JP2006226975A - 微小力測定装置、微小力測定方法および触診装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 観察用カンチレバーその他の押圧部材により出力される力を精度よく測定することができ、また、広いダイナミックレンジにわたって、出力信号の直線性を維持する。
【解決手段】 片持ち梁状に形成された測定用カンチレバー３と、該測定用カンチレバー３の歪みを検出する歪みセンサ５と、測定用カンチレバー３に設けられ、力点位置を検出する力点検出センサ６とを備える微小力測定装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微小力測定装置、微小力測定方法および触診装置に関するものである。

走査型プローブ顕微鏡等の触診装置は、観察用カンチレバーの先端に設けた探針を試料の表面に所定の押圧力（測定力）で押し付けながら、観察用カンチレバーを試料に対して相対的に移動させ、その間に生ずるカンチレバーの上下動を検出することで試料表面の凹凸形状を検出する顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡により観察する試料として、例えば、生体試料のような比較的柔らかい試料を用いる場合、試料を変形させたり、損傷させたりしないように、どの位の測定力で押圧しているのかを正確に知ることが重要となる。

観察用カンチレバーは、その用途に応じて複雑な形状をしている場合が多く、そのバネ定数を計算により求めることは困難であることから、従来、このような微小な力を測定する装置として、例えば、特許文献１および特許文献２に示される微小力測定装置が用いられ知られている。
特許文献１に示される微小力測定装置は、固定台に一端を固定され片持ち梁状に支持された微小な測定用カンチレバーと、その基端側の表面に設けられたピエゾ抵抗体等の半導体歪みセンサとを備えている。測定用カンチレバーの自由端に、走査型プローブ顕微鏡の観察用カンチレバーの探針を押し当てて、力を加えた際に、加えられた力に応じて歪みセンサから出力される電気信号を検出することにより、観察用カンチレバーにより試料に加えられる測定力を測定することができるようになっている。

また、特許文献２に示される微小力測定装置は、力測定のダイナミックレンジを広げるために、大レンジ用歪みセンサと小レンジ用歪みセンサとをそれぞれ異なる位置に配置している。同一位置に作用する小さい力の範囲内では小レンジ用歪みセンサを作動させ、大きな力の範囲内では大レンジ用歪みセンサを作動させ、全体として、力測定のダイナミックレンジを広げることとしている。
特開平１１−１５３４９８号公報 特開２００２−２２５６２号公報

特許文献１，２に開示されている微小力測定装置においては、片持ち梁状の測定用カンチレバーにより微小力を測定するものであるため、微小力を精度よく測定するには、測定用カンチレバーの先端の厳密に特定された位置に押圧力を加える必要がある。これは、片持ち梁状の測定用カンチレバーは、押圧力を加える位置が測定用カンチレバーの長さ方向に変化すると、そのバネ定数も変化してしまうため、正確な押圧力が計算できなくなるからである。

しかしながら、測定力を作用させる力点位置を精度よく設定することは困難であるという問題がある。
すなわち、測定用カンチレバーや観察用カンチレバーはμｍオーダーの微細な構造体であるため、その位置調整は顕微鏡で観察しながら行う必要がある。この場合に、測定用カンチレバーを押圧する観察用カンチレバーその他の押圧部材の押圧位置が、押圧部材の先端に突出していれば、顕微鏡によって押圧方向に観察することで、押圧位置を測定用カンチレバーの特定位置に位置合わせすることができるが、押圧部材の先端よりも内側に配置されている場合には、顕微鏡で押圧方向に観察するだけでは押圧位置を確認することができないため、その位置調整は困難である。
なお、押圧位置が変化しても計量誤差を生じにくい構造として、ロバーバル機構が知られているが、μｍオーダーの微細な構造体においてこのような複雑な機構を採用することは困難である。

また、特許文献２に示されるように、複数の歪みセンサによってダイナミックレンジを広げる方法では、大レンジ用歪みセンサと小レンジ用歪みセンサとの出力信号の間で直線性を維持することが困難となり、何らかの補正を行わなければならないという不都合もある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、観察用カンチレバーその他の押圧部材により出力される力を精度よく測定することができ、また、広いダイナミックレンジにわたって、出力信号の直線性を維持することができる微小力測定装置、微小力測定方法および走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、片持ち梁状に形成された測定用カンチレバーと、該測定用カンチレバーの歪みを検出する歪みセンサと、前記測定用カンチレバーに設けられ、力点位置を検出する力点検出センサとを備える微小力測定装置を提供する。

