WO2002103328A1 - Cantilever array, method of manufacturing the array, and scanning probe microscope, sliding device of guide and rotating mechanism, sensor, homodyne laser interferometer, and laser doppler interferometer with specimen light excitation function, using the array, and cantilever - Google Patents

Cantilever array, method of manufacturing the array, and scanning probe microscope, sliding device of guide and rotating mechanism, sensor, homodyne laser interferometer, and laser doppler interferometer with specimen light excitation function, using the array, and cantilever Download PDF

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array
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Hideki Kawakatsu
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Definitions

  • Cantilever array manufacturing method thereof, scanning probe microscope using the same, slide device for rotating mechanism, sensor, homodyne laser interferometer, laser Doppler interferometer having optical excitation function of sample, and power cantilever Excitation method Technical field
  • the present invention relates to a force probe array in which nano-sized mechanical oscillators are arranged in an array of 1,000,000 or more per square centimeter, a manufacturing method thereof, a scanning probe microscope using the array, and a guide / rotation.
  • the present invention relates to a sliding device of a mechanism, a sensor, a homodyne laser interferometer, a laser Doppler interferometer having an optical excitation function of a sample, and a method of exciting a force lever. ⁇ :
  • the inventor of the present application has proposed a nano-cantilever in which one or more 100,000 nano-sized mechanical oscillators are arranged in an array per square centimeter. Disclosure of the invention
  • the nanocantilever had various problems in actual use.
  • the present invention utilizes a semiconductor processing technology, for example, on a Si wafer to produce a probe nano-sized mechanical oscillator having a natural frequency of 1 MHz to 1 GHz.
  • a chip in which the vibrator is in contact with the sliding surface is arranged, and a self-propelled probe or a cantilever-like member is applied to the vibrator.
  • Propagation amplifies the surface acoustic wave with an amplitude of several nm by the Q value of the vibrator to improve the efficiency of the actuator and the light modulator, and slides the sample surface with the cantilever member.
  • a scanning probe microscope that detects minute irregularities as a change in brightness from the reflection state of the light illuminated there.
  • Another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope that excites each cantilever with light and obtains an image from a change in vibration frequency, and a sensor that measures a substance or mass.
  • the present invention provides a cantilever array having a simple structure and capable of accurately detecting the surface of a sample, a method of manufacturing the same, a scanning probe microscope using the same, a sliding device for a guide / rotation mechanism, a sensor, and optical excitation of the sample. It is an object of the present invention to provide a laser Doppler interferometer having a function and an excitation method for a cantilever.
  • a cantilever array is characterized in that it has a number of compliant levers that slide on the surface of a sample.
  • the plurality of force cantilevers are arranged so that their respective natural frequencies are different.
  • a flat plate electrode is arranged so as to face the surface of the single-crystal silicon cantilever array, an electric field concentration occurs at the tip of each probe, and the needle-like crystal is formed in the normal direction of the substrate. It is characterized by growing.
  • each probe bears the own weight or external load of the tip having a force lever, and is passive so that the contact pressure of each probe falls within a certain range. Is controlled.
  • each probe bears the own weight and external load of the tip having a force cantilever and bears the load, and the surface pressure of each probe falls within a certain range. It is characterized by passive control.
  • the scanning probe microscope is characterized in that the displacement of a large number of cantilevers due to an optical lever is detected by an imaging device as minute luminance changes of a sample.
  • a scanning probe microscope irradiates light to the cantilever, and observes the interference brightness according to the microcavity length of each force cantilever as a reference plane using an imaging device. I do.
  • the cantilever is irradiated with light, and the interference luminance according to the microcavity length of each cantilever as a reference plane is observed using an imaging device.
  • a scanning probe microscope is characterized in that the displacement of a large number of cantilevers caused by an optical interferometer is detected by an imaging device as minute luminance changes in a sample.
  • the displacement of a large number of cantilevers caused by an optical interferometer is detected by an imaging device to detect minute irregularities of a sample as a change in luminance.
  • a heterodyne laser Doppler meter is used for detecting vibration of a cantilever.
  • a heterodyne laser Doppler meter is used for detecting vibration of a cantilever.
  • an optical microscope is provided coaxially with a cantilever detection optical system.
  • An optical fiber type homodyne laser interferometer is characterized by having a micro cantilever detection optical system for positioning a laser spot on a micro cantilever.
  • the sample is irradiated with modulated light through the cantilever using the output signal of the laser Doppler interferometer, and It is characterized in that vibration of a sample is excited and frequency characteristics and mechanical characteristics of the sample are measured.
  • the light is modulated using a signal whose frequency is swept by a network analyzer, and the sample is excited using this light. Then, the frequency characteristic of the sample is measured by connecting the output of the laser Doppler interferometer, which simultaneously observes the vibration of the sample, to the signal input of the network analyzer.
  • the interaction between the tip and the sample, and the mass attached to the tip of the force cantilever Is characterized by detecting a change in the self-excited oscillation frequency or a change in the self-excited oscillation amplitude and phase.
  • a substrate having a large number of cantilevers is irradiated with light of a fixed amount and a fixed wavelength from the back thereof, thereby self-exciting all of the force cantilever at respective natural frequencies. It is characterized by making it.
  • a substrate on which a number of force cantilevers are arranged is irradiated with light whose intensity is modulated from the back surface, thereby matching the modulation frequency with the natural frequency of the cantilever. It is characterized by the following.
  • a method of exciting a cantilever characterized in that the cantilever array itself or an object supported by the force cantilever array is displaced by using the set of cantilevers vibrating in the force cantilever array. I do.
  • sensing and machining are performed using a set of force cantilever vibrating in the cantilever array.
  • the cantilever array is irradiated with a fixed amount of light to excite the cantilever to vibrate, thereby changing the space between the air gaps at a certain frequency, thereby causing reflected light or transmitted light. It is characterized by modulating the amount of light at the same frequency.
