JP5306015B2 - 走査型プローブ顕微鏡用プローブ及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に用いられるプローブに関し、特に複数のプローブを備えたいわゆる走査型マルチプローブ顕微鏡（ＭＰＳＰＭ）に好適に用いられるプローブに関するものである。

従来、走査型プローブ顕微鏡に用いられるプローブとしては、特許文献１又は特許文献２に示すように、チューニングフォーク（音叉型振動子）を用いたプローブが考えられている。これらのチューニングフォークを用いたプローブは、チューニングフォークのアーム部に平行又は垂直に探針部が設けられ、試料走査時において、探針部の先端が試料表面に対して略垂直となるように構成されている。

しかしながら、このようなプローブを走査型マルチプローブ顕微鏡（ＭＰＳＰＭ）に用いた場合には、探針部の先端を近づける際に、探針部の先端以外の部分又はチューニングフォーク等の探針部以外の可動部材が接触する等して、探針部の先端を例えば数ｎｍ以下に近づけるといったことができないという問題がある。

特開２００４−２３９６７７号公報 特開２００７−１２０９７５号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、複数のプローブを用いた場合において探針部の先端を可及的に近づけることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用プローブは、音叉型振動子と、前記音叉型振動子の一方のアーム部の側面全体が固定されるとともに、前記音叉型振動子を支持する支持体と、前記音叉型振動子の他方のアーム部の側面に固定されるとともに、先端が先鋭化された探針部とを有し、前記探針部が、前記他方のアーム部の延伸方向に対して前記音叉型振動子の外側に傾斜して固定され、前記探針部の先端が、前記２つのアーム部の先端よりも前方に設けられていることを特徴とする。

このようなものであれば、探針部の先端が他の部分よりも外側に位置することになるので、複数のプローブを用いた場合において、探針部の先端を可及的に近づけることができる。

探針部の構成を簡単にするとともに、探針部の先端を近づけやすくするためには、前記探針部が、略直線形状をなすものであることが望ましい。

さらに、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料が載置される試料ステージと、前記試料ステージに載置された試料に対向して設けられ、音叉型振動子、前記音叉型振動子の一方のアーム部の側面全体が固定されるとともに、前記音叉型振動子を支持する支持体、及び前記音叉型振動子の他方のアーム部の側面に固定されるとともに、先端が先鋭化された探針部を有する複数のプローブと、前記試料及び前記探針部間に作用する物理量を測定する物理量測定部と、を備え、前記複数のプローブの少なくとも１つにおいて、前記探針部が、前記他方のアーム部の延伸方向に対して前記音叉型振動子の外側に傾斜して固定され、前記探針部の先端が、前記２つのアーム部の先端よりも前方に設けられていることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、複数のプローブを用いた場合において探針部の先端を可及的に近づけることができる。

本発明の第１実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成図である。 同実施形態のプローブの構成を模式的に示す側面図である。 ４つのプローブの探針部先端を近接させた状態を示す平面図である。 同実施形態のプローブの下方から見た斜視図である。 同実施形態のプローブの側面図である。 第２実施形態に係るプローブの底面図である。

＜第１実施形態＞
以下に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の第１実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００は、図１に示すように、試料Ｓが載置され、ＸＹ方向に移動可能である試料ステージ２と、当該試料ステージ２に載置された試料Ｓに対向して設けられ、振動子３３及び当該振動子３３に固定された探針部３４を有する複数のプローブ３（図２参照）と、試料ステージ２をＸＹ方向に移動させるステージ移動機構４と、各プローブ３毎に設けられ、プローブ３を試料Ｓの表面に平行なＸＹ方向及び垂直なＺ方向に移動させるプローブ移動機構５と、プローブ３の振動子３３をその固有振動数（共振周波数）で共振させる交流電源（不図示）と、振動子３３の振動振幅又は振動周波数のシフト量を電圧に変換して出力するシフト量検出部（物理量検出部）６と、前記各移動機構４、５を制御するとともにシフト量検出部６からの電圧信号を受け付けて試料Ｓの表面画像を生成する情報処理装置７と、を備えている。

まず、プローブ３以外の構成について簡単に説明する。
ステージ移動機構４及びプローブ移動機構５は、ピエゾ微動素子を用いて構成され、情報処理装置７により印加される電圧値が制御されることにより試料ステージ２及び各プローブ３を移動させる。

