JP4244347B2 - 試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置に関するものである。
本願発明者は、ナノサイズの機械振動子を１本もしくは１平方センチあたり１００万個以上アレイ状に配列したナノカンチレバーに関する提案を行ってきた。
なし
しかしながら、そのナノカンチレバーは、実際の使用にあたって種々の問題があった。
本発明は、構成が簡単で、的確な試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、光学的励起部（２００）と、信号処理部（３００）と、ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）と、原子間力顕微鏡試料ステージ制御部（５００）と、前記信号処理部（３００）に接続されるネットワークアナライザ（６００）とを備え、前記光学的励起部（２００）は、レーザダイオードドライバー（２０１）と、このレーザダイオードドライバー（２０１）によって駆動されるレーザダイオード（２０２）と、このレーザダイオード（２０２）からの光を受けて前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）に取り込むミラー（２０３）とを備え、前記信号処理部（３００）は、前記ネットワークアナライザ（６００）に接続される第１スイッチ（３０１）と、この第１スイッチ（３０１）の出力側から分岐して前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）に接続される第２スイッチ（３０２）と、前記第１スイッチ（３０１）の出力側に接続されるディジタイザー（３０３）と、このディジタイザー（３０３）に接続される位相シフター（３０４）と、この位相シフター（３０４）に接続されるフィルター（３０５）と、このフィルター（３０５）に接続されるとともに、前記レーザダイオードドライバー（２０１）の出力側に接続される増幅器（３０６）とを備え、前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（４０１）と、レンズ（４０５）と、このレンズ（４０５）に接続される偏波面保存ファイバ（４０６）と、レーザ出射部（４０７）とを含み、前記原子間力顕微鏡試料ステージ制御部（５００）は、ＬＯに接続されるＤＢＭ（５０１）と、このＤＢＭ（５０１）へ接続されるコントローラ（５０２）と、このコントローラ（５０２）に接続され試料（５０３）を駆動するピエゾ素子（５０４）を含み、前記レーザダイオード（２０２）の出力光を、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザ（４０１）のヘテロダインレーザドップラー干渉計の計測光に重畳させ、それを前記偏波面保存ファイバ（４０６）に導入し、前記レーザ出射部（４０７）を経て前記試料（５０３）に照射するようにしたことを特徴とする。
〔１〕試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、光学的励起部（２００）と、信号処理部（３００）と、ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）と、原子間力顕微鏡試料ステージ制御部（５００）と、前記信号処理部（３００）に接続されるネットワークアナライザ（６００）とを備え、前記光学的励起部（２００）は、レーザダイオードドライバー（２０１）と、このレーザダイオードドライバー（２０１）によって駆動されるレーザダイオード（２０２）と、このレーザダイオード（２０２）からの光を受けて前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）に取り込むミラー（２０３）とを備え、前記信号処理部（３００）は、前記ネットワークアナライザ（６００）に接続される第１スイッチ（３０１）と、この第１スイッチ（３０１）の出力側から分岐して前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）に接続される第２スイッチ（３０２）と、前記第１スイッチ（３０１）の出力側に接続されるディジタイザー（３０３）と、このディジタイザー（３０３）に接続される位相シフター（３０４）と、この位相シフター（３０４）に接続されるフィルター（３０５）と、このフィルター（３０５）に接続されるとともに、前記レーザダイオードドライバー（２０１）の出力側に接続される増幅器（３０６）とを備え、前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（４０１）と、レンズ（４０５）と、このレンズ（４０５）に接続される偏波面保存ファイバ（４０６）と、レーザ出射部（４０７）とを含み、前記原子間力顕微鏡試料ステージ制御部（５００）は、ＬＯに接続されるＤＢＭ（５０１）と、このＤＢＭ（５０１）へ接続されるコントローラ（５０２）と、このコントローラ（５０２）に接続され試料（５０３）を駆動するピエゾ素子（５０４）を含み、前記レーザダイオード（２０２）の出力光を、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザ（４０１）のヘテロダインレーザドップラー干渉計の計測光に重畳させ、それを前記偏波面保存ファイバ（４０６）に導入し、前記レーザ出射部（４０７）を経て前記試料（５０３）に照射するようにしたことを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、前記ネットワークアナライザ（６００）により周波数を掃引した信号を用いて前記レーザダイオード（２０２）の出力光を変調し、この変調した光を用いて前記試料（５０３）の振動を励起し、前記試料（５０３）の振動を同時に観察している前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）の出力を前記ネットワークアナライザ（６００）の信号入力に接続することによって、前記試料（５０３）の周波数特性を計測することを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、前記計測光の重畳により、一本の光路により振動計測と振動励振を行うことを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、原子間力顕微鏡の力検出素子であるカンチレバー（４０８）の固有振動数の自励を実現し、それにより前記カンチレバー（４０８）の先端に配置した探針（４０８Ａ）と前記試料（５０３）の相互作用や、前記カンチレバー（４０８）の先端に配置した探針（４０８Ａ）に付着した質量の変化を、自励振動周波数の変化や、自励振動振幅、位相の変化として検出することを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕記載の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、前記レーザ出射部（４０７）と前記試料（５０３）の間に光を透過する基板を配置し、ヘテロダインレーザドップラー干渉計測定光と前記試料（５０３）のなす微小キャビティを用いて一定光励振を行い、同時にヘテロダインレーザドップラー計測を行うことを特徴とする。
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）高周波帯域において、試料としての３次元構造物の周波数特性の正確な評価を行うことができる。
