ１４を回転運動させることによって、板ばね３を図４のα１１方向、矢印α１２方向に回転させて、配置できる。
【００３０】
この構成により、板ばね３がその先端部に取り付けた試料a(１)の重量により変形し、光源１６から発した検出光ｒ１１が曲げ変形した板ばね３で反射した反射光ｒ１２を、変形した板ばね３を図４のα１１方向、矢印α１２方向に回転させることで、光検出器１７に入る反射光ｒ１３とすることができる(図２(ｂ)参照)。
ここで、図２に示す回転機構２２における板ばね３の短手方向を回転(図３参照)させる第２回転式アクチュエータ２４ｂは、図４に示す回転式アクチュエータ２４ａの設置方向を板ばね３の長手方向廻りに９０°回転させることにより、実現することができる。
【００３１】
なお、図４においては、第１回転式アクチュエータ２４ａの一例を挙げたが、例示した以外のモータの回転運動を減速機構、リンク等を用いて伝達する粗動機構を構成することも可能であり、例示した構成に限定されない。また、微動機構も、所定の微動動作が得られれば、図４に例示した構成に限定されない。
また、第１回転式アクチュエータ２４ａは、板ばね３の長手方向を任意の角度回転できれば、その構成は適宜選択可能である。同様に、第２回転式アクチュエータ２４ｂは、板ばね３の長手方向を任意の角度回転できれば、その構成は適宜選択可能である。
【００３２】
図５は、実施形態の一例を示す相互作用測定装置Ｓ１で使用する試料a(１)と板ばね３との廻りの外観を示す図である。図５(ａ)〜図５(ｄ)は板ばね３を上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、図５(ｅ)〜図５(ｈ)は板ばね３を前方から見た図(図１のＢ方向矢視図)である。
図５(ａ)〜図５(ｈ)の中心線ｃ３３(一点鎖線)は、それぞれ板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線である。
【００３３】
試料a(１)は、非対称の不定形形状を有しており、かつ、試料a(１)の重心１Ｇは、板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３からずれた位置にある。
そのため、板ばね３には、試料a(１)の重心１Ｇが板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３からずれることによる偏りの変形が発生し易い。
図６(ａ)、(ｂ)は、実施形態の一例を示す相互作用測定装置Ｓ１で使用する試料a(１)と板ばね３との廻りの外観および試料a(１)の寸法を示す図であり、板ばね３を上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)である。
【００３４】
板ばね３に配置された試料a(１)は、板ばね３を上方から見下ろした場合(板ばね３の延在面を厚さ方向に上方から見下ろした場合)、最大径が６０μｍ(マイクロメートル)以上かつ５００μｍ以下の範囲にある。
実施形態の走査型プローブ顕微鏡の相互作用測定装置Ｓ１は、試料a(１)と試料b(２)の間の摩擦力、吸着力、凝着力、硬度、電位差、静電気力、磁気力、弾性率を測定する。
摩擦力は、相互作用測定装置Ｓ１により、次のようにして求められる。
【００３５】
試料a(１)と試料b(２)とを、水平走査機構２０によって試料台１５を水平移動(図１のＸ、Ｙ方向に移動)させることにより、水平方向に擦り合わせる。すると、試料a(１)と試料b(２)との摩擦力で板ばね３が変形するので、その時の板ばね３の変位を測定することで摩擦力が求められる。
試料a(１)と試料b(２)とを擦り合わせる方向は板ばね３の短手方向(図３の中心線ｃ３２方向)とする。このとき、板ばね３の短手方向(図３の中心線ｃ３２方向)に対するねじれを検知する。ねじれが大きいほど摩擦抵抗が大きく、摩擦が大きい。
【００３６】
吸着力は、相互作用測定装置Ｓ１により、次のようにして求められる。
試料a(１)と試料b(２)とが離れた状態から、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向(Ｚ軸方向)に移動させることにより、上下方向に接近させて、その時の板ばね３の変位を測定する。変位は試料a(１)と試料b(２)が接触するときの板ばね３のたわみを検知して得る。板ばね３のたわみが大きいほど試料a(１)と試料b(２)との吸着力が大きい。
凝着力は、相互作用測定装置Ｓ１により、次のようにして求められる。
【００３７】
試料a(１)と試料b(２)が接触した状態から、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向に離して、その時の板ばね３の変位を測定する。変位は、試料a(１)と試料b(２)が離れるときのたわんだ板ばね３の戻り量を検知して得る。戻り量が大きいほど、凝着力に起因する板ばね３の変形のエネルギが大きいので、試料a(１)と試料b(２)との凝着力は大きい。
硬度は、試料a(１)と試料b(２)とが接した状態から、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向にさらに押しつけて、その時の板ばね３の変位を測定する。変位は試料a(１)と試料b(２)が押しつけ合ったときの板ばね３の反りを検知して得る。反りが大きいほどより硬いので、硬度が大きい。
【００３８】
電位差は、電気化学的に研磨される材料や、電気化学的な作用をする材料に対して測定される
電位差は、試料a(１)と試料b(２)とを、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、少し離して一定のバイアス電圧を印加してその時の電位差を読み取る。
静電気力は、試料a(１)と試料b(２)が離れた状態から、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向にさらに接近させて、その時の板ばね３の変位を測定する。変位は試料a(１)と試料b(２)が接近したときの板ばね３の反りを検知して得る。板ばね３の反りが大きいほど静電気力は大きい。
【００３９】
磁気力は、試料a(１)と試料b(２)を、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向に叩いて、その時の板ばね３の周期の遅れを測定する。叩く周期からの遅れ（位相差）が大きいほど磁気力は大きい。
弾性力は、試料a(１)と試料b(２)を、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向に叩いて、その時の板ばね３の周期の遅れを測定する。叩く周期からの遅れ（位相差）が大きいほど弾性力は小さい。
【００４０】
図７は本実施形態の相互作用測定装置Ｓ１で使用する雰囲気制御方式を示す図１のＢ方向矢視図である。
相互作用測定装置Ｓ１は、試料a(１)と試料b(２)を、任意の温度、湿度、真空中、気体中、液体中に設置するための雰囲気制御機構３０を有する密閉容器３１を備える。
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の温度の制御は、ヒータ、冷凍サイクル等を利用して、密閉容器３１の所望の温度を得る。
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の湿度の発生方法は、例えば、水を溜ためた水槽の中にバブラを設置し、バブラにガスを流し込む。水槽の温度を上げることにより、飽和水蒸気が発生する。そして、飽和水蒸気を試料a(１)と試料b(２)のセットされた密閉容器３１内に流し込む。湿度の制御は、流し込む飽和水蒸気を含んだガスと乾燥ガスとの混合によって得る。
【００４１】
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の真空制御は、例えば、密閉容器３１をバキュームポンプで真空引きする。
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の気体制御は、例えば、密閉容器３１へ所望の気体を該気体を入れた容器から流し込む。
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の液体制御は、例えば、密閉容器３１へ所望の液体を該液体を入れた容器からポンプで流し込む。
【００４２】
＜相互作用測定装置Ｓ１を備える検査装置＞
図１に示す相互作用測定装置Ｓ１を備える検査装置は、相互に摩擦摺動する一対の摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材を、他方の摺動部材に対して摺動する摺動面が下面となるように、板ばね３の先端部に取り付けると共に、他方の摺動部材を試料台１５の上に固定する。そして、板ばね３の先端部に取り付けた一方の摺動部材と試料台１５の上に固定した他方の摺動部材との間に垂直走査機構２１で一定の荷重を加えるとともに、水平走査機構２０で試料台１５の上の他方の摺動部材を水平走査させることにより、摩擦を測定する。
【００４３】
さらに、検査装置は、相互に摩擦摺動する一対の摺動部材の少なくとも一方の摺動面に被膜が形成された摺動部材の耐摩耗性を検査する。摺動面に被膜が形成された摺動部材とは、例えば、ＣＭＰ用スラリに使用される砥粒に表面添加剤の被膜を付けたものや、表面にダイヤモンドカーボンを付けたもの、表面に潤滑膜を付けたもの等がある。
その他、摩擦摺動を測定する一対の摺動部材として、シンクロメッシュ式の変速機におけるシンクロナイザリングと、該シンクロナイザリングに摩擦摺動するクラッチギヤが挙げられる。
【００４４】
＜相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)の検査装置＞
図１に示す相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰの検査装置は、半導体用ウエハと、半導体用ウエハの表面を化学的機械的に研磨して平滑化するために用いるＣＭＰ用スラリと、ＣＭＰ用スラリに含有される砥粒と、一定の荷重をかけて回転させることにより半導体用ウエハの表面を研磨するためのＣＭＰ用パッドと、ＣＭＰ用パッドをクリーニングするためのＣＭＰ用ドレスとを用いて、ＣＭＰの検査を行う。
【００４５】
これらの半導体用ウエハ、砥粒、ＣＭＰ用パッド、ＣＭＰ用ドレスのうち少なくとも一つを板ばね３の先端部に取り付けるとともに、板ばね３の先端部に取り付けた部材とは異なる部材を試料台１５の上に固定する。そして、両部材の間に垂直走査機構２１で一定の荷重を加えるとともに水平走査機構２０で試料台１５の上の部材を水平走査させることにより摩擦を測定する。
或いは、試料台１５の上の部材を垂直走査機構２１で垂直走査させることにより、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定する。
【００４６】
ＣＭＰの検査装置は、化学的機械的研磨における砥粒と半導体用ウエハ間、ＣＭＰ用パッドと半導体用ウエハ間、ＣＭＰ用ドレスと半導体用ウエハ間、ＣＭＰ用ドレスと砥粒間、ＣＭＰ用パッドと砥粒間、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の少なくとも一つにおいて、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定して、測定した情報を用いて、研磨速度、パッド寿命、ドレス寿命を予測する速度・寿命予測手段を備えている。速度・寿命予測手段は、コンピュータ等で構成される。
