JP5091065B2 - 走査プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は走査プローブ顕微鏡し、更に詳しくは溶液中に入れた試料の原子間力顕微鏡像を薄膜を介してＳＰＭ測定を行なって得るようにした走査プローブ顕微鏡に関する。

走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、カンチレバの先端部に形成された探針と試料間の間に働く物理量を測定して試料表面を観察するようにした顕微鏡である。ＳＰＭは、原理上、観察環境を選ばないため、真空、大気、溶液中といった環境下で利用されている。近年では、ＳＰＭの一手法であるＮＣ−ＡＦＭ（Ｎｏｎ Ｃｏｎｔａｃｔ−Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：非接触原子間力顕微鏡）において、真空、大気中で原子分解能が得られている。

更に、ＮＣ−ＡＦＭと同じ検出方式であるＦＭ検出では、溶液中においても原子分解能が得られており、ナノバイオ分野への展開が期待されている。このように、ＳＰＭの大きな特徴は、試料表面を原子レベルの分解能で観察できることであるが、ＮＣ−ＡＦＭ技術を応用したＳＫＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｋｅｌｖｉｎ Ｐｒｏｂｅ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査ケルビンプローブフォース顕微鏡）では、試料表面の電位分布を高分解能で観察できたりする。

またコンタクトＡＦＭ技術を応用した粘弾性ＡＦＭでは、試料表面の粘性、弾性の分布が観察できたりする。更に、プローブと試料間に電圧を印加して、その間に流れる微小電流を測定することで、表面の導電性の評価も可能である。このような応用は、物性評価に利用されており、測定の容易さから真空や大気圧下での測定が一般的である。

近年、溶液中で原子分解能が得られている溶液中ＳＰＭについて説明する。図１１は走査プローブ顕微鏡の従来構成例を示す図である。図１１は、カンチレバを含めた開放型試料ホルダ周りの構造を示す。レーザダイオード（ＬＤ）光源１からのレーザ光がカンチレバ２に照射される。そして、カンチレバ２からの反射光が分割タイプの光検出器（フォトディテクタ：ＰＤ）３に照射され、光てこの原理によりカンチレバ２の変位（たわみ角）が検出される。

一方、スキャナ４には、着脱可能な試料ホルダ５が固定されており、試料６がその上に例えば両面テープ等で固定されている。その上に溶液７が滴下されており、表面張力によりカバーガラス８に液面が密着されている。図のＡは表面張力により形成された溶液の形状を示している。

カンチレバ２は、カンチレバ載せ台９に固定用金具１０で挟み込み、固定用ビス１１で固定されている。カンチレバ載せ台９は、加振用ＰＺＴ１２を介してカンチレバホルダベース１３に接着剤等で固定されている。この構造により、カンチレバ２をその固有振動数で発振させ、探針２ａ−試料６間に働く力を固有振動数のプラス側への周波数シフトとして検出するＦＭ検出ＡＦＭ観察が可能になり、原子分解能が得られる。ＦＭ検出については、以下のＳＫＰＭの中で説明する。ここで、探針２ａはカンチレバ２の先端部に設けられた突起であり、プローブとも呼ばれる。

図１２はＦＭ検出方式のＳＫＰＭの構成例を示す図である。図１１と同一のものは、同一の符号を付して示す。カンチレバ２の背面にはレーザダイオード１からレーザ光が照射され、その反射光は光検出器３により検出される。この光てこ方式によりカンチレバ２の振動変位が検出され、バンドパスフィルタが内蔵されたプリアンプ１４により電気的に増幅される。

電気的に増幅されたカンチレバ２の変位信号は、アンプ調整回路１５を介して加振用ＰＺＴ１２に入力されるループが組まれている。図示していないが、このループには、位相シフタも組み込まれており、カンチレバ２の固有振動数で正帰還発振するように設定されている。アンプ調整回路１５では、オートマチック・ゲインコントロール（ＡＧＣ）等によりカンチレバ２の振動振幅、或いは加振用ＰＺＴ１２に入力される電圧振幅が一定になるように制御されている。

プリアンプ１４から出力される周波数ｆ₀の発振波形は、途中で分岐されて、ＰＬＬで構成されているＦＭ復調器１６に入力される。そして、その発振周波数に相当する電圧を出力する（ｆ／Ｖ変換）。即ち、周波数ｆ₀からＶ_f0に変換される。

探針２ａと試料６間に作用する力の勾配Ｆ’とバネ定数ｋのカンチレバ２の固有振動数ｆ₀の間には、
ｆ₀∝√（ｋ−Ｆ’）
の関係があり、ｆ₀の変化（周波数シフト）はほぼＦ’に相当する。

ｆ／Ｖ変換された周波数に相当する信号は、エラーアンプ１７（エラーアンプ１）によりその周波数が固有振動数からある一定量シフトするように、フィルタ１８，Ｚピエゾドライバ１９を介してＰＺＴスキャナ４のＺ動が制御される（フィードバック１）。

一定に保持される周波数シフトは基準電圧Ｒｅｆ．Ｖによって設定される。この時のＺ動を制御している信号（フィルタ１８の出力）が表面の凹凸（Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ（トポグラフィ）信号）に相当し、スキャン信号（Ｘ，ＹＳｃａｎ）によりＰＺＴスキャナ４が２次元的にスキャンされ、その時のＺ動を輝度信号とすることで、試料の凹凸像（Ｔｏｐｏ像）が得られる。以上がＦＭ検出を用いたＡＦＭの動作である。

カンチレバ２の固有振動数ｆ₀は探針２ａと試料６間の静電気力によってもシフトする。そこで導電性カンチレバ２に発振器２１及びエラーアンプ２２（エラーアンプ２）からの電圧（Ｖ_DC＋Ｖ_ACｓｉｎ（ωｔ））を印加した場合、接地された試料６と探針２ａ間に電位差が生じ、静電気力が作用する。