この発明によれば、測定用カンチレバーに押圧力が作用すると、片持ち梁状の測定用カンチレバーが弾性変形する結果、歪みセンサにより測定用カンチレバーの歪み信号が出力される。歪み信号は、押圧力と測定用カンチレバーのバネ定数に比例するので、測定用カンチレバーのバネ定数が一定であれば、歪み信号を検出することで押圧力を算出することができる。しかし、測定用カンチレバーのバネ定数は押圧力の力点位置に応じて変動する。

本発明によれば、力点検出センサの作動により押圧力が作用した測定用カンチレバーの力点位置が検出されるので、検出された力点位置に基づいて、測定用カンチレバーの正確なバネ定数を算出することができる。あるいは、検出された力点位置に基づいて、該力点位置が予め定められた位置に配置されるように微調整し、既知の正確なバネ定数を達成し得る力点位置に押圧力を加えることができる。また、力点検出センサが、正確な押圧力を測定可能な１カ所に設けられている場合には、力点検出センサにより押圧力が加えられたことが検出されるように力点位置を調節することで、押圧力を正確に測定することができる。

上記発明においては、前記歪みセンサが前記測定用カンチレバーの基端部近傍に配置されていることが好ましい。
このように構成することで、片持ち梁状に形成された測定用カンチレバーの歪みを最も高い感度で検出することができる。

上記発明においては、前記力点検出センサが、測定用カンチレバーの長さ方向に沿う力点位置を検出可能に設けられていることが好ましい。
このように構成することで、測定用カンチレバーの長さ方向に沿う任意の位置に押圧力が作用しても、その力点位置を検出し、その力点位置に対する測定用カンチレバーのバネ定数を算出することで、押圧力を精度よく測定することができる。また、測定用カンチレバーの長さ方向に沿う任意の位置に押圧力が作用しても、その力点位置を検出するので、正確な押圧力測定が可能な位置に力点位置を移動させ、押圧力を精度よく測定することができる。

また、上記発明においては、前記力点検出センサが、測定用カンチレバーの幅方向に沿う力点位置を検出可能に設けられていることが好ましい。
測定用カンチレバーの幅方向寸法が比較的大きい場合に、力点位置が幅方向の中心からずれる場合が生ずる。この場合には、測定用カンチレバーに曲げのみならずねじれが発生するため、押圧力を精度よく測定することが困難になる。そこで、測定用カンチレバーの幅方向に沿う力点位置を検出することで、力点位置が幅方向の中心位置近傍に配されるように位置調整することが可能となり、押圧力を精度よく測定することができる。

さらに、上記発明においては、前記力点検出センサが、力点位置の検出可能方向に沿って複数配列され、力点位置の温度変化を検出する温度センサからなることとしてもよい。
押圧力を発生する観察用カンチレバーその他の押圧部材が測定用カンチレバーに接触すると、その接触点において熱の流れが発生するので、温度センサからなる力点検出センサにより押圧部材と測定用カンチレバーとの接触位置を簡易に、かつ精度よく検出することができる。

上記発明においては、前記温度センサが、２種の金属層を重ねてなる熱電対からなることとしてもよい。
測定用カンチレバーは、単結晶シリコン等の半導体材料により半導体製造技術を利用して製造することができる。この場合に、２種の金属層を重ねて温度センサを構成するのも、半導体製造技術を利用して、簡易に、測定用カンチレバーと一体的に製造することができる。

また、上記発明においては、前記熱電対が複数備えられ、各熱電対を構成する２種の金属層の内、一方の金属層が複数の熱電対について共通化され、測定を行う熱電対を順次切り替える切替装置を備えることとしてもよい。
熱電対は２種の金属層を備えるため、それぞれの金属層に接続する配線を設けることが必要である。本発明によれば、一方の金属層が複数の熱電対について共通化されているため、その共通の金属層に対する配線を１本で済ませることができ、配線数を減らすことができる。微細な測定用カンチレバーに設ける配線数を減らすことができるので、製造が容易になり、その分、熱電対数を増加させて、力点位置検出の分解能を高めることができる。

さらに、上記発明においては、前記熱電対を所定温度に設定する温度調節部を備えることとしてもよい。
熱電対によって、力点位置を検出する場合には、力点位置に接触する押圧部材と測定用カンチレバーとの間に何らかの熱の流れを発生させる必要がある。このため、押圧部材と測定用カンチレバーとが同一温度の場合には力点位置を検出できない。そこで、温度調節部の作動により、熱電対の温度を所定温度に設定することで、押圧部材と異なる温度に加熱あるいは冷却し、熱流を生じさせて熱電対により確実に検出できるようにすることができる。

