JP2004325339A - カンチレバープローブ構造及び走査型力顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【課題】カンチレバープローブ構造及び走査型力顕微鏡に関し、効率的に物理量の測定を行うことができるようにすることを目的とする。
【解決手段】走査型力顕微鏡用カンチレバープローブ構造は、保持部材２４と、カンチレバー２６、３０とを備え、各カンチレバーはレバー本体２７、３１と、レバー本体に設けられた探針２８、３２とを有し、２つのカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１は保持部材２４に一緒に保持され、２つのカンチレバーの探針２８、３２は異なった物理量を検出するように構成されている構成とする。
【選択図】 図２
【解決手段】走査型力顕微鏡用カンチレバープローブ構造は、保持部材２４と、カンチレバー２６、３０とを備え、各カンチレバーはレバー本体２７、３１と、レバー本体に設けられた探針２８、３２とを有し、２つのカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１は保持部材２４に一緒に保持され、２つのカンチレバーの探針２８、３２は異なった物理量を検出するように構成されている構成とする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気力や電気力などの物理量を測定する走査型力顕微鏡用カンチレバープローブ構造及び走査型力顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気力や電気力などの物理量を測定するためにカンチレバープローブ構造を備えた走査型力顕微鏡は公知である（例えば、特許文献１、２、３参照）。カンチレバープローブ構造は、レバー本体と、レバー本体に設けられた先端が鋭く尖った探針とを有するカンチレバーを備える。例えば、ハードディスクのような高密度に磁化された磁気記録媒体や磁気ヘッドなどの磁性体試料の磁化パターンを測定するために磁気力顕微鏡がある。磁気力顕微鏡では、カンチレバーの探針には強磁性材料が付加される。カンチレバーは、探針が磁性体試料の表面の近くの位置にくるように配置され、探針と磁性体試料との間に働く磁気力を測定する。そのため、探針は測定対象である磁性体試料の表面からわずかに浮上した位置に維持され、磁性体試料の表面に非接触な状態で走査して磁気力を測定する。磁性体試料と探針との間に磁気力が働くと、探針を保持しているレバー本体が撓み、このたわみを光てこ法などで検出する。このようにして、測定された磁気力をマッピングすることで、磁化パターンの測定が可能となる。探針の磁性体試料の表面に対する高さ位置の設定が測定分解能や測定精度に影響するため、正確な高さ位置の設定を行う必要がある。
【０００３】
電気力測定の場合も、同様に、電気力に反応する構造（導電材料）を探針に形成し、探針を測定対象から浮上させて走査を行い、電気力測定を行う。
【０００４】
このように、非接触で力測定を行う走査型力顕微鏡では、探針をわずかに試料表面から浮上させて走査を行うことでさまざまな物理量の測定を行うことができる。
【０００５】
従って、探針をわずかに試料表面から浮上させて走査を行うことが必要であり、そのために先ず探針の高さ位置を測定しておく必要があった。このために、従来は、２回の走査を行うことにより物理量の測定を行っている（例えば、特許文献１参照）。１回目のライン走査で試料の形状測定を行い、２回目のライン走査で所望の物理量測定を行う。１回目の走査では、探針を測定対象試料の表面に接触させながら走査を行う。これによって試料の表面形状を測定し、一旦形状情報としてコントローラに蓄積する。引き続き、２回目の走査を行い、このときは１回目の走査で得られた表面形状情報をもとに所定の浮上高さ分だけ探針が浮上するように高さ制御用微動ステージを制御しながら走査を行う。これにより、試料表面からわずかに探針を浮上させ、非接触での物理量測定を行うことができる。
【０００６】
また、原子間力顕微鏡および磁気力顕微鏡などの複数の走査型力顕微鏡を含む測定方法がある（例えば、特許文献２参照）。また、短時間で広い範囲の測定を可能とするために複数の同一種類のカンチレバープローブ構造をもち、全体のカンチレバープローブ構造の姿勢を制御しながら測定を行うようにした走査型力顕微鏡がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２１３９１０号公報
【特許文献２】
特開平７−１３４１３７号公報
【特許文献３】
特開２０００−１８３２８３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、探針を試料と非接触で物理量を測定する場合、まず探針を試料に接触させながら試料の表面の形状測定を行い、それからその測定結果に基づいて探針を試料に対して所定の浮上量だけ浮上させた状態を維持しながら物理量を測定している。そのため、２度の走査を行う必要があるため、測定時間が増加する問題がある。また、２度の走査を行うことなく、例えば走査開始時にのみ探針の高さ位置設定を行い、その後は設定された高さのままで物理量測定のための走査を行うことができるが、この場合にも、高さ設定に少なからず時間を要するため、これによって測定時間が増加する。また、探針の高さ位置が予期した位置からずれたり、試料表面に凹凸があったりすると、一定の高さ位置を維持するのが難しい。さらに、物理量の測定に利用する探針が試料の表面に接触を繰り返すため、探針の材料が汚染されたり、劣化したりして、測定再現性を悪化させたり、探針の寿命を短くさせたりする問題がある。
【０００９】
本発明の目的は効率的に物理量の測定を行うことのできるカンチレバープローブ構造及び走査型力顕微鏡を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるカンチレバープローブ構造は、保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーとを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明による走査型力顕微鏡は、保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーと、該保持部材を支持し且つ移動させる支持手段と、該少なくとも２つのカンチレバーの変位を検出する検出手段とを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
これらの構成によれば、少なくとも２つのカンチレバーが保持部材に一緒に保持されており、少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するようになっている。従って、例えば、第１のカンチレバーは探針が測定試料の表面に接触しながら測定試料の表面の形状の測定を行い、この測定結果に基づいて保持部材を動かして第２のカンチレバーの探針が測定試料の表面から所定の浮上量だけ浮上した状態を維持しつつ、第２のカンチレバーの探針が測定試料の表面に非接触で測定試料の物理量（例えば、磁気力や電気力）を測定することができる。このようにして、測定試料の表面の形状の測定と、測定試料の物理量の測定とを同時に行うことができる。少なくとも２つのカンチレバーは形状や材質を変更することで、機能に応じた最適な機械的特性を得ることができる。
【００１３】
本発明によるカンチレバープローブ構造は、従来のカンチレバープローブ構造とは異なり、表面形状測定による浮上高さ制御と磁界分布などの物理量の非接触測定を同時にできることから、測定速度を向上させることができる。また、振動やドリフトの影響をリアルタイムで回避することができることから、走査型力顕微鏡の設置環境に左右されず正確な測定が可能になる。さらに、物理量測定用の探針が試料に接触しないため、探針の汚染や劣化を防止できるため、探針の寿命を延ばすことができ、再現性の低下を防ぐことも可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図２は図１の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図３は図２のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００１６】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００１７】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。第１及び第２のカンチレバー２６、３０はそれぞれレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。
【００１８】
レバー本体２７、３１は細長い板状に形成され、探針２８、３２は先端が鋭く尖った形状を有している。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。探針２８、３２はレバー本体２７、３１の他端部に設けられている。
【００１９】
第１及び第２のカンチレバー２６、３０はともにシリコンで形成されており、シリコンのチップ台座２４に半導体製造プロセスの成膜および加工技術で設けられる。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の探針２８、３２は異なった物理量を検出するようになっている。
【００２０】
第１のカンチレバー２６の探針２８の表面は特に被覆されていない。第２のカンチレバー３０の探針３２の表面には厚さ３０ｎｍ程度のＣｏＣｒなどの磁性材料３４が被覆されている。第１のカンチレバー２６の探針２８は試料２２の表面に接触して試料２２の物理量（この場合、試料２２の表面形状）を測定する。第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に非接触で物理量を測定する。実施例の走査型力顕微鏡１０は磁気力顕微鏡であり、試料２２は磁性体を含む。例えば、試料２２は、ハードディスクのような高密度に磁化された磁気記録媒体や磁気ヘッド等である。探針３２を試料２２に近づけて、探針３２と試料２２との間に作用する磁気力を測定することができる。
【００２１】
走査型力顕微鏡１０がその他の物理量を測定するものである場合には、第２のカンチレバー３０の探針３２はその他の物理量を測定するのに適した構造にされる。例えば、走査型力顕微鏡１０が電気力顕微鏡である場合には、第２のカンチレバー３０の探針３２には導電材料が設けられる。
【００２２】
第１のカンチレバー２６と第２のカンチレバー３０は同一平面内で互いに平行に配置される。第１のカンチレバー２６の長さは第２のカンチレバー３０の長さとは異なっている。この実施例においては、第１のカンチレバー２６の長さが第２のカンチレバー３０の長さより長い。例えば、第１のカンチレバー２６の長さ（チップ台座から探針までの距離）Ｌ１は２０６μｍ、第２のカンチレバー３０の長さ（チップ台座から探針までの距離）Ｌ２は２００μｍである。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の幅は２０μｍ、厚さは３μｍであり、探針２８、３２の高さは１０μｍである。２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。
【００２３】
検出手段１８は、２つの光学的検出装置を含む。第１の光学的検出装置は光源３６Ａと検出器３６Ｂとからなり、第２の光学的検出装置は光源３８Ａと検出器３８Ｂとからなる。検出器３６Ｂは光源３６Ａから出て第１のカンチレバー２６で反射した光を検出する。光検出器３８Ｂは光源３８Ａから出て第２のカンチレバー３０で反射した光を検出する。
【００２４】
走査型力顕微鏡１０の作用において、カンチレバープローブ構造１６（第１及び第２のカンチレバー２６、３０）は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。この状態で、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、長い第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２の表面に接触し、第１のカンチレバー２６（レバー本体２７）が撓む。短い第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に接触しない。第１の光学的検出装置（光源３６Ａと検出器３６Ｂ）は第１のカンチレバー２６の撓み量を光てこ法により測定する。
【００２５】
