JP4688643B2 - 加振型カンチレバーホルダ及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、先端に探針を有するカンチレバーを所定の周波数及び振幅で振動可能に固定する加振型カンチレバーホルダ、該加振型カンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

周知のように、金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の粘弾性等の物性情報や試料の表面形状の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている。この走査型プローブ顕微鏡は、測定対象物に応じて様々な測定モードがあり、その１つとして、カンチレバーホルダにセットしたカンチレバーを振動させて、測定を行う振動モードＳＰＭが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この振動モードＳＰＭとしては、例えば、共振させたカンチレバーの振動振幅が一定になるように探針と試料との間の距離を制御しながら走査を行うＤＦＭ（共振モード測定−原子間力顕微鏡：Dynamic Force Mode Microscope）や、ＡＦＭ動作中に、試料を試料表面に垂直なＺ方向に微小振動させて、又はカンチレバーを試料表面に垂直なＺ方向に微小振動させて、周期的な力を加え、この際のカンチレバーの撓み振幅や、ｓｉｎ成分、ｃｏｓ成分を検出することで粘弾性分布を測定するＶＥ−ＡＦＭ（マイクロ粘弾性測定−原子間力顕微鏡：Viscoelastic AFM）や、ＡＦＭ動作中に、試料を試料表面に平行な水平方向に横振動させ、又はカンチレバーを試料表面に平行な水平方向に横振動させ、この際のカンチレバーのねじれ振動振幅を検出することで摩擦力分布を測定するＬＭ−ＦＦＭ（横振動摩擦力顕微鏡：Lateral Force Modulation Friction Force Microscope）等がある。
特開２００３−４２９３１号公報

しかしながら、上述した従来の振動モードＳＰＭによる測定では以下の問題があった。
即ち、通常カンチレバーを振動させるには、カンチレバーホルダに取り付けられた加振源に所定の電圧を印加して振動させ、該振動をカンチレバーに伝えることでカンチレバーを所定の振動数及び振幅で振動させている。ところが、この加振源の振動は、カンチレバー以外の周辺構造物にも伝わってしまい、これらを振動させてしまうものであった。そのため、カンチレバーの振動特性に影響を与えてしまい、理想的な振動状態とは異なった振動特性になってしまっていた。

その結果、Ｑカーブ（カンチレバーの共振特性を示す曲線）測定を行う際、図７に示すように、カンチレバーの共振Ａに加え、それ以外の共振である副次的な共振Ｂが現れてしまう。その結果、カンチレバー以外の振動特性を含んだ特性が加わってしまい、カンチレバーの共振特性を正確に識別することが難しく、振動周波数や振幅、位相の振動特性に対して、正確な設定をすることが困難な場合があった。
また、探針を試料に接近させる際に、カンチレバーへの共振特性に影響を与えてしまい、最適な測定条件が変化して測定領域まで接近させることができなかったり、接近させすぎて衝突を招いたりする場合があった。
更には、走査中に、カンチレバーへの共振特性に影響を与えてしまい、最適な測定条件が変化して安定した正確な測定を持続することが困難な場合があった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、余分な振動をカット（相殺）して、カンチレバーのみの振動特性で該カンチレバーを振動させる加振型カンチレバーホルダ、該加振型カンチレバーホルダを有する走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の加振型カンチレバーホルダは、試料に対向配置され、先端に探針を有すると共に基端側が本体部に片持ち状態に支持されたカンチレバーを固定する加振型カンチレバーホルダであって、前記カンチレバーを前記試料に対して所定角度傾けた状態で前記本体部を載置して固定する載置台と、該載置台に固定され、所定の波形信号に応じた位相及び振幅で振動する第１の加振源と、該第１の加振源が固定されたホルダ本体と、該ホルダ本体の少なくとも１箇所に固定され、前記第１の加振源から前記載置台及び前記ホルダ本体に伝わった振動を、相殺させる振動を発生させる第２の加振源とを備えていることを特徴とするものである。

この発明に係る加振型カンチレバーホルダにおいては、まず第１の加振源を介してホルダ本体に固定された載置台に、カンチレバー本体部を載置して固定することで試料に対向させた状態でカンチレバーを固定することができる。この際、カンチレバーは、載置台によって試料に対して所定角度傾いた状態で固定されている。カンチレバーの固定後、第１の加振源を所定の波形信号に応じて振動させる。この振動は、載置台を介してカンチレバーに伝わる。これにより、カンチレバーは、第１の加振源に入力された波形信号に応じた振幅及び位相遅れをもって振動する。