（Ｂ）励振と検出をともに光で行うことにより、装置の機械部分の単純化、小型化とそれに伴う信頼性の向上と装置の高清浄化を図ることができる。
（Ｃ）励振と検出をともに光で行うことにより、試料に光を当てるだけで計測が可能となるため、高い時間効率で多数の試料の評価が可能となる。
（Ｄ）励振と検出をともに光で行うことにより、超高真空、極低温等の特殊環境に於いて、装置の単純化、小型化と高清浄化を図ることができる。
（Ｅ）ヘテロダインレーザドップラー干渉計の計測光を試料に照射する際、試料がある光学面と干渉キャビティを生じるように配置することにより、試料の固有振動数で自励させ、前記ヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いてその振幅や速度、周波数を計測することができる。
本発明の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置は、光学的励起部（２００）と、信号処理部（３００）と、ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）と、原子間力顕微鏡試料ステージ制御部（５００）と、前記信号処理部（３００）に接続されるネットワークアナライザ（６００）とを備え、前記光学的励起部（２００）は、レーザダイオードドライバー（２０１）と、このレーザダイオードドライバー（２０１）によって駆動されるレーザダイオード（２０２）と、このレーザダイオード（２０２）からの光を受けて前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）に取り込むミラー（２０３）とを備え、前記信号処理部（３００）は、前記ネットワークアナライザ（６００）に接続される第１スイッチ（３０１）と、この第１スイッチ（３０１）の出力側から分岐して前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）に接続される第２スイッチ（３０２）と、前記第１スイッチ（３０１）の出力側に接続されるディジタイザー（３０３）と、このディジタイザー（３０３）に接続される位相シフター（３０４）と、この位相シフター（３０４）に接続されるフィルター（３０５）と、このフィルター（３０５）に接続されるとともに、前記レーザダイオードドライバー（２０１）の出力側に接続される増幅器（３０６）とを備え、前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（４０１）と、レンズ（４０５）と、このレンズ（４０５）に接続される偏波面保存ファイバ（４０６）と、レーザ出射部（４０７）とを含み、前記原子間力顕微鏡試料ステージ制御部（５００）は、ＬＯに接続されるＤＢＭ（５０１）と、このＤＢＭ（５０１）へ接続されるコントローラ（５０２）と、このコントローラ（５０２）に接続され試料（５０３）を駆動するピエゾ素子（５０４）を含み、前記レーザダイオード（２０２）の出力光を、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザ（４０１）のヘテロダインレーザドップラー干渉計の計測光に重畳させ、それを前記偏波面保存ファイバ（４０６）に導入し、前記レーザ出射部（４０７）を経て前記試料（５０３）に照射するようにした。よって、高周波帯域において、励振と計測の混信無く、試料としての３次元構造物の周波数特性の正確な評価を行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の参考例（その１）を示すナノカンチレバーアレイの模式図である。
この図において、１は試料（基板）、２はその基板１の摺動面、３はナノカンチレバーアレイ、４は多数のコンプライアントなナノカンチレバー（振動子）、５はナノカンチレバーアレイ３の摺動方向である。
このように、多数のコンプライアントなカンチレバー４からなるナノカンチレバーアレイ３を用いて摺動方向５に作用させると、摺動面２で磨耗条件に極めて達しにくい条件が実現できる。
図２は本発明の参考例（その２）を示すナノカンチレバーアレイの模式図である。
この図において、１１は試料（基板）、１２は基板１１の表面、１３は基板１１の表面１２に密に配置したナノカンチレバーアレイ、１４はカンチレバー（振動子）、１５は表面弾性波の伝搬方向、１６はカンチレバー１４の振動方向である。
このように、カンチレバー１４を基板１１の表面１２に密に配置し、その基板１１に表面弾性波を伝搬させる。ナノカンチレバーアレイ１３は真空中で１０，０００程度のＱ値を有するため、振幅が数ｎｍの表面弾性波はカンチレバー（振動子）１４のＱ値によって増幅される。
この現象を用いて、アクチュエータや、光変調素子の効率を向上させることが可能である。
なお、カンチレバーの形状や、支持部に対する対称性、非対称性は目的に応じて変えることができる。
図３は本発明の参考例（その３）を示す固有振動数が異なる様に形成されたナノカンチレバーアレイの模式図である。
この図において、２１は試料（基板）、２２は基板上面、２３はカンチレバーアレイ、２４Ａ〜２４Ｅはカンチレバー、２５は探針質量、２６は試料、２７はカンチレバーの振動方向である。
この参考例（その３）では、カンチレバーアレイ２３において、カンチレバーの固有振動数が異なる様にカンチレバー２４Ａ〜２４Ｅを作製する。つまり、カンチレバー２４Ａは最も固有振動数の高いカンチレバー（探針質量小）、カンチレバー２４Ｅは最も固有振動数の低いカンチレバー（探針質量大）である。カンチレバー２４Ａ〜２４Ｅの固有振動数を互いに異なったものにするには、カンチレバーの質量となる探針の大きさを変えるか、カンチレバーの長さを変える。探針の大きさを変えるには、ＳＯＩ基板のトップシリコン層の厚さに勾配をあらかじめ持たせる。カンチレバーの長さを変えるには、マスクのピッチに勾配を持たせるなどの方法がある。
カンチレバーアレイ２３に特定の試料２６を固定し、スペクトロスコピーを行うことが可能になる。つまり、試料２６の持つ、特定の周波数特性に最も近い固有振動数を有するカンチレバー２４Ａ〜２４Ｅのいずれかが反応し、カンチレバーの振動振幅として検出される。
なお、単結晶シリコンを用いたカンチレバーの作製方法を用いると、数センチメートル平方のチップ上に数１００万から数億個のカンチレバーの一括作製が可能となる。
また、多数のカンチレバーを観察対象とする周波数帯に設けることにより、細かい周波数間隔でのスペクトロスコピーが可能となる。
図４は本発明の参考例（その４）を示す単結晶シリコンから作製したカンチレバーアレイを示す図であり、図４（ａ）はそのカンチレバーアレイの斜視図、図４（ｂ）はその拡大斜視図である。
これらの図において、３１はベース基板、３２はカンチレバーアレイ、３３は対向する探針、３４，３５は電極、３６は電源である。
単結晶シリコンから作製したカンチレバーアレイ３２の各列の電位を制御し、対向する探針３３間に高電界を生じさせる。それにより、液中の電気泳動や、気体中での電界を用いたカーボンナノチューブ等ウイスカ結晶の方向性を指定した成長制御が可能となる。
今までは、微小針状試料の成長箇所と方向の制御が困難であったが、対向するカンチレバーアレイ３２の各列の電位を制御することにより、その問題を解決する。しかも、カンチレバーアレイ３２では数１００万から数億個のカンチレバーを一括で作製可能であるため、針状微小試料の一括作製も可能となる。単結晶シリコンカンチレバーアレイは各カンチレバーの列ごとにベース基板３１のシリコンから酸化シリコンの層で電気的に絶縁されている。そのために、列ごとに電位を外部から配線や電荷照射により与えることが可能である。
図５は本発明の参考例（その５）を示す針状結晶の成長の方法の説明図である。