第１のカンチレバー２６の変位（撓み量）情報はコントローラ２０に入力される。コントローラ２０は第１のカンチレバー２６の変位をあらわす第１の光学的検出装置の出力に応じて第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように高さ制御用微動ステージ（支持手段）１４を制御する。つまり、第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように第１の光学的検出装置で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、カンチレバープローブ構造１６が試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。従って、第２のカンチレバー３０の探針３２は常に試料２２の表面からほぼ一定の位置に浮上している状態に維持される。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を第２の光学的検出装置（光源３８Ａと検出器３８Ｂ）で光てこ法により検出することで、試料２２の磁界分布の測定が可能になる。
【００２６】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が１μｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０の探針３２が４０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００２７】
また、この実施例においては、第１のカンチレバー２６の材料にシリコン窒化膜を利用することもできる。シリコン窒化膜はコンタクト方式の形状測定に適した材料であり、このようにカンチレバーの材料を選択することによりカンチレバーの検出目的に応じた最適な特性を引き出すことが可能になる。
【００２８】
図４は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図５は図４の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図６は図５のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００２９】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００３０】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。
【００３１】
レバー本体２７、３１は細長い板状に形成され、探針２８、３２は先端が鋭く尖った形状を有している。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。探針２８、３２はレバー本体２７、３１の他端部に設けられている。
【００３２】
この例では、第１のカンチレバー２６の長さは第２のカンチレバー３０の長さよりも短い。第１のカンチレバー２６の長さＬ１は１００μｍ、第２のカンチレバー３０の長さＬ２は１０３μｍである。第１及び第２のカンチレバー２６、３０はともにシリコン窒化膜で形成されている。第２のカンチレバー３０の探針３２は厚さ３０ｎｍ程度のＣｏＣｒなどの磁性材料３４で被覆されている。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の幅は２０μｍ、厚さは１μｍである。探針２８、３２の高さは１０μｍであり、２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。
【００３３】
さらに、ＰＺＴなどの圧電材料からなる第１の自己励振機構４０が第１のカンチレバー２６とチップ台座１４との間に設けられ、ＰＺＴなどの圧電材料からなる第２の自己励振機構４２が第２のカンチレバー３０とチップ台座１４との間に設けられる。第１及び第２の自己励振機構４０、４２は独立的に第１及び第２のカンチレバー２６、３０を振動させることができる。
【００３４】
カンチレバープローブ構造１６は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。ここで、第１の自己励振機構４０を用いて、表面形状測定用の第１のカンチレバー２６を同カンチレバー２６の共振周波数となる例えば７０ｋＨｚ で、振動振幅が１．２μｍ程度となるように振動させる。第１のカンチレバー２６の振動の振幅は第１の光学的検出装置（光源３６Ａと検出器３６Ｂ）により光てこ法で測定する。
【００３５】
このまま、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、振動させた浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２に接触し、第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に接触しない。第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２に接触すると、第１のカンチレバー２６の振動振幅が次第に小さくなるが、この振動振幅が一定になるように第１の光学的検出装置（光源３６Ａと検出器３６Ｂ）で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査しつつ、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を第２の光学的検出装置（光源３８Ａと検出器３８Ｂ）を用いて光てこ法により検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００３６】
また、この実施例においては、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６の振動振幅が１１００ｎｍとなる状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０の探針３２が、試料２２の表面に対して６０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００３７】
これにより、第１のカンチレバー２６は試料２２の表面形状の測定用として使用でき、第２のカンチレバー３０は試料２２の磁界信号検出用として使用できる。従って、本発明のカンチレバープローブ構造１６は磁気力顕微鏡用カンチレバープローブ構造として使用が可能である。
【００３８】
図７は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図８は図７の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図９は図８のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００３９】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００４０】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。
【００４１】
第１のカンチレバー２６のレバー本体２７はまっすぐな細長い板状に形成される。探針２８はレバー本体２７の端部に設けられ、先端が鋭く尖った形状を有している。第２のカンチレバー３０のレバー本体３１はＬ字型形状の板状に形成され、レバー本体２７と平行にＸ方向に延びる第１の部分３１Ａと、第１の部分３１Ａからほぼ垂直にＹ方向に延びる第２の部分３１Ｂとを有する。探針３２は第２の部分３１Ｂの端部に設けられ、先端が鋭く尖った形状を有している。
【００４２】
第２のカンチレバー３０の第１の部分３１Ａは第２の部分３１Ｂよりも厚く形成されているか補強されている。この例では、第２のカンチレバー３０の第１の部分３１Ａの幅は第２の部分３１Ｂの幅よりも大きく、かつ、第２のカンチレバー３０の第１の部分３１Ａは補強部３１Ｃを含み、Ｔ字型の断面形状に形成されている。
【００４３】
従って、第１のカンチレバー２６はその延伸方向と一致するＸ方向に撓むことができ、一方、第２のカンチレバー３０では主として第２の部分３１Ｂが撓みやすく、よって第２のカンチレバー３０はＹ方向に撓むように構成されている。第２のカンチレバー３０については、第２の部分３１Ｂのばね定数が第１の部分３１Ａのばね定数より小さく、探針３２は該第２の部分３１Ｂに設けられている。
【００４４】
なお、第２のカンチレバー３０については、第２の部分３１Ｂのばね定数が第１の部分３１Ａのばね定数より小さい構造であれば、上記実施例に限定されるものではない。また、第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の第１の部分３１Ａは第１のカンチレバー２６のレバー本体２７と完全に平行である必要はなく、Ｘ方向のばね定数がＹ方向のばね定数よりも大きくなる範囲で傾いてもよい。
【００４５】
第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の長さは第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の第１の部分３１Ａの長さよりも長い。第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の長さ（チップ台座から探針までの距離）Ｌ１は２０６μｍであり、第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の第１の部分３１Ａの長さ（チップ台座から探針までの距離）Ｌ２は２００μｍである。
【００４６】
第１及び第２のカンチレバー２６、３０はシリコン窒化膜にて形成されており、第２のカンチレバー３０の探針３２にはＣｏＣｒなどの磁性材料３４が３０ｎｍ程度形成されている。第１のカンチレバー２６の幅は２０μｍ、第２のカンチレバー３０の第１の部分３１Ａの幅は４０μｍ、第２のカンチレバー３０の第２の部分３１Ｂの幅は２０μｍである。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の厚さは１μｍ、探針２８、３２の高さは１０μｍ、２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。これにより、第１のカンチレバー２６は表面形状の測定用として使用でき、第２のカンチレバー３０は磁界信号検出用として使用できる。従って、本発明のカンチレバープローブ構造１６は磁気力顕微鏡用カンチレバープローブ構造として使用が可能である。
【００４７】
本実施例のＬ字型構造とすることにより、第１のカンチレバー２６と第２のカンチレバー３０における撓みの発生方向は互いに９０度ずれた方向になる。すなわち、第１のカンチレバー２６はＸ方向に撓みが発生し、第２のカンチレバー３０はＹ方向に撓みが発生することになる。
【００４８】
検出手段１８は、単一の組の光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置からなる。
【００４９】
走査型力顕微鏡１０の作動において、カンチレバープローブ構造１６は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。このまま、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、長い第１のカンチレバー２６の探針２８が先に試料２２に接触し、第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２に接触しない。試料２２との接触により撓む第１のカンチレバー２６の撓み量を光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置によって光てこ法により測定する。
【００５０】
第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように光学式検出装置で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置を用いて光てこ法により検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００５１】
ここで、スポットサイズが１００μｍ程度の光源３７Ａを用いることで、２つのカンチレバー２６、３０に同時に光を照射できる。また、第１のカンチレバー２６はＸ方向に撓むため、反射光は検出器３７ＢのＸ方向変位として検出されることになる。第２のカンチレバー３０はＹ方向に撓むため、反射光は検出器３７ＢのＹ方向変位として検出されることになる。Ｘ方向及びＹ方向の変位を独立して検出できる２次元検出器を用いることで、２つのカンチレバー２６、３０の撓み量を同時に測定でき、走査型力顕微鏡１０の構造を簡略化することが可能となる。
【００５２】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が１μｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０が４０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００５３】