また、上記発明においては、前記力点検出センサにより検出された力点位置に基づいて、測定用カンチレバーのバネ定数を算出するバネ定数算出部を備え、該バネ定数算出部により算出されたバネ定数に基づいて力点位置に作用した力の大きさを算出することとしてもよい。
この発明によれば、力点位置に基づいて変化する測定用カンチレバーのバネ定数がバネ定数算出部により算出され、算出されたバネ定数に基づいて作用した力の大きさをより精度よく算出することができる。また、力点位置に基づいて変化するバネ定数を算出して、作用した力の大きさの算出に用いるので、単一の歪みセンサによって、広いダイナミックレンジにわたって力を測定することができる。

また、本発明は、片持ち梁状に形成された測定用カンチレバーに作用させた力を測定する微小力測定方法であって、測定用カンチレバーにおける力点位置を検出し、検出された力点位置に基づいて、測定用カンチレバーのバネ定数を算出し、算出されたバネ定数に基づいて力点位置に作用した力の大きさを算出する微小力測定方法を提供する。

片持ち針状の測定用カンチレバーにおける力点位置が、基端側に近ければバネ定数は大きくなり、先端側に近ければバネ定数は小さくなる。本発明によれば、力点位置を検出してバネ定数を算出するので、力点位置を精度よく調節しなくても作用した力の大きさを精度よく測定することができる。

さらに、本発明は、試料に接触させる触針と、該触針に対して相対移動可能に設けられ、触針を接触させて該触針から加えられる押圧力を測定する上記いずれかの微小力測定装置とを備える触診装置を提供する。
この発明によれば、触診装置として、例えば、走査型プローブ顕微鏡の場合、触針を試料に接触させつつ、該触針を試料上において走査させることにより、微細な試料の形状を測定することができる。このような場合において、微小力測定装置を備えることにより、試料の表面情報の計測等に先立って、触針に対して、微小力測定装置の測定用カンチレバーを相対移動させ、触針による押圧力を測定用カンチレバーに作用させ、その押圧力を精度よく測定することができる。したがって、試料が生体試料である場合のように、変形しやすい場合等に、触針から試料に作用させる力を調節し、試料が変形したり、損傷したりしないように保護することができる。

上記発明においては、試料を搭載して触針に対して試料を相対的に移動させるステージを備え、前記微小力測定装置がステージに固定されていることとしてもよい。
このように構成することで、ステージの作動により試料を触針に対して相対的に移動させ、触針を試料の所定の計測領域に接触させることができる。一方、ステージには、微小力測定装置が備えられているので、試料の計測に先立って微小力測定装置の測定用カンチレバーに触針を接触させ、該触針からの押圧力を測定用カンチレバーに作用させることで、その押圧力を予め精度よく測定することができる。試料の位置決め用に用いるステージに微小力測定装置を固定しておくことで、別個の相対移動機構を設ける必要がなく、装置を簡易に構成することができる。

本発明によれば、測定用カンチレバーに押圧力が作用した力点位置を自動検出するので、力点位置を厳密に調節しておかなくても、力点位置に作用した押圧力の大きさを精度よく測定することができる。また、測定用カンチレバーの基端部に設けた歪みセンサにより、広いダイナミックレンジにわたって、直線性補正を行うことなく測定を行うことができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る微小力測定装置１について、図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係る微小力測定装置１は、図１に示されるように、構造物Ａに固定されるベース２と、該ベース２から片持ち梁状に延びる測定用カンチレバー３と、該測定用カンチレバー３の基端部近傍に設けられた応力集中部４と、該応力集中部４に設けられた歪みセンサ５と、測定用カンチレバー３の上面に設けられた力点検出センサ６とを備えている。また、微小力測定装置１は、歪みセンサ５から出力されてくる電圧信号Ｓ１に基づいて歪み信号Ｓ２を出力する歪み検出部７と、力点検出センサ６から出力されてくる電圧信号Ｓ３に基づいて力点位置信号Ｓ４を出力する位置検出部８と、これら歪み検出部７および位置検出部８から出力される歪み信号Ｓ２および力点位置信号Ｓ４に基づいて測定用カンチレバー３に作用した押圧力の大きさを算出する押圧力算出部９とを備えている。

