JPH11142421A - カンチレバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レバー部に支持された探針に加わるレバー部延
出方向の力の正確な検出を可能にするカンチレバーを提
供する。 【解決手段】カンチレバー１０は、支持部１８から延出
した反り変形し得る外側レバー部１１と、その内側に位
置する、同じく支持部１８から延出した内側レバー部１
２を有している。外側レバー部１１は、その先端に探針
１３が設けられており、先端近くには、内側に向かって
等間隔で櫛状に延出した複数の棒１４を有し、棒１４と
支持部１８の間には、レバー部延出方向に伸縮し得るＶ
字形状のバネ部１７を有している。また、内側レバー部
１２は、外側レバー部１１の棒１４に対応して、外側に
向かって等間隔で櫛状に延出した複数の棒１５を有して
いる。棒１４と棒１５は等しいピッチを有し、両者は交
互に並んで位置し、バネ部１７の伸縮に応じてピッチが
変化するグレーティング１６を構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡用のカンチレバーに関する。加えて、本発明は、細
胞や超微粒子等の小さな物体の基板への付着状態を測定
する付着力測定装置で用いられる触針に関する。本発
明、垂直壁を画像化する新しい走査型プローブ顕微鏡法
に用いられるカンチレバーに関する。

【０００２】

【従来の技術】BinnigとRohrerらにより発明された走査
型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）におけるサーボ技術を始め
とする要素技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定し難い
絶縁性の試料を原子オーダーの精度で観察することので
きる顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が提案され
ている。

【０００３】ＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走
査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして位置づけら
れる。ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を
持つカンチレバーを試料に対向させて近接させ、探針の
先端の原子と試料の表面の原子との間に働く相互作用力
（原子間力や接触力等）により変位するカンチレバーの
動きを電気的あるいは光学的にとらえて測定しつつ、試
料あるいはカンチレバーをＸＹ方向に走査し、カンチレ
バーの探針部と試料の位置関係を相対的に変化させるこ
とによって、試料の凹凸情報などを三次元的にとらえる
ことができる。

【０００４】このようなＳＰＭに用いられるカンチレバ
ーは、Thomas R. AlbrechtとCalvinF. Quate による
「原子間力顕微鏡による非導電体の原子的解像度の画像
形成」に記載されているように、半導体ＩＣ製造プロセ
スを応用して作製されるＳｉＯ2 カンチレバーが提案さ
れて以来、ミクロンオーダーの高精度で非常に再現性良
く作製できると共に、バッチプロセスを用いることによ
りコスト的にも優れているとの理由から、このＩＣ製造
プロセスを応用して作製したものが主流となっている。

【０００５】また、Yves Martin やH. Kumar Wickramas
inghe はApply. Phys. Lett. Vol.64 No.19(1994) pp.2
498-2500において垂直壁を画像化する新しい走査型プロ
ーブ顕微鏡を提案している。これに関する特許として日
本国特許第２５０１２８２号がある。このような走査型
プローブ顕微鏡を用いれば、垂直壁部分を含めた測定試
料の形状を三次元的に正確に測定することができ、垂直
壁部分を測定することが出来ない特開昭６２−１３０３
０２号などに開示されている従来のＡＦＭと比較したと
きの大きな利点である。このような試料の垂直壁の測定
を可能にしているのは、次に述べるように、ブーツ型形
状をした探針を使い、そのフレアー部分と試料表面との
間隔が一定になるように探針位置を制御していることに
よっている。このような探針の作製法については特開平
３−１０４１３６号に開示されている。

【０００６】なお同論文では、探針と試料間の距離を一
定に保って走査を行なうため引力検出モードＡＦＭを応
用した測定方法を採用しており、カンチレバーを振幅１
ｎｍで振動させると同時に試料を横方向（Ｘ方向）に振
動させて、探針が試料に近づいたときのカンチレバーの
振動状態の変化を検出して、側壁の面荒れの状態をコン
ピューター等の画像処理装置で三次元画像化している。
さらにその情報からパターン間隔などを測定できるとし
ている。

