透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ、その製造方法およびプローブ顕微鏡装置

光学的に透明な基板の表面にカンチレバーを形成したプローブを使用し、しかも、のぞき窓の機能を併せ持つ小型で精度が向上した透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ、その製造方法およびプローブ顕微鏡装置を提供する。可視光または近赤外光に対して透明な材質からなる透明基板１２０１，１２０３の片方の表面に該表面から所定の間隔を保持して支持されている薄膜からなる１個または複数のカンチレバー１２０２，１２０４を有するプローブを備え、前記透明基板１２０１は、容器の内外の環境を仕切りながら光学的な観察や測定を可能にするのぞき窓の機能を併せ持つとともに、前記カンチレバー１２０２，１２０４を前記透明基板１２０１，１２０３の裏面から光学的に観察または計測し、また光学的に駆動可能に構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カンチレバーを光学的に駆動および測定できる、透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ、その製造方法およびプローブ顕微鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡や走査トンネル顕微鏡などを総称するものであり、トンネル電流を直接検出する走査トンネル顕微鏡のようにカンチレバーを必要としないプローブ顕微鏡も存在するが、ここで扱うプローブ顕微鏡装置は、カンチレバーを有するプローブを利用するプローブ顕微鏡に関するものとする。
【０００３】
図１は従来のプローブ顕微鏡のプローブの斜視図であり、図１（Ａ）は三角形のカンチレバーを、図１（Ｂ）は長方形のカンチレバーを持つプローブをそれぞれ示している。
【０００４】
図１（Ａ）においては、プローブの基部２３０１から三角形のカンチレバー２３０２が突出しており、その先端には探針２３０３が取り付けられている。また、図１（Ｂ）においては、プローブの基部２３０４から長方形のカンチレバー２３０５が突出しており、その先端には探針２３０６が取り付けられている。
【０００５】
プローブの基部は、プローブを取り扱ったり、プローブ顕微鏡装置に固定するために使われ、その長さは数ｍｍ程度である。また、カンチレバーの長さは１００μｍから数百μｍ程度であり、厚さは数μｍ程度である。
【０００６】
以下、原子間力顕微鏡を例に取り、簡単にその動作を説明する。
【０００７】
原子間力顕微鏡では、探針と試料間の力学的な相互作用（原子間力）によるカンチレバーの撓みを検出するか、あるいはカンチレバーの共振周波数の変化を検出することで、上記原子間力の大きさを知ることができる。原子間力顕微鏡は、試料の表面を走査しながら上記の原子間力の検出を行うことで、原子間力を通して観察した試料表面の像を拡大表示する装置である。
【０００８】
また、例えば、上記した原子間力顕微鏡の探針を強磁性体に変更すれば、試料の磁化状態を知ることができる。このように、探針などを変更することで様々な物理量を扱うプローブ顕微鏡となる。
【０００９】
カンチレバーを通した力の検出に最もよく使われるのが光梃子である。
【００１０】
図２はかかる光梃子を利用する場合のプローブの使用形態を示している。
【００１１】
この図において、プローブの基部２４０１はプローブ顕微鏡装置に取り付けられる。探針２４０３はプローブの基部２４０１から突出するカンチレバー２４０２先端に取り付けられ、試料２４０４はプローブ顕微鏡装置に設置される。探針２４０３と試料２４０４の間に働く力によってカンチレバー２４０２が撓むとき、この撓みによるカンチレバー２４０２の角度変化を検出するために光梃子が利用される。レーザ光２４０５をカンチレバー２４０２の背面に照射し、反射したレーザ光２４０６の方向を、フォトダイオード２４０７で検出する。フォトダイオード２４０７は、２つのチップが隣接して形成されており、レーザスポットの位置によって２つのチップの出力電流比が変わるので、スポット位置を知ることができる。カンチレバー２４０２からフォトダイオード２４０７までの距離を数ｃｍ程度に大きくすることで、カンチレバー２４０２の僅かな角度変化を拡大して検出することができる。
【００１２】
図３は従来の試料とプローブの位置関係を示す断面図である。
【００１３】
この図において、２５０１はプローブの基部、２５０２はプローブのカンチレバーである。試料２５０３がうねっていたり傾斜して取り付けられていると、探針２５０５以外の箇所でもプローブ２５０１と試料２５０３が接触する危険性がある。これを避けるため、試料２５０３に対するプローブ２５０１の取付け角度２５０４を１０°程度傾ける場合が多い。
【００１４】
探針と試料の間に働く力に非線形性があると、カンチレバーの共振周波数の変化が生じる。これを検出するには、カンチレバーを振動させ、共振周波数の変化を捉える必要がある。この場合、光梃子以外にも反射光のドップラーシフトを利用して速度を捉える方法が使える。
【００１５】
図４は従来のレーザドップラー速度計を利用する場合のプローブの使用形態を示している。
【００１６】
この図において、レーザ光２６０３が光学系２６０２を通してカンチレバー２６０１背面に反射し、再び光学系２６０２を通してレーザドップラー速度計（図示なし）に戻る。
【特許文献１】特開平６−２６７４０８号公報（第３−４頁図１）
【非特許文献１】Ｍ．Ｖ．Ａｎｄｒｅｓ，Ｋ．Ｗ．Ｈ．Ｆｏｕｌｄｓ，ａｎｄＭ．Ｊ．Ｔｕｄｏｒ，“ＯｐｔｉｃａｌＡｃｔｉｖａｔｉｏｎｏｆＡＳｉｌｉｃｏｎＶｉｂｒａｔｉｎｇＳｅｎｓｏｒ”，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ９ｔｈＯｃｔｏｂｅｒ１９８６Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．２１
【非特許文献２】Ｋ．Ｈａｎｅ，Ｋ．Ｓｕｚｕｋｉ，“Ｓｅｌｆ−ｅｘｃｉｔｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆａｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｈｉｎｆｉｌｍｃａｕｓｅｄｂｙｌａｓｅｒｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ”，ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ５１（１９９６）１７６−１８２
【発明の開示】
【００１７】
しかしながら、上記した従来のプローブの構造は、試料が真空中や液中や有毒ガス中にあったり、高温または極低温などの環境（ここでは以降、これらをまとめて特殊環境と呼ぶことにする）にある場合、光学系を試料と同じ特殊環境に設置するか、あるいはプローブを試料と同じ特殊環境に設置しながら光学系は大気中に設置し、のぞき窓を通して光学的な検出を行う必要があった。
【００１８】
図５は真空中に光梃子を入れる場合の装置の断面模式図である。
【００１９】
