JP2001004455A - 微小表面温度分布計測法およびそのための装置 - Google Patents
微小表面温度分布計測法およびそのための装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】微小試料表面温度分布の絶対温度を検出する走
査型温度分布計測方法および該方法を実施する装置の提
供 【構成】カンチレバーＫ．の先端部側とカンチレバーの
片持ち側の２点のの温度差を検知して熱流束情報として
検出する手段（熱流束情報検出手段）を配設したカンチ
レバーを試料表面に接触させ、該カンチレバーの温度を
常に試料表面の温度に一致させるように前記熱流束情報
に基づいたフィードバック信号を前記カンチレバーの温
度制御手段に送りながら、前記カンチレバーの片持ち側
の位置に設けられた温度計測手段（Ｔ．Ｃ’）によりカ
ンチレバーの温度を検出することにより試料表面の温度
情報を絶対温度として得ることを特徴とする走査型温度
分布計測方法。
査型温度分布計測方法および該方法を実施する装置の提
供 【構成】カンチレバーＫ．の先端部側とカンチレバーの
片持ち側の２点のの温度差を検知して熱流束情報として
検出する手段（熱流束情報検出手段）を配設したカンチ
レバーを試料表面に接触させ、該カンチレバーの温度を
常に試料表面の温度に一致させるように前記熱流束情報
に基づいたフィードバック信号を前記カンチレバーの温
度制御手段に送りながら、前記カンチレバーの片持ち側
の位置に設けられた温度計測手段（Ｔ．Ｃ’）によりカ
ンチレバーの温度を検出することにより試料表面の温度
情報を絶対温度として得ることを特徴とする走査型温度
分布計測方法。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、表面温度の絶対値
分布をそのまま観測できる走査型温度分布計測方法およ
びそのための装置（走査型熱顕微鏡：ＳＴｈＭ：Scanni
ng Thermal Microscope)に関する、より具体的には、カ
ンチレバーの温度を常に計測される表面温度に一致させ
る温度制御手段を持つ表面温度計測手段を該カンチレバ
ーに配設したことを特徴とする走査型温度分布計測方法
およびそのための装置、カンチレバーの温度を計測され
る表面温度に常に一致させる温度制御手段を持つ表面温
度計測手段を原子間力顕微鏡のカンチレバーに配設した
試料の物理特性および絶対温度を検出する走査型計測装
置に関する。
分布をそのまま観測できる走査型温度分布計測方法およ
びそのための装置（走査型熱顕微鏡：ＳＴｈＭ：Scanni
ng Thermal Microscope)に関する、より具体的には、カ
ンチレバーの温度を常に計測される表面温度に一致させ
る温度制御手段を持つ表面温度計測手段を該カンチレバ
ーに配設したことを特徴とする走査型温度分布計測方法
およびそのための装置、カンチレバーの温度を計測され
る表面温度に常に一致させる温度制御手段を持つ表面温
度計測手段を原子間力顕微鏡のカンチレバーに配設した
試料の物理特性および絶対温度を検出する走査型計測装
置に関する。
【０００２】
【従来技術】現在市販されている最も優れた空間分解能
を持つ温度分布計測機器としては赤外線放射温度計があ
るが、光の回折効果があることから使用する光の波長
（数ミクロンから１０ミクロン）程度の長さが計測の空
間分解限界である。このような中で、最近、サブミクロ
ンスケールの空間分解能を有する温度計測法として原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy）を用
いたものが提案されている（例えば、A.Majumdar,J.La
i, M.Chandrachood, O.Nakabeppu, Y.Wu and Z.Shi, Re
v. Sci. Instrum.66(6), 1995、3584-3592、特開平８−
１０５８０１号公報等参照）。この方法は、走査型プロ
ーブ顕微鏡（ＳＰＭ）、例えばＡＭＦのカンチレバーの
先端に接合部分が数ミクロンからサブミクロンオーダー
の微小熱電対を組込み(配設）、１００〜１０ナノメー
トルの空間分解能で温度分布や熱物性値を測定するもの
である。このような測定法の要求は、最近の微細加工技
術の向上により、半導体チップ内の電子デバイスの微細
化と高度な集積化から、デバイス内やチップ内の発熱状
態や温度分布を知り、その寿命や信頼度等を向上させる
必要から生じている。また、生物細胞内のエネルギー輸
送や、触媒反応等の固体表面での化学反応のミクロ的な
観察、解明などにも、微小領域の温度、熱の観察が必要
とされるようになってきている。
を持つ温度分布計測機器としては赤外線放射温度計があ
るが、光の回折効果があることから使用する光の波長
（数ミクロンから１０ミクロン）程度の長さが計測の空
間分解限界である。このような中で、最近、サブミクロ
ンスケールの空間分解能を有する温度計測法として原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy）を用
いたものが提案されている（例えば、A.Majumdar,J.La
i, M.Chandrachood, O.Nakabeppu, Y.Wu and Z.Shi, Re
v. Sci. Instrum.66(6), 1995、3584-3592、特開平８−
１０５８０１号公報等参照）。この方法は、走査型プロ
ーブ顕微鏡（ＳＰＭ）、例えばＡＭＦのカンチレバーの
先端に接合部分が数ミクロンからサブミクロンオーダー
の微小熱電対を組込み(配設）、１００〜１０ナノメー
トルの空間分解能で温度分布や熱物性値を測定するもの
である。このような測定法の要求は、最近の微細加工技
術の向上により、半導体チップ内の電子デバイスの微細
化と高度な集積化から、デバイス内やチップ内の発熱状
態や温度分布を知り、その寿命や信頼度等を向上させる
必要から生じている。また、生物細胞内のエネルギー輸
送や、触媒反応等の固体表面での化学反応のミクロ的な
観察、解明などにも、微小領域の温度、熱の観察が必要
とされるようになってきている。
【０００３】ところで、前記原子間力顕微鏡を用いた温
度観察では、高空間分解能で固体試料表面の３次元形状
（凹凸）と温度の同時計測を可能にしいるが、観察面の
実際の温度に対し、得られる温度信号は種々の信号の変
換、校正を行なわないと、温度信号の正確性が必ずしも
良くないとう不都合がある。具体的には、実際の試料の
温度に対しカンチレバーに配設された表面温度計測手
段、例えば微小熱電対の検出する温度信号は、（１）材
質による試料・カンチレバーの熱伝導率の違い、（２）
カンチレバーと試料間の接触状態（熱接触抵抗）、