図１０は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図１１は図１０の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図１２は図１１のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００５４】
走査型力顕微鏡１０は、前の例と同様に、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００５５】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。
【００５６】
第２のカンチレバー３０のレバー本体３１はまっすぐな細長い板状に形成される。第１のカンチレバー２６のレバー本体２７はＬ字型形状の板状に形成され、レバー本体３１と平行にＸ方向に延びる第１の部分２７Ａと、第１の部分２７Ａからほぼ垂直にＹ方向に延びる第２の部分２７Ｂとを有する。
【００５７】
第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａは第２の部分２７Ｂよりも厚く形成されているか補強されている。この例では、第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａの幅は第２の部分２７Ｂの幅よりも大きく、かつ、第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａの厚さは第２の部分２７Ｂの厚さよりも厚い。従って、第１のカンチレバー２６は主としてその延伸方向と垂直なＹ方向に撓むことができ、一方、第２のカンチレバー３０はＸ方向に撓むように構成されている。第１のカンチレバー２６については、第２の部分２７Ｂのばね定数が第１の部分２７Ａのばね定数より小さく、探針２８は該第２の部分２７Ｂに設けられている。
【００５８】
なお、第２の部分２７Ｂのばね定数が第１の部分２７Ａのばね定数より小さい構造であれば、上記実施例に限定されるものではない。また、第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の第１の部分２７Ａは第２のカンチレバー３０のレバー本体３１と完全に平行である必要はなく、Ｘ方向のばね定数がＹ方向のばね定数よりも大きくなる範囲で傾いてもよい。
【００５９】
第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の長さは第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の長さよりも長い。第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の第１の部分２７Ａの長さＬ１は２０６μｍであり、第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の長さＬ２は２００μｍである。
【００６０】
第１及び第２のカンチレバー２６、３０はシリコンにて形成されており、第２のカンチレバー３０の探針３２にはＣｏＣｒなどの磁性材料３４が３０ｎｍ程度形成されている。第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａの幅は４０μｍ、第１のカンチレバー２６の第２の部分２７Ｂの幅は２０μｍ、第２のカンチレバー３０の幅は２０μｍである。第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａの厚さは２μｍ、第１のカンチレバー２６の第２の部分２７Ｂの厚さは１μｍ、第２のカンチレバー３０の厚さは１μｍである。探針２８、３２の高さは１０μｍ、２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。これにより、第１のカンチレバー２６は表面形状の測定用として使用でき、第２のカンチレバー３０は磁界信号検出用として使用できる。従って、本発明のカンチレバープローブ構造１６は磁気力顕微鏡用カンチレバープローブ構造として使用が可能である。
【００６１】
本実施例のＬ字型構造とすることにより、第１のカンチレバー２６と第２のカンチレバー３０における撓みの発生方向は互いに９０度ずれた方向になる。すなわち、第１のカンチレバー２６はＸ方向に撓みが発生し、第２のカンチレバー３０はＹ方向に撓みが発生することになる。
【００６２】
検出手段１８は、単一の組の光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置からなる。
【００６３】
走査型力顕微鏡１０の作動において、カンチレバープローブ構造１６は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。このまま、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、第１のカンチレバー２６の探針２８が先に試料２２に接触し、第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２に接触しない。試料２２との接触により撓む第１のカンチレバー２６の撓み量を光源３７Ａと検出器３７Ｂとから光学式検出装置によって光てこ法により測定する。
【００６４】
第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように光学式検出装置で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置を用いて光てこ法により検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００６５】
ここで、スポットサイズが１００μｍ程度の光源３７Ａを用いることで、２つのカンチレバー２６、３０に同時に光を照射できる。また、第１のカンチレバー２６はＹ方向に撓むため、反射光は検出器３７ＢのＹ方向変位として検出されることになる。第２のカンチレバー３０はＸ方向に撓むため、反射光は検出器３７ＢのＸ方向変位として検出されることになる。Ｘ方向及びＹ方向の変位を独立して検出できる２次元検出器を用いることで、２つのカンチレバー２６、３０の撓み量を同時に測定でき、走査型力顕微鏡１０の構造を簡略化することが可能となる。
【００６６】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が１μｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０が４０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００６７】
図１３は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図１４は図１３の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図１５は図１４のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００６８】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００６９】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。
【００７０】
レバー本体２７、３１は細長い板状に形成され、探針２８、３２は先端が鋭く尖った形状を有している。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。探針２８、３２はレバー本体２７、３１の他端部に設けられている。第１及び第２のカンチレバー２６、３０はともにシリコンで形成されている。第１のカンチレバー２６の探針２８の表面は特に被覆されていない。第２のカンチレバー３０の探針３２の表面には厚さ３０ｎｍ程度のＣｏＣｒなどの磁性材料３４が被覆されている。
【００７１】
この実施例においては、第１のカンチレバー２６の長さが第２のカンチレバー３０の長さと等しい。例えば、第１のカンチレバー２６及び第２のカンチレバー３０の長さは２００μｍである。また、第１のカンチレバー２６の探針２８の高さＨ１は１１μｍ、第２のカンチレバー３０の探針３２の高さＨ２は１０μｍであり、互いに異なっている。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の幅は２０μｍ、厚さは３μｍである。２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。
【００７２】
走査型力顕微鏡１０の作用において、第１及び第２のカンチレバー２６、３０は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。この状態で、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、高い探針２８をもった第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２の表面に接触し、第１のカンチレバー２６が撓む。第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に接触しない。第１の光学的検出装置（光源３６Ａと検出器３６Ｂ）は第１のカンチレバー２６の撓み量を光てこ法により測定する。
【００７３】
第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように光学式検出装置で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を第２の光学式検出装置（光源３８Ａと検出器３８Ｂ）を用いて光てこ法により検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００７４】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が９２０ｎｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０の探針３２が５０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００７５】
同様の観点から、２本の探針２８、３２の高さを同一とし、カンチレバー２６、３０を変位方向に予め湾曲させた構造とし、実質的な探針先端位置に差をつけ、同様の制御と効果をもたらすことも可能である。
【００７６】
図１６は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図１７は図１６の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図１８は図１７のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００７７】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００７８】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。
【００７９】
レバー本体２７、３１は細長い板状に形成され、探針２８、３２は先端が鋭く尖った形状を有している。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。探針２８、３２はレバー本体２７、３１の他端部に設けられている。第１及び第２のカンチレバー２６、３０はともにシリコンで形成されている。第１のカンチレバー２６の探針２８の表面は特に被覆されていない。第２のカンチレバー３０の探針３２の表面には厚さ３０ｎｍ程度のＣｏＣｒなどの磁性材料３４が被覆されている。
【００８０】
第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の長さＬ１は２０６μｍであり、第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の長さＬ２は２００μｍである。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の幅は２０μｍ、厚さは３μｍであり、探針２８、３２の高さは１０μｍである。２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。
【００８１】
この例においては、検出手段１８として、第１及び第２のカンチレバー２６、３０にはそれぞれポリシリコンのピエゾ抵抗層４４、４６が形成されている。ピエゾ抵抗層４４、４６はそれぞれ第１及び第２のカンチレバー２６、３０の撓み量に応じて抵抗が変化する性質を有している。
【００８２】