【０００７】また、細胞などの微小体の基板への付着力
を測定する付着力測定装置が特開平９−１４５７２５号
に提案されている。その構成を図１２に示す。Ｌ字型の
カンチレバー１２８は、その先端に触針１２８ａを有
し、面法線方向のみならず、触針の試料面方向にも変位
し得る。触針１２８ａが試料に横方向から押し付けられ
たとき、その試料が試料基板へ付着している力の反作用
によりＬ字型のカンチレバーが横方向に変位する。そし
て、この横方向の変位量を変位計１３２で測定すること
により、Ｌ字型のカンチレバーの横方向の変位に対する
バネ定数からフックの法則を用いて付着力が求められ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特開平９−１４５７２
５号の装置においては、触針１２８ａにより微小体１２
６を押したとき、触針１２８ａが横方向に変位できるよ
うにＬ字型のカンチレバー１２８を採用しているが、力
を受けたカンチレバー１２８は平行に動くだけでなく、
反る動作も同時に起こり、これが測定誤差の要因となっ
ている。

【０００９】また、Ｌ字型のカンチレバーを作製するに
は、金属製の板バネを直角に折り曲げることにより簡単
に作製できる。この場合、垂直になっている板バネ１２
８ｃが微小な力に対して敏感に変位するようにさせるに
は、柔らかくする必要があるが、柔らかく剛性の低い構
造体は、一般に共振周波数が低く、外部振動ノイズに対
して弱い。そのような構造体を微小体の付着力測定装置
に取り付けて測定を行なった場合、Ｓ／Ｎがあまり上が
らないという不具合が生じる。微弱な変位や力を問題に
する装置においては、Ｓ／Ｎ向上のための工夫が不可欠
であり、微小体の小さな付着力を測定するそのような装
置においては、外部振動に強い構造とすることが求めら
れている。

【００１０】さらに、Ｌ字型のカンチレバーの剛性を高
めるためには小型化することが有効である。しかしなが
ら、その場合にはカンチレバーの小型化に応じて変位検
出のための検出機構も小型化しなければ、限られた空間
にそのような機構を収めることが出来ない。検出機構を
含めた小型化が課題となっている。

【００１１】同様に、R. J. Warmack らの論文（R. J.
Warmack, X.-Y. Zheng, T. Thundatand D. P. Allison,
"Friction effects in the deflection of atomic for
cemicroscope cantilevers", Rev. Sci. Instrum., Vo
l.65, (1994) pp.394-399）に示されるように原子間力
顕微鏡においても、カンチレバーの走査による探針先端
と試料表面の摩擦に起因してカンチレバーの反り変形を
起こしている。このため、本来、表面形状に応答した探
針の変位の変化に起因したカンチレバーの反り変形に、
カンチレバーの走査による探針先端と試料表面の摩擦に
よる変形も加わっている。このことから、ＡＦＭ測定に
より出力された凹凸像には探針先端と試料表面の摩擦の
影響が加わり、正確な表面形状が検出されないといった
影響がでていた。

【００１２】また、Yves Martin らのApply. Phys. Let
t. Vol.64 No.19 (1994) pp.2498-2500 、特許第２５０
１２８２号、特開平６−１９４１５４号やVirgil Eling
s らの特開平７−２７０４３４号に記載の垂直壁を画像
化する走査型プローブ顕微鏡法においては、いずれの方
法においてもカンチレバーのねじれ変形と反り変形から
垂直壁や溝の二次元輪郭描写しかできなかった。

【００１３】上述した問題は、ＡＦＭを中心に前述のよ
うな測定装置に用いられる従来のカンチレバーが支持部
から延出した片持ち梁であり、探針に加わった力による
その変形が反り変形とねじれ変形の二種類しかなく、レ
バー部延出方向の力に対しては、既に試料表面の形状を
表したり、探針と試料間の距離を示す反り変形に重なっ
てしまうことに起因している。

【００１４】従って、本発明の主な目的は、探針の当て
付けもしくはレバー部延出方向の力に対してレバー部が
反らず、かつ、レバー部延出方向の力が検出可能なカン
チレバーを提供することである。

