JP3926638B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【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、カンチレバーの変位を検出する手段と、カンチレバーまたは試料を振動させる手段と、試料を加熱冷却する手段と、試料を移動させる手段からなり、試料の表面形状あるいは表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【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、カンチレバーの変位を検出する手段と、カンチレバーまたは試料を振動させる手段と、試料を加熱冷却する手段と、試料を移動させる手段からなり、試料の表面形状あるいは表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料温度を所望の温度に設定し、試料温度が安定してから探針を試料に接触させて試料表面物性を測定していた。そして別の温度にしたいときは、探針を試料から一度離し、別の温度に設定し、温度が安定したところで再度試料に接触させて試料表面物性を測定するという繰り返しを温度ごとに行っていた。そして物性特性も温度ごとに測定し、データをもとに特性曲線グラフを一連の加熱測定後作成していた。
【０００３】
【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、測定する温度ごとに温度の設定をして、温度が安定してから探針を試料に接触させて試料表面物性を測定していたため、複数の温度について測定を行う場合、測定に手間がかかる欠点があった。また温度ごとに測定値をメモしておいて一連の加熱後に改めてグラフにするため効率的でない欠点もあった。また得られる物性値にばらつきがあった。
【０００４】
【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、走査型プローブ顕微鏡において試料温度を階段状に昇温あるいは降温させ、温度変化中は探針を試料から離し、温度が一定になったところで探針を試料に接触させて試料の表面物性を測定し、次に探針を試料表面上の別の位置に移動させ同様に試料表面物性を測定し、これを複数回繰り返すことで該当温度における物性値の平均値とし、温度依存の物性特性グラフを同時に表示するようにした。
【０００５】
【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、カンチレバーの変位を検出する手段と、カンチレバーまたは試料を振動させる手段と、試料を加熱冷却する手段と、試料を移動させる手段からなり、試料の表面形状あるいは表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料温度を階段状に昇温あるいは降温させ、温度変化中は探針を試料面から離し、温度一定になったところで探針を試料面に接触させて試料の表面物性を測定し、探針を試料表面上の別の位置に移動させ同じく試料表面物性を測定し、複数回繰り返すことで該当温度における物性値の平均値とすることを自動で行うようにした。また階段上の温度一定のところで得られる物性値の平均値を同時に温度依存特性としてグラフ表示するようにした。温度一定のときに複数位置における物性値を測定し平均することで得られる値のばらつきを低減した。また階段状に温度変化させて温度一定のときに物性値を得て同時にグラフ表示することで結果を得るまでの効率化を可能にした。
【０００６】
【実施例】
実施例について図面を参照して説明すると、図１は本発明の走査型プローブ顕微鏡による測定方式の模式図である。図１のように試料温度を階段状に昇温あるいは降温させ、温度が一定になったところで探針を試料に接触させて試料表面物性を試料上の複数位置において測定し平均値をとることで該当温度の試料表面物性とする。温度の昇温、降温のパターンは自動で行う。
【０００７】
試料温度を階段状に昇温あるいは降温させ、温度が一定になったところで試料表面物性を測定する例を以下に示す。カンチレバーまたは試料を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ーション入力として利用し、表面物性の中でも粘弾性特性を測定する例を図２で説明する。カンチレバー１の先端には探針２があり、試料３と接触している。試料は加熱冷却手段４の上に設置されている。加熱冷却手段は、現在の温度を検出できるようになっていて、試料移動手段５に設置されている。試料移動手段５は上下方向の動作と水平方向の動作が可能であり、一定周期で所望の振動量で振動させることもできる。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。また水平方向の動作では、探針と試料との接触位置を相対的に移動させることができる。試料温度の階段状に昇温あるいは降温させることは自動で行う。昇温あるいは降温中は探針を試料面から離しておく。そして試料温度が階段状の一定になったところで探針を試料表面に接触させる。
【０００８】
試料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ーション入力６として与えられる。カンチレバー１にはレーザ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。レーザ７の反射光の変位検出手段８の到達位置によりカンチレバー１の変位が出力信号９として得られる。
【０００９】