【００４７】
例えば、速度・寿命予測手段は、摩擦が大の場合は摩擦抵抗が大きいので研磨速度が速いと予測する一方、摩擦が小の場合は摩擦抵抗が小さいので研磨速度が遅いと予測する。
速度・寿命予測手段は、ＣＭＰ用パッドと半導体用ウエハとの間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが大、ＣＭＰ用パッドと砥粒間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが大、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが大等の場合、ＣＭＰ用パッドの寿命が短いと判断する。一方、予測手段は、ＣＭＰ用パッドと半導体用ウエハとの間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが小、ＣＭＰ用パッドと砥粒間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが小、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが小等の場合、ＣＭＰ用パッドの寿命が長いと判断する。
【００４８】
速度・寿命予測手段は、ＣＭＰ用ドレスと半導体用ウエハとの間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが大、ＣＭＰ用ドレスと砥粒間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが大、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが大等の場合、ＣＭＰ用ドレスの寿命が短いと判断する。一方、予測手段は、ＣＭＰ用ドレスと半導体用ウエハとの間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが小、ＣＭＰ用ドレスと砥粒間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが小、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが小等の場合、ＣＭＰ用ドレスの寿命が長いと判断する。
なお、説明した速度・寿命予測手段の予測は一例であり、予測は適宜行えるのは勿論である。
【００４９】
＜相互作用測定装置Ｓ１を備えるハードディスクの検査装置＞
図１に示す相互作用測定装置Ｓ１を備えるハードディスクの検査装置は、ハードディスク用のヘッドを磁気ディスク等の磁気記録媒体から一定の間隔で浮上させ、データの書き込みを行う磁気記録装置の検査に用いられる。
磁気記録装置のヘッドと磁気記録媒体とのうち何れか一方の部材を板ばね３の先端部に取り付けるとともに板ばね３の先端部に取り付けた部材とは異なる他方の部材を試料台１５の上に固定して、両部材間に垂直走査機構２１で一定の荷重を加えるとともに水平走査機構２０で、試料台１５の上の部材を水平走査させることにより、摩擦を測定する。
【００５０】
或いは、試料台１５の上の部材を、垂直走査機構２１で垂直走査させることにより、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定する。
ハードディスクの検査装置は、ハードディスクにおけるヘッドと磁気記録媒体間の摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定し、測定した情報を用いて書き込みエラーの発生率を予測するエラー予測手段を備える。エラー予測手段は、コンピュータ等で構成される。
【００５１】
例えば、エラー予測手段は、ヘッドと磁気記録媒体間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが大き過ぎるまたは小さ過ぎる場合、エラーの発生率が高いと予測する一方、ヘッドと磁気記録媒体間の摩擦、吸着、凝着、反発が適切な場合、エラーの発生率が低いと予測する。
なお、このエラー予測手段の予測は一例であり、予測は適宜行える。
【００５２】
＜＜実施形態１＞＞
次に、実施形態１の相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰの検査装置によるＣＭＰ用パッドと半導体用のウエハとの摩擦特性の検査について説明する。
ＣＭＰ用の研磨パッドを細かく裁断して、長さが約１２０ミクロン、幅が約８０ミクロン、高さが約１３０ミクロンのパッド粉末を作製した。これを、板ばね３の先端部分にエポキシ樹脂を用いて接着した。
【００５３】
図８は、ＣＭＰ用パッドから作製した試料a(１)付き板ばね３の一例であり、図８(ａ)は、試料a(１)付き板ばね３を上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、図８(ｂ)は、試料a(１)付き板ばね３を向かって右側方から見た図(図１のＡ方向矢視図)である。
試料a(１)のパッド粉末はポリウレタンの発泡体から形成されているため、その形状は多孔体であり、かつ、非対称、不定形な形状で、試料a(１)のパッド粉末の重心１Ｇの位置が板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３から一方側に大きくずれていることが分かった。
【００５４】
このＣＭＰ用パッドから作製した試料a(１)を、図１の相互作用測定装置Ｓ１を用いて相互作用を測定するため、固定ホルダ１４(図２参照)に板ばね３の試料a(１)を接着した先端部分とは反対側の端部を固定した。このとき、図８(ｂ)に示すように、板ばね３が試料a(１)の重量により水平線に対して左に３°(板ばね３の先端側が下方に３°)ほど傾いているのが分かった。
一方、試料台１５には試料b(２)として銅の配線が表面に形成されているＬＳＩ(Large Scale Integration)用のウエハを固定した。光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行ったところ、板ばね３がパッド粉末の重心１Ｇの側にねじれているため検出できた光量は通常の１／８しかなかった。
【００５５】
そこで、第１回転アクチュエータ２４ａ(図２(ｂ)参照)により、図８(ｂ)の矢印α１１に示すように、下方に傾き変形した板ばね３を、時計方向に３°ほど回転させて、試料台１５に対して板ばね３が平行になるように設定した。
この状態で、再度、光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行ったところ、検出できた光量は通常の６／８まで回復した。
【００５６】
次に、第２回転式アクチュエータ２４ｂにより、板ばね３(図８(ａ)参照)を、固定ホルダ１４の側を支点として試料台１５に対し水平になるように除々に回転させながら、検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行った。検出された光量が通常の値まで回復したところで、回転を止めた。この状態で、板ばね３の先端部に接着させたパッド粉(試料a(１))とウエハ(試料b(２))とを微動／粗動機構１９(図１参照)を用いて接近させた。
【００５７】
そして、微動／粗動機構１９を用いて試料a(１)のパッド粉に３ｎＮ(ナノニュートン)の荷重をかけて、試料台１５のウエハを水平走査機構２０を用いて左右(板ばね３の短手方向)に１ミクロン(μｍ)ずつ走査させたところ、試料a(１)のパッド粉とウエハとの間の摩擦を測定することができた。
この時の板ばね３のねじれの変位カーブを図９に示す。図９の横軸に走査距離をとり、縦軸にねじれ変位をとっている。
ねじれ変位は反射光ｒ１２を光検出器１７で検出した電圧信号で捉える。
【００５８】
図９の点ｎ０が走査の測定開始の点とする。点ｎ０から点ｎ１(矢印ｎ１１)では走査速度が上がるので、ねじれ変位(摩擦力)が急激に上昇する。点ｎ１で、走査が定常状態になるので、点ｎ１から点ｎ２(矢印ｎ１２)ではねじれ変位(摩擦力)が一定となる。点ｎ２から点ｎ３から逆方向に走査すると、点ｎ２から点ｎ３(矢印ｎ１３)でねじれ変位(摩擦力)が減少する。点ｎ３で逆向きの走査方向の定常状態になり、点ｎ３から点ｎ０(矢印ｎ１４)ではねじれ変位(摩擦力)が一定となる。
【００５９】
図９においては、板ばね３が受ける摩擦力(摩擦抵抗)が大きいほどねじれ変位幅が大きくなるので、図９に示すねじれ変位幅が大きいほど摩擦力が大きいことを表わす。
配線パターンの異なるウエハ(試料b(２))とパッド粉(試料a(１))との相互作用を上記の方法で測定したときのねじれ変位幅研磨速度との結果を図１０に示す。図１０の縦軸は、同じウエハとパッドとを実際に研磨して求めた研磨速度(μｍ／ｍｉｎ)であり、横軸は、ねじれ変位幅(ｍＶ)である。
【００６０】
この結果より、摩擦力(図１０の横軸のねじれ変位幅)と研磨速度(図１０の縦軸)との間に良い相関性が得られていることがわかる。
即ち、半導体用ウエハの研磨速度を検査するためのＣＭＰの検査装置として、本相互作用測定装置Ｓ１備えるＣＭＰの検査装置が有効である。この装置を用いた検査では、図１０の情報をデータベース化することで、速度・寿命予測手段によって、実際の測定に際して、板ばね３の測定したねじれ変位幅から、データベースの図１０の情報を用いて、半導体用ウエハの研磨速度を推定できる。これにより、要求されている研磨速度が得られているかどうかを検査することができる。
【００６１】
＜＜実施形態２＞＞
次に、相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰの検査装置によるＣＭＰ用スラリの砥粒とＣＭＰ用のドレスとの吸着力の測定について、説明する。
ＣＭＰ用のスラリ中に含まれる砥粒を、板ばね３の先端部分にエポキシ樹脂を用いて接着した。
図１１は、ＣＭＰ用スラリの砥粒から作製した試料a(１)を取り付けた板ばね３の一例を示す図であり、図１１(ａ)は、試料a(１)付き板ばね３を上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、図１１(ｂ)は、試料a(１)付き板ばね３を向かって右側方から見た図(図１のＡ方向矢視図)である。
【００６２】
砥粒は酸化セリウム結晶の集合体から形成されているため、その形状は多結晶体であり、かつ、非対称、不定形な形状で、図１１(ａ)に示すように、試料a(１)の重心１Ｇの位置が板ばね３の重心を通る板ばね３の短手方向の幅を等分する中心線ｃ３３から一方側(向かって右側)に大きくずれていることが分かる。
これを、図１の相互作用測定装置Ｓ１を用いてＣＭＰ用スラリの砥粒の相互作用を測定するため、固定ホルダ１４に板ばね３の試料a(１)とは反対側の端部を固定するとともに、試料台１５には試料ｂ(２)としてＣＭＰ用のドレスを固定した。そして、微動／粗動機構１９により、板ばね３の試料a(１)に試料台１５に固定した試料b(２)のＣＭＰ用のドレスを接触させた。
【００６３】