この図において、４１はチャンバ、４２はガス導入口、４３はガス排気口、４４は基板、４５は基板４４の上面、４６は単結晶シリコンカンチレバーアレイ、４７は針状結晶成長箇所、４８は平板電極、４９は交流電源、５０はリード線である。
単結晶シリコンカンチレバーアレイ４６の面と対向する形で平板電極４８を配置し、各探針先端に電界集中を生じさせ、基板４４の法線方向に針状結晶の成長を行う。
図６は本発明の参考例（その６）を示す自走式走査型プローブ顕微鏡の模式図である。
この図において、５１は試料、５２はその試料５１の摺動面、５３はプローブ（ナノカンチレバーアレイ）、５４は多数のコンプライアントなナノカンチレバー（振動子）、５５は試料５１の摺動方向である。
この参考例（その６）は、自走式走査型プローブ顕微鏡や案内機構として構成したものであり、図１にも示したように、各プローブ５３は各カンチレバー５４を有するチップの自重を分担して受け持ち、かつ、各プローブ５３での面圧がある範囲内に収まるように受動的に制御している。そのため、探針法線方向に能動制御を行わなくても数１０ｎＮ以下の力で走査が行える自走式走査型プローブ顕微鏡が実現できる。
カンチレバー５４の変位計測は、カンチレバーアレイ５３のうちの一本、数本、もしくはすべてを対象とする。
なお、自走のために、基板とカンチレバー５４の間に光の定在波を発生させ、各カンチレバーにその構造から生じる摺動方向５５に異方性のある振動を生じさせる方法が用いられる。
もしくは、試料５１やカンチレバーアレイ５３に表面弾性波を発生させ、カンチレバーアレイ５３の変位を生じさせる方法がある。
図７は本発明の参考例（その７）を示す走査型プローブ顕微鏡や物質又は質量センサの模式図である。
この図において、６１は試料、６２はその試料６１の表面、６３はプローブ（ナノカンチレバーアレイ）、６４は多数のコンプライアントなナノカンチレバー（振動子）、６５は反射防止膜、６６はビームスプリッタやハーフミラー、６７は光てこ入射光、６８は反射光、６９は結像レンズ、７０はＣＣＤカメラ等の撮像装置（撮像素子）、６０は試料６１の摺動方向である。
この参考例（その７）では、光てこ入射光６７をプローブ６３に入射して、ナノカンチレバー６４の変位により、試料６１の表面６２の微小凹凸としての反射光６８が結像レンズ６９を介して撮像装置７０に取り込まれる。
すなわち、カンチレバー６４を結像レンズ６９とＣＣＤカメラ等の撮像装置７０を用いて観察し、カンチレバー６４に光てこ入射光６７を照射する。各カンチレバー６４の姿勢に応じて反射光６８が撮像装置７０に入射する。カンチレバー６４の角度変位によって、試料６１の表面６２の微小な凹凸が輝度変化としてＣＣＤ等の撮像装置７０に変換される。
カンチレバー６４のピッチをカバーするに足る範囲で試料６１を面内走査することにより、試料６１の表面６２全体の観察が可能になる。
このように、光てこ入射光による多数のカンチレバーを用いた試料の表面全体の観察を行うことができる。
図８は本発明の参考例（その８）を示す走査型プローブ顕微鏡や物質センサ、質量センサの模式図である。
この図において、７１は試料、７２はその試料７１の表面、７３はプローブ（ナノカンチレバーアレイ）の微小干渉キャビティ、７４は多数のコンプライアントなナノカンチレバー（振動子）、７５は基準面、７６はビームスプリッタやハーフミラー、７７は入射光、７８は反射光、７９は結像レンズ、８０はＣＣＤカメラ等の撮像装置（撮像素子）である。
このように、カンチレバー７４を結像レンズ７９とＣＣＤカメラ等の撮像装置８０を用いて観察し、カンチレバー７４に光を照射する。各カンチレバー７４が基準面７５となすマイクロキャビティ長に応じた干渉輝度が撮像装置８０に入射する。
このように、カンチレバー７４のピッチをカバーするに足る範囲で試料７１を面内走査することにより、試料７１の表面７２全体の観察が可能になる。
この参考例（その８）では、光干渉計により多数のカンチレバーの変位を検知する走査型プローブ顕微鏡や物質センサ、質量センサを構築することができる。
また、本発明の参考例（その９）として、光干渉計により多数のカンチレバーの変位を検出する場合に、光てこ以外に起因する干渉を低減する方法として、光源としてＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）等の低コヒーレンス光源や、白色光源を用い、干渉の生じる位置の範囲を制限し、寄生干渉の影響を低減する方法がある。
図９は本発明の参考例（その１０）を示すヘテロダインレーザドップラー計を用いた走査型力顕微鏡や物質センサ、質量センサの模式図である。
この図において、９０は光ファイバ、９１はレーザ出射部、９２は１／４波長板、９３はハーフミラー、９４は対物レンズ、９５は試料９６のｘｙｚピエゾスキャナー、９６は試料、９７はカンチレバー、９８はミラー、９９は結像レンズ、１００はｘｙステージ、１０１はＣＣＤカメラ等の撮像装置（撮像素子）、１０２は光学系ユニット、１０３はその光学系ユニット１０２のｘｙｚ位置決め機構、１０４はＡＦＭベースプレート、１０５は真空チャンバ隔壁、１０６はステージ支持バネである。
図１０は本発明の参考例（その１１）を示すヘテロダインレーザドップラー計を用いた走査型力顕微鏡や物質センサ、質量センサの模式図である。
この図において、１１０は真空チャンバ、１１１は光半導体装置、１１２は電極、１１３はその電極１１２へ電力を供給するためのリード線、１１４は試料のｘｙｚピエゾスキャナー、１１５は試料、１１６はカンチレバー、１１７は対物レンズ、１１８は反射光、１１９は結像レンズ、１２０はｘｙステージ、１２１はＣＣＤカメラ等の撮像装置（撮像素子）である。
図１１は本発明の参考例（その１２）を示すヘテロダインレーザドップラー計を用いた走査型力顕微鏡や物質センサや質量センサの模式図である。
この図において、１２２は試料準備用真空チャンバ、１２３〜１２５は試料、カンチレバー搬送棒、１２６は光ファイバ、１２７は光学系ユニット、１２８はレーザ出射部、１２９はビームスプリッタ、１３０は試料、１３１はカンチレバー、１３２はＣＣＤカメラ等の撮像装置（撮像素子）である。
図１２は本発明の参考例（その１３）を示すヘテロダインレーザドップラー計を用いた走査型力顕微鏡や物質センサ、質量センサの模式図である。
この図において、１３３は試料準備用真空チャンバ、１３４，１３５は試料、カンチレバー搬送棒、１３６は試料観察用真空チャンバ、１３７は光ファイバ、１３８はカンチレバー検出光学系、１３９はレーザ出射部ｘｙｚステージ、１４０はヘテロダインレーザドップラー出射部、１４１は試料ｘｙｚステージ、１４２は試料、１４３はカンチレバー、１４４はＣＣＤカメラ等の撮像装置（撮像素子）である。
図９〜図１２に示したように、ヘテロダインレーザドップラー計を用いてカンチレバーの振動検出と制御を行い、走査型力顕微鏡や物質センサや質量センサを構成することができる。つまり、ヘテロダインレーザドップラー計をカンチレバーの振動検出と制御に用いることができる。
従来広く用いられている光てこ機構は、レーザスポットを小さくすると検出分解能が低下する。ヘテロダインレーザドップラー計では、１ミクロンオーダーにレーザスポット径を小さくすることが可能で、かつ、原理的に、光てこ計のように、スポット径を小さくすることが検出感度を劣化させることにならない。
光てこ機構や、ホモダイン干渉計では、検出信号の周波数が高くなることは、１／ｆノイズの低下以外にはＳＮ比改善の点で利点とならない。これに対して、ヘテロダインレーザドップラー計の信号はドップラー効果により速度を検出するため、被測定対象の速度や振動周波数が高くなるほど信号強度が高くなる。