一方、第１の加振源で発生した振動は、カンチレバーを振動させるだけでなく、載置台及びホルダ本体にも伝わるので、これらも同時に振動させてしまう。しかしながら、ホルダ本体の少なくとも１箇所には、第２の加振源が固定されているので、第１の加振源と同時に作動させることで、第１の加振源から伝わってきた不要な振動を相殺することができ、ホルダ本体及び載置台が振動してしまうことを極力防止することができる。つまり、第１の加振源及び第２の加振源を同時に作動させることで、互いが発生する振動をそれぞれ打ち消し合わせることができ、カンチレバー以外に伝わる不要な振動をカットすることができる。従って、従来のものとは異なり、カンチレバーのみを振動させて、該カンチレバー単独の振動特性を得ることができる。

よって、Ｑカーブ測定の際に、カンチレバーの共振特性を正確に識別することができ、カンチレバーの振動周波数や振幅、位相等の振動特性に対して正確な設定を行うことができる。その結果、振動モードＳＰＭでの測定を常に正確に行うことができ、測定精度を向上することができると共に、使い易くなり利便性が向上する。
また、カンチレバーのみの振動特性を確実に得ることができるので、従来とは異なり、探針を試料に接近させる際に、所望する測定領域まで正確に近づけることができる。このことからも、測定精度を向上することができる。更に、走査中にカンチレバーの共振特性が変化しないので、安定した測定を持続して行うことができる。
なお、ホルダ本体に第２の加振源を複数固定しても構わない。

また、本発明の加振型カンチレバーホルダは、上記本発明の加振型カンチレバーホルダにおいて、前記第２の加振源が、前記第１の加振源との相対位置関係及び第１の加振源に入力された前記所定の波形信号に基づいて、少なくとも位相が調整された波形信号を受けて振動することを特徴とするものである。

この発明に係る加振型カンチレバーホルダにおいては、第２の加振源が、第１の加振源との相対位置関係及び第１の加振源に入力された波形信号に基づいて、少なくとも位相が調整された波形信号（例えば、逆位相となる信号）を受けて振動する。よって、ホルダ本体のどの位置に固定されたとしても、第１の加振源からカンチレバー以外に伝わる不要な振動を打ち消すことができ、カンチレバーの共振以外の振動を最小とすることができる。
なお、位相と共に振幅を適時調整して第２の加振源を振動させても構わない。また、調整した結果、第１の加振源に入力された信号と同じ信号の場合も考えられる。
このように、第２の加振源の固定位置を自由に選択可能であるので、設計の自由度を向上することができる。

また、本発明の加振型カンチレバーホルダは、上記本発明の加振型カンチレバーホルダにおいて、前記第２の加振源を、前記ホルダ本体に向けて押し付ける錘部を備えていることを特徴とするものである。

この発明に係る加振型カンチレバーホルダにおいては、錘部が第２の加振源をホルダ本体側に向けて重力により押し付けているので、力が伝わり易くなり、第２の加振源が発生する振動を効率良くホルダ本体側に伝えることができる。つまり、振動の伝わりが促進されるので、より確実にカンチレバー以外に伝わる不要な振動を相殺することができる。従って、カンチレバーの振動特性をより正確に得ることができる。

また、本発明の加振型カンチレバーホルダは、上記本発明の加振型カンチレバーホルダにおいて、前記ホルダ本体が、互いに対向する第１の面及び第２の面を有する平板状に形成され、前記第１の加振源と前記第２の加振源とが、前記ホルダ本体を挟んで対向配置されるように、前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ固定され、前記第２の加振源が、前記第１の加振源と同じ前記所定の波形信号を受けて振動することを特徴とするものである。

この発明に係る加振型カンチレバーホルダにおいては、第１の加振源と第２の加振源とが、第１の面及び第２の面にそれぞれ固定されてホルダ本体を挟んで対向配置されている。そして、第２の加振源が、第１の加振源に入力される同じ波形信号を受けて、第１の加振源と同じ振幅、位相で振動する。これにより、両加振源から発生した信号が打ち消しあって、第１の加振源からカンチレバー以外に伝わる不要な振動を、より確実に相殺することができる。
特に、第２の加振源に入力する波形信号は、特別に調整した信号ではなく、第１の加振源に入力する信号と同じ信号であるので、複雑な動作制御が不要であり、構成の簡略化を図ることができる。

また、本発明の加振型カンチレバーホルダは、上記本発明の加振型カンチレバーホルダにおいて、前記第２の加振源を、前記ホルダ本体に向けて押し付ける錘部を備えていることを特徴とするものである。

この発明に係る加振型カンチレバーホルダにおいては、錘部が第２の加振源をホルダ本体側に向けて重力により押し付けているので、力が伝わり易くなり、第２の加振源が発生する振動を効率良くホルダ本体側に伝えることができる。つまり、振動の伝わりが促進されるので、より確実にカンチレバー以外に伝わる不要な振動を相殺することができる。従って、カンチレバーの振動特性をより正確に得ることができる。