  • a fixed amount of light is applied to a cantilever array consisting of a set of cantilevers having different natural frequencies, and light modulated at multiple modulation frequencies is reflected or transmitted. It is characterized by being obtained as light.
  • the method of exciting a cantilever is characterized by irradiating a fixed amount of light to the cantilever array, thereby generating a traveling wave on the cantilever surface, thereby modulating the frequency of reflected light or transmitted light.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a nano force Nchireba one Arei showing a first embodiment of the present invention
  • c is a third schematic diagram of a nano-force Nchirebaarei showing a second embodiment of the present invention
  • the figure is a schematic view of a nano-cantilever array showing a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a nano-force cantilever array showing a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory view of a method for growing a needle-like crystal according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of a self-propelled scanning probe microscope showing a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of a scanning probe microscope, a substance sensor, and a mass sensor according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of a scanning probe microscope, a substance sensor, and a mass sensor showing an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a scanning microscope, a material sensor, and a mass sensor (part 1) using a heterodyne laser Doppler meter according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor (part 2) using a heterodyne laser Doppler meter, showing the eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic view of a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor (part 3) using a heterodyne laser Doppler meter, showing the 11th embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor (part 4) using a heterodyne laser Doppler meter showing a thirteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic view of a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor having an optical microscope showing the 14th embodiment of the present invention coaxially with a cantilever detection optical system.
  • FIG. 14 is a block diagram of a cantilever excitation device showing a fifteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of an optical fiber type homodyne laser interferometer for a micro cantilever showing a 16th embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a configuration diagram of an optical fiber type homodyne laser interferometer for a micro force cantilever for observing an image of a cantilever or a sample, showing a seventeenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a block diagram of a device for measuring the characteristics of a sample using a laser Doppler interferometer having a sample optical excitation function, showing the 18th embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic view of an apparatus for measuring the frequency characteristics of a sample according to the 19th embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method according to a 20th embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a twenty-first embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a twenty-second embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a twenty-third embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a twenty-fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a twenty-fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a 26th embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of a nano force array showing a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a sample (substrate)
  • 2 is a sliding surface of the substrate 1
  • 3 is a nanocantilever array
  • 4 is a number of compliant nanocantilever (oscillator)
  • the nano-cantilever array 3 including a large number of compliant cantilevers 4 is used in the sliding direction 5, it is possible to realize a condition in which the sliding surface 2 hardly reaches wear conditions.
  • FIG. 2 is a schematic view of a nano-forced array showing a second embodiment of the present invention.
  • 11 is the sample (substrate)
  • 12 is the surface of the substrate
  • 13 is the nanocantilever array densely arranged on the surface 12 of the substrate
  • 14 is the cantilever (vibrator).
  • 15 is the propagation direction of the surface acoustic wave
  • 16 is the vibration direction of the cantilever 14.
  • the cantilever 14 is densely arranged on the surface 12 of the substrate 11, and the surface acoustic wave is propagated to the substrate 11. Since the nanocantilever array 13 has a Q value of about 10,000 in a vacuum, a surface acoustic wave having an amplitude of several nm is amplified by the Q value of the cantilever (oscillator) 14.
  • the shape of the cantilever and the symmetry and asymmetry with respect to the support can be changed according to the purpose.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a nano force array formed so as to have different natural frequencies according to a third embodiment of the present invention.
  • I 1 is the sample (substrate)
  • 22 is the top surface of the substrate
  • 23 is the cantilever array
  • 24 A to 24 E is the cantilever
  • 25 is the probe mass
  • 16 is the sample
  • 17 is the cantilever Is the vibration direction.
  • cantilevers 24A to 24E are manufactured such that the natural frequencies of the cantilevers are different.
  • cantilever 24 A is the cantilever with the highest natural frequency (low probe mass)
  • cantilever 24 E is the cantilever with the lowest natural frequency (high probe mass).
  • change the size of the probe which is the mass of the cantilever, or change the length of the cantilever.
  • the slope of the top silicon layer on the SOI substrate must be pre-set.
  • a specific sample 16 is fixed to the cantilever array 13 and spectroscopy can be performed.
  • any of the cantilevers 24A to 24E having the natural frequency closest to the specific frequency characteristic of the sample 26 reacts and is detected as the vibration amplitude of the cantilever.
  • FIG. 4 is a view showing a force-tilever array made of single-crystal silicon showing a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 (a) is a perspective view of the cantilever array
  • FIG. 4 (b) is It is the expansion perspective view.
  • 31 is a base substrate
  • 32 is a cantilever array
  • 33 is an opposing probe
  • 34, 35 are electrodes
  • 36 is a power supply.
  • each row of the cantilever array 32 made of single crystal silicon is controlled to generate a high electric field between the opposing probes 33.
  • the single-crystal silicon cantilever array is electrically insulated from the silicon of the base substrate 31 by a layer of silicon oxide for each row of cantilevers. Therefore, it is possible to externally apply a potential to each column by wiring or charge irradiation.
  • FIG. 5 is an explanatory view of a method of growing a needle crystal according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 41 is a chamber
  • 42 is a gas inlet
  • 43 is a gas outlet
  • 44 is a substrate
  • 45 is the upper surface of the substrate 44
  • 46 is a single crystal silicon cantilever array
  • 47 is A needle crystal growth site
  • 48 is a plate electrode
  • 49 is an AC power supply
  • 50 is a lead wire.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a self-propelled scanning probe microscope showing a sixth embodiment of the present invention. You.
  • 51 is a sample
  • 52 is a sliding surface of the sample 51
  • 53 is a probe (nano cantilever array)
  • 54 is a number of compliant nano cantilevers-(oscillator)
  • 5 5 is the sliding direction of the sample 51.