前記ベース２および測定用カンチレバー３は、例えば、単結晶シリコンにより一体的に製造されている。前記応力集中部４は、例えば、測定用カンチレバー３の下側を切り欠いた形状として、断面積を局部的に小さくすることにより構成されている。
歪みセンサ５は、例えば、ピエゾ抵抗効果を利用して応力集中部における歪みを検出するようになっている。なお、歪みを検出する手段としてピエゾ抵抗効果を利用した方法に限られず、また、測定用カンチレバー３の基端部近傍に設けられた構成にも限られない。測定用カンチレバー３に設けられ、ピエゾ効果を利用したセンサや、測定用カンチレバー３の外部に設けられ、光の変位あるいは静電容量の変化を利用したセンサにより歪みを検出する方式のものでもよい。

前記力点検出センサ６は、例えば、異なる２種類の金属膜、例えば、Ｃｒ薄膜と、Ｎｉ薄膜とを重ねることにより構成された複数の熱電対１０を備えている。熱電対１０は、図２および図３に示されるように、測定用カンチレバー３の長さ方向に沿って複数配列されている。各熱電対１０を構成する各金属層１０ａ，１０ｂには、金属層１０ａ，１０ｂ間に発生する電圧信号を取り出すための配線１１，１２が接続されている。そして、いずれかの熱電対１０に押圧部材（図示略）が接触すると、接触により生ずる温度変化により金属層１０ａ，１０ｂ間に発生する電圧が変動することを利用して、押圧部材の接触位置を検出することができるようになっている。

前記押圧力算出部９は、力点検出センサ６により検出された押圧部材の接触位置に基づいて、その接触位置に力点が配置されたときの測定用カンチレバー３のバネ定数を算出し、あるいは、押圧部材の接触位置に対応して記憶されている測定用カンチレバー３のバネ定数を検索し、そのバネ定数と、歪みセンサ５により検出された測定用カンチレバー３の歪み量とに基づいて、力点に加えられた押圧力の大きさを算出するようになっている。

次に、このように構成される本実施形態に係る微小力測定装置１の製造プロセスについて、図４〜図 を参照しながら順を追って説明する。
図４（ａ）に示されるように、基材として、Ｓｉ活性層１３、ＳｉＯ_２層１４、Ｓｉ支持層１５およびＳｉＯ_２層１６を順に積層してなるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板を使用する。

まず第１に、図４に示されるように、測定用カンチレバー３の全体形状を決定する処理を行う。
図４（ａ）の基材の上面に、図４（ｂ）に示されるように、測定用カンチレバー３の全長を切り出すためのレジスト膜１７を形成し、図４（ｃ）に示されるようにエッチング処理によりＳｉ活性層１３の一部を選択的に除去し、図４（ｄ）に示されるように、レジスト膜１７を剥離する。
これにより、測定用カンチレバー３の外形が形成される。

次に、図５に示されるように、歪みセンサ５を形成するための処理を行う。
図５（ａ）に示されるように、歪みセンサ５を形成する領域を除き、図４において形成された測定用カンチレバー３の上面全面を被覆するようにレジスト膜１８を形成する。次いで、図５（ｂ）に示されるように、イオンを打ち込む。イオンとしては、基板となるＳｉ活性層がｎ型半導体である場合にはｐ型の、例えば、ボロン（Ｂ）イオンを打ち込み、基板となるＳｉ活性層がｐ型半導体である場合にはｎ型の、例えば、リン（Ｐ）イオンを打ち込む。これにより、レジスト膜１８から露出している部分のみにイオンが打ち込まれ、歪みセンサ５が形成されるので、図５（ｃ）に示されるようにレジスト膜１８を剥離する。

次に、図６に示されるように、歪みセンサ５への配線を形成するための処理を行う。
まず、図６（ａ）に示されるように、図５において歪みセンサ５が形成された測定用カンチレバー３の上面全体に、熱酸化処理によりＳｉＯ_２皮膜を形成する。形成されたＳｉＯ_２皮膜は絶縁膜１９となる。

次いで、図６（ｂ）に示されるように、歪みセンサ５への接続部を除いて、測定用カンチレバー３の上面全面を被覆するようにレジスト膜２０を形成し、図６（ｃ）に示されるように、エッチング処理により、レジスト膜２０から露出している接続部２１に対応する絶縁膜１９を選択的に除去する。その後、図６（ｄ）に示されるように、レジスト膜２０を剥離し、図７（ａ）に示されるように、配線用の金属膜２２、例えばアルミニウム薄膜を、測定用カンチレバー３の上面全体を被覆するように形成する。