このとき、図１１(ｂ)に示すように、板ばね３の中心線ｃ３１が水平方向に対して時計廻り方向に２°ほど傾いているのが分かった。光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行ったところ、板ばね３が水平方向に対して時計廻り方向に２°ほどねじれているため、検出できた光量は通常の１／４しかなかった。ここで、第１回転アクチュエータ２４ａにより、左に傾いた中心線ｃ３１をもつ板ばね３を図１１(ｂ)の矢印α１２に示す反時計廻り方向に２°ほど回転させて、試料台１５に対して板ばね３が平行になるように設定した。
【００６４】
この状態で、再度、光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行ったところ、検出できた光量は通常の２／４まで回復した。次に、第２回転式アクチュエータ２４ｂにより、図１１(ａ)に示す板ばね３を、水平になるように回転させながら、検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行った。検出された光量が通常の値まで回復したところで、第２回転式アクチュエータ２４ｂによる板ばね３の回転を止めた。
【００６５】
垂直走査機構２１を用いて、試料台１５に固定した試料b(２)のＣＭＰ用のドレスを、板ばね３の先端に接着させた試料a(１)の砥粒に接近させたところ、砥粒とＣＭＰ用のドレスとの間の吸着力を測定することができた。
ここで、この吸着力が大きいほど、ドレスは摩耗し易いことが実験により判明した。そのため、この吸着力の測定は、ドレスの摩耗し易さを検査するのに有効である。
即ち、ＣＭＰ用のドレスの摩耗性を検査するためのＣＭＰの検査装置として、吸着力を測定できる相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰの検査装置が有効であることが示された。
【００６６】
また、ＣＭＰの検査装置は、ＣＭＰ用スラリの砥粒とＣＭＰ用のドレスとの吸着力と摩耗速度との関係をあらかじめ求めてデータベースに記憶しておき、実際の砥粒とドレスとの間の吸着力から、データベースのＣＭＰ用スラリの砥粒とＣＭＰ用のドレスとの吸着力と摩耗速度との関係を用いて、ＣＭＰ用ドレスの摩耗速度を推定する速度・寿命予測手段を備える。
これにより、ＣＭＰの検査装置は、吸着力を測定することにより、要求されている摩耗速度が得られているかどうかを検査することができる。
【００６７】
＜効果＞
相互作用測定装置Ｓ１を用いれば、非対称の不定形形状を有する試料や、重心が板ばね３の短手方向におけるその重心の位置からずれた位置にしか設置できない試料を板ばね３に接着させて種々の相互作用の測定に用いることができる。また、最大径が６０μｍ(マイクロメートル)以上かつ５００μｍ以下の大きい試料でも使用することができる。これにより、種々の製品に使用されている摺動部材や研磨部材などの実材料、例えば、多孔体、多結晶体、凝集体などや、特定の箇所に溝を切ってあるものなど、形状が複雑でかつ非対称であったり、重心が板ばね３の中心から大きくずれていたり、重量が大きかったりする材料を評価することが可能となる。
【００６８】
これらの実材料を板ばね３に取り付けて探針の替わりに使用する場合、板ばね３の短手方向の重心の位置に材料の重心の位置をもってくることができないため、板ばね３がねじれてしまうが、本装置を用いれば、左右のねじれを修正することができる。
また、実材料の重量が大きいために板ばね３が垂れ下がって変形してしまう場合にも、本装置を用いれば、上下のたわみを修正することができる。従来の装置では、変形した板ばねの背面にレーザ光を照射しても、その反射光が散乱してしまって集光させることができない、あるいは、光検出器で検出できないなどの問題があったが、これらの問題を解決することができ、あらゆる実材料に対して、相互作用を測定することが可能となる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 試料a(第１試料)
１Ｇ 試料aの重心(第１試料の重心)
２ 試料b(第２試料)
３ 板ばね
５ レンズ(変位検出光学系)
６ 鏡(変位検出光学系)
１４ 固定ホルダ(固定部材)
１５ 試料台
１６ 光源(変位検出光学系)
１７ 光検出器(変位検出光学系)
１８ 変位検出光学系
１９ 微動／粗動機構(試料間隔調整機構)
２０ 水平走査機構
２１ 垂直走査機構
２２ 回転機構
２４ 回転式アクチュエータ
２４ａ 第１回転式アクチュエータ
２４ｂ 第２回転式アクチュエータ
２５ ステップモータ
２６ 圧電素子
３０ 雰囲気制御機構
３１ 密閉容器
ｂ１、ｂ２ ベルト(変換構造)
ｃ３１ 板ばねの長手方向の中心線(板ばねの長手方向の中心線)
ｃ３２ 板ばねの短手方向の中心線(板ばねの短手方向の中心線)
ｃ３３ 板ばねの短手方向の幅を等分する中心線
ｐ１、ｐ２、ｐ３ プーリ(変換構造)
ｒ１１ (検出光)
ｒ１２ 反射光
Ｓ１ 相互作用測定装置(走査型プローブ顕微鏡)
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二種類の物質間の相互作用を測定するプローブ顕微鏡に係わり、特に、変速機、ＣＭＰ、ハードディスクなどの摺動部材、研磨部材の物性を計測してこれらの特性を推定することができるプローブ顕微鏡、およびこれを備える摩擦摺動・ＣＭＰ・ハードディスクの検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、探針と試料とを接近させた状態で探針を試料に対して相対的に走査する際に、探針から試料へ接触または非接触の局所的刺激を発生させ、その刺激に対する試料表面からの局所的応答を測定することによって試料の表面を観察する顕微鏡である。走査型プローブ顕微鏡はその物理量の測定方法の違いから、探針と試料間に流れる電流を検出する走査トンネル顕微鏡と試料表面と探針との間に働くいろいろな力を検出する原子間力顕微鏡、試料表面の磁気分布を測定する磁気力顕微鏡をはじめ、試料表面の摩擦力、粘性、弾性、電位等を測定する多くの種類の顕微鏡が実用化されている。
【０００３】
この顕微鏡は、試料と探針の間に働く力によって、測定プローブを支持しているバネ要素がたわむことを利用した測定法が主流である。その制御手段としては、片持ち梁プローブの背面にレーザ光を照射して、反射光の光軸が、片持ち梁プローブのたわみによって、変化することを利用した光てこ方式や光波干渉方式が利用されている。
図１２に従来の光てこ方式の顕微鏡３００を示す。
顕微鏡３００は、板ばね３０３の先端に探針(カンチレバ)３１３が配置され、試料台３１５には試料３０２が固定されている。そして、板ばね３０３の先端に取り付けられた探針３１３で試料３０２に局所的刺激を発生させ、その際に板ばね３０３から反射するレーザ光ｒ１００を４分割ポジションディテクタ３０７で検知して、試料３０２の表面を観察する。
【０００４】
顕微鏡は、先端に探針３１３が取り付けられた板ばね３０３、レーザ光ｒ１０を発光する半導体レーザ３０４、発光されたレーザ光ｒ１００を板ばね３０３に向けて集光するレンズ３０５、板ばね３０３で反射したレーザ光ｒ１００を反射する鏡３０６、板ばね３０３で反射したレーザ光ｒ１００を検知する４分割ポジションディテクタ３０７、プリアンプ３０８、Ｚ軸方向(鉛直方向)の走査を制御するＺ軸サーボ系３０９、水平方向の走査を制御するＸ，Ｙラスタースキャン系３１０、試料３０２に鉛直方向(Ｚ軸方向)の微小な移動を付与するピエゾ素子３１１、および試料３０２を鉛直方向(Ｚ軸方向)に移動するステップインモータ３１２より構成される。
【０００５】
試料３０２の測定に際して、板ばね３０３は試料３０２に局所的刺激を発生させることから、板ばね３０３に垂直方向の変位、及び試料３０２と探針３１３との摩擦により生じる板ばね３０３のねじれ、即ち板ばね３０３の水平方向の変位が発生する。半導体レーザ３０４からのレーザ光ｒ１００は、板ばね３０３の背面で反射され、４分割ポジションディテクタ３０７により検出されるので、板ばね３０３の垂直方向、及び水平方向の変位は４分割ポジションディテクタ３０７の検知信号から求められる（特許文献１参照）。
探針と試料の間に流れる電流を検出する走査型トンネル顕微鏡では、探針側に取り付けられているピエゾを走査して画像を収集している。
【０００６】
一方、光てこ方式からなる原子間力顕微鏡では、図１２に示すように、試料３０２の側にＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向のピエゾを設けているものが多い。
原子間力顕微鏡では、可動範囲の大きなピエゾ素子を搭載しているため、探針と試料との間の追随性が悪くなる。これを回避するため、探針(カンチレバー)３１３の母材上にＸ，Ｙ，Ｚのピエゾを設けている例がある。探針(カンチレバー)３１３の母材上にＸ，Ｙ，Ｚのピエゾを設けているものの中には、探針３１３は試料表面を「の」の字でなぞる様に小旋回動作をさせる例が開示されている（特許文献２）。
【０００７】
また、これらに使用される探針３１３は、円柱状、円錐状、円筒状、平面状、三角錐、正四面体、針状、球状等の対称性に優れた形状が一般に用いられる。さらには、球形度が０．７５以上の球状粒子をＡＦＭ(原子間力顕微鏡)用探針の先端に接着させる例（特許文献３）や、粒径が数十ミクロン以下の微小球状粒子を接着させる例（特許文献４）なども開示されている。これらの探針は、必ず、重心が板ばねの中心線上にある。これは、板ばねが試料に対して水平にアプローチする、あるいは上下振動する際に板ばねがズレて誤検知を生じないために必要不可欠だからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２４１７６２号公報
【特許文献２】特開２００８−１９１０６２号公報
【特許文献３】特開２００２−６２２５３号公報
【特許文献４】特開２００９−１１５５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の光てこ方式の顕微鏡に使用されている駆動系では、使用可能な探針は、その形状が対称性に優れ、探針の重心が板ばねの中心線上に存在すること、その大きさが板ばねの歪まない程度に十分小さく、軽いことなどの制約があった。しかし、種々の製品に使用されている摺動部材や研磨部材などの実材料は、多孔体、多結晶体、凝集体などや、特定の箇所に溝を切ってあるものなど、形状が複雑かつ不定形で、しかも非対称であり、重心が材料の中心から大きくずれていたり、重量が大きかったりする場合が多い。
【００１０】
これらの実材料を板ばねに取り付けて探針の替わりに使用しようとすると、板ばねの中心線上に材料の重心がくるように取り付けることが困難なために、板ばねがねじれてしまう。或いは、重量が大きいために板ばねが垂れ下がってしまうなどの不具合が生じている。
このように変形した板ばねでは、板ばねの背面にレーザ光を照射しても、その反射光が散乱してしまって集光させることができない、或いは、ディテクタで検出できないなどの問題がある。
【００１１】