  • This embodiment is configured as a self-propelled scanning probe microscope or a guide mechanism, and as shown in FIG. 1, each probe 53 shares its own weight of the tip having each cantilever 54.
  • the probe is passively controlled so that the contact pressure at each probe 53 falls within a certain range. Therefore, a self-propelled scanning probe microscope that can perform scanning with a force of several 10 nN or less without performing active control in the normal direction of the probe can be realized.
  • Displacement measurement of the cantilever 54 targets one, several, or all of the cantilever array 53. .
  • a method of generating a standing wave of light between the substrate and the cantilever 54 for self-running, and causing each cantilever to generate anisotropic vibration in the sliding direction 55 generated from its structure used.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a scanning probe microscope and a substance or mass sensor showing a seventh embodiment of the present invention.
  • 61 is a sample
  • 62 is the surface of the sample 61
  • 63 is a probe (nano cantilever array)
  • 64 is a number of compliant nanocantilever-(oscillator)
  • 65 Is an anti-reflection film
  • 66 is a beam splitter half mirror
  • 67 is an optical lever incident light
  • 68 is a reflected light
  • 69 is an imaging lens
  • 70 is an imaging device (imaging element) such as a CCD camera.
  • 60 is the sliding direction of the sample 61.
  • the optical lever incident light 67 is incident on the probe 63, and the reflected light 68 as the minute unevenness of the surface 62 of the sample 61 is changed by the displacement of the nanocantilever 64 to form the imaging lens 6. It is taken into the imaging device 70 via 9. '
  • the cantilever 64 is observed using the imaging lens 69 and an imaging device 70 such as a CCD camera, and the cantilever 64 is irradiated with light lever incident light 67.
  • Each cantilever The reflected light 68 is incident on the imaging device 70 according to the attitude of the levers 64. Due to the angular displacement of the cantilever 64, minute irregularities on the surface 62 of the sample 61 are converted into an image pickup device 70 such as a CCD as a luminance change.
  • the entire surface of the sample can be observed using a large number of force levers by the optical lever incident light.
  • FIG. 8 is a schematic view of a scanning probe microscope, a substance sensor, and a mass sensor showing an eighth embodiment of the present invention.
  • 71 is the sample
  • 72 is the surface of the sample 71
  • 73 is the micro-interference cavity of the probe (nano-cantilever array)
  • 74 is a number of compliant nano-cantilevers (oscillators)
  • 7 5 is a reference plane
  • 76 is a beam splitter half mirror
  • 77 is incident light
  • 78 is reflected light
  • 79 is an imaging lens
  • 80 is an imaging device (imaging element) such as a CCD camera. .
  • the cantilever 74 is observed using the imaging lens 79 and the imaging device 80 such as a CCD camera, and the cantilever 74 is irradiated with light. Interference luminance corresponding to the microcavity length that each cantilever 74 forms with the reference plane 75 enters the imaging device 80.
  • an SLD super luminescent diode
  • a method of reducing interference caused by means other than an optical lever an SLD (super luminescent diode) or the like is used as a light source.
  • a method that uses a low coherence light source or a white light source to limit the range of positions where interference occurs, and to reduce the effects of parasitic interference.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a scanning microscope, a material sensor, and a mass sensor (No. 1) using a heterodyne laser Doppler system according to a tenth embodiment of the present invention.
  • 90 is an optical fiber
  • 91 is a laser emission part
  • 92 is a quarter-wave plate
  • 93 is a half mirror
  • 94 is an objective lens
  • 95 is an xy z piezos canner of a sample 96
  • 96 is a sample
  • 97 is a cantilever
  • 98 is a mirror
  • 99 is an imaging lens
  • 100 is an xy stage
  • 101 is an imaging device (imaging element) such as a CCD camera
  • 103 is an optical unit of the 102: X-yz positioning mechanism
  • 104 is an AFM base plate
  • 105 is a vacuum chamber partition
  • 106 is a stage support spring.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor (part 2) using a heterodyne laser Doppler meter, showing the eleventh embodiment of the present invention.
  • 110 is a vacuum chamber
  • 111 is an optical semiconductor device
  • 112 is an electrode
  • 113 is a lead wire for supplying power to the electrode 112
  • 114 is Is the xy z piezo scanner for the sample
  • 1 15 is the sample
  • 1 16 is the cantilever
  • 1 17 is the objective lens
  • 1 18 is the reflected light
  • 1 19 is the imaging lens
  • 1 20 is the xy stage
  • 1 21 is an imaging device (imaging element) such as a CCD camera.
  • FIG. 11 is a schematic view of a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor (part 3) using a heterodyne laser doppler according to a 12th embodiment of the present invention.
  • 1 2 2 is a vacuum chamber for sample preparation
  • 1 2 3 to 1 2 5 are a sample
  • a cantilever transport rod 1 2 6 is an optical fiber
  • 1 2 7 is an optical unit
  • 1 2 8 is a laser emission unit.
  • Reference numeral 19 denotes a beam splitter
  • reference numeral 130 denotes a sample
  • reference numeral 131 denotes a cantilever
  • reference numeral 132 denotes an imaging device (imaging element) such as a CCD camera.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor (part 4) using a heterodyne laser Doppler meter showing a thirteenth embodiment of the present invention.
  • 133 is a sample preparation vacuum chamber
  • 134 and 135 are samples
  • cantilever transport rods 130 is a sample observation vacuum chamber
  • 133 is an optical fiber
  • 1388 is a cantilever.
  • Detection optical system 139 is a laser emission section xyz stage
  • 140 is a laser Doppler emission section
  • 141 is a sample xyz stage
  • 144 is a sample
  • 144 is a cantilever
  • 144 is a CCD camera And the like (imaging device).
  • a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor using a heterodyne laser Doppler meter can be configured.
  • a terodyne laser doppler can be used for detecting the vibration of the force cantilever.