印加電圧の交流成分の周波数がＦＭ復調器１６の動作帯域より小さく、且つフィードバック１の帯域を越えた値（追従できない値）に設定されれば、ＦＭ復調器１６の出力Ｖ_f0にその交流成分による変調が現れる。この信号をロックインアンプ２３でω（角周波数）を参照信号として検出すると、ω成分の振幅に相当する出力が得られる。

この出力がゼロの時、カンチレバの探針２ａと試料６間の静電気力が最小となり、この状態を維持するような直流電圧（Ｖ_DC）がエラーアンプ２２（エラーアンプ２）から加算器２４を経てカンチレバ探針２ａの電位としてフィードバックされる（フィードバック２）。このＶ_DCが探針２ａに対する試料表面のＣＰＤ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｐｏｔｅｃｉａｌ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）であり、試料表面のＴｏｐｏ信号と同時に表示することでＮＣ−ＡＦＭ像（Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ Ｓｉｇｎａｌ）と電位像（Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌ）が同時に観察される。

従来のこの種の装置としては、位相比較器を有し周波数シフトを電圧に変換して周波数がカンチレバの固有振動数より一定量シフトするようにＺ動駆動する第１のフィードバック手段と、該第１のフィードバック手段の位相比較器の出力を直接取り出してフィルタを介してロックイン検出してカンチレバの探針・試料間の静電気力が最小となるようにカンチレバの電位にフィードバックする第２のフィードバック手段とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。

また、第１の面に試料が保持される膜と、該膜の第２の面に接する雰囲気を減圧する真空室と、該真空室に接続され、膜を介して試料に一次線を照射する一次線照射手段と、一次線の照射により試料から発生する二次的信号を検出する信号検出手段と、前記真空室内において、膜と一次線照射手段との間の空間を仕切るための開閉バルブを備えたものが知られている（例えば特許文献２参照）。

また、先端部の表面が導電性材料からなるカンチレバと、試料及びカンチレバ先端部の導電性材料の電位をそれぞれ独立に制御する手段と、試料及びカンチレバ先端部の導電性材料に流れる電流をそれぞれ独立に検出する手段とを備えたものが知られている（例えば特許文献３参照）。
特開２００４−２２６２３７号公報（段落００１３〜００１９、図１、図２）。 特開２００７−２９２７０２号公報（段落００２７〜００５２、図１、図２） 特開平８−８６７９５号公報（段落００３８〜００４３、図４〜図９）

溶液中ＳＰＭで電位測定などの電気的特性を測定／観察しようとした場合、細胞の培養液が電解質のためＳＫＰＭやＡＦＭによる電流測定ができないという問題がある。また、細胞のような生体試料では、表面の凹凸が大きく、凹凸像と同時に粘弾性測定のような機械的特性を測定／観察した場合に、凹凸の影響によるアーチファクトが大きくなるという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、溶液中内に探針（プローブ）を配置せずに溶液中内の電気特性を測定／観察することができる走査プローブ顕微鏡を提供することを目的とし、また観察面を平坦化して機械的特性を測定／観察することができる走査プローブ顕微鏡を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、探針を先端に有し、該探針が試料の表面に近接配置されるカンチレバと、前記試料と前記探針とを相対的にＸ，Ｙスキャンするスキャン手段と、前記試料と前記探針との距離を相対的に変化させるＺ動駆動手段とを備え、前記カンチレバと前記試料との間に薄膜を配置し、該薄膜を隔て前記試料の特性を得るようにした走査プローブ顕微鏡であって、前記薄膜で構成された開放型の或いは密閉型のシャーレを設け、該シャーレの中に流動体物質又は溶液と共に前記薄膜に吸着した前記試料を配置したことを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、前記試料の特性は、機械的又は電気的又は光学的又は磁気的又は表面形状のうちの少なくとも一つであることを特徴とする。

（３）請求項３記載の発明は、前記カンチレバ側を真空にしたことを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、前記試料が透明の場合、前記薄膜を底面とするシャーレに前記試料を配置し、前記試料側に光学顕微鏡を配置して、前記試料に対する探針或いはカンチレバ位置の確認を行えるようにしたことを特徴とする。

（５）請求項５記載の発明は、前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着した前記試料のフォースモジュレーションを行なうことを特徴とする。
（６）請求項６記載の発明は、前記カンチレバと前記試料、或いは溶液中電極間に電圧を印加して前記薄膜を介して走査ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＳＫＰＭ）観察像を測定するようにしたことを特徴とする。

（７）請求項７記載の発明は、前記走査ケルビンプローブフォース顕微鏡観察における２ω成分と探針−試料間バイアス電圧依存の力勾配（Ｆ−Ｖカーブ）測定の２次の項の係数を求めるようにしたことを特徴とする。

（８）請求項８記載の発明は、前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着した前記試料の電流を電流検出ＡＦＭ法で測定するようにしたことを特徴とする。
（９）請求項９記載の発明は、前記カンチレバと前記試料、或いは溶液中電極間に電圧を印加して前記薄膜を介してコンタクトＡＦＭ観察を行ない、探針或いは試料側電極に流れる電流を検出することを特徴とする。

（１０）請求項１０記載の発明は、前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着した前記試料のＳＴＭ探針からの電子線照射によるカソードネミネッセンス計測を行なうようにしたことを特徴とする。

（１１）請求項１１記載の発明は、前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に密着した試料のＳＮＯＭ法による光学特性測定を行なうようにしたことを特徴とする。ここで、ＳＮＯＭとはＳcanning Ｎearfield Ｏptical Ｍicroscopeの略である。

