JPWO2012033131A1 - 走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置 - Google Patents

Abstract

表面加工の様子を高速ＳＰＭ（ＡＦＭ）によりリアルタイムで観察可能であるとともに、ばね定数の小さなカンチレバーを用いても探針により微細表面加工を行える。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ、ＡＦＭ）を用いて試料４の表面を加工する加工装置であって、試料を載置するステージ６，７と、試料４の表面に対向して設けられるカンチレバー３と、カンチレバーの変位を測定する変位測定手段１，２と、カンチレバーと試料との相対位置を変化させながら変位測定手段によりカンチレバーの変位を測定することにより試料の表面性状画像を取得する表面性状画像取得手段と、試料の表面とカンチレバーの先端に設けられた探針８との間にカンチレバー系とは異なる系から外力を印加することにより探針により試料の表面を加工する表面加工手段５とを有し、表面性状画像取得手段による表面性状画像の取得と表面加工手段による表面加工とを交互に繰り返す。図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いた表面加工装置に関する。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）としては原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が好適であるが、試料を表面加工できる探針を有する走査型顕微鏡であれば何でも良く、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等でも良い。

ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）は試料の微細な表面性状を画像化する顕微鏡であり、その中でも特にＡＦＭ（原子間力顕微鏡）は真空のみならず大気中や液体の環境でのナノスケールイメージングや微細加工を可能にする重要なナノ科学やナノテクノロジーを支える顕微鏡である。しかし、一般的なＳＰＭ（ＡＦＭ）測定は、試料の表面上を探針により走査しながら１点１点の表面性状（表面形状）を測定していくため、１枚の表面性状画像（表面形状画像）を取得するのに数分以上を必要とする。よってＳＰＭ（ＡＦＭ）測定は実質的に静止した試料の様子しか見ることができない。また、ＳＰＭ（ＡＦＭ）の探針を用いた試料表面の加工においては、加工中の様子をリアルタイムで観察することができないことが問題となる。このようなことから、ＳＰＭ（ＡＦＭ）を用いたリアルタイム観察が望まれている。

本発明者らは、ＳＰＭ（ＡＦＭ）と力覚操作を組み合わせた微細表面加工装置を開発した（非特許文献１参照）。また、ＳＰＭ（ＡＦＭ）の探針を用いた試料表面の加工の様子をリアルタイムで観察するために、光学顕微鏡や電子顕微鏡で観察しながら表面加工を行う装置も開発した。光学顕微鏡や電子顕微鏡で探針位置や試料表面を観察しながら加工対象箇所に探針を移動させ、カンチレバーまたは試料表面をＺ軸方向（試料表面に垂直な方向）に変位させることにより、カンチレバーの反発力を先端部にある探針に伝えて試料表面を押圧して加工する。しかしながら、光学顕微鏡による観察は、回折限界のため観測できる大きさに限界がある。また、電子顕微鏡による観察は、装置が大掛かりになってしまう上に、真空中で操作しなくてはいけないため生体試料の測定ができないなどの種々の制約がある。

近年、ＳＰＭ（ＡＦＭ）の走査速度を高速化する研究が進められている。例えば、小さな形状による高い共振周波数を有するカンチレバーを用いて高速フィードバックを行う手法（特許文献１〜３、非特許文献２）が報告されている。これらの高速ＳＰＭ（ＡＦＭ）技術を用いれば、数１０ミリ秒程度の時間で１枚の表面性状画像（表面形状画像）を取得することが可能である。

特許４４９６３５０ 特許４４７４５５６ 国際公開２００７／０７２７０６

Iwata F, Ohara K, Ishizu Y, Sasaki A, Aoyama H and Ushiki T 2008 Japan. J. Appl. Phys. 47 6181 Ando T, Uchihashi T, Kodera N, Miyagi A, Nakakita R,Yamashita H andSakashita M 2006 Japan. J. Appl. Phys. 45 1897

ＳＰＭ（ＡＦＭ）の探針を用いた表面加工装置において、表面加工の様子をリアルタイムで観察するために上述の高速ＳＰＭ（ＡＦＭ）技術を用いて、表面加工と表面走査とを交互に行うことが考えられる。しかしながら、高速ＳＰＭ（ＡＦＭ）では、探針を表面の凹凸に高速に追従させるため、ばね定数が小さいカンチレバーを用いる必要がある。一方で、表面加工においては、試料表面に十分な押圧力を印加するために、ばね定数が大きなカンチレバーを用いる必要がある。したがって、これらの技術の両立は困難である。

