走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法ならびにその方法による走査型プローブ顕微鏡
【課題】 振動方式の走査型プローブ顕微鏡において、効率的にカンチレバーを振動させることができる加振機構を備え、変位検出機構のノイズを抑制するとともに、部材の振動ノイズを抑え、分解能の高い測定が可能となるような走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法を提供する。
【解決手段】 先端に探針３を有し末端にベース部５を有するカンチレバー４の該ベース部を保持する保持ブロック１４を備えたカンチレバーホルダと、前記保持ブロック１４を振動させて前記カンチレバー４を加振するための加振機構１５とを有する走査型プローブ顕微鏡において、前記保持ブロック１４を含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバー４の動作周波数とを、一致するように調整した。
【解決手段】 先端に探針３を有し末端にベース部５を有するカンチレバー４の該ベース部を保持する保持ブロック１４を備えたカンチレバーホルダと、前記保持ブロック１４を振動させて前記カンチレバー４を加振するための加振機構１５とを有する走査型プローブ顕微鏡において、前記保持ブロック１４を含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバー４の動作周波数とを、一致するように調整した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端に探針を有するカンチレバーを振動させ、サンプル表面に働く相互作用を検出して距離制御を行いながら、探針とサンプルを相対的にスキャンし、サンプルの表面の形状や物理特性の測定、サンプル表面の加工、あるいは、探針によるサンプル表面の物質の移動などを行うための走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法ならびにその方法による走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７をもとに従来の振動方式の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する（特許文献１参照）。
【０００３】
従来の走査型プローブ顕微鏡は三軸微動機構１０２の上に液中セル１０１を載置し、液中セル１０１の内部に溶液を満たし、サンプル１０３がセットされている。
【０００４】
サンプルに対向する位置には先端に探針を有するカンチレバー１０６が配置される。
【０００５】
カンチレバー１０６が保持されるカンチレバーホルダは、ベース部１０４に絶縁体１０９を介して圧電素子１１０が固定されて、さらに絶縁体１０９を介して保持ブロック１０８が固定されている。保持ブロック１０８にはカンチレバー１０６が着脱可能にカンチレバー押え１０７により固定されている。カンチレバー１０６と保持ブロック１０８の一部およびカンチレバー押え１０７は溶液中に浸かった状態である。
【０００６】
カンチレバーホルダ１０４の上方にはレーザとディテクタより構成される光てこ方式の変位検出機構１１４が配置されている。また、ベース部１０４にはカンチレバー１０６の上方に位置するようにガラス板１１１が固定されている。このガラス板１１１を液面に接した状態にすることで、液面の揺れを抑えて前記変位検出機構１１４のレーザ光が液面で散乱することなく液中と空気中の間で入出射可能となる。
【０００７】
以上のように構成された装置を用いた走査型プローブ顕微鏡の測定方法を説明する。加振機構として作用する圧電素子１１０によりカンチレバー１０６を１次の共振周波数近傍で加振しながら変位検出機構１１４によりカンチレバー１０６の振幅や位相を計測し、カンチレバー１０６の探針にサンプル１０３を近接させていく。そうするとサンプル１０３と探針間には、原子間力などの物理的な力が作用し、さらに近接していくとサンプル１０３と探針がカンチレバー１０６の振動に対応して間欠的に接触し、両者に接触力が作用する。この原子間力や接触力により、カンチレバー１０６の振幅や位相または共振周波数が変化する。これらの変化量は、探針とサンプル間の距離に依存するため、カンチレバーの振幅や位相または共振周波数の変化量が常に一定になるように、探針とサンプル間の距離を三軸微動機構１０２で制御することで高さ方向の距離制御が行われる。さらに三軸微動機構１０２によりサンプル１０１面内で探針３をラスタスキャンすることでサンプル表面の形状像を測定することが出来る。
【０００８】
振動方式の原子間力顕微鏡の場合には先に述べた１次の共振周波数近傍で加振を行う方法のほか２次以上の高次の共振周波数近傍で加振を行いながら測定を行う方法もある。高次の振動モードの場合、振動モードごとの特徴を活かした測定に応用されている。例えばカンチレバーの長軸周りにねじり振動をおこなう振動モードの場合には、測定中のサンプルと探針の距離をほぼ一定に保つことが可能という特徴がある。
【０００９】
走査型プローブ顕微鏡の測定を行う場合にはサンプルの種類や測定手法、測定したい物理量によりさまざまな形状や特殊機能を付加したカンチレバーが市販されており、最適なものを選択してカンチレバーホルダにセットして使用される。
【００１０】
図７で説明した液中で測定を行う場合のほか、空気中や真空中などでも走査型プローブ顕微鏡の測定が行われる。この場合の装置構成や測定方法は図７と概ね同じであるが、空気中測定の場合には図７において液中セル１０１やガラス板１１１などは不要となり、真空中測定の場合は装置の少なくともサンプルとカンチレバーが真空チャンバーに配置された構成となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３２９５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーホルダの加振機構による加振力が不足して、カンチレバーが十分な振幅量を得られない場合がある。このときには変位検出機構で検出される信号での振幅の検出信号に対するノイズレベルが高くなり測定精度が悪化して分解能が低下してしまう。また、十分な振幅量を得るために、圧電素子への印加電圧を大きくして加振機構の振幅を増やした場合には、カンチレバーホルダや走査型プローブ顕微鏡を構成する部材の振動が大きくなって振動ノイズが大きくなる。
【００１３】
特に溶液中で測定を行う場合には、カンチレバーが溶液から受ける粘性抵抗により十分な振幅が得られず、変位検出機構の信号のノイズレベルが非常に高くなってしまう。また、加振機構の振幅を大きくすると振動ノイズが大きくなるとともに、ガラス板や液面も振動してしまい、変位検出機構のレーザスポットが細かく振動しノイズが発生していた。その結果、走査型プローブ顕微鏡の分解能が悪化していた。
【００１４】
従って、本発明の目的は、振動方式の走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバーが効率的に振動する加振方法により変位検出機構のノイズレベルを抑制するとともに、部材の振動ノイズを抑え、分解能の高い測定が可能な走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法ならびにそれを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００１６】
本発明のカンチレバーの加振方法では、先端に探針を有し末端にベース部を有するカンチレバーの該ベース部を保持する保持ブロックを備えたカンチレバーホルダと、前記保持ブロックを振動させて前記カンチレバーを加振するための加振機構とを備えた走査型プローブ顕微鏡において、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とが一致するように調整した。
【００１７】
また、本発明では、前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線が曲げ変形する振動モードで測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーの構造体の共振状態での振動に係わる動作が、前記カンチレバーが曲げ変形を行う面内で並進動作または曲げ動作を行うようにした。
【００１８】
また、前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線のまわりにねじれモードで振動させて測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の共振状態に係わる動作が、カンチレバーの長手方向の軸線まわりに回転モーメントを与える動作を行うようにした。