そして、図７（ｂ）に示されるように、前記接続部２１に接続する歪みセンサ５への配線部分に対応するパターンでレジスト膜２３を形成し、図７（ｃ）に示されるように、エッチング処理によりレジスト膜２３から露出している配線用の金属膜２２を選択的に除去する。その後、図７（ｄ）に示されるように、レジスト膜２３を剥離することにより、絶縁膜１９上に配線２２が形成され、接続部２１を介して歪みセンサ５に電気的に接続される。

次に、図８および図９に示されるように、熱電対１０を形成するための処理を行う。
まず、図８（ａ）に示されるように、図７において歪みセンサ５への配線２２が形成された測定用カンチレバー３の上面に、熱電対１０を構成する金属層１０ａおよびこれに接続する電気配線１１を形成するためのパターンにくりぬかれたレジスト膜２４を形成する。そして、図８（ｂ）に示されるように、スパッタリングまたは真空蒸着等により第１の金属層１０ａとなる金属材料、例えば、Ｃｒ膜２５を形成する。

次いで、図８（ｃ）に示されるように、レジスト膜２４を剥離することにより、レジスト膜２４とともにレジスト膜２４上に形成されたＣｒ膜２５を除去する（リフトオフ法）。これにより、各熱電対１０を構成する第１の金属層１０ａおよび配線１１が測定用カンチレバー３の上面に形成される。

次に、図９（ａ）に示されるように、図８により形成された第１の金属層１０ａ上に、第２の金属層１０ｂおよびこれに接続する電気配線１２の形状に対応したパターンでくりぬかれたレジスト膜２６を形成する。そして、図９（ｂ）に示されるように、スパッタリングまたは真空蒸着等により、第２の金属層１０ｂを構成する金属材料、例えば、Ｎｉ膜２７を形成する。

次いで、図９（ｃ）に示されるように、レジスト膜２６を剥離することにより、レジスト膜２６とともにレジスト膜２６上に形成されたＮｉ膜２７を除去する（リフトオフ法）。これにより、第１の金属層１０ａの上に第２の金属層１０ｂを積層した複数の熱電対１０および、該熱電対１０への電気配線１１，１２が測定用カンチレバー３の上面に形成される。

最後に、図１０に示されるように、基材の下側の２つのＳｉＯ_２膜１４，１６およびＳｉ支持層１５をエッチングにより除去する。これにより、ベース２と、該ベース２から片持ち梁状に突出する測定用カンチレバー３とを有する微小力測定装置１が製造される。
また、測定用カンチレバー３の基端部の応力集中部４については、集束イオンビームでエッチングすることにより製造される。あるいは、測定用カンチレバー３の外形をエッチング処理にて形成する際に、図１１に示されるように、測定用カンチレバー３の基端部に貫通孔Ｘを形成するくりぬき構造によっても応力集中部４を製造することができる。

このようにして構成された本実施形態に係る微小力測定装置１の作用について、以下に説明する。
ここでは、例えば、図１２に示されるような走査型プローブ顕微鏡の観察用カンチレバー３０の探針（触針）３１により試料を押圧する測定力を測定する場合について説明する。

本実施形態に係る微小力測定装置１を用いて観察用カンチレバー３０の測定力を測定するには、図１３に示されるように、観察用カンチレバー３０の探針３１の鉛直下方に微小力測定装置１の測定用カンチレバー３を配置し、観察用カンチレバー３０を下降させて探針３１の先端を測定用カンチレバー３の上面に接触させ、測定力を作用させる。観察用カンチレバー３０に対する測定用カンチレバー３の相対位置の調節は、例えば、微小力測定装置１を、３軸方向に移動させるステージ３２上に搭載することで行うことができる。押圧力の算出およびステージ３２を駆動するステージ駆動部３５の駆動制御はコンピュータ（押圧力算出部）９により行われる。

測定用カンチレバー３の上面に測定力が作用すると、歪みセンサ５により、応力集中部４における歪みが検出される。したがって、測定用カンチレバー３の長手方向の所定位置に観察用カンチレバー３０の探針３１を接触させることができれば、応力集中部４における歪み信号に基づいて、測定力の大きさを算出することができる。また、測定用カンチレバー３の長手方向の任意の位置に観察用カンチレバー３０の探針３１が接触した場合であっても、測定用カンチレバー３のバネ定数がわかれば、測定力を算出することが可能となる。