本発明は上記問題点を解決し、表面加工の様子を高速ＳＰＭ（ＡＦＭ）によりリアルタイムで観察可能であるとともに、ばね定数の小さなカンチレバーを用いても探針により微細表面加工が可能な走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の表面を加工する加工装置であって、
前記試料を載置するステージと、
前記試料の表面に対向して設けられるカンチレバーと、
前記カンチレバーの変位を測定する変位測定手段と、
前記カンチレバーと前記試料との相対位置を変化させながら、前記変位測定手段によりカンチレバーの変位を測定することにより、前記試料の表面性状画像を取得する表面性状画像取得手段と、
前記試料の表面と前記カンチレバーの先端に設けられた探針との間に、前記カンチレバーの系とは異なる系から外力を印加することにより、前記探針により前記試料の表面を加工する表面加工手段と、を有し、
前記表面性状画像取得手段による表面性状画像の取得と前記表面加工手段による表面加工とを交互に繰り返す、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。

また、本発明は以下の構成を有する。
走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の表面を加工する加工装置であって、
前記試料を載置するステージと、
前記試料の表面に対向して設けられるカンチレバーと、
前記カンチレバーの変位を測定する変位測定手段と、
前記カンチレバーと前記試料との相対位置を変化させながら、前記変位測定手段によりカンチレバーの変位を測定することにより、前記試料の表面性状画像を取得する表面性状画像取得手段と、
前記試料の表面と前記カンチレバーの先端に設けられた探針との間に力を印加することにより、前記探針により前記試料の表面を加工する表面加工手段と、
前記カンチレバーのばね定数を動的に変化させるばね定数変化手段と、を有し、
前記表面性状画像取得手段による表面性状画像の取得と前記表面加工手段による表面加工とを交互に繰り返し、
前記ばね定数変化手段は、前記表面性状画像取得手段による表面性状画像の取得時には前記カンチレバーのばね定数を小さくし、前記表面加工手段による表面加工時には前記カンチレバーのばね定数を大きくする、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。

また、本発明は以下の好ましい実施態様を有する。
前記カンチレバーに押圧力を加える押圧力付与手段を有し、
前記表面加工手段は、前記押圧力付与手段による前記押圧力により前記試料の表面を加工しても良い。
前記押圧力付与手段は、
前記カンチレバーに設けられた磁石と、
前記磁石が存在する領域に磁界を発生させる磁界発生手段とを備えても良い。
前記試料の表面と前記探針との間に電界または磁界を発生させる手段を有し、
前記表面加工手段は、前記探針に生じる静電力または磁力により前記試料の表面を加工しても良い。
前記表面加工手段は、前記試料に振動を加えることにより前記外力を印加しても良い。
前記ばね定数変化手段は、前記カンチレバーの梁部に設けられた弾性力可変部材を含んでいても良い。
前記弾性力可変部材は、形状記憶合金または磁歪素子であっても良い。
前記ばね定数変化手段は、前記カンチレバー近傍に設けられた剛性部材を含んでおり、前記剛性部材を前記カンチレバーに機械的に結合させることにより前記カンチレバーのばね定数を大きくするようにしても良い。
前記ばね定数変化手段は、前記剛性部材が、前記カンチレバーに対して前記試料の表面形状の取得時における前記カンチレバーの変位範囲を越えた位置に配置されており、前記表面加工手段は、前記カンチレバーの前記探針を前記試料の表面に押し付けた状態で加工を行うようしにしても良い。
前記ばね定数変化手段は、前記カンチレバーを多次モードにより振動させることにより、ばね定数を変化させるようにしても良い。
前記走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡であっても良い。
前記カンチレバーと前記試料との相対位置を変化させるためのカンチレバー操作子を有し、前記カンチレバー操作子は、前記変位測定手段によって測定された前記カンチレバーの変位をオペレータに操作反力として提示する力覚フィードバックデバイスであっても良い。
前記表面性状画像取得手段は、高速ＡＦＭであっても良い。