走査型力顕微鏡１０の作用において、第１及び第２のカンチレバー２６、３０は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。この状態で、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、長い第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２の表面に接触し、第１のカンチレバー２６が撓む。第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に接触しない。第１のカンチレバー２６の撓み量をピエゾ抵抗層４４の抵抗変化を利用して測定する。
【００８３】
第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるようにピエゾ抵抗層で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅をピエゾ抵抗層４６の抵抗変化を利用して検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００８４】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が１μｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０の探針３２が４０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００８５】
これにより、カンチレバー２６は表面形状の測定用として使用でき、カンチレバー３０は磁界信号検出用として使用できる。従って、本発明のカンチレバープローブ構造は磁気力顕微鏡用カンチレバープローブ構造として使用が可能である。
【００８６】
図１９はカンチレバープローブ構造の走査方法の一例を示す図である。この例は、例えば図１から３の実施例のカンチレバープローブ構造１６の構造を例にとって走査方法について説明する。
【００８７】
２つのカンチレバー２６、３０の探針２８、３２の位置は一致しないので、測定時には図中破線で示したような走査を行い、物理量の測定を行う。従って、表面形状測定用の第１のカンチレバー２６が取得した表面形状情報を一旦蓄積し、同一点を第２のカンチレバー３０が通過するタイミングで高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックをかけることで、正確な浮上高さ制御が可能になる。
【００８８】
以上説明した実施例においては、第１のカンチレバー２６は試料の表面形状（例えば凹凸の有無）を測定するばかりでなく、実質的に平坦な試料の表面の位置を測定することができる。例えば、磁気ヘッドの物理量を測定する場合、磁気ヘッドの表面を鏡面加工されているので、磁気ヘッドの表面の凹凸は非常に小さい。この場合、第２のカンチレバー３０の探針３２の試料２２の表面に対する高さ位置を一度だけ検出しておけば、第２のカンチレバー３０のみで走査を行えばよいように考えられよう。しかし、第２のカンチレバー３０は振動やドリフトの影響を受けて探針３２の試料２２の表面に対する高さ位置が変動する。従って、第１のカンチレバー２６によって試料２２の表面に対する高さ位置を検出し、補正しながら、第２のカンチレバー３０で走査を行うのが好ましい。こうすれば、振動やドリフトの影響をリアルタイムで回避することができ、走査型力顕微鏡の設置環境に左右されず正確な測定が可能になる。
【００８９】
これらの実施例は単独で実施されるだけでなく、相互に特徴を組み合わせて用いることも有効であり、また、本実施例では、磁気力顕微鏡を例にとって説明したが、探針に導電性材料を用いた電気力顕微鏡を始めとするその他の走査型力顕微鏡に適用でき、材料や形状、寸法などはこれらの実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。
【００９０】
以上説明した例は以下の特徴を含む。
【００９１】
（付記１）保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーとを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とするカンチレバープローブ構造。（１）
（付記２）該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第１のカンチレバーは探針が測定試料の表面に接触するように構成され、該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第２のカンチレバーは探針が測定試料の表面に非接触で測定試料の物理量を測定するように構成されていることを特徴とする付記１に記載のカンチレバープローブ構造。（２）
（付記３）該第１のカンチレバーは測定試料の表面の形状を測定し、該第２のカンチレバーの探針は測定試料の表面に非接触で物理量を測定するための材料が付加されていることを特徴とする付記２に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９２】
（付記４）該第１のカンチレバーの長さが該第２のカンチレバーの長さと異なることを特徴とする付記３に記載のカンチレバープローブ構造。（３）
（付記５）該第１のカンチレバーの探針の高さが該第２のカンチレバーの探針の高さと異なることを特徴とする付記３に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９３】
（付記６）該第１のカンチレバーは該第２のカンチレバーとは異なる材料で形成されていることを特徴とする付記３に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９４】
（付記７）少なくとも１つのカンチレバーを振動せしめるための励振機構が設けられることを特徴とする付記３に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９５】
（付記８）該励振機構は圧電材料からなることを特徴とする付記７に記載の走査型力顕微鏡用カンチレバープローブ構造。
【００９６】
（付記９）該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第１のカンチレバーはその延伸方向と一致する第１の方向に撓むように構成され、該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第２のカンチレバーは該第１の方向とは異なる第２の方向に撓むように構成されていることを特徴とする付記１に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９７】
（付記１０）該第１のカンチレバーはほぼまっすぐに延び、該第２のカンチレバーは該第１のカンチレバーとほぼ平行に延びる第１部分と該第１部分に接続された第２の部分とを有し、該第２の部分のばね定数が該第１の部分のばね定数より小さく、該探針は該第２の部分に設けられることを特徴とする付記８に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９８】
（付記１１）該第１の部分は該第２の部分よりも厚く形成されているか補強されていることを特徴とする付記１０に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９９】
（付記１２）該保持部材は半導体材料からなることを特徴とする付記１に記載のカンチレバープローブ構造。
【０１００】
（付記１３）該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該半導体製保持部に半導体製造プロセスの成膜および加工技術により形成された板状の部材からなることを特徴とする付記１２に記載のカンチレバープローブ構造。
【０１０１】
（付記１４）保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーと、該保持部材を支持し且つ移動させる支持手段と、該少なくとも２つのカンチレバーの変位を検出する検出手段とを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とする走査型力顕微鏡。（４）
（付記１５）該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第１のカンチレバーの変位をあらわす該検出手段の出力に応じて該第１のカンチレバーの撓み量もしくは振動振幅が一定となるように該支持手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする付記１３に記載の走査型力顕微鏡。（５）
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高さ位置設定と磁界分布などの非接触物理量測定が同時に行えるため、測定速度の高速化が可能となり、スループットが向上し、大量生産や低コスト化が可能となる。また、物理量測定用の探針が試料表面に触れることがないため、探針先端形状や磁性材料などの探針材料に劣化や汚染が発生せず、再現性のよい測定が可能になり、プローブの寿命も延びるため、低コスト化につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】図２は図１の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図３】図３は図２のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図５】図５は図４の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図６】図６は図５のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図７】図７は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図８】図８は図７の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図９】図９は図８のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図１０】図１０は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図１１】図１１は図１０の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図１２】図１２は図１１のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図１３】図１３は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図１４】図１４は図１３の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図１５】図１５は図１４のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図１６】図１６は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図１７】図１７は図１６の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図１８】図１８は図１７のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図１９】図１９はカンチレバープローブ構造の走査方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０…走査型力顕微鏡
１２…ＸＹステージ
１４…高さ制御用微動ステージ
１６…カンチレバープローブ構造
１８…検出手段
２０…コントローラ
２２…試料
２４…チップ台座
２６…カンチレバー
２８…探針
３０…カンチレバー
３２…探針
３４…磁性材料
３６Ａ…光源
３６Ｂ…検出器
３７Ａ…光源
３７Ｂ…検出器
３８Ａ…光源
３８Ｂ…検出器
４０…自己励振機構
４２…自己励振機構
４４…ピエゾ抵抗層
４６…ピエゾ抵抗層
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気力や電気力などの物理量を測定する走査型力顕微鏡用カンチレバープローブ構造及び走査型力顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気力や電気力などの物理量を測定するためにカンチレバープローブ構造を備えた走査型力顕微鏡は公知である（例えば、特許文献１、２、３参照）。カンチレバープローブ構造は、レバー本体と、レバー本体に設けられた先端が鋭く尖った探針とを有するカンチレバーを備える。例えば、ハードディスクのような高密度に磁化された磁気記録媒体や磁気ヘッドなどの磁性体試料の磁化パターンを測定するために磁気力顕微鏡がある。磁気力顕微鏡では、カンチレバーの探針には強磁性材料が付加される。カンチレバーは、探針が磁性体試料の表面の近くの位置にくるように配置され、探針と磁性体試料との間に働く磁気力を測定する。そのため、探針は測定対象である磁性体試料の表面からわずかに浮上した位置に維持され、磁性体試料の表面に非接触な状態で走査して磁気力を測定する。磁性体試料と探針との間に磁気力が働くと、探針を保持しているレバー本体が撓み、このたわみを光てこ法などで検出する。このようにして、測定された磁気力をマッピングすることで、磁化パターンの測定が可能となる。探針の磁性体試料の表面に対する高さ位置の設定が測定分解能や測定精度に影響するため、正確な高さ位置の設定を行う必要がある。