【００１５】本発明の別の目的は、探針と試料との間に
働く力を独立した三種類の力として検出し、これらを独
立した三つの画像もしくは三次元画像として表示するこ
とを可能にするカンチレバーを提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のカンチレバー
は、支持部と、支持部から延出した反り変形し得るレバ
ー部とを有するカンチレバーであり、レバー部はその延
出方向に伸縮し得るバネ部を含み、バネ部の伸縮に応じ
てピッチが変化するグレーティングを有している。

【００１７】また、本発明の別のカンチレバーは、支持
部と、支持部から延出した反り変形し得るレバー部とを
有し、レバー部が、その延出方向に伸縮し得るバネ部
と、バネ部の伸縮に応じてピッチが変化するグレーティ
ングを含んでいる。

【００１８】このカンチレバーにおいて、グレーティン
グは、例えば、レバー部の延出方向を中心に左右対称な
ジグザグ形状のバネ部と、ジグザグ形状のバネ部の頂点
を結ぶ複数の棒によって構成されている。

【００１９】このようなカンチレバーにおいて、レバー
部の伸縮は、グレーティングに光を照射し、この光照射
により発生する１次以上の反射回折光の射出方向の変化
を調べることにより求められる。また、レバー部の反り
変形は、前述の光照射により発生する０次反射回折光の
反射方向の変化を調べることにより求められる。さら
に、レバー部のねじれも０次反射回折光の反射方向の変
化を調べることにより求められる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。図１は、第一の実施の
形態のカンチレバーの全体の形状を示しており、図２
は、このカンチレバーの断面形状を模式的に示してい
る。

【００２１】図１に示すように、このカンチレバー１０
は、支持部１８と、そこから延出した反り変形し得る外
側レバー部１１を有し、さらに、外側レバー部１１の内
側に位置する、支持部１８から延出した内側レバー部１
２を有している。

【００２２】外側レバー部１１は、その先端に探針１３
が設けられており、先端近くには、内側に向かって等間
隔で櫛状に延出した複数の棒１４を有し、棒１４と支持
部１８の間に、レバー部延出方向に伸縮し得るＶ字形状
のバネ部１７を有している。

【００２３】また、内側レバー部１２は、外側レバー部
１１の棒１４に対応して、外側に向かって等間隔で櫛状
に延出した複数の棒１５を有している。外側レバー部１
１の棒１４と内側レバー部１２の棒１５は等しいピッチ
を有し、両者は交互に並んで位置している。この棒１４
と棒１５は、バネ部１７の伸縮に応じてピッチが変化す
るグレーティング１６を構成している。

【００２４】探針１３にレバー部延出方向の力が加わる
と、Ｖ字状のバネ部１７がレバー部延出方向に伸縮し、
外側レバー部１１がレバー部延出方向に移動する。この
ため、図２に示すように、探針１３に加えられた力に対
応して、外側レバー部１１の棒１４が平行移動する。内
側レバー部１２の棒１５は移動しないため、棒１４と棒
１５の間隔が変化する。

【００２５】グレーティング１６にレバー部延出方向に
対して傾斜した方向から光を入射させると、正反射する
０次反射回折光が発生すると共にグレーティング１６の
周期に対応した射出角で反射回折光が発生する。この反
射回折光は、射出角は飛び飛びの値を持ち、小さい方か
ら順にφ1,φ2 とした場合、射出角φ1 に対する反射回
折光は１次反射回折光、射出角φ2 に対する反射回折光
は２次反射回折光と呼ばれる。

【００２６】反射回折光の強度は棒１５に対する棒１４
の移動に対応して変化する。従って、反射回折光たとえ
ば光量の多い１次反射回折光の強度を調べることによ
り、棒１４の移動量を知ることができる。この移動量と
バネ部１７のバネ定数に基づいて、探針１３の先端に加
わったレバー部延出方向の力を求めることができる。

【００２７】また、１次反射回折光と２次反射回折光の
両方の強度を調べ、その強度比に基づいて棒１４の移動
量を知ることもでき、この場合には移動量が更に高い精
度で求められる。