前記表面加工手段における“表面加工”とは、表面の形状を変形させること（ファブリケーション）のほか、表面にある物体を移動させること（マニピュレーション）を含む。また、“表面加工”に表面の性質を局所的に変化させること、すなわち局所的な様々な相互作用（化学反応、電気化学反応、光化学反応、溶解など）による表面の局所的な変化（形状以外の変化も）を含めても良い。
“前記カンチレバーの系とは異なる系から外力を印加する”とは、前記カンチレバーのばね力を用いないで試料表面と探針との間に力を作用させることを意味している。
前記外力を試料に振動を加えることにより印加する場合、前記試料に、前記カンチレバーの共振周波数以上でカンチレバーが追従できない程度の振動や衝撃力を印加することで外力を生じさせる。
前記多次モードとは、前記カンチレバーを共振周波数より高い周波数で振動させて、複数の節・腹を有する定在波を生じさせることをいい、前記カンチレバーを多次モードで振動させることにより見かけ上のばね定数を大きくすることができる。

本発明は上記構成を採用したことにより、走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置において、高速ＳＰＭ（ＡＦＭ）によるリアルタイム観察のためにばね定数の小さなカンチレバーを用いても、探針による微細表面加工を行うことができる。

本発明の一実施形態のシステム構成図。 本発明の一実施形態の外力印加の説明図。 本発明の一実施形態の試料走査の説明図。 本発明の一実施形態の信号処理の説明図。 本発明の一実施形態により取得したＡＦＭ画像。 本発明の一実施形態の動作説明図。 本発明の一実施形態の動作フローチャート。 本発明の別の実施形態のカンチレバーの説明図。 本発明の別の実施形態のカンチレバーの説明図。 本発明の別の実施形態のカンチレバーの説明図。 本発明の別の実施形態のカンチレバーの説明図。 本発明の別の実施形態のカンチレバーの説明図。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下に説明するものは本発明の実施形態の一例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者であれば特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇で各種の変更が可能である。

本実施形態のシステム構成を図１に示す。カンチレバー３は先端部に探針８を有しており、試料４の表面に探針８が接するようにカンチレバー３が配置される。カンチレバー３のばね定数は、例えば0.15N/mである。レーザ１及び４分割光検出器２はカンチレバー３のたわみを検出するものであり、レーザ１からのレーザ光をカンチレバー３の先端部に照射し、その反射光の変化を４分割光検出器２で検出する光てこ法によりカンチレバー３のたわみ量を検出する。そして、カンチレバー３のたわみ量によって探針８のＺ軸方向（試料表面に垂直な方向）の変位を検出する。

試料４は、シェア型スキャナ６及びチューブスキャナ７に載置されていて、これらのスキャナによりＸＹＺ方向に移動可能になっている。図３に示すように、シェア型スキャナ６は高速走査軸であるＸ軸方向に移動し、チューブスキャナ７は低速走査軸であるＹ軸方向に移動する。試料表面に垂直な方向であるＺ軸方向については、チューブスキャナ７により移動される。これらのスキャナは駆動回路１４により制御される。

試料４の下部には、探針８に外力を印加するための電極５が設けられている。カンチレバー３及び探針８は導電性を有するように構成されており、カンチレバー３と電極５との間に図２のように電圧を印加すると、試料４の表面と探針８との間に電界が生じる。この電界により、探針８に試料表面方向への静電力が生じ、この静電力を試料４の表面の加工のための押圧力として用いる。このようにすることにより、カンチレバー３のばね力を用いることなく試料４の表面の加工が可能となる。カンチレバー３と電極５との間の電圧を制御することにより、探針８の試料表面への押圧力を制御可能である。この制御は、外力印加回路１５により行われる。試料表面への押圧力の制御は、単純なＯＮ／ＯＦＦ制御でも良いし、探針８のＺ軸変位測定と後述の力覚操作を用いたフィードバック系により制御しても良い。試料表面への押圧力の印加は、直流的に印加しても良いし、交流的に印加しても良いし、タッピングしても良い。

