JP3883846B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、先端に微小な探針を有するカンチレバーとカンチレバ−の変位を検出する手段とカンチレバ−と試料間の距離を一定周期で所望の振幅量で振動させる手段と試料を移動させる試料移動手段とからなり、試料の表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料表面上に微粒子を分散させて、表面凹凸像を測定後、カンチレバ−の探針を微粒子上に移動させて、カンチレバ−と試料間の距離を振動させて、カンチレバ−の変位応答を得ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡に関する。
【従来の技術】
従来の走査型プローブ顕微鏡は、先端に微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバ−の変位を検出する手段と、カンチレバーを試料に対して相対的に、一定周期で所望の振幅量で振動させる手段と、振動させる入力信号と検出される出力信号の時間的遅れを検出する手段と試料を移動させる試料移動手段とからなる走査型プローブ顕微鏡において、探針を測定したい試料面に直接接触させることで試料表面の粘弾性特性などの表面物性が測定されていた。
【発明が解決しようとする課題】
従来の走査型プローブ顕微鏡では、探針を試料表面に接触させるときカンチレバ−のタイプにより針先Ｒが異なり、試料面との接触面積が異なる欠点があった。また、カンチレバ−は表面凹凸像の分解能を高めるために針先を先鋭化させているため試料面との接触面積が極小となり、やわらかいカンチレバ−を使用してもやわらかい試料では接触圧が大きくなり、試料を塑性変形させてしまい、試料の粘弾性特性が測定できない欠点もあった。また針先の大きさもバラツキがあり、先鋭化されているがゆえに小さなバラツキでも接触面積で決まる応力は大きく変化してしまう欠点もあった。
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明では、先端に微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバ−の変位を検出する手段と、カンチレバーを試料に対して相対的に、一定周期で所望の振幅量で振動させる手段と、試料を移動させる試料移動手段とからなり、試料の表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料表面上に微粒子を分散させて、表面凹凸像を測定後、カンチレバ−の探針を微粒子上に移動させて、カンチレバーを試料に対して相対的に、一定周期で所望の振幅量で振動させて、微粒子により試料面との接触面積を確保して、カンチレバ−の変位応答を得るようにした。また表面凹凸像を測定することで分散させた微粒子の大きさも測定し、試料面との接触面積を同定するようにした。また、大きさのわかった微粒子を針先に付着させることで付着後の試料面での変位応答測定をするようにした。
【発明の実施の形態】
本発明は、図に示すように、先端に微小な探針を有するカンチレバーとカンチレバ−の変位を検出する手段と、カンチレバーを試料に対して相対的に、一定周期で所望の振幅量で振動させる手段と、試料を移動させる試料移動手段とからなり、試料の表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料表面上に微粒子を分散させて、表面凹凸像を測定後、カンチレバ−の探針を微粒子上に移動させて、カンチレバーを試料に対して相対的に振動させて、微粒子により試料面との接触面積を確保して、カンチレバ−の変位応答を得るようにした。また表面凹凸像を測定することで分散させた微粒子の大きさも測定し、試料面との接触面積を同定することで変位応答を正確に測定するようにした。また大きさのわかった微粒子を針先に付着させることで試料面との接触面積を正確に把握し、付着後の変位応答測定を容易にした。
【実施例】
実施例について図面を参照して説明すると、図１（ａ），１（ｂ），１（ｃ）は走査型プローブ顕微鏡の測定において、本発明の方式の模式図である。
カンチレバ−と試料間の距離を、カンチレバーを試料に対して相対的に、一定周期で所望の振幅量で振動させる手段として、試料移動手段に内蔵する上下動作をモジュレ−ション入力として利用する場合について表面物性測定の中で粘弾性特性を測定する例を図１（ａ）で説明する。カンチレバ−１の先端には探針２があり、試料３と接触している。試料は試料台４の上に設置されている。試料台は試料移動手段５に設置されている。試料移動手段は上下方向の動作と平面方向の動作が可能である。上下方向に動作させることで針先を試料面に対して押し付け、離しの繰り返しの振動を与えることができる。平面方向の動作では探針と試料面接触位置を相対的に移動させることができる。試料への振動は試料移動手段に内蔵する上下動作によりモジュレ−ション入力６として与えられる。カンチレバ−にはレ−ザ７が照射されていて反射光は変位検出手段８に到達する。変位検出手段の到達位置によりカンチレバ−の変位が出力信号９として得られる。