  • the optical lever mechanism which has been widely used in the past, reduces the detection resolution when the laser spot is made smaller.
  • the laser spot diameter can be reduced to the order of 1 micron, and in principle, reducing the spot diameter, unlike an optical lever meter, does not degrade detection sensitivity.
  • the laser doppler meter can be used to detect the vibration of a small force cantilever having a high natural frequency. That is, by performing heterodyne measurement, detection with a higher SN ratio can be performed.
  • the tenth to thirteenth embodiments described above can also be applied to measuring the torsion of a cantilever, detecting the torsional natural vibration of a rigid cantilever having a high frequency, and measuring the amplitude of the in-plane vibration amplitude of the probe. Applicable to measurement.
  • FIG. 13 is a schematic view of a scanning force microscope, a material sensor, and a mass sensor having an optical microscope showing the 14th embodiment of the present invention coaxially with a cantilever detection optical system.
  • reference numeral 15 1 denotes a laser emission part
  • reference numeral 15 2 denotes a quarter-wave plate
  • reference numeral 15 3 denotes a dichroic aperture mirror
  • reference numeral 15 4 denotes an objective lens
  • reference numeral 15 5 denotes a force cantilever
  • reference numeral 15. 6 is an imaging lens
  • 157 is an imaging device (imaging element) such as a CCD camera.
  • the laser spot is positioned on the micro-vibrator using the visual information of the optical microscope. It becomes possible.
  • FIG. 14 is a configuration diagram of a cantilever excitation device according to a fifteenth embodiment of the present invention.
  • the configuration is such that the Itoyoshi image lens 156, the CCD 157 and the dichroic mirror 153 in the above-mentioned 14th embodiment are removed.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of an optical fiber type homodyne laser interferometer for a small cantilever showing a 16th embodiment of the present invention.
  • 160 is an optical fiber
  • 161 is a first support member
  • 162 is a laser emission section
  • 163 is a beam splitter
  • 164 is a second support member
  • Reference numeral 166 denotes a mirror positioning mechanism
  • reference numeral 166 denotes a reference mirror
  • reference numeral 167 denotes an objective lens
  • reference numeral 168 denotes a cantilever supporting member
  • reference numeral 169 denotes a cantilever.
  • the use of the optical fiber 160 facilitates the introduction of light into a vacuum environment or a low-temperature environment and facilitates optical measurement, and the collimating lens (not shown) and A single splitter, a reference mirror, a reference mirror, an objective lens, etc. are placed, and the focal point of a micron-sized laser is placed at least 1 mm away.
  • a higher signal-to-noise ratio can be realized, and higher freedom in space design can be provided. With this configuration, all of the above problems (1) to (4) can be solved.
  • FIG. 16 is a configuration diagram of an optical fiber type homodyne laser interferometer for a small cantilever for observing an image of a cantilever or a sample, showing a seventeenth embodiment of the present invention.
  • 170 is an optical fiber
  • 1701 is a laser emitting section
  • 1702 is a die-croiked mirror
  • 173 is a first support member
  • 174 is a beam splitter
  • 175 is a beam splitter.
  • 1 76 is a mirror positioning mechanism
  • 1 77 is a reference mirror
  • 1 78 is an objective lens
  • 1 79 is a cantilever support member
  • 180 is a cantilever
  • 1 is a camera It is.
  • measurement light is introduced using the dichroic mirror 1702, and image observation is performed by the camera 181 using light transmitted through the dichroic mirror 1702.
  • image observation is performed by the camera 181 using light transmitted through the dichroic mirror 1702.
  • the frequency that can be excited by a piezo element is affected by the thickness of the element, the speed of sound in the element, temperature, the structure of the element, etc., and the piezo element itself has its own frequency characteristics. This problem becomes more pronounced when the excitation frequency is about MHz or higher.
  • the vibration that can be excited by an element obtained by bonding an electrode and an insulating plate to a piezo element with a thickness of 50 m is up to about several MHz, and beyond that, it can be excited only at discrete frequencies.
  • the cause is that even when exciting the cantilever, the excitation characteristics are measured by the method of fixing the piezo element and the cantilever. It is conceivable that a difference occurs in the result and the measurement efficiency.
  • a piezo element for vibration excitation must be provided on the force-lunch lever support member, and wiring to the piezo element must be performed, which complicates the apparatus.
  • a laser Doppler interferometer having a function of measuring a sample in a high-frequency region or a vacuum environment and having an optical excitation function of a sample that enables miniaturization and high reliability is provided.
  • FIG. 17 is a block diagram of a device for measuring the characteristics of a sample using a laser Doppler interferometer having an optical excitation function of the sample, showing the 18th embodiment of the present invention.
  • the device for measuring the characteristics of a sample includes an optical excitation unit 200, a signal processing unit 300, a laser Doppler interference unit 400, an AFM (atomic microscope) sample stage control unit 500, and a network analyzer 600. .
  • the optical pumping unit 200 includes a laser diode (LD) driver 201, a laser diode (LD) 202 driven by a D driver 201, and a mirror 203.
  • LD laser diode
  • LD laser diode
  • the signal processing section 300 includes a first switch (swl) 301, a second switch (sw2) 302, a digitizer 303, a phase shifter 304, a filter 305, and an amplifier 306.
  • the laser Doppler interference section 400 is composed of a He—Ne laser 401, a first PBS (a volatilizing beam splitter) 402, a second PBS 403, a multiplexer 404, a lens 405, a polarization preserving fiber 406, Sensor head (laser emission part) 407 (Lens; L / 4 wavelength plate-lens assembly), Nano cantilever 408, Probe 408 A, Mira 409, AOM (Acoustic light modulator) 4 10, ⁇ / 2 wave plate 4 11, third PBS 4 12, polarizer 4 13, photodiode 4 14, BPF (bandpass filter) 4 15, amplifier 4 16, 4 18 423, Digitizers 4 17 and 4 19, delay line 420.