この図において、２７０５は真空容器およびガスケットであり、その内部２７０４は真空になっている。試料２７０２とプローブ２７０１は真空中にあり、試料２７０２は３次元走査機構２７０３に取り付けられている。光梃子を構成するレーザ光源２７０７およびフォトダイオード２７０８は真空中に設置されている。光梃子の調整は、レーザ光源２７０７の位置を調節することで行う。ここでは、レーザ光源２７０７が３次元微動機構２７０９によって微動できるものとする。レーザ光源２７０７と３次元微動機構２７０９は真空中に設置されているので、レーザスポットの反射光がフォトダイオード２７０８の中心にあたるように調整するには、フォトダイオード２７０８の出力電流を計器（表示装置）２７１１によってモニターしながら３次元微動機構２７０９を機械的または電気的な手段２７１０で操作してレーザ光源２７０７の方向を調節しなければならない。このとき、レーザスポットの位置はのぞき窓２７０６から目視できる場合もあるが、光学系がすべて大気中にある場合に比べて調整は難しい。特にレーザスポットがプローブ２７０１やフォトダイオード２７０８にあたっていない場合、その状況が目視で確認できないと計器（表示装置）２７１１も使えないので、調整には非常に手間がかかる。
【００２０】
このように、光学系を全部真空中やガス中に入れることは可能であるが、例えば、液中や高温環境に入れることは光学部品にとって好ましくない。次に、光学部品を大気中に設置した装置の２つの例を図６と図７に示す。
【００２１】
図６はのぞき窓を通して光梃子を構成している装置の断面模式図である。
【００２２】
この図において、２８０５は真空容器およびガスケットであり、その内部２８０４は真空、有毒ガス、液体、極低温、または高温などの特殊環境である。
【００２３】
試料２８０２とプローブ２８０１は上記の特殊環境中にあり、試料２８０２は３次元走査機構２８０３に取り付けられている。一方、レーザ光源２８０７およびフォトダイオード２８０８は大気中に設置されていて、のぞき窓２８０６を介して光梃子を構成する。この構成ではのぞき窓２８０６によって光線が屈折するので、のぞき窓２８０６が装置内外の圧力差や温度差で変形すると、光梃子がこの変形も検出してしまう。のぞき窓２８０６の面積を小さくし、板厚を厚くするとこの問題は緩和されるが、装置内部２８０４が観察し難くなる上に、のぞき窓２８０６のガラス板をはずした開口部からプローブ２８０１の交換を行うことが難しくなる。
【００２４】
図７はドップラー速度計の光学部品を大気中に設置した装置の断面模式図である。
【００２５】
この図において、２９０５は容器およびガスケットであり、その内部２９０４は真空、有毒ガス、液体、極低温、または高温などの特殊環境である。試料２９０２とプローブ２９０１は特殊環境中にあり、試料２９０２は３次元走査機構２９０３に取り付けられている。のぞき窓２９０６越しに光学顕微鏡の対物レンズ２９０７の焦点をプローブ２９０１のカンチレバー背面に結ばせ、この対物レンズ２９０７を通してドップラー速度計（図示なし）でカンチレバーの速度を検出する。高い倍率の対物レンズ２９０７ほど焦点距離が短くなるので、倍率を上げるためにはカンチレバー背面と対物レンズ２９０７の距離２９０８はなるべく接近させる必要があるが、プローブ２９０１の取付け機構を考慮すると、この距離２９０８を５ｍｍ以下にすることは容易ではない。特に、内部が真空の場合にはのぞき窓２９０６に圧力がかかるため、板厚を厚くするか面積を小さくする必要がある。しかし、面積を小さくすると装置内部２９０４が観察し難くなる上に、のぞき窓２９０６のガラス板をはずした開口部からプローブ２９０１の交換を行うことが難しくなり、また、厚い材料を使うと距離２９０８を小さくできない。
【００２６】
以上の課題を整理すると、特殊環境にある試料を観察するための従来の技術によるプローブ顕微鏡には、次のような問題があった。
（１）光学系を試料とともに特殊環境に入れることは装置の複雑化、大型化を招き、光学系の調整が難しくなる。
（２）光学系が大気中に設置され、試料とプローブが特殊環境中に設置されている装置では、プローブと光学系の間にあるのぞき窓が光学系の設計に制約を加えたり、光学的に歪みの原因になることがある。
（３）特殊環境中に設置されるプローブの交換が容易にできない。
（４）多数のカンチレバーを光学的に観察したり測定することに難がある。
【００２７】
本発明は、上記状況に鑑みて、光学的に透明な基板の表面にカンチレバーを形成したプローブを使用し、しかも、のぞき窓の機能を併せ持つ小型で精度が向上した透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ、その製造方法およびプローブ顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【００２８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、可視光または近赤外光に対して透明な材質からなる透明基板の片方の表面に、該表面から所定の間隔を保持して支持されている薄膜からなる１個または複数のカンチレバーを有するプローブを備え、前記透明基板は、容器の内外の環境を仕切りながら光学的な観察や測定を可能にするのぞき窓の機能を併せ持ち、前記透明基板の裏面から光学的に観察または計測し、また光学的に駆動可能に構成することを特徴とする。
【００２９】
〔２〕上記〔１〕記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記透明基板の一部にマイクロレンズが形成され、前記カンチレバーの光学的観察または計測、または光学的駆動のための光線を、前記マイクロレンズによりカンチレバーの裏面に収束させることを特徴とする。
【００３０】
〔３〕上記〔１〕記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記透明基板の表面での反射光と裏面での反射光の間の光の干渉を防止するために透明基板の厚さに僅かな傾斜を持たせることを特徴とする。
【００３１】
〔４〕上記〔１〕記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記透明基板が１／４波長板を兼ねることを特徴とする。
【００３２】
〔５〕上記〔１〕記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記カンチレバーに内部応力を持たせることによって、該カンチレバーと前記透明基板の間隔が前記カンチレバーの付け根から先端に向けて徐々に広がっていることを特徴とする。
【００３３】
〔６〕透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブの製造方法において、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン薄膜層にカンチレバーを製作し、このＳＯＩ基板を裏返しにガラス基板に接合し、前記ＳＯＩ基板のハンドリングウエハと埋め込み酸化膜を除去することを特徴とする。
【００３４】
〔７〕上記〔６〕記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブの製造方法において、ウェットエッチングを利用して前記カンチレバー先端に探針を形成することを特徴とする。
【００３５】
〔８〕プローブ顕微鏡装置において、上記〔１〕から〔５〕の何れか一項に記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブを用い、試料との相互作用による前記カンチレバーの変形または振動特性を、前記透明基板の裏面から光学的に測定することを特徴とする。
【００３６】
〔９〕プローブ顕微鏡装置において、上記〔８〕記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡装置を用い、前記カンチレバーと前記透明基板の間の光の干渉による反射光の強度変化から、前記カンチレバーの変形または振動特性を検出することを特徴とする。