モジュレ−ション入力には一般に正弦波が利用され、出力信号の波形は入力波形に対して時間的に遅れる特性となる。時間的遅れの大きさは試料の粘弾性特性を代表する値となる。またモジュレ−ション入力の振動量（振幅）をＡ０とすると出力信号の振動量（振幅）はＡ１となる。試料がやわらかければ出力振幅Ａ１はＡ０より小さくなる。出力振幅Ａ１の値の大きさでも試料の粘弾性特性が測定できる。なおモジュレ−ション入力として試料移動手段の代わりにカンチレバ−側に設置された別の振動手段１０を用いてもよい。
次に試料表面に微粒子を分散する手順を図１（ｂ）および図１（ｃ）に示す。試料上に微粒子を分散させて、カンチレバ−で試料表面の凹凸像を測定する。カンチレバ−の探針を微粒子上に移動させる。探針が微粒子上にある状態で、モジュレ−ション入力を加え、入力波形に対する出力波形の応答を測定する。前述の時間的遅れ、あるいは出力振幅Ａ１の大きさを測定することで試料の粘弾性特性を測定する。通常の探針が直接試料面に接触する場合には、探針は先鋭化されているので試料表面への潜り方次第で接触面積はバラツキやすい。微粒子上では試料表面との接触面積をかせぐことができるのでバラツキを抑えることができる。また表面凹凸像を測定する際に微粒子の大きさを知ることもできるので接触面積の同定も可能となる。
次に分散する微粒子の別の実施例を図２に示す。図２（ａ）では円柱状の微粒子を試料面上に分散させた後、探針を円柱微粒子上に移動させ、モジュレ−ションを加えて試料の粘弾性特性を測定する。図２（ｂ）ではファイバ−状の微粒子を水平になるように試料面上に分散させた後、探針をファイバ−状微粒子の円筒面上に移動させ、モジュレ−ションを加えて、試料の粘弾性特性を測定する。分散するファイバ−状微粒子はカ−ボンナノチュ−ブ、セラミック系のファイバ-、金属系のファイバ-などでもよい。図２（ｃ）では角状の微粒子を試料面上に分散させた後、探針を角状微粒子上に移動させ、モジュレ−ションを加えて試料の粘弾性特性を測定する。いずれの場合にも表面凹凸像の測定後、探針を微粒子上に移動させるので、接触面積の大きさを測定できる。接触面積を知ることができるので探針の先鋭化のバラツキによらず、試料面への変位置応答と接触面積の関係を把握できる。
図３（ａ）に分散させた微粒子の試料面との接触が平面である例を示す。例えば微粒子が角状のものであれば、表面凹凸像を測定することで接触面の幅Ｗと奥行きＬを求めることができるので、微粒子が長方形であれば、接触面積は、幅Ｗｘ奥行きＬとなる。微粒子が多角形であっても表面凹凸像を測定することで接触面積は見積もることができる。単位面積あたりの押し付け具合、つまり応力を測定することができる。接触面積が把握できるので、接触面積のバラツキを除外した、試料の粘弾性特性も測定することができる。図３（ｂ）に分散させた微粒子がファイバ−状で試料面との接触が円筒面である例を示す。微粒子の円筒面上に探針を移動させた状態を基準とする。探針を押しつけて探針の変位が基準に対しｈだけ下がったとする。微粒子の半径をＲとすれば、接触部の円弧を形成する角度αはα＝ｉｎｖｅｒｓｅ（ｃｏｓ（（Ｒ−ｈ）／Ｒ）で求めることができる。円筒面の全周は２ｘπｘＲで与えられるので、接触部の円弧の長さＶは、Ｖ＝（２ｘπｘＲ）ｘ（２ｘα）／３６０で得られる。よって接触部の面積は、（円弧長Ｖ）ｘ（奥行きＬ）で同定できる。なお接触部が球面である場合も同様にして接触面積を同定できる。
図４に、試料表面上に分散させる微粒子に予め帯電しやすい処理をして、探針を微粒子上に移動させて探針に付着させるとした別の実施例を示す。図４（ａ）でまず所望の大きさの微粒子を選定する。図４（ｂ）で微粒子の周囲面に帯電処理４１を施す。図４（ｃ）に作業基板４２上に微粒子を分散させる。このとき作業基板自身は帯電しない導電性であることが望ましい。図４（ｄ）に、微粒子を分散させた基板上で表面凹凸像を測定して探針を微粒子上に移動させる。この状態で電流を流す手段４３により、帯電処理した微粒子が付着するように、探針に印加する電位の方向を決める。図４（ｅ）に探針に微粒子が付着したあと、作業基板から探針を離すと、探針に微粒子が付着した状態となる。図４（ｆ）で、微粒子が付着した探針で別試料４４を測定する。なお電位をかけずにカンチレバ−自身の母材の材質である窒化珪素、Ｓｉの自然酸化膜の帯電で静電気集塵させてもよい。また探針側に帯電処理させておいて微粒子を付着させてもよい。