モジュレーション入力６には一般に正弦波が利用され、出力信号９の波形はモジュレーション６による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３の粘弾性特性を代表する値となる。またモジュレーション入力６の振幅をＡ０とすると、出力信号９の振幅はＡ１となる。試料３がやわらかければ出力振幅Ａ１は入力振幅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。なおモジュレーション入力として試料移動手段５の代わりにカンチレバー１側に設置された別の振動手段１０を用いてもよい。
【００１０】
加熱冷却手段４により、試料３の加熱冷却を階段状に行い、温度が一定になったところで探針２を試料３に接触させ、モジュレーション入力６により出力信号９を得る。次に測定位置を変化させて出力信号９を得ることを繰り返し、平均値をとることで該当温度の表面物性値とする。取り終えたら探針２を試料３から離し、次の階段状の温度が一定となるところへ温度制御する。温度一定になったら再び探針２を試料３に接触させ、測定位置を変化させて出力信号９を得ることを繰り返し、平均値をとることで該当温度の表面物性値とする。同様に繰り返すことで階段状の温度が一定になったところごとの物性値の変化を追跡できる。
【００１１】
出力信号の振幅の変化を表す実施例を図３に示す。階段状の温度が一定になったところで、測定位置を変えて振幅を複数回測定し、その平均値を物性値としてグラフ上のスポットで示す。階段状の別の温度が一定になったところでの振幅を順にプロットしていけば、各温度におけるスポットが得られる。各スポットを近似曲線で表示したものを実線で示す。例えば温度の上昇とともに試料がやわらかくなって振幅が小さくなっていくグラフが表示される。
【００１２】
また出力信号の時間的遅れの変化を表示する実施例を図４に示す。階段状の温度が一定になったところで時間的遅れを、測定位置を変化させて複数回測定し、平均値を物性値としてグラフ上のスポットで示す。階段状の別の温度一定になったところでの時間的遅れを順にプロットしていけば各温度におけるスポットが得られる。各スポットを近似曲線で表示したものを実線で示す。例えば温度の上昇とともにある温度で試料がやわらかくなって時間遅れが大きくなり、その温度をさらに超えると逆に試料成分内の変化でかたくなって時間遅れが小さくなっていくグラフが表示される。
【００１３】
なお温度依存のグラフはスポットのみを表示させてもよい。スポットと近似曲線を同時に表示させてもよい。近似曲線のみを表示させてもよい。グラフは昇温中リアルタイムに表示させてもよいし、表示終了後記憶させてもよい。いずれの場合にも探針を試料表面に接触させて試料状の複数の位置における出力信号の平均値を求めることでグラフ表示させる。試料面上の１点（測定ポイント）において測定ポイントの場所を複数回変化させて平均値としてもよい。また試料移動手段により探針を試料に対し水平方向に移動と戻しを繰り返し、試料面上の１ライン（測定ライン）において測定ラインの場所を複数回変化させて平均値としてもよい。また試料移動手段により探針を試料に対し水平方向に２次元的に移動と戻しを繰り返し、試料上の１フレーム（測定領域）において測定フレームの場所を複数回変化させて平均値としてもよい。
【００１４】
以上までは、探針を試料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、探針を試料から離すことに着目して得られる表面物性として、吸着特性がある。探針を試料に対して接触・離しを繰り返し、吸着特性を測定する実施例を図５に示す。図５（Ａ）で探針２が試料５０の吸着が小さい部分５１に接触している。図５（Ｂ）で試料を下方向へ移動させるとカンチレバー１はつり竿状態になる。探針２がどの程度試料側に引っ張られているかはカンチレバー１に照射されているレーザの反射光を変位検出手段で知ることで探針の変位量を知ることができる。図５（Ｃ）でさらに試料を下方向に移動させれば探針２は試料５０から離れる。次に図５（Ｄ）で探針２が試料５０表面の吸着が大きい部分５２に接触している。図５（Ｅ）で試料５０を下方向へ移動させるとカンチレバー１はつり竿状態になる。探針２がどの程度試料側に引っ張られているかはカンチレバー１に照射されているレーザの反射光を変位検出手段検出することで探針２の変位量を知ることができる。図５（Ｆ）でさらに試料５０を下方向に移動させれば、探針２は試料５０から離れる。吸着の大きい部分５２ではカンチレバー１のつり竿状態は顕著で探針２の変位量も大、吸着の小さい部分５１ではカンチレバー１のつり竿状態の度合いは少なく探針２の変位量は小さくなる。試料５０から離れるときの探針２の変位量を測定することで試料の測定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。前記方法により階段状の温度一定になったところで複数回測定場所を変化させて平均値をとる。階段状の温度一定になったところごとに行っていけば試料表面の吸着特性の温度依存を測定できる。試料上の１点（測定ポイント）で場所を変化させて複数回測定し平均値としてもよい。また試料移動手段により探針を試料に対し水平方向に移動と戻しを繰り返し、試料上の１ライン（測定ライン）で場所を変化させて複数回測定し平均値としてもよい。また試料上の１フレーム（測定領域）で場所を変化させて複数回測定し平均値としてもよい。
【００１５】