本発明は上記実状に鑑み、材料の重心が検知用の板ばねの中心からずれたり、材料の重量が大きいために板ばねが垂れ下がる場合にも正確な測定が可能なプローブ顕微鏡、およびこれを備える摩擦摺動・ＣＭＰ・ハードディスクの検査装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わる走査型プローブ顕微鏡は、第１試料が先端部に取り付けられた板ばねと、前記板ばねの前記先端部とは反対側の端部を固定する固定部材と、第２試料が固定される試料台と、光源から発生する検出光の光軸が前記板ばねの先端部または前記板ばねの変位に追従する部分に当てられ、その反射光を光検出器で検出する前記板ばねの変位検出光学系と、前記試料台もしくは前記板ばねを動かして、前記第１試料と前記第２試料とを接近または離隔させるための試料間隔調整機構と、前記第１試料と前記第２試料との間の摩擦を測定するための水平走査機構と、前記第１試料と前記第２試料との間の吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定するための垂直走査機構とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、前記光源から発生する検出光の光軸が当てられた部分の前記第１試料が先端部に取り付けられた板ばねの傾きを、前記試料台に対して任意の角度で変化させるための前記固定部材を回転させる回転機構を備えている。
【００１３】
第２の本発明に関わる摩擦摺動の検査装置は、第１の本発明の走査型プローブ顕微鏡を備え、相互に摩擦摺動する一対の摺動部材のうち少なくとも一方の前記摺動部材を、他方の前記摺動部材に対して摺動する摺動面が下面となるように、前記板ばねの先端部に取り付けると共に、前記他方の摺動部材を前記試料台の上に固定して、前記試料間隔調整機構が、前記板ばねの先端部に取り付けた一方の摺動部材と、前記他方の摺動部材との間に一定の荷重を加えるとともに、前記水平走査機構で前記試料台の上の他方の摺動部材を水平走査させることにより、前記一対の摺動部材間の摩擦特性を測定している。
【００１４】
第３の本発明に関わるＣＭＰの検査装置は、第１の本発明の走査型プローブ顕微鏡を備え、半導体用ウエハ、前記半導体用ウエハの表面を化学的機械的に研磨して平滑化するために用いるＣＭＰ用スラリに含まれる砥粒、一定の荷重をかけて回転させることにより前記半導体用ウエハの表面を研磨するためのＣＭＰ用パッド、前記ＣＭＰ用パッドをクリーニングするためのＣＭＰ用ドレスのうちの少なくとも一つを前記板ばねの先端部に取り付けるとともに前記板ばねの先端部に取り付けた部材とは異なる部材を試料台の上に固定して、前記水平走査機構または前記垂直走査機構で前記試料台の上の部材を走査させることにより、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定している。
【００１５】
第４の本発明に関わるハードディスクの検査装置は、第１の本発明の走査型プローブ顕微鏡を備え、ハードディスク用のヘッドを磁気記録媒体から一定の間隔で浮上させ、データの書き込みを行う磁気記録装置における前記ヘッドと前記磁気記録媒体のうち何れか一方の部材が前記板ばねの先端部に取り付けられるとともに他方の部材が前記試料台の上に固定され、前記水平走査機構または前記垂直走査機構で前記試料台の上の部材を走査させることにより、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定している。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、材料の重心が検知用の板ばねの中心からずれたり、材料の重量が大きいために板ばねが垂れ下がる場合にも正確な測定が可能なプローブ顕微鏡、およびこれを備える摩擦摺動・ＣＭＰ・ハードディスクの検査装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す相互作用測定装置を示す概念的構成図である。
【図２】(ａ)は、実施形態の一例の試料aを取り付けた板ばねの先端部側が試料aの重みで下方に向け変形した状態を示す図１のＡ方向矢視図であり、(ｂ)は、実施形態の試料aの重みで変形した板ばねを水平にした状態を示すＡ方向矢視図である。
【図３】(ａ)は、図１の実施形態の相互作用測定装置の板ばねの先端部に取り付けた試料ａの重心が板ばねの中心線より左側にある場合の状態を示す図１のＢ方向矢視図であり、(ｂ)は、(ａ)の相互作用測定装置の板ばねの先端部に取り付けた試料ａの重心が板ばねの中心線より右側にある場合の状態を示す図１のＢ方向矢視図であり、(ｃ)は、(ａ)、(ｂ)の相互作用測定装置の変形した板ばねを水平にした状態を示す図１のＢ方向矢視図である。
【図４】実施形態の相互作用測定装置における回転機構の第１回転式アクチュエータの一例を示す図１のＡ方向矢視図である。
【図５】実施形態の相互作用測定装置で使用する試料aと板ばねとの廻りの外観を示す図である。(ａ)〜(ｄ)は板ばねを上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、(ｅ)〜(ｈ)は板ばねを前方から見た図(図１のＢ方向矢視図)である。
【図６】(ａ)および(ｂ)は、実施形態の一例を示す相互作用測定装置で使用する試料aと板ばねとの廻りの外観および試料aの寸法を示す図であり、板ばねを上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)である。
【図７】実施形態の一例を示す相互作用測定装置で使用する雰囲気制御方式を示す図１のＢ方向矢視図である。
【図８】ＣＭＰ用パッドから作製した試料a付き板ばねの一例であり、(ａ)は、試料a付き板ばねを上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、(ｂ)は、試料a付き板ばねを向かって右側方から横から見た図(図１のＡ方向矢視図)である。
【図９】水平走査機構を用いてパッド粉を３ｎＮの荷重をかけて左右に１ミクロンずつ走査させ、パッド粉とウエハとの間の摩擦を測定した際の板ばねのねじれの変位カーブを示す図である。
【図１０】配線パターンの異なるウエハとパッド粉との相互作用を測定したときのねじれ変位幅と研磨速度との結果を示す図である。
【図１１】ＣＭＰ用スラリの砥粒から作製した試料a付き板ばねの一例であり、(ａ)は、試料a付き板ばねを上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、(ｂ)は、試料a付き板ばねを横から見た図(図１のＡ方向矢視図)である。
【図１２】従来の光てこ方式の顕微鏡を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態の一例を示す走査型プローブ顕微鏡の相互作用測定装置Ｓ１を示す概念的構成図である。
＜実施形態の相互作用測定装置Ｓ１の概要＞
実施形態の走査型プローブ顕微鏡の相互作用測定装置Ｓ１は、非対称の不定形形状を有する試料や、板ばねの重心を通る中心線から重心がずれた位置にしか設置できない試料を板ばねに接着して種々の相互作用の測定に使用する。
そのため、相互作用測定装置Ｓ１は、光源１６から発生する検出光の光軸が当てられた部分の板ばね３の傾きを、試料台１５に対して任意の角度で変化させるための板ばね３を回転させる回転機構２２を備える。
【００１９】
＜相互作用測定装置Ｓ１の構成＞
実施形態の相互作用測定装置Ｓ１は、先端部に試料a(１)が取り付けられた板ばね３と、板ばね３の先端部とは反対側の端部を固定した固定ホルダ１４(図２参照)と備え、試料台１５の上には試料ｂ(２)が固定されている。なお、固定ホルダ１４は、固定ホルダケース１４ｃで覆われている。
相互作用測定装置Ｓ１は、光源１６から発生するレーザ検出光等の検出光ｒ１１の光軸が板ばね３の先端部または板ばね３の変位に追従する部分に当てられた反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する板ばね３の変位検出光学系１８と、試料台１５もしくは板ばね３を動かして試料ａ(１)と試料ｂ(２)とを接近または離隔させるための微動／粗動機構１９と、試料ａ(１)と試料ｂ(２)との間の摩擦を測定するために試料台１５を水平方向(Ｘ・Ｙ軸方向)に走査させる水平走査機構２０と、試料ａ(１)と試料ｂ(２)との間の吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定するために試料台１５を垂直方向(Ｚ軸方向)に走査させる垂直走査機構２１とを有する走査型プローブ顕微鏡である。
【００２０】
変位検出光学系１８は、検出光ｒ１１を発する光源１６と、光源１６からの検出光ｒ１１を板ばね３に向けて集光するレンズ５と、ビームスプリッタと、板ばね３で反射した反射光ｒ１２を反射する鏡６と、鏡６で反射した反射光ｒ１２を検出する光検出器１７とを有する。
相互作用測定装置Ｓ１は、試料ａ(１)と試料ｂ(２)とを接近させる前に、光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸が当てられた部分の板ばね３の傾きを、試料台１５に対して任意の角度で変化させるための固定ホルダ１４を回転させる回転機構２２を備えている。
【００２１】
図２〜図４は本発明の実施形態の一例を示す回転機構を表わす図である。
図２(ａ)は、実施形態の一例の試料a(１)を取り付けた板ばね３の先端部側が試料a(１)の重みで下方に向け変形した状態を示す図１のＡ方向矢視図であり、図２(ｂ)は、実施形態の試料a(１)の重みで変形した板ばね３を水平にした状態を示すＡ方向矢視図である。
相互作用測定装置Ｓ１の回転機構２２は、板ばね３の試料a(１)を取り付けた先端部から固定ホルダ１４に固定された端部までの長手方向(例えば、板ばね３の長手方向の中心線ｃ３１)を、固定ホルダ１４の固定端側を支点として、試料台１５に対して水平方向になるように、図２(ｂ)の矢印α１１、α１２方向に回転させる第１回転式アクチュエータ２４ａを備えている。
【００２２】
図２(ａ)に示すように、固定ホルダ１４の自由端側で水平に支持される板ばね３の先端部に試料a(１)を取り付けた場合、板ばね３が試料a(１)の重量により下方に向けて曲げ変形する。すると、光源１６から発した検出光ｒ１１は、曲げ変形した板ばね３で反射し、反射した反射光ｒ１２が光検出器１７から外れ、光検出器１７で検出することができなくなる。
この際、図２(ａ)の矢印α１２方向に、第１回転式アクチュエータ２４ａによって固定ホルダ１４を介して変形した板ばね３を回転させ、図２(ｂ)に示すように、変形した板ばね３の位置を変え、光源１６から発した検出光ｒ１１が曲げ変形した板ばね３で反射し、反射した反射光ｒ１３が光検出器１７に入るようにして、検出できるようにする。
【００２３】
図３(ａ)は、実施形態の相互作用測定装置Ｓ１の板ばね３の先端部に取り付けた試料ａ(１)の重心１Ｇが板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３より左側にある場合の状態を示す図１のＢ方向矢視図であり、図３(ｂ)は、図３(ａ)の相互作用測定装置Ｓ１の板ばね３の先端部に取り付けた試料ａ(１)の重心１Ｇが板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３より右側にある場合の状態を示す図１のＢ方向矢視図であり、図３(ｃ)は、図３(ａ)、図３(ｂ)の相互作用測定装置Ｓ１の変形した板ばね３を水平にした状態を示す図１のＢ方向矢視図である。
なお、板ばね３の重心は、板ばね３を上から見た場合、板ばね３の短手方向の幅を等分する中心線ｃ３３上に位置する。
相互作用測定装置Ｓ１の回転機構２２は、板ばね３の短手方向(例えば、板ばね３の短手方向の中心線ｃ３２)を、試料台１５に対して、図３(ａ)の矢印α２１、図３(ｂ)の矢印α２２に示す方向に回転させる第２回転式アクチュエータ２４ｂ(図２参照)を備えている。
