JP4461277B2 - 走査型プローブ顕微鏡装置および試料表面形状観察方法 - Google Patents
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Description
請求項2の発明は、請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、探針としてカーボンナノチューブを用いたものである。
請求項3の発明は、請求項1または2に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、ナノピンセットに把持された探針の試料表面に対する姿勢を変更する姿勢変更手段を設けたものである。
請求項4の発明は、請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、姿勢変更手段が、ナノピンセットを180度回転させて上下反転させる反転機構であることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、ナノピンセットは、駆動電圧非印加時が閉状態で、駆動電圧を印加することにより開状態となるように構成されていることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、一対のアームのいずれか一方には探針部が一体に形成されており、振動手段によって探針部が形成されたアームの共振周波数でナノピンセットを振動させて、探針部により試料表面形状の観察を行うようにしたものである。
請求項7の発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、探針の被把持部またはナノピンセットの把持部に探針把持性向上部を設けたものである。
請求項8の発明による試料表面形状観察方法は、開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットで探針を把持し、探針を把持したナノピンセットを所定周波数で振動させ、試料表面との作用に基づくアームの振動の変化を検出し、検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算し、その演算結果を可視化することを特徴とする。
―第1の実施の形態―
図1は本発明による走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)装置の第1の実施の形態を示す図であり、原子間力顕微鏡装置(以下、AFM装置と言う)の概略構成を模式的に示す図である。AFM装置100は、ナノピンセット1と、レーザ光源2と、2分割フォトダイオード3と、制御演算部4と、励振部5と、電源部6と、3次元ステージ8と、反転駆動機構9と、CNTカートリッジ400とを備えている。また、AFM装置100において、ナノピンセット1、レーザ光源2、2分割フォトダイオード3、励振部5、電源部6および反転駆動機構9はナノピンセット装置を構成している。ナノピンセット1は、支持体25に一体に形成された観察プローブ10および可動アーム20を有し、後述するように、フォトリソグラフィー技術を利用してSOIウエハを加工することにより形成される。
次に、図1,2に示したナノピンセットの製造方法について説明する。ナノピンセット1は、SOI(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。SOIウエハは、2枚のSi単結晶板の一方にSiO2層を形成し、そのSiO2層を挟むように貼り合わせたものである。図1に示されるように、支持体25は、SOIウエハを構成する上部Si層31、SiO2層32および下部Si層33で形成されている。また、観察プローブ10、可動アーム20および駆動レバー23,24は、電源部6を接続するための電極などを除くと上部Si層31で形成されている。本実施の形態では、各層31,32,33の厚さが順に6μm,1μm,300μmであるSOIウエハが用いられているが、このような寸法組み合わせに限定されるものではない。
次に、ナノピンセット1の動作について説明する。本実施の形態のナノピンセット1においては、試料を把持する把持動作と、AFM観察の際のプローブとして用いられる観察動作とを行うことができる。
まず、図3を参照しながら、試料表面上にある試料Sを把持する場合を例に説明する。最初に、ナノピンセット1を試料Sの位置へと移動する。この際、後述する観察プローブ10を用いた観察動作により試料Sを探す。観察動作により試料Sが検出されたならば、探針部12と把持部22との間に試料Sが位置するように、ナノピンセット1を移動する。
次に、観察動作について説明する。本実施の形態のAFM装置では、(a)ナノピンセット1に設けられた観察プローブ10を用いた第1の観察動作と、(b)ナノピンセット1により別体で形成された観察用プローブをを把持し、その把持したプローブによる第2の観察動作とを行うことができる。
図18は、本発明による走査型プローブ顕微鏡装置の第2の実施の形態を示す図であり、AFM装置のブロック図である。なお、図1に示した装置と同一部分には同一の符号を付した。すなわち、1は、観察プローブ10と可動アーム20を有するナノピンセットであり、ナノピンセット1は3次元ステージ8により3次元方向に並進移動させられるとともに、反転駆動機構9により反転駆動される。
次に、アドミッタンスを用いた測定方法の概略について説明する。図20は、平行平板型アクチュエータモデルにおける電気・機械結合系の等価回路を示す図である。一般に、電気・機械結合系においては、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの保存則が成立する。ここでは、外力f、励起電圧eが小さく、変位量、電荷量の変動も小さいとしてモデル化した。
i1=jω(C0+CS)e1+(E0C0/X0)ν1 (1)
f1=jωmν1+rfν1+kν1/jω+E0C0e1/X0 (2)
但し、i1は交流電流値、e1は入力交流電圧の振幅、ν1は可動部2の振動速度であり、f1、m、k、rfは、それぞれ櫛歯駆動機構50に作用する外力、等価質量、バネ定数、機械系の摩擦抵抗(機械抵抗)である。また、E0は櫛歯駆動機構50に加わる直流バイアス電圧、C0は初期状態の櫛歯状凹凸部のコンデンサ容量、CSは電極パッド等の浮遊容量、X0は初期状態の櫛歯間距離である。
A2−2ω(C0+CS)(ωm−k/ω)=0 (4)