シフト量検出部６は、探針部３４又は試料ステージ２をＸＹ方向に移動したときに、試料Ｓの表面と各探針部３４との相互作用により生じる物理量として、振動子３３の振動振幅又は振動周波数のシフト量を検出するものである。

情報処理装置７７は、ＣＰＵ、メモリ、入出力チャンネル、キーボード等の入力手段、ディスプレイ等を備えた汎用乃至専用のものであり、入出力チャンネルにはＡ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、増幅器（図示しない）などのアナログ−デジタル変換回路が接続されている。

そして、ＣＰＵ及びその周辺機器が、前記メモリの所定領域に格納されたプログラムに従って協働動作することにより、この情報処理装置７は、ステージ移動機構４及びプローブ移動機構５などを制御するとともに、表面画像を生成等する。

次に、プローブ３について説明する。
プローブ３は、図２に示すように、プローブ移動機構５に装着される取付支柱３１と、当該取付支柱３１の先端部に設けられる支持体３２と、この支持体３２に固定される振動子３３と、振動子３３に固定される探針部３４と、を備えている。

取付支柱３１は、試料Ｓの表面に対して傾斜するようにプローブ移動機構５に取り付けられる。これによって、各プローブ移動機構５を可及的に離しながらも、プローブ３同士を近づける構成としている。つまり、プローブ３同士を近接させた場合に各プローブ移動機構５が互いに接触することを防止している。

支持体３２は、充分な絶縁膜を持つ導体又は半導体が好ましく、例えば、概略矩形形状をなす板状部材より成っている。そして、支持体３２の上面３２ａ後ろ側から斜め上方に取付支柱３１が延設されている。これにより、プローブ３をプローブ移動機構５に取り付けた状態において、支持体３２の下面３２ｂが試料表面に対して略平行となるように設けられる。

振動子３３は、水晶振動子により構成されたチューニングフォーク（音叉型振動子）であり、その一方のアーム部３３１の外面が支持体３２の下面３２ｂに長手方向に沿って接着剤などにより固定される。つまり、振動子３３の一方のアーム部３３１が上方、他方のアーム部３３２が下方に位置するように試料表面に対して略平行に支持板３２の下面３２ｂに固定される。なお、振動子３３に設けられた電極からの配線３５は、支持体３２の側面に手作業で塗布された銀ペースト等の導電性接着剤３６を介して外部に取り出している。

探針部３４は、タングステン（Ｗ）又は白金イリジウム（Ｐｔ−Ｉｒ）等から形成された略直線形状をなすものであり、振動子３３の他方のアーム部３３２の下面又は側面に固定されている。その長さは２ｍｍ以上であり、好ましくは例えば２〜５ｍｍである。また、探針部３４は、その先端３４Ａが化学エッチング及び機械研磨により先鋭化されている。より詳細には、探針部３４は、先端に行くに従って漸次縮径する形状をなし、その断面中心線３４Ｃが略直線となる形状である。

しかして、本実施形態の全てのプローブ３は、試料Ｓに対向して配置された状態において、探針部３４の先端３４Ａが、試料表面に対して傾斜して設けられるとともに、振動子３３及び支持体３２よりも試料表面の面方向外側に設けられ、試料表面に略垂直な上方から視認可能であることを特徴とする。

つまり、探針部３４は、振動子３３の他方のアーム部３３２（試料表面に対して略平行に延設されている。）の下面において、当該アーム部３３２の延伸方向に対して振動子３３の外側に傾斜して（具体的には外側に３０度傾斜させて）固定されている。このとき、探針部３４の断面中心線３４Ｃが試料表面の法線方向に対して６０度傾斜するように設けられる。なお、傾斜角度はこれらに限られない。

また、探針部３４の先端３４Ａは、振動子３３及び支持体３２の試料表面に対する鉛直投影範囲外に位置するようにしている。具体的には、探針部３４の先端３４Ａは、振動子３３及び支持体３２の先端よりも前方に設けられることにより、試料表面に略垂直な上方又は下方から視認可能に構成されている。つまり、探針部３４の先端３４Ａの上部空間又は下部空間には、探針部３４における先端以外の部分及びその他の可動部材が存在しないように構成している。より詳細には、探針部３４の先端３４Ａは、振動子３３及び支持体３２の外接円よりも外側に位置するように構成されている。