（３）個々の表面温度計測手段、例えば微小熱電対固有
の温度感度特性（サイズによる特性、熱容量による特
性）等のファクターにより影響を受けた温度情報であ
り、試料表面の温度そのもの（前記色々なファクターの
影響を受けて観測される温度情報に対し、絶対温度とい
う。）を正確に計測していないので、計測結果は相対的
な温度イメージとして観察され、試料の絶対温度を求め
るためには、得られた温度信号に対し、前記ファクター
の影響を補正、校正する必要があった。しかしながら、
前記ファクターの補正の係数や接触状態をあらかじめ知
ることは煩雑であり困難な作業である。特に、最近主流
になっている微小熱電対をカンチレバー先端に作成する
方法でも、微小熱電対と試料の微小な接触面積からくる
大きな接触熱抵抗に対して、熱電対接点サイズは小さく
ないため、試料表面の温度よりも計測される温度信号が
小さく、例えば、計測温度が試料温度の４％（試料表面
の実際の温度が室温＋50度の状態に対して、計測される
温度は室温＋2度）程度まで減衰することが報告されて
いる（中別府,井下田, 梶井, 土方, 機論B, 64-618, 19
98,pp.549-555）。このように、従来の方法は正確な試
料表面温度の観察とは程遠いものである。
度観察では、高空間分解能で固体試料表面の３次元形状
（凹凸）と温度の同時計測を可能にしいるが、観察面の
実際の温度に対し、得られる温度信号は種々の信号の変
換、校正を行なわないと、温度信号の正確性が必ずしも
良くないとう不都合がある。具体的には、実際の試料の
温度に対しカンチレバーに配設された表面温度計測手
段、例えば微小熱電対の検出する温度信号は、（１）材
質による試料・カンチレバーの熱伝導率の違い、（２）
カンチレバーと試料間の接触状態（熱接触抵抗）、
（３）個々の表面温度計測手段、例えば微小熱電対固有
の温度感度特性（サイズによる特性、熱容量による特
性）等のファクターにより影響を受けた温度情報であ
り、試料表面の温度そのもの（前記色々なファクターの
影響を受けて観測される温度情報に対し、絶対温度とい
う。）を正確に計測していないので、計測結果は相対的
な温度イメージとして観察され、試料の絶対温度を求め
るためには、得られた温度信号に対し、前記ファクター
の影響を補正、校正する必要があった。しかしながら、
前記ファクターの補正の係数や接触状態をあらかじめ知
ることは煩雑であり困難な作業である。特に、最近主流
になっている微小熱電対をカンチレバー先端に作成する
方法でも、微小熱電対と試料の微小な接触面積からくる
大きな接触熱抵抗に対して、熱電対接点サイズは小さく
ないため、試料表面の温度よりも計測される温度信号が
小さく、例えば、計測温度が試料温度の４％（試料表面
の実際の温度が室温＋50度の状態に対して、計測される
温度は室温＋2度）程度まで減衰することが報告されて
いる（中別府,井下田, 梶井, 土方, 機論B, 64-618, 19
98,pp.549-555）。このように、従来の方法は正確な試
料表面温度の観察とは程遠いものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、前記従来の試料表面温度計測時のファクターの影響
をできる限り受けない走査型温度分布計測方法および前
記方法を実施する走査型温度分布計測装置を提供するこ
とである。そこで、前記課題を解決すべく検討する中
で、前記従来の温度分布計測方法において、前記ファク
ターの影響を受けるのは、試料と表面温度計測手段、例
えば微小熱電対を配設したカンチレバーとの間に温度差
があり熱の授受が起こる（熱流束が現れる）ことによる
ものと考え、試料とカンチレバーに配設された表面温度
計測手段、例えば微小熱電対との間の熱流束（熱移動
量）をカンチレバーの先端部と片持ち部との間の２点の
温度差として計測し、該熱流束が実質的に０になるよう
に前記カンチレバー温度を制御するシステムを組み込ん
で、前記温度制御されたカンチレバーの温度を、別に設
けられた温度計測手段により計測することによって、前
記ファクターの影響を受けずに試料の絶対温度を計測す
ることができ、前記従来技術の計測方法および計測装置
の不都合を取り除くことができるのではないかと考え
た。すなわち、カンチレバー温度を常に試料の表面温度
と一致させるフィードバックシステムを取り込んだ計測
方法を実現することによって、前記課題を解決すること
を考えた。
は、前記従来の試料表面温度計測時のファクターの影響
をできる限り受けない走査型温度分布計測方法および前
記方法を実施する走査型温度分布計測装置を提供するこ
とである。そこで、前記課題を解決すべく検討する中
で、前記従来の温度分布計測方法において、前記ファク
ターの影響を受けるのは、試料と表面温度計測手段、例
えば微小熱電対を配設したカンチレバーとの間に温度差
があり熱の授受が起こる（熱流束が現れる）ことによる
ものと考え、試料とカンチレバーに配設された表面温度
計測手段、例えば微小熱電対との間の熱流束（熱移動
量）をカンチレバーの先端部と片持ち部との間の２点の
温度差として計測し、該熱流束が実質的に０になるよう
に前記カンチレバー温度を制御するシステムを組み込ん
で、前記温度制御されたカンチレバーの温度を、別に設
けられた温度計測手段により計測することによって、前
記ファクターの影響を受けずに試料の絶対温度を計測す
ることができ、前記従来技術の計測方法および計測装置
の不都合を取り除くことができるのではないかと考え
た。すなわち、カンチレバー温度を常に試料の表面温度
と一致させるフィードバックシステムを取り込んだ計測
方法を実現することによって、前記課題を解決すること
を考えた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の第１は、カンチ
レバーの先端部側とカンチレバーの片持ち側の２点の温
度差を検知して熱流束情報として検出する手段（本明細
書において、熱流束情報検出手段ということもある。）
を配設したカンチレバーを試料表面に接触させ、該カン
チレバーの温度を常に試料表面の温度に一致させるよう
に前記熱流束情報に基づいたフィードバック信号を前記
カンチレバーの温度制御手段に送りながら、前記カンチ
レバーの片持ち側の位置に設けられた温度計測手段によ
りカンチレバーの温度を検出することにより試料表面の
温度情報を絶対温度として得ることを特徴とする走査型
温度分布計測方法である。好ましくは、前記フィードバ
ック信号が、カンチレバーの先端部側とカンチレバーの
片持ち側の２点間の温度差を検知して熱流束情報として
検出する手段（熱流束情報検出手段）により検出される
熱流束が実質的に０になるように前記カンチレバーの片
持ち側の位置の近傍に設けられた温度計測手段の近傍に