また、本発明の加振型カンチレバーホルダは、上記本発明の加振型カンチレバーホルダにおいて、前記錘部が、前記載置台と同一形状及び同一重量であることを特徴とするものである。

この発明に係る加振型カンチレバーホルダにおいては、錘部が載置台と同一形状及び同一重量であるので、ホルダ本体を挟んで、載置台を両側に設けた構成と擬制することができる。よって、カンチレバー以外に伝わる不要な振動をさらに確実に打ち消すことができる。従って、カンチレバーの振動特性をさらに確実に得ることができる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかの加振型カンチレバーホルダと、先端に探針を有すると共に基端側が本体部に片持ち状態に支持され、該本体部を介して前記加振型カンチレバーホルダに固定されるカンチレバーと、前記探針に対向配置された試料を載置するステージと、前記探針と前記試料とを、試料表面に平行な方向に相対的に走査させると共に、試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段と、前記カンチレバーの振動状態の変位を測定する測定手段と、該測定手段による測定結果に基づいて、前記走査時に前記探針と前記試料表面との距離を、前記カンチレバーの振動状態が一定となるように前記移動手段を制御すると共に、観測データを採取する制御手段とを備えていることを特徴とするものである。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、まず、試料に応じたカンチレバーを選択し、本体部を載置部に載置して固定する。これにより、カンチレバーは、試料に対して所定の角度傾いた状態で加振型カンチレバーホルダに固定される。次いで、第１の加振源及び第２の加振源を同時に作動させて、カンチレバーを振動させる。次いで、探針を試料表面に接触又は近接させた状態で、移動手段により探針と試料とを相対的に移動させて走査を行う。この際、制御手段は、測定手段による測定結果に基づいて、カンチレバーの振動状態、例えば、振動振幅（又は自励発振時の周波数）が一定となるように、カンチレバーと試料間との距離（高さ）を移動手段により調整することで、観測データ、例えば高さ情報を検出したり、位相の変化を検出して各種の物性情報（磁気力、電位等）を計測したりすることができる。

特に、カンチレバーのみを単独で振動させて、該カンチレバーの共振特性を正確に識別することができる加振型カンチレバーホルダを備えているので、振動モードＳＰＭでの測定を正確に行うことができると共に、測定結果の信頼性を向上することができる。
また、カンチレバーのＱ値制御にて、Ｑ値を高くし、感度を向上させる手法を用いる場合には、カンチレバーの振動以外は、測定誤差を増加させる要因となるため、通常以上に向上させることができる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記測定手段による測定結果から、前記カンチレバーの振動以外の振幅及び位相で振動する他の波形信号を検出する検出部と、該検出部で検出された前記他の波形信号を相殺するように、少なくとも振幅及び位相が調整された調整信号を前記第２の加振源に入力する加振電源とを備えていることを特徴とするものである。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、検出部が、測定手段による測定結果から、カンチレバーの振動以外の振幅及び位相で振動する他の波形の検出を行う。つまり、第１の加振源からホルダ本体等の周辺構造部に対して伝わった不要な振動波形を検出する。そして、加振電源は、この不要な振動波形を相殺して打ち消すように、少なくとも振幅及び位相を調整した調整信号を第２の加振源にフィードバックして入力する。なお、他の複数の異なる周波数を組み合わせた波形を合成して調整信号としても構わない。
これにより、第１の加振源からカンチレバー以外の周辺構造物に伝わった不要な振動を、より確実に打ち消すことができる。従って、カンチレバーの共振特性をより正確に識別することができ、測定精度をさらに向上することができる。

この発明に係る加振型カンチレバーホルダによれば、第１の加振源及び第２の加振源を同時に作動させることで、互いが発生する振動をそれぞれ打ち消し合わせてカンチレバー以外に伝わる振動をカットすることができる。よって、カンチレバーの共振特性を正確に識別することができ、振動モードＳＰＭでの測定を常に正確に行って、測定精度を向上することができると共に、使い易くなり利便性が向上する。

また、この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーのみを単独で振動させて、該カンチレバーの共振特性を正確に識別することができる加振型カンチレバーホルダを備えているので、振動モードＳＰＭでの測定を正確に行うことができると共に、測定結果の信頼性を向上することができる。