【０００３】
電気力測定の場合も、同様に、電気力に反応する構造（導電材料）を探針に形成し、探針を測定対象から浮上させて走査を行い、電気力測定を行う。
【０００４】
このように、非接触で力測定を行う走査型力顕微鏡では、探針をわずかに試料表面から浮上させて走査を行うことでさまざまな物理量の測定を行うことができる。
【０００５】
従って、探針をわずかに試料表面から浮上させて走査を行うことが必要であり、そのために先ず探針の高さ位置を測定しておく必要があった。このために、従来は、２回の走査を行うことにより物理量の測定を行っている（例えば、特許文献１参照）。１回目のライン走査で試料の形状測定を行い、２回目のライン走査で所望の物理量測定を行う。１回目の走査では、探針を測定対象試料の表面に接触させながら走査を行う。これによって試料の表面形状を測定し、一旦形状情報としてコントローラに蓄積する。引き続き、２回目の走査を行い、このときは１回目の走査で得られた表面形状情報をもとに所定の浮上高さ分だけ探針が浮上するように高さ制御用微動ステージを制御しながら走査を行う。これにより、試料表面からわずかに探針を浮上させ、非接触での物理量測定を行うことができる。
【０００６】
また、原子間力顕微鏡および磁気力顕微鏡などの複数の走査型力顕微鏡を含む測定方法がある（例えば、特許文献２参照）。また、短時間で広い範囲の測定を可能とするために複数の同一種類のカンチレバープローブ構造をもち、全体のカンチレバープローブ構造の姿勢を制御しながら測定を行うようにした走査型力顕微鏡がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２１３９１０号公報
【特許文献２】
特開平７−１３４１３７号公報
【特許文献３】
特開２０００−１８３２８３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、探針を試料と非接触で物理量を測定する場合、まず探針を試料に接触させながら試料の表面の形状測定を行い、それからその測定結果に基づいて探針を試料に対して所定の浮上量だけ浮上させた状態を維持しながら物理量を測定している。そのため、２度の走査を行う必要があるため、測定時間が増加する問題がある。また、２度の走査を行うことなく、例えば走査開始時にのみ探針の高さ位置設定を行い、その後は設定された高さのままで物理量測定のための走査を行うことができるが、この場合にも、高さ設定に少なからず時間を要するため、これによって測定時間が増加する。また、探針の高さ位置が予期した位置からずれたり、試料表面に凹凸があったりすると、一定の高さ位置を維持するのが難しい。さらに、物理量の測定に利用する探針が試料の表面に接触を繰り返すため、探針の材料が汚染されたり、劣化したりして、測定再現性を悪化させたり、探針の寿命を短くさせたりする問題がある。
【０００９】
本発明の目的は効率的に物理量の測定を行うことのできるカンチレバープローブ構造及び走査型力顕微鏡を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるカンチレバープローブ構造は、保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーとを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明による走査型力顕微鏡は、保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーと、該保持部材を支持し且つ移動させる支持手段と、該少なくとも２つのカンチレバーの変位を検出する検出手段とを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
これらの構成によれば、少なくとも２つのカンチレバーが保持部材に一緒に保持されており、少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するようになっている。従って、例えば、第１のカンチレバーは探針が測定試料の表面に接触しながら測定試料の表面の形状の測定を行い、この測定結果に基づいて保持部材を動かして第２のカンチレバーの探針が測定試料の表面から所定の浮上量だけ浮上した状態を維持しつつ、第２のカンチレバーの探針が測定試料の表面に非接触で測定試料の物理量（例えば、磁気力や電気力）を測定することができる。このようにして、測定試料の表面の形状の測定と、測定試料の物理量の測定とを同時に行うことができる。少なくとも２つのカンチレバーは形状や材質を変更することで、機能に応じた最適な機械的特性を得ることができる。
【００１３】
本発明によるカンチレバープローブ構造は、従来のカンチレバープローブ構造とは異なり、表面形状測定による浮上高さ制御と磁界分布などの物理量の非接触測定を同時にできることから、測定速度を向上させることができる。また、振動やドリフトの影響をリアルタイムで回避することができることから、走査型力顕微鏡の設置環境に左右されず正確な測定が可能になる。さらに、物理量測定用の探針が試料に接触しないため、探針の汚染や劣化を防止できるため、探針の寿命を延ばすことができ、再現性の低下を防ぐことも可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図２は図１の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図３は図２のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００１６】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００１７】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。第１及び第２のカンチレバー２６、３０はそれぞれレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。
【００１８】
レバー本体２７、３１は細長い板状に形成され、探針２８、３２は先端が鋭く尖った形状を有している。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。探針２８、３２はレバー本体２７、３１の他端部に設けられている。
【００１９】
第１及び第２のカンチレバー２６、３０はともにシリコンで形成されており、シリコンのチップ台座２４に半導体製造プロセスの成膜および加工技術で設けられる。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の探針２８、３２は異なった物理量を検出するようになっている。
【００２０】
第１のカンチレバー２６の探針２８の表面は特に被覆されていない。第２のカンチレバー３０の探針３２の表面には厚さ３０ｎｍ程度のＣｏＣｒなどの磁性材料３４が被覆されている。第１のカンチレバー２６の探針２８は試料２２の表面に接触して試料２２の物理量（この場合、試料２２の表面形状）を測定する。第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に非接触で物理量を測定する。実施例の走査型力顕微鏡１０は磁気力顕微鏡であり、試料２２は磁性体を含む。例えば、試料２２は、ハードディスクのような高密度に磁化された磁気記録媒体や磁気ヘッド等である。探針３２を試料２２に近づけて、探針３２と試料２２との間に作用する磁気力を測定することができる。
【００２１】
走査型力顕微鏡１０がその他の物理量を測定するものである場合には、第２のカンチレバー３０の探針３２はその他の物理量を測定するのに適した構造にされる。例えば、走査型力顕微鏡１０が電気力顕微鏡である場合には、第２のカンチレバー３０の探針３２には導電材料が設けられる。
【００２２】
第１のカンチレバー２６と第２のカンチレバー３０は同一平面内で互いに平行に配置される。第１のカンチレバー２６の長さは第２のカンチレバー３０の長さとは異なっている。この実施例においては、第１のカンチレバー２６の長さが第２のカンチレバー３０の長さより長い。例えば、第１のカンチレバー２６の長さ（チップ台座から探針までの距離）Ｌ１は２０６μｍ、第２のカンチレバー３０の長さ（チップ台座から探針までの距離）Ｌ２は２００μｍである。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の幅は２０μｍ、厚さは３μｍであり、探針２８、３２の高さは１０μｍである。２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。
【００２３】
検出手段１８は、２つの光学的検出装置を含む。第１の光学的検出装置は光源３６Ａと検出器３６Ｂとからなり、第２の光学的検出装置は光源３８Ａと検出器３８Ｂとからなる。検出器３６Ｂは光源３６Ａから出て第１のカンチレバー２６で反射した光を検出する。光検出器３８Ｂは光源３８Ａから出て第２のカンチレバー３０で反射した光を検出する。
【００２４】
走査型力顕微鏡１０の作用において、カンチレバープローブ構造１６（第１及び第２のカンチレバー２６、３０）は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。この状態で、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、長い第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２の表面に接触し、第１のカンチレバー２６（レバー本体２７）が撓む。短い第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に接触しない。第１の光学的検出装置（光源３６Ａと検出器３６Ｂ）は第１のカンチレバー２６の撓み量を光てこ法により測定する。
【００２５】
第１のカンチレバー２６の変位（撓み量）情報はコントローラ２０に入力される。コントローラ２０は第１のカンチレバー２６の変位をあらわす第１の光学的検出装置の出力に応じて第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように高さ制御用微動ステージ（支持手段）１４を制御する。つまり、第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように第１の光学的検出装置で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、カンチレバープローブ構造１６が試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。従って、第２のカンチレバー３０の探針３２は常に試料２２の表面からほぼ一定の位置に浮上している状態に維持される。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を第２の光学的検出装置（光源３８Ａと検出器３８Ｂ）で光てこ法により検出することで、試料２２の磁界分布の測定が可能になる。
【００２６】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が１μｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０の探針３２が４０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００２７】
また、この実施例においては、第１のカンチレバー２６の材料にシリコン窒化膜を利用することもできる。シリコン窒化膜はコンタクト方式の形状測定に適した材料であり、このようにカンチレバーの材料を選択することによりカンチレバーの検出目的に応じた最適な特性を引き出すことが可能になる。
【００２８】
図４は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図５は図４の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図６は図５のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００２９】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００３０】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。
【００３１】