このような構成によって、２以上のプローブ３を接近させる際に、探針部３４の先端３４Ａが接触する前に、その他の部材が接触することがないようにしている。本実施形態の４つのプローブ３は、図３に示すように、隣接するプローブ同士が９０度ずつ回転して設けられているが、４つのプローブ３の探針部３４の先端３４Ａをそれぞれ接触させたとしても、探針部３４の先端３４Ａ以外の部分が接触しない。

このように構成した本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００によれば、複数のプローブ３を用いた場合において、探針部３４の先端３４Ａ以外の部分又はその他の部材が接触する前に探針部３４の先端３４Ａ同士を接触させることができるので、探針部３４の先端３４Ａを可及的に近づけることができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記実施形態に対応する部材には、同一の符号を付している。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００は、前記第１実施形態とはプローブ３の基本構成が異なる。つまり、前記実施形態のプローブ３の基本構成では、振動子３３の接着が不安定となり易く、安定供給が難しいという問題がある。その結果、振動子３３において安定した共振が得にくい。また、配線３５を行う際に銀ペースト３６を手作業により塗布しているので、加工精度にばらつきが生じてしまい、さらに銀ペースト３６の粘性等の調整も煩雑であるという問題がある。

本実施形態のプローブ３は、このような問題を解決するためになされたものであり、図４及び図５に示すように、２本のリードピン３７が上面３２ａから下面３２ｂにかけて貫通して設けられた支持体３２と、この支持体３２の側面３２ｃに固定される振動子３３と、この振動子３３に固定される探針部３４とを備えている。なお、探針部３４の構成及び具体的な配置態様は、前記実施形態と同様である。

支持体３２は、例えばコバール（鉄にニッケル、コバルトを配合した合金）やステンレス鋼等から形成されたものであり、上下方向に沿って概略等断面形状をなすものである。なお、図４及び図６において、支持体３２は、長手方向両端部が半円形状をなす断面形状であるが、これに限られず、例えば矩形状をなすものであっても良い。また、長手方向に沿った側面３２ｃの一方は、振動子３３が固定される固定平面としての役割を果たす。

また、支持体３２には、２つのリードピン３７がそれぞれ挿入される貫通孔３２ｈが上下方向に沿って形成されている。図５等において貫通孔３２ｈは長手方向に沿って設けられているが、これに限られない。この貫通孔３２ｈに挿入されたリードピン３７は、ガラス封止により固定される。このように支持体３２に固定されたリードピン３７は、支持体３２をプローブ移動機構５に取り付けるための取付支柱としても用いられる。そして、このリードピン３７は、支持体３２の上面側において、探針部３４が設けられている方向とは反対方向に湾曲している。これにより、複数の探針部３４の先端３４Ａをそれぞれ接触させたとしても、プローブ移動機構５が互いに干渉しないようにしている。なお、リードピン３７を取付支柱として用いることなく、前記実施形態と同様に別途取付支柱を設ける構成としても良い。

振動子３３は、前記実施形態同様チューニングフォーク（音叉型振動子）であり、支持体３２の側面３２ｃに一方のアーム部３３１が例えばエポキシ系の接着剤等により固定される。具体的に振動子３３は、一方又は他方のアーム部３３１、３３２が支持体下面３２ｂの平面方向に沿うように固定されるとともに、その一方のアーム部３３１の側面全体が側面３２ｃに接着剤により固定される。この一方のアーム部３３１が固定された状態において、振動子３３は、側面３２ｃに沿って設けられるとともに、他方のアーム部３３２は、支持体３２の下面３２ｂよりも外側に延出して設けられることになる。

このように構成されたプローブ３において、振動子３３に設けられた電極とリードピン３７との配線は、ワイヤボンディング装置により行う。つまり、配線のされていないプローブ３を、その振動子３３の電極が形成された側面が、ワイヤを繰り出すキャピラリに対向するように上向きにワイヤボンディング装置内に配置する。なお、このとき、リードピン３７はほぼ水平方向に延びるように配置されることになる。その結果、振動子３３に設けられた電極と、リードピン３７の上端部側面とがＡｕワイヤ３５により電気的に接続される。