図５に、探針に微粒子を電着させて付着させる別の実施例を示す。図５（ａ）でまず所望の大きさの微粒子を選定する。図５（ｂ）で微粒子および探針を含めてカンチレバ−に導電処理５１をする。図５（ｃ）で微粒子を基板に分散させる。カンチレバ−は電流を流す手段４３に取り付ける。図５（ｄ）で微粒子を分散させた基板の表面凹凸像を測定し、微粒子上に探針を移動させる。電流を流す手段によりカンチレバ−、探針を介して瞬間的あるいは継続的に電流を流す。電流が流れることで導電性コ−トが溶融し、電流を流すのを止めれば、溶融した導電性コ−ト成分が凝固し、探針は微粒子に付着する。図５（ｅ）で探針を基板より離せば、微粒子は探針に付着した状態となる。図５（ｆ）で、微粒子が付着した探針で別試料４４を測定する。なお微粒子自身が導電性の性質があれば微粒子自身には導電処理をする必要はなく、探針側の導電性コ−トの溶融、凝固で微粒子を付着させてもよい。また基板側から電流を流して導電性コ−トの溶融、凝固で微粒子を付着させてもよい。
図６に、分散させる微粒子に予め粘着成分をコ−トし、探針に微粒子を付着させる別の実施例を示す。図６（ａ）でまず所望の大きさの微粒子を選定する。図６（ｂ）で、微粒子および探針に粘着処理６１をする。図６（ｃ）で、粘着処理した微粒子を基板上に分散させる。カンチレバ−は加熱手段６２に取り付けられる。図６（ｄ）で、微粒子を分散させた基板の表面凹凸像を測定し、微粒子上に探針を移動させる。カンチレバ−を加熱する手段によりカンチレバ−、探針の粘着成分コ−トを溶かす、あるいは粘着性を上げる。探針は微粒子と接触した状態で粘着性が増え、カンチレバ−の加熱を止めることで、粘着成分が凝固あるいは室温にもどって微粒子は探針に付着する。図６（ｅ）で探針を基板より離せば、微粒子は探針に付着した状態となる。図６（ｆ）で、微粒子が付着した探針で別試料４４を測定する。なお探針のみに粘着成分のコ−トをして微粒子には粘着成分のコ−トをしない組み合わせでもよい。またカンチレバ−の加熱手段の代わりに基板の下に加熱ヒ−タを設置し微粒子上に探針がある状態で基板側から加熱して粘着成分コ−トを溶融させて微粒子を探針に付着させてもよい。この場合には基板は粘着処理成分となじまない材質が望ましい。また基板の下に設置する加熱ヒ−タの代わりに基板および探針の上方に輻射ランプを設置し、輻射加熱で粘着成分コ−トを溶融させて微粒子を探針に付着させてもよい。
図７に、微粒子を分散後、表面凹凸像を測定することで微粒子のサイズ、試料との接触面積を測定し、カンチレバ−の変位応答における接触面積の同定をする別の実施例を示す。大きさ、試料との接触面積が一定でない場合でも、微粒子の分散後、表面凹凸像測定後、断面プロファイルを測定することで接触面積を求めることができる。接触面積を把握した上で、入力波形に対する出力波形の時間的遅れから試料の粘弾性特性を接触面積のバラツキに左右されることなく測定することができる。また同じく入力振幅に対する出力振幅の大きさからも試料の粘弾性特性を接触面積のバラツキに左右されることなく測定することもできる。
また以上までは、探針を試料面に対して押し付けることで得られる物性として粘弾性特性の例で説明してきた。一方、探針を試料面から離すことに着目すれば得られる表面物性としては、試料面の吸着特性もある。微粒子を分散後、表面凹凸像を測定し微粒子のサイズ、試料との接触面積を測定し、探針に微粒子を付着させる工程を経て別の試料上で微粒子付きの探針を試料面に対して接触、離しを繰り返す実施例を図８に示す。図８（ａ）で微粒子付きの探針が試料面上の吸着が小さい部分８１に接触している。図８（ｂ）で試料を下方向へ移動させるとカンチレバ−はつり竿状態になる。探針がどの程度試料側に引っ張られているかはカンチレバ−に照射されているレ−ザの反射光を変位検出器で知ることで探針の変位量を知ることができる。図８（ｃ）でさらに試料を下方向に移動させれば微粒子付きの探針は試料面から離れる。次に図８（ｄ）で微粒子付きの探針が試料面上の吸着が大きい部分８２に接触している。図８（ｅ）で試料を下方向へ移動させるとカンチレバ−はつり竿状態になる。探針がどの程度試料側に引っ張られているかはカンチレバ−に照射されているレ−ザの反射光を変位検出器で知ることで探針の変位量を知ることができる。図８（ｆ）でさらに試料を下方向に移動させれば微粒子付きの探針は試料面から離れる。吸着の大きい部分ではカンチレバ−のつり竿状態は顕著で探針の変位も大、吸着の小さい部分ではカンチレバ−のつり竿状態の度合いは少なく探針の変位は小さくなる。試料面から離れるときの探針の変位を測定することで試料面のポイントにおける吸着力の大小つまり吸着特性を測定できる。また表面凹凸像を測定しながら微粒子付きの探針が離れるときの変位をマッピングしていけば吸着特性のマッピング像も得ることもできる。
