走査型プローブ顕微鏡装置、ナノピンセット装置および試料表面形状観察方法
【課題】別体の探針を把持して試料観察を行うことができる走査型プローブ顕微鏡装置の提供。
【解決手段】ナノピンセット１に設けられた観察プローブ１０および可動アーム２０は、熱アクチュエータとして機能する駆動レバーにより開閉駆動される。ナノピンセット１と別体で設けられた探針であるＣＮＴ４０１を用いてＡＦＭ観察を行う場合には、ＣＮＴカートリッジに設けられたＣＮＴ４０１をナノピンセット１で把持する。そして、把持したＣＮＴ４０１の試料面に対する姿勢が適切となるように、ナノピンセット１を反転駆動機構により１８０度反転する。その後、ＣＮＴ４０１の先端を試料面に近接させ、タッピングモードによりＡＦＭ観察する。
【解決手段】ナノピンセット１に設けられた観察プローブ１０および可動アーム２０は、熱アクチュエータとして機能する駆動レバーにより開閉駆動される。ナノピンセット１と別体で設けられた探針であるＣＮＴ４０１を用いてＡＦＭ観察を行う場合には、ＣＮＴカートリッジに設けられたＣＮＴ４０１をナノピンセット１で把持する。そして、把持したＣＮＴ４０１の試料面に対する姿勢が適切となるように、ナノピンセット１を反転駆動機構により１８０度反転する。その後、ＣＮＴ４０１の先端を試料面に近接させ、タッピングモードによりＡＦＭ観察する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針をナノピンセットで把持して試料観察を行う走査型プローブ顕微鏡装置、ナノピンセット装置および試料表面形状観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、探針先端部分にカーボンナノチューブ（以下では、ＣＮＴと記載する）を備えた走査型プローブ顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−４６１９号公報
【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、ＣＮＴが一体で形成されたカンチレバーでは、作業中にＣＮＴが破損して使用不能になった場合、ＣＮＴが形成されているカンチレバー全体を交換する必要がある。そのため、交換作業に時間を要し、走査型プローブ顕微鏡による観察作業の効率低下が問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットと、ナノピンセットに把持される探針と、探針を把持したナノピンセットを所定周波数で振動させる振動手段と、試料表面との作用に基づくアームの振動の変化を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算する演算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に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、探針としてカーボンナノチューブを用いたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、ナノピンセットに把持された探針の試料表面に対する姿勢を変更する姿勢変更手段を設けたものである。
請求項４の発明は、請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、姿勢変更手段が、ナノピンセットを１８０度回転させて上下反転させる反転機構であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、ナノピンセットは、駆動電圧非印加時が閉状態で、駆動電圧を印加することにより開状態となるように構成されていることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、一対のアームのいずれか一方には探針部が一体に形成されており、振動手段によって探針部が形成されたアームの共振周波数でナノピンセットを振動させて、探針部により試料表面形状の観察を行うようにしたものである。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、探針の被把持部またはナノピンセットの把持部に探針把持性向上部を設けたものである。
請求項８の発明によるナノピンセット装置は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置を構成するナノピンセットと、振動手段と、検出手段とを備えることを特徴とする。
請求項９の発明による試料表面形状観察方法は、開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットで探針を把持し、探針を把持したナノピンセットを所定周波数で振動させ、試料表面との作用に基づくアームの振動の変化を検出し、検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算し、その演算結果を可視化することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ナノピンセットにより探針を把持し、その探針を用いて試料表面観察を行うようにしたので、探針が破損した場合でも探針を交換するだけで良く、交換作業の短縮および交換コストの低減を図ることができる。
【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は本発明による走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）装置の第１の実施の形態を示す図であり、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。ＡＦＭ装置１００は、ナノピンセット１と、レーザ光源２と、２分割フォトダイオード３と、制御演算部４と、励振部５と、電源部６と、３次元ステージ８と、反転駆動機構９と、ＣＮＴカートリッジ４００とを備えている。また、ＡＦＭ装置１００において、ナノピンセット１、レーザ光源２、２分割フォトダイオード３、励振部５、電源部６および反転駆動機構９はナノピンセット装置を構成している。ナノピンセット１は、支持体２５に一体に形成された観察プローブ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。
【０００８】
観察プローブ１０は、図のＸ方向に延在するレバー１１と、レバー１１の先端からＸ方向に延在する探針部１２とを有している。観察プローブ１０と並設されている可動アーム２０は、Ｘ方向に延在するレバー２１とレバー２１の先端からＸ方向に延在する把持部２２とを有している。ほぼ平行に延在する探針部１２と把持部２２とは、距離ｄを隔てて設けられている。支持体２５と一体に設けられている駆動レバー２３，２４は、可動アーム２０を駆動するための熱アクチュエータとして機能するものである。駆動レバー２３，２４は、それぞれの端部が可動アーム２０に接続されてリンク機構を形成している。駆動レバー２３，２４には、電源部６から電力が供給される。
【０００９】
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。なお、図１では、支持体２５の一部のみが図示されている。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、ナノピンセット１全体を３次元方向に移動させることができる。また、ナノピンセット１は反転駆動機構９により１８０度反転される。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。
【００１０】
２分割フォトダイオード３からの検出信号は、制御演算部４に入力される。制御演算部４は、検出信号に基づいて観察プローブ１０の振幅を算出し、試料Ｓの表面形状を演算する。その演算結果はモニタ７に表示される。励振部５は、ナノピンセット１全体を振動させて観察プローブ１０を共振させるためのピエゾ素子（不図示）と、その駆動回路とを備えている。また、制御演算部４は、励振部５、電源部６、３次元ステージ８および反転駆動機構９を制御する。
【００１１】
図２は、図１のＡＦＭ装置１００に設けられたナノピンセット１の主要部を示す図であり、（ａ）は観察プローブ１０と可動アーム２０とを示し、（ｂ）は観察プローブ１０の探針部１２を示している。観察プローブ１０のレバー１１および可動アーム２０のレバー２１はＹＺ断面の形状が矩形となっており、後述する共振周波数は各々のＸ方向長さとＺ方向厚さに依存する。また、観察プローブ１０の探針部１２と可動アーム２０の把持部２２は、Ｘ方向の長さ、Ｙ方向の幅、Ｚ方向の高さのすべてが等しく設定されている。探針部１２および把持部２２は、−Ｚ方向に先細りとなったウエッジ型形状をしており、それぞれのＹＺ断面の形状は直角三角形になっている。
【００１２】
距離ｄを隔てて配置された探針部１２および把持部２２の断面形状は、Ｚ軸に関して対称となっている。探針部１２および把持部２２の対向する面（以下では、直交面と呼ぶ）１２ａ，２２ａは、互いに平行となっている。探針部１２の直交面１２ａと斜面１２ｂが交わる稜線１２ｃと、把持部２２の直交面２２ａと斜面２２ｂが交わる稜線２２ｃとは、それぞれＸ軸に対して平行に延在しており、これらは試料Ｓに近接または接触する先鋭部（刃先）として機能する部分である。
【００１３】
本実施の形態のナノピンセット１においては、従来の試料把持および運搬に加えて、試料のＡＦＭ観察を行うことができる。試料を把持する際には、静止している観察プローブ１０に対して可動アーム２０を開閉駆動する。その際、駆動レバー２３，２４が可動アーム２０を開閉させる熱アクチュエータとして機能する。また、ＡＭＦ観察を行う場合には、観察プローブ１０を用いた観察、および、把持したＣＮＴプローブを用いた観察のいずれかを採用することができる。
【００１４】
図３は、駆動レバー２３，２４を説明する図であり、図１に示した観察プローブ１０，可動アーム２０，駆動レバー２３，２４および電源部６の部分を拡大して示したものである。熱アクチュエータは駆動レバー２３，２４と電源部６とで構成され、駆動レバー２３の梁部２３ａと駆動レバー２４の梁部２４ａとが可動アーム２０にそれぞれ接続されている。梁部２３ａ，２４ａのＺ方向の厚さは同一であるが、梁部２４ａのＸ方向の幅は梁部２３ａのそれよりも狭く設定されている。電源部６は直列に接続された２つの可変電源６ａ，６ｂを有し、可変電源６ａの負極は駆動レバー２３に、可変電源６ｂの正極は駆動レバー２４に接続されている。可変電源６ａと可変電源６ｂとの接続点、および可動アーム２０は接地電位とされている。
【００１５】
《製造方法》
次に、図１，２に示したナノピンセットの製造方法について説明する。ナノピンセット１は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。ＳＯＩウエハは、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ２層を形成し、そのＳｉＯ２層を挟むように貼り合わせたものである。図１に示されるように、支持体２５は、ＳＯＩウエハを構成する上部Ｓｉ層３１、ＳｉＯ２層３２および下部Ｓｉ層３３で形成されている。また、観察プローブ１０、可動アーム２０および駆動レバー２３，２４は、電源部６を接続するための電極などを除くと上部Ｓｉ層３１で形成されている。本実施の形態では、各層３１，３２，３３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。
【００１６】
図４〜１３は、本実施の形態のナノピンセット１の製造工程を示す図であり、工程ａからｈまで順に処理される。図４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（００１）となるように構成されている。
【００１７】
図４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Ｉ−Ｉ断面図である。工程ｂでは、図５に示すマスクＡを用いて、Ｃ２Ｆ６によるＲＩＥ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，Ａ２）を露出させる。ＳｉＮ膜３４がエッチング除去された領域Ａ１は、概略、観察プローブ１０の先端および可動アーム２０の先端が形成される領域である。一方、領域Ａ２は、観察プローブ１０および可動アーム２０の基端側と駆動レバー２３，２４が形成される領域である。観察プローブ１０および可動アーム２０が延在する方向には、すなわち、細長い領域Ａの伸延方向には、上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向を選ぶ。
【００１８】
なお、図５に示したマスクＡは支持体２５も含めたマスクとなっており、図１や図４（ｂ１）に示す部分は、図５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。
【００１９】
図４の（ｃ１），（ｃ２）に示す工程ｃでは、領域Ａ１およびＡ２の上部Ｓｉ層３１の表面に厚さ０．１μｍの酸化膜３５を形成する。酸化方法は水蒸気酸化であり、酸素ガスと水素ガスを高温で反応させて生成した水蒸気を用いて、上部Ｓｉ層３１の露出面を酸化する。
【００２０】
図６の（ａ），（ｂ）は、工程ｄを説明する図である。工程ｄでは、図８に示すマスクＢを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）によりエッチングを行う。図８に示すように、マスクＢには、図４（ｃ１）の領域Ａ１を覆う部分である先端遮蔽領域Ｂ１が形成されている。その先端遮蔽領域Ｂ１には、図示上下方向（上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向）に延在するスリットＳＬ１が形成されている。また、スリットＳＬ２，ＳＬ３は、駆動レバー２３，２４を作製するためのものである。なお、図８に示すマスクＢのＲ２−Ｒ２線より上部領域が、図６（ａ），（ｂ）に示した部分に対応している。
【００２１】
図６（ａ）の破線は、図４（ｃ１）で形成されたウエハ３０上にマスクＢを配置して示したものである。図６（ａ）において、マスクＢで覆われていない部分は、ＩＣＰ−ＲＩＥにより、ＳｉＯ２層３２までエッチングされる。このＩＣＰ−ＲＩＥでは、エッチングはＳｉＯ２層３２で停止するので、観察プローブ１０および可動アーム２０の厚さを均一かつ高精度に形成することができる。
【００２２】