レバー本体２７、３１は細長い板状に形成され、探針２８、３２は先端が鋭く尖った形状を有している。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。探針２８、３２はレバー本体２７、３１の他端部に設けられている。
【００３２】
この例では、第１のカンチレバー２６の長さは第２のカンチレバー３０の長さよりも短い。第１のカンチレバー２６の長さＬ１は１００μｍ、第２のカンチレバー３０の長さＬ２は１０３μｍである。第１及び第２のカンチレバー２６、３０はともにシリコン窒化膜で形成されている。第２のカンチレバー３０の探針３２は厚さ３０ｎｍ程度のＣｏＣｒなどの磁性材料３４で被覆されている。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の幅は２０μｍ、厚さは１μｍである。探針２８、３２の高さは１０μｍであり、２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。
【００３３】
さらに、ＰＺＴなどの圧電材料からなる第１の自己励振機構４０が第１のカンチレバー２６とチップ台座１４との間に設けられ、ＰＺＴなどの圧電材料からなる第２の自己励振機構４２が第２のカンチレバー３０とチップ台座１４との間に設けられる。第１及び第２の自己励振機構４０、４２は独立的に第１及び第２のカンチレバー２６、３０を振動させることができる。
【００３４】
カンチレバープローブ構造１６は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。ここで、第１の自己励振機構４０を用いて、表面形状測定用の第１のカンチレバー２６を同カンチレバー２６の共振周波数となる例えば７０ｋＨｚ で、振動振幅が１．２μｍ程度となるように振動させる。第１のカンチレバー２６の振動の振幅は第１の光学的検出装置（光源３６Ａと検出器３６Ｂ）により光てこ法で測定する。
【００３５】
このまま、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、振動させた浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２に接触し、第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に接触しない。第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２に接触すると、第１のカンチレバー２６の振動振幅が次第に小さくなるが、この振動振幅が一定になるように第１の光学的検出装置（光源３６Ａと検出器３６Ｂ）で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査しつつ、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を第２の光学的検出装置（光源３８Ａと検出器３８Ｂ）を用いて光てこ法により検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００３６】
また、この実施例においては、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６の振動振幅が１１００ｎｍとなる状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０の探針３２が、試料２２の表面に対して６０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００３７】
これにより、第１のカンチレバー２６は試料２２の表面形状の測定用として使用でき、第２のカンチレバー３０は試料２２の磁界信号検出用として使用できる。従って、本発明のカンチレバープローブ構造１６は磁気力顕微鏡用カンチレバープローブ構造として使用が可能である。
【００３８】
図７は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図８は図７の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図９は図８のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００３９】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００４０】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。
【００４１】
第１のカンチレバー２６のレバー本体２７はまっすぐな細長い板状に形成される。探針２８はレバー本体２７の端部に設けられ、先端が鋭く尖った形状を有している。第２のカンチレバー３０のレバー本体３１はＬ字型形状の板状に形成され、レバー本体２７と平行にＸ方向に延びる第１の部分３１Ａと、第１の部分３１Ａからほぼ垂直にＹ方向に延びる第２の部分３１Ｂとを有する。探針３２は第２の部分３１Ｂの端部に設けられ、先端が鋭く尖った形状を有している。
【００４２】
第２のカンチレバー３０の第１の部分３１Ａは第２の部分３１Ｂよりも厚く形成されているか補強されている。この例では、第２のカンチレバー３０の第１の部分３１Ａの幅は第２の部分３１Ｂの幅よりも大きく、かつ、第２のカンチレバー３０の第１の部分３１Ａは補強部３１Ｃを含み、Ｔ字型の断面形状に形成されている。
【００４３】
従って、第１のカンチレバー２６はその延伸方向と一致するＸ方向に撓むことができ、一方、第２のカンチレバー３０では主として第２の部分３１Ｂが撓みやすく、よって第２のカンチレバー３０はＹ方向に撓むように構成されている。第２のカンチレバー３０については、第２の部分３１Ｂのばね定数が第１の部分３１Ａのばね定数より小さく、探針３２は該第２の部分３１Ｂに設けられている。
【００４４】
なお、第２のカンチレバー３０については、第２の部分３１Ｂのばね定数が第１の部分３１Ａのばね定数より小さい構造であれば、上記実施例に限定されるものではない。また、第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の第１の部分３１Ａは第１のカンチレバー２６のレバー本体２７と完全に平行である必要はなく、Ｘ方向のばね定数がＹ方向のばね定数よりも大きくなる範囲で傾いてもよい。
【００４５】
第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の長さは第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の第１の部分３１Ａの長さよりも長い。第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の長さ（チップ台座から探針までの距離）Ｌ１は２０６μｍであり、第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の第１の部分３１Ａの長さ（チップ台座から探針までの距離）Ｌ２は２００μｍである。
【００４６】
第１及び第２のカンチレバー２６、３０はシリコン窒化膜にて形成されており、第２のカンチレバー３０の探針３２にはＣｏＣｒなどの磁性材料３４が３０ｎｍ程度形成されている。第１のカンチレバー２６の幅は２０μｍ、第２のカンチレバー３０の第１の部分３１Ａの幅は４０μｍ、第２のカンチレバー３０の第２の部分３１Ｂの幅は２０μｍである。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の厚さは１μｍ、探針２８、３２の高さは１０μｍ、２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。これにより、第１のカンチレバー２６は表面形状の測定用として使用でき、第２のカンチレバー３０は磁界信号検出用として使用できる。従って、本発明のカンチレバープローブ構造１６は磁気力顕微鏡用カンチレバープローブ構造として使用が可能である。
【００４７】
本実施例のＬ字型構造とすることにより、第１のカンチレバー２６と第２のカンチレバー３０における撓みの発生方向は互いに９０度ずれた方向になる。すなわち、第１のカンチレバー２６はＸ方向に撓みが発生し、第２のカンチレバー３０はＹ方向に撓みが発生することになる。
【００４８】
検出手段１８は、単一の組の光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置からなる。
【００４９】
走査型力顕微鏡１０の作動において、カンチレバープローブ構造１６は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。このまま、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、長い第１のカンチレバー２６の探針２８が先に試料２２に接触し、第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２に接触しない。試料２２との接触により撓む第１のカンチレバー２６の撓み量を光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置によって光てこ法により測定する。
【００５０】
第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように光学式検出装置で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置を用いて光てこ法により検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００５１】
ここで、スポットサイズが１００μｍ程度の光源３７Ａを用いることで、２つのカンチレバー２６、３０に同時に光を照射できる。また、第１のカンチレバー２６はＸ方向に撓むため、反射光は検出器３７ＢのＸ方向変位として検出されることになる。第２のカンチレバー３０はＹ方向に撓むため、反射光は検出器３７ＢのＹ方向変位として検出されることになる。Ｘ方向及びＹ方向の変位を独立して検出できる２次元検出器を用いることで、２つのカンチレバー２６、３０の撓み量を同時に測定でき、走査型力顕微鏡１０の構造を簡略化することが可能となる。
【００５２】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が１μｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０が４０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００５３】
図１０は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図１１は図１０の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図１２は図１１のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００５４】
走査型力顕微鏡１０は、前の例と同様に、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００５５】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。
【００５６】
第２のカンチレバー３０のレバー本体３１はまっすぐな細長い板状に形成される。第１のカンチレバー２６のレバー本体２７はＬ字型形状の板状に形成され、レバー本体３１と平行にＸ方向に延びる第１の部分２７Ａと、第１の部分２７Ａからほぼ垂直にＹ方向に延びる第２の部分２７Ｂとを有する。
【００５７】
第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａは第２の部分２７Ｂよりも厚く形成されているか補強されている。この例では、第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａの幅は第２の部分２７Ｂの幅よりも大きく、かつ、第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａの厚さは第２の部分２７Ｂの厚さよりも厚い。従って、第１のカンチレバー２６は主としてその延伸方向と垂直なＹ方向に撓むことができ、一方、第２のカンチレバー３０はＸ方向に撓むように構成されている。第１のカンチレバー２６については、第２の部分２７Ｂのばね定数が第１の部分２７Ａのばね定数より小さく、探針２８は該第２の部分２７Ｂに設けられている。
【００５８】
なお、第２の部分２７Ｂのばね定数が第１の部分２７Ａのばね定数より小さい構造であれば、上記実施例に限定されるものではない。また、第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の第１の部分２７Ａは第２のカンチレバー３０のレバー本体３１と完全に平行である必要はなく、Ｘ方向のばね定数がＹ方向のばね定数よりも大きくなる範囲で傾いてもよい。