【００３７】
〔１０〕プローブ顕微鏡装置において、上記〔８〕記載のプローブ顕微鏡装置を用い、前記カンチレバーの共振周波数に一致した周波数で強度が変動する光線を前記透明基板裏面から照射することによって前記カンチレバーに振動を励起することを特徴とする。
【００３８】
〔１１〕プローブ顕微鏡装置において、上記〔８〕記載のプローブ顕微鏡装置を用い、前記透明基板裏面から照射した一定強度の光線によって前記カンチレバーを自励振動させることを特徴とする。
【００３９】
従来の技術では、特殊環境にある試料を観察・測定対象とするプローブ顕微鏡装置を実現するためには、内部が特殊環境になっている容器の内外の環境を仕切りながら、光学的に容器内部を観察したり測定することができるように、透明な材料からなるのぞき窓を設置し、それを通してプローブや試料の観察あるいは測定を行う必要があった。また、光学的な特性を優先するためには、光学部品やレーザ光源やフォトダイオードなどを特殊環境中に設置する必要があった。これに対して、
（１）請求項１記載の発明によれば、プローブは透明基板を透過して裏面から光学的にカンチレバーを観察したり測定できるというのぞき窓の機能を併せ持つので、プローブ自体で容器の内外の環境を仕切りながら光学的な観察や測定を可能にする。その結果、装置の構造が簡単になり、小型化が達成できる。
【００４０】
また、カンチレバーは、透明基板の表面に直接取り付けられているため、透明基板裏面からカンチレバーおよび試料までの距離は必要最小限に抑えられ、その結果、従来技術によるプローブ顕微鏡装置よりも倍率の高い光学顕微鏡の対物レンズが使用できる。
【００４１】
また、透明基板上のカンチレバーの位置が明確に決まっているため、光学系の調整が容易になる。また、その結果として、透明基板の面積は必要最小限とすることができる。従来技術による装置ののぞき窓は、小さくても直径２ｃｍ程度必要であったが、本発明のプローブの透明基板は、直径数ｍｍまで小型化することが可能になる。その結果、容器内外の圧力が同じならば透明基板の厚さを従来ののぞき窓の厚さよりも薄くすることができ、より高い倍率の顕微鏡の対物レンズが使用できる。
【００４２】
透明基板の面積が小さいほど容器内外の圧力差や温度差による透明基板の歪みが小さく、厚さが薄いほど透明基板を透過する光線に与える歪みの影響が小さく抑えられる。
【００４３】
さらに、プローブは、透明基板ごと交換できるので、従来技術のように取り替えに手間がかからない。また、多数のカンチレバーを有するプローブは、最小限のスペースに用意された予備カンチレバーとして使用でき、その際、すべてのカンチレバーの角度が揃っているため光学系の再調整が容易である。
【００４４】
また、非常に多数のカンチレバーを有するプローブでも全てのカンチレバーの位置と角度が揃っているため、全部のカンチレバーを使用して同時に測定したり、あるいはカンチレバーを選択して測定するプローブ顕微鏡装置が容易に構成できる。なお、本発明の光学スキャナでカンチレバーを選択して測定できるプローブ顕微鏡装置は、従来技術では容易に構成することができない。
（２）請求項２記載の発明によれば、マイクロレンズ付きのプローブを使用するため、対物レンズ等の光学系の一部を省略することが可能である。
（３）両面が平行な透明基板を用いると、干渉が生じる可能性がある。すなわち、入射光が透明基板の上面で反射した光線と下面で反射した光線は同一方向に進行するので干渉し合う。干渉が生じると、光学的な測定の誤差要因になる。
【００４５】
これに対して、請求項３記載の発明によれば、透明基板の厚さに僅かな傾斜を持たせることで、入射光が透明基板の上面で反射した光線と下面で反射した光線は進行方向が異なるために、干渉を生じない。
（４）請求項４記載の発明によれば、ビームスプリッターによって入射光と出射光を異なる光路に導く光学的手法において、光学系に１／４波長板を挿入する必要がない。特に、請求項２記載のマイクロレンズと請求項４記載の１／４波長板の両方の機能を兼ね備えたプローブを用いると、従来技術によるプローブ顕微鏡装置よりも光学系を大幅に簡略化できるので、プローブ顕微鏡装置を非常に小型にすることができる。
（５）基板と平行なカンチレバーを使用して、凹凸が激しい、あるいは傾いた試料を測定する場合、試料の角が基板に接触する可能性がある。これに対して、請求項５記載の発明によれば、基板に対して下に反ったカンチレバーを使用するので、凹凸が激しい、あるいは傾いた試料を測定する際に、探針以外の部分が基板に接触し難い。
（６）請求項６記載の発明によれば、接合を利用することによって工程を簡潔にすることができる。また、接合後のカンチレバーと透明基板の間隔を作るために、ＳＯＩ基板上で単結晶シリコン薄膜に厚さの差をつけておくか、基板上に予め凹みを作っておくことにより、その工程を容易にしている。もし、接合を用いないならば、何らかの方法でカンチレバーの下側に加工を施すか、あるいは犠牲層を用いる必要があり、工程が複雑になる。また、カンチレバーの下にある透明基板をフッ化水素酸などでエッチングすると、エッチングした面は平面にならないため、裏面から光学的にカンチレバーを観察したり測定するのに都合が悪い。
【００４６】
また、単結晶シリコンからなるカンチレバーは、欠陥が少なく機械的なＱ値が高いという利点があるが、予めカンチレバーの下に犠牲層を設置しておく方法は、カンチレバーの材料が単結晶シリコンの場合には難しい。その理由は、犠牲層の上にシリコンをエピタキシャル成長させなければならないからである。
（７）請求項７記載の発明によれば、単結晶シリコン薄膜の結晶異方性を利用しており、必ずカンチレバーの先端に探針が形成され、また先端の鋭さがリソグラフィーの精度に依存し難い。
（８）光の干渉を利用してカンチレバーの変形を測定する方法は、光ファイバーの端面とカンチレバーの間で干渉を生じさせる従来技術が存在する。しかし、この方法によれば、光ファイバーとカンチレバーの位置合わせと距離の調整が必要であった。これに対し、請求項９記載の発明によれば、カンチレバーと透明基板の間隔がプローブの製造時に決定されているのでその調整の必要がない。
（９）請求項１０記載の発明によれば、共振周波数の変化からカンチレバーに作用している原子間力などを測定する場合、照射光の強度変調によってカンチレバーが光学的に励振できるので、励振用の圧電素子が不要になる。
【００４７】
また、圧電素子は極低温や高温では特性が変化したり、使用できなくなったりするが、請求項１０記載の発明によれば、光学的に駆動できるのでその問題が生じない。また、光による励振方法は配線が不要なので、装置を非常に小さく作ることができるようになる。また、多数のカンチレバーを有するプローブを用いる場合、圧電素子では使用しているカンチレバーだけを振動させることは難しく、プローブ全体を振動させることになり効率が悪いが、光による励振では光学スキャナと組み合わせることによって、現在使用しているカンチレバーだけを駆動することができる。
（１０）請求項１１記載の発明によれば、一定強度の光の照射による駆動を用いると、上記した請求項１０記載のプローブ顕微鏡装置と同様の効果に加えて次の利点がある。
【００４８】
カンチレバー個々の共振周波数が不明であっても、自励振動が生じるため、光学的に検出した振動をスペクトルアナライザーで解析するだけで振動特性が判明する。さらに、非常に多数のカンチレバーを有するプローブを使用する場合に、プローブ全体に励振用の光を照射しておくと、全てのカンチレバーをそれぞれの共振周波数で振動させることができるので、プローブ全体から戻ってくる光を受光素子で受けて電気信号に変換し、それをスペクトルアナライザーで解析するだけで全てのカンチレバーの振動特性を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来のプローブ顕微鏡のプローブの斜視図である。