ＡＦＭによる高速画像取得は、例えばコンタクトモードによる方法を用いる。これは試料４に対して探針８の先端で高速に走査した際のカンチレバー３の瞬時のたわみ、すなわち図１におけるＩ／Ｖ回路１１からのカンチレバー３のたわみ信号から試料４の表面情報を得ることができ、ＡＦＭ画像を高速に取得できる。また、走査中は従来のＡＦＭフィードバックシステム（フィードバック回路１２）によっておよそ１フレームの中で平均化した一定力を維持するように制御される。試料表面の高速走査は、シェア型スキャナ６によりＸ軸走査と、チューブスキャナ７によりＹ軸走査の組み合わせにより行われる。図６（ａ）に走査の軌跡の例を示す。高速走査が必要なＸ軸方向走査にはシェア型スキャナ６を用い、比較的低速な走査で良いＹ軸方向走査にはチューブスキャナ７を用いる。なお、ＡＦＭによる画像取得はコンタクトモードに限られず、タッピングモードを用いても良い。

本システムはナノマニピュレータとして、人間の手に力を提示する力覚フィードバックデバイスであるハプティックデバイス１０(PHANTOM omni, SensAble Technologies)を、この高速ＡＦＭシステムに組み込んでいる。ハプティックデバイス１０はＰＣ１３と接続されており、ペン型のハンドルを動かすことでＡＦＭ探針８を試料４の表面の任意の場所に移動させ、その間カンチレバー３が検出した表面凹凸形状を感じることができる。これにより、高速画像取得と任意の位置の力覚操作の両方を可能とするシステムを実現する。

本システムでは高速ＡＦＭ用システムとして、例えば、図４に示すメモリ搭載のＡ／Ｄ・Ｄ／Ａ変換ボードを用いたデータ収集システムを用いる。Ａ／Ｄ変換の動作は、Ｄ／Ａ変換ボードからのクロック信号により走査信号と同期して同じタイミングで行われる。画素データは一旦Ａ／Ｄ変換ボードのメモリに格納され、その後、データ処理され、Ａ／Ｄ変換ボードのメモリに１フレーム分の画素データが溜まった後にまとめてＰＣに転送する。このシステムでは１フレームのデータごとにＰＣのＣＰＵにデータを転送するという方式をとっているので、従来の１点の画素ずつの処理方法に比べてＣＰＵのデータ処理回数が減り、大幅に時間を短縮することができる。

実際に本システムにより取得した高速ＡＦＭ画像の例を図５に示す。図はＤＶＤ表面の凹凸（ピット）を計測したものであり、（ａ）は高速ＡＦＭにより０．５秒で取得した画像を、（ｂ）は従来型のＡＦＭにより３００秒で取得した画像を示す。図からわかるように、高速ＡＦＭでも十分に表面の凹凸を計測可能である。

続いて、図６及び図７により、高速ＡＦＭによる画像取得と力覚操作による表面加工とを組み合わせた本システムの動作について説明する。なお、説明を簡単化するために探針８やカンチレバー３が移動するように記載しているが、実際には試料４の方を移動させている。本システムでは１つのカンチレバー３で（ａ）高速ＡＦＭモード（高速で試料表面の２次元画像を取得）と（ｂ）表面加工モード（加工対象２０に探針８を移動させ表面加工）とを交互に繰り返すことにより、２次元表面画像取得と表面加工とを行う。例えば、高速ＡＦＭモードによる画像取得は０．１秒で終了するので、１フレーム／秒で画像取得・表示を行うようにすれば、高速ＡＦＭによる画像取得の終了と次の画像取得の開始までの間に０．９秒の空き時間ができる。この空き時間の間に探針８を加工対象２０に移動させ表面加工を行う。高速ＡＦＭ動作中は表面加工は行えないが、高速ＡＦＭ走査の開始前に探針８の座標を記憶しておき、高速ＡＦＭ走査終了時に記憶した座標に探針８を復元することにより、見かけ上連続して表面加工を行うことができる。図６（ｃ）にタイミング図を示す。