また試料移動手段により探針に対し試料を水平方向に相対的にずらせばカンチレバーは試料表面との摩擦などによりねじれることで摩擦特性を測定する実施例を図６に示す。図６（Ａ）は探針２を有するカンチレバーの長手方向が紙面と垂直の場合を示している。探針２は試料６０表面に接触している。カンチレバーがねじれやすいようにカンチレバーの長手方向と直交する方向に試料６０を移動させる。摩擦の小さい部分６１ではねじれ量は小さい。図６（Ｂ）で探針２が摩擦の大きい部分６２にくるとねじれ量は大きくなる。図６（Ｃ）で再び摩擦の小さい部分６１に探針２がくればねじれ量は小さくなる。探針２のねじれ量を測定することで試料６０表面の測定ポイントにおける摩擦力の大小つまり摩擦特性を測定できる。階段状の温度が一定になったところで複数回測定場所を変えて測定し、平均値をとる。階段状の温度が一定になったところごとに測定を行っていけば、試料表面の摩擦特性の温度依存を測定できる。試料の１点（測定ポイント）で場所を変化させて複数回測定し平均値としてもよい。また試料移動手段により探針を試料に対し水平方向に移動と戻しを繰り返し、試料面上の１ライン（測定ライン）で場所を変化させて複数回測定し平均値としてもよい。また試料の１フレーム（測定領域）で場所を変化させて複数回測定し平均値としてもよい。
【００１６】
また摩擦特性の測定目的では、試料を上下方向に振動させる代わりに、試料移動手段の水平方向の動作で、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、水平方向の振動をさせながら階段状の温度が一定になったところごとに測定してもよい。
【００１７】
別の実施例として、階段状に温度が一定になったところごとに表面凹凸像と物性像をマッピング像として測定、記録する場合を図７に示す。まず表面凹凸像と物性像を表示、記憶する。別の階段状の温度が一定になったとところでも表面凹凸像と物性像を表示、記憶する。物性像は粘弾性特性のマッピング像としてもよい。また摩擦特性のマッピング像、吸着特性のマッピング像としてもよい。
【００１８】
またカンチレバーと試料を振動させる手段を用いないで振動をさせずに表面凹凸像のみの階段状の温度一定になったところごとに表示させても、順に記憶させていってもよい。
【００１９】
【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。
【００２０】
先端に微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する手段と、カンチレバーまたは試料を振動させる手段と、試料を加熱冷却する手段と、試料を移動させる手段からなり、試料の表面形状あるいは表面物性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、試料温度を階段状に昇温あるいは降温させ、温度変化中は探針を試料面から離し、温度一定になったところで探針を試料面に接触させて試料の表面物性を測定し、次に探針を試料表面上の別の位置に移動させ同じく試料表面物性を測定し、これを複数回繰り返すことで該当温度における物性値の平均値とすることを自動で行うようにした。これにより、測定にかかる手間省けるようになった。また階段上の温度一定のところで得られる物性値の平均値を同時に温度依存特性としてグラフ表示するようにしたため、効率的に物性値の温度依存性のグラフが作成できるようになる。さらに、温度一定のときに複数位置における物性値を平均することで得られる値のばらつきを低減する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡で温度を階段状に変化させる模式図。
【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡で粘弾性特性を測定する場合の実施例を示す模式図。
【図３】本発明の走査型プローブ顕微鏡で振幅の温度変化を階段状温度ごとに表示する場合の実施例を示す模式図。
【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡で時間的遅れの温度変化を階段状温度ごとに表示する場合の実施例を示す模式図。
【図５】本発明の走査型プローブ顕微鏡で吸着特性を測定する場合の実施例を示す模式図。
【図６】本発明の走査型プローブ顕微鏡で摩擦特性を測定する場合の実施例を示す模式図。
【図７】本発明の走査型プローブ顕微鏡で試料表面形状像と試料表面物性像を表示する場合の実施例を示す模式図。
【符号の説明】
１ カンチレバー
２ 探針
３ 試料
４ 加熱冷却手段
５ 試料移動手段
６ モジュレーション入力
７レーザ
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
５０ 試料
５１ 吸着の小さい部分
５２ 吸着の大きい部分
６０ 試料
６１ 摩擦の小さい部分
６２ 摩擦の大きい部分

Claims (24)

1. 先端に微小な探針を有するカンチレバーと、該カンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、前記カンチレバーまたは試料を振動させる振動手段と、試料を加熱冷却する加熱冷却手段と、試料を水平方向あるいは上下方向に移動させる試料移動手段からなり、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、
   試料温度を階段状に昇温あるいは降温させ、
   温度変化中は前記探針を試料から離し、