設けられた温度制御手段を作動させものであり、該カン
チレバー温度を常に試料表面温度に一致させるものであ
ることを特徴とする前記試料温度の絶対温度を検出する
走査型温度分布計測方であり、より好ましくは、前記カ
ンチレバーの２点の温度差を検知する手段が、熱電対ま
たは測温抵抗体もしくはサーミスターであることを特徴
とする前記試料温度の絶対温度を検出する走査型温度分
布計測方法であり、更に好ましくは、前記温度制御手段
が加熱手段であることを特徴とする前記試料温度の絶対
温度を検出する走査型温度分布計測方法。また、前記カ
ンチレバーの片持ち側に設けられた温度計測手段が熱電
対、または測温抵抗体、もしくはサーミスターであるこ
とを特徴とする前記試料温度の絶対温度を検出する走査
型温度分布計測方法である。本発明の第２は、カンチレ
バーの先端部側とカンチレバーの片持ち側の２点の温度
差を検知して熱流束情報として検出する手段（熱流束情
報検出手段）、該カンチレバーの温度を計測される表面
温度に一致させる温度制御手段、該カンチレバーの片持
ち側に近傍に配設されたカンチレバー温度計測手段、該
カンチレバーの熱流束を実質的に０にするフィードバッ
ク信号を前記温度制御手段に送る手段を持つ試料表面の
温度情報を絶対温度として得ることを特徴とする走査型
温度分布計測装置であり、好ましくは、カンチレバーの
先端部と片持ち部との間の２点の温度差を検知する手段
が、カンチレバーに配設された熱電対、または金属や半
導体の電気抵抗の温度依存性を利用した測温抵抗体もし
くはサーミスターであることを特徴とする前記試料温度
の絶対温度を検出する走査型温度分布計測装置である。
また、温度制御手段が白金等の金属による、または、Ｉ
ＴＯ（インジウム・スズ酸化物：Indium Tin Oxide）等
の半導体による発熱体であることを特徴とする前記試料
温度の絶対温度を検出する走査型温度分布計測装置、更
に、カンチレバーの片持ち側位置に設けられた温度計測
手段が別の熱電対（T熱電対、K熱電対）または測温抵抗
体（白金測温抵抗体）もしくはサーミスターであること
を特徴とする前記試料温度の絶対温度を検出する走査型
温度分布計測装置である。本発明の第３は、カンチレバ
ーの温度を常に計測される表面温度に一致させる温度制
御手段を持つ温度計測手段を原子間力顕微鏡のカンチレ
バープローブに配設したことを特徴とする試料の物理特
性および絶対温度を検出する走査型計測装置である。本
発明者は、カンチレバーの温度を常に試料表面温度と一
致させるように、該カンチレバーの先端部と片持ち部と
の間の２点の温度差を検知して熱流束を検出（熱流束情
報を検出）し、該熱流束が実質的に０になるようにカン
チレバー温度を制御しながら、別に設けられた温度計測
手段により前記温度制御されたカンチレバー温度を計測
することにより試料表面の温度情報を絶対温度として得
ることができる走査型温度分布計測システムを設計する
ことによって、前記課題を解決したものである。
レバーの先端部側とカンチレバーの片持ち側の２点の温
度差を検知して熱流束情報として検出する手段（本明細
書において、熱流束情報検出手段ということもある。）
を配設したカンチレバーを試料表面に接触させ、該カン
チレバーの温度を常に試料表面の温度に一致させるよう
に前記熱流束情報に基づいたフィードバック信号を前記
カンチレバーの温度制御手段に送りながら、前記カンチ
レバーの片持ち側の位置に設けられた温度計測手段によ
りカンチレバーの温度を検出することにより試料表面の
温度情報を絶対温度として得ることを特徴とする走査型
温度分布計測方法である。好ましくは、前記フィードバ
ック信号が、カンチレバーの先端部側とカンチレバーの
片持ち側の２点間の温度差を検知して熱流束情報として
検出する手段（熱流束情報検出手段）により検出される
熱流束が実質的に０になるように前記カンチレバーの片
持ち側の位置の近傍に設けられた温度計測手段の近傍に
設けられた温度制御手段を作動させものであり、該カン
チレバー温度を常に試料表面温度に一致させるものであ
ることを特徴とする前記試料温度の絶対温度を検出する
走査型温度分布計測方であり、より好ましくは、前記カ
ンチレバーの２点の温度差を検知する手段が、熱電対ま
たは測温抵抗体もしくはサーミスターであることを特徴
とする前記試料温度の絶対温度を検出する走査型温度分
布計測方法であり、更に好ましくは、前記温度制御手段
が加熱手段であることを特徴とする前記試料温度の絶対
温度を検出する走査型温度分布計測方法。また、前記カ
ンチレバーの片持ち側に設けられた温度計測手段が熱電
対、または測温抵抗体、もしくはサーミスターであるこ
とを特徴とする前記試料温度の絶対温度を検出する走査
型温度分布計測方法である。本発明の第２は、カンチレ
バーの先端部側とカンチレバーの片持ち側の２点の温度
差を検知して熱流束情報として検出する手段（熱流束情
報検出手段）、該カンチレバーの温度を計測される表面
温度に一致させる温度制御手段、該カンチレバーの片持
ち側に近傍に配設されたカンチレバー温度計測手段、該
カンチレバーの熱流束を実質的に０にするフィードバッ
ク信号を前記温度制御手段に送る手段を持つ試料表面の
温度情報を絶対温度として得ることを特徴とする走査型
温度分布計測装置であり、好ましくは、カンチレバーの
先端部と片持ち部との間の２点の温度差を検知する手段
が、カンチレバーに配設された熱電対、または金属や半
導体の電気抵抗の温度依存性を利用した測温抵抗体もし
くはサーミスターであることを特徴とする前記試料温度
の絶対温度を検出する走査型温度分布計測装置である。
また、温度制御手段が白金等の金属による、または、Ｉ
ＴＯ（インジウム・スズ酸化物：Indium Tin Oxide）等
の半導体による発熱体であることを特徴とする前記試料
温度の絶対温度を検出する走査型温度分布計測装置、更
に、カンチレバーの片持ち側位置に設けられた温度計測
手段が別の熱電対（T熱電対、K熱電対）または測温抵抗
体（白金測温抵抗体）もしくはサーミスターであること
を特徴とする前記試料温度の絶対温度を検出する走査型
温度分布計測装置である。本発明の第３は、カンチレバ
ーの温度を常に計測される表面温度に一致させる温度制
御手段を持つ温度計測手段を原子間力顕微鏡のカンチレ
バープローブに配設したことを特徴とする試料の物理特
性および絶対温度を検出する走査型計測装置である。本
発明者は、カンチレバーの温度を常に試料表面温度と一
致させるように、該カンチレバーの先端部と片持ち部と
の間の２点の温度差を検知して熱流束を検出（熱流束情
報を検出）し、該熱流束が実質的に０になるようにカン
チレバー温度を制御しながら、別に設けられた温度計測