本実施形態に係る微小力測定装置１においては、測定用カンチレバー３の上面に力点検出センサ６が配置されているので、探針３１が接触した位置、すなわち、力点位置が力点検出センサ６によって検出される。力点検出センサ６は、測定用カンチレバー３の長手方向に配列された複数の熱電対１０により構成されているので、観察用カンチレバー３０の探針３１がいずれかの熱電対１０に接触することにより熱電対１０と探針３１との間に生ずる熱流による温度変動が、当該熱電対１０によって検出される。

したがって、位置検出部８においては、温度変動を検出した熱電対１０の位置に測定力が作用したことが検出され、コンピュータ９においてはその位置に測定力が作用した場合に測定用カンチレバー３のバネ定数が算出され、あるいはデータベースから検索される。そして、このようにして算出あるいは検索された測定用カンチレバー３のバネ定数を用いるとともに、歪みセンサ５により検出された応力集中部４における歪みに基づいて、観察用カンチレバー３０により加えられた押圧力を算出することができる。

本実施形態に係る微小力測定装置１においては、測定用カンチレバー３に設けた力点検出センサ６が、観察用カンチレバー３０の探針３１による押圧力が作用した位置を検出するので、測定用カンチレバー３と観察用カンチレバー３０の探針３１との相対位置関係は厳密に調節する必要がないという利点がある。例えば、図１４（ａ）、（ｂ）に示されるように、観察用カンチレバー３０の探針３１は、観察用カンチレバー３０の下面に位置し、同図（ｂ）に示されるように、その上方からは直接観察できない。このため、通常、測定用カンチレバー３と観察用カンチレバー３０の探針３１との相対位置関係を厳密に調節するには、図１３（ａ）のような側方からの観察、および、同図（ｂ）のような上方からの観察を同時に行う必要があり、その操作およびそのための設備が煩雑になる。

しかし、本実施形態によれば、測定用カンチレバー３の長手方向に関する測定用カンチレバー３と観察用カンチレバー３０との相対的な位置決めは厳密に行わなくて済むので、図１４（ａ）のような側方からの観察は不要となり、同図（ｂ）に示される上方からの観察のみで観察用カンチレバー３０により加えられる押圧力を精度よく測定することができるという利点がある。

また、本実施形態に係る微小力測定装置１においては、観察用カンチレバー３０の探針３１が接触した位置に応じて、測定用カンチレバー３のバネ定数を決定し、単一の歪みセンサ５により検出された単一の応力集中部４における歪みに基づいて観察用カンチレバー３０の探針３１による押圧力を計算するので、複数の歪みセンサ５を用いずに済み、補正を行うことなく出力信号の直線性を確保することができる。また、広いダイナミックレンジを確保することができる。

なお、本実施形態に係る微小力測定装置１においては、観察用カンチレバー３０の探針３１による押圧力が加えられた力点位置を検出し、その力点位置に押圧力が作用した状態で押圧力の大きさを測定する場合について説明した。これに代えて、力点検出センサ６が力点位置を検出したときには、その検出された力点位置情報に基づいて、観察用カンチレバー３０と測定用カンチレバー３とを相対的に移動させ、観察用カンチレバー３０の探針３１が測定用カンチレバー３の所定の位置に配置されるように調節してもよい。このようにすることで、その都度バネ定数を決定する必要なく、既知のバネ定数を用いて押圧力の測定を行うことができる。

また、本実施形態においては、測定用カンチレバー３の長手方向に、複数の熱電対１０を配列して力点検出センサ６を構成したが、これに加えて、測定用カンチレバー３の幅方向にも複数の熱電対１０を配列することにしてもよい。力点位置が測定用カンチレバー３の幅方向の中心からずれている場合には、測定用カンチレバー３にねじりが加わるため、歪みセンサ５による正確な測定が困難になる。そこで、測定用カンチレバー３の幅方向に配列された熱電対１０により、力点位置の位置ずれ量を検出し、力点が測定用カンチレバー３の幅方向の中心位置に配置されるように調整してから測定を行うこととしてもよい。

また、本実施形態に係る微小力測定装置１においては、測定用カンチレバー３の長手方向に沿って設けた複数の熱電対１０をそれぞれ別個に区画形成し、各熱電対１０に対して２本ずつの配線１１，１２を形成したが、これに代えて、図１５および図１６に示されるように、１種類の金属層１０ａを各熱電対１０について共通化してもよい。このようにすることで、共通化した金属層１０ａついては配線１１を１本とすることができるので、配線数を大幅に削減することができる。熱電対１０用の配線１１，１２は、図２に示したように、測定用カンチレバー３の上面に、幅方向に間隔をあけて配列されるので、その数を減らすことで、測定用カンチレバー３の幅寸法を小さくすることができる。また、製造が容易になり、その分、熱電対数を増加させて、力点位置検出の分解能を高めることができる。