【００１９】
さらに、本発明のカンチレバーの加振方法では、前記カンチレバーと、前記保持ブロックの一部または全部を液中に浸して測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が液中で共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際の液中でのカンチレバーの動作周波数とを、一致するように調整した。
【００２０】
また、本発明のカンチレバーの加振方法では、前記加振機構が圧電素子を含み、前記圧電素子が前記カンチレバーホルダに取り付けられ、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とを一致させるための調整を、前記圧電素子及び／又は前記保持ブロックの形状の調整によるものとした。
【００２１】
また、本発明は、上記したカンチレバーの加振方法により測定を行う走査型プローブ顕微鏡を提供すると共に、それに備わる前記カンチレバーホルダは、ベース部を有し、前記保持ブロックを含む構造体が前記ベース部から着脱可能な構造とした。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、１次または高次の共振スペクトル上でカンチレバーを振動させる振動方式の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの加振方法において、ホルダを上記のような構造とすることで、走査型プローブ顕微鏡測定時のカンチレバーの動作周波数と、保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数を一致させているため効率的に加振を行うことが可能となり、圧電素子を低電圧で駆動してもカンチレバーが大きな変位で振動することができ、変位検出機構の信号のノイズ成分が低下して分解能の高い測定が可能となる。
【００２３】
また、カンチレバーの振動モードの変位の方向と、保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の振動モードの変位の方向を概ね一致させて加振を行うようにしたため、さらに加振効率が向上する。この場合、カンチレバーの動作時の振動モードに寄与する方向へ以外への保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体の変形量が少なくなるので、カンチレバーホルダや走査型プローブ顕微鏡を構成する部材に不要な方向への振動が伝搬することが防止されて、振動に起因するノイズ成分が減少する。また、低振幅でカンチレバーを加振する場合にも、変位検出機構のノイズレベルが小さくなり振動の影響も受けず、精度のよい測定が可能となる。
【００２４】
また、粘性抵抗によりカンチレバーの振幅が得づらい溶液中でも、十分な振幅量を得ることが可能となる。
【００２５】
さらに、保持ブロックを含む部材を交換可能とすることで、カンチレバーの種類にあわせて最適な振動モードで動作する保持ブロックを含む部材に交換することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第一実施形態に係る大気中での測定に用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。
【図４】本発明の第三実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。
【図５】本発明の第四実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。
【図６】本発明の第五実施形態に係る溶液中での測定に用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る大気中での測定に用いられる振動方式の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【００２８】
図１に示した走査型プローブ顕微鏡１では、カンチレバー４の先端に探針３を有し末端にベース部５を有するシリコン製のカンチレバー２と、カンチレバー２のベース部５を保持しカンチレバー２を加振するために用いられるカンチレバーホルダ６と、カンチレバー４の変位を検出するための変位検出機構７と、サンプル８を微動させる三軸微動機構９と、三軸微動機構９に固定されサンプル８が載置されるサンプルステージ１０と、三軸微動機構が搭載される粗動機構１１と筐体１２から走査型プローブ顕微鏡１が構成される。
【００２９】
カンチレバーホルダ６は、先端にカンチレバーのベース部５を載せるための傾斜した平面部１３を有する保持ブロック１４の末端が、加振機構として作用する平板形状の圧電素子１５に接着固定されており、圧電素子１５の保持ブロック１４の接着面とは反対側の面が基板１６に接着固定されている。この基板１６はカンチレバーホルダ６のベース部１７に脱着可能にネジ固定されている。保持ブロック１４にはカンチレバーのベース部５を固定するために板バネ１８が取り付けられており、板バネ１８と保持ブロックの平面部１３の間にカンチレバーのベース部５を挿入することでカンチレバー２が交換可能に装着される。カンチレバーホルダ６のベース部１７は走査型プローブ顕微鏡の筐体１２に脱着可能に固定される。
【００３０】
変位検出機構７は 半導体レーザ１９と表面が４分割されたフォトディテクタ２１とビームスプリッタ２０から構成され、一般に光てこ法と呼ばれる方式でカンチレバー４の変位検出が行われる。まず、半導体レーザ１９の光を集光し、ビームスプリッタ２０で光路を曲げてカンチレバー４の背面に直上から照射する。カンチレバー４の背面は入射光２３に直交する面に対して１０°傾斜しているので、背面で反射した光は、入射光に対して２０°の角度で反射しフォトディテクタ２１の検出面に入射する。カンチレバー４の長手方向の軸線に撓みが生じた場合にはフォトディテクタ２１面内でスポットが上下に移動する。このとき分割されたフォトディテクタ２１の検出面の信号強度差を検出することでカンチレバー４の変位の検出が行われる。また、カンチレバー４の長手方向の軸線周りのねじれ角の検出を行う場合にはフォトディテクタ２１上で、撓みを検出する方向と直交する方向にスポットが移動し、このとき分割された検出面の信号強度差を検出することでねじれ角の検出が行われる。変位検出機構７を構成するこれらの部材は変位検出機構の筐体２２内に配置されて、走査型プローブ顕微鏡の筐体１２上に設置される。
【００３１】
三軸微動機構９は円筒型の圧電素子により構成される。円筒型圧電素子９の末端は固定され、先端にはサンプル８を載置するためのサンプルホルダ１０が取り付けられている。円筒型圧電素子９には円筒の中心軸に平行な方向に伸縮動作を行うことで垂直方向微動機構２４として作用する電極部分と、固定端を中心に先端のサンプルステージを円弧運動させることでサンプルをサンプル面内で移動させる水平方向微動機構２５として作用する電極部分が設けられている。この三軸微動機構９は粗動機構１１に取り付けられている。
【００３２】
次に、第一実施形態での測定方法を図１と図２により説明する。図２はカンチレバーホルダ６の圧電素子１５により加振を行った場合の圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体とカンチレバー４の振動モードを示す概観図である。保持ブロックに取り付けられた板バネ１８の図面への記載は省略している。
【００３３】
本実施形態では、カンチレバー４を１次の共振周波数の近傍で振動させる。このときの動作周波数はカンチレバー４の振幅の周波数特性を測定した際に１次の共振周波数をピークとして測定される共振スペクトルの山型波形のピークからベースラインまでの間の任意の周波数である。このときのカンチレバー４の振動モードは図２に示すようにカンチレバー４の長手方向の軸線が曲げ変形し、探針３の先端がサンプル８に対して垂直方向に上下する振動モードである（図２の探針３左側に示した矢印の方向）。
【００３４】
このような状態で、サンプル８を探針３に粗動機構１１により測定領域まで近付けて行くと、原子間力や間欠的な接触力によりカンチレバー４の振幅が変化する。この振幅変化量は探針３とサンプル８との距離に依存するため、このときの振幅の変化量があらかじめ設定した値となるように垂直方向微動機構２４でサーボ動作させることで、探針３とサンプル８間の距離を一定に保つことができる。この状態で、水平方向微動機構２５によりサンプル８をラスタスキャンし、三軸微動機構９に印加される垂直方向微動機構２４の印加電圧と水平方向移動機構２５の印加電圧に較正値を乗じて画像化することでサンプル８の凹凸形状を測定することができる。