手段により前記温度制御されたカンチレバー温度を計測
することにより試料表面の温度情報を絶対温度として得
ることができる走査型温度分布計測システムを設計する
ことによって、前記課題を解決したものである。
【０００６】
【本発明の実施の態様】本発明を図面を参照しながらよ
り詳しく説明する。ここでは、原子間力顕微鏡に前記本
発明の走査型温度分布計測システムを適用した場合、ま
た表面温度計測手段として微小熱電対または測温抵抗体
を使用した場合について説明するが、本発明の走査型温
度分布計測システムの利用はこれに限定されないし、表
面温度計測手段も微小熱電対や測温抵抗体に限定されな
い。
り詳しく説明する。ここでは、原子間力顕微鏡に前記本
発明の走査型温度分布計測システムを適用した場合、ま
た表面温度計測手段として微小熱電対または測温抵抗体
を使用した場合について説明するが、本発明の走査型温
度分布計測システムの利用はこれに限定されないし、表
面温度計測手段も微小熱電対や測温抵抗体に限定されな
い。
【０００７】図１は本発明の走査温度分布計測システム
における概要を示している。Ｔｓは試料（Ｓ）の温度
（試料温度）であり、ＴｐはカンチレバーＫ．に配設さ
れた微小熱電対（Ｔ．Ｃ）測温接点（Ｍ．Ｔ）部温度
（カンチレバー先端温度）（カンチレバー上の２点の温
度差を検出する場合のカンチレバーの先端部側の測温点
ともいう。）であり、Ｔｂは該熱電対の基準接点（Ｒ．
Ｐ）部（カンチレバー上の２点の温度差を検出する場合
のカンチレバーの片持ち側の測温点でともいう。）温度
（カンチレバー片持ち側温度）であり、ΔＴは微小熱電
対（Ｔ．Ｃ）の示す温度差（カンチレバーの先端部側と
片持ち部との間の２点の温度差ともいう。）であり、カ
ンチレバー片持ち側位置近傍には温度制御手段、例えば
ヒータ部（Ｈ）が設けられている。本発明の温度フィー
ドバックとは、カンチレバーの先端部側とカンチレバー
の片持ち側の２点の温度差を検知して熱流束情報として
検出する手段（熱流束情報検出手段）により熱流束を検
知し、該熱流束が実質的に０になるように前記カンチレ
バーの片持ち側の位置の近傍に設けられた温度計測手段
の近傍に設けられた温度制御手段、例えばヒーター
（Ｈ）部への供給電力を調整することである。前記フィ
ードバック温度制御を行いながら、カンチレバー温度を
別の温度計測手段、例えば熱電対（Ｔ．Ｃ’）で計測す
ることで、従来の試料表面計測温度情報に影響を与える
ファクターに影響されない正確な試料表面温度情報を採
取することができる。図２に計測システムのブロック図
を示す。カンチレバーＫ．先端部側、例えば熱電対の測
温接点部(Ｍ．Ｐ)とカンチレバーの片持ち側、例えば熱
電対の基準接点(Ｒ．Ｐ)の温度差の信号は、増幅器
(ｅ．)で増幅され、PID調節器(f)内で設定値（０に近い
微小な値）と比較され、その結果を元にPID調節器
（ｆ）は、温度制御手段、例えばヒーター(Ｈ)へ電力を
供給する電源(g)を制御する。この温度フィードバック
の結果、カンチレバーＫ．は先端から片持ち部までの温
度は常に試料表面温度に維持され、温度制御されたカン
チレバーの温度を別の温度計測手段、例えば熱電対
（Ｔ．Ｃ’）、増幅器(ｈ)により検出することで試料表
面の温度を絶対温度として得ることができる。また、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）上でこの計測法を適用する場
合、検出された熱電対(Ｔ．Ｃ’)の信号を増幅し、ＡＦ
Ｍコントローラー(i)へ入力することで、試料形状の形
状と絶対値温度の同時計測が達成される。
における概要を示している。Ｔｓは試料（Ｓ）の温度
（試料温度）であり、ＴｐはカンチレバーＫ．に配設さ
れた微小熱電対（Ｔ．Ｃ）測温接点（Ｍ．Ｔ）部温度
（カンチレバー先端温度）（カンチレバー上の２点の温
度差を検出する場合のカンチレバーの先端部側の測温点
ともいう。）であり、Ｔｂは該熱電対の基準接点（Ｒ．
Ｐ）部（カンチレバー上の２点の温度差を検出する場合
のカンチレバーの片持ち側の測温点でともいう。）温度
（カンチレバー片持ち側温度）であり、ΔＴは微小熱電
対（Ｔ．Ｃ）の示す温度差（カンチレバーの先端部側と
片持ち部との間の２点の温度差ともいう。）であり、カ
ンチレバー片持ち側位置近傍には温度制御手段、例えば
ヒータ部（Ｈ）が設けられている。本発明の温度フィー
ドバックとは、カンチレバーの先端部側とカンチレバー
の片持ち側の２点の温度差を検知して熱流束情報として
検出する手段（熱流束情報検出手段）により熱流束を検
知し、該熱流束が実質的に０になるように前記カンチレ
バーの片持ち側の位置の近傍に設けられた温度計測手段
の近傍に設けられた温度制御手段、例えばヒーター
（Ｈ）部への供給電力を調整することである。前記フィ
ードバック温度制御を行いながら、カンチレバー温度を
別の温度計測手段、例えば熱電対（Ｔ．Ｃ’）で計測す
ることで、従来の試料表面計測温度情報に影響を与える
ファクターに影響されない正確な試料表面温度情報を採
取することができる。図２に計測システムのブロック図
を示す。カンチレバーＫ．先端部側、例えば熱電対の測
温接点部(Ｍ．Ｐ)とカンチレバーの片持ち側、例えば熱
電対の基準接点(Ｒ．Ｐ)の温度差の信号は、増幅器
(ｅ．)で増幅され、PID調節器(f)内で設定値（０に近い
微小な値）と比較され、その結果を元にPID調節器
（ｆ）は、温度制御手段、例えばヒーター(Ｈ)へ電力を
供給する電源(g)を制御する。この温度フィードバック
の結果、カンチレバーＫ．は先端から片持ち部までの温
度は常に試料表面温度に維持され、温度制御されたカン
チレバーの温度を別の温度計測手段、例えば熱電対
（Ｔ．Ｃ’）、増幅器(ｈ)により検出することで試料表
面の温度を絶対温度として得ることができる。また、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）上でこの計測法を適用する場
合、検出された熱電対(Ｔ．Ｃ’)の信号を増幅し、ＡＦ
Ｍコントローラー(i)へ入力することで、試料形状の形
状と絶対値温度の同時計測が達成される。
【０００８】図３に熱流束情報検出手段、カンチレバー
温度検出手段、加熱手段として測温抵抗体を利用した例
を示す。カンチレバーＫ．上に測温抵抗体（Ｒ１）とカ
ンチレバー片持ち側に測温抵抗体（Ｒ２）を配置し、２
つの参照用抵抗（ＲR1、ＲR2）と共にブリッジ回路を構
成する。ここで、測温抵抗体（Ｒ１）の抵抗値は測温抵
抗体（Ｒ２）に比べ十分大きなものとする。ブリッジに
は電圧Ｖが電源より印加され、試料からカンチレバー
Ｋ．へ流れる熱流束がゼロの場合にブリッジの出力Ｖ１
がゼロとなるよう参照用抵抗はあらかじめ調整される。