（１２）請求項１２記載の発明は、前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着された試料のＭＦＭ法による磁気特性を測定するようにしたことを特徴とする。
（１３）請求項１３記載の発明は、前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着した試料を冷却し、凝固或いは粘性を大きくすることにより、電荷や磁性特性を動きにくくしたことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、薄膜を隔てて試料を観察するので、試料の凹凸の影響を受けず、安定した試料特性の情報を観察することができる。また、薄膜を隔てて試料を配置できるため、試料の保管環境（溶液中、特殊ガス中、真空中、凍結状態）に保持した状態で観察することができる。また、開放型シャーレを使用することで、外部から試料への電圧印加やマニピュレーション等を容易に行なうことができる。また、密閉型シャーレの場合には、汎用機で容易に適用することができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、薄膜を隔てて試料を観察するので、試料の凹凸の影響を受けず、安定した機械的又は電気的又は光学的又は磁気的又は表面形状特性の情報を観察することができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、カンチレバ側を真空にすることで、薄膜表面の水等の吸着層の影響が除去でき、ＳＰＭとしての力の検出感度が向上し、機械的又は電気的又は光学的又は磁気的特性等の信号検出感度も向上する。また、カンチレバ側を真空にすることで、薄膜表面の水等の吸着層の影響が除去でき、薄膜表面での電荷の放電（ディスチャージ）を抑制でき、電気的等の信号検出を正確に行なうことができる。

（４）請求項４記載の発明によれば、試料側に光学顕微鏡を配置することにより、薄膜を隔ててカンチレバやカンチレバ探針が観察できるため、観察位置の位置合わせを容易に行なうことができる。

（５）請求項５記載の発明によれば、薄膜を隔てて流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料を粘弾性測定することにより、カンチレバが吸引され、従来は測定ができなかった流動体物質や凹凸が激しく正確に測定できなかった試料においても容易に粘弾性測定を行なうことができる。

（６）請求項６記載の発明によれば、ＳＫＰＭ観察やＦ−Ｖカーブ測定において、試料側に電極を設けることにより、直接或いは試料により近い位置に電圧印加できるため、探針−試料間への電圧印加が確実となる。

（７）請求項７記載の発明によれば、ＳＫＰＭ観察やＦ−Ｖカーブ測定において、２ω成分の大きさや２次式の２次の項の係数を検出することにより、試料側の誘電率に相当する情報が得られるため、試料側の誘電率測定、及び流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した物質（試料）の不均一性や吸着層の厚さ情報を得ることができる。

（８）請求項８記載の発明によれば、薄膜を隔てて、流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料に電流を流し、その大きさを画像化することにより、流動体物質や吸着試料の導電性の分布を測定することができる。

（９）請求項９記載の発明によれば、薄膜を隔てて、流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料の電流測定を行なう場合において、試料側に電極を設けることにより、直接或いは試料により近い位置に電圧印加ができるため、探針−試料間への電圧印加が確実となり、正確な電流測定を行なうことができる。

（１０）請求項１０記載の発明によれば、薄膜を隔てて、流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した物質（試料）に低エネルギーの電子を照射することにより、試料固有のＣＬが起こり、流動体物質や吸着試料内の特定試料の分布を観察することができる。また、分光することにより、組成分析等の化学分析が可能となる。

（１１）請求項１１記載の発明によれば、薄膜を隔てて、流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料をＳＮＯＭ観察することにより、流動体物質や吸着試料内の局所的な光学的特性（透過率や反射率等）を観察することができる。

（１２）請求項１２記載の発明によれば、薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における薄膜に吸着した磁性物質をＭＦＭ観察することにより、従来観察できなかった流動体物質や吸着試料内の局所的な磁気力分布を観察することができる。

（１３）請求項１３記載の発明によれば、試料冷却機能を付加することにより、薄膜を隔てた流動体物質又は溶液中における薄膜に吸着した試料が冷却でき、凝固或いは粘性を大きくすることにより、電荷や磁性特性を固定でき、電荷分布や磁気力分布の分解能を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。図１１，図１２と同一のものは、同一の符号を付して示す。ここでは、電気特性の一つである表面電位測定（ＳＫＰＭ）の場合について説明する。図の上側は、図下側の破線の円Ｂ内の拡大図を示す。生細胞のような生体試料６は、薄膜形成基板２７に形成された薄膜隔壁２８の上に付着しており、溶液７で満たされている。

取り扱いやすくするため、薄膜隔壁２８付きの薄膜形成基板２７は、薄膜シャーレ２９に組み込まれている。薄膜隔壁２８としては、透過電子顕微鏡等で使用されている有機薄膜や窒化膜／酸化膜のような無機薄膜等があり、１００ｎｍ以下の薄膜生成が可能である。薄膜シャーレ２９は、シャーレ固定台３０をＰＺＴスキャナ４に取り付けられており、試料６は薄膜シャーレ２９毎Ｘ，Ｙ方向へのスキャンとＺ方向への変位制御ができるようになっている。

試料６の下方からは、薄膜隔壁２８を介してカンチレバ２が配置されており、薄膜隔壁下面との相互作用力が検出できるようになっている。カンチレバ２の背面には、レーザダイオード１からのレーザ光が照射され、その反射光は光検出器３により検出される。この光てこ方式によりカンチレバ２の振動変位が検出され、バンドパスフィルタが内蔵されたプリアンプ１４により電気的に増幅される。

電気信号に変換されたカンチレバ２の変位信号は、アンプ調整回路１５を介して加振用ＰＺＴ１２に入力されるループが組まれている。なお、図示していないが、このループには移相器も組み込まれており、カンチレバ２の固有振動数で正帰還発振するように設定されている。アンプ調整回路１５では、ＡＧＣ（オートマチック・ゲイン・コントロール：自動利得制御）等によりカンチレバ２の振動振幅、或いは加振用ＰＺＴ１２に入力される電圧振幅が一定になるように制御されている。