【００３５】
カンチレバー４を振動させる場合には、圧電素子１５にカンチレバー４の動作周波数と同じ周波数の交流電圧を印加して保持ブロック１４を振動させて、保持ブロック１４上に板バネ１８で固定されたカンチレバーのベース部５を加振する。
【００３６】
本実施形態では圧電素子１５と保持ブロック１４からなるカンチレバーホルダ６の構造体が、図２の２点破線で示すように圧電素子１５の固定面に対して垂直方向に保持ブロック１４の先端部が並進動作する振動モードで共振するようにした（図２の保持ブロック１４上の矢印の方向）。この振動モードでの加振周波数は、カンチレバー４の１次の共振スペクトル上に設定された動作周波数と一致するようにした。
【００３７】
すなわち、カンチレバー４の長手方向の軸線が曲げ変形を行う面内で圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体が伸縮動作を行っており、圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体の振幅の周波数特性を測定したときに、伸縮動作の振動モードで動作する共振周波数をピークとする共振スペクトルの山型波形のピークからベースラインまでの間の任意の周波数が、カンチレバー４の１次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。
【００３８】
このとき圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体の共振周波数と振動モードは、圧電素子１５や保持ブロック１４の形状や材料、圧電素子１５の電極パターンやポーリングの向き、各部品同士の固定方法、部材周囲の環境（大気中、液中、真空中）などによって決まってくる。
【００３９】
本実施形態では、圧電素子１５の材質と形状を決め、厚み方向にポーリングを行い、厚み方向で互いに対向する両面に電極を配置して、圧電素子１５に保持ブロック１４の形状と材料密度から決まる負荷質量を想定したモデルのもとで、圧電素子１５を厚み方向に共振させることで、保持ブロック１４と圧電素子１５からなる構造体を伸縮動作の振動モードで共振させるようにした。
【００４０】
このように保持ブロック１４の先端を伸縮モードで共振させると、圧電素子１５を低電圧で駆動しても、カンチレバー４に曲げ変形を与える方向にカンチレバーのベース部５を大きな変位で並進運動させることができ、カンチレバー４を効率的に加振させることが可能となる。その結果、変位検出機構７の信号のノイズ成分が低下して分解能の高い測定が可能となる。
【００４１】
また、カンチレバー４の動作時の振動モードに寄与する方向へ以外への圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体の変形量が少なくなるので、カンチレバーホルダ６や走査型プローブ顕微鏡１を構成する部材に不要な方向への振動が伝搬することが防止されて、振動に起因するノイズ成分が減少する。また、高分解能測定を行う場合などに低振幅でカンチレバー４を加振する場合にも、変位検出機構６のノイズレベルや振動の影響が小さくなり、精度のよい測定が可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体を基板１６に固定し、基板１６をカンチレバーホルダ６のベース部１７に着脱可能とした。走査型プローブ顕微鏡では測定の目的に合わせて、通常、１次の共振周波数が概ね数ｋＨｚから１ＭＨｚ程度のカンチレバーが選択して使用される。また、１次以外の高次の振動モードでも使用される場合がある。そのため、カンチレバー４の動作周波数や振動モードに合わせて圧電素子１５と保持ブロック１４の形状や材質、圧電素子１５の電極パターンやポーリングの向きを適宜変更し、使用するカンチレバーごとに最適な共振周波数と振動モードを有する圧電素子１５と保持ブロック１４の組合せを基板１６ごと交換することで、カンチレバー種類ごとの動作時の振動モードに対応させることが可能となる。
【００４３】
（第二実施形態）
図３は第一実施形態と同じくカンチレバー２を１次の共振周波数近傍で加振させながら測定を行う場合の圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体とカンチレバー４の振動モードを示す概観図である。走査型プローブ顕微鏡の本体の構造や測定原理は第一実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施形態では圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体を共振させたときに、図３の２点破線で示したように、圧電素子１５が基板１６へ接着された部分を固定端として保持ブロック１４の先端がカンチレバー４の長手方向の軸線と保持ブロック１４の長手方向（圧電素子１５の厚み方向）を含む面内で曲げ変形を行う振動モード（図３の保持ブロック１４上に示した矢印の方向）で振動するようにした。このとき圧電素子１５に印加する交流電圧の周波数が、カンチレバー４の長手方向の軸線が曲げ振動を行う１次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。
【００４５】
本実施形態では圧電素子１５を厚み方向にポーリングして、厚み方向に対向する２面に電極を設けて電圧を印加し、保持ブロック１４自体が曲げ変形で共振するように圧電素子１５と保持ブロック１４の形状を設計した。
【００４６】
このように保持ブロック１４を曲げモードで共振させて先端を円弧運動させると、カンチレバー４の長手方向の軸線に曲げ変形を与える方向に大きな回転モーメントを与えることができ、カンチレバー４を効率的に加振させることが可能となり、第一実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
（第三実施形態）
図４はカンチレバー４をねじれモードで振動させながら走査型プローブ顕微鏡の測定を行う場合の圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体とカンチレバー４の振動モードを示す概観図である。図４は図１において、保持ブロック１４に搭載されたカンチレバー４を長手方向の軸線と直交する探針３の正面側からみた図面である。走査型プローブ顕微鏡の本体の構造は第一実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００４８】
本実施形態では、圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体が共振状態の場合に、図４の２点破線で示したように、圧電素子１５が基板１６へ接着された部分を固定端として保持ブロック１４の先端がカンチレバー４の長手方向の軸線と探針３の先端を含む面に直交する面内で曲げ変形を行う振動モードで振動するようにした（図４の保持ブロック１４上に示した矢印の方向）。このとき圧電素子１５に印加する交流電圧の周波数が、カンチレバー４が長手方向の軸線まわりにねじれモードで振動するような共振スペクトル上での動作周波数と一致するようにした。
【００４９】
本実施形態では圧電素子１５を厚み方向にポーリングして、厚み方向に対向する２面に電極を設けて電圧を印加し、保持ブロック１４自体が曲げ変形で共振するように圧電素子１５と保持ブロック１４の形状を設計した。
【００５０】
このように保持ブロック１４を曲げモードで共振させて先端を円弧運動させると、カンチレバー４にねじり振動を与える方向に大きな回転モーメントを与えることができ、カンチレバーを効率的に加振させることが可能となる。
【００５１】
このようにカンチレバー４がねじれモードで振動するような周波数で加振させながらサンプルと探針を近づけて行くと探針とサンプル間の距離に応じてねじれ量が変化する。あらかじめ設定されたねじれ量になるように垂直方向微動機構２４で距離制御することで、探針３とサンプル８間の距離を一定に制御することが可能となる。
【００５２】
（第四実施形態）
図５に本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダの圧電素子３０と保持ブロック３１からなる構造体の概観図を示す。この実施形態もカンチレバー４を１次の共振周波数近傍で曲げ変形を行う振動モードで加振させながら測定が行われる。
【００５３】
本実施形態では、平板状の圧電素子３０を基板３４に固定し、平板状の保持ブロック３１の末端を接着し先端にカンチレバーのベース部５を保持する平面部３３を設け、カンチレバーのベース部５を平面部３３に載せて板バネ３２で押えた構成である。