【図２】従来の光梃子を利用する場合のプローブの使用形態を示す図である。
【図３】従来の試料とプローブの位置関係を示す断面図である。
【図４】従来のレーザドップラー速度計を利用する場合のプローブの使用形態を示す図である。
【図５】従来技術のプローブ顕微鏡の形態の例を示す図である。
【図６】従来技術のプローブ顕微鏡の形態の例を示す図である。
【図７】従来技術のプローブ顕微鏡の形態の例を示す図である。
【図８】本発明の第１実施例を示すプローブの斜視図である。
【図９】非常に多数のカンチレバーを持つ本発明の第１実施例のプローブの斜視図である。
【図１０】本発明の第２実施例を示すプローブの一部破断斜視図である。
【図１１】本発明の第２実施例のプローブの別の例を示す一部破断斜視図である。
【図１２】本発明の第３実施例のプローブの構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例のプローブの構造を示す断面図である。
【図１４】本発明の第５実施例のプローブの構造を示す断面図である。
【図１５】図１４で示したカンチレバーによって試料を観察している状態を説明する断面図である。
【図１６】本発明の第６実施例のプローブの製造工程図（その１）である。
【図１７】本発明の第６実施例のプローブの製造工程図（その２）である。
【図１８】本発明の第７実施例のプローブの探針の形成工程を示す斜視図である。
【図１９】本発明の第８実施例のプローブを示す構成図である。
【図２０】本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その１）である。
【図２１】本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その２）である。
【図２２】本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡の動作原理を示す図である。
【図２３】本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その３）である。
【図２４】非常に多数のカンチレバーを有するプローブの実施形態の例を示す図である。
【図２５】本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その４）である。
【図２６】本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その５）である。
【図２７】本発明の第１０実施例を示すプローブ顕微鏡装置において、カンチレバーの振動が励起される原理の説明図である。
【図２８】本発明の第１０実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図である。
【図２９】本発明の第１１実施例を示すプローブ顕微鏡装置のカンチレバーの駆動方法の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、可視光または近赤外光に対して透明な材質からなる透明基板の片方の表面に該表面から所定の間隔を保持して支持されている薄膜からなる１個または複数のカンチレバーを有し、プローブ自体で容器の内外の環境を仕切りながら光学的な観察や測定を可能にするのぞき窓の機能を併せ持ち、前記カンチレバーを前記透明基板の裏面から光学的に観察または計測し、または光学的に駆動可能にする。
【実施例１】
【００５１】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００５２】
図８は本発明の第１実施例を示すプローブの斜視図である（請求項１にかかる発明に対応）。なお、以下の実施例の説明においては、便宜上、カンチレバーが設置される側の基板面を基板表面、カンチレバーが設置されない側の基板面を基板裏面と呼ぶ。
【００５３】
この図に示すように、可視光または近赤外光に対して透明な材質からなる基板、つまり光学的に透明な基板（以下、単に透明基板という）１０１の表面に、この表面から所定の間隔１０２を保持して、薄膜からなるカンチレバー１０３が支持されている。カンチレバー１０３の先端には、必要に応じて適切な材料からなる探針１０４が設置されている。この探針１０４の材料としては、例えば原子間力顕微鏡に使用する場合はシリコン、酸化シリコン、窒化シリコンなどの材料が、また、磁力顕微鏡に使用する場合は、鉄、ニッケル、コバルト、またはこれらを含む合金などの材料が用いられる。カンチレバー１０３の形状は図示されている通り、長方形や三角形など様々である。
【００５４】
カンチレバー１０３の個数は一つの基板に対して１個の場合もあるし、複数の場合もある。
【００５５】
図９は非常に多数のカンチレバーを持つ本発明の第１実施例のプローブの斜視図である。可視光または近赤外光に対して透明な材質からなる基板２０１の表面に、この表面から所定の間隔を保持して、薄膜からなるカンチレバー２０２が多数支持されている。
【００５６】
図８および図９に示したプローブは、透明基板１０１または２０１の裏面から光学的にカンチレバーを観察したり、その変形量や共振周波数を計測したり、または光学的な刺激を与えて運動させたりすることが可能である。
【実施例２】
【００５７】
図１０は本発明の第２実施例を示すプローブの一部破断斜視図である（請求項２にかかる発明に対応）。
【００５８】
この図に示すように、透明基板３０１の裏面にマイクロレンズ３０２が設置されており、その光軸３０３はカンチレバー３０４の裏面（探針が設置されていない方の面）に一致している。このマイクロレンズ３０２によって、カンチレバー３０４の光学的観察、計測、および駆動のための光線をカンチレバー３０４の裏面に収束させることができる。マイクロレンズ３０２は透明基板３０１と同一の部材を加工して作製したものでもよいし、フォトレジストや透明樹脂によって作ったものでもよい。
【００５９】
図１１は本発明の第２実施例のプローブの別の例を示す一部破断斜視図である。
【００６０】
この図において、透明基板４０１の表面にマイクロレンズ４０２が設置されており、その光軸４０３はカンチレバー４０４の裏面に一致している。このマイクロレンズ４０２によって、カンチレバー４０４の光学的観察、計測、および駆動のための光線をカンチレバー４０４の裏面に収束させることができる。
【００６１】
このような構成とすることで、プローブ顕微鏡装置の光学系の一部を省略することができる。
【実施例３】
【００６２】
図１２は本発明の第３実施例のプローブの構造を示す断面図である（請求項３にかかる発明に対応）。図１２（Ａ）は透明基板の表面と裏面とが平行でない場合、図１２（Ｂ）は比較のために示した透明基板の両面が平行である場合を示す図である。
【００６３】
このように、図１２（Ａ）においては、透明基板５０１の表面５０３にカンチレバー５０２が設置されている。透明基板５０１の表面５０３と裏面５０４とは平行ではなく、わずかに傾斜している。つまり、裏面５０４は表面５０３に対して（水平面に対して）角度θを有している。
【００６４】
一方、図１２（Ｂ）においては、透明基板５０８の表面５１０にカンチレバー５０９が設置されている。透明基板５０８の表面５１０と裏面５１１とは平行である。なお、これらの図において、５０５，５１２は入射光、５０６，５１３は表面５０３，５１０での反射光、５０７，５１４は裏面５０４，５１１での反射光をそれぞれ示している。