図７のフローチャートにより本システムの動作を説明する。
まず、探針８の表面加工座標及び加工押圧力を初期化する（ステップ３１）。例えば、初期座標として表面加工座標が画面の中央位置に設定され、加工押圧力は０に設定される。
続いて、高速ＡＦＭにより表面形状画像（２次元）の取得・表示を行う（ステップ３２）。試料４とカンチレバー３の相対位置を高速に移動させて、試料表面を２次元的に走査することにより表面形状画像（２次元）を取得する。取得に要する時間は種々の条件により変わるが、本実施形態では０．１秒で１画像分を取得する。
高速ＡＦＭによる画像取得終了後、カンチレバー３は高速ＡＦＭの走査終了位置にあるので、これを高速ＡＦＭ走査前の表面加工座標に移動させて加工押圧力を印加し（ステップ３３）、高速ＡＦＭ走査前のハプティックデバイスによる表面加工操作を引き続いて継続する（ステップ３４）。
ハプティックデバイスによる表面加工操作を０．９秒程度継続した後、次の高速ＡＦＭ走査の開始前に、現在の探針８の表面加工座標と加工押圧力を記憶する。なお、表面加工の押圧力は上述の静電力により発生され、外力印加回路１５により制御される。
ステップ３２〜ステップ３５を繰り返すことにより、見かけ上、１つカンチレバー３で、高速ＡＦＭで取得した画像上で探針８により表面加工を行っているように操作することができる。これにより、２次元ＡＦＭ画像を見ながら、画像上の加工対象２０の表面加工を行うことが可能となる。なお、表面形状画像を取得する時間と表面加工を行う時間とは、取得する画像の解像度や表面加工の内容によって適宜決定すれば良く、例えば、表面形状画像を取得する時間と表面加工を行う時間とをそれぞれ０．５秒ずつとすることもできる。

本発明の別の実施形態について説明する。上述の実施形態では、表面加工の際、カンチレバーのばね定数の小ささを外力の印加により補ったが、本実施形態ではカンチレバーのばね定数そのものを動的に変化させることで高速画像取得と表面加工とを両立させる。

カンチレバーのばね定数を変化させる実施形態の一例について図８を用いて説明する。図８は、カンチレバー３の側面図である。本実施形態では、カンチレバー３の一部に凹部４１が設けられていて、この部分が機械的に弱くなるように設計してある。この機械的に弱い部分に、熱により弾性力を変化させることができる形状記憶合金４２を設ける。形状記憶合金４２は形状記憶温度以下では高い弾性力を持つので、その状態ではばね定数は大きく、カンチレバー３全体のばね定数は大きくなる。一方、図示されていない加熱手段により形状記憶合金４２を形状記憶温度以上に加熱すると弾性力が低下するため、カンチレバー３全体のばね定数が小さくなる。これを画像取得時と表面加工時とで動的に切り換えて、画像取得時にはばね定数を小さく、表面加工時にはばね定数を大きくして用いる。形状記憶合金４２の加熱については、直接通電、近傍に設けたヒーターによる加熱、レーザ加熱など、公知の方法を用いることができる。弾性力を変化させることができる部材としては、外部からの物理量により弾性力を変化させられるものであれば何でもよく、例えば磁歪素子などを用いても良い。すなわち、これらの形状記憶合金や磁歪素子が、本発明に係る弾性力可変部材に相当する。なお、図８の配置についてはあくまで一例であり、本実施形態の趣旨に沿った形で当業者が適宜設計可能であることは言うまでもない。

カンチレバー３のばね定数を変化させる実施形態の別の例について図９を用いて説明する。図９は、カンチレバー３の上面図である。本実施形態では、ばね定数の小さいカンチレバーのばね定数を補うために、剛性部材５１をカンチレバー３の梁部に機械的に結合させる。図９（ａ）は剛性部材５１がカンチレバー３から離れた状態であり、カンチレバー３のばね定数は小さくなる。一方、図９（ｂ）は剛性部材５１がカンチレバー３に機械的結合している状態であり、カンチレバー３のばね定数は大きくなる。剛性部材５１とカンチレバー３との機械結合に関しては、双方に凹凸を設けて嵌合するように構成しても良いし、それぞれを単に接触させて摩擦力により結合するようにしても良い。剛性部材５１とカンチレバー３を機械的結合するためにそれぞれを移動する手段については図示されていないが、一般的な公知の移動手段を用いることができる。また、剛性部材の配置や形状については、本実施形態の趣旨に沿った形で当業者が適宜設計可能であることは言うまでもない。
この他、カンチレバー３の見かけ上のばね定数を変化さるために、カンチレバー３を梁部に多次モードの定在波が発生する周波数で振動させても良い。カンチレバー３の梁部に多次モード（２次、３次、４次・・・）の定在波が発生することにより、見かけ上のばね定数を大きくすることができる。
この他、カンチレバー３の梁部にバイメタルを設けて、表面加工時にはバイメタルを加熱してカンチレバー３を試料４側に逆そらしさせることにより、ゼロ点のオフセットを持たせて試料に対する押圧力を強めても良い。