【００５４】
本実施形態では図５の２点破線で示したように、保持ブロック３１が圧電素子３０への接着部分を固定端として、カンチレバー４が長手方向の軸線に曲げ変形を行う面内で、共振動作時に曲げ変形を行う振動モードで振動するようにした（図５の保持ブロック３１上に記載した矢印の向き）。このときの圧電素子３０に印加される周波数が、カンチレバー４の１次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。
【００５５】
本実施形態の場合にもカンチレバー４を曲げ変形させる方向に回転モーメントを与えることができ、カンチレバー４を効率的に加振させることが可能となる。
【００５６】
（第五実施形態）
図６は本発明の第五実施形態の液中で測定を行うための走査型プローブ顕微鏡の概観図である。本実施形態で図１に示した部分と同じ部分は同一の符号を付け詳細な説明は省略する。
【００５７】
本実施形態ではカンチレバーホルダ４０のベース部４０に平面部を有する突起４３が設けられたガラス板４２が取り付けられている。ガラス板４２には加振機構として作用する圧電素子１５が接着固定されており圧電素子１５にはカンチレバーのベース部５を載せる傾斜平面部１３が設けられた保持ブロック１４が固定されている。カンチレバー２はベース部５が保持ブロック１４の傾斜平面部１３に載せられて板バネ１８により交換可能に取り付けられている。
【００５８】
一方、三軸微動機構上９のサンプルホルダ１０には液中セル４４が載せられており、液中セル４４の底面部にサンプル８を固定し液中セル４４内部に溶液４５を入れることでサンプル８が溶液に浸された状態である。探針３とサンプル８を近付けていくと、液面がガラス板４２の突起部４３の平面と接する。このときカンチレバー２と保持ブロック１４の先端部の一部も溶液内部に浸される。カンチレバーホルダ４０の上部に配置された変位検出機構７からのレーザ光２３はガラス板４２を通り溶液４５内部に進入してカンチレバー４の背面で反射し再び溶液４５からガラス板４２を通り大気中に配置されたフォトディテクタ２１に到達しカンチレバー４のたわみ量やねじれ量の検出が行われる。
【００５９】
溶液中に浸した状態で、圧電素子１５で保持ブロック１４を加振した場合の共振周波数は大気中で加振したときに比べて、低周波数側にシフトする。またカンチレバーの共振周波数も低周波側にシフトする。本実施形態では、図２〜図４に示した場合と同様に保持ブロック１４と圧電素子１５からなる構造体が共振動作を行う場合に、伸縮動作または曲げ動作の振動モードで振動させて、カンチレバー４を長手方向の軸線を曲げ変形させるか、軸線まわりにねじれ運動の共振モードで動作させるようにした。このとき保持ブロック１４と圧電素子１５からなる構造体がよう液中において、カンチレバーの溶液中での動作周波数と同じ周波数で、共振状態となるように形状を変更した。
【００６０】
また、ガラス板４２をカンチレバーホルダ４０のベース部４１から脱着可能としカンチレバー２の種類に合わせて最適な保持ブロック１４と圧電素子１５の組合せを選択可能にした。
【００６１】
このように構成することで溶液中においてもカンチレバー４を効率よく加振することが可能となる。
【００６２】
以上本発明の実施形態を述べたが、本発明はこれに限定するものではない。
【００６３】
カンチレバーの振動モードは上記の１次の曲げ振動やねじれ振動に限定されず任意の共振モードが適用できる。
【００６４】
また、通常カンチレバーは、共振周波数近傍で加振されるが、カンチレバーを非共振状態で加振する場合でも、カンチレバーの動作周波数と、共振状態の振動モードで振動するときの保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体の周波数とが、一致していれば本発明に含まれる。
【００６５】
また、上記実施形態では振幅の変化量をパラメータとして距離制御を行うようにしたが加振を行う交流信号と変位検出機構で検出されるカンチレバーの振動の位相差や、共振周波数の変化により距離制御を行ってもよい。
【００６６】
測定環境も大気や溶液に限定されず真空中などにも適用できる。
【００６７】
上記実施形態ではサンプル側に三軸微動機構を取り付けたがカンチレバー側に取り付けてもよいし、サンプルとカンチレバー側に分割して取り付けてもよい。
【００６８】
また変位検出機構は光てこ方式に限定されず、例えばカンチレバーに抵抗体を設けて抵抗値で検出する方式でもよい。
【００６９】
加振機構に用いられるアクチュエータも保持ブロックを含む構造体が共振状態の振動モードで振動すれば、圧電素子以外にも任意のものが使用でき、例えば磁気力、電磁力、光、熱などをエネルギ源とする加振機構も利用できる。
【００７０】
保持ブロックと圧電素子などの加振機構は必ずしも直接接着させる必要はなく、両者を離して取り付けてもよい。また加振機構をカンチレバーホルダの外部に設けて保持ブロックを振動させるようにしてもよい。
【００７１】
また、本発明はサンプルの凹凸を測定する原子間力顕微鏡に限定されず、電気特性や磁気特性、光学特性、機械的特性などを測定するさまざまな振動方式を使用した走査型プローブ顕微鏡に適用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 走査型プローブ顕微鏡
２ カンチレバー
３ 探針
４ カンチレバー
５ カンチレバーのベース部
６、４０ カンチレバーホルダ
７ 変位検出機構
８ サンプル
９ 三軸微動機構
１０ サンプルホルダ
１１ 粗動機構
１２ 筐体
１４、３１ 保持ブロック
１５、３０ 圧電素子（加振機構）
１６、３４ 基板
１７、４１ カンチレバーホルダのベース部
１８、３２ 板バネ
１９ 半導体レーザ
２０ ビームスプリッタ
２１ フォトディテクタ
２４ 垂直方向微動機構
２５ 水平方向微動機構
４２ ガラス板
４４ 液中セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端に探針を有するカンチレバーを振動させ、サンプル表面に働く相互作用を検出して距離制御を行いながら、探針とサンプルを相対的にスキャンし、サンプルの表面の形状や物理特性の測定、サンプル表面の加工、あるいは、探針によるサンプル表面の物質の移動などを行うための走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法ならびにその方法による走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７をもとに従来の振動方式の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する（特許文献１参照）。
【０００３】
従来の走査型プローブ顕微鏡は三軸微動機構１０２の上に液中セル１０１を載置し、液中セル１０１の内部に溶液を満たし、サンプル１０３がセットされている。
【０００４】
サンプルに対向する位置には先端に探針を有するカンチレバー１０６が配置される。
【０００５】
カンチレバー１０６が保持されるカンチレバーホルダは、ベース部１０４に絶縁体１０９を介して圧電素子１１０が固定されて、さらに絶縁体１０９を介して保持ブロック１０８が固定されている。保持ブロック１０８にはカンチレバー１０６が着脱可能にカンチレバー押え１０７により固定されている。カンチレバー１０６と保持ブロック１０８の一部およびカンチレバー押え１０７は溶液中に浸かった状態である。
【０００６】
カンチレバーホルダ１０４の上方にはレーザとディテクタより構成される光てこ方式の変位検出機構１１４が配置されている。また、ベース部１０４にはカンチレバー１０６の上方に位置するようにガラス板１１１が固定されている。このガラス板１１１を液面に接した状態にすることで、液面の揺れを抑えて前記変位検出機構１１４のレーザ光が液面で散乱することなく液中と空気中の間で入出射可能となる。
【０００７】
以上のように構成された装置を用いた走査型プローブ顕微鏡の測定方法を説明する。加振機構として作用する圧電素子１１０によりカンチレバー１０６を１次の共振周波数近傍で加振しながら変位検出機構１１４によりカンチレバー１０６の振幅や位相を計測し、カンチレバー１０６の探針にサンプル１０３を近接させていく。そうするとサンプル１０３と探針間には、原子間力などの物理的な力が作用し、さらに近接していくとサンプル１０３と探針がカンチレバー１０６の振動に対応して間欠的に接触し、両者に接触力が作用する。この原子間力や接触力により、カンチレバー１０６の振幅や位相または共振周波数が変化する。これらの変化量は、探針とサンプル間の距離に依存するため、カンチレバーの振幅や位相または共振周波数の変化量が常に一定になるように、探針とサンプル間の距離を三軸微動機構１０２で制御することで高さ方向の距離制御が行われる。さらに三軸微動機構１０２によりサンプル１０１面内で探針３をラスタスキャンすることでサンプル表面の形状像を測定することが出来る。