【００２８】探針１３の軸方向の力は、従来のＡＦＭと
同様に、０次反射回折光に基づいて外側レバー部１１の
反り変形を調べ、この反り変形量と外側レバー部１１の
反りに関するバネ定数から求められる。

【００２９】また、探針１３の軸方向とレバー部延出方
向の両方に直交する方向の力は、従来のＬＦＭと同様
に、０次反射回折光に基づいて外側レバー部１１のねじ
れ変形を調べ、このねじれ変形量と外側レバー部１１の
ねじれに関するバネ定数から求められる。

【００３０】以上の説明から分かるように、本実施形態
のカンチレバーでは、探針１３に加わる力を、レバー部
延出方向と探針１３の軸方向とその両方に直交する方向
の三方向の各々に関して独立に検出することができる。

【００３１】従って、本実施形態のカンチレバーにおい
ては、探針で試料を一度走査するだけで、探針と試料と
の間に働く力を三種類の独立した力として検出でき、こ
れらの独立した三つの画像もしくは三次元画像を得るこ
とができる。

【００３２】加えて、本実施形態のカンチレバーにおい
ては、レバー部延出方向の力は、外側レバー部１１の平
行移動を引き起こし、反り変形にはほとんど影響を与え
ない。このため、ＳＰＭ測定のカンチレバー走査の引き
ずり等の影響を取り除くことが可能となり、より正確な
表面形状が測定できる。

【００３３】また、図３は本実施形態のカンチレバーの
探針の変形例を示している。この変形例では、探針３３
は外側レバー部１１の先端に位置し、外側レバー部１１
の面に垂直な端面３４を有している。このような探針３
３を備えたカンチレバーは、特開平９−１４５７２５号
に示すような付着力測定装置への適用に特に好適であ
り、外部振動に強い構造を有している。加えて、付着力
測定の際に探針３３に加わる力は、外側レバー部１１を
反らせ難く、主に外側レバー部１１の平行移動を生じさ
せるので、より正確な付着力の測定が行なえる。

【００３４】また、本実施形態のカンチレバーの探針
を、特許第２５０１２８２号に記載されているように先
端が長靴形の横断面を持つ探針に変更し、これを垂直壁
を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に適用することに
より、従来では二次元の輪郭描写しかできなかったが、
本実施の形態によれば、カンチレバーのねじれの変形お
よび反りの変形の影響が軽減され、三次元の輪郭描写を
可能にする。

【００３５】本実施形態では、Ｖ字形状のバネ部１７に
ついて説明したが、バネ部の形状はこれに限らず、左右
のバネ部がレバー部の中心を通る長手軸に対して対称で
あれば、どのような形状であってもよい。例えば、バネ
部は、図４に符号１７’で示されるようにＵ字形状であ
ってもよく、あるいはジグザグ形状であってもよい。

【００３６】バネ部１７の大きさは、測定対象の力の大
きさや外側レバー部１１の移動距離を参酌して決められ
る。例えば、２０μＮまでの力の測定に対して、棒１４
と１５の間隔を２μｍ、外側レバー部１１の厚さを３μ
ｍとした場合、Ｖ字状のバネ部１７は、底辺が１２μ
ｍ、高さが３０μｍの二等辺三角形で、Ｖ字の幅が２μ
ｍとなる。

【００３７】また、本実施形態のグレーティング１６の
ピッチおよび可動棒１４と固定棒１５の間隔はμｍオー
ダーであり、その正確な数字は、測定対象の大きさ、例
えば付着力や垂直壁の測定に対するレバー部延出方向の
バネ定数により決定される。

【００３８】図５は、第二の実施の形態のカンチレバー
の全体の形状を示しており、図６は、このカンチレバー
の断面形状を模式的に示している。図５に示すように、
カンチレバー４０は、支持部４８と、そこから延出した
反り変形し得るレバー部４２とを有し、レバー部４２の
先端には探針４３が設けられている。レバー部４２は、
支持部４８から平行に延びた二本のレバー基部４６と、
その先に設けられたジグザグ形状のバネ部４７と、バネ
部４７の内側の頂点を結ぶ複数の棒４４を含んでいる。