以下、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び加振型カンチレバーホルダの第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。なお、本実施形態においては、試料側を３次元方向に移動させる試料スキャン方式を例にして説明する。
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、図１に示すように、加振型カンチレバーホルダ２と、先端に探針３ａを有すると共に基端側が本体部３ｂに片持ち状態に支持され、該本体部３ｂを介して加振型カンチレバーホルダ２に固定されるカンチレバー３と、探針３ａに対向配置された試料Ｓを載置するステージ４と、探針３ａと試料Ｓとを、試料表面Ｓ１に平行なＸＹ方向に相対的に走査させると共に、試料表面Ｓ１に垂直なＺ方向に相対的に移動させる移動手段５と、カンチレバー３の振動状態の変位を測定する測定手段６と、該測定手段６による測定結果に基づいて、走査時に探針３ａと試料表面Ｓ１とを、カンチレバー３の振動状態が一定となるように移動手段５を制御すると共に、観測データを採取する制御手段８とを備えている。なお、本実施形態では制御手段８が、カンチレバー３の振動振幅が一定となるように移動手段５を制御する場合を例にして説明する。

上記加振型カンチレバーホルダ２は、図２に示すように、カンチレバー３を試料Ｓに対して所定角度傾けた状態で本体部３ｂを載置面１０ａに載置して固定する斜面ブロック（載置台）１０と、該斜面ブロック１０に固定され、所定の波形信号に応じた位相及び振幅で振動する加振源（第１の加振源）１１と、該加振源１１が固定されたホルダ本体１２と、該ホルダ本体１２の少なくとも１箇所に固定され、加振源１１から斜面ブロック１０及びホルダ本体１２に伝わった振動を、相殺させる対向加振源（第２の加振源）１３とを備えている。

上記ホルダ本体１２は、互いに対向する第１の面１２ａ及び第２の面１２ｂを有する平板状に形成されており、第１の面１２ａを試料Ｓ側に向けて配されている。また、ホルダ本体１２には、固定したカンチレバー３の図示しない反射面に対して、後述するレーザ光Ｌを入射させると共に、反射面で反射したレーザ光Ｌを出射させる開口部１２ｃが形成されている。
上記加振源１１は、第１の面１２ａに固定されており、図１に示す加振電源７から入力された波形信号に基づいて、所定の位相及び振幅で振動するようになっている。
また、斜面ブロック１０は、載置面１０ａを試料Ｓ側に向けた状態で加振源１１の下面に固定されている。そして、この載置面１０ａにカンチレバー３の本体部３ｂが載置され、図示しないワイヤ等を利用して固定されている。

また、上記対向加振源１３は、ホルダ本体１２を挟んで加振源１１に対向する位置（向い合う位置）に固定されている。そして、対向加振源１３は、加振電源７から加振源１１と同一の波形信号を受けて、加振源１１と同じ位相及び振幅で振動するようになっている。
更に、本実施形態の加振型カンチレバーホルダ２は、対向加振源１３をホルダ本体１２に向けて押し付ける錘部１４を備えている。この錘部１４は、斜面ブロック１０と同一形状、且つ、同一重量となるように形成されており、対向加振源１３上に取り付けられている。

このように構成された加振型カンチレバーホルダ２は、図１に示すように、図示しない架台により試料Ｓの上方に固定されている。また、上記ステージ４は、ＸＹスキャナ２０上に載置されており、該ＸＹスキャナ２０はＺスキャナ２１上に載置されている。また、このＺスキャナ２１は、図示しない防振台上に載置されている。
これらＸＹスキャナ２０及びＺスキャナ２１は、例えば、ピエゾ素子であり、それぞれＸＹ駆動部２２及びＺ駆動部２３から電圧を印加されて、それぞれの方向に微小移動するようになっている。即ち、これらＸＹスキャナ２０、Ｚスキャナ２１、ＸＹ駆動部２２及びＺ駆動部２３は、上記移動手段５を構成している。

また、加振型カンチレバーホルダ２の上方には、ミラー２５を利用して、カンチレバー３の裏面に形成された図示しない反射面に向けてレーザ光Ｌを照射する光照射部２６と、ミラー２７を利用して、反射面で反射されたレーザ光Ｌを受光する光検出部２８とが設けられている。なお、光照射部２６から照射されたレーザ光Ｌは、ホルダ本体１２の開口部１２ｃ内を通過しながら反射面に達し、反射面で反射された後、再度開口部１２ｃ内を通過して光検出部２８に入射するようになっている。

また、光検出部２８は、例えば、フォトディテクタであり、レーザ光Ｌの入射位置からカンチレバー３の振動状態（振幅）を検出する。そして、光検出部２８は、検出したカンチレバー３の振動状態の変位をＤＩＦ信号としてプリアンプ２９に出力している。即ち、これら光照射部２６、ミラー２５、２７及び光検出部２８は、上記測定手段６を構成している。