発振波形は、途中で分岐されてＰＬＬで構成されているＦＭ復調器１６に入力され、その発振周波数に相当する電圧を出力する。具体的には、ＦＭ復調器１６は、入力周波数信号ｆ₀を出力電圧信号Ｖ_f0に変換する周波数／電圧変換器（ｆ／Ｖ変換器）である。探針２ａと試料６間に作用する力の勾配Ｆ’とバネ定数ｋのカンチレバ２の固有振動数ｆ₀には、ｆ₀∝√（ｋ−Ｆ’）の関係があり、ｆ₀の変化（周波数シフト）はほぼＦ’に相当する。

ｆ／Ｖ変換された周波数ｆ₀に相当する信号は、エラーアンプ１７によりその周波数が固有振動数からある一定量シフトするように、フィルタ１８、Ｚピエゾドライバ１９を介してＰＺＴスキャナ４のＺ動が制御される（フィードバック１）。ここで、一定に保持される周波数シフトは基準電圧Ｒｅｆ．Ｖにより設定される。

この時のＺ動を制御している信号（フィルタ１８の出力）が、試料表面の凹凸像（Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ Ｓｉｇｎａｌ）に相当し、スキャン信号（Ｘ，Ｙｓｃａｎ）によりＰＺＴスキャナ４が２次元的にスキャンされ、その時のＺ動を輝度信号とすることで、Ｔｏｐｏ像が得られる。以上がＦＭ検出を用いたＡＦＭの動作である。

また、カンチレバ２の固有振動数ｆ₀は、探針２ａと試料６間の静電気力によってもシフトする。導電性カンチレバ２に発振器（ＯＳＣ）２１及びエラーアンプ２からの電圧［Ｖ_DC＋Ｖ_ACｓｉｎ（ωｔ）］を印加した場合、シャーレ固定台３０、薄膜シャーレ２９、溶液７を通じて接地された試料６と絶縁膜である薄膜隔壁２８を介した探針２ａ間に電位差が生じ、静電気力が作用する。

印加電圧の交流成分の周波数がＦＭ復調器１６の動作帯域より小さく、且つ前記フィードバック１の帯域を越えた値（追従できない値）に設定されれば、ＦＭ復調器１６の出力Ｖ_f0にその交流成分による変調が現れる。この信号をロックインアンプ２３で、ωを参照信号として検出すると、ω成分の振幅に相当する出力が得られる。

この出力がゼロの時、カンチレバ２の探針２ａと試料６間の静電気力が最小となり、この状態を維持しようとする直流電圧Ｖ_DCがエラーアンプ２から加算器２４を経て探針２ａの電位としてフィードバックされる（フィードバック２）。このＶ_DCが探針２ａに対する試料表面のＣＰＤであり、試料表面のＴｏｐｏ信号と同時に表示することでＮＣ−ＡＦＭ像と電位像が同時に観察される。

この場合において、ＳＰＭとして観察される試料６の表面形状は、薄膜隔壁の下面の表面形状となるが、１００ｎｍ以下の薄膜であるため、その表面の凹凸（粗さ）は数ｎｍ以下と非常に小さく、静電気力を正確に捉えるための条件である非接触状態がＮＣ−ＡＦＭ観察像として容易に得られる。

生細胞のように、細胞内や細胞間で情報伝達する際には、必ず電荷の授受があり、局所的には電位差のある状態となる。このような電位差を薄膜隔壁２８を介してカンチレバ２で検出しようとした場合、試料６からより離れた位置での観察と等価となるので、電位差が大きければ従来のＳＫＰＭ手法で十分検出することができる。

また、図示していないが、もう一台ロックインアンプを使用し、２ω成分も同時に検出することで、試料内の誘電率の違いが画像化でき、電位像より試料全体の形状が比較的画像化しやすく、また観察位置の同定がしやすい。更に、今回の説明では、シャーレ底の試料を観察するために、倒立型のＳＰＭとしたが、密閉型の溶液中セル内を薄膜を介して観察することも可能であり、この場合は汎用のＳＰＭにおいても容易に実施可能である。

以上、説明したように、第１の実施の形態によれば、薄膜を隔てて試料を観察するので、試料の凹凸の影響を受けず、安定した機械的又は電気的又は光学的又は磁気的特性等の情報を観察することができる。また、薄膜を隔てて試料を配置できるため、試料の保管環境（溶液中、特殊ガス中、真空中、凍結状態）に保持した状態で観察することができる。
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。図１，図１１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図では、電気回路を示していないが、図１のそれと同じである。図に示す実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態における薄膜シャーレ２９を密閉型の薄膜シャーレ２９’としたものである。薄膜シャーレ２９’の中には溶液７が充填され、試料６が薄膜シャーレ２９’の中に試料６が薄膜隔壁（図１の２８参照、以下単に薄膜と略す）に吸着されている。なお、シャーレは密閉型のシャーレではなく、開放型のシャーレを用いてもよい。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

密閉型シャーレ２９’を使用すると、汎用ＳＰＭの試料ホルダ５に両面テープ又は接着により装着するだけで、膜を介しての観察が可能になる。ここで、密閉型シャーレ２９’は、例えばQUANTOMIX Ltd等でＳＥＭ用のシャーレとして市販されている。これを用いた場合には、外部からの電圧印加やマニピュレータ等に制限がある。逆に、使用するＳＰＭが真空タイプであれば、容易にカンチレバ２側を真空にし、検出感度を向上させることができる。