【００６５】
図１２（Ｂ）に示すように、透明基板５０８の表面５１０と裏面５１１が平行な場合、入射光５１２の反射光５１３，５１４は進行方向が同じであるため干渉が生じてしまう。
【００６６】
一方、図１２（Ａ）に示すように、透明基板５０１の表面５０３と裏面５０４が平行でない場合、入射光５０５が透明基板５０１の表面５０３で反射した光線５０６と、裏面５０４で反射した光線５０７は進行方向が異なるために、干渉を生じることがなくなる。
【実施例４】
【００６７】
図１３は本発明の第４実施例のプローブの構造を示す断面図である（請求項４にかかる発明に対応）。図１３（Ａ）は所定の波長の光に対する１／４波長板６０１自体を透明基板として使用する場合を、また、図１３（Ｂ）は所定の波長に対する１／４波長板６０６を透明基板６０５に接着した場合を、それぞれ示している。
【００６８】
この実施例では、１／４波長板の性質により、上記所定の波長を有し直線偏光している入射光６０３または６０８の偏光方向（紙面に垂直に偏光しているものとする）に対して、カンチレバー６０２または６０７で反射して戻る光線６０４または６０９の偏光方向は９０°旋回する（紙面に対して平行になる）。
【実施例５】
【００６９】
図１４は本発明の第５実施例のプローブの構造を示す断面図である（請求項５にかかる発明に対応）。図１４（Ａ）は本発明の第５実施例のプローブの断面図であり、また、図１４（Ｂ）は比較のために示したカンチレバーに内部応力が入っていないプローブを示す断面図である。
【００７０】
図１４（Ｂ）に示すように、内部応力が入っていないカンチレバー７０８は、透明基板７０７の表面７０７Ａと平行であり、透明基板７０７の表面７０７Ａとカンチレバー７０８との間隔は、根元の近くでの間隔７０９も先端に近い部分の間隔７１０も互いに等しい。これに対して、図１４（Ａ）に示すように、カンチレバー７０２に内部応力が入っているプローブは、透明基板７０１の表面７０１Ａに設置されるカンチレバー７０２において、このカンチレバー７０２の表面７０５には裏面７０６に対して引っ張り応力が入っている。その結果、カンチレバー７０２は上側に反り、透明基板７０１の表面７０１Ａとカンチレバー７０２との間隔は、根元に近い部分での間隔７０３から徐々に広がって先端に近い部分の間隔７０４の方が大きくなっている。
【００７１】
内部応力を持つカンチレバーの製作方法としては、例えばシリコンと窒化シリコンの２層構造で製作し、犠牲層を除去して窒化シリコンの内部応力で反るようにしたり、図１４（Ｂ）の状態で完成しているカンチレバーに引っ張り応力が入る部材を蒸着することで製造することができる。また、引っ張り応力を与える不純物をカンチレバー表面からドープするようにしてもよい。
【００７２】
図１５は図１４で示したカンチレバーによって試料を観察している状態を説明する断面図である。図１５（Ａ）は図１４（Ａ）の内部応力が入っているカンチレバーで凹凸が激しく傾斜した試料を観察している状態を示しており、図１５（Ｂ）は図１４（Ｂ）の内部応力が入っていないカンチレバーで凹凸が激しく傾斜した試料を観察している状態を示している。
【００７３】
これらの図において、８０３，８０７は凹凸が激しく傾斜した試料、８０１，８０５は透明基板、８０２は内部応力が入っていないカンチレバー、８０６は内部応力が入っているカンチレバーをそれぞれ示す。
【００７４】
これらの図からわかるように、図１５（Ｂ）の構成では、探針で試料８０３上を走査する時に、透明基板８０１が試料８０３の角８０４と接触する恐れがあるのに対し、図１５（Ａ）の構成とすることで試料８０７と接触し難くなる。
【実施例６】
【００７５】
図１６は本発明の第６実施例のプローブの製造工程図（その１）である（請求項６にかかる発明に対応）。この実施例は、カンチレバーと基板の間隔を設けるため、カンチレバー側に加工を施す。
【００７６】
（１）まず、図１６（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板９０１を用意する。ここで、９０４はハンドリングウエハ、９０３は埋め込み酸化膜、９０２は単結晶シリコン薄膜層である。
【００７７】
（２）次に、図１６（Ｂ−１）および図１６（Ｂ−２：斜視図）に示すように、単結晶シリコン薄膜層９０２の一部を厚さが薄くなるように加工し、かつ薄く加工された部分を更にカンチレバー９０５および９０６の外形になるように加工する。また、単結晶シリコン薄膜層９０２の一部は元の厚さのままでカンチレバーの透明基板への取り付け部分９０７として残す。
【００７８】
（３）次に、図１６（Ｃ）に示すように、上記のＳＯＩ基板９０１を裏返しにして取り付け部分９０７を透明基板９０９に接合する。例えば、透明基板９０９の材質として硼珪酸ガラス〔パイレックス（登録商標）ガラス〕を使用した場合は、陽極接合によって接合することができる。
【００７９】
（４）次に、図１６（Ｄ−１）および図１６（Ｄ−２：斜視図）に示すように、ＳＯＩ基板９０１の埋め込み酸化膜９０３およびハンドリングウエハ９０４をエッチングによって除去することで、単結晶シリコン薄膜層９０２からなるカンチレバー９０５および９０６が透明基板９０９表面から間隔９１０を保って支持された、プローブが完成する。
【００８０】
図８０は本発明の第６実施例のプローブの製造工程図（その２）である（請求項６にかかる発明に対応）。この実施例は、カンチレバーと基板の間隔を設けるため、カンチレバー側および透明基板側にそれぞれ加工を施すことが特徴である。
【００８１】
（１）まず、図１７（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００１を用意する。ここで、１００４はハンドリングウエハ、１００３は埋め込み酸化膜、１００２は単結晶シリコン薄膜層である。
【００８２】
（２）次に、図１７（Ｂ−１）および図１７（Ｂ−２：斜視図）に示すように、単結晶シリコン薄膜層１００２の一部をカンチレバー１００５および１００６の外形になるように加工する。また、単結晶シリコン薄膜層の一部は、透明基板に対する取り付け部分１００７として残す。
【００８３】
（３）次に、図１７（Ｃ）に示すように、上記ＳＯＩ基板１００１を裏返しにして取り付け部分１００７を透明基板１００９に接合する。例えば、透明基板１００９の材質として硼珪酸ガラス〔パイレックス（登録商標）ガラス〕を使用した場合は、陽極接合によって接合することができる。この透明基板１００９には凹み１０１０をあらかじめ加工しておく。
【００８４】
（４）次に、図１７（Ｄ−１）および図１７（Ｄ−２：斜視図）に示すように、ＳＯＩ基板１００１の埋め込み酸化膜１００３およびハンドリングウエハ１００４をエッチングによって除去することで、単結晶シリコン薄膜層１００２からなるカンチレバー１００５および１００６が、透明基板１００９表面から凹み１０１０の深さ分の間隔を保って支持された、プローブが完成する。
【実施例７】
【００８５】
図１８は本発明の第７実施例のプローブの探針の形成工程を示す斜視図である（請求項７にかかる発明に対応）。これらは、三角形のカンチレバー（例えば９０６や１００６）または先端が尖った形状のカンチレバーの先端だけを拡大した図である。
【００８６】
（１）まず、図１８（Ａ）に示すように、カンチレバーの先端１１０１は単結晶シリコン薄膜からなり、その形成には上記した第６実施例の製造方法を用いるものとする。