  • the AFM sample stage control section 500 includes a DBM 501 connected to an LO (local oscillator), a controller 502, a sample 503, and a piezo element 504 of the sample 503.
  • LO local oscillator
  • the network analyzer 600 has a signal input terminal 601 and an evaluation output terminal 602.
  • the output light of a laser diode (LD) 202 having a wavelength of 780 nm is converted to a He-Ne (helium-neon) laser having a wavelength of 632 nm.
  • the sample is superimposed on the measurement light of the laser Doppler interferometer 401 and introduced into the polarization-maintaining fiber 4 06 with a 4-m core, and the sample 50 0 passes through the laser emission section 4 07 and the nano force anti-lever 4 0 8. Irradiate 3
  • the wavelength is not limited to the above.
  • the output signal of the laser Doppler interference unit 400 is phase-shifted, amplified, filtered or binarized in some cases, and the signal is used to modulate the laser diode 202 having a wavelength of 78 nm. Do.
  • This makes it possible to generate self-excitation at the natural frequency of the sample 503.
  • by selecting one characteristic of the filter it is possible to excite a specific vibration mode, and it is possible to realize self-excitation of a three-dimensional structure as a sample on the order of nanometers to microns. .
  • the cantilever 408 which is a force detecting element of the scanning probe microscope, with light
  • the cantilever 408 is self-excited, and the change in the self-excited frequency causes the cantilever 408 to change. It is possible to detect the interaction between the probe 408 A placed at the tip and the sample 503 and the change in mass.
  • the light generated by the LD 202 for exciting the vibration of the cantilever 408 is superimposed on the optical measurement probe light 401 of the laser Doppler interference unit 400.
  • the excitation light is subjected to processing such as phase shift, binarization and amplification to the velocity signal output of the laser Doppler interference unit 400, and the signal is used to control the light source such as the laser diode 202 using the signal.
  • the vibration peculiar to the object to be measured by the laser Doppler interferometer is excited, and the measurement of the frequency characteristic of the object to be measured and the measurement and processing using the vibration become edible.
  • FIG. 18 is a schematic view of an apparatus for measuring the frequency characteristics of a sample according to the nineteenth embodiment of the present invention.
  • reference numeral 701 denotes a laser
  • reference numeral 702 denotes a lens
  • reference numeral 703 denotes a lens supporting portion thereof
  • reference numeral 704 denotes an interference cavity (gap)
  • reference numeral 705 denotes a sample
  • reference numeral 706 denotes a sample supporting portion.
  • the sample 705 is converted into a laser Doppler interferometer by using a laser 701 as a measuring light of a constant light amount and an interference cavity 704 of which the sample 705 forms one end.
  • Self-excitation is performed at the natural frequency, and its amplitude, speed, and frequency are measured using a laser Doppler interferometer.
  • the optical cavity on which the sample 705 is located and the interference cavity 704 are generated.
  • the interference cavity 704 is formed at an integral multiple of 1/2 wavelength of the laser Doppler interferometer, the sample 705 oscillates. The vibration coincides with the natural frequency of the sample 705. This vibration is measured by a laser doppler interferometer.
  • the test can be performed without using modulated light for optical excitation.
  • the material can be excited by vibration.
  • the excitation function using light is applied to a vibrating structure to perform actuation, processing, and sensing.
  • a vibrating structure to perform actuation, processing, and sensing.
  • self-excitation or vibration caused by intensity-modulated light is described in the following paper. It is already known.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a twentieth embodiment of the present invention.
  • 800 is a substrate
  • 801 is an interference cavity
  • 802 is a plurality of cantilevers with probes each having an interference cavity 801 formed on the substrate 800
  • 803 is a cantilever composed of the cantilevers 802. — Array
  • 804 is laser light.
  • the interval (interference cavity length) between the interference cavity (gap) 801 existing between the cantilever array 803 and the substrate 800 is selected to be an integral multiple of the wavelength used for optical excitation, and a certain amount of vibration is excited from the back of the substrate 800.
  • the laser light 804, which is light, is emitted.
  • the cantilever 802 is self-excited due to the standing wave of light existing in the interference cavity (gap) 801 and the change in the characteristics of the cantilever 802 due to the light. Even if the natural frequencies of the cantilevers 802 constituting the cantilever array 803 are not the same, each cantilever 802 generates self-excitation at its natural frequency.
  • FIG. 20 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method according to a twenty-first embodiment of the present invention.
  • 800 is a substrate
  • 815, 816, 817, 818 are cantilevers with a probe formed on the substrate 800 and having interference cavities 81 1, 81, 813, 814, respectively, and 819 is those cantilevers.
  • a cantilever array composed of 5, 816, 817, and 818, and 820 is a constant amount of laser light (wavelength; I).
  • the cantilever array 819 for each set 815, 816, 817, 818 of the force cantilever, the space between the interference cavities 811, 812, 813, 814 formed with the substrate 800 is changed. As a result, the wavelength of the vibration excitation light can be selected, and only the intended set of cantilevers can be excited.
  • FIG. 21 is an explanatory view of a cantilever excitation method according to a twenty-second embodiment of the present invention.
  • 800 is a substrate
  • 832 is a cantilever with a probe having an interference cavity 83 1 formed on the substrate 800
  • 833 is a cantilever array constituted by the cantilever 1 832
  • 834 is a bow fluorescence modulated.
  • Laser light a laser beam 834, which is a vibration excitation light whose light intensity has been modulated, is irradiated from the back of the substrate 800 of the cantilever array 833.
  • the cantilever 832 whose excitation frequency matches the natural frequency is excited. This makes it possible to selectively excite a specific set of cantilevers.
  • FIG. 22 is an illustration of a cantilever excitation method showing a twenty-third embodiment of the present invention.