また、光検出部２８から出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ２９によって増幅された後、交流−直流変換回路３０に送られて直流変換され、Ｚ電圧フィードバック回路３１に送られる。Ｚ電圧フィードバック回路３１は、直流変換されたＤＩＦ信号が常に一定となるように、Ｚ駆動部２３をフィードバック制御する。これにより、移動手段５により走査を行ったときに、探針３ａと試料表面Ｓ１との距離を、カンチレバー３の振動状態が一定になるように、即ち、振幅が一定となるように制御することができる。

また、このＺ電圧フィードバック回路３１には、制御部３２が接続されており、該制御部３２が直流変換されたＤＩＦ信号に基づいて試料Ｓの表面形状を測定したり、位相の変化を検出して各種の物性情報(例えば、磁気力や電位等)を測定したりすることができるようになっている。
即ち、これらＺ電圧フィードバック回路３１、制御部３２は、上記制御手段８を構成している。なお、この制御手段８は、上記各構成品を総合的に制御する機能を有している。

次に、このように構成された加振型カンチレバーホルダ２及び走査型プローブ顕微鏡１により、試料Ｓを振動モードＳＰＭの１つであるＤＦＭで測定する場合について、以下に説明する。
まず始めに、測定を行うための初期設定を行う。即ち、測定対象物である試料Ｓに応じて最適なカンチレバー３を選択し、該カンチレバー３を加振型カンチレバーホルダ２に固定する。次いで、ステージ４上に試料Ｓを載置した後、カンチレバー３の反射面に確実にレーザ光Ｌが入射するように、また、反射したレーザ光Ｌが光検出部２８に確実に入射するように、光照射部２６及び光検出部２８の位置や、カンチレバー３の取付状態等を調整する。

その後、加振電源７から加振源１１及び対向加振源１３に対して、同時に同じ波形信号を出力して、加振源１１及び対向加振源１３を同じ振幅及び位相で振動させる。ここで、加振源１１から発生した振動は、斜面ブロック１０を介してカンチレバー３に伝わるので、該カンチレバー３を波形信号に応じた振幅及び位相遅れをもって振動させることができる。更に、この振動は、カンチレバー３を振動させるだけではなく、斜面ブロック１０及びホルダ本体１２にも伝わるので、これら周辺構造物も同時に振動させてしまう。

しかしながら、ホルダ本体１２及び斜面ブロック１０には、ホルダ本体１２を挟んで加振源１１に対向配置された対向加振源１３からの振動が伝わってくるので、加振源１１から伝わってきた上記振動が打ち消される。よって、加振源１１から伝わってきた不要な振動を相殺でき、ホルダ本体１２及び斜面ブロック１０が振動してしまうことを防止することができる。つまり、加振源１１及び対向加振源１３を同時に作動させることで、互いが発生する振動をそれぞれ打ち消し合わせることができ、カンチレバー３以外に伝わる不要な振動をカットすることができる。従って、従来のカンチレバーホルダとは異なり、カンチレバー３のみを振動させて、該カンチレバー３単独の振動特性を得ることができる。

次いで、カンチレバー３を振動させた後、Ｑカーブの測定を行うと共に動作点（加振周波数の最適値）の設定を行う。この際、上述したように、対向加振源１３によりカンチレバー３以外の構成品（周辺構造物）が振動してしまうことを防止しているので、図３に示すように、カンチレバー３の共振Ａ以外に副次的な共振が生じ難い（図７と比べて副次的な共振Ｂが生じていないことが明らかである）。その結果、カンチレバー３の共振特性を正確に識別することができ、カンチレバー３の振動周波数や振幅、位相等の振動特性に対して正確な設定を行うことができる。

上述した初期設定が終了した後、試料Ｓの測定を行う。
即ち、試料Ｓの測定表面と、探針３ａとの距離を、振幅が一定になるように制御した状態で、ＸＹ駆動部２２よりＸＹスキャナ２０を移動させて、試料Ｓの走査を行う。この際、試料表面Ｓ１の凹凸に応じてカンチレバー３の振幅が増減しようとするので、光検出部２８に入射するレーザ光Ｌ（反射面で反射したレーザ光）の振幅が異なる。光検出部２８は、この振幅に応じたＤＩＦ信号をプリアンプ２９に出力する。出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ２９によって増幅されると共に、交流−直流変換回路３０によって直流変換された後、Ｚ電圧フィードバック回路３１に送られる。

Ｚ電圧フィードバック回路３１は、直流変換されたＤＩＦ信号が常に一定になるように（つまり、レバーの振幅が一定になるように）、Ｚ駆動部２３によりＺスキャナ２１をＺ方向に微小移動させて、フィードバック制御を行う。これにより、試料Ｓの測定表面と、探針３ａとの距離を、振幅が一定になるように制御した状態で走査を行うことができる。また、制御部３２は、Ｚ電圧フィードバック回路３１により上下させる信号に基づいて、試料Ｓの表面形状を測定する。