【００５９】
第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の長さは第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の長さよりも長い。第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の第１の部分２７Ａの長さＬ１は２０６μｍであり、第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の長さＬ２は２００μｍである。
【００６０】
第１及び第２のカンチレバー２６、３０はシリコンにて形成されており、第２のカンチレバー３０の探針３２にはＣｏＣｒなどの磁性材料３４が３０ｎｍ程度形成されている。第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａの幅は４０μｍ、第１のカンチレバー２６の第２の部分２７Ｂの幅は２０μｍ、第２のカンチレバー３０の幅は２０μｍである。第１のカンチレバー２６の第１の部分２７Ａの厚さは２μｍ、第１のカンチレバー２６の第２の部分２７Ｂの厚さは１μｍ、第２のカンチレバー３０の厚さは１μｍである。探針２８、３２の高さは１０μｍ、２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。これにより、第１のカンチレバー２６は表面形状の測定用として使用でき、第２のカンチレバー３０は磁界信号検出用として使用できる。従って、本発明のカンチレバープローブ構造１６は磁気力顕微鏡用カンチレバープローブ構造として使用が可能である。
【００６１】
本実施例のＬ字型構造とすることにより、第１のカンチレバー２６と第２のカンチレバー３０における撓みの発生方向は互いに９０度ずれた方向になる。すなわち、第１のカンチレバー２６はＸ方向に撓みが発生し、第２のカンチレバー３０はＹ方向に撓みが発生することになる。
【００６２】
検出手段１８は、単一の組の光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置からなる。
【００６３】
走査型力顕微鏡１０の作動において、カンチレバープローブ構造１６は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。このまま、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、第１のカンチレバー２６の探針２８が先に試料２２に接触し、第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２に接触しない。試料２２との接触により撓む第１のカンチレバー２６の撓み量を光源３７Ａと検出器３７Ｂとから光学式検出装置によって光てこ法により測定する。
【００６４】
第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように光学式検出装置で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を光源３７Ａと検出器３７Ｂとからなる光学式検出装置を用いて光てこ法により検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００６５】
ここで、スポットサイズが１００μｍ程度の光源３７Ａを用いることで、２つのカンチレバー２６、３０に同時に光を照射できる。また、第１のカンチレバー２６はＹ方向に撓むため、反射光は検出器３７ＢのＹ方向変位として検出されることになる。第２のカンチレバー３０はＸ方向に撓むため、反射光は検出器３７ＢのＸ方向変位として検出されることになる。Ｘ方向及びＹ方向の変位を独立して検出できる２次元検出器を用いることで、２つのカンチレバー２６、３０の撓み量を同時に測定でき、走査型力顕微鏡１０の構造を簡略化することが可能となる。
【００６６】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が１μｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０が４０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００６７】
図１３は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図１４は図１３の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図１５は図１４のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００６８】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００６９】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。
【００７０】
レバー本体２７、３１は細長い板状に形成され、探針２８、３２は先端が鋭く尖った形状を有している。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。探針２８、３２はレバー本体２７、３１の他端部に設けられている。第１及び第２のカンチレバー２６、３０はともにシリコンで形成されている。第１のカンチレバー２６の探針２８の表面は特に被覆されていない。第２のカンチレバー３０の探針３２の表面には厚さ３０ｎｍ程度のＣｏＣｒなどの磁性材料３４が被覆されている。
【００７１】
この実施例においては、第１のカンチレバー２６の長さが第２のカンチレバー３０の長さと等しい。例えば、第１のカンチレバー２６及び第２のカンチレバー３０の長さは２００μｍである。また、第１のカンチレバー２６の探針２８の高さＨ１は１１μｍ、第２のカンチレバー３０の探針３２の高さＨ２は１０μｍであり、互いに異なっている。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の幅は２０μｍ、厚さは３μｍである。２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。
【００７２】
走査型力顕微鏡１０の作用において、第１及び第２のカンチレバー２６、３０は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。この状態で、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、高い探針２８をもった第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２の表面に接触し、第１のカンチレバー２６が撓む。第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に接触しない。第１の光学的検出装置（光源３６Ａと検出器３６Ｂ）は第１のカンチレバー２６の撓み量を光てこ法により測定する。
【００７３】
第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるように光学式検出装置で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅を第２の光学式検出装置（光源３８Ａと検出器３８Ｂ）を用いて光てこ法により検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００７４】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が９２０ｎｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０の探針３２が５０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００７５】
同様の観点から、２本の探針２８、３２の高さを同一とし、カンチレバー２６、３０を変位方向に予め湾曲させた構造とし、実質的な探針先端位置に差をつけ、同様の制御と効果をもたらすことも可能である。
【００７６】
図１６は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。図１７は図１６の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図、図１８は図１７のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【００７７】
走査型力顕微鏡１０は、ＸＹステージ１２と、高さ制御用微動ステージ１４と、高さ制御用微動ステージ１４に取り付けられたカンチレバープローブ構造１６と、検出手段１８と、コントローラ２０とを備える。物理量を測定すべき試料２２はＸＹステージ１２に取り付けられる。
【００７８】
カンチレバープローブ構造１６は、保持部材としてのチップ台座２４と、第１及び第２のカンチレバー２６、３０とからなる。各カンチレバー２６、３０はレバー本体２７、３１と、レバー本体２７、３１に設けられた探針２８、３２とを有する。
【００７９】
レバー本体２７、３１は細長い板状に形成され、探針２８、３２は先端が鋭く尖った形状を有している。第１及び第２のカンチレバー２６、３０のレバー本体２７、３１の一端部はチップ台座２４に一緒に保持される。探針２８、３２はレバー本体２７、３１の他端部に設けられている。第１及び第２のカンチレバー２６、３０はともにシリコンで形成されている。第１のカンチレバー２６の探針２８の表面は特に被覆されていない。第２のカンチレバー３０の探針３２の表面には厚さ３０ｎｍ程度のＣｏＣｒなどの磁性材料３４が被覆されている。
【００８０】
第１のカンチレバー２６のレバー本体２７の長さＬ１は２０６μｍであり、第２のカンチレバー３０のレバー本体３１の長さＬ２は２００μｍである。第１及び第２のカンチレバー２６、３０の幅は２０μｍ、厚さは３μｍであり、探針２８、３２の高さは１０μｍである。２つの探針２８、３２間の距離は３０μｍである。
【００８１】
この例においては、検出手段１８として、第１及び第２のカンチレバー２６、３０にはそれぞれポリシリコンのピエゾ抵抗層４４、４６が形成されている。ピエゾ抵抗層４４、４６はそれぞれ第１及び第２のカンチレバー２６、３０の撓み量に応じて抵抗が変化する性質を有している。
【００８２】
走査型力顕微鏡１０の作用において、第１及び第２のカンチレバー２６、３０は試料２２の表面に対して１０度程度の傾きをもって配置される。この状態で、カンチレバープローブ構造１６を磁気ヘッドなどの試料２２に向かって下降させると、長い第１のカンチレバー２６の探針２８が試料２２の表面に接触し、第１のカンチレバー２６が撓む。第２のカンチレバー３０の探針３２は試料２２の表面に接触しない。第１のカンチレバー２６の撓み量をピエゾ抵抗層４４の抵抗変化を利用して測定する。
【００８３】
第１のカンチレバー２６の撓み量が一定となるようにピエゾ抵抗層で得られた変位情報を高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックしてカンチレバープローブ構造１６の高さを制御しながら、試料２２の表面を走査することで、第２のカンチレバー３０の探針３２の先端は試料２２の表面から一定距離を保って走査されることになる。試料２２が振幅変調信号により駆動されている場合、第２のカンチレバー３０は磁界強度に応じて振動し、その振幅をピエゾ抵抗層４６の抵抗変化を利用して検出することで、磁界分布の測定が可能になる。
【００８４】
この実施例の場合、浮上高さ制御用の第１のカンチレバー２６が１μｍ程度撓んだ状態を維持することで、磁界信号検出用の第２のカンチレバー３０の探針３２が４０ｎｍ程度の浮上量を維持することが可能である。
【００８５】
これにより、カンチレバー２６は表面形状の測定用として使用でき、カンチレバー３０は磁界信号検出用として使用できる。従って、本発明のカンチレバープローブ構造は磁気力顕微鏡用カンチレバープローブ構造として使用が可能である。
【００８６】
図１９はカンチレバープローブ構造の走査方法の一例を示す図である。この例は、例えば図１から３の実施例のカンチレバープローブ構造１６の構造を例にとって走査方法について説明する。
【００８７】
２つのカンチレバー２６、３０の探針２８、３２の位置は一致しないので、測定時には図中破線で示したような走査を行い、物理量の測定を行う。従って、表面形状測定用の第１のカンチレバー２６が取得した表面形状情報を一旦蓄積し、同一点を第２のカンチレバー３０が通過するタイミングで高さ制御用微動ステージ１４にフィードバックをかけることで、正確な浮上高さ制御が可能になる。
【００８８】