なお、この場合には、全ての熱電対１０について同時に温度信号を検出することができないため、温度検出する熱電対１０を逐次切り替えていく切替装置（図示略）を設けることで全ての熱電対１０についてスキャンしながら温度変化を検出する必要がある。

また、本実施形態に係る微小力測定装置１は、接触により発生する熱流による温度変動を熱電対１０により検出することとしているため、熱電対１０を構成する金属層１０ａ，１０ｂとこれに接触する探針３１とが同一の温度である場合には、温度変動を検出できない。そこで、図１７および図１８に示されるように、熱電対１０を加熱するヒータ（温度調節部）３２を設けることが好ましい。ヒータ３３の作動により、全ての熱電対１０を観察用カンチレバー３０の探針３１よりも高い温度に設定しておくことで、探針３１が熱電対１０に接触したときに、必ず温度変動が生ずるようにすることができ、より確実に力点位置を検出することができる。

ヒータ３３の製造は、図５（ｂ）に示した歪みセンサ５の製造工程と同時に、測定用カンチレバー３を構成するＳｉ活性層１３の表面にイオンを打ち込むことにより行うことができる。また、ヒータ３３への配線３４も、歪みセンサ５への配線２２と同一工程において形成することができる。

また、力点検出センサ６として、熱電対１０を採用したが、これに代えて、磁気センサを用いてもよい。また、観察用カンチレバー３０の探針３１として、電気的な検出が可能なものが用いられている場合には、電気抵抗値の検出や、導通位置の検出により力点位置を検出してもよい。また、微小力測定装置１によって測定する押圧力が、本実施形態におけるように走査型プローブ顕微鏡の観察用カンチレバー３０により加えられる場合には、表面形状を測定する観察用カンチレバー３０を利用して、探針３１の位置を特定してもよい。すなわち、測定用カンチレバー３の上面に、位置に応じて異なる形状の凹凸を設けておくことで、観察用カンチレバー３０によって検出される凹凸形状によって、探針３１の接触している位置を特定することができる。

また、本実施形態に係る微小力測定装置１においては、単一の測定用カンチレバー３を備えるものを例示して説明したが、これに代えて、バネ定数の異なる複数の測定用カンチレバー３をアレイ状に配列してもよい。この場合においても、同一の半導体製造プロセスの中で、隣接する測定用カンチレバー３間に、エッチング処理によりスリットを形成することで簡易に構成することができる。

また、本実施形態に係る微小力測定装置１は、例えば、走査型プローブ顕微鏡に代表される触診式の表面情報計測装置に組み込むことが好ましい。走査型プローブ顕微鏡は、上述した観察用カンチレバー３０と、試料を搭載して移動させるＸＹＺステージ３２と、観察用カンチレバー３０からの検出信号とＸＹＺステージ３２による試料の位置情報とに基づいて、試料の表面形状を算出するコンピュータ９とを備えている。そこで、試料を搭載しているＸＹＺステージ３２に微小力測定装置１のベース２を固定することにより、ＸＹＺステージ３２の作動により、観察用カンチレバー３０に対し、試料または測定用カンチレバー３を選択的に配置することができる。

このように構成された走査型プローブ顕微鏡によれば、ＸＹＺステージ３２を作動させるだけで、観察用カンチレバー３０に対して試料または測定用カンチレバー３を選択的に配置できる。したがって、試料の表面形状の測定に先立って、測定用カンチレバー３に観察用カンチレバー３０の探針３１を押し当ててその押圧力を測定することができる。この際に、上述したように測定用カンチレバー３に対する探針３１の厳密な位置決めが不要であり、かつ、測定用カンチレバー３における探針３１の接触位置が検出されるので、探針３１により付与される測定力が精度よく測定されることになる。

したがって、観察用カンチレバー３０を交換した際には、表面形状の測定に先立って、その押圧力やバネ定数の測定を迅速に行うことができる。また、測定された押圧力やバネ定数によって、測定条件を自動的に変更することにしてもよく、これにより試料観察の高速化および簡便化を図ることができる。また、観察用カンチレバー３０を自動交換する場合においても、交換によって探針３１の位置が変動しても、探針３１により試料に加えることとなる押圧力を精度よく測定することができる。