そのため、固有振動数の高い小型カンチレバーの振動検出と制御にヘテロダインレーザドップラー計を用いることができるという利点がある。すなわち、ヘテロダイン計測を行うことにより、よりＳＮ比の高い検出と制御が可能となる。
上記した参考例（その１０〜１３）は、カンチレバーのねじれを計測することにも応用可能であり、堅いカンチレバーの、周波数の高いねじれ固有振動を検出し、探針の試料面内振動振幅の計測に応用可能である。
図１３は本発明の参考例（その１４）を示す光学顕微鏡をヘテロダインレーザドップラー計式カンチレバー検出光学系と同軸に持つ走査型力顕微鏡や物質センサ、質量センサの模式図である。
この図において、１５１はレーザ出射部、１５２は１／４波長板、１５３はダイクロイックミラー、１５４は対物レンズ、１５５はカンチレバー、１５６は結像レンズ、１５７はＣＣＤカメラ等の撮像装置（撮像素子）である。
このように、光学顕微鏡を同軸に持つレーザヘテロダイン干渉計を用いることによって、光学顕微鏡の視覚情報を用いて微小振動子上にレーザスポットを位置決めすることが可能となる。
図１４は本発明の参考例（その１５）を示すカンチレバーの励振装置の構成図である。
この図に示すように、ここでは、上記参考例（その１４）における、結像レンズ１５６、ＣＣＤ１５７とダイクロイックミラー１５３を除去した構成とする。
次に、本発明の参考例（その１６）、参考例（その１７）について説明する。
従来の光ファイバ式干渉計では、６３２ｎｍ程度の赤色レーザを用いた場合、コアが４μｍ、クラッディングが１２５μｍの光ファイバを切断したものをカンチレバーから数μｍのところに位置決めさせ、ホモダイン干渉計測を行っていた。この場合、以下の点が問題となっていた。
（１）４μｍより小さい試料へ光を照射した場合、損失が大きい。
（２）１２５μｍのクラッディングが大きいため、１００μｍより小さなカンチレバーの場合、カンチレバーのベース部とクラッディングの位置的干渉が生じやすい。
（３）光ファイバ端面での屈折率の変化により生じる、全光量の４％程度の反射光をホモダイン計測の基準光としているため、干渉の信号強度が小さい。
（４）カンチレバーと光ファイバとの距離が自由に選べない。
そこで、上記の問題を解消するために、以下のように構成する。
図１５は本発明の参考例（その１６）を示す微小カンチレバー用光ファイバ式ホモダインレーザ干渉計の構成図である。
この図において、１６０は光ファイバ、１６１は第１の支持部材、１６２はレーザ出射部、１６３はビームスプリッタ、１６４は第２の支持部材、１６５はミラー位置決め機構、１６６は基準ミラー、１６７は対物レンズ、１６８はカンチレバー支持部材、１６９はカンチレバーである。
光ファイバ１６０を用いることにより、真空環境、低温環境への光の導入、光計測を容易にするとともに、光ファイバ１６０の計測側の端部にコリメートレンズ（図示なし）、ビームスプリッタ１６３、基準ミラー１６６、対物レンズ１６７等を配置し、ミクロン大のレーザの焦点を１ｍｍ以上離れた位置に配置する。
これにより、従来の光ファイバコアを直接カンチレバーに対向させる方法と比べて、よりミクロン大のカンチレバー１６９の変位や振動周波数の計測を可能とし、より強い参照光を用いた干渉計測を可能とすることができる。また、より高い信号対雑音比を実現し、より高い空間設計の自由度を与えることができる。
このように構成することにより、上記の問題点（１）〜（４）すべてを解決することができる。
また、微小カンチレバー用光ファイバはホモダインレーザ干渉計において、カンチレバーや試料の像を観察する必要がある場合は、以下のような構成とする。
図１６は本発明の参考例（その１７）を示すカンチレバーや試料の像を観察するための微小カンチレバー用光ファイバ式ホモダインレーザ干渉計の構成図である。
この図において、１７０は光ファイバ、１７１はレーザ出射部、１７２はダイクロイックミラー、１７３は第１の支持部材、１７４はビームスプリッタ、１７５は第２の支持部材、１７６はミラー位置決め機構、１７７は基準ミラー、１７８は対物レンズ、１７９はカンチレバー支持部材、１８０はカンチレバー、１８１はカメラである。
このように、ダイクロイックミラー１７２を用いて測定光を導入し、ダイクロイックミラー１７２を透過する光を用いてカメラ１８１により像観察を行う。
これらの方法において、測定光と異なる波長の光を変調してカンチレバーの加振を行うことが可能である。
次に、本発明の第１実施例について説明する。
従来、ピエゾ素子によって励振可能な周波数は、素子の厚さ、素子中の音速、温度、素子の構造等の影響を受け、ピエゾ素子自身が固有の周波数特性を持つ。この問題点は、励起しようとする周波数がＭＨｚ程度以上になるとより顕著となる。
例えば、５０μｍの厚さのピエゾ素子に電極と絶縁板を接着した素子で励振可能な振動は、数ＭＨｚ程度までで、それ以上は離散的な周波数でしか励振可能でない。
この問題点のため、ＭＨｚ以上の帯域で、ピエゾ素子などを用いて試料の振動励起を行い、試料の周波数特性の計測を行なう場合、試料の周波数特性にピエゾ素子の周波数特性が重畳し、試料の周波数特性の評価を困難、もしくは不可能にしていた。更に、高周波になるほど、ピエゾ素子への試料の固定方法や接着の善し悪しによる測定結果の差が生じ、試料の特性の評価をより困難にしていた。
同様に、ピエゾ素子などを用いて、走査型プローブ顕微鏡の力検出用カンチレバーの振動励振を行なう場合、ＭＨｚ以上の帯域でカンチレバー固有振動数の高周波化が進むと、励振がより困難になる。その原因としては、カンチレバーの励振を行う場合も、ピエゾ素子とカンチレバーの固定方法により、励振特性の測定結果や測定効率に差が生じることが考えられる。また、真空中で励振を行う場合、カンチレバー支持部材に振動励起用ピエゾ素子を設け、このピエゾ素子への配線を行う必要があり、装置を複雑にしていた。
その結果、装置の信頼性の低下、真空度の劣化、走査型プローブ顕微鏡の大型化、高温加熱が困難、等の問題を招いていた。
この第１実施例では、上記状況に鑑みて、高周波領域や真空環境における測定、また、小型化、高信頼化を可能にする試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を提供する。
図１７は、本発明の第１実施例を示す、試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置の構成図である。
この図において、この実施例の試料の特性の測定装置は、光学的励起部２００、信号処理部３００、ヘテロダインレーザドップラー干渉部４００、ＡＦＭ（原子力間顕微鏡）試料ステージ制御部５００、ネットワークアナライザ６００からなる。
光学的励起部２００は、レーザダイオード（ＬＤ）ドライバー２０１、そのＬＤドライバー２０１によって駆動されるレーザダイオード（ＬＤ）２０２、ミラー２０３からなる。
また、信号処理部３００は、第１スイッチ（ｓｗ１）３０１、第２スイッチ（ｓｗ２）３０２、ディジタイザー３０３、位相シフター３０４、フィルター３０５、増幅器３０６からなる。
ヘテロダインレーザドップラー干渉部４００は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ４０１、第１のＰＢＳ（ポラライジングビームスプリッタ）４０２、第２のＰＢＳ４０３、合波器４０４、レンズ４０５、偏波面保存ファイバ４０６、センサヘッド（レーザ出射部）４０７（レンズ−λ／４波長板−レンズ組み立て体）、ナノカンチレバー４０８、探針（プローブ）４０８Ａ、ミラー４０９、ＡＯＭ（音響・光変調器）４１０、λ／２波長板４１１、第３のＰＢＳ４１２、偏光子４１３、ホトダイオード４１４、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）４１５、アンプ４１６，４１８，４２３、ディジタイザー４１７，４１９、遅延ライン４２０、ＤＢＭ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｍｉｘｅｒ；ダブルバランスドミキサ）４２１、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４２２からなる。