特に、上述したＱカーブ測定の際に、加振型カンチレバーホルダ２により、カンチレバー３の振動特性に対して正確な設定を行っているので、ＤＦＭでの測定を常に正確に行うことができ、測定精度を向上することができる。また、使い易くなり利便性が向上する。
また、カンチレバー３のみの振動特性を確実に得ることができるので、探針３ａを試料Ｓに接近させる際に、所望する測定領域まで探針３ａを正確に近づけることができる。このことからも、測定精度を向上することができる。更に、走査中にカンチレバー３の共振特性が変化しないので、安定した測定を持続して行うことができる。

このように本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１によれば、カンチレバー３のみを単独で振動させて、該カンチレバー３の共振特性を正確に識別することができる加振型カンチレバーホルダ２を備えているので、ＤＦＭでの測定を正確に行うことができると共に、測定結果の信頼性を向上することができる。

また、対向加振源１３に入力する波形信号は、特別に調整した信号ではなく、加振源１１に入力する信号と同じ信号であるので、加振電源７はそれぞれ別々の波形信号を出力する必要がない。よって、複雑な制御が不要であり、構成の簡略化を図ることができる。
また、錘部１４が対向加振源１３をホルダ本体１２に向けて重力により押し付けているので、力が伝わり易くなり、対向加振源１３が発生する振動を効率良くホルダ本体１２側に伝えることができる。つまり、振動の伝わりが促進されるので、より確実に加振源１１からカンチレバー３以外に伝わる不要な振動を相殺することができる。従って、カンチレバー３の振動特性を正確に得やすい。

更に、本実施形態では、錘部１４が斜面ブロック１０と同一形状、同一重量であるので、ホルダ本体１２を挟んで、斜面ブロック１０を両側に設けた構成と擬制することができる。よって、加振源１１からカンチレバー３以外に伝わった不要な振動をさらに確実に打ち消すことができ、カンチレバー３の振動特性をさらに高精度に得ることができる。

次に、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び加振型カンチレバーホルダの第２実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。なお、第２実施形態において第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第１実施形態と第２実施形態との異なる点は、第１実施形態では、加振源１１に対向配置されるように、対向加振源１３をホルダ本体１２の第２の面１２ｂ上に固定したが、第２実施形態の走査型プローブ顕微鏡４０は、図４に示すように、対向加振源１３が加振源１１に対して対向配置されていない加振型カンチレバーホルダ４１を備えている点である。

即ち、本実施形態の加振型カンチレバーホルダ４１は、図５に示すように、第２の面１２ｂ上の端部に固定されている。また、対向加振源１３上には、第１実施形態と同様に対向加振源１３をホルダ本体１２に向けて押し付ける錘部４２が取り付けられている。但し、この錘部４２は、第１実施形態の錘部１４と異なり、斜面ブロック１０と異なるサイズ及び重量で形成されている。

また、本実施形態の対向加振源１３は、予め加振源１１との相対位置関係、及び、加振源１１に入力される波形信号に基づいて、少なくとも位相が調整された波形信号を受けて振動するようになっている。即ち、加振電源７が、加振源１１に入力する波形信号とは逆位相となる信号を対向加振源１３に入力して振動させるようになっている。これにより、対向加振源１３は、ホルダ本体１２のどの位置に固定されたとしても、加振源１１からカンチレバー３以外に伝わる不要な振動を打ち消すことができ、カンチレバー３の共振以外の振動を低減することができる。
また、第１実施形態と同様に錘部４２を備えているので、対向加振源１３が発する振動を効率良くホルダ本体１２側に伝えることができる。

なお、本実施形態において、位相と共に振幅を適時調整して（場合によっては、他の複数の異なる周波数を組み合わせた波形を合成して）対向加振源１３を振動させても構わない。また、調整した結果、加振源１１に入力された信号と同じ信号が最適な信号となる場合も考えられる。
特に、本実施形態の加振型カンチレバーホルダ４１によれば、対向加振源１３の固定位置を自由に選択できるので、設計の自由度を向上することができる。

次に、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡及び加振型カンチレバーホルダの第３実施形態について、図６を参照して説明する。なお、第３実施形態において第２実施形態と同一の構成については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第２実施形態と第３実施形態との異なる点は、第２実施形態では、予め少なくとも位相が調整された信号を対向加振源１３に入力したが、第３実施形態の走査型プローブ顕微鏡５０は、カンチレバー３の振動以外の振動を測定し、この測定結果に基づいて対向加振源１３を振動させる点である。