この実施の形態によれば、開放型シャーレを使用することで、外部から試料への電圧印加やマニピュレーション等を容易に行なうことができる。また、密閉型シャーレの場合には、汎用機で容易に適用することができる。
（実施の形態３）
実施の形態３はカンチレバ２側を真空にしたものである。図３は本発明の第３の実施の形態例を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態は、カンチレバ側（ＳＰＭ側）を真空排気できるようにしたものである。ＳＰＭ部は真空容器３２内に設置されており、探針２ａを試料６に近づけるためのＺ粗動機構やＸＹステージ機構を備えたスキャナ取付け台３３にＰＺＴスキャナ４が装着されている。

ＰＺＴスキャナ４の上部には光てこ方式のような変位検出系が組み込まれており、同じくＰＺＴスキャナ４に取り付けられているカンチレバ２の変位が検出される。このようなプローブスキャン方式としては、ピエゾ抵抗タイプの自己検出型カンチレバを使用することで、構成が簡素化できる。

試料６が付着している薄膜シャーレ２９の周りには真空シール４５が設けられており、薄膜シャーレ２９の下側は真空に保持できるようになっている。真空容器３２には、真空ポンプ３５が接続されており、容器内を真空排気できるようになっている。３１は試料６の上部に設置された光学顕微鏡である。この光学顕微鏡の機能については後述する。

このように構成された装置において、ＦＭ検出タイプのＳＫＰＭの場合は、ＳＰＭ部を真空排気することで、カンチレバ２のＱ値が非常に大きくなり、力検出感度が向上し、静電気力の検出感度も高くなり、より小さい電位差を画像化することができる。

第３の実施の形態によれば、カンチレバ側を真空にすることで、薄膜表面の水等の吸着層の影響が除去でき、ＳＰＭとしての力の検出感度が向上し、機械的又は電気的又は光学的又は磁気的特性等の信号検出感度も向上する。また、カンチレバ側を真空にすることで、薄膜表面の水等の吸着層の影響が除去でき、薄膜表面での電荷の放電（ディスチャージ）を抑制でき、電気的等の信号検出を正確に行なうことができる。
（実施の形態４）
図４は本発明の第４の実施の形態の要部を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態例は、図では電気回路を示していないが、図１のそれと同じである。図に示す実施の形態は、図１に示す実施の形態に、光学顕微鏡を組み込み、試料の観察位置を光学顕微鏡で観察し、下方からＳＰＭ同定するようにしたものである。図において、３１が光学顕微鏡である。

このように構成された装置において、薄膜隔壁２８（図１参照）は、非常に薄いため、光学的にはほぼ透明であり、生細胞のような半透明の試料の場合、光学顕微鏡３１でカンチレバ２の位置が観察できる。光学顕微鏡３１のフォーカスや観察モード（蛍光、位相差）を変えることにより、観察位置が特定しやすくなり、その位置に探針２ａを移動することができる。薄膜領域が大きく、複数の試料が載っている場合には、図示されていないが、ＸＹステージで位置合わせを行なうことができる。

この実施の形態によれば、試料側に光学顕微鏡を配置することにより、薄膜を隔ててカンチレバやカンチレバ探針が観察できるため、観察位置の位置合わせを容易に行なうことができる。
（実施の形態５）
図５は本発明の第５の実施の形態を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態は、薄膜を隔てて流動体物質、溶液中における薄膜に吸着した物質（試料）をフォースモジュレーション法により、粘弾性ＡＦＭ、ＶＥ−ＡＦＭによる粘弾性測定を行なうようにしたものである。光てこ方式による光検出器３の出力はプリアンプ１４に入り、該プリアンプ１４の出力は、ロックインアンプ２３とエラーアンプ１７に入っている。ロックインアンプ２３には、Ｓｉｇｎａｌ ｉｎとして入っている。

一方、発振器２１の出力は、前記ロックインアンプ２３に基準信号Ｒｅｆとして入り、加算器５０にも入っている。ロックインアンプからは弾性像（Ａｃｏｓθ）と粘性像（Ａｓｉｎθ）が出力される。エラーアンプ１７の出力はフィルタ１８に入り、該フィルタ１８からはＡＦＭ像（トポロジ信号）が出力される。また、フィルタ１８の出力は、前記加算器５０に入っている。フィルタ１８の出力と、発振器２１の出力が加算された該加算器５０の出力はＺピエゾドライバ１９に入り、該Ｚピエゾドライバ１９の出力はＰＺＴスキャナ４に印加されるようになっている。

このように構成された装置において、ＶＥ−ＡＦＭによる薄膜を介した粘弾性測定について開放型シャーレを用いて説明する。ＶＥ−ＡＦＭは探針２ａと試料６間距離を制御するフィードバックが追従しない程度に速い周波数で探針２ａと試料間距離を制御するフィードバックが追従しない程度に速い周波数で探針と試料間距離を振動させ、その振動により変調されるカンチレバの変位（力の変化）を２位相のロックインアンプ２３で検出し、ロックインアンプ２３の出力のＡｃｏｓθ、Ａｓｉｎθがそれぞれ弾性像、粘性像に相当する。

薄膜を介して、ＶＥ−ＡＦＭ測定を行なうことにより、流動体物質や溶液中の薄膜に吸着した試料の粘弾性測定ができる。図はコンタクトＡＦＭにおける粘弾性ＡＦＭ（ＶＥ−ＡＦＭ）を示したものである。発振器２１からのオシレーション信号をＺピエゾドライバ１９の入力信号に重畳し、探針２ａと試料６間距離を振動させる。発振器２１からの周波数にはＺフィードバックが追従しないため、カンチレバ２の変位信号であるプリアンプ１４の出力にその変調信号が現れる。この信号を発振器２１からのオシレーション信号を参照信号としてロックインアンプ２３に入力し、その出力から弾性像（Ａｃｏｓθ）と、粘性像（Ａｓｉｎθ）を得る。