さらに、ＡＦＭ試料ステージ制御部５００は、ＬＯ（ローカルオシレータ）に接続されるＤＢＭ５０１、コントローラ５０２、試料５０３、その試料５０３のピエゾ素子５０４からなる。
ネットワークアナライザ６００は、信号入力端子６０１、評価出力端子６０２を有している。
そこで、この第１実施例では、例えば、７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード（ＬＤ）２０２の出力光を、６３２ｎｍの波長を有するＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザ４０１のヘテロダインレーザドップラー干渉計の計測光に重畳させ、それを４μｍコアの偏波面保存ファイバ４０６に導入し、レーザ出射部４０７を経て試料５０３に照射する。ただし、波長は、上記に限定されない。
計測方法によって以下の用い方ができる。
（１）ヘテロダインレーザドップラー干渉部４００の出力信号を移相、増幅、場合によってはフィルタリングや２値化し、その信号を用いて７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード２０２の変調を行う。これにより、試料５０３の固有振動数において自励を生じさせることが可能となる。つまり、フィルター特性を選択することにより、特定の振動モードを励振することが可能となり、ナノメートルオーダからミクロンオーダの試料としての３次元構造物の自励を実現することが可能となる。
また、走査型プローブ顕微鏡の力検出素子であるカンチレバー４０８に光を照射することにより、カンチレバー４０８の自励を生じさせ、自励周波数の変化からカンチレバー４０８先端に配置した探針４０８Ａと試料５０３の相互作用や質量変化を検出することが可能となる。
（２）ネットワークアナライザ６００で周波数を掃引した信号を発生させ、その信号を用いて７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード２０２の変調を行う。ヘテロダインレーザドップラー干渉部４００の出力信号をネットワークアナライザ６００の信号入力端子６０１に接続する。これにより、試料５０３の周波数特性を、ネットワークアナライザ６００と、光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉部４００を用いて計測することが可能となる。
なお、計測光と振動励起光は重畳させて同一の光学系を用いることも、異なる光路を用いて試料に照射させることも可能である。
また、ヘテロダインレーザドップラー干渉部４００の光計測プローブ光４０１にカンチレバー４０８の振動を励振するためのＬＤ２０２で発生した光を重畳させる。その際、励振のための光は、ヘテロダインレーザドップラー干渉部４００の速度信号出力に移相、２値化、増幅等の処理を行い、その信号を用いてレーザダイオード２０２等の光源の変調を行ったものか、発信器によって指定された周波数、もしくは掃引された周波数で変調したものを用いる。
以上により、ヘテロダインレーザドップラー干渉計で計測しようとするカンチレバー４０８に固有の振動が励起され、カンチレバー４０８の周波数特性の計測や、振動を応用した計測や加工が可能となる。
次に、本発明の第２実施例について説明する。
従来、ヘテロダインレーザドップラー干渉計で試料の振動特性の評価を行う場合、試料にピエゾ素子を貼り付け加振するか、試料に変調された光を照射する必要があった。
図１８は本発明の第２実施例を示す試料の周波数特性の測定装置の模式図である。
この図において、７０１はレーザ、７０２はレンズ、７０３はそのレンズ支持部、７０４は干渉キャビティ（空隙）、７０５は試料、７０６は試料支持部である。
ここでは、ヘテロダインレーザドップラー干渉計の、一定光量の測定光であるレーザ７０１と、試料７０５がその一端をなす干渉キャビティ７０４を用いることにより、試料７０５をその固有振動数で自励させ、ヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いてその振幅や速度、周波数を計測する。
ヘテロダインレーザドップラー干渉計の計測光を試料７０５に照射する際、試料７０５がある光学面と干渉キャビティ７０４を生じるようにする。ヘテロダインレーザドップラー干渉計の１／２波長の整数倍に干渉キャビティ７０４がなった場合、試料７０５の振動が生じる。その振動は試料７０５の固有振動数と一致している。この振動はヘテロダインレーザドップラー干渉計によって計測される。
この振動機能を用いることにより、光励振用の変調された光を用いなくても試料の振動励振が可能となる。
以下、本発明の参考例（その１８）について説明する。
従来、３次元のナノ・マイクロ構造物を振動させ、それをセンサーやアクチュエータとして用いる場合、ピエゾ素子や表面弾性波素子が用いられてきた。
本発明の実施例では、光を用いた励振機能を、振動性を有する構造体に適応し、アクチュエーション、加工、センシングを行うものである。なお、干渉によって光の定在波が生じる様な構造体で、その一部が振動性を有する場合、自励を生じることや、強度変調された光により振動を生じることは、以下の論文等で既に知られている。
（１）“Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｓ．Ｖｅｎｋａｔｅｓｈ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｌｅｔｔｅｒｓ，２１ ３１５（１９８５）．
（２）“Ｏｐｔｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ”，Ｍ．Ｖ．Ａｎｄｒｅｓ，Ｋ．Ｗ．Ｈ．Ｆｏｕｌｄｓ，Ｍ．Ｊ．Ｔｕｄｏｒ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ２２，１０９９，（１９８６）．
（３）“Ｓｅｌｆ−ｅｘｃｉｔｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｌａｓｅｒ ｉｒｒａｄａｔｉｏｎ”，Ｋ．Ｈａｎｅ，Ｋ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ５１，１７９−１８２（１９９６）．
シリコンマイクロマシン技術により、近年、１００万本／ｃｍ2 以上の高密度でカンチレバーアレイを作製することが可能になり、それを用いた計測、加工、アクチュエーションが期待されている。しかし、アレイ中の特定のカンチレバーの集合の励振や、すべてのカンチレバーの励振方法はまだ確立されていない。
（２）“Ｏｐｔｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ”，Ｍ．Ｖ．Ａｎｄｒｅｓ，Ｋ．Ｗ．Ｈ．Ｆｏｕｌｄｓ，Ｍ．Ｊ．Ｔｕｄｏｒ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ２２，１０９９，（１９８６）．