このように構成した本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡１００によれば、前記実施形態のプローブ３に比べて、一方のアーム部３３１の側面全体を支持体３２の側面３２ｃに固定しているので、振動子３３の接着を安定させることができ、安定供給が可能となる。したがって、プローブ３の振動子３３において安定した共振を得ることができる。また、外部への配線をリードピン３７を用いて行うとともに、当該リードピン３７と振動子３３との金ワイヤ３５の配線をワイヤボンディング装置を用いて行うこともできる。この場合、自動で配線を行うことができ、加工精度のばらつきを抑えることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、複数のプローブ全てにおいて、探針部の先端が、試料表面に対して傾斜して設けられるとともに、振動子及び支持体よりも試料表面の面方向外側に設けられ、試料表面に略垂直な上方から視認可能としているが、少なくとも１つのプローブが上記構成であれば、従来に比べて探針部の先端同士を近づけることができるという効果を奏する。

また、探針部の形状としては、略直線形状をなすものの他、屈曲又は湾曲したものであっても良い。このとき、探針部の先端の断面中心線が、試料表面の法線方向に対して傾斜するように構成すれば良い。

さらに、前記実施形態の振動子としては、音叉型振動子の他に、圧電素子を用いたものであっても良い。

また、取付支柱と支持体は一体として構成されていても良く、一部に充分な絶縁膜（体）を持つ導体又は半導体であれば良い。

その上、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、トンネル電流である走査型トンネル電流顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）、近接場光を検出する近接場光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、磁力を検出する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、摩擦力を検出する摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）、超音波を検出する走査型近接場超音波顕微鏡（ＳＮＡＭ）、イオン伝導を検出する走査型イオン顕微鏡（ＳＩＣＭ）等であっても良い。

加えて、前記実施形態では、プローブが４つであったが、２又は３つであっても良いし、５以上であっても良い。

さらに、前記実施形態の探針部を光ファイバにより構成し、ラマン分光分析装置として構成しても良い。

その他、前記実施形態の探針部の先端に光を当てて、探針部先端でのラマン光補強の効果を得る場合に、試料表面に対して略垂直に設けるよりも前方に突き出ている方が、光路を考える上で構成を簡単にすることができる。このように用いる場合には、１つのプローブでも効果を奏する。

さらに加えて、前記実施形態では、振動子をそれらのアーム部が上下に位置するように設けられているが、左右に位置するように設けても良い。また、アーム部が試料表面側に延設されるようにしても良い。さらに、アーム部が試料表面に対して傾斜して延設されるようにしても良い。

また、前記実施形態では、試料表面が鉛直上向きとなるように配置され、プローブが試料表面の鉛直上方に設けられる構成であったが、その他、試料表面が鉛直下向きとなるように配置され、プローブが試料表面の鉛直下方に設けられる構成しても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・走査型プローブ顕微鏡
Ｓ ・・・試料
２ ・・・試料ステージ
３ ・・・プローブ
３３ ・・・振動子
３４ ・・・探針部
３４Ａ・・・先端
６ ・・・物理量測定部（シフト量検出部）

Claims (3)

1. 音叉型振動子と、
   前記音叉型振動子の一方のアーム部の側面全体が固定されるとともに、前記音叉型振動子を支持する支持体と、
   前記音叉型振動子の他方のアーム部の側面に固定されるとともに、先端が先鋭化された探針部とを有し、
   前記探針部が、前記他方のアーム部の延伸方向に対して前記音叉型振動子の外側に傾斜して固定され、前記探針部の先端が、前記２つのアーム部の先端よりも前方に設けられている走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
2. 前記探針部が、略直線形状をなすものである請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
3. 試料が載置される試料ステージと、
   前記試料ステージに載置された試料に対向して設けられ、音叉型振動子、前記音叉型振動子の一方のアーム部の側面全体が固定されるとともに、前記音叉型振動子を支持する支持体、及び前記音叉型振動子の他方のアーム部の側面に固定されるとともに、先端が先鋭化された探針部を有する複数のプローブと、
   前記試料及び前記探針部間に作用する物理量を測定する物理量測定部と、を備え、
   前記複数のプローブの少なくとも１つにおいて、前記探針部が、前記他方のアーム部の延伸方向に対して前記音叉型振動子の外側に傾斜して固定され、前記探針部の先端が、前記２つのアーム部の先端よりも前方に設けられている走査型プローブ顕微鏡。