【００２４】
図３(ａ)に示すように、板ばね３の先端部に取り付けた試料a(１)の重心１Ｇが、板ばね３の重心が位置する板ばね３の短手方向の幅を等分する中心線ｃ３３より向かって左側にある場合、板ばね３が向かって左側に曲げ変形する。そのため、光源１６からの検出光ｒ２１が曲げ変形した板ばね３で反射し、反射した反射光ｒ２２が光検出器１７からずれて光検出器１７で検出することができなくなる。
【００２５】
そこで、第２回転式アクチュエータ２４ｂによって、固定ホルダ１４を介して、図２(ａ)の矢印α２１方向に、変形した板ばね３を回転させてその位置を変えて、図３(ｃ)に示すように、光源１６から発し変形した板ばね３で反射した反射光ｒ２４が、光検出器１７に入射し光検出器１７で検出できるようにする。
また、図３(ｂ)に示すように、板ばね３の先端部に取り付けた試料a(１)の重心１Ｇが、板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３より向かって右側にある場合、板ばね３が向かって右側に曲げ変形する。そのため、光源１６から発した検出光ｒ２１が曲げ変形した板ばね３で反射し、反射した反射光ｒ２３が検出器１７からずれて、光検出器１７で検出できなくなる。
【００２６】
そこで、第２回転式アクチュエータ２４ｂによって、固定ホルダ１４を介して、図３(ｂ)の矢印α２２方向に、変形した板ばね３の短手方向を回転させて位置を変えて、図３(ｃ)に示すように、光源１６から発し変形した板ばね３で反射した反射光ｒ２４が、光検出器１７に入るようにすることで光検出器１７で検出できるようにする。
図４は、相互作用測定装置Ｓ１における回転機構２２(図２参照)の第１回転式アクチュエータ２４ａの一例を示す図１のＡ方向矢視図である。
【００２７】
第１回転式アクチュエータ２４ａは、固定支軸ｏ１廻りにプーリｐ１が回転自在に支持されており、プーリｐ１に巻装されるベルトｂ１を介して、プーリｐ１の回転が伝達されるプーリｐ２が、固定支軸ｏ２廻りに回転自在に支持されている。そして、プーリｐ２に巻装されるベルトｂ２を介してプーリｐ２の回転が伝達されるプーリｐ３が、固定支軸ｏ３廻りに回転自在に支持されている。プーリｐ３には固定ホルダ１４が固定され、プーリｐ３の回転により、固定ホルダ１４が、図４の矢印α１１方向または矢印α１２方向に回転する。
【００２８】
また、プーリｐ１には、長孔ｐ１１が形成され、長孔ｐ１１には、積層した圧電素子２６に固定された伝達部材２６ｄに固定されたピン２６ｄ１がスライド自在に嵌入されている。この積層した圧電素子２６は、電圧が印加されることにより、図４の矢印β１１方向または矢印β１２方向に微動する。
積層した圧電素子２６の下方には、ステップモータ２５の回転運動が、図４の矢印β１１方向または矢印β１２方向の直線運動に変換され、矢印β１１方向または矢印β１２方向に粗動させる粗動機構２５ｋが設けられており、粗動機構２５ｋの上に、積層した圧電素子２６が固定されている。
【００２９】
第１回転式アクチュエータ２４ａは、ステップモータ２５と圧電素子２６を組み合わせた図４の矢印β１１方向、矢印β１２方向に移動する微動／粗動機構から得られる動力を、固定ホルダ１４の回転運動へ変換する回転構造(プーリｐ１、ｐ２、ｐ３、ベルトｂ１、ｂ２)を備え、この回転構造により、固定ホルダ１４を回転運動させることによって、板ばね３を図４のα１１方向、矢印α１２方向に回転させて、配置できる。
【００３０】
この構成により、板ばね３がその先端部に取り付けた試料a(１)の重量により変形し、光源１６から発した検出光ｒ１１が曲げ変形した板ばね３で反射した反射光ｒ１２を、変形した板ばね３を図４のα１１方向、矢印α１２方向に回転させることで、光検出器１７に入る反射光ｒ１３とすることができる(図２(ｂ)参照)。
ここで、図２に示す回転機構２２における板ばね３の短手方向を回転(図３参照)させる第２回転式アクチュエータ２４ｂは、図４に示す回転式アクチュエータ２４ａの設置方向を板ばね３の長手方向廻りに９０°回転させることにより、実現することができる。
【００３１】
なお、図４においては、第１回転式アクチュエータ２４ａの一例を挙げたが、例示した以外のモータの回転運動を減速機構、リンク等を用いて伝達する粗動機構を構成することも可能であり、例示した構成に限定されない。また、微動機構も、所定の微動動作が得られれば、図４に例示した構成に限定されない。
また、第１回転式アクチュエータ２４ａは、板ばね３の長手方向を任意の角度回転できれば、その構成は適宜選択可能である。同様に、第２回転式アクチュエータ２４ｂは、板ばね３の長手方向を任意の角度回転できれば、その構成は適宜選択可能である。
【００３２】
図５は、実施形態の一例を示す相互作用測定装置Ｓ１で使用する試料a(１)と板ばね３との廻りの外観を示す図である。図５(ａ)〜図５(ｄ)は板ばね３を上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、図５(ｅ)〜図５(ｈ)は板ばね３を前方から見た図(図１のＢ方向矢視図)である。
図５(ａ)〜図５(ｈ)の中心線ｃ３３(一点鎖線)は、それぞれ板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線である。
【００３３】
試料a(１)は、非対称の不定形形状を有しており、かつ、試料a(１)の重心１Ｇは、板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３からずれた位置にある。
そのため、板ばね３には、試料a(１)の重心１Ｇが板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３からずれることによる偏りの変形が発生し易い。
図６(ａ)、(ｂ)は、実施形態の一例を示す相互作用測定装置Ｓ１で使用する試料a(１)と板ばね３との廻りの外観および試料a(１)の寸法を示す図であり、板ばね３を上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)である。
【００３４】
板ばね３に配置された試料a(１)は、板ばね３を上方から見下ろした場合(板ばね３の延在面を厚さ方向に上方から見下ろした場合)、最大径が６０μｍ(マイクロメートル)以上かつ５００μｍ以下の範囲にある。
実施形態の走査型プローブ顕微鏡の相互作用測定装置Ｓ１は、試料a(１)と試料b(２)の間の摩擦力、吸着力、凝着力、硬度、電位差、静電気力、磁気力、弾性率を測定する。
摩擦力は、相互作用測定装置Ｓ１により、次のようにして求められる。
【００３５】
試料a(１)と試料b(２)とを、水平走査機構２０によって試料台１５を水平移動(図１のＸ、Ｙ方向に移動)させることにより、水平方向に擦り合わせる。すると、試料a(１)と試料b(２)との摩擦力で板ばね３が変形するので、その時の板ばね３の変位を測定することで摩擦力が求められる。
試料a(１)と試料b(２)とを擦り合わせる方向は板ばね３の短手方向(図３の中心線ｃ３２方向)とする。このとき、板ばね３の短手方向(図３の中心線ｃ３２方向)に対するねじれを検知する。ねじれが大きいほど摩擦抵抗が大きく、摩擦が大きい。
【００３６】
吸着力は、相互作用測定装置Ｓ１により、次のようにして求められる。
試料a(１)と試料b(２)とが離れた状態から、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向(Ｚ軸方向)に移動させることにより、上下方向に接近させて、その時の板ばね３の変位を測定する。変位は試料a(１)と試料b(２)が接触するときの板ばね３のたわみを検知して得る。板ばね３のたわみが大きいほど試料a(１)と試料b(２)との吸着力が大きい。
凝着力は、相互作用測定装置Ｓ１により、次のようにして求められる。
【００３７】
試料a(１)と試料b(２)が接触した状態から、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向に離して、その時の板ばね３の変位を測定する。変位は、試料a(１)と試料b(２)が離れるときのたわんだ板ばね３の戻り量を検知して得る。戻り量が大きいほど、凝着力に起因する板ばね３の変形のエネルギが大きいので、試料a(１)と試料b(２)との凝着力は大きい。
硬度は、試料a(１)と試料b(２)とが接した状態から、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向にさらに押しつけて、その時の板ばね３の変位を測定する。変位は試料a(１)と試料b(２)が押しつけ合ったときの板ばね３の反りを検知して得る。反りが大きいほどより硬いので、硬度が大きい。
【００３８】
電位差は、電気化学的に研磨される材料や、電気化学的な作用をする材料に対して測定される
電位差は、試料a(１)と試料b(２)とを、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、少し離して一定のバイアス電圧を印加してその時の電位差を読み取る。
静電気力は、試料a(１)と試料b(２)が離れた状態から、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向にさらに接近させて、その時の板ばね３の変位を測定する。変位は試料a(１)と試料b(２)が接近したときの板ばね３の反りを検知して得る。板ばね３の反りが大きいほど静電気力は大きい。
【００３９】
磁気力は、試料a(１)と試料b(２)を、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向に叩いて、その時の板ばね３の周期の遅れを測定する。叩く周期からの遅れ（位相差）が大きいほど磁気力は大きい。
弾性力は、試料a(１)と試料b(２)を、垂直走査機構２１(図１参照)で試料台１５を鉛直方向に移動させることにより、上下方向に叩いて、その時の板ばね３の周期の遅れを測定する。叩く周期からの遅れ（位相差）が大きいほど弾性力は小さい。
【００４０】
図７は本実施形態の相互作用測定装置Ｓ１で使用する雰囲気制御方式を示す図１のＢ方向矢視図である。
相互作用測定装置Ｓ１は、試料a(１)と試料b(２)を、任意の温度、湿度、真空中、気体中、液体中に設置するための雰囲気制御機構３０を有する密閉容器３１を備える。
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の温度の制御は、ヒータ、冷凍サイクル等を利用して、密閉容器３１の所望の温度を得る。
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の湿度の発生方法は、例えば、水を溜ためた水槽の中にバブラを設置し、バブラにガスを流し込む。水槽の温度を上げることにより、飽和水蒸気が発生する。そして、飽和水蒸気を試料a(１)と試料b(２)のセットされた密閉容器３１内に流し込む。湿度の制御は、流し込む飽和水蒸気を含んだガスと乾燥ガスとの混合によって得る。
【００４１】
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の真空制御は、例えば、密閉容器３１をバキュームポンプで真空引きする。
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の気体制御は、例えば、密閉容器３１へ所望の気体を該気体を入れた容器から流し込む。