（３）“Ｓｅｌｆ−ｅｘｃｉｔｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｌａｓｅｒ ｉｒｒａｄａｔｉｏｎ”，Ｋ．Ｈａｎｅ，Ｋ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ５１，１７９−１８２（１９９６）．
シリコンマイクロマシン技術により、近年、１００万本／ｃｍ2 以上の高密度でカンチレバーアレイを作製することが可能になり、それを用いた計測、加工、アクチュエーションが期待されている。しかし、アレイ中の特定のカンチレバーの集合の励振や、すべてのカンチレバーの励振方法はまだ確立されていない。
ここでは、光励振による励振方法をカンチレバーアレイに適応させる方法、それにより新しい機能を実現することに関する。以下に、順次説明する。
図１９は本発明の参考例（その１８）を示すカンチレバーの励振方法の説明図である。
この図において、８００は基板、８０１は干渉キャビティ、８０２は基板８００上に形成されたそれぞれ干渉キャビティ８０１を有する複数個の探針付きカンチレバー、８０３はそれらのカンチレバー８０２によって構成されるカンチレバーアレイ、８０４はレーザ光である。
ここでは、カンチレバーアレイ８０３と基板８００の間に存在する干渉キャビティ（空隙）８０１の間隔（干渉キャビティ長）を、光励振に用いる波長の整数倍に選び、基板８００背面から一定光量の振動励起光であるレーザ光８０４を照射する。干渉キャビティ（空隙）８０１に存在する光の定在波と、光によるカンチレバー８０２の特性変化によりカンチレバー８０２が自励を生じる。カンチレバーアレイ８０３を構成するカンチレバー８０２の固有振動数が同一でなくても、各々のカンチレバー８０２はその固有振動数において自励を生じる。各カンチレバーの振動の計測には、振動により変調された光を直接計測することも、ヘテロダインレーザドップラー計を用いることもできる。
図２０は本発明の参考例（その１９）を示すカンチレバーの励振方法の説明図である。
この図において、８００は基板、８１５，８１６，８１７，８１８はその基板８００上に形成された、それぞれ干渉キャビティ８１１，８１２，８１３，８１４を有する探針付きカンチレバー、８１９はそれらのカンチレバー８１５，８１６，８１７，８１８によって構成されるカンチレバーアレイ、８２０は一定光量のレーザ光（波長λ）である。
ここでは、カンチレバーアレイ８１９において、カンチレバーの集合８１５，８１６，８１７，８１８ごとに、基板８００となす干渉キャビティ（空隙）８１１，８１２，８１３，８１４の間隔空隙を変える。それにより、振動励振光の波長を選ぶことができ、意図したカンチレバーの集合のみを励振させることが可能となる。各カンチレバーの振動の計測には、振動により変調された光を直接計測することも、ヘテロダインレーザドップラー計を用いることもできる。
図２１は本発明の参考例（その２０）を示すカンチレバーの励振方法の説明図である。
この図において、８００は基板、８３２はその基板８００上に形成された干渉キャビティ８３１を有する探針付きカンチレバー、８３３はそれらのカンチレバー８３２によって構成されるカンチレバーアレイ、８３４は強度変調されたレーザ光である。
ここでは、カンチレバーアレイ８３３の基板８００の背面から光量変調された振動励振光であるレーザ光８３４を照射する。光量変調の周波数と固有振動数の一致したカンチレバー８３２が励振される。これにより、特定のカンチレバーの集合を選択的に励振することが可能となる。各カンチレバーの振動の計測には、振動により変調された光を直接計測することも、ヘテロダインレーザドップラー計を用いることもできる。
図２２は本発明の参考例（その２１）を示すカンチレバーの励振方法の説明図である。
この図において、８００は基板、８４２はその基板８００上に形成された干渉キャビティ８４１を有する探針付きカンチレバー、８４３はそれらのカンチレバー８４２によって構成されるカンチレバーアレイ、８４４は強度一定のレーザ光（波長λ）、８４５は探針先端の軌跡、８４６はスライダー、８４７はスライダー８４６の変位方向である。
ここでは、一平方センチメートルあたり１００万本の探針付きカンチレバー８４２を有する基板８００の自重は約０．１ｇであるため、すべての探針で自重を支えた場合、個々の探針は１ｎＮの荷重を受け持つことになる。この状態において、光励振を行うと、カンチレバー８４２の振動が励起される。探針先端が楕円振動を描くような異方性を有すると、振動の励起に伴ってカンチレバーアレイ８４３を有する基板８００が面内方向に変位する。
また、探針を上に向け、その上に物体であるスライダー８４６をおいた場合、そのスライダー８４６が変位させられる。すべての探針が同時にスライダー８４６に接触すると、スライダー８４６のＱ値が下がり、振動体に十分な振動エネルギーが蓄えられない場合は、探針の高さを不均一にするなどして、探針とスライダー８４６との接触する頻度が小さくなるように設計する。
図２３は本発明の参考例（その２２）を示すカンチレバーの励振方法の説明図である。
この図において、８００は基板、８５５，８５６，８５７，８５８はその基板８００上に形成された干渉キャビティ８５１，８５２，８５３，８５４を有するカンチレバー（８５５は反応膜ａ付きカンチレバー、８５６は反応膜ｂ付きカンチレバー、８５７は反応膜ｃ付きカンチレバー、８５８は反応膜ｄ付きカンチレバー）、８５９はそれらのカンチレバーによって構成されるカンチレバーアレイ、８６０は一定光量のレーザ光（波長λ）である。
ここでは、カンチレバーの集合に特定の薄膜を塗布し、特定の物質と反応するようにしておく。特定の物質の有無を調べる場合、上記した方法により、そのカンチレバーの集合が振動励起されるような振動周波数、もしくは光の波長を選ぶ。それにより、カンチバーアレイ８５９の中の特定のカンチレバーの集合のみを用いて計測を行うことが可能となる。各カンチレバーの振動の計測には、振動により変調された光を直接計測することも、ヘテロダインレーザドップラー計を用いることもできる。
図２４は本発明の参考例（その２３）を示すカンチレバーの励振方法の説明図である。
この図において、８００は基板、８６２，８６３，８６４，８６５，８６６はその基板８００上に形成された干渉キャビティ８６１を有する固有振動数のそれぞれ異なるカンチレバー、８６７はそれらのカンチレバーによって構成されるカンチレバーアレイ、８６８は基板８００の背面から照射される強度一定のレーザ光（波長λ）、８６９は異なる強度変調周波数を有するレーザ光（波長λ）である。
ここでは、カンチレバーアレイ８６７に強度一定のレーザ光８６８を照射し、それによりカンチレバー８６２，８６３，８６４，８６５，８６６の振動を励起し、それにより干渉キャビティ８６１の間隔をある周波数で変化させ、それにより反射光や透過光の光量を同一の周波数で変調させる。異なる固有振動数を有するカンチレバーの集合からなるカンチレバーアレイ８６７に強度一定のレーザ光８６８を照射すると、複数の変調周波数で変調された光８６９を反射光や透過光として得ることができる。各カンチレバーの振動の計測には、振動により変調された光を直接計測することも、ヘテロダインレーザドップラー計を用いることもできる。
図２５は本発明の参考例（その２４）を示すカンチレバーの励振方法の説明図である。
この図において、８００は基板、８７２，８７３，８７４，８７５，８７６はその基板８００上に形成された干渉キャビティ８７１を有する固有振動数のそれぞれ異なるカンチレバー、８７７はそれらのカンチレバーによって構成されるカンチレバーアレイ、８７８は基板８００の背面から照射される強度一定のレーザ光（波長λ）、８７９は基板８００の斜め上方から照射される一定波長の入射光、８８０は異なる周波数を有するレーザ光（波長λ1 ，λ2 ，…，λ5 ）である。