図６（ｂ）はエッチング後のウエハ３０を示したものである。マスクＢのスリットＳＬ１の部分からのエッチングにより、＜１１０＞方向に延在するスリット溝４０が形成される。スリット溝４０の両側面は、ＳｉＮ膜３４の表面に対して垂直になっており、スリット溝４０の深さは、ＳｉＮ膜３４と上部Ｓｉ層３１の厚さの和に相当する。スリット溝４０の両側面は、ナノピンセット１の完成段階で、探針部１２の直交面１２ａと把持部２２の直交面２２ａ（図２参照）となる。
【００２３】
図７は、エッチング前後のウエハ３０の断面を示したものであり、（ａ）は図６のＩＩ−ＩＩ断面図で、（ｂ）は図６のＩ−Ｉ断面図である。マスクＢで覆われていない部分では、窒化珪素（ＳｉＮ）膜３４，酸化膜３５，Ｓｉ層３１がエッチングされている。その結果、エッチングされた部分では、ＳｉＯ２層３２の表面およびＳｉ層３１の側面が露出することになる。
【００２４】
図９は工程ｅを説明する図であり、（ａ）は図６のＩ−Ｉ断面と同様の断面を示す図であり、（ｂ）は図６のＩＩ−ＩＩ断面同様の断面を示す図である。工程ｅでは、工程ｄのエッチングにより露出した上部Ｓｉ層３１の側面に、表面保護のための酸化膜３６を形成する。この酸化処理は、工程（ｃ）と同様の水蒸気酸化である。
【００２５】
図１０は工程ｆを説明する図であり、（ａ）は図９（ａ）と同様のＩ−Ｉ断面図であり、（ｂ）は図９（ｂ）と同様のＩＩ−ＩＩ断面図である。工程ｆでは、Ｃ２Ｆ６を用いたＲＩＥによりＳｉＮ膜３４をエッチング除去する。その結果、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、上部Ｓｉ層３１の上面が露出する。このＲＩＥ処理はマスクを使用しないで行われるが、Ｃ２Ｆ６のガス圧力を高めることによって、ＳｉＮ膜３４を酸化膜３５，３６よりも大きいエッチングレートで除去できるようなエッチング条件に設定し、ＳｉＮ膜３４だけを除去する。そのため、上部Ｓｉ層３１上の酸化膜３５および上部Ｓｉ層３１側面の酸化膜３６はエッチングされずに残ることになる。図１１は処理後のウエハ３０を示す斜視図であり、ドットのハッチングを施した部分が酸化膜３５，３６の部分である。
【００２６】
図１２において、（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ１）は工程ｈを説明する図である。図１２（ａ２）は、図１２（ａ１）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。工程ｇでは、３０％ＫＯＨ水溶液を用いて上部Ｓｉ層３１を異方性エッチングする。この場合、図１０に示すように、上部Ｓｉ層３１は酸化膜３５，３６が形成されていない上面部分のみが露出しているので、上部Ｓｉ層３１はその部分から異方性エッチングされ、斜面１１ｂ、２１ｂ、１２ｂ、２２ｂ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１２ｂ、２２ｂは単結晶Ｓｉの｛１１１｝面になっている。
【００２７】
なお、後述するように、観察プローブ１０および可動アーム２０の共振周波数設定の関係上、観察プローブ１０のレバー１１の厚さを可動アーム２０のレバー２１の厚さよりも厚く形成する場合は、レバー２１の領域以外をレジストで保護して、レバー２１の領域のみを所定厚さになるまで熱酸化あるいはエッチングすればよい。
【００２８】
次いで、図１３（ａ）に示すマスクＣを用いてＩＣＰ−ＲＩＥにより、観察プローブ１０および可動アーム２０の原型が形成されている周辺領域に残存する上部Ｓｉ層３１を、ＳｉＯ２層３２の表面が露出するまで厚さ方向にエッチング除去する。その後、酸化膜３５，３６をエッチング除去する。このマスクＣを用いたエッチングにより、探針部１２および把持部２２の長さを調節することができる。また、端面１２ｅ，２２ｅが探針部１２および把持部２２の延在方向と位置を揃えて垂直になるので、試料Ｓの把持をより一層確実に行うことができる。
【００２９】
図１２（ｂ１）に示す工程ｈでは、図１３（ｂ）に示すマスクＤを用いてＳＯＩウエハ３０の裏面から、下部Ｓｉ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３２の不要部分を除去すればナノピンセット１の形状となる。なお、工程ｈで除去された部分は、図１２（ｂ１）に示すように二点鎖線で示した部分である。なお、図１２で示した部分の処理には、マスクＣ、ＤのＲ３−Ｒ３線より上部領域が対応している。
【００３０】
以上により、支持体２５と一体に観察プローブ１０および可動アーム２０が同一方向に延在するナノピンセット１が完成する。このとき、駆動レバー２３，２４も、観察プローブ１０および可動アーム２０の製造工程中において同様の手法により作製される。
【００３１】
上記の製造工程では、１個のナノピンセット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ウエハから多数のナノピンセット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。
【００３２】
《動作説明》
次に、ナノピンセット１の動作について説明する。本実施の形態のナノピンセット１においては、試料を把持する把持動作と、ＡＦＭ観察の際のプローブとして用いられる観察動作とを行うことができる。
【００３３】
［把持動作］
まず、図３を参照しながら、試料表面上にある試料Ｓを把持する場合を例に説明する。最初に、ナノピンセット１を試料Ｓの位置へと移動する。この際、後述する観察プローブ１０を用いた観察動作により試料Ｓを探す。観察動作により試料Ｓが検出されたならば、探針部１２と把持部２２との間に試料Ｓが位置するように、ナノピンセット１を移動する。
【００３４】
そして、観察プローブ１０による観察動作（タッピング動作）を停止した後に、駆動レバー２３，２４を駆動して可動アーム２０を図のＨ方向に撓ませることにより把持部２２を探針部１２へ接近させ、試料Ｓを把持部２２と探針部１２の間に挟み込む。このとき、可動アーム２０だけが駆動レバー２３，２４により撓み、観察プローブ１０は動かない。
【００３５】
具体的な把持手順は、まず、試料Ｓに観察プローブ１０の探針部１２の直交面１２ａ（図２（ｂ）参照）を接触させる。その後、可動アーム２０を撓ませて把持部２２の直交面２２ａ（図２（ｂ）参照）を試料Ｓに接近させ、直交面２２ａが試料Ｓに適切な押圧力で接触するように可変電源６ａ，６ｂを調節する。その結果、試料Ｓがナノピンセット１により把持される。
【００３６】
直交面１２ａ，２２ａは平行状態で互いに対向するように構成されているので、試料Ｓは平行な面１２ａ，２２により確実に把持される。試料Ｓを把持した後は、３次元ステージを駆動することにより、試料Ｓを３次元的に移動させることができる。また、把持した試料Ｓを解放するときには、電源部６による印加電圧を零にして、把持部２２と探針部１２との間隔を元の距離ｄに戻せばよい。
【００３７】
［観察動作］
次に、観察動作について説明する。本実施の形態のＡＦＭ装置では、（ａ）ナノピンセット１に設けられた観察プローブ１０を用いた第１の観察動作と、（ｂ）ナノピンセット１により別体で形成された観察用プローブをを把持し、その把持したプローブによる第２の観察動作とを行うことができる。
【００３８】
先ず、第１の観察動作について説明する。本実施の形態では、励振部５に設けられた不図示のピエゾ素子を駆動して、観察プローブ１０を図２の矢印Ｖで示す方向（Ｚ方向）に撓み振動させつつナノピンセット１をＸＹ方向に走査し、試料Ｓの表面形状を計測する。この方式は、一般にタッピングモードと呼ばれる。このとき、観察プローブ１０の探針部１２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、Ｚ方向に振動させながら２次元的に試料表面を走査する。
【００３９】
試料表面の凹凸により、探針部１２の先端と試料Ｓとの距離（探針部１２は振動しているので平均距離）が変化すると、試料表面および探針部１２間の相互作用の変化によってレバー１１の振幅が変化する。この振幅の変化量をレーザ光源２と２分割フォトダイオードとを利用した光てこ方式の計測方法により測定する。
【００４０】
光てこ方式の計測方法では、レーザ光源２からのレーザ光Ｌ１をレバー１１の上面に入射させ、レバー１１の上面からの反射光Ｌ２を受光部である２分割フォトダイオード３で受光する。２分割フォトダイオード３は、その受光位置に応じた検出信号を制御演算部４へ送出する。制御演算部４は、２分割フォトダイオード３からの検出信号に基づいてレバー１１の振幅の変化量を算出し、さらに、振幅変化量に基づいて試料Ｓの表面形状を演算する。この表面形状はモニタ７に表示される。
【００４１】
上述したタッピングモードによる観察では、ピエゾ素子で支持体２５全体をＺ方向に振動して観察プローブ１０を共振させる必要がある。そのためには、観察プローブ１０のレバー１１および可動アーム２０のレバー２１の長さや厚さを調整することにより、観察プローブ１０の厚さ方向の振動の共振周波数が可動アーム２０の共振周波数よりも高くなるように設計する。なお、厚さを調整する場合には、共振周波数は厚さの３乗で変化するので、厚さをわずかに変えるだけで共振周波数を変化させることができる。励振部５により観察プローブ１０の共振周波数で支持体２５全体を振動させると、観察プローブ１０のみが共振してＺ方向に振動する。
【００４２】
図１４は、観察プローブ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１４において、Ｖ１は観察プローブ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、観察プローブ１０は共振して振幅のピークが発生する。この周波数ｆ１が観察プローブ１０の共振周波数である。
【００４３】
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は観察プローブ１０の振幅に比べてはるかに小さい値となる。このように、観察プローブ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１１、２１の幅を設定することにより、観察プローブ１０のみを振動させることができる。
【００４４】
別体の探針を把持して行う第２の観察動作について説明する。上述した第１の観察動作では、観察プローブ１０に形成された断面が三角柱形状の探針部１２を用いて観察を行った。観察に用いる探針は、微少であればある程、より細かな微細構造を測定することができる。例えば、従来技術のように針状のＣＮＴをプローブに用いることで、微少構造の測定が可能となる。別体の探針としては、ＣＮＴの他にＤＮＡ、ＤＮＡ束、微小管、アクチン等を用いることができる。以下では、別体の探針としてＣＮＴを使用し、ＣＮＴによりＡＦＭ観察を行う場合を例に説明する。
【００４５】
図１５は、プローブとして用いるＣＮＴ４０１を示す図であり、複数のＣＮＴ４０１が形成されたＣＮＴカートリッジ４００を模式的に示したものである。ＣＮＴカートリッジ４００は、複数のＣＮＴ４０１が半導体基板４０２上に形成されたものであり、形成方法の詳しい内容は文献（Y.Takei、K.Hoshino、K.Matsumoto、I.Shimoyama、「Control the CNT growing by applying electric field」、Proceedings of the 22nd Sensor Symposium，2005.pp.65〜68）に記載されている。ＣＮＴ４０１は、基板４０２の階段状部分４０２ａに橋渡しされるような形状で形成されている。ＡＦＭ装置にはこのＣＮＴカートリッジ４００が搭載されている。
【００４６】
まず、図１６（ａ）に示すように、搭載されたＣＮＴカートリッジ４００までナノピンセット１を粗動移動させ、ＣＮＴ４０１の一端が接している基板領域ＲをＡＦＭ観察し、ＣＮＴ４０１の位置を検出する。ＣＮＴ４０１の位置が検出されたならば、図１６（ｂ）に示すように、ナノピンセット１によるＣＮＴ４０１の把持動作を行う。すなわち、可動アーム２０を開いて、ＣＮＴ４０１が探針部１２と把持部２２との間に入るようにナノピンセット１を移動し、図１６（ｂ）の状態から可動アーム２０を閉じて、ＣＮＴ４０１を把持する。把持した状態でナノピンセット１を移動させることにより、ＣＮＴ４０１がＣＮＴカートリッジ４００から分離される。
【００４７】
ＣＮＴ４０１を把持したならば、図１の反転駆動機構９を用いて図１７（ａ）に示すようにナノピンセット１を１８０度反転し、ＣＮＴ４０１の先端が下方（試料方向）を向くようにする。反転した状態で、ナノピンセット１を試料面まで移動し、その後、把持状態にあるナノピンセット１全体を励振部５により振動させる。この場合、観察プローブ１０および可動アーム２０がほぼ一体で振動する共振周波数を求め、その周波数でナノピンセット１を振動させるようにする。
【００４８】
このように、探針として機能するＣＮＴ４０１を振動させながら試料Ｓ上を走査することにより、ＡＦＭ観察を行うことができる（図１７（ｂ））。この場合、反転されたレバー１１または２１の上面側（本来の裏面側）にレーザ光Ｌ１を照射し、その反射光Ｌ２を２分割フォトダイオード３（図１参照）で検出することにより、レバー１１，２１の振幅変化量を検出し、表面形状を測定する。
【００４９】
本実施の形態では、別体で備えられたプローブであるＣＮＴ４０１をナノピンセット１で把持し、把持したＣＮＴでＡＦＭ観察をできるような構成とした。その結果、より微細な構造がＡＦＭ観察可能となるだけでなく、別体の探針（ＣＮＴ４０１）が破損した場合でも、容易に探針の交換ができる。従来の場合、探針部に形成されたＣＮＴプローブが破損したときには、ＣＮＴプローブが形成されたカンチレバー全体を交換する必要があり交換時間がかかっていたが、本実施の形態によれば、交換時間の短縮を図ることができるとともに、交換コストの低減を図ることができる。
【００５０】
また、ナノピンセット１自体も観察プローブ１０を備えていて、ＣＮＴ４０１の位置を正確に測定することができるため、ナノピンセット１のＣＮＴ把持位置への移動を正確に素早く行うことができる。さらに、ナノピンセット１を反転する反転駆動機構９を備えているので、試料面に対するＣＮＴ４０１の姿勢をより適切に設定することができる。
【００５１】
−第２の実施の形態−
図１８は、本発明による走査型プローブ顕微鏡装置の第２の実施の形態を示す図であり、ＡＦＭ装置のブロック図である。なお、図１に示した装置と同一部分には同一の符号を付した。すなわち、１は、観察プローブ１０と可動アーム２０を有するナノピンセットであり、ナノピンセット１は３次元ステージ８により３次元方向に並進移動させられるとともに、反転駆動機構９により反転駆動される。