ブリッジの出力信号Ｖ１と印加電圧Ｖの比を増幅器
（ｅ）と演算器（ｊ）で求めることで、カンチレバーに
流れる熱流束が計測され、ＰＩＤ調節器（ｆ）を通して
ブリッジの印加電圧Ｖが調整される。測温抵抗体（Ｒ
１）の抵抗値は測温抵抗体（Ｒ２）に比べ十分大きいた
め、印加電圧Ｖの増加は、測温抵抗体（Ｒ２）の発熱に
よりカンチレバー温度を上昇させ、試料からカンチレバ
ーへ流れる熱流束を減少させる。このフィードバック信
号により常時カンチレバーを流れる熱流束は実質的に０
となり、試料表面と同一の温度になっているカンチレバ
ーの温度を、測温抵抗体（Ｒ１）もしくは測温抵抗体
（Ｒ２）の抵抗値を調べることで計測できる。図３中で
は、測温抵抗体（Ｒ１）にかかる電圧Ｖ２を電圧計
（ｕ）で検出し、印加電圧Ｖ、参照抵抗（ＲR2）、抵抗
体の温度係数αから目的の温度を算出している。ＡＦＭ
（ｉ）と組み合わせ、温度を計測しながらカンチレバー
が試料上を走査することで、微小スケールでの試料表面
の絶対温度分布計測が行われる。
温度検出手段、加熱手段として測温抵抗体を利用した例
を示す。カンチレバーＫ．上に測温抵抗体（Ｒ１）とカ
ンチレバー片持ち側に測温抵抗体（Ｒ２）を配置し、２
つの参照用抵抗（ＲR1、ＲR2）と共にブリッジ回路を構
成する。ここで、測温抵抗体（Ｒ１）の抵抗値は測温抵
抗体（Ｒ２）に比べ十分大きなものとする。ブリッジに
は電圧Ｖが電源より印加され、試料からカンチレバー
Ｋ．へ流れる熱流束がゼロの場合にブリッジの出力Ｖ１
がゼロとなるよう参照用抵抗はあらかじめ調整される。
ブリッジの出力信号Ｖ１と印加電圧Ｖの比を増幅器
（ｅ）と演算器（ｊ）で求めることで、カンチレバーに
流れる熱流束が計測され、ＰＩＤ調節器（ｆ）を通して
ブリッジの印加電圧Ｖが調整される。測温抵抗体（Ｒ
１）の抵抗値は測温抵抗体（Ｒ２）に比べ十分大きいた
め、印加電圧Ｖの増加は、測温抵抗体（Ｒ２）の発熱に
よりカンチレバー温度を上昇させ、試料からカンチレバ
ーへ流れる熱流束を減少させる。このフィードバック信
号により常時カンチレバーを流れる熱流束は実質的に０
となり、試料表面と同一の温度になっているカンチレバ
ーの温度を、測温抵抗体（Ｒ１）もしくは測温抵抗体
（Ｒ２）の抵抗値を調べることで計測できる。図３中で
は、測温抵抗体（Ｒ１）にかかる電圧Ｖ２を電圧計
（ｕ）で検出し、印加電圧Ｖ、参照抵抗（ＲR2）、抵抗
体の温度係数αから目的の温度を算出している。ＡＦＭ
（ｉ）と組み合わせ、温度を計測しながらカンチレバー
が試料上を走査することで、微小スケールでの試料表面
の絶対温度分布計測が行われる。
【０００９】前記温度測定の効果を、フィードバックを
行わない場合（従来技術）と対比して説明する。その際
温度測定に使用した試料を図４に示す。図４において試
料として金（Ａｕ）の板、前記試料温度を変えるための
加熱手段としてＩＴＯ、周囲温度はT０である。試料は
周囲温度からΔTsだけ温度上昇している（ΔＴｓ＝Ｔｓ
−T０）。試料の金表面に熱電対を配設したカンチレバ
ーを接触させ、試料の周囲温度からの温度上昇量ΔＴｓ
を計測する。フィードバックを行わない場合は、カンチ
レバーの片持ち側温度は周囲温度に等しく（Tb=T０）、
計測温度ΔTmとしてTpとTbの差、すなわち周囲温度を基
準とした測温点の基準温度（ΔTm＝Tp−Tb＝Tb−T0）を
計測する。また、フィードバックを利用する場合は、カ
ンチレバー先端部と片持ち部の温度は試料温度と一致す
るため（Ｔｐ＝Ｔｂ＝Ｔｓ）、計測温度ΔＴmとしては
周囲温度を基準にとしたカンチレバーの片持ち部の温度
（ΔTm＝Tb−T0）を計測する。 試料温度を変化させ計
測した結果を図５に示す。図５において、（０，０）
は、基準として周囲温度を０としたものである。フィー
ドバックを利用しない場合は計測温度は試料温度の約２
５％の値であるのに対し、フィードバックを利用すると
計測温度と試料温度は高い精度で一致している。
行わない場合（従来技術）と対比して説明する。その際
温度測定に使用した試料を図４に示す。図４において試
料として金（Ａｕ）の板、前記試料温度を変えるための
加熱手段としてＩＴＯ、周囲温度はT０である。試料は
周囲温度からΔTsだけ温度上昇している（ΔＴｓ＝Ｔｓ
−T０）。試料の金表面に熱電対を配設したカンチレバ
ーを接触させ、試料の周囲温度からの温度上昇量ΔＴｓ
を計測する。フィードバックを行わない場合は、カンチ
レバーの片持ち側温度は周囲温度に等しく（Tb=T０）、
計測温度ΔTmとしてTpとTbの差、すなわち周囲温度を基
準とした測温点の基準温度（ΔTm＝Tp−Tb＝Tb−T0）を
計測する。また、フィードバックを利用する場合は、カ
ンチレバー先端部と片持ち部の温度は試料温度と一致す
るため（Ｔｐ＝Ｔｂ＝Ｔｓ）、計測温度ΔＴmとしては
周囲温度を基準にとしたカンチレバーの片持ち部の温度
（ΔTm＝Tb−T0）を計測する。 試料温度を変化させ計
測した結果を図５に示す。図５において、（０，０）
は、基準として周囲温度を０としたものである。フィー
ドバックを利用しない場合は計測温度は試料温度の約２
５％の値であるのに対し、フィードバックを利用すると
計測温度と試料温度は高い精度で一致している。
【００１０】本発明の絶対温度計測法の効果を有効にす
る条件と計測における誤差、分解能について説明する。
まず、ミクロン、サブミクロンの微小空間分解能で温度
分布を計測するためには、試料とカンチレバー間の空気
による熱伝達の影響を取り除く必要がある。このため、
計測は１０-2Torr以下の真空環境で行うことが望まし
い。従来方法では、大気中で計測を行うと３０〜１００
ミクロン程度に温度分布計測の空間分解能は低下し、１
０-2Torr以下では0.1ミクロンの空間分解能が達成され
る（中別府他、機論B、64-618、1998）ことが報告され
ており、本計測法にもこの結果は当てはまる。次に、温
度計測誤差について、図６の熱抵抗モデルで説明する。
フィードバックをかけない場合は検出信号の大きさΔＴ
（＝Tp−Tb）は、試料内の熱抵抗（Rs）、カンチレバー
先端と試料（表面）の接点から測温接点までの熱抵抗
（Rc）、カンチレバーの熱抵抗（Rp）が直列に存在して
いるため、減衰率Rp/(Rs+Rc+Rp)で減衰する。試料やカ
ンチレバー（プローブ）の物性値、形状、接触状態を勘
案するとこの減衰率は１％〜３０％の範囲で変化し、従
来法では試料の絶対温度を直接計測することが不可能で
ある。これに対してフィードバック温度制御を行った場
合ΔＴ（＝Tp−Tb）が０に近い値を持つ検出限界温度差
ΔTminに保たれるため、TbとTsの差は、すなわち検出誤
差は前記熱抵抗配列から、ΔTminを増幅率(Rs+Rc+Rp)/R
pで増幅した値となる。試料やプローブの物性値、形