ここでは、カンチレバーアレイ８７７に強度一定のレーザ光８７８を照射し、それによりカンチレバー８７７面上に波を発生させ、それにより反射光や透過光の周波数を変調させる。各カンチレバーの振動の計測には、振動により変調された光を直接計測することも、ヘテロダインレーザドップラー計を用いることもできる。
なお、光音響変調を生じさせる構造はカンチレバーに限られず、両端支持梁などの振動性構造体を含むことができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明のレーザドップラー干渉計は、構成が簡単で、的確な試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計として利用可能である。
１，１１，２１ 試料（基板）
２ 基板の摺動面
３，１３，２３，３２ ナノカンチレバーアレイ
４，５４，６４，７４ 多数のコンプライアントなナノカンチレバー（振動子）
５ ナノカンチレバーアレイの摺動方向
１２ 基板の表面
１４，２４Ａ〜２４Ｅ，９７，１１６，１３１，１４３，１５５，１６９，１８０，８０２，８１５，８１６，８１７，８１８，８３２，８４２，８５５，８５６，８５７，８５８，８６２，８６３，８６４，８６５，８６６，８７２，８７３，８７４，８７５，８７６ カンチレバー（振動子）
１５ 表面弾性波の伝搬方向
１６，２７ カンチレバーの振動方向
２２，４５ 基板上面
２５ 探針質量
２６，５１，６１，７１，９６，１１５，１３０，１４２，５０３，７０５ 試料
３１ ベース基板
３３ 対向する探針
３４，３５，１１２ 電極
３６ 電源
４１ チャンバ
４２ ガス導入口
４３ ガス排気口
４４，８００ 基板
４６ 単結晶シリコンカンチレバーアレイ
４７ 針状結晶成長箇所
４８ 平板電極
４９ 交流電源
５０，１１３ リード線
５２ 試料の摺動面
５３，６３ プローブ（ナノカンチレバーアレイ）
５５，６０ 試料の摺動方向
６２，７２ 試料の表面
６５ 反射防止膜
６６，７６ ビームスプリッタやハーフミラー
６７ 光てこ入射光
６８，７８，１１８ 反射光
６９，７９，９９，１１９，１５６ 結像レンズ
７０，８０，１０１，１２１，１３２，１４４，１５７ 撮像装置（撮像素子）
７３ プローブ（ナノカンチレバーアレイ）の微小干渉キャビティ
７５ 基準面
７７ 入射光
９０，１２６，１３７，１６０，１７０ 光ファイバ
９１，１２８，１５１，１６２，１７１ レーザ出射部
９２，１５２ １／４波長板
９３ ハーフミラー
９４，１１７，１５４，１６７，１７８ 対物レンズ
９５，１１４ 試料のｘｙｚピエゾスキャナー
９８，２０３，４０９ ミラー
１００，１２０ ｘｙステージ
１０２，１２７ 光学系ユニット
１０３ 光学系ユニットのｘｙｚ位置決め機構
１０４ ＡＦＭベースプレート
１０５ 真空チャンバ隔壁
１０６ ステージ支持バネ
１１０ 真空チャンバ
１１１ 光半導体装置
１２２，１３３ 試料準備用真空チャンバ
１２３〜１２５，１３４，１３５ 試料、カンチレバー搬送棒
１２９，１６３，１７４ ビームスプリッタ
１３６ 試料観察用真空チャンバ
１３８ カンチレバー検出光学系
１３９ レーザ出射部ｘｙｚステージ
１４０ レーザドップラー出射部
１４１ 試料ｘｙｚステージ
１５３，１７２ ダイクロイックミラー
１６１，１７３ 第１の支持部材
１６４，１７５ 第２の支持部材
１６５，１７６ ミラー位置決め機構
１６６，１７７ 基準ミラー
１６８，１７９ カンチレバー支持部材
１８１ カメラ
２００ 光学的励起部
２０１ レーザダイオード（ＬＤ）ドライバー
２０２ レーザダイオード（ＬＤ）
３００ 信号処理部
３０１ 第１スイッチ（ｓｗ１）
３０２ 第２スイッチ（ｓｗ２）
３０３，４１７，４１９ ディジタイザ
３０４ 位相シフター
３０５ フィルター
３０６ 増幅器
４００ レーザドップラー干渉部
４０１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
４０２ 第１のＰＢＳ（ポラライジングビームスプリッタ）
４０３ 第２のＰＢＳ
４０４ 合波器
４０５，７０２ レンズ
４０６ 偏波面保存ファイバ
４０７ センサヘッド（レーザ出射部）
４０８ ナノカンチレバー
４０８Ａ 探針（プローブ）
４１０ ＡＯＭ（音響・光変調器）
４１１ λ／２波長板
４１２ 第３のＰＢＳ
４１３ 偏光子
４１４ ホトダイオード
４１５ ＢＰＦ
４１６，４１８，４２３ アンプ
４２０ 遅延ライン
４２１，５０１ ＤＢＭ
４２２ ＬＰＦ
５００ ＡＦＭ試料ステージ制御部
５０２ コントローラ
５０４ 試料のピエゾ素子
６００ ネットワークアナライザ
６０１ ネットワークアナライザの信号入力端子
６０２ ネットワークアナライザの評価出力端子
７０１ レーザ
７０３ レンズ支持部
７０４，８０１，８１１，８１２，８１３，８１４，８３１，８４１，８５１，８５２，８５３，８５４，８６１，８７１ 干渉キャビティ
７０６ 試料支持部
８０３，８１９，８３３，８４３，８５９，８６７，８７７ カンチレバーアレイ
８０４ レーザ光
８２０，８６０ 一定光量のレーザ光（波長λ）
８３４ 強度変調されたレーザ光
８４４，８６８，８７８ 強度一定のレーザ光（波長λ）
８４５ 探針先端の軌跡
８４６ スライダー
８４７ スライダーの変位方向
８６９ 異なる強度変調周波数を有するレーザ光（波長λ）
８７９ 基板の斜め上方から照射される一定波長の入射光
８８０ 異なる周波数を有するレーザ光（波長λ1 ，λ2 ，・・・，λ5 ）
２ 基板の摺動面
３，１３，２３，３２ ナノカンチレバーアレイ
４，５４，６４，７４ 多数のコンプライアントなナノカンチレバー（振動子）
５ ナノカンチレバーアレイの摺動方向
１２ 基板の表面
１４，２４Ａ〜２４Ｅ，９７，１１６，１３１，１４３，１５５，１６９，１８０，８０２，８１５，８１６，８１７，８１８，８３２，８４２，８５５，８５６，８５７，８５８，８６２，８６３，８６４，８６５，８６６，８７２，８７３，８７４，８７５，８７６ カンチレバー（振動子）
１５ 表面弾性波の伝搬方向
１６，２７ カンチレバーの振動方向
２２，４５ 基板上面
２５ 探針質量
２６，５１，６１，７１，９６，１１５，１３０，１４２，５０３，７０５ 試料
３１ ベース基板
３３ 対向する探針
３４，３５，１１２ 電極
３６ 電源
４１ チャンバ
４２ ガス導入口
４３ ガス排気口
４４，８００ 基板
４６ 単結晶シリコンカンチレバーアレイ
４７ 針状結晶成長箇所
４８ 平板電極
４９ 交流電源
５０，１１３ リード線
５２ 試料の摺動面
５３，６３ プローブ（ナノカンチレバーアレイ）
５５，６０ 試料の摺動方向
６２，７２ 試料の表面
６５ 反射防止膜
６６，７６ ビームスプリッタやハーフミラー
６７ 光てこ入射光
６８，７８，１１８ 反射光
６９，７９，９９，１１９，１５６ 結像レンズ
７０，８０，１０１，１２１，１３２，１４４，１５７ 撮像装置（撮像素子）
７３ プローブ（ナノカンチレバーアレイ）の微小干渉キャビティ
７５ 基準面
７７ 入射光
９０，１２６，１３７，１６０，１７０ 光ファイバ
９１，１２８，１５１，１６２，１７１ レーザ出射部
９２，１５２ １／４波長板
９３ ハーフミラー
９４，１１７，１５４，１６７，１７８ 対物レンズ
９５，１１４ 試料のｘｙｚピエゾスキャナー
９８，２０３，４０９ ミラー
１００，１２０ ｘｙステージ
１０２，１２７ 光学系ユニット
１０３ 光学系ユニットのｘｙｚ位置決め機構
１０４ ＡＦＭベースプレート
１０５ 真空チャンバ隔壁
１０６ ステージ支持バネ
１１０ 真空チャンバ
１１１ 光半導体装置
１２２，１３３ 試料準備用真空チャンバ