【００５２】
本実施の形態では、励振部５の駆動機構には図１９に示すような櫛歯駆動機構５０が採用され、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスを検出することにより探針と試料との距離を求めるようにした。そのため、図１に示した光てこ方式の検出手段を構成するレーザ光源２および２分割フォトダイオード３は省略されている。
【００５３】
図１９は励振部５を説明するブロック図である。励振部５は、櫛歯駆動機構５０、直流電源５１、交流電源５２およびアドミッタンス検出器５３を備えている。交流電源５２と直流電源５１とは直列に接続され、交流電源５２が櫛歯駆動機構５０に電気的に接続されている。アドミッタンス検出器５３は、交流電源５２と櫛歯駆動機構５０を含む電気回路に接続されるとともに、制御演算部４にも接続されている。
【００５４】
櫛歯駆動機構５０は静止部５００および可動部５０１を備えており、可動部５０１は静止部５００に設けられた支持部５００ａにより弾性支持されている。可動部５０１の端部（下端部）はナノピンセット１に接続されている。静止部５００および可動部５０１の対向部には、櫛歯状凹凸部５０２，５０３が形成されている。静止部５００側に形成された櫛歯状凹凸部５０２と可動部５０１側に形成された櫛歯状凹凸部５０３とは、隙間を介して噛合している。櫛歯状凹凸部５０２，５０３の一方に、直流電圧に交流電圧が重畳された電圧を印加することにより、静電力によって可動部５０１を上下に駆動することができる。
【００５５】
アドミッタンス検出器５３は、交流電圧が加えられている櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスを検出し、検出データを制御演算部４へ送出する。制御演算部４はアドミッタンス検出値から外力の大きさあるいは外力を及ぼす物体との距離を演算し、その演算結果をモニタ７に表示させる。ＡＦＭ観察時には探針と試料との間に働く原子間力を検出することにより表面形状の測定を行うが、この原子間力は探針と試料との距離に依存する物理量であり、原子間力を櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスとして検出することができる。
【００５６】
《アドミッタンスを用いた測定方法についての説明》
次に、アドミッタンスを用いた測定方法の概略について説明する。図２０は、平行平板型アクチュエータモデルにおける電気・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する。ここでは、外力ｆ、励起電圧ｅが小さく、変位量、電荷量の変動も小さいとしてモデル化した。
【００５７】
Ｍは電気系と機械系の結合係数であり、平行平板型アクチュエータ部にガウスの定理を適用することにより、Ｍ＝Ｅ０Ｃ０／ε０Ｓと表される。ここで、Ｅ０直流バイアス電圧、Ｃ０は初期状態のコンデンサ容量、ε０真空の誘電率、Ｓは平行平板の電極面積である。図２０に示す電気系の式と機械系の式において、Ｒ、ｉ、ｖ、ＣＳは、それぞれ平行平板型アクチュエータの抵抗、電流、振動速度、浮遊容量であり、ｍ、ｋ、ｒｆは、それぞれ平行平板型アクチュエータの等価質量、バネ定数、機械系の摩擦抵抗（機械抵抗）である。
【００５８】
上述した櫛歯型アクチュエータにこの平行平板型アクチュエータモデルを適用すると、線形近似基本方程式は式（１），（２）のように表される。
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２の振動速度であり、ｆ１、ｍ、ｋ、ｒｆは、それぞれ櫛歯駆動機構５０に作用する外力、等価質量、バネ定数、機械系の摩擦抵抗（機械抵抗）である。また、Ｅ０は櫛歯駆動機構５０に加わる直流バイアス電圧、Ｃ０は初期状態の櫛歯状凹凸部のコンデンサ容量、ＣＳは電極パッド等の浮遊容量、Ｘ０は初期状態の櫛歯間距離である。
【００５９】
式（１），（２）より、外力が零の場合、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と角周波数ωの関係は最終的に式（３）のように表すことができる。ここで、Ａ＝Ｅ０Ｃ０／Ｘ０と置いた。
【数１】
【００６０】
図２１は、この実施の形態による櫛歯型プローブのアドミッタンスの角周波数依存性を表すグラフであり、（ａ）はグラフ全体を示し、（ｂ）は（ａ）の円内を拡大して示したものである。曲線ｙ１は式（３）の｜Ｙ｜を示すアドミッタンス曲線であり、アドミッタンス曲線ｙ１は電気・機械結合系の特性曲線になっている。一方、アドミッタンス曲線ｙ２は機械系がない電気系のみの場合の特性曲線であり、｜Ｙ｜＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）で表される。
【００６１】
すなわち、アドミッタンス曲線ｙ２は、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）
式（４）を満たす角周波数ω、すなわち、アドミッタンス曲線ｙ１およびｙ２の交点における角周波数を、ここでは発振角周波数ω１と呼ぶことにする。この発振角周波数ω１は共振角周波数ω０に近い値であり、発振角周波数ω１で櫛歯駆動機構５０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て電気系のみのアドミッタンス計測が可能となる。
【００６２】
なお、共振角周波数ω０はアドミッタンス曲線ｙ１のピーク位置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ｙ１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との関係は次式（５）のように表される。発振角周波数ω１、ピーク角周波数ωｐおよびボトム角周波数ωｂとの間には、２／ω１＝１／ωｐ＋１／ωｂという関係がある。
【数２】
【００６３】
発振角周波数ω１で櫛歯駆動機構５０を駆動しているときに、櫛歯駆動機構５０にナノピンセット１を介して外力が作用すると、図２１（ｂ）に示すように、外力が無い場合のアドミッタンス曲線ｙ１から外力が作用した場合のアドミッタンス曲線ｙ３へと変化する。その結果、発振角周波数ω１におけるアドミッタンスはΔＹだけ変化する。このときの可動部５０１の変位量は、後述するようにアドミッタンス変化の検出値から算出される。従来は、共振角周波数ω０において角周波数のシフト量Δωを検出していたが、上述したように発振角周波数ω１（またはその近傍）においてアドミッタンス変化ΔＹを検出することにより、より高感度な測定が可能となる。
【００６４】
なお、櫛歯駆動機構５０に作用する外力の変化は、櫛歯駆動機構５０のバネ定数ｋが僅かに変化してバネ定数（ｋ＋Δｋ）となったときのアドミッタンスの変化ΔＹとして求められる。すなわち、式（３）から導かれる近似式により、発振角周波数ω１でのアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜とアドミッタンスの変化ΔＹは、それぞれ式（６）、式（７）で表される。
｜Ｙ｜＝ω１（Ｃ０＋ＣＳ） （６）
ΔＹ＝Ａ２Δｋ／ω１ｒｆ２ （７）
【００６５】
したがって、アドミッタンスの変化ΔＹを検出することによりバネ定数の変化Δｋが求まり、その結果、櫛歯駆動機構５０に作用する外力の大きさあるいは可動部５０１の変位量を求めることができる。
【００６６】
また、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスから、プローブとして機能しているナノピンセット１の変位量を直接的に求めることも可能である。ここで変位量をｘ１とすると、櫛歯型のアクチュエータの線形近似基本方程式である式（１），（２）において、正弦波駆動の場合はν１＝ｊωｘ１と書けるので、式（１）は次式（８）のように変形できる。
ｉ１／ｅ１＝ｊω［Ｃ０｛１＋（ｘ１／Ｘ０）（Ｅ０／ｅ１）｝＋ＣＳ］ （８）
【００６７】
さらに、式（８）を用いることにより、アドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜は次式（９）のようになる。
｜Ｙ１｜＝｜ｉ１／ｅ１｜
＝ω［Ｃ０｛１＋（ｘ１／Ｘ０）（Ｅ０／ｅ１）｝＋ＣＳ］ （９）
式（９）から変位量ｘ１は式（１０）のように表せる。
ｘ１＝｛（｜Ｙ１｜−ωＣＳ）／ωＣ０−１｝（ｅ１／Ｅ０）Ｘ０ （１０）
【００６８】
前述したように、Ａ＝Ｅ０Ｃ０／Ｘ０であるから、式（１０）を変形して式（１１）を得る。なお、複数の櫛歯を有するアクチュエータでは、Ａは、Ａ＝ｎｂＥ０／ｄと書ける。ここで、ｎは櫛歯駆動機構５０の櫛歯の数、ｂは櫛歯の厚さ、ｄは対向する櫛歯間のギャップである。
ｘ１＝｛（｜Ｙ１｜−ωＣＳ）／ωＣ０−１｝（Ｃ０ｅ１／Ａ） （１１）
ここで、Ｙ０＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）とおけば、式（１１）を変形して式（１２）を得る。
ｘ１＝｛（｜Ｙ１｜−｜Ｙ０｜）／ωＣ０｝（Ｃ０ｅ１／Ａ）
＝ΔＹ／ω（ｅ１／Ａ） （１２）
【００６９】
以上の変位量算出手順をまとめると以下のようになる。
(a)櫛歯駆動機構５０に振動を与え、その共振角周波数ω０を測定する。
(b)共振角周波数ω０に近い機械系の特性がキャンセルされる発振角周波数ω１で櫛歯駆動機構５０を振動させて、可動部５０１に加わる外力が零のときの基準アドミッタンス値｜Ｙ０｜を検出する。
(c)角周波数ωを発振角周波数ω１に定めて櫛歯駆動機構５０に振動を与え、可動部５０１に外力が加わったときのアドミッタンス値｜Ｙ１｜を検出する。
(d)アドミッタンスの変化ΔＹ（＝｜Ｙ１｜−｜Ｙ０｜）から、可動部５０１の外力による変位量を算出する。
【００７０】
ここで、アドミッタンス検出器を用いたアドミッタンス｜Ｙ｜の検出について具体的に説明する。図２２は、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンス検出から信号処理までの装置構成の概略を示すブロック図である。アドミッタンスを検出するＬＣＲメータ３００は、ロックインアンプ３０１と、電流測定用回路３０２と、電圧測定用回路３０３とを有する。
【００７１】
櫛歯駆動機構５０には交流電圧が加えられており、電流測定用回路３０２により櫛歯駆動機構５０の電流の絶対値と位相が測定され、電圧測定用回路３０３により櫛歯駆動機構５０の電圧の絶対値と位相が測定される。これら２つの物理量の絶対値と位相からアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と位相をロックインアンプ３０１で演算する。ＬＣＲメータ３００からアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜に比例する電圧ＶＹを出力し、比較器３０４で電圧ＶＹを基準電圧と比較する。基準電圧とは、発振角周波数ω１におけるアドミッタンスに対応する電圧である。
【００７２】
電圧ＶＹと基準電圧との偏差分は、電圧ブースター３０５で増幅されて電圧信号ΔＶとなり、ピエゾアクチュエータ３０６へフィードバックされる。ピエゾアクチュエータ３０６は櫛歯駆動機構５０全体をＺ軸方向（試料に垂直方向）に微少駆動するアクチュエータである。そして、このピエゾアクチュエータ３０６の駆動量が可動部５０１の変位量に対応する。
【００７３】
上述したように、本実施の形態では励振部５に櫛歯駆動機構５０が採用し、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスを検出することにより探針と試料との距離を求めるようにした。アドミッタンス検出法では、従来の共振角周波数測定の場合よりもバネ定数の変化Δｋに対する変化率が大きいので、可動部５０１の変位を高精度で測定できる。特に、共振角周波数が低くても高い感度が得られるので、マイクロマシン分野に最適である。
【００７４】
−第３の実施形態−
上述した第１および第２の実施の形態では、駆動電圧を印加しない場合にナノピンセット１が開状態となるノーマリーオープンタイプのナノピンセットについて説明した。一方、本実施の形態では、駆動電圧を印加しない場合にナノピンセット１が閉状態となるノーマリークローズタイプのナノピンセットについて説明する。なお、検出方法は光てこ方式でも良いし、アドミッタンス検出方式でも良い。
【００７５】
図２３は第３の実施形態におけるナノピンセット１を説明する図であり、（ａ）はナノピンセット１の試料面側を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はナノピンセット１の先端部Ｒの構造を説明する拡大図である。支持体２５にはアーム２０１，２０２が形成されている。２０３，２０４は、アーム２０１，２０２を図の矢印方向に開閉駆動する駆動部である。駆動部２０３，２０４はジュール熱によって膨張動作を行う熱膨張アクチェータであり、電源２０９からの電力によって動作する。２０５，２０６は駆動部２０３，２０４の電極であり、電源２０９が接続されている。なお、電源２０９は図１において電源６と示されたものであるが、ここでは符号を変えて表示した。
【００７６】
アーム２０１、２０２の先端部Ｒの構造としては、図２３（ｂ）に示すような構造としても良いし、図２３（ｃ）に示すような構造としても良い。なお、図２３（ｂ），（ｃ）では、先端部の構造が分かりやすいように、アームが開いた状態で図示してある。図２３（ｂ）では、上述した第１の実施形態のナノピンセットと同様の構造を有しており、直角三角形の断面形状を有する把持部２０１ａ，２０２ａが形成されている。一方、図２３（ｃ）に示すナノピンセットでは、アーム２０１，２０２の試料側平面上に角錐形状の突部２０１ｂ，２０２ｂが形成されている。
【００７７】
図２４はアーム２０１，２０２による試料Ｓの把持動作を説明する図である。電源２０９がオフ状態では、図２３（ａ）に示すようにアーム２０１，２０２は閉じている。本実施の形態では、駆動部２０３，２０４のシリコン層にはボロンがドーピングされていて、電源２０９がオフの状態では、図２０の上下方向の矢印で示すように駆動部２０３，２０４が収縮する方向に応力が働いている。
【００７８】
試料Ｓの把持を行う場合には、ナノピンセット１を閉じた状態で試料Ｓの近傍まで移動する。次に、電源２０９をオンして電極２０５，２０６に電圧を印加すると、電極２０５→駆動部２０３→アーム２０１→アーム２０２→駆動部２０４→電極２０６のように電流が流れる。断面積が小さくなっている駆動部２０３，２０４ではジュール熱の発生が大きく、駆動部２０３，２０４は図２４（ａ）の矢印方向（図示上下方向）に熱膨張する。その結果、アーム２０１は右方向に、アーム２０２は左方向にそれぞれ移動し、アーム２０１，２０２が開いた状態となる。