【００３９】ジグザグ形状のバネ部４７は、レバー部４
２の中心を通る長手軸を基準にして線対称すなわち左右
対称な形状を有し、複数の棒４４は、レバー部４２の中
心を通る長手軸に直交し、互いに平行に等間隔で並んで
いる。

【００４０】このジグザグ形状の二本のバネ部４７とそ
の間に延びる複数の棒４４は、バネ部４７の伸縮に応じ
てピッチが変化するグレーティング４５を構成してい
る。これらの棒４４は互いに完全に独立しており、バネ
部４７の伸縮に対してはなんら影響を与えない。

【００４１】探針４３にレバー延出方向の力が加わる
と、カンチレバー４０のバネ部４７がレバー部延出方向
に伸縮変形する。このため、図６に示すように、グレー
ティング４５を構成している棒４４の各々がレバー部延
出方向に移動する。この結果としてグレーティング４５
のピッチが変化する。なお、図６中の破線は、カンチレ
バー４０を縮める方向に力が加わった場合のレバー部の
変形の様子を示している。

【００４２】グレーティング４５に光を入射させると、
正反射する０次反射回折光とグレーティング４５の周期
に対応した反射回折光が発生する。図６に示すように、
グレーティング４５に入射した光の入射角と０次反射回
折光の反射角をθとし、１次反射回折光の射出角をφと
する。１次反射回折光の射出角φは、グレーティング４
５のピッチに応じて変化する。

【００４３】従って、１次反射回折光の射出角φの変化
量を調べることにより、棒４４の移動量を知ることがで
き、この棒４４の移動量とバネ部４７のバネ定数に基づ
いて、探針４３の先端に加わったレバー部延出方向の力
が求めることができる。

【００４４】探針４３の軸方向の力は、第一の実施形態
と同様に、０次反射回折光の反射角θに基づいてレバー
部４２の反り変形を調べ、この反り変形量とレバー部４
２の反りに関するバネ定数から求められる。

【００４５】また、探針４３の軸方向とレバー部延出方
向の両方に直交する方向の力は、０次反射回折光の反射
角の図６の紙面に垂直な方向の角度成分に基づいてレバ
ー部４２のねじれ変形を調べ、このねじれ変形量とレバ
ー部４２のねじれに関するバネ定数から求められる。

【００４６】以上の説明から分かるように、本実施形態
のカンチレバー４０では、探針４３に加わる力を、レバ
ー部延出方向と探針４３の軸方向とその両方に直交する
方向の三方向の各々に関して独立に検出することができ
る。

【００４７】従って、本実施形態のカンチレバーにおい
ては、探針で試料を一度走査するだけで、探針と試料と
の間に働く力を三種類の独立した力として検出でき、こ
れらの独立した三つの画像もしくは三次元画像を得るこ
とができる。

【００４８】加えて、本実施形態のカンチレバーにおい
ては、レバー部延出方向の力は、レバー部４２の伸縮に
作用し、反り変形にはほとんど影響を与えない。このた
め、ＳＰＭ測定のカンチレバー走査の引きずり等の影響
を取り除くことが可能となり、より正確な表面形状が測
定できる。

【００４９】また、第一の実施の形態と同様に、本実施
形態のカンチレバー４０の探針４３を、図３に示される
形状の探針３３に変更してもよい。このような探針３３
を備えたカンチレバーは、特開平９−１４５７２５号に
示すような付着力測定装置への適用に特に好適であり、
外部振動に強い構造を有している。加えて、付着力測定
の際に探針３３に加わる力は、レバー部４２を反らせず
に伸縮させるので、より正確な付着力の測定が行なえ
る。

【００５０】また、本実施形態のカンチレバー４０の探
針４３を、特許第２５０１２８２号に記載されているよ
うに先端が長靴形の横断面を持つ探針に変更し、これを
垂直壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に適用して
もよい。これにより、従来では二次元の輪郭描写しかで
きなかったが、本実施の形態によれば、カンチレバーの
ねじれの変形および反りの変形の影響が軽減され、三次
元の輪郭描写が行なえるようになる。