【０００８】
振動方式の原子間力顕微鏡の場合には先に述べた１次の共振周波数近傍で加振を行う方法のほか２次以上の高次の共振周波数近傍で加振を行いながら測定を行う方法もある。高次の振動モードの場合、振動モードごとの特徴を活かした測定に応用されている。例えばカンチレバーの長軸周りにねじり振動をおこなう振動モードの場合には、測定中のサンプルと探針の距離をほぼ一定に保つことが可能という特徴がある。
【０００９】
走査型プローブ顕微鏡の測定を行う場合にはサンプルの種類や測定手法、測定したい物理量によりさまざまな形状や特殊機能を付加したカンチレバーが市販されており、最適なものを選択してカンチレバーホルダにセットして使用される。
【００１０】
図７で説明した液中で測定を行う場合のほか、空気中や真空中などでも走査型プローブ顕微鏡の測定が行われる。この場合の装置構成や測定方法は図７と概ね同じであるが、空気中測定の場合には図７において液中セル１０１やガラス板１１１などは不要となり、真空中測定の場合は装置の少なくともサンプルとカンチレバーが真空チャンバーに配置された構成となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３２９５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーホルダの加振機構による加振力が不足して、カンチレバーが十分な振幅量を得られない場合がある。このときには変位検出機構で検出される信号での振幅の検出信号に対するノイズレベルが高くなり測定精度が悪化して分解能が低下してしまう。また、十分な振幅量を得るために、圧電素子への印加電圧を大きくして加振機構の振幅を増やした場合には、カンチレバーホルダや走査型プローブ顕微鏡を構成する部材の振動が大きくなって振動ノイズが大きくなる。
【００１３】
特に溶液中で測定を行う場合には、カンチレバーが溶液から受ける粘性抵抗により十分な振幅が得られず、変位検出機構の信号のノイズレベルが非常に高くなってしまう。また、加振機構の振幅を大きくすると振動ノイズが大きくなるとともに、ガラス板や液面も振動してしまい、変位検出機構のレーザスポットが細かく振動しノイズが発生していた。その結果、走査型プローブ顕微鏡の分解能が悪化していた。
【００１４】
従って、本発明の目的は、振動方式の走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバーが効率的に振動する加振方法により変位検出機構のノイズレベルを抑制するとともに、部材の振動ノイズを抑え、分解能の高い測定が可能な走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法ならびにそれを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００１６】
本発明のカンチレバーの加振方法では、先端に探針を有し末端にベース部を有するカンチレバーの該ベース部を保持する保持ブロックを備えたカンチレバーホルダと、前記保持ブロックを振動させて前記カンチレバーを加振するための加振機構とを備えた走査型プローブ顕微鏡において、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とが一致するように調整した。
【００１７】
また、本発明では、前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線が曲げ変形する振動モードで測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーの構造体の共振状態での振動に係わる動作が、前記カンチレバーが曲げ変形を行う面内で並進動作または曲げ動作を行うようにした。
【００１８】
また、前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線のまわりにねじれモードで振動させて測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の共振状態に係わる動作が、カンチレバーの長手方向の軸線まわりに回転モーメントを与える動作を行うようにした。
【００１９】
さらに、本発明のカンチレバーの加振方法では、前記カンチレバーと、前記保持ブロックの一部または全部を液中に浸して測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が液中で共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際の液中でのカンチレバーの動作周波数とを、一致するように調整した。
【００２０】
また、本発明のカンチレバーの加振方法では、前記加振機構が圧電素子を含み、前記圧電素子が前記カンチレバーホルダに取り付けられ、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とを一致させるための調整を、前記圧電素子及び／又は前記保持ブロックの形状の調整によるものとした。
【００２１】
また、本発明は、上記したカンチレバーの加振方法により測定を行う走査型プローブ顕微鏡を提供すると共に、それに備わる前記カンチレバーホルダは、ベース部を有し、前記保持ブロックを含む構造体が前記ベース部から着脱可能な構造とした。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、１次または高次の共振スペクトル上でカンチレバーを振動させる振動方式の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの加振方法において、ホルダを上記のような構造とすることで、走査型プローブ顕微鏡測定時のカンチレバーの動作周波数と、保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数を一致させているため効率的に加振を行うことが可能となり、圧電素子を低電圧で駆動してもカンチレバーが大きな変位で振動することができ、変位検出機構の信号のノイズ成分が低下して分解能の高い測定が可能となる。
【００２３】
また、カンチレバーの振動モードの変位の方向と、保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の振動モードの変位の方向を概ね一致させて加振を行うようにしたため、さらに加振効率が向上する。この場合、カンチレバーの動作時の振動モードに寄与する方向へ以外への保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体の変形量が少なくなるので、カンチレバーホルダや走査型プローブ顕微鏡を構成する部材に不要な方向への振動が伝搬することが防止されて、振動に起因するノイズ成分が減少する。また、低振幅でカンチレバーを加振する場合にも、変位検出機構のノイズレベルが小さくなり振動の影響も受けず、精度のよい測定が可能となる。
【００２４】
また、粘性抵抗によりカンチレバーの振幅が得づらい溶液中でも、十分な振幅量を得ることが可能となる。
【００２５】
さらに、保持ブロックを含む部材を交換可能とすることで、カンチレバーの種類にあわせて最適な振動モードで動作する保持ブロックを含む部材に交換することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第一実施形態に係る大気中での測定に用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。
【図４】本発明の第三実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。
【図５】本発明の第四実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。
【図６】本発明の第五実施形態に係る溶液中での測定に用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る大気中での測定に用いられる振動方式の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【００２８】