【００７９】
図２４（ａ）のようにアーム２０１，２０２が開状態となったならば、アーム２０１，２０２間に試料Ｓが位置するようにナノピンセット１を移動する。ところで、アーム２０１，２０２が開状態となると、アーム２０１とアーム２０２との接触が解除され電流が流れなくなる。その結果、駆動部２０３，２０４の温度が降下し、膨張していた駆動部２０３，２０４が元の状態に戻ろうとする。温度降下とともにアーム２０１，２０２は閉じる方向に移動し、図２４（ｂ）に示すように試料Ｓを把持することになる。そして、駆動部２０３，２０４が収縮しようとする応力によって、試料Ｓを把持する把持力が発生する。なお、アーム２０１，２０２が開状態となったならば電源２０９をオフし、電源オフ状態で試料Ｓを把持する。
【００８０】
また、ナノピンセット１をＡＦＭ観察に用いる場合には、電源２０９をオフにして図２３（ａ）のようにアームを閉じた状態とし、支持体２５をＡＦＭ装置の励振部５により振動させる。レーザ光はアーム２０１，２０２のいずれに照射しても良い。この場合、アーム２０１，２０２の先端部分、すなわち、図２３（ａ）に示した把持部２０１ａ，２０２ａの先端や、図２３（ｂ）に示した突部２０１ｂ，２０２ｂの先端が探針として機能する。
【００８１】
ナノピンセット１の製造工程については、ボロンをドーピングする工程やボロンドーピングされた駆動部２０３，２０４をアニールして応力を発生させる工程が加わる他は、第１と同様の製造方法が適用される。駆動部２０３，２０４は、第１の実施の形態と同様にＳＯＩウエハの上部Ｓｉ層３１（図１参照）から形成される。
【００８２】
そこで、用意されたＳＯＩウエハの上部Ｓｉ層３１上にマスクパターンを形成し、駆動部２０３，２０４が形成される領域にボロンのドーピングを行う。具体的には、イオン注入装置を用いて駆動部領域にボロンイオンをイオン注入する。その後、第１の実施の形態と同様の製造方法により、ナノピンセット１を構成する支持部２５、アーム２０１，２０２、駆動部２０３，２０４等を形成する。ＳＯＩウエハ上にナノピンセット１が形成されたならば、エッチングによりＳＯＩウエハからナノピンセット１を分離し、熱処理を施すことにより駆動部２０３，２０４のアニーリングを行う。
【００８３】
図２５の（ａ）はＳＯＩウエハから分離されたナノピンセット１を示したものであり、この段階ではアーム２０１，２０２は開いた状態となっている。すなわち、アーム２０１，２０２をエッチングにより形成する際には、開いた状態の形状にエッチングする。その後、アニーリングすることによって、注入されたボロンがＳｉの格子サイトに置換される。ボロンの原子半径はＳｉに比べて小さいので、ボロンを格子サイトに置換すると圧縮方向に応力が働く。その結果、熱処理後は、図２５（ｂ）に示すように駆動部２０３，２０４が収縮してアーム２０１，２０２の先端が閉じた状態となる。なお、駆動部２０３，２０４のボロンドーピングは、ナノピンセット１の構造をエッチングした後にレジストでマスクをかけて行っても良い。
【００８４】
図２４に示すナノピンセットでは、駆動部２０３，２０４に電流を流して駆動部２０３，２０４を熱膨張させてアーム２０１，２０２を開いたが、ボロンがドープされた駆動部２０３，２０４とは別に、アーム２０１，２０２を開方向に駆動する駆動機構をさらに設けるようにしても良い。この場合、駆動部２０３，２０４はアーム２０１，２０２に閉方向の付勢力を与える付勢機構としてのみ機能する。また、アーム２０１，２０２の一方のみを開閉動作させるようにしても良い。
【００８５】
一方、図２４に示したナノピンセットは、駆動部２０３，２０４が付勢機構と駆動機構とを兼ねている。駆動機構としては、熱膨張を利用した熱アクチェータでも良いし、静電力を利用した静電アクチュエータ等でも良い。また、付勢機構と駆動機構とを別構成とした場合、アニーリングを行う前のアーム２０１，２０２の間隔をゼロと見なせるくらい狭くしても、駆動機構によりアーム２０１，２０２を開状態とすることが可能である。
【００８６】
ところで、前述したようにＣＮＴ４０１をナノピンセット１で把持してＡＦＭ観察を行う場合、ナノピンセット１をクローズ状態に保持する必要がある。第３の実施の形態のようにノーマリークローズタイプのナノピンセットの場合、電源オフ状態で試料をアーム２０１，２０２間に把持することができる。そのため、第１，２の実施の形態に示したノーマリーオープンタイプのナノピンセットに比べて電力消費を低減することができる。
【００８７】
なお、上述した第１の実施の形態では、観察プローブを備えたナノピンセットを例に説明したが、単に把持のみが可能なナノピンセットに対しても本発明を適用することができる。その場合、ＣＮＴ４０１の位置までナノピンセットを移動する際にＡＦＭ観察を行うことができないので、予め設定した移動量だけ粗動移動させた後に、例えば、ＳＥＭ等により観察しながら位置の微調整を行うようにしても良い。
【００８８】
また、ＣＮＴ４０１でＡＭＦ観察を行う場合、ＣＮＴ４０１が試料表面に対して垂直となるのが好ましい。そこで、図１７に示すように先端が下がるように配置されたナノピンセット１のナノピンセット１の上下傾き角度を調整する機構を設けて、把持したＣＮＴ４０１が試料表面に対して垂直となるように調整できるようにしても良い。例えば、圧電素子等を用いてナノピンセット１の先端と基部の高さを変え、傾きを調節する。
【００８９】
ところで、第１の実施の形態においては、ＣＮＴ４０１をナノピンセット１で把持した後に、試料面に対するＣＮＴ４０１の角度が適切になるようにナノピンセット１を反転駆動機構９により反転させた。しかしながら、ナノピンセット１に対するＣＮＴカートリッジ４００の配設姿勢を、例えば図２６に示すような状態とすることにより、ＣＮＴ４０１をほぼ垂直状態で把持することができ、反転駆動機構９が不要となる。
【００９０】
上述した第１〜第３の実施の形態は、次のような作用効果を奏する。
（ａ）ナノピンセット１によりＣＮＴ４０１等の別体の探針を把持し、その探針を用いて試料表面観察を行うようにしたので、探針が破損した場合でも探針を交換するだけで良く、交換作業の短縮および交換コストの低減を図ることができる。
（ｂ）探針として非常に細いＣＮＴを用いることにより、試料のより微細な構造まで観察することが可能となる。
（ｃ）探針の試料表面に対する姿勢を調整するための調整機構（反転機構等）を設けたことにより、試料表面に対する探針の角度をより適切に設定することができる。
（ｄ）ノーマリークローズタイプのナノピンセット１を用いることにより、観察中に把持用電圧を印加しなくても探針を一定の把持力で把持することができるとともに、電力消費の低減を図ることができる。
（ｅ）ナノピンセット１にもＡＦＭ観察用の探針部１２が形成され、ナノピンセット単体でもＡＦＭ観察が行えるような構成としているので、別体の探針（ＣＮＴ４０１）に対して観察プローブ１０および可動アーム２０を正確に位置決めすることができ、ナノピンセット１によるＣＮＴ４０１の確実な把持を行うことができる。
【００９１】
上述した実施の形態では、シリコン基板を加工してナノピンセットを形成したが、このような形成方法に限らず、種々の形成方法により形成したナノピンセットも本発明のナノピンセット装置に適用できる。ナノピンセットの開閉駆動機構に関しては、熱アクチュエータに限らず、静電アクチュエータなどの種々のものが適用できる。さらに、検出方法に関しても光てこ方式やアドミッタンス検出方式に限らず、種々の方法が可能である。
【００９２】
また、別体の探針をナノピンセットで把持してＡＦＭ観察を行うので、把持性を高めるために、探針の被把持部分の形状を角柱状にして把持しやすい形状にしたり、滑りにくい形状としたりしても良い。加えて、ナノピンセットの把持部形状を単に平行面とするだけでなく、例えば、探針に応じた形状とする等して把持しやすいようにしても良い。
【００９３】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、観察プローブ１０および可動アーム２０は一対のアームを、駆動レバー２３，２４は開閉駆動機構を、励振部５は振動手段を、レーザ光源２と２分割フォトダイオード３および第２実施形態におけるアドミッタンス検出器５３は検出手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】ナノピンセット１の主要部を示す図であり、（ａ）は観察プローブ１０と可動アーム２０とを示し、（ｂ）は観察プローブ１０の探針部を示す。
【図３】観察プローブ１０，可動アーム２０，駆動レバー２３，２４および電源部６の拡大図である。
【図４】（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５】マスクＡを示す平面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、工程ｄを説明する図である。
【図７】工程ｄにおけるエッチング前後のウエハ３０の断面を示したものであり、（ａ）は図６のＩＩ−ＩＩ断面図で、（ｂ）は図６のＩ−Ｉ断面図である。
【図８】マスクＢを示す平面図である。
【図９】工程ｅを説明する図であり、（ａ）はＩ−Ｉ断面図、（ｂ）はＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１０】工程ｆを説明する図であり、（ａ）はＩ−Ｉ断面図、（ｂ）はＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１１】工程ｆの処理後のウエハ３０を示す斜視図である。
【図１２】（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ１）は工程ｈを説明する図である。
【図１３】（ａ）はマスクＣの平面図、（ｂ）はマスクＤの平面図である。
【図１４】観察プローブの共振周波数を説明する図である。
【図１５】複数のＣＮＴ４０１が形成されたＣＮＴカートリッジ４００の模式図である。
【図１６】（ａ）はＣＮＴ４０１を検出する工程を説明する図であり、（ｂ）は把持工程を説明する図である。
【図１７】（ａ）ナノピンセット１の反転工程を説明する図であり、（ｂ）はＡＭＦ観察工程を示す図である。
【図１８】走査型プローブ顕微鏡装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図１９】励振部５を説明するブロック図である。
【図２０】電気・機械結合系の等価回路を示す図である。
【図２１】（ａ）はアドミッタンス曲線を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の破線で囲まれた部分の拡大図である。
【図２２】アドミッタンス検出から信号処理までを説明するブロック図である。
【図２３】第３の実施形態を説明する図であり、（ａ）はナノピンセット１の試料面側を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はナノピンセット１の先端部Ｒの構造を説明する拡大図である。
【図２４】アーム２０１，２０２による試料Ｓの把持動作を説明する図であり、（ａ）は開状態、（ｂ）は閉状態を示す。
【図２５】（ａ）はＳＯＩウエハから分離されたナノピンセット１を示す図であり、（ｂ）はアニール処理後のナノピンセット１を示す図である。
【図２６】装置内におけるＣＮＴカートリッジ４００の配設姿勢を説明する図である。
【符号の説明】
【００９５】
１：ナノピンセット ２：レーザ光源 ３：２分割フォトダイオード
４：制御演算部 ５：励振部 ６，２０９：電源部
８：３次元ステージ ９：反転駆動機構 １０：観察プローブ
１２：探針部 ２０：可動アーム ２２：把持部
２３，２４：駆動レバー ５０：櫛歯駆動機構 ５３：アドミッタンス検出器
１００：ＡＦＭ装置 ２０１，２０２：アーム ２０３，２０４：駆動部
４００：ＣＮＴカートリッジ ４０１：ＣＮＴ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針をナノピンセットで把持して試料観察を行う走査型プローブ顕微鏡装置、ナノピンセット装置および試料表面形状観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、探針先端部分にカーボンナノチューブ（以下では、ＣＮＴと記載する）を備えた走査型プローブ顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−４６１９号公報
【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、ＣＮＴが一体で形成されたカンチレバーでは、作業中にＣＮＴが破損して使用不能になった場合、ＣＮＴが形成されているカンチレバー全体を交換する必要がある。そのため、交換作業に時間を要し、走査型プローブ顕微鏡による観察作業の効率低下が問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明による走査型プローブ顕微鏡装置は、開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットと、ナノピンセットに把持される探針と、探針を把持したナノピンセットを所定周波数で振動させる振動手段と、試料表面との作用に基づくアームの振動の変化を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算する演算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に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、探針としてカーボンナノチューブを用いたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、ナノピンセットに把持された探針の試料表面に対する姿勢を変更する姿勢変更手段を設けたものである。