雰囲気制御機構３０による密閉容器３１の液体制御は、例えば、密閉容器３１へ所望の液体を該液体を入れた容器からポンプで流し込む。
【００４２】
＜相互作用測定装置Ｓ１を備える検査装置＞
図１に示す相互作用測定装置Ｓ１を備える検査装置は、相互に摩擦摺動する一対の摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材を、他方の摺動部材に対して摺動する摺動面が下面となるように、板ばね３の先端部に取り付けると共に、他方の摺動部材を試料台１５の上に固定する。そして、板ばね３の先端部に取り付けた一方の摺動部材と試料台１５の上に固定した他方の摺動部材との間に垂直走査機構２１で一定の荷重を加えるとともに、水平走査機構２０で試料台１５の上の他方の摺動部材を水平走査させることにより、摩擦を測定する。
【００４３】
さらに、検査装置は、相互に摩擦摺動する一対の摺動部材の少なくとも一方の摺動面に被膜が形成された摺動部材の耐摩耗性を検査する。摺動面に被膜が形成された摺動部材とは、例えば、ＣＭＰ用スラリに使用される砥粒に表面添加剤の被膜を付けたものや、表面にダイヤモンドカーボンを付けたもの、表面に潤滑膜を付けたもの等がある。
その他、摩擦摺動を測定する一対の摺動部材として、シンクロメッシュ式の変速機におけるシンクロナイザリングと、該シンクロナイザリングに摩擦摺動するクラッチギヤが挙げられる。
【００４４】
＜相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)の検査装置＞
図１に示す相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰの検査装置は、半導体用ウエハと、半導体用ウエハの表面を化学的機械的に研磨して平滑化するために用いるＣＭＰ用スラリと、ＣＭＰ用スラリに含有される砥粒と、一定の荷重をかけて回転させることにより半導体用ウエハの表面を研磨するためのＣＭＰ用パッドと、ＣＭＰ用パッドをクリーニングするためのＣＭＰ用ドレスとを用いて、ＣＭＰの検査を行う。
【００４５】
これらの半導体用ウエハ、砥粒、ＣＭＰ用パッド、ＣＭＰ用ドレスのうち少なくとも一つを板ばね３の先端部に取り付けるとともに、板ばね３の先端部に取り付けた部材とは異なる部材を試料台１５の上に固定する。そして、両部材の間に垂直走査機構２１で一定の荷重を加えるとともに水平走査機構２０で試料台１５の上の部材を水平走査させることにより摩擦を測定する。
或いは、試料台１５の上の部材を垂直走査機構２１で垂直走査させることにより、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定する。
【００４６】
ＣＭＰの検査装置は、化学的機械的研磨における砥粒と半導体用ウエハ間、ＣＭＰ用パッドと半導体用ウエハ間、ＣＭＰ用ドレスと半導体用ウエハ間、ＣＭＰ用ドレスと砥粒間、ＣＭＰ用パッドと砥粒間、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の少なくとも一つにおいて、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定して、測定した情報を用いて、研磨速度、パッド寿命、ドレス寿命を予測する速度・寿命予測手段を備えている。速度・寿命予測手段は、コンピュータ等で構成される。
【００４７】
例えば、速度・寿命予測手段は、摩擦が大の場合は摩擦抵抗が大きいので研磨速度が速いと予測する一方、摩擦が小の場合は摩擦抵抗が小さいので研磨速度が遅いと予測する。
速度・寿命予測手段は、ＣＭＰ用パッドと半導体用ウエハとの間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが大、ＣＭＰ用パッドと砥粒間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが大、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが大等の場合、ＣＭＰ用パッドの寿命が短いと判断する。一方、予測手段は、ＣＭＰ用パッドと半導体用ウエハとの間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが小、ＣＭＰ用パッドと砥粒間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが小、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが小等の場合、ＣＭＰ用パッドの寿命が長いと判断する。
【００４８】
速度・寿命予測手段は、ＣＭＰ用ドレスと半導体用ウエハとの間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが大、ＣＭＰ用ドレスと砥粒間の摩擦、吸着、凝着、反発力の何れかが大、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが大等の場合、ＣＭＰ用ドレスの寿命が短いと判断する。一方、予測手段は、ＣＭＰ用ドレスと半導体用ウエハとの間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが小、ＣＭＰ用ドレスと砥粒間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが小、ＣＭＰ用パッドとＣＭＰ用ドレス間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが小等の場合、ＣＭＰ用ドレスの寿命が長いと判断する。
なお、説明した速度・寿命予測手段の予測は一例であり、予測は適宜行えるのは勿論である。
【００４９】
＜相互作用測定装置Ｓ１を備えるハードディスクの検査装置＞
図１に示す相互作用測定装置Ｓ１を備えるハードディスクの検査装置は、ハードディスク用のヘッドを磁気ディスク等の磁気記録媒体から一定の間隔で浮上させ、データの書き込みを行う磁気記録装置の検査に用いられる。
磁気記録装置のヘッドと磁気記録媒体とのうち何れか一方の部材を板ばね３の先端部に取り付けるとともに板ばね３の先端部に取り付けた部材とは異なる他方の部材を試料台１５の上に固定して、両部材間に垂直走査機構２１で一定の荷重を加えるとともに水平走査機構２０で、試料台１５の上の部材を水平走査させることにより、摩擦を測定する。
【００５０】
或いは、試料台１５の上の部材を、垂直走査機構２１で垂直走査させることにより、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定する。
ハードディスクの検査装置は、ハードディスクにおけるヘッドと磁気記録媒体間の摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定し、測定した情報を用いて書き込みエラーの発生率を予測するエラー予測手段を備える。エラー予測手段は、コンピュータ等で構成される。
【００５１】
例えば、エラー予測手段は、ヘッドと磁気記録媒体間の摩擦、吸着、凝着、反発の何れかが大き過ぎるまたは小さ過ぎる場合、エラーの発生率が高いと予測する一方、ヘッドと磁気記録媒体間の摩擦、吸着、凝着、反発が適切な場合、エラーの発生率が低いと予測する。
なお、このエラー予測手段の予測は一例であり、予測は適宜行える。
【００５２】
＜＜実施形態１＞＞
次に、実施形態１の相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰの検査装置によるＣＭＰ用パッドと半導体用のウエハとの摩擦特性の検査について説明する。
ＣＭＰ用の研磨パッドを細かく裁断して、長さが約１２０ミクロン、幅が約８０ミクロン、高さが約１３０ミクロンのパッド粉末を作製した。これを、板ばね３の先端部分にエポキシ樹脂を用いて接着した。
【００５３】
図８は、ＣＭＰ用パッドから作製した試料a(１)付き板ばね３の一例であり、図８(ａ)は、試料a(１)付き板ばね３を上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、図８(ｂ)は、試料a(１)付き板ばね３を向かって右側方から見た図(図１のＡ方向矢視図)である。
試料a(１)のパッド粉末はポリウレタンの発泡体から形成されているため、その形状は多孔体であり、かつ、非対称、不定形な形状で、試料a(１)のパッド粉末の重心１Ｇの位置が板ばね３の重心が位置する板ばね３の幅を等分する中心線ｃ３３から一方側に大きくずれていることが分かった。
【００５４】
このＣＭＰ用パッドから作製した試料a(１)を、図１の相互作用測定装置Ｓ１を用いて相互作用を測定するため、固定ホルダ１４(図２参照)に板ばね３の試料a(１)を接着した先端部分とは反対側の端部を固定した。このとき、図８(ｂ)に示すように、板ばね３が試料a(１)の重量により水平線に対して左に３°(板ばね３の先端側が下方に３°)ほど傾いているのが分かった。
一方、試料台１５には試料b(２)として銅の配線が表面に形成されているＬＳＩ(Large Scale Integration)用のウエハを固定した。光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行ったところ、板ばね３がパッド粉末の重心１Ｇの側にねじれているため検出できた光量は通常の１／８しかなかった。
【００５５】
そこで、第１回転アクチュエータ２４ａ(図２(ｂ)参照)により、図８(ｂ)の矢印α１１に示すように、下方に傾き変形した板ばね３を、時計方向に３°ほど回転させて、試料台１５に対して板ばね３が平行になるように設定した。
この状態で、再度、光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行ったところ、検出できた光量は通常の６／８まで回復した。
【００５６】
次に、第２回転式アクチュエータ２４ｂにより、板ばね３(図８(ａ)参照)を、固定ホルダ１４の側を支点として試料台１５に対し水平になるように除々に回転させながら、検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行った。検出された光量が通常の値まで回復したところで、回転を止めた。この状態で、板ばね３の先端部に接着させたパッド粉(試料a(１))とウエハ(試料b(２))とを微動／粗動機構１９(図１参照)を用いて接近させた。
【００５７】
そして、微動／粗動機構１９を用いて試料a(１)のパッド粉に３ｎＮ(ナノニュートン)の荷重をかけて、試料台１５のウエハを水平走査機構２０を用いて左右(板ばね３の短手方向)に１ミクロン(μｍ)ずつ走査させたところ、試料a(１)のパッド粉とウエハとの間の摩擦を測定することができた。
この時の板ばね３のねじれの変位カーブを図９に示す。図９の横軸に走査距離をとり、縦軸にねじれ変位をとっている。
ねじれ変位は反射光ｒ１２を光検出器１７で検出した電圧信号で捉える。
【００５８】
図９の点ｎ０が走査の測定開始の点とする。点ｎ０から点ｎ１(矢印ｎ１１)では走査速度が上がるので、ねじれ変位(摩擦力)が急激に上昇する。点ｎ１で、走査が定常状態になるので、点ｎ１から点ｎ２(矢印ｎ１２)ではねじれ変位(摩擦力)が一定となる。点ｎ２から点ｎ３から逆方向に走査すると、点ｎ２から点ｎ３(矢印ｎ１３)でねじれ変位(摩擦力)が減少する。点ｎ３で逆向きの走査方向の定常状態になり、点ｎ３から点ｎ０(矢印ｎ１４)ではねじれ変位(摩擦力)が一定となる。