また微粒子を探針に付着させた状態で試料移動手段により試料を水平方向に相対的にずらせばカンチレバ−は摩擦などによりねじれて摩擦特性を測定する実施例を図９に示す。図９（ａ）は探針を有するカンチレバ−の長手方向が紙面と垂直の場合を示している。微粒子付きの探針は試料面上に接触している。カンチレバ−がねじれやすいようにカンチレバ−の長手方向に直交する方向に試料を移動させる。摩擦の小さい部分９１ではねじれ量は小さい。図９（ｂ）で微粒子付きの探針が摩擦の大きい部分９２にくるとねじれ量は大きくなる。図９（ｃ）で再び摩擦の小さい部分９１に微粒子付きの探針がくればねじれ量は小さくなる。微粒子付きの探針に対して試料を水平方向に移動させ、ねじれ量を変位検出手段により測定することで試料表面の摩擦特性のマッピング像も得ることができる。
また摩擦特性の測定目的では探針と試料間の距離を周期的に上下方向に振動させるかわりに、試料移動手段の水平方向の動作で、微粒子付きの探針に対して試料を水平方向に所望の振動数、所望の振動量で振動させながら試料面を測定していってもよい。摩擦の大きい部分で同じくねじれ量が大、摩擦の小さい部分でねじれ量が小となり、水平方向の振動（モジュレ−ション入力）をさせながら、同様に試料表面の摩擦特性のマッピング像を得ることもできる。
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
先端に微小な探針を有するカンチレバーとカンチレバ−の変位を検出する手段とカンチレバ−と試料間の距離を一定周期で所望の振幅量で振動させる手段と試料を移動させる試料移動手段とからなり、試料の表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料表面上に微粒子を分散させて、表面凹凸像を測定後、カンチレバ−の探針を微粒子上に移動させて、カンチレバ−と試料間の距離を振動させて、試料面との接触面積を確保して、カンチレバ−の変位応答を得るようにした。また表面凹凸像を測定することで分散させた微粒子の大きさも測定し、試料面との接触面積を同定することで変位応答を正確に測定するようにした。また大きさのわかった微粒子を針先に付着させることで試料面との接触面積を正確に把握し、付着後の変位応答測定を容易にした。先鋭化された探針の接触面積のバラツキを抑えるために探針に大きさのわかっている微粒子を付着させて接触面積を同定し表面物性の測定で試料の特性をバラツキなく正確に得られる効果がある。また大きさのわかっていない微粒子でも試料面に分散させて表面凹凸像を測定することで接触面積を把握して同じく表面物性の測定において試料の特性をバラツキなく正確に得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a)は走査型プロ−ブ顕微鏡で、粘弾性特性を測定するときの本発明の模式図。
(b)は走査型プロ−ブ顕微鏡で、試料表面に微粒子を分散させることを説明する模式図。
(c)は走査型プロ−ブ顕微鏡で、試料の粘弾性特性得る順序の説明図。
【図２】走査型プロ−ブ顕微鏡で、分散させる微粒子の形状を説明する模式図。
【図３】走査型プロ−ブ顕微鏡で、分散させる微粒子の試料表面との接触面積を説明する模式図。
【図４】走査型プロ−ブ顕微鏡で、帯電処理によって微粒子を針先へ付着させる場合の実施例を示す模式図。
【図５】走査型プロ−ブ顕微鏡で、導電処理によって微粒子を針先へ付着させる場合の実施例を示す模式図。
【図６】走査型プロ−ブ顕微鏡で、粘着処理によって微粒子を針先へ付着させる場合の実施例を示す模式図。
【図７】走査型プロ−ブ顕微鏡で、微粒子を試料面に分散後、接触面積を求める場合の実施例を示す模式図。
【図８】走査型プロ−ブ顕微鏡で、微粒子を試料面に分散後、吸着特性を求める場合の実施例を示す模式図。
【図９】走査型プロ−ブ顕微鏡で、微粒子を試料面に分散後、摩擦特性を求める場合の実施例を示す模式図。
【符号の説明】
１ カンチレバ−
２ 探針
３ 試料
４ 試料台
５ 試料移動手段
６ モジュレ−ション入力
７ レ−ザ
８ 変位検出手段
９ 信号出力
１０ 別の振動手段
Ａ０ 入力振幅
Ａ１ 出力振幅（かたい較正試料のとき）
１１ 微粒子
２１ 円柱状微粒子
２２ ファイバ−状微粒子
２３ 角状微粒子
４１ 帯電処理
４２ 作業基板
４３ 電流を流す手段
４４ 別試料
５１ 導電処理
６１ 粘着処理
６２ カンチレバ−加熱手段
８１ 吸着の小さい部分
８２ 吸着の大きい部分
９１ 摩擦の小さい部分
９２ 摩擦の大きい部分

Claims (14)