請求項４の発明は、請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、姿勢変更手段が、ナノピンセットを１８０度回転させて上下反転させる反転機構であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、ナノピンセットは、駆動電圧非印加時が閉状態で、駆動電圧を印加することにより開状態となるように構成されていることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、一対のアームのいずれか一方には探針部が一体に形成されており、振動手段によって探針部が形成されたアームの共振周波数でナノピンセットを振動させて、探針部により試料表面形状の観察を行うようにしたものである。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、探針の被把持部またはナノピンセットの把持部に探針把持性向上部を設けたものである。
請求項８の発明によるナノピンセット装置は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置を構成するナノピンセットと、振動手段と、検出手段とを備えることを特徴とする。
請求項９の発明による試料表面形状観察方法は、開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットで探針を把持し、探針を把持したナノピンセットを所定周波数で振動させ、試料表面との作用に基づくアームの振動の変化を検出し、検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算し、その演算結果を可視化することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ナノピンセットにより探針を把持し、その探針を用いて試料表面観察を行うようにしたので、探針が破損した場合でも探針を交換するだけで良く、交換作業の短縮および交換コストの低減を図ることができる。
【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は本発明による走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）装置の第１の実施の形態を示す図であり、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。ＡＦＭ装置１００は、ナノピンセット１と、レーザ光源２と、２分割フォトダイオード３と、制御演算部４と、励振部５と、電源部６と、３次元ステージ８と、反転駆動機構９と、ＣＮＴカートリッジ４００とを備えている。また、ＡＦＭ装置１００において、ナノピンセット１、レーザ光源２、２分割フォトダイオード３、励振部５、電源部６および反転駆動機構９はナノピンセット装置を構成している。ナノピンセット１は、支持体２５に一体に形成された観察プローブ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。
【０００８】
観察プローブ１０は、図のＸ方向に延在するレバー１１と、レバー１１の先端からＸ方向に延在する探針部１２とを有している。観察プローブ１０と並設されている可動アーム２０は、Ｘ方向に延在するレバー２１とレバー２１の先端からＸ方向に延在する把持部２２とを有している。ほぼ平行に延在する探針部１２と把持部２２とは、距離ｄを隔てて設けられている。支持体２５と一体に設けられている駆動レバー２３，２４は、可動アーム２０を駆動するための熱アクチュエータとして機能するものである。駆動レバー２３，２４は、それぞれの端部が可動アーム２０に接続されてリンク機構を形成している。駆動レバー２３，２４には、電源部６から電力が供給される。
【０００９】
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。なお、図１では、支持体２５の一部のみが図示されている。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、ナノピンセット１全体を３次元方向に移動させることができる。また、ナノピンセット１は反転駆動機構９により１８０度反転される。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。
【００１０】
２分割フォトダイオード３からの検出信号は、制御演算部４に入力される。制御演算部４は、検出信号に基づいて観察プローブ１０の振幅を算出し、試料Ｓの表面形状を演算する。その演算結果はモニタ７に表示される。励振部５は、ナノピンセット１全体を振動させて観察プローブ１０を共振させるためのピエゾ素子（不図示）と、その駆動回路とを備えている。また、制御演算部４は、励振部５、電源部６、３次元ステージ８および反転駆動機構９を制御する。
【００１１】
図２は、図１のＡＦＭ装置１００に設けられたナノピンセット１の主要部を示す図であり、（ａ）は観察プローブ１０と可動アーム２０とを示し、（ｂ）は観察プローブ１０の探針部１２を示している。観察プローブ１０のレバー１１および可動アーム２０のレバー２１はＹＺ断面の形状が矩形となっており、後述する共振周波数は各々のＸ方向長さとＺ方向厚さに依存する。また、観察プローブ１０の探針部１２と可動アーム２０の把持部２２は、Ｘ方向の長さ、Ｙ方向の幅、Ｚ方向の高さのすべてが等しく設定されている。探針部１２および把持部２２は、−Ｚ方向に先細りとなったウエッジ型形状をしており、それぞれのＹＺ断面の形状は直角三角形になっている。
【００１２】
距離ｄを隔てて配置された探針部１２および把持部２２の断面形状は、Ｚ軸に関して対称となっている。探針部１２および把持部２２の対向する面（以下では、直交面と呼ぶ）１２ａ，２２ａは、互いに平行となっている。探針部１２の直交面１２ａと斜面１２ｂが交わる稜線１２ｃと、把持部２２の直交面２２ａと斜面２２ｂが交わる稜線２２ｃとは、それぞれＸ軸に対して平行に延在しており、これらは試料Ｓに近接または接触する先鋭部（刃先）として機能する部分である。
【００１３】
本実施の形態のナノピンセット１においては、従来の試料把持および運搬に加えて、試料のＡＦＭ観察を行うことができる。試料を把持する際には、静止している観察プローブ１０に対して可動アーム２０を開閉駆動する。その際、駆動レバー２３，２４が可動アーム２０を開閉させる熱アクチュエータとして機能する。また、ＡＭＦ観察を行う場合には、観察プローブ１０を用いた観察、および、把持したＣＮＴプローブを用いた観察のいずれかを採用することができる。
【００１４】
図３は、駆動レバー２３，２４を説明する図であり、図１に示した観察プローブ１０，可動アーム２０，駆動レバー２３，２４および電源部６の部分を拡大して示したものである。熱アクチュエータは駆動レバー２３，２４と電源部６とで構成され、駆動レバー２３の梁部２３ａと駆動レバー２４の梁部２４ａとが可動アーム２０にそれぞれ接続されている。梁部２３ａ，２４ａのＺ方向の厚さは同一であるが、梁部２４ａのＸ方向の幅は梁部２３ａのそれよりも狭く設定されている。電源部６は直列に接続された２つの可変電源６ａ，６ｂを有し、可変電源６ａの負極は駆動レバー２３に、可変電源６ｂの正極は駆動レバー２４に接続されている。可変電源６ａと可変電源６ｂとの接続点、および可動アーム２０は接地電位とされている。
【００１５】
《製造方法》
次に、図１，２に示したナノピンセットの製造方法について説明する。ナノピンセット１は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。ＳＯＩウエハは、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ２層を形成し、そのＳｉＯ２層を挟むように貼り合わせたものである。図１に示されるように、支持体２５は、ＳＯＩウエハを構成する上部Ｓｉ層３１、ＳｉＯ２層３２および下部Ｓｉ層３３で形成されている。また、観察プローブ１０、可動アーム２０および駆動レバー２３，２４は、電源部６を接続するための電極などを除くと上部Ｓｉ層３１で形成されている。本実施の形態では、各層３１，３２，３３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。
【００１６】
図４〜１３は、本実施の形態のナノピンセット１の製造工程を示す図であり、工程ａからｈまで順に処理される。図４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（００１）となるように構成されている。
【００１７】
図４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Ｉ−Ｉ断面図である。工程ｂでは、図５に示すマスクＡを用いて、Ｃ２Ｆ６によるＲＩＥ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，Ａ２）を露出させる。ＳｉＮ膜３４がエッチング除去された領域Ａ１は、概略、観察プローブ１０の先端および可動アーム２０の先端が形成される領域である。一方、領域Ａ２は、観察プローブ１０および可動アーム２０の基端側と駆動レバー２３，２４が形成される領域である。観察プローブ１０および可動アーム２０が延在する方向には、すなわち、細長い領域Ａの伸延方向には、上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向を選ぶ。
【００１８】
なお、図５に示したマスクＡは支持体２５も含めたマスクとなっており、図１や図４（ｂ１）に示す部分は、図５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。
【００１９】
図４の（ｃ１），（ｃ２）に示す工程ｃでは、領域Ａ１およびＡ２の上部Ｓｉ層３１の表面に厚さ０．１μｍの酸化膜３５を形成する。酸化方法は水蒸気酸化であり、酸素ガスと水素ガスを高温で反応させて生成した水蒸気を用いて、上部Ｓｉ層３１の露出面を酸化する。
【００２０】
図６の（ａ），（ｂ）は、工程ｄを説明する図である。工程ｄでは、図８に示すマスクＢを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）によりエッチングを行う。図８に示すように、マスクＢには、図４（ｃ１）の領域Ａ１を覆う部分である先端遮蔽領域Ｂ１が形成されている。その先端遮蔽領域Ｂ１には、図示上下方向（上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向）に延在するスリットＳＬ１が形成されている。また、スリットＳＬ２，ＳＬ３は、駆動レバー２３，２４を作製するためのものである。なお、図８に示すマスクＢのＲ２−Ｒ２線より上部領域が、図６（ａ），（ｂ）に示した部分に対応している。
【００２１】
図６（ａ）の破線は、図４（ｃ１）で形成されたウエハ３０上にマスクＢを配置して示したものである。図６（ａ）において、マスクＢで覆われていない部分は、ＩＣＰ−ＲＩＥにより、ＳｉＯ２層３２までエッチングされる。このＩＣＰ−ＲＩＥでは、エッチングはＳｉＯ２層３２で停止するので、観察プローブ１０および可動アーム２０の厚さを均一かつ高精度に形成することができる。
【００２２】
図６（ｂ）はエッチング後のウエハ３０を示したものである。マスクＢのスリットＳＬ１の部分からのエッチングにより、＜１１０＞方向に延在するスリット溝４０が形成される。スリット溝４０の両側面は、ＳｉＮ膜３４の表面に対して垂直になっており、スリット溝４０の深さは、ＳｉＮ膜３４と上部Ｓｉ層３１の厚さの和に相当する。スリット溝４０の両側面は、ナノピンセット１の完成段階で、探針部１２の直交面１２ａと把持部２２の直交面２２ａ（図２参照）となる。
【００２３】
図７は、エッチング前後のウエハ３０の断面を示したものであり、（ａ）は図６のＩＩ−ＩＩ断面図で、（ｂ）は図６のＩ−Ｉ断面図である。マスクＢで覆われていない部分では、窒化珪素（ＳｉＮ）膜３４，酸化膜３５，Ｓｉ層３１がエッチングされている。その結果、エッチングされた部分では、ＳｉＯ２層３２の表面およびＳｉ層３１の側面が露出することになる。
【００２４】
図９は工程ｅを説明する図であり、（ａ）は図６のＩ−Ｉ断面と同様の断面を示す図であり、（ｂ）は図６のＩＩ−ＩＩ断面同様の断面を示す図である。工程ｅでは、工程ｄのエッチングにより露出した上部Ｓｉ層３１の側面に、表面保護のための酸化膜３６を形成する。この酸化処理は、工程（ｃ）と同様の水蒸気酸化である。
【００２５】
図１０は工程ｆを説明する図であり、（ａ）は図９（ａ）と同様のＩ−Ｉ断面図であり、（ｂ）は図９（ｂ）と同様のＩＩ−ＩＩ断面図である。工程ｆでは、Ｃ２Ｆ６を用いたＲＩＥによりＳｉＮ膜３４をエッチング除去する。その結果、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、上部Ｓｉ層３１の上面が露出する。このＲＩＥ処理はマスクを使用しないで行われるが、Ｃ２Ｆ６のガス圧力を高めることによって、ＳｉＮ膜３４を酸化膜３５，３６よりも大きいエッチングレートで除去できるようなエッチング条件に設定し、ＳｉＮ膜３４だけを除去する。そのため、上部Ｓｉ層３１上の酸化膜３５および上部Ｓｉ層３１側面の酸化膜３６はエッチングされずに残ることになる。図１１は処理後のウエハ３０を示す斜視図であり、ドットのハッチングを施した部分が酸化膜３５，３６の部分である。
【００２６】
図１２において、（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ１）は工程ｈを説明する図である。図１２（ａ２）は、図１２（ａ１）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。工程ｇでは、３０％ＫＯＨ水溶液を用いて上部Ｓｉ層３１を異方性エッチングする。この場合、図１０に示すように、上部Ｓｉ層３１は酸化膜３５，３６が形成されていない上面部分のみが露出しているので、上部Ｓｉ層３１はその部分から異方性エッチングされ、斜面１１ｂ、２１ｂ、１２ｂ、２２ｂ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１２ｂ、２２ｂは単結晶Ｓｉの｛１１１｝面になっている。
【００２７】
なお、後述するように、観察プローブ１０および可動アーム２０の共振周波数設定の関係上、観察プローブ１０のレバー１１の厚さを可動アーム２０のレバー２１の厚さよりも厚く形成する場合は、レバー２１の領域以外をレジストで保護して、レバー２１の領域のみを所定厚さになるまで熱酸化あるいはエッチングすればよい。
【００２８】
次いで、図１３（ａ）に示すマスクＣを用いてＩＣＰ−ＲＩＥにより、観察プローブ１０および可動アーム２０の原型が形成されている周辺領域に残存する上部Ｓｉ層３１を、ＳｉＯ２層３２の表面が露出するまで厚さ方向にエッチング除去する。その後、酸化膜３５，３６をエッチング除去する。このマスクＣを用いたエッチングにより、探針部１２および把持部２２の長さを調節することができる。また、端面１２ｅ，２２ｅが探針部１２および把持部２２の延在方向と位置を揃えて垂直になるので、試料Ｓの把持をより一層確実に行うことができる。