図１に示した走査型プローブ顕微鏡１では、カンチレバー４の先端に探針３を有し末端にベース部５を有するシリコン製のカンチレバー２と、カンチレバー２のベース部５を保持しカンチレバー２を加振するために用いられるカンチレバーホルダ６と、カンチレバー４の変位を検出するための変位検出機構７と、サンプル８を微動させる三軸微動機構９と、三軸微動機構９に固定されサンプル８が載置されるサンプルステージ１０と、三軸微動機構が搭載される粗動機構１１と筐体１２から走査型プローブ顕微鏡１が構成される。
【００２９】
カンチレバーホルダ６は、先端にカンチレバーのベース部５を載せるための傾斜した平面部１３を有する保持ブロック１４の末端が、加振機構として作用する平板形状の圧電素子１５に接着固定されており、圧電素子１５の保持ブロック１４の接着面とは反対側の面が基板１６に接着固定されている。この基板１６はカンチレバーホルダ６のベース部１７に脱着可能にネジ固定されている。保持ブロック１４にはカンチレバーのベース部５を固定するために板バネ１８が取り付けられており、板バネ１８と保持ブロックの平面部１３の間にカンチレバーのベース部５を挿入することでカンチレバー２が交換可能に装着される。カンチレバーホルダ６のベース部１７は走査型プローブ顕微鏡の筐体１２に脱着可能に固定される。
【００３０】
変位検出機構７は 半導体レーザ１９と表面が４分割されたフォトディテクタ２１とビームスプリッタ２０から構成され、一般に光てこ法と呼ばれる方式でカンチレバー４の変位検出が行われる。まず、半導体レーザ１９の光を集光し、ビームスプリッタ２０で光路を曲げてカンチレバー４の背面に直上から照射する。カンチレバー４の背面は入射光２３に直交する面に対して１０°傾斜しているので、背面で反射した光は、入射光に対して２０°の角度で反射しフォトディテクタ２１の検出面に入射する。カンチレバー４の長手方向の軸線に撓みが生じた場合にはフォトディテクタ２１面内でスポットが上下に移動する。このとき分割されたフォトディテクタ２１の検出面の信号強度差を検出することでカンチレバー４の変位の検出が行われる。また、カンチレバー４の長手方向の軸線周りのねじれ角の検出を行う場合にはフォトディテクタ２１上で、撓みを検出する方向と直交する方向にスポットが移動し、このとき分割された検出面の信号強度差を検出することでねじれ角の検出が行われる。変位検出機構７を構成するこれらの部材は変位検出機構の筐体２２内に配置されて、走査型プローブ顕微鏡の筐体１２上に設置される。
【００３１】
三軸微動機構９は円筒型の圧電素子により構成される。円筒型圧電素子９の末端は固定され、先端にはサンプル８を載置するためのサンプルホルダ１０が取り付けられている。円筒型圧電素子９には円筒の中心軸に平行な方向に伸縮動作を行うことで垂直方向微動機構２４として作用する電極部分と、固定端を中心に先端のサンプルステージを円弧運動させることでサンプルをサンプル面内で移動させる水平方向微動機構２５として作用する電極部分が設けられている。この三軸微動機構９は粗動機構１１に取り付けられている。
【００３２】
次に、第一実施形態での測定方法を図１と図２により説明する。図２はカンチレバーホルダ６の圧電素子１５により加振を行った場合の圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体とカンチレバー４の振動モードを示す概観図である。保持ブロックに取り付けられた板バネ１８の図面への記載は省略している。
【００３３】
本実施形態では、カンチレバー４を１次の共振周波数の近傍で振動させる。このときの動作周波数はカンチレバー４の振幅の周波数特性を測定した際に１次の共振周波数をピークとして測定される共振スペクトルの山型波形のピークからベースラインまでの間の任意の周波数である。このときのカンチレバー４の振動モードは図２に示すようにカンチレバー４の長手方向の軸線が曲げ変形し、探針３の先端がサンプル８に対して垂直方向に上下する振動モードである（図２の探針３左側に示した矢印の方向）。
【００３４】
このような状態で、サンプル８を探針３に粗動機構１１により測定領域まで近付けて行くと、原子間力や間欠的な接触力によりカンチレバー４の振幅が変化する。この振幅変化量は探針３とサンプル８との距離に依存するため、このときの振幅の変化量があらかじめ設定した値となるように垂直方向微動機構２４でサーボ動作させることで、探針３とサンプル８間の距離を一定に保つことができる。この状態で、水平方向微動機構２５によりサンプル８をラスタスキャンし、三軸微動機構９に印加される垂直方向微動機構２４の印加電圧と水平方向移動機構２５の印加電圧に較正値を乗じて画像化することでサンプル８の凹凸形状を測定することができる。
【００３５】
カンチレバー４を振動させる場合には、圧電素子１５にカンチレバー４の動作周波数と同じ周波数の交流電圧を印加して保持ブロック１４を振動させて、保持ブロック１４上に板バネ１８で固定されたカンチレバーのベース部５を加振する。
【００３６】
本実施形態では圧電素子１５と保持ブロック１４からなるカンチレバーホルダ６の構造体が、図２の２点破線で示すように圧電素子１５の固定面に対して垂直方向に保持ブロック１４の先端部が並進動作する振動モードで共振するようにした（図２の保持ブロック１４上の矢印の方向）。この振動モードでの加振周波数は、カンチレバー４の１次の共振スペクトル上に設定された動作周波数と一致するようにした。
【００３７】
すなわち、カンチレバー４の長手方向の軸線が曲げ変形を行う面内で圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体が伸縮動作を行っており、圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体の振幅の周波数特性を測定したときに、伸縮動作の振動モードで動作する共振周波数をピークとする共振スペクトルの山型波形のピークからベースラインまでの間の任意の周波数が、カンチレバー４の１次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。
【００３８】
このとき圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体の共振周波数と振動モードは、圧電素子１５や保持ブロック１４の形状や材料、圧電素子１５の電極パターンやポーリングの向き、各部品同士の固定方法、部材周囲の環境（大気中、液中、真空中）などによって決まってくる。
【００３９】
本実施形態では、圧電素子１５の材質と形状を決め、厚み方向にポーリングを行い、厚み方向で互いに対向する両面に電極を配置して、圧電素子１５に保持ブロック１４の形状と材料密度から決まる負荷質量を想定したモデルのもとで、圧電素子１５を厚み方向に共振させることで、保持ブロック１４と圧電素子１５からなる構造体を伸縮動作の振動モードで共振させるようにした。
【００４０】
このように保持ブロック１４の先端を伸縮モードで共振させると、圧電素子１５を低電圧で駆動しても、カンチレバー４に曲げ変形を与える方向にカンチレバーのベース部５を大きな変位で並進運動させることができ、カンチレバー４を効率的に加振させることが可能となる。その結果、変位検出機構７の信号のノイズ成分が低下して分解能の高い測定が可能となる。
【００４１】
また、カンチレバー４の動作時の振動モードに寄与する方向へ以外への圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体の変形量が少なくなるので、カンチレバーホルダ６や走査型プローブ顕微鏡１を構成する部材に不要な方向への振動が伝搬することが防止されて、振動に起因するノイズ成分が減少する。また、高分解能測定を行う場合などに低振幅でカンチレバー４を加振する場合にも、変位検出機構６のノイズレベルや振動の影響が小さくなり、精度のよい測定が可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体を基板１６に固定し、基板１６をカンチレバーホルダ６のベース部１７に着脱可能とした。走査型プローブ顕微鏡では測定の目的に合わせて、通常、１次の共振周波数が概ね数ｋＨｚから１ＭＨｚ程度のカンチレバーが選択して使用される。また、１次以外の高次の振動モードでも使用される場合がある。そのため、カンチレバー４の動作周波数や振動モードに合わせて圧電素子１５と保持ブロック１４の形状や材質、圧電素子１５の電極パターンやポーリングの向きを適宜変更し、使用するカンチレバーごとに最適な共振周波数と振動モードを有する圧電素子１５と保持ブロック１４の組合せを基板１６ごと交換することで、カンチレバー種類ごとの動作時の振動モードに対応させることが可能となる。
【００４３】
（第二実施形態）