１２３〜１２５，１３４，１３５ 試料、カンチレバー搬送棒
１２９，１６３，１７４ ビームスプリッタ
１３６ 試料観察用真空チャンバ
１３８ カンチレバー検出光学系
１３９ レーザ出射部ｘｙｚステージ
１４０ レーザドップラー出射部
１４１ 試料ｘｙｚステージ
１５３，１７２ ダイクロイックミラー
１６１，１７３ 第１の支持部材
１６４，１７５ 第２の支持部材
１６５，１７６ ミラー位置決め機構
１６６，１７７ 基準ミラー
１６８，１７９ カンチレバー支持部材
１８１ カメラ
２００ 光学的励起部
２０１ レーザダイオード（ＬＤ）ドライバー
２０２ レーザダイオード（ＬＤ）
３００ 信号処理部
３０１ 第１スイッチ（ｓｗ１）
３０２ 第２スイッチ（ｓｗ２）
３０３，４１７，４１９ ディジタイザ
３０４ 位相シフター
３０５ フィルター
３０６ 増幅器
４００ レーザドップラー干渉部
４０１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
４０２ 第１のＰＢＳ（ポラライジングビームスプリッタ）
４０３ 第２のＰＢＳ
４０４ 合波器
４０５，７０２ レンズ
４０６ 偏波面保存ファイバ
４０７ センサヘッド（レーザ出射部）
４０８ ナノカンチレバー
４０８Ａ 探針（プローブ）
４１０ ＡＯＭ（音響・光変調器）
４１１ λ／２波長板
４１２ 第３のＰＢＳ
４１３ 偏光子
４１４ ホトダイオード
４１５ ＢＰＦ
４１６，４１８，４２３ アンプ
４２０ 遅延ライン
４２１，５０１ ＤＢＭ
４２２ ＬＰＦ
５００ ＡＦＭ試料ステージ制御部
５０２ コントローラ
５０４ 試料のピエゾ素子
６００ ネットワークアナライザ
６０１ ネットワークアナライザの信号入力端子
６０２ ネットワークアナライザの評価出力端子
７０１ レーザ
７０３ レンズ支持部
７０４，８０１，８１１，８１２，８１３，８１４，８３１，８４１，８５１，８５２，８５３，８５４，８６１，８７１ 干渉キャビティ
７０６ 試料支持部
８０３，８１９，８３３，８４３，８５９，８６７，８７７ カンチレバーアレイ
８０４ レーザ光
８２０，８６０ 一定光量のレーザ光（波長λ）
８３４ 強度変調されたレーザ光
８４４，８６８，８７８ 強度一定のレーザ光（波長λ）
８４５ 探針先端の軌跡
８４６ スライダー
８４７ スライダーの変位方向
８６９ 異なる強度変調周波数を有するレーザ光（波長λ）
８７９ 基板の斜め上方から照射される一定波長の入射光
８８０ 異なる周波数を有するレーザ光（波長λ1 ，λ2 ，・・・，λ5 ）
Claims (5)
- （ａ）光学的励起部（２００）と、信号処理部（３００）と、ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）と、原子間力顕微鏡試料ステージ制御部（５００）と、前記信号処理部（３００）に接続されるネットワークアナライザ（６００）とを備え、
（ｂ）前記光学的励起部（２００）は、レーザダイオードドライバー（２０１）と、該レーザダイオードドライバー（２０１）によって駆動されるレーザダイオード（２０２）と、該レーザダイオード（２０２）からの光を受けて前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）に取り込むミラー（２０３）とを備え、
（ｃ）前記信号処理部（３００）は、前記ネットワークアナライザ（６００）に接続される第１スイッチ（３０１）と、該第１スイッチ（３０１）の出力側から分岐して前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）に接続される第２スイッチ（３０２）と、前記第１スイッチ（３０１）の出力側に接続されるディジタイザー（３０３）と、該ディジタイザー（３０３）に接続される位相シフター（３０４）と、該位相シフター（３０４）に接続されるフィルター（３０５）と、該フィルター（３０５）に接続されるとともに、前記レーザダイオードドライバー（２０１）の出力側に接続される増幅器（３０６）とを備え、
（ｄ）前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（４０１）と、レンズ（４０５）と、該レンズ（４０５）に接続される偏波面保存ファイバ（４０６）と、レーザ出射部（４０７）とを含み、
（ｅ）前記原子間力顕微鏡試料ステージ制御部（５００）は、ＬＯに接続されるＤＢＭ（５０１）と、該ＤＢＭ（５０１）へ接続されるコントローラ（５０２）と、該コントローラ（５０２）に接続され試料（５０３）を駆動するピエゾ素子（５０４）を含み、
（ｆ）前記レーザダイオード（２０２）の出力光を、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザ（４０１）のヘテロダインレーザドップラー干渉計の計測光に重畳させ、それを前記偏波面保存ファイバ（４０６）に導入し、前記レーザ出射部（４０７）を経て前記試料（５０３）に照射するようにしたことを特徴とする試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置。 - 請求項１記載の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、前記ネットワークアナライザ（６００）により周波数を掃引した信号を用いて前記レーザダイオード（２０２）の出力光を変調し、該変調した光を用いて前記試料（５０３）の振動を励起し、前記試料（５０３）の振動を同時に観察している前記ヘテロダインレーザドップラー干渉部（４００）の出力を前記ネットワークアナライザ（６００）の信号入力に接続することによって、前記試料（５０３）の周波数特性を計測することを特徴とする試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置。
- 請求項１記載の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、前記計測光の重畳により、一本の光路により振動計測と振動励振を行うことを特徴とする試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置。
- 請求項１又は２記載の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、原子間力顕微鏡の力検出素子であるカンチレバー（４０８）の固有振動数の自励を実現し、それにより前記カンチレバー（４０８）の先端に配置した探針（４０８Ａ）と前記試料（５０３）の相互作用や、前記カンチレバー（４０８）の先端に配置した探針（４０８Ａ）に付着した質量の変化を、自励振動周波数の変化や、自励振動振幅、位相の変化として検出することを特徴とする試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置。
- 請求項１記載の試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置において、前記レーザ出射部（４０７）と前記試料（５０３）の間に光を透過する基板を配置し、ヘテロダインレーザドップラー干渉計測定光と前記試料（５０３）のなす微小キャビティを用いて一定光励振を行い、同時にヘテロダインレーザドップラー計測を行うことを特徴とする試料の光励振機能を有するヘテロダインレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の測定装置。
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