【００２９】
図１２（ｂ１）に示す工程ｈでは、図１３（ｂ）に示すマスクＤを用いてＳＯＩウエハ３０の裏面から、下部Ｓｉ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３２の不要部分を除去すればナノピンセット１の形状となる。なお、工程ｈで除去された部分は、図１２（ｂ１）に示すように二点鎖線で示した部分である。なお、図１２で示した部分の処理には、マスクＣ、ＤのＲ３−Ｒ３線より上部領域が対応している。
【００３０】
以上により、支持体２５と一体に観察プローブ１０および可動アーム２０が同一方向に延在するナノピンセット１が完成する。このとき、駆動レバー２３，２４も、観察プローブ１０および可動アーム２０の製造工程中において同様の手法により作製される。
【００３１】
上記の製造工程では、１個のナノピンセット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ウエハから多数のナノピンセット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。
【００３２】
《動作説明》
次に、ナノピンセット１の動作について説明する。本実施の形態のナノピンセット１においては、試料を把持する把持動作と、ＡＦＭ観察の際のプローブとして用いられる観察動作とを行うことができる。
【００３３】
［把持動作］
まず、図３を参照しながら、試料表面上にある試料Ｓを把持する場合を例に説明する。最初に、ナノピンセット１を試料Ｓの位置へと移動する。この際、後述する観察プローブ１０を用いた観察動作により試料Ｓを探す。観察動作により試料Ｓが検出されたならば、探針部１２と把持部２２との間に試料Ｓが位置するように、ナノピンセット１を移動する。
【００３４】
そして、観察プローブ１０による観察動作（タッピング動作）を停止した後に、駆動レバー２３，２４を駆動して可動アーム２０を図のＨ方向に撓ませることにより把持部２２を探針部１２へ接近させ、試料Ｓを把持部２２と探針部１２の間に挟み込む。このとき、可動アーム２０だけが駆動レバー２３，２４により撓み、観察プローブ１０は動かない。
【００３５】
具体的な把持手順は、まず、試料Ｓに観察プローブ１０の探針部１２の直交面１２ａ（図２（ｂ）参照）を接触させる。その後、可動アーム２０を撓ませて把持部２２の直交面２２ａ（図２（ｂ）参照）を試料Ｓに接近させ、直交面２２ａが試料Ｓに適切な押圧力で接触するように可変電源６ａ，６ｂを調節する。その結果、試料Ｓがナノピンセット１により把持される。
【００３６】
直交面１２ａ，２２ａは平行状態で互いに対向するように構成されているので、試料Ｓは平行な面１２ａ，２２により確実に把持される。試料Ｓを把持した後は、３次元ステージを駆動することにより、試料Ｓを３次元的に移動させることができる。また、把持した試料Ｓを解放するときには、電源部６による印加電圧を零にして、把持部２２と探針部１２との間隔を元の距離ｄに戻せばよい。
【００３７】
［観察動作］
次に、観察動作について説明する。本実施の形態のＡＦＭ装置では、（ａ）ナノピンセット１に設けられた観察プローブ１０を用いた第１の観察動作と、（ｂ）ナノピンセット１により別体で形成された観察用プローブをを把持し、その把持したプローブによる第２の観察動作とを行うことができる。
【００３８】
先ず、第１の観察動作について説明する。本実施の形態では、励振部５に設けられた不図示のピエゾ素子を駆動して、観察プローブ１０を図２の矢印Ｖで示す方向（Ｚ方向）に撓み振動させつつナノピンセット１をＸＹ方向に走査し、試料Ｓの表面形状を計測する。この方式は、一般にタッピングモードと呼ばれる。このとき、観察プローブ１０の探針部１２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、Ｚ方向に振動させながら２次元的に試料表面を走査する。
【００３９】
試料表面の凹凸により、探針部１２の先端と試料Ｓとの距離（探針部１２は振動しているので平均距離）が変化すると、試料表面および探針部１２間の相互作用の変化によってレバー１１の振幅が変化する。この振幅の変化量をレーザ光源２と２分割フォトダイオードとを利用した光てこ方式の計測方法により測定する。
【００４０】
光てこ方式の計測方法では、レーザ光源２からのレーザ光Ｌ１をレバー１１の上面に入射させ、レバー１１の上面からの反射光Ｌ２を受光部である２分割フォトダイオード３で受光する。２分割フォトダイオード３は、その受光位置に応じた検出信号を制御演算部４へ送出する。制御演算部４は、２分割フォトダイオード３からの検出信号に基づいてレバー１１の振幅の変化量を算出し、さらに、振幅変化量に基づいて試料Ｓの表面形状を演算する。この表面形状はモニタ７に表示される。
【００４１】
上述したタッピングモードによる観察では、ピエゾ素子で支持体２５全体をＺ方向に振動して観察プローブ１０を共振させる必要がある。そのためには、観察プローブ１０のレバー１１および可動アーム２０のレバー２１の長さや厚さを調整することにより、観察プローブ１０の厚さ方向の振動の共振周波数が可動アーム２０の共振周波数よりも高くなるように設計する。なお、厚さを調整する場合には、共振周波数は厚さの３乗で変化するので、厚さをわずかに変えるだけで共振周波数を変化させることができる。励振部５により観察プローブ１０の共振周波数で支持体２５全体を振動させると、観察プローブ１０のみが共振してＺ方向に振動する。
【００４２】
図１４は、観察プローブ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１４において、Ｖ１は観察プローブ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、観察プローブ１０は共振して振幅のピークが発生する。この周波数ｆ１が観察プローブ１０の共振周波数である。
【００４３】
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は観察プローブ１０の振幅に比べてはるかに小さい値となる。このように、観察プローブ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１１、２１の幅を設定することにより、観察プローブ１０のみを振動させることができる。
【００４４】
別体の探針を把持して行う第２の観察動作について説明する。上述した第１の観察動作では、観察プローブ１０に形成された断面が三角柱形状の探針部１２を用いて観察を行った。観察に用いる探針は、微少であればある程、より細かな微細構造を測定することができる。例えば、従来技術のように針状のＣＮＴをプローブに用いることで、微少構造の測定が可能となる。別体の探針としては、ＣＮＴの他にＤＮＡ、ＤＮＡ束、微小管、アクチン等を用いることができる。以下では、別体の探針としてＣＮＴを使用し、ＣＮＴによりＡＦＭ観察を行う場合を例に説明する。
【００４５】
図１５は、プローブとして用いるＣＮＴ４０１を示す図であり、複数のＣＮＴ４０１が形成されたＣＮＴカートリッジ４００を模式的に示したものである。ＣＮＴカートリッジ４００は、複数のＣＮＴ４０１が半導体基板４０２上に形成されたものであり、形成方法の詳しい内容は文献（Y.Takei、K.Hoshino、K.Matsumoto、I.Shimoyama、「Control the CNT growing by applying electric field」、Proceedings of the 22nd Sensor Symposium，2005.pp.65〜68）に記載されている。ＣＮＴ４０１は、基板４０２の階段状部分４０２ａに橋渡しされるような形状で形成されている。ＡＦＭ装置にはこのＣＮＴカートリッジ４００が搭載されている。
【００４６】
まず、図１６（ａ）に示すように、搭載されたＣＮＴカートリッジ４００までナノピンセット１を粗動移動させ、ＣＮＴ４０１の一端が接している基板領域ＲをＡＦＭ観察し、ＣＮＴ４０１の位置を検出する。ＣＮＴ４０１の位置が検出されたならば、図１６（ｂ）に示すように、ナノピンセット１によるＣＮＴ４０１の把持動作を行う。すなわち、可動アーム２０を開いて、ＣＮＴ４０１が探針部１２と把持部２２との間に入るようにナノピンセット１を移動し、図１６（ｂ）の状態から可動アーム２０を閉じて、ＣＮＴ４０１を把持する。把持した状態でナノピンセット１を移動させることにより、ＣＮＴ４０１がＣＮＴカートリッジ４００から分離される。
【００４７】
ＣＮＴ４０１を把持したならば、図１の反転駆動機構９を用いて図１７（ａ）に示すようにナノピンセット１を１８０度反転し、ＣＮＴ４０１の先端が下方（試料方向）を向くようにする。反転した状態で、ナノピンセット１を試料面まで移動し、その後、把持状態にあるナノピンセット１全体を励振部５により振動させる。この場合、観察プローブ１０および可動アーム２０がほぼ一体で振動する共振周波数を求め、その周波数でナノピンセット１を振動させるようにする。
【００４８】
このように、探針として機能するＣＮＴ４０１を振動させながら試料Ｓ上を走査することにより、ＡＦＭ観察を行うことができる（図１７（ｂ））。この場合、反転されたレバー１１または２１の上面側（本来の裏面側）にレーザ光Ｌ１を照射し、その反射光Ｌ２を２分割フォトダイオード３（図１参照）で検出することにより、レバー１１，２１の振幅変化量を検出し、表面形状を測定する。
【００４９】
本実施の形態では、別体で備えられたプローブであるＣＮＴ４０１をナノピンセット１で把持し、把持したＣＮＴでＡＦＭ観察をできるような構成とした。その結果、より微細な構造がＡＦＭ観察可能となるだけでなく、別体の探針（ＣＮＴ４０１）が破損した場合でも、容易に探針の交換ができる。従来の場合、探針部に形成されたＣＮＴプローブが破損したときには、ＣＮＴプローブが形成されたカンチレバー全体を交換する必要があり交換時間がかかっていたが、本実施の形態によれば、交換時間の短縮を図ることができるとともに、交換コストの低減を図ることができる。
【００５０】
また、ナノピンセット１自体も観察プローブ１０を備えていて、ＣＮＴ４０１の位置を正確に測定することができるため、ナノピンセット１のＣＮＴ把持位置への移動を正確に素早く行うことができる。さらに、ナノピンセット１を反転する反転駆動機構９を備えているので、試料面に対するＣＮＴ４０１の姿勢をより適切に設定することができる。
【００５１】
−第２の実施の形態−
図１８は、本発明による走査型プローブ顕微鏡装置の第２の実施の形態を示す図であり、ＡＦＭ装置のブロック図である。なお、図１に示した装置と同一部分には同一の符号を付した。すなわち、１は、観察プローブ１０と可動アーム２０を有するナノピンセットであり、ナノピンセット１は３次元ステージ８により３次元方向に並進移動させられるとともに、反転駆動機構９により反転駆動される。
【００５２】
本実施の形態では、励振部５の駆動機構には図１９に示すような櫛歯駆動機構５０が採用され、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスを検出することにより探針と試料との距離を求めるようにした。そのため、図１に示した光てこ方式の検出手段を構成するレーザ光源２および２分割フォトダイオード３は省略されている。
【００５３】
図１９は励振部５を説明するブロック図である。励振部５は、櫛歯駆動機構５０、直流電源５１、交流電源５２およびアドミッタンス検出器５３を備えている。交流電源５２と直流電源５１とは直列に接続され、交流電源５２が櫛歯駆動機構５０に電気的に接続されている。アドミッタンス検出器５３は、交流電源５２と櫛歯駆動機構５０を含む電気回路に接続されるとともに、制御演算部４にも接続されている。
【００５４】
櫛歯駆動機構５０は静止部５００および可動部５０１を備えており、可動部５０１は静止部５００に設けられた支持部５００ａにより弾性支持されている。可動部５０１の端部（下端部）はナノピンセット１に接続されている。静止部５００および可動部５０１の対向部には、櫛歯状凹凸部５０２，５０３が形成されている。静止部５００側に形成された櫛歯状凹凸部５０２と可動部５０１側に形成された櫛歯状凹凸部５０３とは、隙間を介して噛合している。櫛歯状凹凸部５０２，５０３の一方に、直流電圧に交流電圧が重畳された電圧を印加することにより、静電力によって可動部５０１を上下に駆動することができる。
【００５５】
アドミッタンス検出器５３は、交流電圧が加えられている櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスを検出し、検出データを制御演算部４へ送出する。制御演算部４はアドミッタンス検出値から外力の大きさあるいは外力を及ぼす物体との距離を演算し、その演算結果をモニタ７に表示させる。ＡＦＭ観察時には探針と試料との間に働く原子間力を検出することにより表面形状の測定を行うが、この原子間力は探針と試料との距離に依存する物理量であり、原子間力を櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスとして検出することができる。
【００５６】
《アドミッタンスを用いた測定方法についての説明》
次に、アドミッタンスを用いた測定方法の概略について説明する。図２０は、平行平板型アクチュエータモデルにおける電気・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する。ここでは、外力ｆ、励起電圧ｅが小さく、変位量、電荷量の変動も小さいとしてモデル化した。
【００５７】
Ｍは電気系と機械系の結合係数であり、平行平板型アクチュエータ部にガウスの定理を適用することにより、Ｍ＝Ｅ０Ｃ０／ε０Ｓと表される。ここで、Ｅ０直流バイアス電圧、Ｃ０は初期状態のコンデンサ容量、ε０真空の誘電率、Ｓは平行平板の電極面積である。図２０に示す電気系の式と機械系の式において、Ｒ、ｉ、ｖ、ＣＳは、それぞれ平行平板型アクチュエータの抵抗、電流、振動速度、浮遊容量であり、ｍ、ｋ、ｒｆは、それぞれ平行平板型アクチュエータの等価質量、バネ定数、機械系の摩擦抵抗（機械抵抗）である。
【００５８】
上述した櫛歯型アクチュエータにこの平行平板型アクチュエータモデルを適用すると、線形近似基本方程式は式（１），（２）のように表される。