【００５９】
図９においては、板ばね３が受ける摩擦力(摩擦抵抗)が大きいほどねじれ変位幅が大きくなるので、図９に示すねじれ変位幅が大きいほど摩擦力が大きいことを表わす。
配線パターンの異なるウエハ(試料b(２))とパッド粉(試料a(１))との相互作用を上記の方法で測定したときのねじれ変位幅研磨速度との結果を図１０に示す。図１０の縦軸は、同じウエハとパッドとを実際に研磨して求めた研磨速度(μｍ／ｍｉｎ)であり、横軸は、ねじれ変位幅(ｍＶ)である。
【００６０】
この結果より、摩擦力(図１０の横軸のねじれ変位幅)と研磨速度(図１０の縦軸)との間に良い相関性が得られていることがわかる。
即ち、半導体用ウエハの研磨速度を検査するためのＣＭＰの検査装置として、本相互作用測定装置Ｓ１備えるＣＭＰの検査装置が有効である。この装置を用いた検査では、図１０の情報をデータベース化することで、速度・寿命予測手段によって、実際の測定に際して、板ばね３の測定したねじれ変位幅から、データベースの図１０の情報を用いて、半導体用ウエハの研磨速度を推定できる。これにより、要求されている研磨速度が得られているかどうかを検査することができる。
【００６１】
＜＜実施形態２＞＞
次に、相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰの検査装置によるＣＭＰ用スラリの砥粒とＣＭＰ用のドレスとの吸着力の測定について、説明する。
ＣＭＰ用のスラリ中に含まれる砥粒を、板ばね３の先端部分にエポキシ樹脂を用いて接着した。
図１１は、ＣＭＰ用スラリの砥粒から作製した試料a(１)を取り付けた板ばね３の一例を示す図であり、図１１(ａ)は、試料a(１)付き板ばね３を上方から見た図(図１のＣ方向矢視図)であり、図１１(ｂ)は、試料a(１)付き板ばね３を向かって右側方から見た図(図１のＡ方向矢視図)である。
【００６２】
砥粒は酸化セリウム結晶の集合体から形成されているため、その形状は多結晶体であり、かつ、非対称、不定形な形状で、図１１(ａ)に示すように、試料a(１)の重心１Ｇの位置が板ばね３の重心を通る板ばね３の短手方向の幅を等分する中心線ｃ３３から一方側(向かって右側)に大きくずれていることが分かる。
これを、図１の相互作用測定装置Ｓ１を用いてＣＭＰ用スラリの砥粒の相互作用を測定するため、固定ホルダ１４に板ばね３の試料a(１)とは反対側の端部を固定するとともに、試料台１５には試料ｂ(２)としてＣＭＰ用のドレスを固定した。そして、微動／粗動機構１９により、板ばね３の試料a(１)に試料台１５に固定した試料b(２)のＣＭＰ用のドレスを接触させた。
【００６３】
このとき、図１１(ｂ)に示すように、板ばね３の中心線ｃ３１が水平方向に対して時計廻り方向に２°ほど傾いているのが分かった。光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行ったところ、板ばね３が水平方向に対して時計廻り方向に２°ほどねじれているため、検出できた光量は通常の１／４しかなかった。ここで、第１回転アクチュエータ２４ａにより、左に傾いた中心線ｃ３１をもつ板ばね３を図１１(ｂ)の矢印α１２に示す反時計廻り方向に２°ほど回転させて、試料台１５に対して板ばね３が平行になるように設定した。
【００６４】
この状態で、再度、光源１６から発生する検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行ったところ、検出できた光量は通常の２／４まで回復した。次に、第２回転式アクチュエータ２４ｂにより、図１１(ａ)に示す板ばね３を、水平になるように回転させながら、検出光ｒ１１の光軸を板ばね３の先端部分に当てて、反射光ｒ１２を光検出器１７で検出する操作を行った。検出された光量が通常の値まで回復したところで、第２回転式アクチュエータ２４ｂによる板ばね３の回転を止めた。
【００６５】
垂直走査機構２１を用いて、試料台１５に固定した試料b(２)のＣＭＰ用のドレスを、板ばね３の先端に接着させた試料a(１)の砥粒に接近させたところ、砥粒とＣＭＰ用のドレスとの間の吸着力を測定することができた。
ここで、この吸着力が大きいほど、ドレスは摩耗し易いことが実験により判明した。そのため、この吸着力の測定は、ドレスの摩耗し易さを検査するのに有効である。
即ち、ＣＭＰ用のドレスの摩耗性を検査するためのＣＭＰの検査装置として、吸着力を測定できる相互作用測定装置Ｓ１を備えるＣＭＰの検査装置が有効であることが示された。
【００６６】
また、ＣＭＰの検査装置は、ＣＭＰ用スラリの砥粒とＣＭＰ用のドレスとの吸着力と摩耗速度との関係をあらかじめ求めてデータベースに記憶しておき、実際の砥粒とドレスとの間の吸着力から、データベースのＣＭＰ用スラリの砥粒とＣＭＰ用のドレスとの吸着力と摩耗速度との関係を用いて、ＣＭＰ用ドレスの摩耗速度を推定する速度・寿命予測手段を備える。
これにより、ＣＭＰの検査装置は、吸着力を測定することにより、要求されている摩耗速度が得られているかどうかを検査することができる。
【００６７】
＜効果＞
相互作用測定装置Ｓ１を用いれば、非対称の不定形形状を有する試料や、重心が板ばね３の短手方向におけるその重心の位置からずれた位置にしか設置できない試料を板ばね３に接着させて種々の相互作用の測定に用いることができる。また、最大径が６０μｍ(マイクロメートル)以上かつ５００μｍ以下の大きい試料でも使用することができる。これにより、種々の製品に使用されている摺動部材や研磨部材などの実材料、例えば、多孔体、多結晶体、凝集体などや、特定の箇所に溝を切ってあるものなど、形状が複雑でかつ非対称であったり、重心が板ばね３の中心から大きくずれていたり、重量が大きかったりする材料を評価することが可能となる。
【００６８】
これらの実材料を板ばね３に取り付けて探針の替わりに使用する場合、板ばね３の短手方向の重心の位置に材料の重心の位置をもってくることができないため、板ばね３がねじれてしまうが、本装置を用いれば、左右のねじれを修正することができる。
また、実材料の重量が大きいために板ばね３が垂れ下がって変形してしまう場合にも、本装置を用いれば、上下のたわみを修正することができる。従来の装置では、変形した板ばねの背面にレーザ光を照射しても、その反射光が散乱してしまって集光させることができない、あるいは、光検出器で検出できないなどの問題があったが、これらの問題を解決することができ、あらゆる実材料に対して、相互作用を測定することが可能となる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 試料a(第１試料)
１Ｇ 試料aの重心(第１試料の重心)
２ 試料b(第２試料)
３ 板ばね
５ レンズ(変位検出光学系)
６ 鏡(変位検出光学系)
１４ 固定ホルダ(固定部材)
１５ 試料台
１６ 光源(変位検出光学系)
１７ 光検出器(変位検出光学系)
１８ 変位検出光学系
１９ 微動／粗動機構(試料間隔調整機構)
２０ 水平走査機構
２１ 垂直走査機構
２２ 回転機構
２４ 回転式アクチュエータ
２４ａ 第１回転式アクチュエータ
２４ｂ 第２回転式アクチュエータ
２５ ステップモータ
２６ 圧電素子
３０ 雰囲気制御機構
３１ 密閉容器
ｂ１、ｂ２ ベルト(変換構造)
ｃ３１ 板ばねの長手方向の中心線(板ばねの長手方向の中心線)
ｃ３２ 板ばねの短手方向の中心線(板ばねの短手方向の中心線)
ｃ３３ 板ばねの短手方向の幅を等分する中心線
ｐ１、ｐ２、ｐ３ プーリ(変換構造)
ｒ１１ (検出光)
ｒ１２ 反射光
Ｓ１ 相互作用測定装置(走査型プローブ顕微鏡)
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１試料が先端部に取り付けられた板ばねと、
前記板ばねの前記先端部とは反対側の端部を固定する固定部材と、
第２試料が固定される試料台と、
光源から発生する検出光の光軸が前記板ばねの先端部または前記板ばねの変位に追従する部分に当てられ、その反射光を光検出器で検出する前記板ばねの変位検出光学系と、
前記試料台もしくは前記板ばねを動かして、前記第１試料と前記第２試料とを接近または離隔させるための試料間隔調整機構と、
前記第１試料と前記第２試料との間の摩擦を測定するための水平走査機構と、
前記第１試料と前記第２試料との間の吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定するための垂直走査機構とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、
前記光源から発生する検出光の光軸が当てられた部分の前記第１試料が先端部に取り付けられた板ばねの傾きを、前記試料台に対して任意の角度で変化させるための前記固定部材を回転させる回転機構を備える
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記回転機構として、
前記板ばねの前記第１試料を取り付けた先端部から前記固定ホルダに固定された端部までの長手方向を、前記固定部材側を支点として前記試料台に対して回転させる第１回転式アクチュエータを備える
ことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記回転機構として、
前記板ばねの短手方向を、前記試料台に対して回転させる第２回転式アクチュエータを備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記第１回転式アクチュエータまたは前記第２回転式アクチュエータは、ステップモータと圧電素子を組み合わせて得られる動力を回転運動へ変換させる変換構造を備える
ことを特徴とする請求項２または請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記第１試料は、非対称の不定形形状を有し、かつ、その重心が前記板ばねの短手方向における前記板ばねの重心の位置からずれた位置にある
ことを特徴とする請求項１から請求項４に何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記板ばねに取り付けられた第１試料は、前記板ばねの延在平面をその厚さ方向に見下ろした場合、前記第１試料の最大径が６０マイクロメートル以上かつ５００マイクロメートル以下の範囲である
ことを特徴する請求項５記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記第１試料と前記第２試料の間の摩擦力、吸着力、凝着力、硬度、電位差、静電気力、磁気力、弾性率の何れかを測定することを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記第１試料と前記第２試料とを、任意の温度、湿度、真空中、気体中、液体中の何れかに設置するための雰囲気制御機構を有する密閉容器を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡を備え、
相互に摩擦摺動する一対の摺動部材のうち少なくとも一方の前記摺動部材を、他方の前記摺動部材に対して摺動する摺動面が下面となるように、前記板ばねの先端部に取り付けると共に、
前記他方の摺動部材を前記試料台の上に固定して、