図３は第一実施形態と同じくカンチレバー２を１次の共振周波数近傍で加振させながら測定を行う場合の圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体とカンチレバー４の振動モードを示す概観図である。走査型プローブ顕微鏡の本体の構造や測定原理は第一実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施形態では圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体を共振させたときに、図３の２点破線で示したように、圧電素子１５が基板１６へ接着された部分を固定端として保持ブロック１４の先端がカンチレバー４の長手方向の軸線と保持ブロック１４の長手方向（圧電素子１５の厚み方向）を含む面内で曲げ変形を行う振動モード（図３の保持ブロック１４上に示した矢印の方向）で振動するようにした。このとき圧電素子１５に印加する交流電圧の周波数が、カンチレバー４の長手方向の軸線が曲げ振動を行う１次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。
【００４５】
本実施形態では圧電素子１５を厚み方向にポーリングして、厚み方向に対向する２面に電極を設けて電圧を印加し、保持ブロック１４自体が曲げ変形で共振するように圧電素子１５と保持ブロック１４の形状を設計した。
【００４６】
このように保持ブロック１４を曲げモードで共振させて先端を円弧運動させると、カンチレバー４の長手方向の軸線に曲げ変形を与える方向に大きな回転モーメントを与えることができ、カンチレバー４を効率的に加振させることが可能となり、第一実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
（第三実施形態）
図４はカンチレバー４をねじれモードで振動させながら走査型プローブ顕微鏡の測定を行う場合の圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体とカンチレバー４の振動モードを示す概観図である。図４は図１において、保持ブロック１４に搭載されたカンチレバー４を長手方向の軸線と直交する探針３の正面側からみた図面である。走査型プローブ顕微鏡の本体の構造は第一実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００４８】
本実施形態では、圧電素子１５と保持ブロック１４からなる構造体が共振状態の場合に、図４の２点破線で示したように、圧電素子１５が基板１６へ接着された部分を固定端として保持ブロック１４の先端がカンチレバー４の長手方向の軸線と探針３の先端を含む面に直交する面内で曲げ変形を行う振動モードで振動するようにした（図４の保持ブロック１４上に示した矢印の方向）。このとき圧電素子１５に印加する交流電圧の周波数が、カンチレバー４が長手方向の軸線まわりにねじれモードで振動するような共振スペクトル上での動作周波数と一致するようにした。
【００４９】
本実施形態では圧電素子１５を厚み方向にポーリングして、厚み方向に対向する２面に電極を設けて電圧を印加し、保持ブロック１４自体が曲げ変形で共振するように圧電素子１５と保持ブロック１４の形状を設計した。
【００５０】
このように保持ブロック１４を曲げモードで共振させて先端を円弧運動させると、カンチレバー４にねじり振動を与える方向に大きな回転モーメントを与えることができ、カンチレバーを効率的に加振させることが可能となる。
【００５１】
このようにカンチレバー４がねじれモードで振動するような周波数で加振させながらサンプルと探針を近づけて行くと探針とサンプル間の距離に応じてねじれ量が変化する。あらかじめ設定されたねじれ量になるように垂直方向微動機構２４で距離制御することで、探針３とサンプル８間の距離を一定に制御することが可能となる。
【００５２】
（第四実施形態）
図５に本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダの圧電素子３０と保持ブロック３１からなる構造体の概観図を示す。この実施形態もカンチレバー４を１次の共振周波数近傍で曲げ変形を行う振動モードで加振させながら測定が行われる。
【００５３】
本実施形態では、平板状の圧電素子３０を基板３４に固定し、平板状の保持ブロック３１の末端を接着し先端にカンチレバーのベース部５を保持する平面部３３を設け、カンチレバーのベース部５を平面部３３に載せて板バネ３２で押えた構成である。
【００５４】
本実施形態では図５の２点破線で示したように、保持ブロック３１が圧電素子３０への接着部分を固定端として、カンチレバー４が長手方向の軸線に曲げ変形を行う面内で、共振動作時に曲げ変形を行う振動モードで振動するようにした（図５の保持ブロック３１上に記載した矢印の向き）。このときの圧電素子３０に印加される周波数が、カンチレバー４の１次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。
【００５５】
本実施形態の場合にもカンチレバー４を曲げ変形させる方向に回転モーメントを与えることができ、カンチレバー４を効率的に加振させることが可能となる。
【００５６】
（第五実施形態）
図６は本発明の第五実施形態の液中で測定を行うための走査型プローブ顕微鏡の概観図である。本実施形態で図１に示した部分と同じ部分は同一の符号を付け詳細な説明は省略する。
【００５７】
本実施形態ではカンチレバーホルダ４０のベース部４０に平面部を有する突起４３が設けられたガラス板４２が取り付けられている。ガラス板４２には加振機構として作用する圧電素子１５が接着固定されており圧電素子１５にはカンチレバーのベース部５を載せる傾斜平面部１３が設けられた保持ブロック１４が固定されている。カンチレバー２はベース部５が保持ブロック１４の傾斜平面部１３に載せられて板バネ１８により交換可能に取り付けられている。
【００５８】
一方、三軸微動機構上９のサンプルホルダ１０には液中セル４４が載せられており、液中セル４４の底面部にサンプル８を固定し液中セル４４内部に溶液４５を入れることでサンプル８が溶液に浸された状態である。探針３とサンプル８を近付けていくと、液面がガラス板４２の突起部４３の平面と接する。このときカンチレバー２と保持ブロック１４の先端部の一部も溶液内部に浸される。カンチレバーホルダ４０の上部に配置された変位検出機構７からのレーザ光２３はガラス板４２を通り溶液４５内部に進入してカンチレバー４の背面で反射し再び溶液４５からガラス板４２を通り大気中に配置されたフォトディテクタ２１に到達しカンチレバー４のたわみ量やねじれ量の検出が行われる。
【００５９】
溶液中に浸した状態で、圧電素子１５で保持ブロック１４を加振した場合の共振周波数は大気中で加振したときに比べて、低周波数側にシフトする。またカンチレバーの共振周波数も低周波側にシフトする。本実施形態では、図２〜図４に示した場合と同様に保持ブロック１４と圧電素子１５からなる構造体が共振動作を行う場合に、伸縮動作または曲げ動作の振動モードで振動させて、カンチレバー４を長手方向の軸線を曲げ変形させるか、軸線まわりにねじれ運動の共振モードで動作させるようにした。このとき保持ブロック１４と圧電素子１５からなる構造体がよう液中において、カンチレバーの溶液中での動作周波数と同じ周波数で、共振状態となるように形状を変更した。
【００６０】
また、ガラス板４２をカンチレバーホルダ４０のベース部４１から脱着可能としカンチレバー２の種類に合わせて最適な保持ブロック１４と圧電素子１５の組合せを選択可能にした。
【００６１】
このように構成することで溶液中においてもカンチレバー４を効率よく加振することが可能となる。
【００６２】
以上本発明の実施形態を述べたが、本発明はこれに限定するものではない。
【００６３】
カンチレバーの振動モードは上記の１次の曲げ振動やねじれ振動に限定されず任意の共振モードが適用できる。
【００６４】
また、通常カンチレバーは、共振周波数近傍で加振されるが、カンチレバーを非共振状態で加振する場合でも、カンチレバーの動作周波数と、共振状態の振動モードで振動するときの保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体の周波数とが、一致していれば本発明に含まれる。
【００６５】
また、上記実施形態では振幅の変化量をパラメータとして距離制御を行うようにしたが加振を行う交流信号と変位検出機構で検出されるカンチレバーの振動の位相差や、共振周波数の変化により距離制御を行ってもよい。
【００６６】
測定環境も大気や溶液に限定されず真空中などにも適用できる。
【００６７】
上記実施形態ではサンプル側に三軸微動機構を取り付けたがカンチレバー側に取り付けてもよいし、サンプルとカンチレバー側に分割して取り付けてもよい。