即ち、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡５０は、測定手段６による測定結果から、カンチレバー３の振動以外の振幅及び位相で振動する他の波形信号を検出するカットフィルタ（検出部）５１と、カットフィルタ５１で検出された他の波形信号を相殺するように、少なくとも振幅及び位相を調整して（場合によっては、他の複数の異なる周波数を組み合わせた波形を合成した）調整信号を加振電源７に出力する調整回路５２とを備えている。また、加振電源７は、調整回路５２から送られてきた調整信号に基づいて、対向加振源１３を振動させる。

ここで、カットフィルタ５１は、プリアンプ２９で増幅されたＤＩＦ信号の中から、カンチレバー３の共振周波数だけをカットして、それ以外の信号（他の波形信号）を検出している。また、調整回路５２は、検出された他の波形信号が最小となるように、位相反転及びゲイン調整を行って、逆位相となる信号を、振幅を調整した調整信号として加振電源７に出力する。

そして、加振電源７は、この調整信号に応じた位相及び振幅で対向加振源１３を振動させる。これにより、加振源１１からカンチレバー３以外に伝わった不要な振動を、さらに確実に打ち消すことができる。
従って、カンチレバー３の共振特性をより正確に識別することができ、測定精度をさらに向上することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記第１実施形態では、錘部を斜面ブロックと同一形状、同一重量としたが、この場合に限られず、サイズ、重量は任意に設定して構わない。また、この錘部は必須ではなく、なくても構わない。但し、対向加振源の振動を効率良くホルダ本体側に伝えることができるので錘部を設けることが好ましく、更には上記実施形態と同様に斜面ブロックと同一形状、同一重量の錘部を設けることがより好ましい。

また、上記第２実施形態及び第３実施形態では、対向加振源をホルダ本体の第２の面上に固定したが、対向加振源の位置はこの位置に限定されるものではなく、例えば、加振源と同じ第１の面上に固定しても構わないし、側面に固定しても構わない。更に、対向加振源は、１つに限られず複数固定しても構わない。

また、上記各実施形態では、ホルダ本体に形成された開口部を介して、カンチレバーにレーザ光を入射させると共に反射したレーザ光を出射させる構成としたが、この場合に限られるものではない。例えば、図８に示すように、ホルダ本体１２を光学的に透明な材料（例えば、ガラス）で構成して開口部１２ｃをなくしても構わない。
この場合には、光照射部２６から照射されたレーザ光Ｌは、ホルダ本体１２の第２の面１２ｂに垂直に入射してカンチレバー３の反射面に入射する。そして、該反射面で反射したレーザ光Ｌは、ホルダ本体１２の第１の面１２ａに斜めに入射して、屈折を繰り返しながら光検出部２８に向けて出射する。このように、光学的に透明な材料でホルダ本体１２を構成することで、開口部１２ｃをなくすことができるので、開口部１２ｃを形成する手間を省くことができる。

また、上記各実施形態では、走査時において、カンチレバーの振動振幅が一定になるように、探針と試料との距離を制御したが、振動振幅に限られず、カンチレバーの振動状態が一定になるように制御すれば構わない。例えば、カンチレバーの周波数が一定になるように制御しても構わないし、カンチレバーの角度が一定になるように制御しても構わない。

また、上記各実施形態では、試料側を３次元方向に移動させる試料スキャン方式を例にして説明したが、この方式に限られず、カンチレバー側を３次元方向に移動させるカンチレバースキャン方式にしても構わない。
例えば、図９に示すように、走査型プローブ顕微鏡６０は、加振型カンチレバーホルダ２が図示しない架台を介してＸＹスキャナ２０の下面に固定されている。また、このＸＹスキャナ２０は、Ｚスキャナ２１の下面に固定されている。一方、試料Ｓは、固定されたステージ４上に載置されている。これにより、ＸＹ駆動部２２及びＺ駆動部２３によって、ＸＹスキャナ２０及びＺスキャナ２１を作動させることで、探針３ａと試料Ｓとを、３次元方向に対して相対的に移動させることができるようになっている。
更に、ＸＹスキャナ２０の下面には、光照射部２６及び光検出部２８が加振型カンチレバーホルダ２と共に固定されている。これにより、レーザ光Ｌを常にカンチレバー３の反射面に入射させることができるようになっている。

このように構成された走査型プローブ顕微鏡６０においても、スキャン方式が異なるだけで、第１実施形態の走査型プローブ顕微鏡１と同一の作用効果を奏することができる。
なお、試料Ｓ側及びカンチレバー３側を共に、３次元方向に移動できるように構成しても構わない。