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２の振動速度であり、ｆ１、ｍ、ｋ、ｒｆは、それぞれ櫛歯駆動機構５０に作用する外力、等価質量、バネ定数、機械系の摩擦抵抗（機械抵抗）である。また、Ｅ０は櫛歯駆動機構５０に加わる直流バイアス電圧、Ｃ０は初期状態の櫛歯状凹凸部のコンデンサ容量、ＣＳは電極パッド等の浮遊容量、Ｘ０は初期状態の櫛歯間距離である。
【００５９】
式（１），（２）より、外力が零の場合、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と角周波数ωの関係は最終的に式（３）のように表すことができる。ここで、Ａ＝Ｅ０Ｃ０／Ｘ０と置いた。
【数１】
【００６０】
図２１は、この実施の形態による櫛歯型プローブのアドミッタンスの角周波数依存性を表すグラフであり、（ａ）はグラフ全体を示し、（ｂ）は（ａ）の円内を拡大して示したものである。曲線ｙ１は式（３）の｜Ｙ｜を示すアドミッタンス曲線であり、アドミッタンス曲線ｙ１は電気・機械結合系の特性曲線になっている。一方、アドミッタンス曲線ｙ２は機械系がない電気系のみの場合の特性曲線であり、｜Ｙ｜＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）で表される。
【００６１】
すなわち、アドミッタンス曲線ｙ２は、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）
式（４）を満たす角周波数ω、すなわち、アドミッタンス曲線ｙ１およびｙ２の交点における角周波数を、ここでは発振角周波数ω１と呼ぶことにする。この発振角周波数ω１は共振角周波数ω０に近い値であり、発振角周波数ω１で櫛歯駆動機構５０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て電気系のみのアドミッタンス計測が可能となる。
【００６２】
なお、共振角周波数ω０はアドミッタンス曲線ｙ１のピーク位置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ｙ１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との関係は次式（５）のように表される。発振角周波数ω１、ピーク角周波数ωｐおよびボトム角周波数ωｂとの間には、２／ω１＝１／ωｐ＋１／ωｂという関係がある。
【数２】
【００６３】
発振角周波数ω１で櫛歯駆動機構５０を駆動しているときに、櫛歯駆動機構５０にナノピンセット１を介して外力が作用すると、図２１（ｂ）に示すように、外力が無い場合のアドミッタンス曲線ｙ１から外力が作用した場合のアドミッタンス曲線ｙ３へと変化する。その結果、発振角周波数ω１におけるアドミッタンスはΔＹだけ変化する。このときの可動部５０１の変位量は、後述するようにアドミッタンス変化の検出値から算出される。従来は、共振角周波数ω０において角周波数のシフト量Δωを検出していたが、上述したように発振角周波数ω１（またはその近傍）においてアドミッタンス変化ΔＹを検出することにより、より高感度な測定が可能となる。
【００６４】
なお、櫛歯駆動機構５０に作用する外力の変化は、櫛歯駆動機構５０のバネ定数ｋが僅かに変化してバネ定数（ｋ＋Δｋ）となったときのアドミッタンスの変化ΔＹとして求められる。すなわち、式（３）から導かれる近似式により、発振角周波数ω１でのアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜とアドミッタンスの変化ΔＹは、それぞれ式（６）、式（７）で表される。
｜Ｙ｜＝ω１（Ｃ０＋ＣＳ） （６）
ΔＹ＝Ａ２Δｋ／ω１ｒｆ２ （７）
【００６５】
したがって、アドミッタンスの変化ΔＹを検出することによりバネ定数の変化Δｋが求まり、その結果、櫛歯駆動機構５０に作用する外力の大きさあるいは可動部５０１の変位量を求めることができる。
【００６６】
また、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスから、プローブとして機能しているナノピンセット１の変位量を直接的に求めることも可能である。ここで変位量をｘ１とすると、櫛歯型のアクチュエータの線形近似基本方程式である式（１），（２）において、正弦波駆動の場合はν１＝ｊωｘ１と書けるので、式（１）は次式（８）のように変形できる。
ｉ１／ｅ１＝ｊω［Ｃ０｛１＋（ｘ１／Ｘ０）（Ｅ０／ｅ１）｝＋ＣＳ］ （８）
【００６７】
さらに、式（８）を用いることにより、アドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜は次式（９）のようになる。
｜Ｙ１｜＝｜ｉ１／ｅ１｜
＝ω［Ｃ０｛１＋（ｘ１／Ｘ０）（Ｅ０／ｅ１）｝＋ＣＳ］ （９）
式（９）から変位量ｘ１は式（１０）のように表せる。
ｘ１＝｛（｜Ｙ１｜−ωＣＳ）／ωＣ０−１｝（ｅ１／Ｅ０）Ｘ０ （１０）
【００６８】
前述したように、Ａ＝Ｅ０Ｃ０／Ｘ０であるから、式（１０）を変形して式（１１）を得る。なお、複数の櫛歯を有するアクチュエータでは、Ａは、Ａ＝ｎｂＥ０／ｄと書ける。ここで、ｎは櫛歯駆動機構５０の櫛歯の数、ｂは櫛歯の厚さ、ｄは対向する櫛歯間のギャップである。
ｘ１＝｛（｜Ｙ１｜−ωＣＳ）／ωＣ０−１｝（Ｃ０ｅ１／Ａ） （１１）
ここで、Ｙ０＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）とおけば、式（１１）を変形して式（１２）を得る。
ｘ１＝｛（｜Ｙ１｜−｜Ｙ０｜）／ωＣ０｝（Ｃ０ｅ１／Ａ）
＝ΔＹ／ω（ｅ１／Ａ） （１２）
【００６９】
以上の変位量算出手順をまとめると以下のようになる。
(a)櫛歯駆動機構５０に振動を与え、その共振角周波数ω０を測定する。
(b)共振角周波数ω０に近い機械系の特性がキャンセルされる発振角周波数ω１で櫛歯駆動機構５０を振動させて、可動部５０１に加わる外力が零のときの基準アドミッタンス値｜Ｙ０｜を検出する。
(c)角周波数ωを発振角周波数ω１に定めて櫛歯駆動機構５０に振動を与え、可動部５０１に外力が加わったときのアドミッタンス値｜Ｙ１｜を検出する。
(d)アドミッタンスの変化ΔＹ（＝｜Ｙ１｜−｜Ｙ０｜）から、可動部５０１の外力による変位量を算出する。
【００７０】
ここで、アドミッタンス検出器を用いたアドミッタンス｜Ｙ｜の検出について具体的に説明する。図２２は、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンス検出から信号処理までの装置構成の概略を示すブロック図である。アドミッタンスを検出するＬＣＲメータ３００は、ロックインアンプ３０１と、電流測定用回路３０２と、電圧測定用回路３０３とを有する。
【００７１】
櫛歯駆動機構５０には交流電圧が加えられており、電流測定用回路３０２により櫛歯駆動機構５０の電流の絶対値と位相が測定され、電圧測定用回路３０３により櫛歯駆動機構５０の電圧の絶対値と位相が測定される。これら２つの物理量の絶対値と位相からアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と位相をロックインアンプ３０１で演算する。ＬＣＲメータ３００からアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜に比例する電圧ＶＹを出力し、比較器３０４で電圧ＶＹを基準電圧と比較する。基準電圧とは、発振角周波数ω１におけるアドミッタンスに対応する電圧である。
【００７２】
電圧ＶＹと基準電圧との偏差分は、電圧ブースター３０５で増幅されて電圧信号ΔＶとなり、ピエゾアクチュエータ３０６へフィードバックされる。ピエゾアクチュエータ３０６は櫛歯駆動機構５０全体をＺ軸方向（試料に垂直方向）に微少駆動するアクチュエータである。そして、このピエゾアクチュエータ３０６の駆動量が可動部５０１の変位量に対応する。
【００７３】
上述したように、本実施の形態では励振部５に櫛歯駆動機構５０が採用し、櫛歯駆動機構５０のアドミッタンスを検出することにより探針と試料との距離を求めるようにした。アドミッタンス検出法では、従来の共振角周波数測定の場合よりもバネ定数の変化Δｋに対する変化率が大きいので、可動部５０１の変位を高精度で測定できる。特に、共振角周波数が低くても高い感度が得られるので、マイクロマシン分野に最適である。
【００７４】
−第３の実施形態−
上述した第１および第２の実施の形態では、駆動電圧を印加しない場合にナノピンセット１が開状態となるノーマリーオープンタイプのナノピンセットについて説明した。一方、本実施の形態では、駆動電圧を印加しない場合にナノピンセット１が閉状態となるノーマリークローズタイプのナノピンセットについて説明する。なお、検出方法は光てこ方式でも良いし、アドミッタンス検出方式でも良い。
【００７５】
図２３は第３の実施形態におけるナノピンセット１を説明する図であり、（ａ）はナノピンセット１の試料面側を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はナノピンセット１の先端部Ｒの構造を説明する拡大図である。支持体２５にはアーム２０１，２０２が形成されている。２０３，２０４は、アーム２０１，２０２を図の矢印方向に開閉駆動する駆動部である。駆動部２０３，２０４はジュール熱によって膨張動作を行う熱膨張アクチェータであり、電源２０９からの電力によって動作する。２０５，２０６は駆動部２０３，２０４の電極であり、電源２０９が接続されている。なお、電源２０９は図１において電源６と示されたものであるが、ここでは符号を変えて表示した。
【００７６】
アーム２０１、２０２の先端部Ｒの構造としては、図２３（ｂ）に示すような構造としても良いし、図２３（ｃ）に示すような構造としても良い。なお、図２３（ｂ），（ｃ）では、先端部の構造が分かりやすいように、アームが開いた状態で図示してある。図２３（ｂ）では、上述した第１の実施形態のナノピンセットと同様の構造を有しており、直角三角形の断面形状を有する把持部２０１ａ，２０２ａが形成されている。一方、図２３（ｃ）に示すナノピンセットでは、アーム２０１，２０２の試料側平面上に角錐形状の突部２０１ｂ，２０２ｂが形成されている。
【００７７】
図２４はアーム２０１，２０２による試料Ｓの把持動作を説明する図である。電源２０９がオフ状態では、図２３（ａ）に示すようにアーム２０１，２０２は閉じている。本実施の形態では、駆動部２０３，２０４のシリコン層にはボロンがドーピングされていて、電源２０９がオフの状態では、図２０の上下方向の矢印で示すように駆動部２０３，２０４が収縮する方向に応力が働いている。
【００７８】
試料Ｓの把持を行う場合には、ナノピンセット１を閉じた状態で試料Ｓの近傍まで移動する。次に、電源２０９をオンして電極２０５，２０６に電圧を印加すると、電極２０５→駆動部２０３→アーム２０１→アーム２０２→駆動部２０４→電極２０６のように電流が流れる。断面積が小さくなっている駆動部２０３，２０４ではジュール熱の発生が大きく、駆動部２０３，２０４は図２４（ａ）の矢印方向（図示上下方向）に熱膨張する。その結果、アーム２０１は右方向に、アーム２０２は左方向にそれぞれ移動し、アーム２０１，２０２が開いた状態となる。
【００７９】
図２４（ａ）のようにアーム２０１，２０２が開状態となったならば、アーム２０１，２０２間に試料Ｓが位置するようにナノピンセット１を移動する。ところで、アーム２０１，２０２が開状態となると、アーム２０１とアーム２０２との接触が解除され電流が流れなくなる。その結果、駆動部２０３，２０４の温度が降下し、膨張していた駆動部２０３，２０４が元の状態に戻ろうとする。温度降下とともにアーム２０１，２０２は閉じる方向に移動し、図２４（ｂ）に示すように試料Ｓを把持することになる。そして、駆動部２０３，２０４が収縮しようとする応力によって、試料Ｓを把持する把持力が発生する。なお、アーム２０１，２０２が開状態となったならば電源２０９をオフし、電源オフ状態で試料Ｓを把持する。
【００８０】
また、ナノピンセット１をＡＦＭ観察に用いる場合には、電源２０９をオフにして図２３（ａ）のようにアームを閉じた状態とし、支持体２５をＡＦＭ装置の励振部５により振動させる。レーザ光はアーム２０１，２０２のいずれに照射しても良い。この場合、アーム２０１，２０２の先端部分、すなわち、図２３（ａ）に示した把持部２０１ａ，２０２ａの先端や、図２３（ｂ）に示した突部２０１ｂ，２０２ｂの先端が探針として機能する。
【００８１】
ナノピンセット１の製造工程については、ボロンをドーピングする工程やボロンドーピングされた駆動部２０３，２０４をアニールして応力を発生させる工程が加わる他は、第１と同様の製造方法が適用される。駆動部２０３，２０４は、第１の実施の形態と同様にＳＯＩウエハの上部Ｓｉ層３１（図１参照）から形成される。
【００８２】
そこで、用意されたＳＯＩウエハの上部Ｓｉ層３１上にマスクパターンを形成し、駆動部２０３，２０４が形成される領域にボロンのドーピングを行う。具体的には、イオン注入装置を用いて駆動部領域にボロンイオンをイオン注入する。その後、第１の実施の形態と同様の製造方法により、ナノピンセット１を構成する支持部２５、アーム２０１，２０２、駆動部２０３，２０４等を形成する。ＳＯＩウエハ上にナノピンセット１が形成されたならば、エッチングによりＳＯＩウエハからナノピンセット１を分離し、熱処理を施すことにより駆動部２０３，２０４のアニーリングを行う。
【００８３】
図２５の（ａ）はＳＯＩウエハから分離されたナノピンセット１を示したものであり、この段階ではアーム２０１，２０２は開いた状態となっている。すなわち、アーム２０１，２０２をエッチングにより形成する際には、開いた状態の形状にエッチングする。その後、アニーリングすることによって、注入されたボロンがＳｉの格子サイトに置換される。ボロンの原子半径はＳｉに比べて小さいので、ボロンを格子サイトに置換すると圧縮方向に応力が働く。その結果、熱処理後は、図２５（ｂ）に示すように駆動部２０３，２０４が収縮してアーム２０１，２０２の先端が閉じた状態となる。なお、駆動部２０３，２０４のボロンドーピングは、ナノピンセット１の構造をエッチングした後にレジストでマスクをかけて行っても良い。
【００８４】
図２４に示すナノピンセットでは、駆動部２０３，２０４に電流を流して駆動部２０３，２０４を熱膨張させてアーム２０１，２０２を開いたが、ボロンがドープされた駆動部２０３，２０４とは別に、アーム２０１，２０２を開方向に駆動する駆動機構をさらに設けるようにしても良い。この場合、駆動部２０３，２０４はアーム２０１，２０２に閉方向の付勢力を与える付勢機構としてのみ機能する。また、アーム２０１，２０２の一方のみを開閉動作させるようにしても良い。