状、接触状態を勘案すると増幅率は33〜100の範囲で変
化し、ΔＴの検出限界とフィードバックシステムの限界
からΔTminが0.01℃であることから、フィードバック温
度制御を利用することで、0.3〜１℃の誤差で試料表面
の絶対温度が計測されることが分かる。
る条件と計測における誤差、分解能について説明する。
まず、ミクロン、サブミクロンの微小空間分解能で温度
分布を計測するためには、試料とカンチレバー間の空気
による熱伝達の影響を取り除く必要がある。このため、
計測は１０-2Torr以下の真空環境で行うことが望まし
い。従来方法では、大気中で計測を行うと３０〜１００
ミクロン程度に温度分布計測の空間分解能は低下し、１
０-2Torr以下では0.1ミクロンの空間分解能が達成され
る（中別府他、機論B、64-618、1998）ことが報告され
ており、本計測法にもこの結果は当てはまる。次に、温
度計測誤差について、図６の熱抵抗モデルで説明する。
フィードバックをかけない場合は検出信号の大きさΔＴ
（＝Tp−Tb）は、試料内の熱抵抗（Rs）、カンチレバー
先端と試料（表面）の接点から測温接点までの熱抵抗
（Rc）、カンチレバーの熱抵抗（Rp）が直列に存在して
いるため、減衰率Rp/(Rs+Rc+Rp)で減衰する。試料やカ
ンチレバー（プローブ）の物性値、形状、接触状態を勘
案するとこの減衰率は１％〜３０％の範囲で変化し、従
来法では試料の絶対温度を直接計測することが不可能で
ある。これに対してフィードバック温度制御を行った場
合ΔＴ（＝Tp−Tb）が０に近い値を持つ検出限界温度差
ΔTminに保たれるため、TbとTsの差は、すなわち検出誤
差は前記熱抵抗配列から、ΔTminを増幅率(Rs+Rc+Rp)/R
pで増幅した値となる。試料やプローブの物性値、形
状、接触状態を勘案すると増幅率は33〜100の範囲で変
化し、ΔＴの検出限界とフィードバックシステムの限界
からΔTminが0.01℃であることから、フィードバック温
度制御を利用することで、0.3〜１℃の誤差で試料表面
の絶対温度が計測されることが分かる。
【００１１】次に、本計測方法における時間応答性を説
明する。測温接点サイズ５ミクロンの熱電対を配設した
直径３０ミクロンの金属製カンチレバーでは、前記ファ
クターの影響を受けた、換言すれば、従来のフィードバ
ックをしない計測方法での計測温度を得るための時定数
として約１秒を要する。測温接点サイズ５ミクロンの測
温接点をもつ直径３０ミクロンの前記金属製カンチレバ
ーに１ミリスケールの温度制御手段を設け、フィードバ
ックを用いた場合、試料表面の絶対温度を得るための時
定数として約５秒を必要とする。フィードバックを利用
した場合に時間応答性が悪化しているが、使用する微小
熱電対サイズを小さく、例えば１μｍ以下にし、ヒータ
ー部の縮小化、熱伝導率の高い表面温度計測手段を配設
するカンチレバーを利用し放熱性の改善により時間応答
性は改善される。例えば、微小熱電対サイズおよびヒー
ター部の縮小化の効果は、測温接点を１ミクロン程度ま
で小さく、そしてヒーター部を100ミクロンまで小さく
することで、時間応答性は100倍程度（時定数0.05秒）
まで改善できる。また、測温接点の縮小化は温度応答性
の向上にもつながり、計測誤差が1/10程度になると予測
される。
明する。測温接点サイズ５ミクロンの熱電対を配設した
直径３０ミクロンの金属製カンチレバーでは、前記ファ
クターの影響を受けた、換言すれば、従来のフィードバ
ックをしない計測方法での計測温度を得るための時定数
として約１秒を要する。測温接点サイズ５ミクロンの測
温接点をもつ直径３０ミクロンの前記金属製カンチレバ
ーに１ミリスケールの温度制御手段を設け、フィードバ
ックを用いた場合、試料表面の絶対温度を得るための時
定数として約５秒を必要とする。フィードバックを利用
した場合に時間応答性が悪化しているが、使用する微小
熱電対サイズを小さく、例えば１μｍ以下にし、ヒータ
ー部の縮小化、熱伝導率の高い表面温度計測手段を配設
するカンチレバーを利用し放熱性の改善により時間応答
性は改善される。例えば、微小熱電対サイズおよびヒー
ター部の縮小化の効果は、測温接点を１ミクロン程度ま
で小さく、そしてヒーター部を100ミクロンまで小さく
することで、時間応答性は100倍程度（時定数0.05秒）
まで改善できる。また、測温接点の縮小化は温度応答性
の向上にもつながり、計測誤差が1/10程度になると予測
される。
【００１２】本発明のカンチレバーの温度を常に試料温
度に一致させるフィードバック制御を行う温度計測カン
チレバーに使用する温度計測手段、および温度制御手段
に利用する材料について説明する。カンチレバーの先端
部と片持ち部との間の２点の温度差を検出して熱流束を
検知する手段、好ましい態様としては、カンチレバーと
試料表面の温度差を検出するための温度計測手段として
は、カンチレバー先端とカンチレバーの片持ち側に接点
を持つ熱電対、またはカンチレバー先端上と該カンチレ
バーの片持ち部側に配置された一組の測温抵抗体もしく
はサーミスターが利用される。熱電対としては、微小な
接点形状を製作されたニッケル−金の組み合わせや、白
金−金の組み合わせを挙げることができる。十分な熱起
電力が得られ、かつ接点サイズを小さく製作することが
可能であれば、任意の金属、合金の組み合わせからなる
熱電対が利用できる。測温抵抗体やサーミスターとして
は、金属、もしくは半導体の電気抵抗の温度依存性を利
用するものが利用可能であり、主に、白金やシリコン半
導体が挙げられる。また、微小熱電対には、表面測定部
から化学的影響などを受けない安定な組み合わせが好ま
しい。カンチレバー温度をフィードバック信号により制
御する加熱手段としては、金属、半導体製の電気抵抗を
利用可能であり、電気抵抗率の大きな白金、ニクロム、
コンスタンタン、ITO等が挙げられる。また、レーザー
照射によりカンチレバー温度を上昇させる方法も加熱手
段として利用可能である。カンチレバー温度を計測する
手段には、熱電対や測温抵抗体、サーミスターが利用可
能である。熱電対材料としては、起電力が大きな熱電対
として、ＣｕとＣｕ、Ｎｉを主とした合金の組み合わせ
（Ｔ熱電対）、Ｎｉ、Ｃｒを主とした合金とＮｉ合金の
組み合わせ（Ｋ熱電対（ＣＡ））、ＦｅとＣｕ、Ｎｉを
主とした合金の組み合わせ（Ｊ熱電対（ＩＣ））、Ｎ
ｉ、Ｃｒを主とした合金とＣｕ、Ｎｉを主とした合金の
組み合わせ（ＣＲＣ）、白金・ロジウム系熱電対であ
る、Ｒｈ含有量の異なるＰｔ-Ｒｈ合金（Ｂ熱電対）、
Ｒｈ含有合金とＰｔとの組み合わせ（Ｒ熱電対、Ｓ熱電
対）、など多くのものを挙げることができる。測温抵抗
体としては白金やその他の抵抗の温度係数が大きな金