この実施の形態によれば、薄膜を隔てて流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料を粘弾性測定することにより、カンチレバが吸引され、従来は測定ができなかった流動体物質や凹凸が激しく正確に測定できなかった試料においても容易に粘弾性測定を行なうことができる。
（実施の形態６）
実施の形態６は、薄膜を隔てた流動体物質又は溶液中における薄膜に吸着した試料をＳＫＰＭ法で試料側に電極を設けて電位を測定するようにしたものである。装置構成としては、図１に示す構成のものを用いる。即ち、カンチレバ２と試料６、或いは溶液中電極間に電圧を印加して、前記薄膜隔壁２８を介してＳＫＰＭ観察を測定する。

図１に示す構成で、シャーレ固定台３０を接地するのではなく、溶液内、或いは試料に直接電極を設け、接地することにより、溶液の電気伝導度によらず、より確実に探針と試料間に静電気力を生じさせることができる。

この実施の形態によれば、ＳＫＰＭ観察やＦ−Ｖカーブ（周波数シフトの探針−試料間バイアス電圧依存性）測定において、試料側に電極を設けることにより、直接或いは試料により近い位置に電圧印加できるため、探針と試料間への電圧印加が確実となる。
（実施の形態７）
実施の形態７は、薄膜を隔てた流動体物質又は溶液中における薄膜に吸着した試料をＳＫＰＭ法により２ω成分を測定するようにしたものである。具体的には、走査ケルビンプローブフォース顕微鏡観察における２ω成分と力勾配測定の２次の項の係数を求めるようにしたものである。

この実施の形態によれば、ＳＫＰＭ観察やＦ−Ｖカーブ測定において、２ω成分の大きさや２次式の２次の項の係数を検出することにより、試料側の誘電率に相当する情報が得られるため、試料側の誘電率測定、及び流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した物質（試料）の不均一性や吸着層の厚さ情報を得ることができる。
（実施の形態８）
実施の形態８は、薄膜を隔てた流動体物質、溶液中における薄膜に吸着した物質（試料）の電流検出ＡＦＭ法による電流測定を行なうようにしたものである。具体的には、溶液中に電極を設けず、図１の構成の接地の代わりにバイアス電圧をシャーレ固定台３０に印加するようにしたものである。

この実施の形態によれば、薄膜を隔てた流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料に電流を流し、その大きさを画像化することにより、流動体物質や吸着試料の導電性の分布を測定することができる。
（実施の形態９）
実施の形態９は、薄膜を隔てた流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料の電流検出ＡＦＭ法で試料側に電極を設けて電流を測定するようにしたものである。図６は本発明の第９の実施の形態を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態は、細胞内の導電性を画像化するための構成を示したものである。コンタクトモードＡＦＭにおいて、試料６の下面の薄膜隔壁２８（図示せず。図１参照）にカンチレバ２の探針２ａを接触させる。

試料６に電極３６を直接接触させるか、挿入させるか、或いは溶液７中に挿入させ、バイアス電圧源３７からの電圧を印加する。一方、カンチレバ２側には、電流計３８を接続し、試料６と薄膜隔壁２８を介してカンチレバ２に流れ込む電流を検出するようになっている。

このように構成された装置において、コンタクトモードＡＦＭで、力一定モードで薄膜隔壁２８を観察し、同時にカンチレバ２を流れる電流を電流計３８で検出し、観察領域と同領域での試料上の導電性分布が観察できる。また、Ｉ−Ｖ特性（探針に流れる電流の探針−試料間バイアス電圧依存性）を各点で測定することで、更に詳細な電気特性を解析することができる。

この実施の形態によれば、薄膜を隔てて流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料の電流測定において、試料側に電極を設けることにより、直接或いは試料により近い電圧印加できるため、探針−試料間への電圧印加が確実となり、正確な電流測定を行なうことができる。
（実施の形態１０）
実施の形態１０は、薄膜を隔てた流動体物質、又は溶液中における薄膜に吸着した物質のＳＴＭ探針からの電子線照射によるＣＬ（カソードルミネッセンス）を計測するようにしたものである。この実施の形態は、ＡＦＭ或いはＳＴＭにおいて、探針から照射された電子により励起された発光した光を検出するようにしたものである。図７は本発明の第１０の実施の形態の要部を示す構成図である。図６と同一のものは、同一の符号を付して示す。図７はＡＦＭについて適用したものである。ＡＦＭの場合も、導電性カンチレバによるＳＴＭフィードバックが望ましい。

カンチレバ２には、負電圧のバイアス電圧源３４からのバイアス電圧が印加されており、導電性薄膜３９にトンネル電子、或いはフィールドエミッション電子が照射される（電流が逆向きに流れる）。トンネル電流は、電流計３８で検出される。導電性薄膜３９は、薄膜そのものを導電材料で生成するか、上記絶縁薄膜上に導電性膜を形成してもよい。この導電性薄膜３９は、シャーレ固定台３０を介して接地されている。

また、試料上方には、光学顕微鏡３１’（集光系）が取り付けられており、集光された光はフォトマルチプライヤー等の高感度な光検出器４０により検出されて光電変換される。

このような装置において、カンチレバ２から導電性薄膜３９にトンネル電子、或いはフィールドエミッション電子が照射され、電流計３８で検出される電流が一定になるように探針２ａと導電性薄膜３９間距離が制御される。この時の導電性薄膜３９に照射された電子の中のバリスティックな（通り抜ける）電子は導電性薄膜３９を通り抜け、試料６に到達し、試料６内で電子励起の発光が起こった場合、光学顕微鏡３１’で集光され、光検出器４０で検出される。