【００８５】
一方、図２４に示したナノピンセットは、駆動部２０３，２０４が付勢機構と駆動機構とを兼ねている。駆動機構としては、熱膨張を利用した熱アクチェータでも良いし、静電力を利用した静電アクチュエータ等でも良い。また、付勢機構と駆動機構とを別構成とした場合、アニーリングを行う前のアーム２０１，２０２の間隔をゼロと見なせるくらい狭くしても、駆動機構によりアーム２０１，２０２を開状態とすることが可能である。
【００８６】
ところで、前述したようにＣＮＴ４０１をナノピンセット１で把持してＡＦＭ観察を行う場合、ナノピンセット１をクローズ状態に保持する必要がある。第３の実施の形態のようにノーマリークローズタイプのナノピンセットの場合、電源オフ状態で試料をアーム２０１，２０２間に把持することができる。そのため、第１，２の実施の形態に示したノーマリーオープンタイプのナノピンセットに比べて電力消費を低減することができる。
【００８７】
なお、上述した第１の実施の形態では、観察プローブを備えたナノピンセットを例に説明したが、単に把持のみが可能なナノピンセットに対しても本発明を適用することができる。その場合、ＣＮＴ４０１の位置までナノピンセットを移動する際にＡＦＭ観察を行うことができないので、予め設定した移動量だけ粗動移動させた後に、例えば、ＳＥＭ等により観察しながら位置の微調整を行うようにしても良い。
【００８８】
また、ＣＮＴ４０１でＡＭＦ観察を行う場合、ＣＮＴ４０１が試料表面に対して垂直となるのが好ましい。そこで、図１７に示すように先端が下がるように配置されたナノピンセット１のナノピンセット１の上下傾き角度を調整する機構を設けて、把持したＣＮＴ４０１が試料表面に対して垂直となるように調整できるようにしても良い。例えば、圧電素子等を用いてナノピンセット１の先端と基部の高さを変え、傾きを調節する。
【００８９】
ところで、第１の実施の形態においては、ＣＮＴ４０１をナノピンセット１で把持した後に、試料面に対するＣＮＴ４０１の角度が適切になるようにナノピンセット１を反転駆動機構９により反転させた。しかしながら、ナノピンセット１に対するＣＮＴカートリッジ４００の配設姿勢を、例えば図２６に示すような状態とすることにより、ＣＮＴ４０１をほぼ垂直状態で把持することができ、反転駆動機構９が不要となる。
【００９０】
上述した第１〜第３の実施の形態は、次のような作用効果を奏する。
（ａ）ナノピンセット１によりＣＮＴ４０１等の別体の探針を把持し、その探針を用いて試料表面観察を行うようにしたので、探針が破損した場合でも探針を交換するだけで良く、交換作業の短縮および交換コストの低減を図ることができる。
（ｂ）探針として非常に細いＣＮＴを用いることにより、試料のより微細な構造まで観察することが可能となる。
（ｃ）探針の試料表面に対する姿勢を調整するための調整機構（反転機構等）を設けたことにより、試料表面に対する探針の角度をより適切に設定することができる。
（ｄ）ノーマリークローズタイプのナノピンセット１を用いることにより、観察中に把持用電圧を印加しなくても探針を一定の把持力で把持することができるとともに、電力消費の低減を図ることができる。
（ｅ）ナノピンセット１にもＡＦＭ観察用の探針部１２が形成され、ナノピンセット単体でもＡＦＭ観察が行えるような構成としているので、別体の探針（ＣＮＴ４０１）に対して観察プローブ１０および可動アーム２０を正確に位置決めすることができ、ナノピンセット１によるＣＮＴ４０１の確実な把持を行うことができる。
【００９１】
上述した実施の形態では、シリコン基板を加工してナノピンセットを形成したが、このような形成方法に限らず、種々の形成方法により形成したナノピンセットも本発明のナノピンセット装置に適用できる。ナノピンセットの開閉駆動機構に関しては、熱アクチュエータに限らず、静電アクチュエータなどの種々のものが適用できる。さらに、検出方法に関しても光てこ方式やアドミッタンス検出方式に限らず、種々の方法が可能である。
【００９２】
また、別体の探針をナノピンセットで把持してＡＦＭ観察を行うので、把持性を高めるために、探針の被把持部分の形状を角柱状にして把持しやすい形状にしたり、滑りにくい形状としたりしても良い。加えて、ナノピンセットの把持部形状を単に平行面とするだけでなく、例えば、探針に応じた形状とする等して把持しやすいようにしても良い。
【００９３】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、観察プローブ１０および可動アーム２０は一対のアームを、駆動レバー２３，２４は開閉駆動機構を、励振部５は振動手段を、レーザ光源２と２分割フォトダイオード３および第２実施形態におけるアドミッタンス検出器５３は検出手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】ナノピンセット１の主要部を示す図であり、（ａ）は観察プローブ１０と可動アーム２０とを示し、（ｂ）は観察プローブ１０の探針部を示す。
【図３】観察プローブ１０，可動アーム２０，駆動レバー２３，２４および電源部６の拡大図である。
【図４】（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５】マスクＡを示す平面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、工程ｄを説明する図である。
【図７】工程ｄにおけるエッチング前後のウエハ３０の断面を示したものであり、（ａ）は図６のＩＩ−ＩＩ断面図で、（ｂ）は図６のＩ−Ｉ断面図である。
【図８】マスクＢを示す平面図である。
【図９】工程ｅを説明する図であり、（ａ）はＩ−Ｉ断面図、（ｂ）はＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１０】工程ｆを説明する図であり、（ａ）はＩ−Ｉ断面図、（ｂ）はＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１１】工程ｆの処理後のウエハ３０を示す斜視図である。
【図１２】（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ１）は工程ｈを説明する図である。
【図１３】（ａ）はマスクＣの平面図、（ｂ）はマスクＤの平面図である。
【図１４】観察プローブの共振周波数を説明する図である。
【図１５】複数のＣＮＴ４０１が形成されたＣＮＴカートリッジ４００の模式図である。
【図１６】（ａ）はＣＮＴ４０１を検出する工程を説明する図であり、（ｂ）は把持工程を説明する図である。
【図１７】（ａ）ナノピンセット１の反転工程を説明する図であり、（ｂ）はＡＭＦ観察工程を示す図である。
【図１８】走査型プローブ顕微鏡装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図１９】励振部５を説明するブロック図である。
【図２０】電気・機械結合系の等価回路を示す図である。
【図２１】（ａ）はアドミッタンス曲線を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の破線で囲まれた部分の拡大図である。
【図２２】アドミッタンス検出から信号処理までを説明するブロック図である。
【図２３】第３の実施形態を説明する図であり、（ａ）はナノピンセット１の試料面側を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はナノピンセット１の先端部Ｒの構造を説明する拡大図である。
【図２４】アーム２０１，２０２による試料Ｓの把持動作を説明する図であり、（ａ）は開状態、（ｂ）は閉状態を示す。
【図２５】（ａ）はＳＯＩウエハから分離されたナノピンセット１を示す図であり、（ｂ）はアニール処理後のナノピンセット１を示す図である。
【図２６】装置内におけるＣＮＴカートリッジ４００の配設姿勢を説明する図である。
【符号の説明】
【００９５】
１：ナノピンセット ２：レーザ光源 ３：２分割フォトダイオード
４：制御演算部 ５：励振部 ６，２０９：電源部
８：３次元ステージ ９：反転駆動機構 １０：観察プローブ
１２：探針部 ２０：可動アーム ２２：把持部
２３，２４：駆動レバー ５０：櫛歯駆動機構 ５３：アドミッタンス検出器
１００：ＡＦＭ装置 ２０１，２０２：アーム ２０３，２０４：駆動部
４００：ＣＮＴカートリッジ ４０１：ＣＮＴ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットと、
前記ナノピンセットに把持される探針と、
前記探針を把持した前記ナノピンセットを所定周波数で振動させる振動手段と、
試料表面との作用に基づく前記アームの振動の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算する演算部とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記探針としてカーボンナノチューブを用いたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記ナノピンセットに把持された探針の試料表面に対する姿勢を変更する姿勢変更手段を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記姿勢変更手段は、前記ナノピンセットを１８０度回転させて上下反転させる反転機構であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記ナノピンセットは、駆動電圧非印加時が閉状態で、駆動電圧を印加することにより開状態となるように構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記一対のアームのいずれか一方には探針部が一体に形成されており、
前記振動手段によって前記探針部が形成されたアームの共振周波数で前記ナノピンセットを振動させて、前記探針部により試料表面形状の観察を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記探針の被把持部または前記ナノピンセットの把持部に探針把持性向上部を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置を構成する前記ナノピンセットと、前記振動手段と、前記検出手段とを備えることを特徴とするナノピンセット装置。
【請求項９】
開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットで探針を把持し、前記探針を把持した前記ナノピンセットを所定周波数で振動させ、試料表面との作用に基づく前記アームの振動の変化を検出し、前記検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算し、その演算結果を可視化することを特徴とする試料表面形状観察方法。
【請求項１】
開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットと、
前記ナノピンセットに把持される探針と、
前記探針を把持した前記ナノピンセットを所定周波数で振動させる振動手段と、
試料表面との作用に基づく前記アームの振動の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算する演算部とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記探針としてカーボンナノチューブを用いたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記ナノピンセットに把持された探針の試料表面に対する姿勢を変更する姿勢変更手段を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記姿勢変更手段は、前記ナノピンセットを１８０度回転させて上下反転させる反転機構であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記ナノピンセットは、駆動電圧非印加時が閉状態で、駆動電圧を印加することにより開状態となるように構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記一対のアームのいずれか一方には探針部が一体に形成されており、
前記振動手段によって前記探針部が形成されたアームの共振周波数で前記ナノピンセットを振動させて、前記探針部により試料表面形状の観察を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記探針の被把持部または前記ナノピンセットの把持部に探針把持性向上部を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置を構成する前記ナノピンセットと、前記振動手段と、前記検出手段とを備えることを特徴とするナノピンセット装置。
【請求項９】
開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットで探針を把持し、前記探針を把持した前記ナノピンセットを所定周波数で振動させ、試料表面との作用に基づく前記アームの振動の変化を検出し、前記検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算し、その演算結果を可視化することを特徴とする試料表面形状観察方法。
【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２６】
【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２６】
【公開番号】特開２００７−２１２３３１（Ｐ２００７−２１２３３１Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３５３１（Ｐ２００６−３３５３１）
【出願日】平成１８年２月１０日（２００６．２．１０）
【出願人】（３０４０２８３４６）国立大学法人 香川大学 (285)
【出願人】（３９００２２４７１）アオイ電子株式会社 (85)
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１０日（２００６．２．１０）
【出願人】（３０４０２８３４６）国立大学法人 香川大学 (285)
【出願人】（３９００２２４７１）アオイ電子株式会社 (85)
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