属、合金が利用可能である。
度に一致させるフィードバック制御を行う温度計測カン
チレバーに使用する温度計測手段、および温度制御手段
に利用する材料について説明する。カンチレバーの先端
部と片持ち部との間の２点の温度差を検出して熱流束を
検知する手段、好ましい態様としては、カンチレバーと
試料表面の温度差を検出するための温度計測手段として
は、カンチレバー先端とカンチレバーの片持ち側に接点
を持つ熱電対、またはカンチレバー先端上と該カンチレ
バーの片持ち部側に配置された一組の測温抵抗体もしく
はサーミスターが利用される。熱電対としては、微小な
接点形状を製作されたニッケル−金の組み合わせや、白
金−金の組み合わせを挙げることができる。十分な熱起
電力が得られ、かつ接点サイズを小さく製作することが
可能であれば、任意の金属、合金の組み合わせからなる
熱電対が利用できる。測温抵抗体やサーミスターとして
は、金属、もしくは半導体の電気抵抗の温度依存性を利
用するものが利用可能であり、主に、白金やシリコン半
導体が挙げられる。また、微小熱電対には、表面測定部
から化学的影響などを受けない安定な組み合わせが好ま
しい。カンチレバー温度をフィードバック信号により制
御する加熱手段としては、金属、半導体製の電気抵抗を
利用可能であり、電気抵抗率の大きな白金、ニクロム、
コンスタンタン、ITO等が挙げられる。また、レーザー
照射によりカンチレバー温度を上昇させる方法も加熱手
段として利用可能である。カンチレバー温度を計測する
手段には、熱電対や測温抵抗体、サーミスターが利用可
能である。熱電対材料としては、起電力が大きな熱電対
として、ＣｕとＣｕ、Ｎｉを主とした合金の組み合わせ
（Ｔ熱電対）、Ｎｉ、Ｃｒを主とした合金とＮｉ合金の
組み合わせ（Ｋ熱電対（ＣＡ））、ＦｅとＣｕ、Ｎｉを
主とした合金の組み合わせ（Ｊ熱電対（ＩＣ））、Ｎ
ｉ、Ｃｒを主とした合金とＣｕ、Ｎｉを主とした合金の
組み合わせ（ＣＲＣ）、白金・ロジウム系熱電対であ
る、Ｒｈ含有量の異なるＰｔ-Ｒｈ合金（Ｂ熱電対）、
Ｒｈ含有合金とＰｔとの組み合わせ（Ｒ熱電対、Ｓ熱電
対）、など多くのものを挙げることができる。測温抵抗
体としては白金やその他の抵抗の温度係数が大きな金
属、合金が利用可能である。
【００１３】図７は本発明を原子間力顕微鏡に適用した
場合の一態様を示す。カンチレバーＫ．はＡＦＭに固定
され、カンチレバーＫ．上にはＡＦＭが試料の表面形状
（凹凸）形状の計測に利用する反射板Ｒ．Ｆが設けられ
ている。ＡＦＭはピエゾスキャナーＰＺＳ．上（Ｘ，
Ｙ，Ｚ方向に移動させる）の試料とカンチレバーを一定
の力で接触させながら試料を水平方向に走査させ表面形
状を計測する。この時、前記温度フィードバック信号に
よりカンチレバーＫ．の温度は接触している場所の試料
温度に常に維持され、そのカンチレバー温度を別の測温
手段で計測することで、試料表面の温度を絶対温度分布
として計測することができる。図８aは、ＡＦＭ上で絶
対温度分布計測を行う際に利用されるカンチレバーの温
度を常に試料温度に一致させるフィードバック制御を行
う温度計測カンチレバーの一態様を示す。カンチレバー
先端と該カンチレバー片持ち部の間の２点の温度差を検
出するニッケル−金熱電対を有し、カンチレバーの温度
制御する、絶縁性樹脂Ｉ．Ｒなどで絶縁されたヒーター
（Ｈ）と前記温度制御されたカンチレバー温度を計測す
る絶縁された別の熱電対（Ｔ熱電対）（Ｔ．Ｃ’）をカ
ンチレバーの片持ち部近傍に有している。ニッケル−金
熱電対は、図８ｂに示すように、先鋭化したニッケル細
線（Ｎｉ．Ｗ）と絶縁膜（Ｉ．Ｆ．）、金薄膜（Ａｕ．
Ｆ．）から成り、好ましくはニッケル−金熱電対の測温
接点は１ミクロン以下のサイズであり、それ自身がＡＦ
Ｍの物理量検出カンチレバーとして作用するように反射
板（レーザにより上下動を検知するための反射部材）を
有している。図８ｃは、図８ａ（Ａ）部分のカンチレバ
ー片持ち側近傍の構造を拡大して説明するものである。
絶縁樹脂（Ｉ．Ｐ）上にニクロム線ヒータ（Ｈ）が設け
られており。該ヒータ近傍には、ニッケル細線（Ｎｉ．
Ｗ．）と絶縁膜（Ｉ．Ｆ）、金薄膜（Ａｕ．Ｆ．）から
成る熱電対のカンチレバー片持ち側の基準接点（Ｒ．
Ｐ）の構成、該カンチレバー片持ち側近傍に設けられた
カンチレバーの温度を検出する別のＣｕ線−コンスタン
タン線からなる熱電対（Ｔ．Ｃ’）接点が設けられてい
る。
場合の一態様を示す。カンチレバーＫ．はＡＦＭに固定
され、カンチレバーＫ．上にはＡＦＭが試料の表面形状
（凹凸）形状の計測に利用する反射板Ｒ．Ｆが設けられ
ている。ＡＦＭはピエゾスキャナーＰＺＳ．上（Ｘ，
Ｙ，Ｚ方向に移動させる）の試料とカンチレバーを一定
の力で接触させながら試料を水平方向に走査させ表面形
状を計測する。この時、前記温度フィードバック信号に
よりカンチレバーＫ．の温度は接触している場所の試料
温度に常に維持され、そのカンチレバー温度を別の測温
手段で計測することで、試料表面の温度を絶対温度分布
として計測することができる。図８aは、ＡＦＭ上で絶
対温度分布計測を行う際に利用されるカンチレバーの温
度を常に試料温度に一致させるフィードバック制御を行
う温度計測カンチレバーの一態様を示す。カンチレバー
先端と該カンチレバー片持ち部の間の２点の温度差を検
出するニッケル−金熱電対を有し、カンチレバーの温度
制御する、絶縁性樹脂Ｉ．Ｒなどで絶縁されたヒーター
（Ｈ）と前記温度制御されたカンチレバー温度を計測す
る絶縁された別の熱電対（Ｔ熱電対）（Ｔ．Ｃ’）をカ
ンチレバーの片持ち部近傍に有している。ニッケル−金
熱電対は、図８ｂに示すように、先鋭化したニッケル細
線（Ｎｉ．Ｗ）と絶縁膜（Ｉ．Ｆ．）、金薄膜（Ａｕ．
Ｆ．）から成り、好ましくはニッケル−金熱電対の測温
接点は１ミクロン以下のサイズであり、それ自身がＡＦ
Ｍの物理量検出カンチレバーとして作用するように反射
板（レーザにより上下動を検知するための反射部材）を
有している。図８ｃは、図８ａ（Ａ）部分のカンチレバ
ー片持ち側近傍の構造を拡大して説明するものである。
絶縁樹脂（Ｉ．Ｐ）上にニクロム線ヒータ（Ｈ）が設け
られており。該ヒータ近傍には、ニッケル細線（Ｎｉ．
Ｗ．）と絶縁膜（Ｉ．Ｆ）、金薄膜（Ａｕ．Ｆ．）から
成る熱電対のカンチレバー片持ち側の基準接点（Ｒ．
Ｐ）の構成、該カンチレバー片持ち側近傍に設けられた
カンチレバーの温度を検出する別のＣｕ線−コンスタン
タン線からなる熱電対（Ｔ．Ｃ’）接点が設けられてい
る。
【００１４】
【実施例】実施例１ 試料表面の凹凸形状を計測するように設計された原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバー（Ｋ．）に、図７に