ただし、この単結晶シリコン薄膜は（１００）面からなり、カンチレバーの先端１１０１方向が〈１１０〉方位である必要がある。このカンチレバーの側面１１０２および裏面（紙面裏側に相当）は窒化シリコン膜または酸化シリコン膜で保護する。この膜の形成には、膜をカンチレバーの全体に堆積した後エッチバックするか、または図１６（Ｂ）あるいは図１７（Ｂ）の工程の後に堆積しておいた膜を利用することができる。
【００８７】
（２）次に、図１８（Ｂ）に示すように、アルカリ性水溶液によってウェットエッチングを行うとカンチレバーが薄くなるので、所定の厚さまでウェットエッチングを行う。この工程によってカンチレバーの先端１１０１を起点とする（１１１）面１１０３が現れる。
【００８８】
（３）次に、図１８（Ｃ）に示すように、側面１１０２と裏面を保護していた酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を除去すると、鋭利な先端１１０４を持つ探針が完成する。
【００８９】
以上の工程を行った後、低温熱酸化によって表面に酸化シリコンを作り、これをフッ化水素酸で除去することで探針先端を更に鋭利にすることができる。
【実施例８】
【００９０】
図１９は本発明の第８実施例のプローブを示す構成図であり（請求項８にかかる発明に対応）、図１９（Ａ）は１個のカンチレバーを有するプローブの斜視図、図１９（Ｂ）は複数個のカンチレバーを有するプローブの斜視図、図１９（Ｃ）はそれらのプローブの側面図である。
【００９１】
このプローブは後述の図２０および図２１に示すプローブ顕微鏡装置のプローブとして用いる。
【００９２】
図１９（Ａ）において、１２０１は円板状の透明基板、１２０２はその透明基板１２０１の表面に設けられた１個のカンチレバーである。
【００９３】
また、図１９（Ｂ）において、１２０３は円板状の透明基板、１２０４はその透明基板１２０３の表面に設けられた複数個のカンチレバー１２０４である。
【００９４】
これらのプローブは上記第１〜５に記載したいずれかのプローブよりなる。
【００９５】
このように構成することにより、プローブ自体をのぞき窓として機能させ、プローブ自体で容器の内外の環境を仕切りながらカンチレバーの光学的な観察や測定を可能にする。その結果、装置の構造が簡単になり、小型化が達成できる。
【００９６】
また、カンチレバーは、透明基板の表面に直接取り付けられているため、透明基板裏面からカンチレバーおよび試料までの距離は必要最小限に抑えられ、その結果、従来技術によるプローブ顕微鏡装置よりも倍率の高い光学顕微鏡の対物レンズが使用できる。
【実施例９】
【００９７】
図２０は本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その１）である（請求項９にかかる発明に対応）。
【００９８】
ここで用いるカンチレバーおよび探針は、検出しようとする物理量（例えば、原子間力や磁力）と試料の性質（例えば非常に柔らかいとか凹凸が激しいとか）によって適切な寸法と材質を使用するものとする。
【００９９】
ここでは、光梃子によってプローブの裏面からカンチレバーの変形または振動特性を光学的に測定するプローブ顕微鏡を示している。使用するプローブ１３０５は、図１９（Ａ）に示すようにカンチレバーが１個の場合もあるし、図１９（Ｂ）に示すようにカンチレバーが複数の場合もある。１３０１は容器およびガスケットであり、その内部１３０２は特殊環境になっている場合もある。試料１３０３は３次元微動機構１３０４に取り付けられている。レーザ光源１３１４から出たレーザ光１３１５は、プローブ１３０５の透明基板を透過してカンチレバー１３０７の裏面で反射し、反射光１３１７は再び透明基板を透過して２分割フォトダイオード１３１６上にレーザスポットを作る。
【０１００】
また、光学レンズ１３１３と撮像素子１３０８によって、カンチレバー１３０７と試料１３０３の像を映像モニター１３０９に表示する装置を取り付けると、カンチレバー１３０７の像１３１２と試料１３０３の像１３１０とレーザスポットの像１３１１を、映像モニター１３０９で確認できる。
【０１０１】
ただし、第４実施例に記載したプローブを用いる場合は１／４波長板（図示なし）が不要になる。また、カンチレバー１３０７を振動させる目的で、必要に応じて圧電素子や電極などをプローブ１３０５に取り付けるか、または、圧電素子などにプローブ１３０５を取り付ける場合もある。
【０１０２】
図２１は本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その２）である（請求項９にかかる発明に対応）。
【０１０３】
ここでは、第１実施例または第２実施例に記載したプローブを使用し、レーザドップラー速度計によってこのプローブの裏面からカンチレバーの変形または振動特性を光学的に測定するプローブ顕微鏡の実施形態の例を示している。
【０１０４】
使用するプローブ１４０５は、図１９（Ａ）に示すようにカンチレバーが１個の場合もあるし、図１９（Ｂ）に示すようにカンチレバーが複数の場合もある。１４０１は容器およびガスケットであり、その内部１４０２は特殊環境になっている場合もある。試料１４０３は３次元微動機構１４０４に取り付けられている。レーザドップラー速度計１４１５から出射されたレーザ光はビームスプリッター１４１４と１／４波長板１４１６と光学レンズ１４１３を通って、カンチレバー１４０７の裏面で反射し、再び光学レンズ１４１３と１／４波長板１４１６とビームスプリッター１４１４を通過してレーザドップラー速度計１４１５に戻る。
【０１０５】
また、撮像素子１４０８によってカンチレバー１４０７と試料１４０３の像を映像モニター１４０９に表示する装置を取り付けると、カンチレバー１４０７の像１４１２と試料１４０３の像１４１０とレーザスポットの像１４１１を映像モニター１４０９で確認できる。
【０１０６】
ただし、第２実施例に記載したプローブを用いる場合は光学レンズ１４１３が不要になる場合がある。また、第４実施例に記載したプローブを用いる場合は、１／４波長板１４１６が不要になる。
【０１０７】
また、カンチレバー１４０７を振動させる目的で、必要に応じて圧電素子や電極などをプローブ１４０５に取り付けるか、または、圧電素子などにプローブ１４０５を取り付ける場合もある。
【０１０８】
図２２は本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡の動作原理を示す図である（請求項９にかかる発明に対応）。
【０１０９】
図２２（Ａ）はそのプローブ顕微鏡のプローブの断面図であり、透明基板１５０１の表面にカンチレバー１５０２が設置されている。透明基板１５０１の裏面からレーザ光１５０３を入射すると、透明基板１５０１の表面１５０７で反射されて上方へ戻る光線１５０５とカンチレバー１５０２の裏面で反射されて上方へ戻る光線１５０４が生じる。これらは互いに干渉し、実際に上方へ戻る光の強度はカンチレバー１５０２と透明基板１５０１の間隔１５０６によって変化する。間隔１５０６と戻り光強度の関係の一例を図２２（Ｂ）に示す。間隔と波長の関係を、戻り光強度の変化率が最大になる（１５０８）ように選ぶと、戻り光強度はカンチレバーの変形にほぼ比例する。
【０１１０】
上記した第９実施例に記載したプローブ顕微鏡装置は、上記の戻り光強度を受光素子で検出することによって、カンチレバーの変形や振動特性の検出を行う。
【０１１１】
図２３は本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その３）である（請求項９にかかる発明に対応）。
【０１１２】