画像収集と同時に光検出器４０の出力を表示することで、トンネル電子、或いはフィールドエミッション電子励起によるＣＬ（カソードネミネッセンス）像を観察することができる。

また、カンチレバの代わりに、光ファイバタイプのカンチレバ、或いは金属コートした先鋭化されたファイバを用いて、ＡＦＭ或いはＳＴＭ（トンネル電子顕微鏡）フィードバックにより探針試料間距離を維持し、薄膜（ＳＴＭフィードバックの場合は導電性薄膜）を通過できる光をファイバ先端から照射した時の光励起による発光も検出できる。これはＳＮＯＭ（スキャニング．ニアフィールド・オプチカル・マイクロスコープ）と同様な測定が可能となるが、試料表面を直接走査しないので、安定動作となる。また、光検出器４０の前に分光器を入れることにより、スペクトル測定も可能になる。

この実施の形態によれば、薄膜を隔てて流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した物質に低エネルギーの電子を照射することにより、試料固有のＣＬが起こり、流動体物質や吸着試料内の特定試料の分布を観察することができる。また、分光することにより、組成分析等の化学分析が可能となる。
（実施の形態１１）
実施の形態１１は薄膜を隔てた流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した物質（試料）のＳＮＯＭ法による光学特性測定を行なうようにしたものである。図８は本発明の第１１の実施の形態を示す構成図である。図７と同一のものは、同一の符号を付して示す。図８に示す装置は、ＳＮＯＭ（走査近接場光学顕微鏡）による薄膜を介した光学像観察について開放型シャーレを用いて説明する。

ＳＮＯＭには光の検出方法や光学系の構成によりいくつか種類があるが、ここではファイバを用いた透過モードについて説明する。ファイバ４３に図示されていないレーザ光源からレーザ光が導入されており、そのファイバ先端は光路を狭めるための先鋭化処理がされている。

先鋭化されたファイバ４３先端からは、波長により小さい開口部から近接場光が染み出しており、波長より十分薄い薄膜を介して試料に近接場光が照射される。この近接場光は、試料６内で光学的な相互作用を受け、上方に散乱し、光学顕微鏡（集光系）３１’により検出される。この光強度を凹凸像と同時に画像化することで、ＳＮＯＭ像（光学像が）が得られる。

凹凸像は、加振用ＰＺＴ１２によりファイバ４３を共振振動させ、その振動振幅を側面にレーザダイオード１からレーザ光を照射し、光検出器３でその振動を検出するシェアーフォーカス方式でその振幅が一定になるようにファイバ４３−探針２ａ−試料６間距離が制御され、凹凸像が得られる。

この実施の形態によれば、薄膜を隔てて、流動体物質や溶液中における薄膜に吸着した試料をＳＮＯＭ観察することにより、流動体物質や吸着試料内の局所的な光学的特性（透過率や反射率等）を観察することができる。
（実施の形態１２）
この実施の形態は、薄膜を隔てた流動体物質（磁性流体）又は溶液中における薄膜に吸着した磁性物質（磁性試料）のＭＦＭ法により磁気特性を測定するようにしたものである。図９は本発明の第１２の実施の形態を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。ここでは、ＭＦＭ（磁気力顕微鏡）による薄膜を介した磁気像観察について、開放型シャーレを用いた場合について説明する。ＭＦＭとしては、一般的なＡＣモードＡＦＭと同じである。

図において、４４はプリアンプ１４の出力を受けて光検出器３の出力を直流電圧に変換するＲＭＳ・ＤＣ変換器、５６はプリアンプ１４の出力と発振器２１の出力を受けて双方の位相を比較する位相比較器である。

１７はＲＭＳ・ＤＣ変換器４４の出力と基準電圧Ｒｅｆとを受けてその差分信号を出力するエラーアンプである。１８は該エラーアンプ１７の出力を受けるフィルタ、１９は該フィルタ１８の出力を受けてＰＺＴスキャナ４を駆動するＺピエゾドライバである。前記位相比較器５６からは磁気像（位相像）が得られ、フィルタ１８からはＡＦＭ像が得られる。

このように構成された装置において、加振用ＰＺＴ１２にカンチレバ２の共振周波数或いはその付近の周波数の発振信号を発振器２１から入力し、カンチレバ２を共振周波数或いはその付近の周波数で振動させ、ＲＭＳ・ＤＣ変換器４４で振幅信号（直流）に変換する。その振幅がＲｅｆ．Ｖで設定された一定値になるように探針２ａと試料６間距離がフィードバック制御される。つまり、エラーアンプ１７でＲＭＳ・ＤＣ変換器４４の出力とＲｅｆ．Ｖとが一定の関係になるように、ＰＺＴスキャナ４がＺピエゾドライバ１９で駆動される。

磁気力信号は、上述のフィードバックをホールドし、探針２ａと試料６間距離を数１０ｎｍ離した状態で発振器２１の発振信号と、カンチレバ２の振動信号とを位相比較器（Ｐｈａｓｅ Ｃｏｍｐ）４５に入力して、位相信号を検出する。この位相信号が磁気力信号（磁気像）に相当する。

一般的には、ライン凹凸像を収集したあと、フィードバックを切り、同じラインを凹凸像観察時の位置より設定された距離（数１０ｎｍ）リフトアップした（試料から離した）位置を走査した時の位相像を１ライン得る。これとを１画面分行なうことで、ＭＦＭ像が得られる。