【００５１】図５には棒４４とバネ部４７が強調して描
かれているが、グレーティング４５の全体の実際の大き
さは３０μｍ×３０μｍ以上である。また、バネ部４７
の形状は、レバー部４２の反り変形のバネ定数や測定対
象の力の大きさに合わせて設定される。

【００５２】図７は本実施形態のグレーティング４５の
上面図であり、実際にはバネ部４７を形成するＶ字の長
さＬを長く、Ｖ字の幅Ｗを狭く設定して、バネ部４７の
伸縮方向のバネ定数を小さくすることが好ましい。

【００５３】本実施形態のカンチレバー４０において
は、図７に示されるように、グレーティング４５は、ジ
グザグ形状のバネ部４７と、その内側の各頂点を結ぶ棒
４４とで構成されているが、グレーティング４５の形状
はこれに限らない。グレーティング４５は、探針４３が
レバー部延出方向の力を受けたときに、複数の棒４４が
等しく伸縮するものであればどのような形状であっても
よい。グレーティング４５は、図８に示される形状のグ
レーティング４５’や図９に示される形状のグレーティ
ング４５”に変更されても一向に構わない。

【００５４】また、本実施形態のグレーティングのピッ
チおよび間隔はμｍオーダーであり、その正確な数字は
測定対象の力の大きさ、例えば付着力や、垂直壁の測定
に対するレバー部延出方向のバネ定数により決定され
る。

【００５５】また、本実施形態においては、１次反射回
折光の射出角の変化量からレバー部延出方向の力を見積
もっているが、所定の位置に固定されたセンサーに対す
る１次反射回折光の光量変化に基づいてレバー部延出方
向の力を求めてもよい。

【００５６】図１０は、第三の実施の形態のカンチレバ
ーの上面図である。図１０に示すように、カンチレバー
５０は、支持部５８と、そこから延出している反り変形
し得るレバー部５２とを有している。レバー部５２は、
支持部５８から延びたジグザグ形状のバネ部５７と、バ
ネ部５７の内側の各頂点を結ぶ等間隔で並んだ複数の棒
５４と、その先に設けられた先端レバー部５１とを含ん
でいる。なお、図１０では見えないが、先端レバー部５
１の先端の裏側には探針が設けられている。

【００５７】ジグザグ形状のバネ部５７はレバー部５２
の中心を通る長手軸に対して左右対称な形状を有し、複
数の棒５４はレバー部５２の長手軸方向に等間隔で並ん
でいる。この二本のバネ部５７と複数の棒５４はグレー
ティング５５を構成しており、このグレーティング５５
はバネ部５７の伸縮に応じてピッチが変化する。

【００５８】本実施形態のカンチレバー５０において、
（図示しない）探針の先端にレバー部延出方向の力が加
わると、バネ部５７がレバー部延出方向に伸縮変形す
る。その結果、第二の実施の形態と同様に、棒５４の間
隔すなわちグレーティング５５のピッチが探針に加わっ
た力の大きさに応じて変化する。

【００５９】グレーティング５５に光を入射させると、
正反射する０次反射回折光とグレーティング５５の周期
に対応した反射回折光が発生する。この時、１次反射回
折光の射出角は、グレーティング５５のピッチに応じて
変化する。

【００６０】従って、１次反射回折光の射出角の変化量
を調べることにより、棒５４の移動量を知ることがで
き、この棒５４の移動量とバネ部５７のバネ定数に基づ
いて、探針の先端に加わったレバー部延出方向の力が求
めることができる。

【００６１】探針の軸方向の力は、第一の実施形態と同
様に、０次反射回折光の反射角に基づいてレバー部５２
の反り変形を調べ、この反り変形量とレバー部５２の反
りに関するバネ定数から求められる。

【００６２】また、探針の軸方向とレバー部延出方向の
両方に直交する方向の力は、第二の実施の形態と同様
に、０次反射回折光の反射角の角度成分に基づいてレバ
ー部５２のねじれ変形を調べ、このねじれ変形量とレバ
ー部５２のねじれに関するバネ定数から求められる。