  • 800 is a substrate
  • 842 is a cantilever with a probe having an interference cavity 841, formed on the substrate 800
  • 843 is composed of those cantilevers -842.
  • Cantilever array, 844 is a constant intensity laser beam (wavelength ⁇ )
  • 845 is the trajectory of the tip of the probe
  • 846 is the slider
  • 847 is the displacement direction of the slider-846 .
  • the substrate 800 which has 100,000 cantilevers with probes per square centimeter, has a weight of about 0.1 g, so if all probes support their own weight, The tip will bear a load of 1 nN.
  • vibration of the cantilever 842 is excited. If the tip of the probe has anisotropy that describes elliptical vibration, the substrate 800 having the cantilever array 843 is displaced in the in-plane direction with the excitation of the vibration.
  • the probe when the probe is directed upward and the slider 846 as an object is placed thereon, the slider 846 is displaced. When all the probes touch the slider 846 at the same time, the Q value of the slider 846 drops, and if the vibrating body cannot store enough vibration energy, the height of the probe becomes uneven.
  • the probe should be designed to reduce the frequency of contact between the probe and the slider.
  • FIG. 23 is an explanatory view of a cantilever excitation method showing a twenty-fourth embodiment of the present invention.
  • 800 is a substrate
  • 855, 856, 857, 858 are interference cavities 851, 852, 853, formed on the substrate 800.
  • 8 5 4 cantilever (8 5 5 is a cantilever with a reaction membrane a, 8 5 6 is a cantilever with a reaction membrane b, 8 5 7 is a cantilever with a reaction membrane c, 8 5 8 is a cantilever with a reaction membrane d 1), 859 is a cantilever array composed of those cantilevers, 860 is a constant amount of laser light (wavelength: L).
  • a specific thin film is applied to a set of cantilevers to react with a specific substance.
  • a vibration frequency or a light wavelength is selected by the above-described method so that the set of force chambers is vibrationally excited. This makes it possible to calculate the total ij using only a specific set of cantilevers in the cantilever array 859.
  • FIG. 24 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a twenty-fifth embodiment of the present invention.
  • 800 is a substrate
  • 862, 863, 864, 865, and 8666 are natural frequencies having an interference cavity 861 formed on the substrate 800.
  • 687 is a cantilever array composed of those cantilevers
  • 868 is a constant intensity laser beam (wavelength ⁇ ) emitted from the back of the substrate 800
  • 869 Is a laser beam (wavelength: 0) having a different intensity modulation frequency.
  • a constant intensity laser beam 8668 is emitted to the cantilever array 867, thereby exciting the vibrations of the cantilevers 862, 863, 864, 865, 866, As a result, the interval between the interference cavities 861 is changed at a certain frequency, thereby modulating the amount of reflected light and transmitted light at the same frequency.
  • a cantilever array 867 composed of a collection of cantilevers having different natural frequencies is irradiated with a laser beam 868 having a constant intensity
  • light 869 modulated at a plurality of modulation frequencies is reflected or transmitted.
  • FIG. 25 is an explanatory diagram of a cantilever excitation method showing a 26th embodiment of the present invention.
  • 800 is a substrate
  • 872, 873, 874, 875, and 876 are natural frequencies having an interference cavity 871 formed on the substrate 800
  • Each of the different cantilevers, 877 is a force array formed by the cantilevers
  • 878 is a laser beam (wavelength; I) having a constant intensity irradiated from the back of the substrate 800
  • 8 7 9 is incident light of a certain wavelength irradiated from obliquely above the substrate 800
  • the cantilever array 877 is irradiated with a laser beam 877 with a constant intensity to generate a wave on the surface of the cantilever 877, thereby modulating the frequency of reflected light or transmitted light.
  • the structure for generating photoacoustic modulation is not limited to a cantilever, but may include a vibrating structure such as a beam supported at both ends.
  • a scanning force microscope using a heterodyne laser Doppler meter can be constructed. That is, the heterodyne laser Doppler meter can be used for vibration detection of the cantilever.
  • the laser spot can be positioned on the micro-vibrator using the visual information of the optical microscope.
  • the device By performing both excitation and detection using light, the device can be simplified, downsized, and highly purified in a special environment such as ultra-high vacuum or cryogenic temperature.
  • the sample When irradiating the sample with the measurement light of the laser Doppler interferometer, the sample is arranged so as to cause interference cavity with an optical surface on which the sample is located, so that the sample is self-excited at the natural frequency of the sample, and the laser Doppler interferometer is operated. It can be used to measure its amplitude, speed, and frequency.
  • the present invention can detect the nano-order of the sample surface, improve the efficiency of the actuator and the light modulation element, detect minute irregularities as a change in luminance, detect the vibration of the cantilever, evaluate a large number of samples, and evaluate the natural frequency of the sample. Measurement, amplitude, velocity, and frequency of the sample, self-excitation, material selection, substance recognition, light modulation, and mass sensing, and are particularly suitable as a device or sensor for measuring the characteristics of the sample. .