記載された形状の、好ましくは１ミクロン以下、より好
ましくは０．１ミクロン以下のサイズの測温接点（Ｍ．
Ｐ）をカンチレバー先端に持つ微小熱電対（ニッケル−
金型熱電対）を配置した。微小熱電対の基準接点部（カ
ンチレバーの片持ち側）にはニクロム線ヒーター（Ｈ）
（ワイヤー径５０μｍ）を設け、該ヒータにカンチレバ
ー先端側の温度を測定する測温接点温度と基準接点温度
との温度差を解消するための電流を供給する手段を接続
する。例えば測温接点部温度とカンチレバーの片持ち
部、例えば基準接点部温度との温度差は、例えば直流増
幅器で増幅されPID制御器へ送られ、PID制御器は可変定
電圧電源からヒーターへ供給される電力を調整し、測温
接点温度と基準接点温度との温度差を解消することで、
カンチレバーと試料の温度が一致するように温度フィー
ドバックが行われる。また、基準接点部には試料温度に
一致した基準接点部の温度Tbを測定する手段、例えばＴ
熱電対を配置しその温度を測定する。前記補償された基
準接点部温度は、測温接点部、さらには、試料表面の温
度と同じであるから、結果的には試料表面温度分布を計
測していることになる。
力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバー（Ｋ．）に、図７に
記載された形状の、好ましくは１ミクロン以下、より好
ましくは０．１ミクロン以下のサイズの測温接点（Ｍ．
Ｐ）をカンチレバー先端に持つ微小熱電対（ニッケル−
金型熱電対）を配置した。微小熱電対の基準接点部（カ
ンチレバーの片持ち側）にはニクロム線ヒーター（Ｈ）
（ワイヤー径５０μｍ）を設け、該ヒータにカンチレバ
ー先端側の温度を測定する測温接点温度と基準接点温度
との温度差を解消するための電流を供給する手段を接続
する。例えば測温接点部温度とカンチレバーの片持ち
部、例えば基準接点部温度との温度差は、例えば直流増
幅器で増幅されPID制御器へ送られ、PID制御器は可変定
電圧電源からヒーターへ供給される電力を調整し、測温
接点温度と基準接点温度との温度差を解消することで、
カンチレバーと試料の温度が一致するように温度フィー
ドバックが行われる。また、基準接点部には試料温度に
一致した基準接点部の温度Tbを測定する手段、例えばＴ
熱電対を配置しその温度を測定する。前記補償された基
準接点部温度は、測温接点部、さらには、試料表面の温
度と同じであるから、結果的には試料表面温度分布を計
測していることになる。
【００１５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
カンチレバーの先端部側とカンチレバーの片持ち側の２
点の温度差を検知して熱流束情報として検出する手段
（熱流束情報検出手段）を配設したカンチレバーを試料
表面に接触させ、該カンチレバーの温度を常に試料表面
の温度に一致させるように前記熱流束情報に基づいたフ
ィードバック信号を前記カンチレバーの温度制御手段に
送るように走査型温度分布計測システムを設計すること
によって、材質による試料・プローブの熱伝導率の違
い、プローブと試料間の接触状態（熱接触抵抗）、個々
の熱電対プローブ固有の温度感度特性など、試料温度を
正確に測定するのに影響するファクターに対し、影響を
受けずに試料表面の絶対温度を計測できるという、優れ
た効果がもたらされる。
カンチレバーの先端部側とカンチレバーの片持ち側の２
点の温度差を検知して熱流束情報として検出する手段
（熱流束情報検出手段）を配設したカンチレバーを試料
表面に接触させ、該カンチレバーの温度を常に試料表面
の温度に一致させるように前記熱流束情報に基づいたフ
ィードバック信号を前記カンチレバーの温度制御手段に
送るように走査型温度分布計測システムを設計すること
によって、材質による試料・プローブの熱伝導率の違
い、プローブと試料間の接触状態（熱接触抵抗）、個々
の熱電対プローブ固有の温度感度特性など、試料温度を
正確に測定するのに影響するファクターに対し、影響を
受けずに試料表面の絶対温度を計測できるという、優れ
た効果がもたらされる。
【図１】 本発明の走査温度分布計測システムの概要
【図２】 熱電対を用いた本発明の走査温度分布計測シ
ステムのブロック図
ステムのブロック図
【図３】 測温抵抗体を用いた本発明の走査温度分布計
測システムのブロック図
測システムのブロック図
【図４】 試料の温度上昇ΔＴｓに対する測温接点部温
度上昇ΔＴｐのフィードバックがない場合との対比を計
測する装置
度上昇ΔＴｐのフィードバックがない場合との対比を計
測する装置
【図５】 図４によるフィードバックがない場合との対
比
比
【図６】 本発明の絶対温度を検出する計測モデルと従
来の計測モデル
来の計測モデル
【図７】 本発明の温度分布計測法を原子間力顕微鏡に
適用した概略図
適用した概略図
【図８】 本発明の温度制御付きカンチレバーの構造
（ａ）、先端構造（ｂ）、カンチレバー片持ち側近傍の
拡大図（ｃ）
（ａ）、先端構造（ｂ）、カンチレバー片持ち側近傍の
拡大図（ｃ）
K. カンチレバー K.S. カンチレバー支持体 H. ヒーター F.B. フィードバックシステム T.C.
熱電対 T.C'. 別の熱電対の測温接点 T.C'.S. 温度計測シス
テム S. 試料 M.P. 熱電対の測温接点 R.P. 熱電対の参
照接点 Tp. カンチレバー先端温度 Tb. カンチレバー片持ち
側温度 ΔT. カンチレバー上の温度差 Ts. 試料温度 T0.
周囲温度 ΔTm. 周囲温度を基準とした計測温度 ΔTs. 周囲温度を基準とした試料温度 e. 増幅器
f. PID調節器 g. 可変定電圧電源 h. 増幅器 i. AFMコントロー
ラー j. 演算器 n. 計算機 u. 電圧計 v. 電圧計 Rs.
試料内熱抵抗 Rc. 接触熱抵抗 Rp. カンチレバーの熱抵抗 R1. カンチレバー上の測温抵抗体 R2. カンチレバー片持ち部の測温抵抗体 RR1. R1の
参照抵抗 RR2. R2の参照抵抗 V. ブリッジ印加電圧 V1. ブ
リッジ出力電圧 V2. R2にかかる電圧 R.F. 反射板 PZS. ピエゾス
キャナー P.S. プローブ支持部 I.R. 絶縁性樹脂 I.F. 絶縁
膜 Au.F. 金薄膜 Ni.W. ニッケル細線 Cu.W. 銅細線 Co.W. コンスタンタン細線 TC'L. 別の熱電対出力ラ
イン HL. ヒーター電力供給ライン ΔTL. 熱電対出力ライ
ン
熱電対 T.C'. 別の熱電対の測温接点 T.C'.S. 温度計測シス
テム S. 試料 M.P. 熱電対の測温接点 R.P. 熱電対の参
照接点 Tp. カンチレバー先端温度 Tb. カンチレバー片持ち
側温度 ΔT. カンチレバー上の温度差 Ts. 試料温度 T0.
周囲温度 ΔTm. 周囲温度を基準とした計測温度 ΔTs. 周囲温度を基準とした試料温度 e. 増幅器
f. PID調節器 g. 可変定電圧電源 h. 増幅器 i. AFMコントロー
ラー j. 演算器 n. 計算機 u. 電圧計 v. 電圧計 Rs.
試料内熱抵抗 Rc. 接触熱抵抗 Rp. カンチレバーの熱抵抗 R1. カンチレバー上の測温抵抗体 R2. カンチレバー片持ち部の測温抵抗体 RR1. R1の
参照抵抗 RR2. R2の参照抵抗 V. ブリッジ印加電圧 V1. ブ
リッジ出力電圧 V2. R2にかかる電圧 R.F. 反射板 PZS. ピエゾス
キャナー P.S. プローブ支持部 I.R. 絶縁性樹脂 I.F. 絶縁
膜 Au.F. 金薄膜 Ni.W. ニッケル細線 Cu.W. 銅細線 Co.W. コンスタンタン細線 TC'L. 別の熱電対出力ラ
イン HL. ヒーター電力供給ライン ΔTL. 熱電対出力ライ
ン
Claims (7)
- 【請求項１】 カンチレバーの先端部側とカンチレバー
の片持ち側の２点のの温度差を検知して熱流束情報とし
て検出する手段（熱流束情報検出手段）を配設したカン
チレバーを試料表面に接触させ、該カンチレバーの温度
を常に試料表面の温度に一致させるように前記熱流束情
報に基づいたフィードバック信号を前記カンチレバーの
温度制御手段に送りながら、前記カンチレバーの片持ち
側の位置に設けられた温度計測手段によりカンチレバー
の温度を検出することにより試料表面の温度情報を絶対
温度として得ることを特徴とする走査型温度分布計測方
法。 - 【請求項２】 前記フィードバック信号が、カンチレバ
ーの先端部側とカンチレバーの片持ち側の２点の温度差
を検知して熱流束情報として検出する手段（熱流束情報
検出手段）により検出される熱流束が実質的に０になる
ように前記カンチレバーの片持ち側の位置の近傍に設け
られた温度計測手段の近傍に設けられた温度制御手段を
作動させものであり、該カンチレバー温度を試料表面温
度に一致させるものであることを特徴とする請求項１に
記載の試料温度の絶対温度を検出する走査型温度分布計
測方。 - 【請求項３】 前記カンチレバーの２点の温度差を検知
する手段が、熱電対または測温抵抗体もしくはサーミス
ターであることを特徴とする請求項１または２に記載の
試料温度の絶対温度を検出する走査型温度分布計測方
法。 - 【請求項４】 前記温度制御手段が加熱手段であること
を特徴とする請求項１から３に記載の試料温度の絶対温
度を検出する走査型温度分布計測方法。 - 【請求項５】 前記カンチレバーの片持ち側に設けられ
た温度計測手段が熱電対、または測温抵抗体、もしくは
サーミスターであることを特徴とする請求項１から４の
いずれかに記載の試料温度の絶対温度を検出する走査型
温度分布計測方法。 - 【請求項６】 カンチレバーの先端部側とカンチレバー
の片持ち側の２点の温度差を検知して熱流束情報として
検出する手段（熱流束情報検出手段）、該カンチレバー
の温度を計測される表面温度に一致させる温度制御手
段、該カンチレバーの片持ち側に近傍に配設されたカン
チレバー温度計測手段、該カンチレバーの熱流束を実質
的に０にするフィードバック信号を前記温度制御手段に
送る手段を持つ試料表面の温度情報を絶対温度として得
ることを特徴とする走査型温度分布計測装置。 - 【請求項７】 カンチレバーの温度を常に計測される表
面温度に一致させる温度制御手段を持つ温度計測手段を
原子間力顕微鏡のカンチレバープローブに配設したこと
を特徴とする試料の物理特性および絶対温度を検出する
走査型計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17714399A JP3687030B2 (ja) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | 微小表面温度分布計測法およびそのための装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17714399A JP3687030B2 (ja) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | 微小表面温度分布計測法およびそのための装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001004455A true JP2001004455A (ja) | 2001-01-12 |
| JP3687030B2 JP3687030B2 (ja) | 2005-08-24 |
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ID=16025948
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17714399A Expired - Fee Related JP3687030B2 (ja) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | 微小表面温度分布計測法およびそのための装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3687030B2 (ja) |
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-
1999
- 1999-06-23 JP JP17714399A patent/JP3687030B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP3687030B2 (ja) | 2005-08-24 |
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