【００６３】また、探針の軸方向とレバー部延出方向の
両方に直交する方向の力は、先端レバー部５１の面に垂
直かつ先端レバー部５１の延出軸を含む平面からの０次
反射回折光の反射方向のずれを検出し、これに基づいて
レバー部５２のねじれ変形を調べ、このねじれ変形量と
レバー部５２のねじれに関するバネ定数から求められ
る。

【００６４】以上の説明から分かるように、本実施形態
のカンチレバーでは、探針に加わる力を、レバー部延出
方向と探針の軸方向とその両方に直交する方向の三方向
の各々に関して独立に検出することができる。

【００６５】従って、本実施形態のカンチレバーにおい
ては、探針で試料を一度走査するだけで、試料と探針と
の間に働く力を三種類の独立した力として検出でき、こ
れらの独立した三つの画像もしくは三次元画像を得るこ
とができる。

【００６６】加えて、本実施形態のカンチレバーにおい
ては、レバー部延出方向の力は、レバー部５２の伸縮に
作用し、反り変形にはほとんど影響を与えない。このた
め、ＳＰＭ測定のカンチレバー走査の引きずり等の影響
を取り除くことが可能となり、より正確な表面形状が測
定できる。

【００６７】また、本実施形態のカンチレバー５０の探
針は図３に示される形状であってもよい。このような探
針３３を備えたカンチレバーは、特開平９−１４５７２
５号に示すような付着力測定装置への適用に特に好適で
あり、外部振動に強い構造を有している。加えて、付着
力測定の際に探針３３に加わる力は、レバー部５２を反
らせずに伸縮させるので、より正確な付着力の測定が行
なえる。

【００６８】また、本実施形態のカンチレバー５０の探
針を、特許第２５０１２８２号に記載されているように
先端が長靴形の横断面を持つ探針に変更し、これを垂直
壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に適用してもよ
い。これにより、従来では二次元の輪郭描写しかできな
かったが、本実施の形態によれば、カンチレバーのねじ
れの変形および反りの変形の影響が軽減され、三次元の
輪郭描写が行なえるようになる。

【００６９】もちろん、本実施の形態の探針として、第
一の実施の形態で示した探針１３を用いてもよい。本実
施形態のカンチレバー５０においては、図１０に示され
るように、グレーティング５５は、ジグザグ形状のバネ
部５７と、その内側の各頂点を結ぶ棒５４とによって構
成されているが、グレーティング５５の形状はこれに限
らない。グレーティング５５は、探針がレバー部延出方
向の力を受けたときに、棒４４が等しく伸縮するもので
あればどのような形状であってもよい。例えば、グレー
ティングは図１１に符号５５’で示されるように、レバ
ー部延出方向に対して左右対称なジグザグ形状のバネ部
５７’と、バネ部５７’の内側と外側の両方の各頂点を
結ぶ等間隔で並んだ複数の棒５４’とで構成されてもよ
い。

【００７０】なお、上述の全ての実施の形態におけるカ
ンチレバーは、シリコンウェハを加工するＩＣプロセス
を用いて作製される。また、その特徴となるグレーティ
ングを有するレバー部の形状は、シリコンウェハ上にレ
バー形状に合わせたマスク（例えばシリコン窒化膜）を
施し、マスクが施されていない部分をエッチング除去す
ることにより得られる。

【００７１】すなわち、レバーの形状を決定するマスク
形状を変更するだけで、本願発明のような作用および効
果を有するカンチレバーを作製することができる。本発
明は上述した実施の形態に何等限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実
施を含んでいる。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、レバー部に支持された
探針にレバー部延出方向の力が加わったときに、レバー
部が反り変形を伴なわずに伸縮変形するカンチレバーが
提供される。これにより、探針に対してレバー部延出方
向に加わる力を独立に高い精度で検出ことが出来るよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態によるカンチレバー
の斜視図である。