1. 先端に微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバ−の変位を検出する手段と、カンチレバーを試料に対して相対的に、一定周期で所望の振幅量で振動させる手段と、試料を移動させる試料移動手段とからなり、試料の表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料表面上に微粒子を分散させて、表面凹凸像を測定後、カンチレバ−の探針を微粒子上に移動させて、カンチレバーを試料に対して相対的に振動させて、カンチレバ−の変位応答を得ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 試料表面上に分散させる微粒子がＳｉ粒子、ＳｉＯ２あるいは窒化珪素あるいはアルミナあるいはＴｉＣなどのセラミック粒子、グラファイト粒子、一般金属粒子などのかたさを持つ微粒子であることとした、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 試料表面上に分散させる微粒子が球状であることとし、試料面との接触面が球面であることとした、請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 試料表面上に分散させる微粒子がファイバ−状であることとし、試料面との接触面が円筒面であることとした、請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 試料表面上に分散させる微粒子が円柱状であることとし、試料面との接触面が平面であることとした、請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 試料表面上に分散させる微粒子が角状であることとし、試料面との接触面が平面であることとした、請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 試料表面上に分散させる微粒子に予め帯電しやすい処理をして、探針を微粒子上に移動させて探針に付着させることとした、請求項３から６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. カンチレバ−へ電流を流す手段を有し、試料表面上に分散させる微粒子に予め導電性の処理をし、カンチレバ−にも導電性の処理をして、探針を微粒子上に移動させてから電流を流す、あるいは瞬間的に電圧を印加させることで探針に微粒子を電着させて付着させることとした、請求項３から６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. カンチレバ−を加熱する手段を設け、分散させる微粒子に予め粘着成分をコ−トし、探針を微粒子上に移動させてカンチレバ−を加熱させることで粘着成分を溶かし探針に微粒子を付着させてカンチレバ−の加熱を止めて探針に微粒子を付着させることとした、請求項３から６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. カンチレバ−を加熱する手段を設け、カンチレバ−の探針に予め粘着成分をコ−トし、探針を微粒子上に移動させてカンチレバ−を加熱させることで粘着成分を溶かし探針に微粒子を付着させてカンチレバ−の加熱を止めて探針に微粒子を付着させることとした、請求項３から６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
11. 微粒子を分散後、表面凹凸像を測定することで微粒子のサイズ、試料との面積を測定し、カンチレバ−の変位応答における接触面積の同定をし、試料の応力応答を求めることで試料の粘弾性特性を求めることとした、請求項１から１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
12. 微粒子を探針に付着後、試料面に対して微粒子付きの探針を接触と離しを繰り返し、離す際に必要なレバ−変位量を得ることで試料表面の吸着特性を求めることとした、請求項１から１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
13. 微粒子を探針に付着後、試料面に対して微粒子付きの探針を試料表面と接触させた状態で試料移動手段により相対的に試料を水平方向に移動させ、カンチレバ−のねじれ量を測定することで試料表面の摩擦特性を求めることとした、請求項２から１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
14. 試料表面を微粒子付きの探針に対して水平方向に一定周期で所望の振幅量で振動させながら測定することととした、請求項１３記載の走査型プローブ顕微鏡。

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