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Description

明 細 書 カンチレバーアレイ、 その製造方法及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡、 案 内 ·回転機構の摺動装置、 センサ、 ホモダインレーザ干渉計、試料の光励振機能 を有するレーザドッブラ一干渉計ならびに力ンチレバーの励振方法 技術分野
本発明は、 ナノサイズの機械振動子を 1本もしくは 1平方センチあたり 1 0 0 万個以上ァレイ状に配列した力ンチレバ一ァレイ、 その製造方法及びそれを用い た走査型プローブ顕微鏡、案内 ·回転機構の摺動装置、 センサ、 ホモダインレー ザ干渉計、試料の光励振機能を有するレーザドッブラ一干渉計ならびに力ンチレ バ一の励振方法に関するものである。 冃：
本願発明者は、 ナノサイズの機械振動子を 1本もしくは 1平方センチあたり 1 0 0万個以上アレイ状に配列したナノカンチレバーに関する提案を行ってきた。 発明の開示
しかしながら、 そのナノカンチレバーは、 実際の使用にあたって種々の問題が あった。
本発明は、 更なるナノカンチレバ一の改善を図るために、 例えば S iウェハ上 に半導体加工技術を活用して、 その固有振動数が 1 MH zから 1 G H zというプ ローブナノサイズ機械振動子を形成し、 その振動子を摺動面に接触させたチップ を配置し、 自走式プローブとしたり、該振動子にカンチレバ一状の部材を付与し、 更に振動を加えた上、 表面弾性波 伝搬させることにより、 振幅が数 nmの表面 弾性波を振動子の Q値によつて増幅させて、 ァクチユエ一夕や光変調素子の効率 を向上させたり、該カンチレバー状部材で試料表面を摺動させながら、 そこに照 射された光の反射状況から微小凹凸を輝度変化として検出する走査型プローブ顕 微鏡を提供する。 また、各カンチレバ一を光で励振し、 振動周波数の変化から像を得る走査型プ 口一ブ顕微鏡、物質や質量の測定を行うセンサを提供することを目的とする。 本発明は、構成が簡単で、 的確な試料表面の検出が可能なカンチレバーアレイ、 その製造方法及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡、 案内 ·回転機構の摺動装 置、 センサ、試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計ならびにカンチ レバ一の励振方法を提供することを目的とする。
本発明は、 上記目的を達成するために、
〔 1〕 カンチレバ一アレイにおいて、 試料の表面上を摺動する多数のコンプラ イアン卜な力ンチレバーを具備することを特徴とする。
〔 2〕 上 Ϊ3 〔 1〕 記載の力ンチレバ一ァレイにおいて、 前記力ンチレバーァレ ィを前記試料の表面に密に配置し、 前記試料に表面弾性波を伝搬させることを特 徴とする。
〔3〕 カンチレバーアレイにおいて、複数の力ンチレバーのそれぞれの固有振 動数が異なるように配置されることを特徴とする。
〔4〕 カンチレバ一アレイの製造方法において、単結晶シリコンから作製した 力ンチレバーァレイの各列の電位を制御し、 対向する探針間に高電界を生じさせ ることにより、液中の電気泳動や、 気体中での電界を用いたウイスカ結晶の方向 性を指定して成長制御することを特徴とする。
〔5〕 上記 〔4〕記載のカンチレバーアレイの製造方法において、前記ウイス 力結晶が力一ボンナノチュ一ブであることを特徴とする。
〔 6〕 カンチレバ一ァレイの製造方法において、単結晶シリコンカンチレバ一 ァレイの面と対向する形で平板電極を配置し、 各探針先端に電界集中を生じさせ、 基板法線方向に針状結晶の成長を行うことを特徴とする。
〔 7〕 走査型プローブ顕微鏡において、 各プローブは各々が力ンチレバ一を有 するチップの自重や外部荷重を分担して受け持ち、 かつ前記各プローブでの面圧 がある範囲内に収まるように受動的に制御することを特徴とする。
〔 8〕 案内 '回転機構の摺動装置において、各プローブは各々が力ンチレバー を有するチップの自重や外部荷重を分担して受け持ち、 かつ前記各プローブでの 面圧がある範囲内に収まるように受動的に制御することを特徴とする。 〔9〕走査型プローブ顕微鏡において、光てこによる多数のカンチレバーの変 位を撮像装置により、微小な試料の凹凸を輝度変化として検出することを特徴と する。
〔 1 0〕 物質又は質量センサにおいて、光てこによる多数のカンチレバーの変 位を撮像装置により、微小な試料の凹凸を輝度変化として検出することを特徴と する。
〔 1 1〕 走査型プロ一ブ顕微鏡において、 カンチレバーに光を照射し、 この各 力ンチレバ一が基準面となすマイクロキヤビティ長に応じた干渉輝度を撮像装置 を用いて観察することを特徴とする。
〔 1 2〕 物質又は質量センサにおいて、 カンチレバーに光を照射し、 この各力 ンチレバーが基準面となすマイクロキヤビティ長に応じた干渉輝度を撮像装置を 用いて観察することを特徴とする。
〔 1 3〕 走査型プローブ顕微鏡において、 光干渉計による多数のカンチレバー の変位を撮像装置により、微小な試料の凹凸を輝度変化として検出することを特 徴とする。
〔 1 4〕 上記 〔 1 3〕 記載の走査型プローブ顕微鏡において、 光源として低コ ヒ一レンス光源、を用い、干渉の生じる位置の範囲を制限し、寄生干渉の影響を低 減することを特徴とする。
〔 1 5〕 物質又は質量センサにおいて、光干渉計による多数のカンチレバーの 変位を撮像装置により、 微小な試料の凹凸を輝度変化として検出することを特徴 とする。
〔 1 6〕 上記 〔 1 5〕 記載の物質又は質量センサにおいて、光源として低コヒ 一レンス光源を用い、 干渉の生じる位置の範囲を制限し、 寄生干渉の影響を低減 することを特徴とする。
〔 1 7〕 走査型プローブ顕微鏡において、 ヘテロダインレーザドップラー計を 力ンチレバーの振動検出に用いることを特徴とする。
〔 1 8〕 物質又は質量センサにおいて、 ヘテロダインレーザドップラー計を力 ンチレバーの振動検出に用いることを特徴とする。