また、カンチレバー３のばね定数を変化させる実施形態の別の例について図１０を用いて説明する。図１０（ａ），（ｂ）は、カンチレバー３の側面図である。本実施形態では、カンチレバー３の上面（試料４とは反対側の面）に剛性部材６１が設けられている。剛性部材６１は、カンチレバー３の上方において探針８側に向ってカンチレバー３の梁部と平行に延びるとともに探針８側の端部がカンチレバー３側に突出して規制部６２が形成されている。この場合、剛性部材６１の規制部６２の下面とカンチレバー３の上面との間の隙間は、カンチレバー３が試料４の表面を二次元的に走査して表面形状画像を取得する際におけるカンチレバー３のＺ軸方向の変位量よりも大きく設定されている。すなわち、剛性部材６１は、カンチレバー３に対して試料４の表面形状の取得時におけるカンチレバー３の変位範囲を越える位置に配置されている。

このため、試料４の表面形状画像を取得する場合においては、図１０（ａ）に示すように、カンチレバー３は剛性部材６１の規制部６２に接触することなくＺ軸方向に往復変位することができる。一方、試料４の表面に加工を行う場合においては、図１０（ｂ）に示すように、チューブスキャナ７を駆動することにより試料４をカンチレバー３側に移動させることにより、試料４がカンチレバー３の探針８を押圧してカンチレバー３の梁部を剛性部材６１の規制部６２に接触させる。これにより、カンチレバー３の撓み変形が規制されてばね定数を変化させることができる。この結果、カンチレバー３は、剛性部材６１の規制部６２側への変位が規制された状態で試料４の表面に加工を行うことになる。なお、本実施形態における剛性部材６１は、必ずしもカンチレバー３に支持されている必要はなく、カンチレバー３の変位の範囲の外に配置されていれば、他の部材によってカンチレバー３とは独立した状態で支持されても良い。また、カンチレバー３を剛性部材６１の規制部６２に接触させる際においても、カンチレバー３を試料４側に変位させることによってカンチレバー３を剛性部材６１の規制部６２に接触させるようにしても良い。また、剛性部材６１によってカンチレバー３の上面が覆われることにより、レーザ１及び４分割光検出器２によるカンチレバー３のたわみ量が検出できない場合には、カンチレバー３に圧電素子を設けることによってたわみ量を検出することができる所謂自己検型のカンチレバー３を用いることができる。

また、カンチレバー３の探針８を試料４の表面に押圧する実施形態の別の例について図１１を用いて説明する。図１１（ａ）〜（ｃ）は、カンチレバー３の側面図である。図１１（ａ）に示した実施形態においては、カンチレバー３における探針８の図示上方にノックピン７１およびこのノックピン７１を図示上下方向に進退させるためのアクチュエータ７２を設けて構成されている。この場合、アクチュエータ７２は、圧電素子やマイクロリニアモータなどで構成できる他に、磁力や静電力によってノックピン７１を図示上下方向に進退させることができるアクチュエータによって構成することもできる。このように構成した本実施形態によれば、カンチレバー３は、アクチュエータ７２によって図示下方向に変位するノックピン７１に押されて試料４の表面を押圧して加工する。すなわち、ノックピン７１およびアクチュエータ７２が、本発明に係る押圧力付与手段に相当する。