この実施の形態によれば、薄膜を隔てた流動体物質又は溶液中における薄膜に吸着した磁性物質をＭＦＭ観察することにより、従来観察できなかった流動体物質や吸着試料内の局所的な磁気力分布を観察することができる。
（実施の形態１３）
この実施の形態は、薄膜を隔てた流動体物質又は、溶液中における薄膜に吸着した試料を冷却し、凝固性或いは粘性を大きくして、電荷や磁性特性を動きにくくしたものである。図１０は本発明の第１３の実施の形態を示す構成図である。図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２９’は密閉型薄膜シャーレであり、その中には溶液７と試料６が入っている。試料６は薄膜に密着しており、この薄膜を介してカンチレバ２の探針２ａと対向するようになっている。

４はスキャナ、４８は該スキャナ４の上に設けられた断熱材、４９は該断熱材４８の上に設けられた冷却試料台であり、この冷却試料台４９に試料ホルダ５が取り付けられている。そして、該試料ホルダ５の上に密閉型薄膜シャーレ２９’が装着される構成となっている。５５は冷却試料台４９と密着して取り付けられたヒートコンダクタ（熱伝導体）である。

このように構成された装置において、密閉型薄膜シャーレ２９’は、試料ホルダ５に装着されており、該試料ホルダ５は断熱材４８に取り付けられた冷却試料台４９に装着されている。冷却試料台４９はヒートコンダクタ５５により、図示されていない冷却タンクや冷凍機に接続されており、冷却される。カンチレバ２側は、霜の発生を防ぐため、真空或いは乾燥ガス中での観察が望ましい。

この実施の形態によれば、試料冷却機能を付加することにより、薄膜を隔てた流動体物質又は溶液中における薄膜に吸着した試料が冷却でき、凝固或いは粘性を大きくすることにより、電荷や磁性特性を固定でき、電荷分布や磁気力分布の分解能を向上することができる。

以上説明した本発明の効果を列挙すれば、以下の通りである。
１）薄膜を介して溶液中の試料を観察するので、試料の凹凸の影響を受けず、安定した電気／機械的特性の情報を観察することができる。
２）薄膜を介して溶液中の試料を観察するので、カンチレバは大気や真空環境に置くことができ、溶液中の生細胞の局所的な電位分布／変化を高分解能で観察／測定することができる。
３）溶液中にカンチレバを浸さないので、探針に電圧印加が従来通りの方法で実施することができ、電位や電流測定を容易に行なうことができる。

本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。 本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。 本発明の第４の実施の形態を示す構成図である。 本発明の第５の実施の形態の要部を示す構成図である。 本発明の第９の実施の形態を示す構成図である。 本発明の第１０の実施の形態を示す構成図である。 本発明の第１１の実施の形態を示す構成図である。 本発明の第１２の実施の形態を示す構成図である。 本発明の第１３の実施の形態を示す構成図である。 走査プローブ顕微鏡の従来構成例を示す図である。 ＦＭ検出方式のＳＫＰＭの構成例を示す図である。

符号の説明

１ レーザダイオード（ＬＤ）
２ カンチレバ
２ａ 探針
３ 光検出器
４ ＰＺＴスキャナ
６ 試料
７ 溶液
９ カンチレバ載せ台
１２ 加振用ＰＺＴ
１４ プリアンプ
１５ アンプ調整回路
１６ ＦＭ復調器
１７ エラーアンプ１
１８ フィルタ
１９ Ｚピエゾドライバ
２１ 発振器
２２ エラーアンプ２
２３ ロックインアンプ
２７ 薄膜形成基板
２８ 薄膜隔壁
２９ 薄膜シャーレ
３０ シャーレ固定台

Claims (13)

1. 探針を先端に有し、該探針が試料の表面に近接配置されるカンチレバと、前記試料と前記探針とを相対的にＸ，Ｙスキャンするスキャン手段と、前記試料と前記探針との距離を相対的に変化させるＺ動駆動手段とを備え、前記カンチレバと前記試料との間に薄膜を配置し、該薄膜を隔て前記試料の特性を得るようにした走査プローブ顕微鏡であって、
   前記薄膜で構成された開放型の或いは密閉型のシャーレを設け、該シャーレの中に流動体物質又は溶液と共に前記薄膜に吸着した前記試料を配置したことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
2. 前記試料の特性は、機械的又は電気的又は光学的又は磁気的又は表面形状のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
3. 前記カンチレバ側を真空にしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の走査プローブ顕微鏡。
4. 前記試料が透明の場合、前記薄膜を底面とするシャーレに前記試料を配置し、前記試料側に光学顕微鏡を配置して、前記試料に対する探針或いはカンチレバ位置の確認を行えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。
5. 前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着した前記試料のフォースモジュレーションを行なうことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
6. 前記カンチレバと前記試料、或いは溶液中電極間に電圧を印加して前記薄膜を介して走査ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＳＫＰＭ）観察像を測定するようにしたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。
7. 前記走査ケルビンプローブフォース顕微鏡観察における２ω成分と探針−試料間バイアス電圧依存の力勾配（Ｆ−Ｖカーブ）測定の２次の項の係数を求めるようにしたことを特徴とする請求項６記載の走査プローブ顕微鏡。
8. 前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着した前記試料の電流を電流検出ＡＦＭ法で測定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
9. 前記カンチレバと前記試料、或いは溶液中電極間に電圧を印加して前記薄膜を介してコンタクトＡＦＭ観察を行ない、探針或いは試料側電極に流れる電流を検出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。
10. 前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着した前記試料のＳＴＭ探針からの電子線照射によるカソードネミネッセンス計測を行なうようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
11. 前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に密着した前記試料のＳＮＯＭ法による光学特性測定を行なうようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
12. 前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着された前記試料のＭＦＭ法による磁気特性を測定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
13. 前記薄膜を隔てて、流動体物質又は溶液中における前記薄膜に吸着した前記試料を冷却し、凝固或いは粘性を大きくすることにより、電荷や磁性特性を動きにくくしたことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。

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