   温度が一定になったところで前記探針を試料に接触させて試料の表面物性を測定し、その後前記探針を試料の別の位置に移動させ、該位置で試料の表面物性を測定し、別の位置への移動および該位置での表面物性の測定を複数回繰り返すことで該当温度における物性値の平均値とすることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 階段状に一定になった温度ごとに前記物性の平均値を出し、試料表面の物性変化を温度依存曲線として表示することとした、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 試料上の複数の点において表面物性の測定をすることとした、請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記変位検出手段により前記カンチレバーの振幅量を得て、振幅量の大小から試料表面の物性として粘弾性特性を測定することとした、請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記振動手段の入力波形に対して前記変位検出手段で得られる出力波形の時間的遅れから、試料表面の物性として粘弾性特性を測定することとした、請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記探針を試料と接触させた状態で、試料を前記試料移動手段により相対的に水平方向に移動させ、前記カンチレバー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３記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記試料移動手段により試料を前記探針に対して水平方向に振動させながら前記変位検出手段により前記カンチレバーのねじれ量を測定することとした、請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記試料移動手段により試料を上下動作させて前記探針に対して接触と離しを繰り返し、接触時には前記探針の試料への押し付けが一定になるように制御し、離す際に必要な前記カンチレバーの変位量を得て、試料上の複数の点における表面物性の吸着特性を測定することとした、請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 試料上の１ラインにおいて表面物性の測定をすることとした、請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 前記変位検出手段により前記カンチレバーの振幅量を得て、振幅量の大小から試料表面の物性として粘弾性特性を測定することとした、請求項９記載の走査型プローブ顕微鏡。
11. 前記振動手段の入力波形に対して前記変位検出手段で得られる出力波形の時間的遅れから、試料表面の物性として粘弾性特性を測定することとした、請求項９記載の走査型プローブ顕微鏡。
12. 前記探針を試料と接触させた状態で、試料を前記試料移動手段により相対的に水平方向に移動させ、前記カンチレバー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９記載の走査型プローブ顕微鏡。
13. 前記試料移動手段により試料を前記探針に対して水平方向に振動させながら前記変位検出手段により前記カンチレバーのねじれ量を測定することとした、請求項１２記載の走査型プローブ顕微鏡。
14. 前記試料移動手段により試料を上下動作させて前記探針に対して接触と離しを繰り返し、接触時には前記探針の試料への押し付けが一定になるように制御し、離す際に必要な前記カンチレバーの変位量を得て、試料上の１ラインにおける表面物性の吸着特性を測定することとした、請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡。
15. 試料上の１フレームにおいて表面物性の測定をすることとした、請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡。
16. 前記変位検出手段の出力波形の振幅量を得て、振幅量の大小から試料表面の物性として粘弾性特性を測定することとした、請求項１５記載の走査型プローブ顕微鏡。
17. 前記振動手段の入力波形に対して前記変位検出手段で得られる出力波形の時間的遅れから、試料表面の物性として粘弾性特性を測定することとした、請求項１５記載の走査型プローブ顕微鏡。
18. 前記探針を試料と接触させた状態で、試料を前記試料移動手段により相対的に水平方向に移動させ、前記カンチレバー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１５記載の走査型プローブ顕微鏡。
19. 前記試料移動手段により試料を前記探針に対して水平方向に振動させながら前記変位検出手段により前記カンチレバーのねじれ量を測定することとした、請求項１８記載の走査型プローブ顕微鏡。
20. 前記試料移動手段により試料を上下動作させて前記探針に対して接触と離しを繰り返し、接触時には前記探針の試料への押し付けが一定になるように制御し、離す際に必要な前記カンチレバーの変位量を得て、試料上の１フレームにおいて表面物性の吸着特性を測定することとした、請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡。
21. 物性値の温度依存変化のグラフを表示および記録することとした、請求項４から７、請求項１０から１３、または請求項１６から１９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
22. 表面凹凸像と物性像をマッピング像として測定、記録することとした、請求項１６から１９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
23. 前記試料移動手段により試料を上下動作させて前記探針に対して接触と離しを繰り返し、物性値の温度依存変化のグラフを表示および記録することとした、請求項８、１４または２０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
24. 前記試料移動手段により試料を上下動作させて前記探針に対して接触と離しを繰り返し、表面凹凸像と物性像をマッピング像として測定、記録することとした、請求項２０記載の走査型プローブ顕微鏡。

Images