また、図１１（ｂ）に示した実施形態においては、カンチレバー３の上面に磁石８１を設けるとともにカンチレバー３における探針８の図示上方に電磁石８２を設けて構成されている。この場合、磁石８１は、板状のネオジムやパーマロイのコーティングなどによって構成されており、探針８の背面側におけるカンチレバー３の図示上面に磁極の一方が位置した状態で設けられる。このように構成された本実施形態によれば、カンチレバー３は、磁石８１に対向する側の電磁石８２の磁極が正極と負極とに切り替わるごとに図示上下方向に変位する。すなわち、カンチレバー３は、磁石８１と電磁石８２とが反発しあう磁力によって試料４の表面を押圧して加工する。

また、図１１（ｃ）に示した実施形態においては、前記電磁石８２に代えて棒状の可動磁石８３が設けられて構成されている。この場合、可動磁石８３は、ネオジムや芯材の表面をパーマロイでコーティングなどして構成されており、中央部を回転中心として回転駆動制御されるように支持されている。このように構成された本実施形態によれば、カンチレバー３は、可動磁石８３が回転駆動することにより磁石８１に対向する側の可動磁石８３の磁極が正極と負極とに入れ替わることによって図示上下方向に変位する。すなわち、カンチレバー３は、磁石８１と可動磁石８３とが反発しあう磁力によって試料４の表面を押圧して加工する。なお、可動磁石８３は、回転駆動だけでなく、磁石８３に対して近接および離隔する方向に直線的に可動するように支持されていても良い。すなわち、前記電磁石８２および可動磁石８３が、本発明に係る磁界発生手段に相当する。

また、これらの各実施形態において、カンチレバー３の上面が覆われることにより、レーザ１及び４分割光検出器２によるカンチレバー３のたわみ量が検出できない場合には、カンチレバー３に圧電素子を設けることによってたわみ量を検出することができる所謂自己検型のカンチレバー３を用いることができる。また、磁力に代えて静電力によってカンチレバー３を試料４の表面に押圧して加工することもできる。例えば、探針８の背面側におけるカンチレバー３の図示上面にエレクトレット（電石）を設けることができる。この場合、エレクトレットは、半永久的に保持した静電力により電場を形成し続けることができる物質である。したがって、カンチレバー３に設けたエレクトレットに対向する位置にエレクトレットに対応する電場を形成することによってカンチレバー３を変位させることができる。

以上、本発明の実施形態のいくつかの例について説明したが、当業者であれば本発明の技術思想に沿って種々の設計変更が可能であることは言うまでも無い。
例えば、上述の実施形態では外力印加手段に静電力を用いたがこれに限られるものではなく、例えば、図１２に示すように、探針８を磁性体で構成し外部から制御可能な磁界を例えば電磁石８２で印加して磁力により試料４の表面に押圧してもよいし、カンチレバー３に適当な強度のレーザ光を印加して光圧によって押圧してもよい。このほか、試料に超音波振動を与えたりＺ方向の衝撃力を与えることにより探針８との間に押圧力を発生させても良い。また、上述の実施形態では電極を試料４の背面側に設けたがこれに限らず、試料の表面側に導電性物質を蒸着してこれを電極としても良い。
上述の実施形態では、ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）としてＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いる例を示したたが、これに限らず、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などを用いても良い。これらの顕微鏡に必要な構成は公知なので、当業者であれば上述の実施形態をこれらの顕微鏡に応用可能であることは言うまでも無い。
上述の実施形態では、ＤＶＤの凹凸を観察する例を示したが、これはあくまで一例であり、ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）で観察可能な試料であれば、加工対象は何でも構わない。特に、ＳＰＭとしてＡＦＭを用いた場合は大気中で観察・加工ができるので、種々の試料に適用可能である。特に、細胞などの生体試料に好適に用いられうる。生体試料を高速ＡＦＭで観察する場合は、高速ＡＦＭの画像取得中に生体試料を傷つけないようにするために、特にばね定数の小さなカンチレバーを用いる必要があるが、上述の実施形態では加工のための押圧力をカンチレバー系以外から印加したりばね定数を可変にしているため、カンチレバー自体はばね定数の小さなものを用いることができる。もちろん、生体試料以外の試料も観察・加工可能であることは言うまでも無い。

１：レーザ、 ２：４分割光検出器、 ３：カンチレバー、 ４：試料： ５：電極、 ６：シェア型スキャナ、 ７：チューブスキャナ、 ８：探針、 １０：ハプティックデバイス、 ２０：加工対象、４１：凹部、４２：形状記憶合金、５１：剛性部材、６１：剛性部材、６２：規制部、７１：ノックピン、７２：アクチュエータ、８１：磁石、８２：電磁石、８３：可動磁石