また、上記各実施形態では、振動モードＳＰＭの一例として、ＤＦＭ測定を行う場合を例にしたが、この場合に限られず、例えば、磁気を検知できる探針を有するカンチレバーを同様に振動させ、この際のカンチレバーの撓み振幅や位相を検出することで磁気試料の磁気分布や磁区構造等の測定を行うＭＦＭ（Magnetic Force Microscope：磁気力顕微鏡）においても同様の作用効果を奏することができる。

更に、上記ＭＦＭだけでなく、例えば、導電性探針（カンチレバー）と試料との間に、ＡＣバイアス電圧を印加し、探針と試料との静電結合によってカンチレバーを振動させ、この際のカンチレバーの撓み振幅を検知することで試料の表面電位分布等の測定を行うＫＦＭ（Kelvin Prove Force Microscope：ケルビンプローブフォース顕微鏡）やＳＭＭ（Scanning Maxwell-stress Microscope：走査型マクスウェル応力顕微鏡）等のＳＰＭにおいても同様の作用効果を奏することができる。

更には、ＡＦＭ動作中に、試料を試料表面に平行な水平方向に横振動させ、又はカンチレバーを試料表面に平行な水平方向に横振動させ、この際のカンチレバーのねじれ振動振幅を検出することで摩擦力分布を測定するＬＭ−ＦＦＭ（Lateral Force Modulation Friction Force Microscope：横振動摩擦力顕微鏡）や、ＡＦＭ動作中に、試料Ｓを試料表面Ｓ１に垂直なＺ方向に微小振動させて、又は、カンチレバーを試料表面に垂直なＺ方向に微小移動させて、周期的な力を加え、この際のカンチレバーの撓み振幅や、ｓｉｎ成分、ｃｏｓ成分を検出することで粘弾性分布を測定するＶＥ−ＡＦＭ（Viscoelastic AFM：マイクロ粘弾性測定−原子間力顕微鏡）等においても同様の作用効果を奏することができる。

また、上記実施形態では、測定手段が光てこ方式によりカンチレバーの変位検出を行ったが、光てこ方式に限定されるものではない、例えば、カンチレバー自身に変位検出機能（例えば、ピエゾ抵抗素子等）を設けた自己検知方式を採用しても構わない。

本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図である。 図１に示す走査型プローブ顕微鏡の構成品で本発明に係る加振型カンチレバーホルダの側面図である。 図２に示す加振型カンチレバーにより固定されたカンチレバーの共振特性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図である。 図４に示す走査型プローブ顕微鏡の構成品で本発明に係る加振型カンチレバーホルダの側面図である。 本発明の第３実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図である。 従来の加振型カンチレバーにより固定されたカンチレバーの共振特性を示す図である。 図２に示す加振型カンチレバーホルダの変形例を示す図であって、開口部が形成されていない加振型カンチレバーホルダを示す図である。 図１に示す走査型プローブ顕微鏡の変形例を示す図であって、カンチレバー側を３次元方向に移動させるカンチレバースキャン式の走査型プローブ顕微鏡を示す図である。

符号の説明

Ｓ 試料
Ｓ１ 試料表面
１、４０、５０、６０ 走査型プローブ顕微鏡
２、４１ 加振型カンチレバーホルダ
３ カンチレバー
３ａ 探針
３ｂ 本体部
４ ステージ
５ 移動手段
６ 測定手段
７ 加振電源
８ 制御手段
１０ 斜面ブロック（載置台）
１１ 加振源（第１の加振源）
１２ ホルダ本体
１２ａ 第１の面
１２ｂ 第２の面
１３ 対向加振源（第２の加振源）
１４、４２ 錘部
５１ カットフィルタ（検出部）

Claims (3)

1. 試料に対向配置され、先端に探針を有すると共に基端側が本体部に片持ち状態に支持されたカンチレバーを固定する加振型カンチレバーホルダであって、
   前記カンチレバーを前記試料に対して所定角度傾けた状態で前記本体部を載置して固定する載置台と、
   該載置台に固定され、所定の波形信号に応じた位相及び振幅で振動する第１の加振源と、
   該第１の加振源が固定されたホルダ本体と、
   該ホルダ本体の前記第１の加振源と反対側の面、かつ、該第１の加振源と対向しない位置に配置された第２の加振源と、
   前記所定の波形信号にて前記第１の加振源を制御すると共に、前記第２の加振源に対して前記波形信号の少なくとも位相を調整した第２の波形信号にて前記第１の加振源を起源とするホルダ本体の振動を相殺するよう制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする加振型カンチレバーホルダ。
2. 前記第２の加振源を、前記ホルダ本体に向けて押し付ける錘部を備えている請求項１に記載の加振型カンチレバーホルダ。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の加振型カンチレバーホルダを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

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