ここで、使用するプローブ１６０５は、図１９（Ａ）に示すようにカンチレバーが１個の場合もあるし、図１９（Ｂ）に示すようにカンチレバーが複数の場合もある。１６０１は容器およびガスケットであり、その内部１６０２は特殊環境になっている場合もある。試料１６０３は３次元微動機構１６０４に取り付けられている。レーザ光源１６１５から出たレーザ光は、２つのビームスプリッター１６１４と１／４波長板１６１７と光学レンズ１６１３を通ってカンチレバー１６０７の裏面と透明基板の間で干渉し、戻り光は再び光学レンズ１６１３と１／４波長板１６１７とビームスプリッター１６１４を通って受光素子１６１６に到達する。
【０１１３】
また、撮像素子１６０８によってカンチレバー１６０７と試料１６０３の像を映像モニター１６０９に表示する装置を取り付けると、カンチレバー１６０７の像１６１２と試料１６０３の像１６１０とレーザスポットの像１６１１を映像モニター１６０９で確認できる。
【０１１４】
また、カンチレバー１６０７を振動させる目的で、必要に応じて圧電素子や電極などをプローブ１６０５に取り付けるか、または、圧電素子などにプローブ１６０５を取り付ける場合もある。
【０１１５】
ただし、第２実施例に記載したプローブを用いる場合は光学レンズ１６１３が不要になる場合がある。また、第４実施例に記載したプローブを用いる場合には１／４波長板１６１７が不要になる。
【０１１６】
図２４は非常に多数のカンチレバーを有するプローブの実施形態の例を示す図であり、図２４（Ａ）はその多数のカンチレバーを有するプローブの斜視図、図２４（Ｂ）はその多数のカンチレバーを有するプローブの側面図である。光学的に透明な基板１７０１の表面に非常に多数（たとえば１００００個）のカンチレバー１７０２が設置されている。
【０１１７】
次に、図２５と図２６を使って、このような非常に多数のカンチレバーを持つプローブを使用するプローブ顕微鏡の実施形態の例を示す。
【０１１８】
図２５は本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その４）である。
【０１１９】
この実施例では、図２３に示した装置に図２４で示したプローブ１８０５を使用し、光学スキャナ１８１７を追加したものである。１８０１は容器およびガスケットであり、その内部１８０２は特殊環境になっている場合もある。試料１８０３は３次元微動機構１８０４に取り付けられている。レーザ光源１８１５から出たレーザ光線は、２つのビームスプリッター１８１４と１／４波長板１８１８を通った後、光学スキャナ１８１７で所定の方向に向けられ、光学レンズ１８１３を通って多数あるカンチレバーの中の所望のカンチレバーに導かれる。そのカンチレバーで反射したレーザ光線は、再び光学レンズ１８１３と光学スキャナ１８１７と１／４波長板１８１８を通り、ビームスプリッター１８１４によって受光素子１８１６へ導かれる。
【０１２０】
以上の動作によって選択された１つのカンチレバーの変形または振動特性が検出できる。
【０１２１】
また、撮像素子１８０８によってカンチレバーと試料１８０３の像を映像モニター１８０９に表示する装置を取り付けることもできる。
【０１２２】
また、カンチレバーを振動させる目的で、必要に応じて圧電素子や電極などをプローブ１８０５に取り付けるか、または、圧電素子などにプローブ１８０５を取り付ける場合もある。
【０１２３】
ただし、第２実施例に記載したプローブを用いる場合は光学レンズ１８１３が不要になる場合がある。また、第４実施例に記載したプローブを用いる場合は１／４波長板１８１８が不要になる。
【０１２４】
図２６は本発明の第９実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図（その５）である。
【０１２５】
この実施例は、図２１に示した装置に図２４で示したプローブ１９０５を使用し、光学スキャナ１９１５を追加したものである。１９０１は容器およびガスケットであり、その内部１９０２は特殊環境になっている場合もある。試料１９０３は３次元微動機構１９０４に取り付けられている。レーザドップラー速度計１９０６から出射されたレーザ光はビームスプリッター１９１４と１／４波長板１９１６を通った後、光学スキャナ１９１５で所定の方向に向けられ、光学レンズ１９１３を通って多数あるカンチレバー中の所望のカンチレバーに導かれる。そのカンチレバーで反射したレーザ光線は、再び光学レンズ１９１３と光学スキャナ１９１５と１／４波長板１９１６を通り、ビームスプリッター１９１４を通ってレーザドップラー速度計１９０６へ導かれる。
【０１２６】
以上の動作によって選択された１つのカンチレバーの変形または振動特性が検出できる。
【０１２７】
また、撮像素子１９０８によってカンチレバーと試料１９０３の像を映像モニター１９０９に表示する装置を取り付けることもできる。
【０１２８】
また、カンチレバーを振動させる目的で、必要に応じて圧電素子や電極などをプローブ１９０５に取り付けるか、または、圧電素子などにプローブ１９０５を取り付ける場合もある。
【０１２９】
ただし、第２実施例に記載したプローブを用いる場合は光学レンズ１９１３が不要になる場合がある。また、第４実施例に記載したプローブを用いる場合は１／４波長板１９１６が不要になる。
【実施例１０】
【０１３０】
図２７は本発明の第１０実施例を示すプローブ顕微鏡装置において、カンチレバーの振動が励起される原理の説明図である（請求項１０にかかる発明に対応）。
【０１３１】
この図において、２００１は透明基板であり、その表面にカンチレバー２００２が設置されている状態を断面で示している。図１９（Ａ）に示すように、レーザ光２００５を透明基板２００１を通してカンチレバー２００２に照射すると、カンチレバー２００２がこのレーザ光２００５のエネルギーを吸収して発熱し、熱膨張するが、発熱量はカンチレバー上面２００３において下面２００４よりも多いので、曲げモーメント２００６が発生してカンチレバー２００２は下側に反る。
【０１３２】
レーザ光２００５の照射を止めると、図１９（Ｂ）に示すようにカンチレバー２００２は真っ直ぐな形に戻る。上記の反りは僅かなものであるが、レーザ光２００５を点滅させる周波数をカンチレバー２００２の共振周波数と一致させると振動を励起することができる。点滅する光による機械的振動の励振については上記非特許文献１に記載されている。
【０１３３】
図２８は本発明の第１０実施例を示すプローブ顕微鏡装置の模式図である（請求項１０にかかる発明に対応）。
【０１３４】
ここで、使用するプローブ２１０５は、図１９（Ａ）に示すようにカンチレバーが１個の場合もあるし、図１９（Ｂ）に示すようにカンチレバーが複数の場合もある。２１０１は容器およびガスケットであり、その内部２１０２は特殊環境になっている場合もある。試料２１０３は３次元微動機構２１０４に取り付けられている。レーザドップラー速度計２１１５から出射されたレーザ光は２つのビームスプリッター２１１４と１／４波長板２１１８と光学レンズ２１１３を通ってカンチレバー２１０７の裏面で反射し、再び光学レンズ２１１３と１／４波長板２１１８とビームスプリッター２１１４を通ってレーザドップラー速度計２１１５に戻る。
【０１３５】
電気信号によって強度変調できるレーザ光源２１１６から出射されるレーザ光線も同様に、２つのビームスプリッター２１１４と１／４波長板２１１８と光学レンズ２１１３を通ってカンチレバー２１０７に照射される。励振用レーザ光の照射位置およびスポット径と、前記したレーザドップラー速度計２１１５が発生するレーザ光の照射位置およびスポット径は、独立に調整することができる。
【０１３６】