前記試料間隔調整機構は、前記板ばねの先端部に取り付けた一方の摺動部材と、前記他方の摺動部材との間に一定の荷重を加えるとともに、前記水平走査機構で前記試料台の上の他方の摺動部材を水平走査させることにより、前記一対の摺動部材間の摩擦特性を測定することを特徴とする摩擦摺動の検査装置。
【請求項１０】
前記一対の摺動部材の少なくとも一方の摺動面に被膜が形成された摺動部材の耐摩耗性を検査することを特徴とする請求項９記載の摩擦摺動の検査装置。
【請求項１１】
前記一対の摺動部材は、シンクロメッシュ式の変速機におけるシンクロナイザリングと該シンクロナイザリングに摩擦摺動するクラッチギヤとである
ことを特徴とする請求項９または請求項１０記載の摩擦摺動の検査装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項８の何れか一項の記載の走査型プローブ顕微鏡を備え、
半導体用ウエハ、前記半導体用ウエハの表面を化学的機械的に研磨して平滑化するために用いるＣＭＰ用スラリに含まれる砥粒、一定の荷重をかけて回転させることにより前記半導体用ウエハの表面を研磨するためのＣＭＰ用パッド、前記ＣＭＰ用パッドをクリーニングするためのＣＭＰ用ドレスのうちの少なくとも一つを前記板ばねの先端部に取り付けるとともに前記板ばねの先端部に取り付けた部材とは異なる部材を試料台の上に固定して、
前記水平走査機構または前記垂直走査機構で前記試料台の上の部材を走査させることにより、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定する
ことを特徴とするＣＭＰの検査装置。
【請求項１３】
請求項１２記載のＣＭＰの検査装置において、
前記走査型プローブ顕微鏡は、化学的機械的研磨における前記砥粒と前記半導体用ウエハ間、前記ＣＭＰ用パッドと前記半導体用ウエハ間、前記ＣＭＰ用ドレスと前記半導体用ウエハ間、前記ＣＭＰ用ドレスと前砥粒間、前記ＣＭＰ用パッドと前記砥粒間、前記ＣＭＰ用パッドと前記ＣＭＰ用ドレス間の少なくとも一つにおいて、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定し、
その測定した情報を用いて、前記半導体用ウエハの研磨速度、前記ＣＭＰ用パッドの寿命、前記ＣＭＰ用ドレスの寿命のうちの少なくとも何れかを予測する速度・寿命予測手段を備える
ことを特徴とするＣＭＰの検査装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項８の何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡を備え、
ハードディスク用のヘッドを磁気記録媒体から一定の間隔で浮上させ、データの書き込みを行う磁気記録装置における前記ヘッドと前記磁気記録媒体のうち何れか一方の部材が前記板ばねの先端部に取り付けられるとともに他方の部材が前記試料台の上に固定され、
前記水平走査機構または前記垂直走査機構で前記試料台の上の部材を走査させることにより、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定する
ことを特徴とするハードディスクの検査装置。
【請求項１５】
請求項１４記載のハードディスクの検査装置において、
前記ハードディスク用のヘッドと前記磁気記録媒体間の、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つが測定され、
その測定した情報を用いて、書き込みエラーの発生率を予測するエラー予測手段を備える
ことを特徴とするハードディスクの検査装置。
【請求項１】
第１試料が先端部に取り付けられた板ばねと、
前記板ばねの前記先端部とは反対側の端部を固定する固定部材と、
第２試料が固定される試料台と、
光源から発生する検出光の光軸が前記板ばねの先端部または前記板ばねの変位に追従する部分に当てられ、その反射光を光検出器で検出する前記板ばねの変位検出光学系と、
前記試料台もしくは前記板ばねを動かして、前記第１試料と前記第２試料とを接近または離隔させるための試料間隔調整機構と、
前記第１試料と前記第２試料との間の摩擦を測定するための水平走査機構と、
前記第１試料と前記第２試料との間の吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定するための垂直走査機構とを備える走査型プローブ顕微鏡であって、
前記光源から発生する検出光の光軸が当てられた部分の前記第１試料が先端部に取り付けられた板ばねの傾きを、前記試料台に対して任意の角度で変化させるための前記固定部材を回転させる回転機構を備える
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記回転機構として、
前記板ばねの前記第１試料を取り付けた先端部から前記固定ホルダに固定された端部までの長手方向を、前記固定部材側を支点として前記試料台に対して回転させる第１回転式アクチュエータを備える
ことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記回転機構として、
前記板ばねの短手方向を、前記試料台に対して回転させる第２回転式アクチュエータを備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記第１回転式アクチュエータまたは前記第２回転式アクチュエータは、ステップモータと圧電素子を組み合わせて得られる動力を回転運動へ変換させる変換構造を備える
ことを特徴とする請求項２または請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記第１試料は、非対称の不定形形状を有し、かつ、その重心が前記板ばねの短手方向における前記板ばねの重心の位置からずれた位置にある
ことを特徴とする請求項１から請求項４に何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記板ばねに取り付けられた第１試料は、前記板ばねの延在平面をその厚さ方向に見下ろした場合、前記第１試料の最大径が６０マイクロメートル以上かつ５００マイクロメートル以下の範囲である
ことを特徴する請求項５記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記第１試料と前記第２試料の間の摩擦力、吸着力、凝着力、硬度、電位差、静電気力、磁気力、弾性率の何れかを測定することを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記第１試料と前記第２試料とを、任意の温度、湿度、真空中、気体中、液体中の何れかに設置するための雰囲気制御機構を有する密閉容器を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡を備え、
相互に摩擦摺動する一対の摺動部材のうち少なくとも一方の前記摺動部材を、他方の前記摺動部材に対して摺動する摺動面が下面となるように、前記板ばねの先端部に取り付けると共に、
前記他方の摺動部材を前記試料台の上に固定して、
前記試料間隔調整機構は、前記板ばねの先端部に取り付けた一方の摺動部材と、前記他方の摺動部材との間に一定の荷重を加えるとともに、前記水平走査機構で前記試料台の上の他方の摺動部材を水平走査させることにより、前記一対の摺動部材間の摩擦特性を測定することを特徴とする摩擦摺動の検査装置。
【請求項１０】
前記一対の摺動部材の少なくとも一方の摺動面に被膜が形成された摺動部材の耐摩耗性を検査することを特徴とする請求項９記載の摩擦摺動の検査装置。
【請求項１１】
前記一対の摺動部材は、シンクロメッシュ式の変速機におけるシンクロナイザリングと該シンクロナイザリングに摩擦摺動するクラッチギヤとである
ことを特徴とする請求項９または請求項１０記載の摩擦摺動の検査装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項８の何れか一項の記載の走査型プローブ顕微鏡を備え、
半導体用ウエハ、前記半導体用ウエハの表面を化学的機械的に研磨して平滑化するために用いるＣＭＰ用スラリに含まれる砥粒、一定の荷重をかけて回転させることにより前記半導体用ウエハの表面を研磨するためのＣＭＰ用パッド、前記ＣＭＰ用パッドをクリーニングするためのＣＭＰ用ドレスのうちの少なくとも一つを前記板ばねの先端部に取り付けるとともに前記板ばねの先端部に取り付けた部材とは異なる部材を試料台の上に固定して、
前記水平走査機構または前記垂直走査機構で前記試料台の上の部材を走査させることにより、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定する
ことを特徴とするＣＭＰの検査装置。
【請求項１３】
請求項１２記載のＣＭＰの検査装置において、
前記走査型プローブ顕微鏡は、化学的機械的研磨における前記砥粒と前記半導体用ウエハ間、前記ＣＭＰ用パッドと前記半導体用ウエハ間、前記ＣＭＰ用ドレスと前記半導体用ウエハ間、前記ＣＭＰ用ドレスと前砥粒間、前記ＣＭＰ用パッドと前記砥粒間、前記ＣＭＰ用パッドと前記ＣＭＰ用ドレス間の少なくとも一つにおいて、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定し、
その測定した情報を用いて、前記半導体用ウエハの研磨速度、前記ＣＭＰ用パッドの寿命、前記ＣＭＰ用ドレスの寿命のうちの少なくとも何れかを予測する速度・寿命予測手段を備える
ことを特徴とするＣＭＰの検査装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項８の何れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡を備え、
ハードディスク用のヘッドを磁気記録媒体から一定の間隔で浮上させ、データの書き込みを行う磁気記録装置における前記ヘッドと前記磁気記録媒体のうち何れか一方の部材が前記板ばねの先端部に取り付けられるとともに他方の部材が前記試料台の上に固定され、
前記水平走査機構または前記垂直走査機構で前記試料台の上の部材を走査させることにより、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つを測定する
ことを特徴とするハードディスクの検査装置。
【請求項１５】
請求項１４記載のハードディスクの検査装置において、
前記ハードディスク用のヘッドと前記磁気記録媒体間の、摩擦、吸着、凝着、反発のうち少なくとも一つが測定され、
その測定した情報を用いて、書き込みエラーの発生率を予測するエラー予測手段を備える
ことを特徴とするハードディスクの検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図８】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図８】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２３２１７７（Ｐ２０１１−２３２１７７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０２８１８（Ｐ２０１０−１０２８１８）
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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