以上説明した実施例においては、第１のカンチレバー２６は試料の表面形状（例えば凹凸の有無）を測定するばかりでなく、実質的に平坦な試料の表面の位置を測定することができる。例えば、磁気ヘッドの物理量を測定する場合、磁気ヘッドの表面を鏡面加工されているので、磁気ヘッドの表面の凹凸は非常に小さい。この場合、第２のカンチレバー３０の探針３２の試料２２の表面に対する高さ位置を一度だけ検出しておけば、第２のカンチレバー３０のみで走査を行えばよいように考えられよう。しかし、第２のカンチレバー３０は振動やドリフトの影響を受けて探針３２の試料２２の表面に対する高さ位置が変動する。従って、第１のカンチレバー２６によって試料２２の表面に対する高さ位置を検出し、補正しながら、第２のカンチレバー３０で走査を行うのが好ましい。こうすれば、振動やドリフトの影響をリアルタイムで回避することができ、走査型力顕微鏡の設置環境に左右されず正確な測定が可能になる。
【００８９】
これらの実施例は単独で実施されるだけでなく、相互に特徴を組み合わせて用いることも有効であり、また、本実施例では、磁気力顕微鏡を例にとって説明したが、探針に導電性材料を用いた電気力顕微鏡を始めとするその他の走査型力顕微鏡に適用でき、材料や形状、寸法などはこれらの実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。
【００９０】
以上説明した例は以下の特徴を含む。
【００９１】
（付記１）保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーとを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とするカンチレバープローブ構造。（１）
（付記２）該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第１のカンチレバーは探針が測定試料の表面に接触するように構成され、該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第２のカンチレバーは探針が測定試料の表面に非接触で測定試料の物理量を測定するように構成されていることを特徴とする付記１に記載のカンチレバープローブ構造。（２）
（付記３）該第１のカンチレバーは測定試料の表面の形状を測定し、該第２のカンチレバーの探針は測定試料の表面に非接触で物理量を測定するための材料が付加されていることを特徴とする付記２に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９２】
（付記４）該第１のカンチレバーの長さが該第２のカンチレバーの長さと異なることを特徴とする付記３に記載のカンチレバープローブ構造。（３）
（付記５）該第１のカンチレバーの探針の高さが該第２のカンチレバーの探針の高さと異なることを特徴とする付記３に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９３】
（付記６）該第１のカンチレバーは該第２のカンチレバーとは異なる材料で形成されていることを特徴とする付記３に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９４】
（付記７）少なくとも１つのカンチレバーを振動せしめるための励振機構が設けられることを特徴とする付記３に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９５】
（付記８）該励振機構は圧電材料からなることを特徴とする付記７に記載の走査型力顕微鏡用カンチレバープローブ構造。
【００９６】
（付記９）該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第１のカンチレバーはその延伸方向と一致する第１の方向に撓むように構成され、該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第２のカンチレバーは該第１の方向とは異なる第２の方向に撓むように構成されていることを特徴とする付記１に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９７】
（付記１０）該第１のカンチレバーはほぼまっすぐに延び、該第２のカンチレバーは該第１のカンチレバーとほぼ平行に延びる第１部分と該第１部分に接続された第２の部分とを有し、該第２の部分のばね定数が該第１の部分のばね定数より小さく、該探針は該第２の部分に設けられることを特徴とする付記８に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９８】
（付記１１）該第１の部分は該第２の部分よりも厚く形成されているか補強されていることを特徴とする付記１０に記載のカンチレバープローブ構造。
【００９９】
（付記１２）該保持部材は半導体材料からなることを特徴とする付記１に記載のカンチレバープローブ構造。
【０１００】
（付記１３）該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該半導体製保持部に半導体製造プロセスの成膜および加工技術により形成された板状の部材からなることを特徴とする付記１２に記載のカンチレバープローブ構造。
【０１０１】
（付記１４）保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーと、該保持部材を支持し且つ移動させる支持手段と、該少なくとも２つのカンチレバーの変位を検出する検出手段とを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とする走査型力顕微鏡。（４）
（付記１５）該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第１のカンチレバーの変位をあらわす該検出手段の出力に応じて該第１のカンチレバーの撓み量もしくは振動振幅が一定となるように該支持手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする付記１３に記載の走査型力顕微鏡。（５）
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高さ位置設定と磁界分布などの非接触物理量測定が同時に行えるため、測定速度の高速化が可能となり、スループットが向上し、大量生産や低コスト化が可能となる。また、物理量測定用の探針が試料表面に触れることがないため、探針先端形状や磁性材料などの探針材料に劣化や汚染が発生せず、再現性のよい測定が可能になり、プローブの寿命も延びるため、低コスト化につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】図２は図１の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図３】図３は図２のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図４】図４は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図５】図５は図４の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図６】図６は図５のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図７】図７は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図８】図８は図７の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図９】図９は図８のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図１０】図１０は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図１１】図１１は図１０の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図１２】図１２は図１１のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図１３】図１３は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図１４】図１４は図１３の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図１５】図１５は図１４のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図１６】図１６は本発明の他の実施例の走査型力顕微鏡の構成を示す図である。
【図１７】図１７は図１６の走査型力顕微鏡のカンチレバープローブ構造を示す平面図である。
【図１８】図１８は図１７のカンチレバープローブ構造の断面図である。
【図１９】図１９はカンチレバープローブ構造の走査方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０…走査型力顕微鏡
１２…ＸＹステージ
１４…高さ制御用微動ステージ
１６…カンチレバープローブ構造
１８…検出手段
２０…コントローラ
２２…試料
２４…チップ台座
２６…カンチレバー
２８…探針
３０…カンチレバー
３２…探針
３４…磁性材料
３６Ａ…光源
３６Ｂ…検出器
３７Ａ…光源
３７Ｂ…検出器
３８Ａ…光源
３８Ｂ…検出器
４０…自己励振機構
４２…自己励振機構
４４…ピエゾ抵抗層
４６…ピエゾ抵抗層
Claims (5)
- 保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーとを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とするカンチレバープローブ構造。
- 該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第１のカンチレバーは探針が測定試料の表面に接触するように構成され、該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第２のカンチレバーは探針が測定試料の表面に非接触で測定試料の物理量を測定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバープローブ構造。
- 該第１のカンチレバーの長さが該第２のカンチレバーの長さと異なることを特徴とする請求項２に記載のカンチレバープローブ構造。
- 保持部材と、少なくとも２つのカンチレバーと、該保持部材を支持し且つ移動させる支持手段と、該少なくとも２つのカンチレバーの変位を検出する検出手段とを備え、各カンチレバーはレバー本体と、該レバー本体に設けられた探針とを有し、該少なくとも２つのカンチレバーのレバー本体は該保持部材に一緒に保持され、該少なくとも２つのカンチレバーの探針は異なった物理量を検出するように構成されていることを特徴とする走査型力顕微鏡。
- 該少なくとも２つのカンチレバーのうちの第１のカンチレバーの変位をあらわす該検出手段の出力に応じて該第１のカンチレバーの撓み量もしくは振動振幅が一定となるように該支持手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の走査型力顕微鏡。
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| JP2003122178A JP2004325339A (ja) | 2003-04-25 | 2003-04-25 | カンチレバープローブ構造及び走査型力顕微鏡 |
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| JP2003122178A JP2004325339A (ja) | 2003-04-25 | 2003-04-25 | カンチレバープローブ構造及び走査型力顕微鏡 |
Publications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011024303A1 (ja) * | 2009-08-31 | 2011-03-03 | 株式会社アドバンテスト | プローブ、プローブカード及び電子部品試験装置 |
-
2003
- 2003-04-25 JP JP2003122178A patent/JP2004325339A/ja active Pending
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| WO2011024303A1 (ja) * | 2009-08-31 | 2011-03-03 | 株式会社アドバンテスト | プローブ、プローブカード及び電子部品試験装置 |
| JPWO2011024303A1 (ja) * | 2009-08-31 | 2013-01-24 | 株式会社アドバンテスト | プローブ、プローブカード及び電子部品試験装置 |
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