また、撮像素子２１０８によってカンチレバー２１０７と試料２１０３の像を映像モニター２１０９に表示する装置を取り付けると、カンチレバー２１０７の像２１１２と試料２１０３の像２１１０とレーザドップラー速度計２１１５のレーザスポットの像２１１１と励振用レーザ光のレーザスポットの像２１０６を映像モニター２１０９で確認できる。
【０１３７】
ただし、第２実施例に記載したプローブを用いる場合は光学レンズ２１１３が不要になる場合がある。また、第４実施例に記載したプローブを用いる場合は１／４波長板２１１８が不要になる。
【０１３８】
励振用レーザ光の強度変調周波数は励振周波数信号発生器２１１７の周波数によって決定される。この周波数を、ある時点におけるカンチレバー２１０７の共振周波数に一致させておくと、カンチレバー２１０７の共振周波数が変化するに伴って振動の振幅が低下するので、共振周波数の変化を知ることができる。また、レーザドップラー速度計２１１５の出力信号を増幅し、フィルタを通した後に、励振周波数信号発生器２１１７の代わりに使用すると、自励発振を起こさせることもでき、その発振周波数変化を検出することで共振周波数の変化を知ることもできる。
【０１３９】
上記の例は、点滅光によるカンチレバーの励振方法をレーザドップラー速度計と組み合わせたプローブ顕微鏡装置の例であるが、点滅光によるカンチレバーの励振方法を光梃子または第９実施例に記載した方法と組み合わせたプローブ顕微鏡装置として構成することも可能である。
【実施例１１】
【０１４０】
次に、本発明の第１１実施例を示すプローブ顕微鏡装置のカンチレバーの駆動方法について説明する。
【０１４１】
図２９に示すように、基板２２０１上に、この基板２２０１と平行に支持されている薄膜構造（カンチレバー）２２０２を有している。レーザ光２２０４が上方から照射されると、薄膜構造（カンチレバー）２２０２がその一部を吸収するが、残りは透過して基板２２０１の表面に達する。薄膜構造２２０２と基板２２０１の間の空間が、一種のファブリー・ペロー共振器のような構造となり、光の定在波２２０３が発生する。
【０１４２】
薄膜２２０２が光から吸収するエネルギー量は、定在波２２０３の振幅に比例する。光の吸収量が薄膜２２０２の上下で異なると曲げモーメントが発生して薄膜２２０２が曲がるが、定在波２２０３が存在するため、曲がった結果として、光の吸収量も変化する。定在波２２０３の振幅と位置が適当な条件を満たすと、薄膜構造２２０２が自励振動を起こすことが知られている。この現象については上記非特許文献２に記載されている。
【０１４３】
本発明に係るプローブは透明基板を使用するので、図２９の下方からのレーザ光２２０５が透明基板を透過し、同様の自励振動を発生させることができる。
【０１４４】
この現象を利用してカンチレバーに自励振動を発生させるプローブ顕微鏡装置の実施形態は、例えば図２３と全く同じ形態であって、レーザ光源１６１５の強度および波長とカンチレバー１６０７と透明基板の間隔を適当に調節することで実現できる。また、図２８とほぼ同じ形態で、励振用レーザ光源２１１６を一定強度のレーザ光源に変更し、その強度および波長とカンチレバー２１０７と基板の間隔を適当に調節することで実現できる。また、光梃子と組み合わせることもできる。
【０１４５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
本発明は、精度の高いプローブを有するプローブ顕微鏡に適している。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光または近赤外光に対して透明な材質からなる透明基板の片方の表面に、該表面から所定の間隔を保持して支持されている薄膜からなる１個または複数のカンチレバーを有するプローブを備え、前記透明基板は、容器の内外の環境を仕切りながら光学的な観察や測定を可能にするのぞき窓の機能を併せ持ち、前記透明基板の裏面から光学的に観察または計測し、また光学的に駆動可能に構成することを特徴とする透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ。
【請求項２】
請求項１記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記透明基板の一部にマイクロレンズが形成され、前記カンチレバーの光学的観察または計測、または光学的駆動のための光線を、前記マイクロレンズによりカンチレバーの裏面に収束させることを特徴とする透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ。
【請求項３】
請求項１記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記透明基板の表面での反射光と裏面での反射光間の光の干渉を防止するために透明基板の厚さに僅かな傾斜を持たせることを特徴とする透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ。
【請求項４】
請求項１記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記透明基板が１／４波長板を兼ねることを特徴とする透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ。
【請求項５】
請求項１記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記カンチレバーに内部応力を持たせることによって、該カンチレバーと前記透明基板の間隔が前記カンチレバーの付け根から先端に向けて徐々に広がっていることを特徴とする透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブ。
【請求項６】
（ａ）ＳＯＩ基板の単結晶シリコン薄膜層にカンチレバーを製作し、
（ｂ）該ＳＯＩ基板を裏返しにガラス基板に接合し、
（ｃ）前記ＳＯＩ基板のハンドリングウエハと埋め込み酸化膜を除去することを特徴とする透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブの製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブの製造方法において、ウェットエッチングを利用して前記カンチレバー先端に探針を形成することを特徴とする透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブの製造方法。
【請求項８】
請求項１から５の何れか一項に記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡のプローブを用い、試料との相互作用による前記カンチレバーの変形または振動特性を、前記透明基板の裏面から光学的に測定することを特徴とするプローブ顕微鏡装置。
【請求項９】
請求項８記載の透明基板を用いるプローブ顕微鏡装置を用い、前記カンチレバーと前記透明基板の間の光の干渉による反射光の強度変化から、前記カンチレバーの変形または振動特性を検出することを特徴とするプローブ顕微鏡装置。
【請求項１０】
請求項８記載のプローブ顕微鏡装置を用い、前記カンチレバーの共振周波数に一致した周波数で強度が変動する光線を前記透明基板裏面から照射することによって前記カンチレバーに振動を励起することを特徴とするプローブ顕微鏡装置。
【請求項１１】
請求項８記載のプローブ顕微鏡装置を用い、前記透明基板裏面から照射した一定強度の光線によって前記カンチレバーを自励振動させることを特徴とするプローブ顕微鏡装置。

【図１】