Claims (14)

1. 走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の表面を加工する加工装置であって、
   前記試料を載置するステージと、
   前記試料の表面に対向して設けられるカンチレバーと、
   前記カンチレバーの変位を測定する変位測定手段と、
   前記カンチレバーと前記試料との相対位置を変化させながら、前記変位測定手段によりカンチレバーの変位を測定することにより、前記試料の表面性状画像を取得する表面性状画像取得手段と、
   前記試料の表面と前記カンチレバーの先端に設けられた探針との間に、前記カンチレバーの系とは異なる系から外力を印加することにより、前記探針により前記試料の表面を加工する表面加工手段と、を有し、
   前記表面性状画像取得手段による表面性状画像の取得と前記表面加工手段による表面加工とを交互に繰り返す、
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
2. 前記カンチレバーに押圧力を加える押圧力付与手段を有し、
   前記表面加工手段は、前記押圧力付与手段による前記押圧力により前記試料の表面を加工する、
   ことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
3. 前記押圧力付与手段は、
   前記カンチレバーに設けられた磁石と、
   前記磁石が存在する領域に磁界を発生させる磁界発生手段とを備える、
   ことを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
4. 前記試料の表面と前記探針との間に電界または磁界を発生させる手段を有し、
   前記表面加工手段は、前記探針に生じる静電力または磁力により前記試料の表面を加工する、
   ことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
5. 前記表面加工手段は、前記試料に振動を加えることにより前記外力を印加する、
   ことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
6. 走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の表面を加工する加工装置であって、
   前記試料を載置するステージと、
   前記試料の表面に対向して設けられるカンチレバーと、
   前記カンチレバーの変位を測定する変位測定手段と、
   前記カンチレバーと前記試料との相対位置を変化させながら、前記変位測定手段によりカンチレバーの変位を測定することにより、前記試料の表面性状画像を取得する表面性状画像取得手段と、
   前記試料の表面と前記カンチレバーの先端に設けられた探針との間に力を印加することにより、前記探針により前記試料の表面を加工する表面加工手段と、
   前記カンチレバーのばね定数を動的に変化させるばね定数変化手段と、を有し、
   前記表面性状画像取得手段による表面性状画像の取得と前記表面加工手段による表面加工とを交互に繰り返し、
   前記ばね定数変化手段は、前記表面性状画像取得手段による表面性状画像の取得時には前記カンチレバーのばね定数を小さくし、前記表面加工手段による表面加工時には前記カンチレバーのばね定数を大きくする、
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
7. 前記ばね定数変化手段は、前記カンチレバーの梁部に設けられた弾性力可変部材を含んでいる、
   ことを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
8. 前記弾性力可変部材は、形状記憶合金または磁歪素子である、
   ことを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
9. 前記ばね定数変化手段は、前記カンチレバー近傍に設けられた剛性部材を含んでおり、前記剛性部材を前記カンチレバーに機械的に結合させることにより前記カンチレバーのばね定数を大きくする、
   ことを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
10. 前記ばね定数変化手段は、
    前記剛性部材が、前記カンチレバーに対して前記試料の表面形状の取得時における前記カンチレバーの変位範囲を越えた位置に配置されており、
    前記表面加工手段は、前記カンチレバーの前記探針を前記試料の表面に押し付けた状態で加工を行う、
    ことを特徴とする請求項９記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
11. 前記ばね定数変化手段は、前記カンチレバーを多次モードにより振動させることにより、ばね定数を変化させる、
    ことを特徴とする請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
12. 前記走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡である、
    ことを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
13. 前記カンチレバーと前記試料との相対位置を変化させるためのカンチレバー操作子を有し、
    前記カンチレバー操作子は、前記変位測定手段によって測定された前記カンチレバーの変位をオペレータに操作反力として提示する力覚フィードバックデバイスである、
    ことを特徴とする請求項１〜１２いずれか記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。
14. 前記表面性状画像取得手段は、高速ＡＦＭである、
    ことを特徴とする請求項１〜１３いずれか記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた表面加工装置。