【００６８】
また変位検出機構は光てこ方式に限定されず、例えばカンチレバーに抵抗体を設けて抵抗値で検出する方式でもよい。
【００６９】
加振機構に用いられるアクチュエータも保持ブロックを含む構造体が共振状態の振動モードで振動すれば、圧電素子以外にも任意のものが使用でき、例えば磁気力、電磁力、光、熱などをエネルギ源とする加振機構も利用できる。
【００７０】
保持ブロックと圧電素子などの加振機構は必ずしも直接接着させる必要はなく、両者を離して取り付けてもよい。また加振機構をカンチレバーホルダの外部に設けて保持ブロックを振動させるようにしてもよい。
【００７１】
また、本発明はサンプルの凹凸を測定する原子間力顕微鏡に限定されず、電気特性や磁気特性、光学特性、機械的特性などを測定するさまざまな振動方式を使用した走査型プローブ顕微鏡に適用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 走査型プローブ顕微鏡
２ カンチレバー
３ 探針
４ カンチレバー
５ カンチレバーのベース部
６、４０ カンチレバーホルダ
７ 変位検出機構
８ サンプル
９ 三軸微動機構
１０ サンプルホルダ
１１ 粗動機構
１２ 筐体
１４、３１ 保持ブロック
１５、３０ 圧電素子（加振機構）
１６、３４ 基板
１７、４１ カンチレバーホルダのベース部
１８、３２ 板バネ
１９ 半導体レーザ
２０ ビームスプリッタ
２１ フォトディテクタ
２４ 垂直方向微動機構
２５ 水平方向微動機構
４２ ガラス板
４４ 液中セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に探針を有し末端にベース部を有するカンチレバーの該ベース部を保持する保持ブロックを備えたカンチレバーホルダと、前記保持ブロックを振動させて前記カンチレバーを加振するための加振機構とを備えた走査型プローブ顕微鏡において、
前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、
走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とを、一致するように調整したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項２】
前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線が曲げ変形する振動モードで測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーの構造体の共振状態での振動に係わる動作が、前記カンチレバーが曲げ変形を行う面内で並進動作または曲げ動作である請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項３】
前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線のまわりにねじれモードで振動させて測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の共振状態の振動に係わる動作が、カンチレバーの長手方向の軸線まわりに回転モーメントを与える動作である請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項４】
前記カンチレバーと、前記保持ブロックの一部または全部を液中に浸して測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が液中で共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、
走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際の液中でのカンチレバーの動作周波数とを、一致するように調整した請求項１乃至３に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法において、
前記加振機構が圧電素子を含み、前記圧電素子が前記カンチレバーホルダに取り付けられ、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とを一致させるための調整が、前記圧電素子及び／又は前記保持ブロックの形状の調整による走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載のカンチレバーの加振方法を利用した走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーホルダが、ベース部を有しており、前記保持ブロックを含む構造体が前記ベース部から着脱可能な構造とした走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１】
先端に探針を有し末端にベース部を有するカンチレバーの該ベース部を保持する保持ブロックを備えたカンチレバーホルダと、前記保持ブロックを振動させて前記カンチレバーを加振するための加振機構とを備えた走査型プローブ顕微鏡において、
前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、
走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とを、一致するように調整したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項２】
前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線が曲げ変形する振動モードで測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーの構造体の共振状態での振動に係わる動作が、前記カンチレバーが曲げ変形を行う面内で並進動作または曲げ動作である請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項３】
前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線のまわりにねじれモードで振動させて測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の共振状態の振動に係わる動作が、カンチレバーの長手方向の軸線まわりに回転モーメントを与える動作である請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項４】
前記カンチレバーと、前記保持ブロックの一部または全部を液中に浸して測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が液中で共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、
走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際の液中でのカンチレバーの動作周波数とを、一致するように調整した請求項１乃至３に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法において、
前記加振機構が圧電素子を含み、前記圧電素子が前記カンチレバーホルダに取り付けられ、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とを一致させるための調整が、前記圧電素子及び／又は前記保持ブロックの形状の調整による走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載のカンチレバーの加振方法を利用した走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーホルダが、ベース部を有しており、前記保持ブロックを含む構造体が前記ベース部から着脱可能な構造とした走査型プローブ顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１９０８５８（Ｐ２０１０−１９０８５８Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３８１５１（Ｐ２００９−３８１５１）
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
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