式(4)を満たす角周波数ω、すなわち、アドミッタンス曲線y1およびy2の交点における角周波数を、ここでは発振角周波数ω1と呼ぶことにする。この発振角周波数ω1は共振角周波数ω0に近い値であり、発振角周波数ω1で櫛歯駆動機構50を駆動すると、上述したように機械系の特性がキャンセルされて電気系のみのアドミッタンス計測が可能となる。
|Y|=ω1(C0+CS) (6)
ΔY=A2Δk/ω1rf 2 (7)
i1/e1=jω[C0{1+(x1/X0)(E0/e1)}+CS] (8)
|Y1|=|i1/e1|
=ω[C0{1+(x1/X0)(E0/e1)}+CS] (9)
式(9)から変位量x1は式(10)のように表せる。
x1={(|Y1|−ωCS)/ωC0−1}(e1/E0)X0 (10)
x1={(|Y1|−ωCS)/ωC0−1}(C0e1/A) (11)
ここで、Y0=ω(C0+CS)とおけば、式(11)を変形して式(12)を得る。
x1={(|Y1|−|Y0|)/ωC0}(C0e1/A)
=ΔY/ω(e1/A) (12)
(a)櫛歯駆動機構50に振動を与え、その共振角周波数ω0を測定する。
(b)共振角周波数ω0に近い機械系の特性がキャンセルされる発振角周波数ω1で櫛歯駆動機構50を振動させて、可動部501に加わる外力が零のときの基準アドミッタンス値|Y0|を検出する。
(c)角周波数ωを発振角周波数ω1に定めて櫛歯駆動機構50に振動を与え、可動部501に外力が加わったときのアドミッタンス値|Y1|を検出する。
(d)アドミッタンスの変化ΔY(=|Y1|−|Y0|)から、可動部501の外力による変位量を算出する。
上述した第1および第2の実施の形態では、駆動電圧を印加しない場合にナノピンセット1が開状態となるノーマリーオープンタイプのナノピンセットについて説明した。一方、本実施の形態では、駆動電圧を印加しない場合にナノピンセット1が閉状態となるノーマリークローズタイプのナノピンセットについて説明する。なお、検出方法は光てこ方式でも良いし、アドミッタンス検出方式でも良い。
(a)ナノピンセット1によりCNT401等の別体の探針を把持し、その探針を用いて試料表面観察を行うようにしたので、探針が破損した場合でも探針を交換するだけで良く、交換作業の短縮および交換コストの低減を図ることができる。
(b)探針として非常に細いCNTを用いることにより、試料のより微細な構造まで観察することが可能となる。
(c)探針の試料表面に対する姿勢を調整するための調整機構(反転機構等)を設けたことにより、試料表面に対する探針の角度をより適切に設定することができる。
(d)ノーマリークローズタイプのナノピンセット1を用いることにより、観察中に把持用電圧を印加しなくても探針を一定の把持力で把持することができるとともに、電力消費の低減を図ることができる。
(e)ナノピンセット1にもAFM観察用の探針部12が形成され、ナノピンセット単体でもAFM観察が行えるような構成としているので、別体の探針(CNT401)に対して観察プローブ10および可動アーム20を正確に位置決めすることができ、ナノピンセット1によるCNT401の確実な把持を行うことができる。
4:制御演算部 5:励振部 6,209:電源部
8:3次元ステージ 9:反転駆動機構 10:観察プローブ
12:探針部 20:可動アーム 22:把持部
23,24:駆動レバー 50:櫛歯駆動機構 53:アドミッタンス検出器
100:AFM装置 201,202:アーム 203,204:駆動部
400:CNTカートリッジ 401:CNT
Claims (8)
- 開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットと、
前記ナノピンセットに把持される探針と、
前記探針を把持した前記ナノピンセットを所定周波数で振動させる振動手段と、
試料表面との作用に基づく前記アームの振動の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算する演算部とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。 - 請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記探針としてカーボンナノチューブを用いたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。 - 請求項1または2に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記ナノピンセットに把持された探針の試料表面に対する姿勢を変更する姿勢変更手段を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。 - 請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記姿勢変更手段は、前記ナノピンセットを180度回転させて上下反転させる反転機構であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記ナノピンセットは、駆動電圧非印加時が閉状態で、駆動電圧を印加することにより開状態となるように構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記一対のアームのいずれか一方には探針部が一体に形成されており、
前記振動手段によって前記探針部が形成されたアームの共振周波数で前記ナノピンセットを振動させて、前記探針部により試料表面形状の観察を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡装置において、
前記探針の被把持部または前記ナノピンセットの把持部に探針把持性向上部を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。 - 開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームを備えたナノピンセットで探針を把持し、前記探針を把持した前記ナノピンセットを所定周波数で振動させ、試料表面との作用に基づく前記アームの振動の変化を検出し、前記検出手段の検出結果に基づいて試料表面形状を演算し、その演算結果を可視化することを特徴とする試料表面形状観察方法。
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