【図２】図１に示したカンチレバーの断面を模式的に示
す図である。

【図３】図１のカンチレバーの変形例における探針の形
状を示す図である。

【図４】図１のカンチレバーのバネ部に関する変形例の
斜視図である。

【図５】本発明の第二の実施の形態によるカンチレバー
の斜視図である。

【図６】図５に示したカンチレバーの断面を模式的に示
す図である。

【図７】図５のカンチレバーのグレーティングの上面図
である。

【図８】図７のグレーティングに代わりに図５のカンチ
レバーに適用可能なグレーティングの上面図である。

【図９】図７のグレーティングに代わりに図５のカンチ
レバーに適用可能な別のグレーティングの上面図であ
る。

【図１０】本発明の第三の実施の形態によるカンチレバ
ーの上面図である。

【図１１】図１０に示したカンチレバーの変形例の上面
図である。

【図１２】従来例に係る付着力測定装置におけるカンチ
レバー周辺部の斜視図である。

【符号の説明】

１０ カンチレバー １１ 外側レバー部 １２ 内側レバー部 １３ 探針 １４、１５ 棒 １６ グレーティング １７ バネ部 １８ 支持部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年１２月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のカンチレバー
は、支持部と、前記支持部から延出するレバー部とから
なるカンチレバーであって、前記カンチレバーの先端部
に設けられた探針と試料との間に働く力を独立した３種
類の力として検出することを可能にする。また、本発明
の別のカンチレバーは、支持部と、支持部から延出した
反り変形し得るレバー部とを有するカンチレバーであ
り、レバー部はその延出方向に伸縮し得るバネ部を含
み、バネ部の伸縮に応じてピッチが変化するグレーティ
ングを含んでいる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】また、本実施形態のカンチレバーの探針
を、特許第２５０１２８２号に記載されているように先
端が長靴形の横断面を持つ探針に変更し、これを垂直壁
を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に適用することに
より、従来ではレバー部延出方向の力が探針と試料間の
距離を示すカンチレバーの反り変形に重なるため、二次
元の輪郭描写しかできなかったが、本実施の形態によれ
ば、レバー部延出方向の力をカンチレバーの反り変形と
独立した力として検出でき、三次元の輪郭描写を可能に
する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５０】また、本実施形態のカンチレバー４０の探
針４３を、特許第２５０１２８２号に記載されているよ
うに先端が長靴形の横断面を持つ探針に変更し、これを
垂直壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に適用して
もよい。これにより、従来ではレバー部延出方向の力が
探針と試料間の距離を示すカンチレバーの反り変形に重
なるため、二次元の輪郭描写しかできなかったが、本実
施の形態によれば、レバー部延出方向の力をカンチレバ
ーの反り変形と独立した力として検出でき、三次元の輪
郭描写を可能にする。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６８】また、本実施形態のカンチレバー５０の探
針を、特許第２５０１２８２号に記載されているように
先端が長靴形の横断面を持つ探針に変更し、これを垂直
壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に適用してもよ
い。これにより、従来ではレバー部延出方向の力が探針
と試料間の距離を示すカンチレバーの反り変形に重なる
ため、二次元の輪郭描写しかできなかったが、本実施の
形態によれば、レバー部延出方向の力をカンチレバーの
反り変形と独立した力として検出でき、三次元の輪郭描
写を可能にする。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持部と、 支持部から延出した反り変形し得るレバー部とを有する
   カンチレバーであり、 レバー部はその延出方向に伸縮し得るバネ部を含み、 バネ部の伸縮に応じてピッチが変化するグレーティング
   を有しているカンチレバー。
2. 【請求項２】 支持部と、 支持部から延出した反り変形し得るレバー部とを有し、 レバー部が、その延出方向に伸縮し得るバネ部と、バネ
   部の伸縮に応じてピッチが変化するグレーティングを含
   んでいるカンチレバー。
3. 【請求項３】 請求項２において、グレーティングは、
   レバー部の延出方向を中心に左右対称なジグザグ形状の
   バネ部と、ジグザグ形状のバネ部の頂点を結ぶ複数の棒
   によって構成されている請求項２に記載のカンチレバ
   ー。