また、表面情報測定装置として、走査型プローブ顕微鏡を例に挙げて説明したが、これに代えて、膜厚計、硬度計あるいは表面粗さ計等の触診式の測定装置に微小力測定装置１を組み込むことにしてもよい。また、試料に接触する触針（３１）によって試料を操作する形式の種々の触診装置に適用してもよい。

本発明の一実施形態に係る微小力測定装置を模式的に示す全体構成図である。 図１の微小力測定装置の測定用カンチレバーの上面の構造を示す平面図である。 図２の測定用カンチレバーの縦断面図である。 図１の微小力測定装置の製造プロセスにおける第１のステップを説明する説明図である。 図１の微小力測定装置の製造プロセスにおける第２のステップを説明する説明図である。 図１の微小力測定装置の製造プロセスにおける第３のステップを説明する説明図である。 図１の微小力測定装置の製造プロセスにおける第４のステップを説明する説明図である。 図１の微小力測定装置の製造プロセスにおける第５のステップを説明する説明図である。 図１の微小力測定装置の製造プロセスにおける第６のステップを説明する説明図である。 図４〜図９のステップにより製造された微小力測定装置の測定用カンチレバーを示す縦断面図である。 図１の微小力測定装置の応力集中部の変形例を示す平面図である。 図１の微小力測定装置により測定する微小力を発生する観察用カンチレバーの一例を示す斜視図である。 図１の微小力測定装置により図９の観察用カンチレバーの押圧力を測定するシステムを示すブロック図である。 図１の微小力測定装置の効果を説明する説明図である。 図２の測定用カンチレバーの変形例を示す平面図である。 図１５の測定用カンチレバーの縦断面図である。 図２の測定用カンチレバーの他の変形例を示す平面図である。 図１７の測定用カンチレバーの縦断面図である。

符号の説明

１ 微小力測定装置
３ 測定用カンチレバー
５ 歪みセンサ
６ 力点検出センサ
１０ 熱電対（温度センサ）
１０ａ，１０ｂ 金属層
３１ 探針
３２ ステージ
３３ ヒータ（温度調節部）

Claims (12)

1. 片持ち梁状に形成された測定用カンチレバーと、
   該測定用カンチレバーの歪みを検出する歪みセンサと、
   前記測定用カンチレバーに設けられ、力点位置を検出する力点検出センサとを備える微小力測定装置。
2. 前記歪みセンサが前記測定用カンチレバーの基端部近傍に配置されている請求項１に記載の微小力測定装置。
3. 前記力点検出センサが、測定用カンチレバーの長さ方向に沿う力点位置を検出可能に設けられている請求項１または請求項２に記載の微小力測定装置。
4. 前記力点検出センサが、測定用カンチレバーの幅方向に沿う力点位置を検出可能に設けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の微小力測定装置。
5. 前記力点検出センサが、力点位置の検出可能方向に沿って複数配列され、力点位置の温度変化を検出する温度センサからなる請求項１から請求項４のいずれかに記載の微小力測定装置。
6. 前記温度センサが、２種の金属層を重ねてなる熱電対からなる請求項５に記載の微小力測定装置。
7. 前記熱電対が複数備えられ、
   各熱電対を構成する２種の金属層の内、一方の金属層が複数の熱電対について共通化され、
   測定を行う熱電対を順次切り替える切替装置を備える請求項６に記載の微小力測定装置。
8. 前記熱電対を所定温度に設定する温度調節部を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の微小力測定装置。
9. 前記力点検出センサにより検出された力点位置に基づいて、測定用カンチレバーのバネ定数を算出するバネ定数算出部を備え、
   該バネ定数算出部により算出されたバネ定数に基づいて力点位置に作用した力の大きさを算出する請求項１から請求項８のいずれかに記載の微小力測定装置。
10. 片持ち梁状に形成された測定用カンチレバーに作用させた力を測定する微小力測定方法であって、
    測定用カンチレバーにおける力点位置を検出し、
    検出された力点位置に基づいて、測定用カンチレバーのバネ定数を算出し、
    算出されたバネ定数に基づいて力点位置に作用した力の大きさを算出する微小力測定方法。
11. 試料に接触させる触針と、
    該触針に対して相対移動可能に設けられ、触針を接触させて該触針から加えられる押圧力を測定する請求項１から請求項９のいずれかに記載の微小力測定装置とを備える触診装置。
12. 試料を搭載して触針に対して試料を相対的に移動させるステージを備え、
    前記微小力測定装置がステージに固定されている請求項１１に記載の触診装置。

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