〔 1 9〕 走査型プローブ顕微鏡において、 光学顕微鏡をカンチレバー検出光学 系と同軸に持つことを特徴とする。
〔2 0〕 物質又は質量センサにおいて、光学顕微鏡をカンチレバー検出光学系 と同軸に持つことを特徴とする。
〔2 1〕 光ファイバ式ホモダインレーザ干渉計において、 微小カンチレバーに レーザスポットを位置決めする微小カンチレバ一検出光学系を具備することを特 徴とする。
〔 2 2〕 上記 〔 2 1〕 記載の光ファイバ式ホ ΐダインレーザ干渉計において、 前記微小力ンチレバーにレーザスポットを位置決めする微小力ンチレバ一検出光 学系と、 この微小力ンチレバ一検出光学系と同軸に光学顕微鏡を具備することを 特徴とする。
〔2 3〕 試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計において、 このレ —ザドップラー干渉計の出力信号を用いてカンチレバ一を介して前記試料に変調 された光を照射し、 この照射光により試料の振動を励起し、前記試料の周波数特 性や機械的特性を計測することを特徴とする。
〔 2 4〕 上言己〔 2 3〕記載の試料の光励振機能を有するレーザドッブラ一干渉 計において、前記レーザドップラー干渉計をループに含む自励ループを構成する ことを特徴とする。
〔2 5〕 上記 〔2 3〕 記載の試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉 計において、 ネットワークアナライザにより周波数を掃引した信号を用いて光を 変調し、 この光を用いて試料の振動を励起し、 前記試料の振動を同時に観察して いる前記レーザドッブラ一干渉計の出力を前記ネットワークアナライザの信号入 力に接続することによって、前記試料の周波数特性を計測することを特徴とする。
〔 2 6〕 上記 〔 2 3〕 記載の試料の光励振機能を有するレ一ザドッブラ一干渉 計において、前記振動励起のための光を、前記レーザドップラー干渉計の計測光 に重畳することにより、一本の光路により振動計測と振動励振を行なうことを特 徴とする。
〔2 7〕 上記 〔2 3〕記載の試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉 計において、前記カンチレバーの固有振動数の自励を実現し、 それにより前記力
-先端と前記試料の相互作用や、前記力ンチレバー先端に付着した質量 の変化を、 自励振動周波数の変化や、 自励振動振幅、 位相の変化として検出する ことを特徴とする。
〔2 8〕 カンチレバーの励振方法において、 多数のカンチレバーの並んだ基板 に、 その背面から一定光量、 一定波長の光を照射し、 それによりすべての前記力 ンチレバ一を各々の固有振動数で自励させることを特徴とする。
[ 2 9 ] 力ンチレバ一の励振方法において、 多数の力ンチレバーの並んだ基板 に、 その背面から強度変調された光を照射し、 それにより変調周波数と前記カン チレバ一の固有振動数を合致させることを特徴とする。
〔3 0〕 カンチレバーの励振方法において、 力ンチレバーァレイにおいて振動 しているこのカンチレバーの集合を用いて、前記カンチレバーアレイ自身、 もし くは力ンチレバ一ァレイに支持されている物体を変位させることを特徴とする。
〔3 1〕 力ンチレバ一の励振方法において、 カンチレバーアレイにおいて振動 しているこの力ンチレバ一の集合を用いて、 センシングゃ加工を行うことを特徴 とする。
〔3 2〕 力ンチレバーの励振方法において、 力ンチレバ一ァレイに一定光量の 光を照射して、 このカンチレバーの振動を励起し、 それにより空隙の間隔をある 周波数で変化させ、 反射光や透過光の光量を同一の周波数で変調させることを特 徴とする。
〔3 3〕 カンチレバ一の励振方法において、 異なる固有振動数を有するカンチ レバ一の集合からなるカンチレバーァレイに一定光量の光を照射し、複数の変調 周波数で変調された光を反射光や透過光として得ることを特徴とする。
[ 3 4 ] 力ンチレバ一の励振方法において、 カンチレバーアレイに一定光量の 光を照射し、 それによりカンチレバー面上に進行波を発生させ、 それにより反射 光や透過光の周波数を変調させることを特徴とする。
〔3 5〕 カンチレバーの励振方法において、 異なる固有振動数を有するカンチ レバ一の集合からなるカンチレバーァレイに一定光量の光を照射し、 複数の周波 数を有する光を反射光や透過光として得ることを特徴とする。 図面の簡単な説明 第 1図は、 本発明の第 1実施例を示すナノ力ンチレバ一ァレイの模式図である c 第 2図は、 本発明の第 2実施例を示すナノ力ンチレバーァレイの模式図である c 第 3図は、 本発明の第 3実施例を示すナノカンチレバーアレイの模式図である c 第 4図は、 本発明の第 4実施例を示すナノ力ンチレバーァレイを示す図である。 第 5図は、本発明の第 5実施例を示す針状結晶の成長方法の説明図である。 第 6図は、 本発明の第 6実施例を示す自走式走査型プローブ顕微鏡の模式図で あ 。
第 7図は、 本発明の第 7実施例を示す走査型プローブ顕微鏡や物質センサ、 質 量センサの模式図である。
第 8図は、本発明の第 8実施例を示す走査型プローブ顕微鏡や物質センサ、 質 量センサの模式図である。
第 9図は、本発明の第 1 0実施例を示すヘテロダインレーザドップラー計を用 いた走查型カ顕微鏡や物質センサ、 質量センサ （その 1 ) の模式図である。
第 1 0図は、 本発明の第 1 1実施例を示すヘテロダインレーザドップラー計を 用いた走査型力顕微鏡や物質センサ、質量センサ （その 2 ) の模式図である。 第 1 1図は、 本発明の第 1 I実施例を示すヘテロダインレーザドッブラー計を 用いた走査型力顕微鏡や物質センサ、 質量センサ （その 3 ) の模式図である。 第 1 2図は、 本発明の第 1 3実施例を示すヘテロダインレーザドップラー計を 用いた走査型力顕微鏡や物質センサ、 質量センサ （その 4 ) の模式図である。 第 1 3図は、 本発明の第 1 4実施例を示す光学顕微鏡をカンチレバー検出光学 系と同軸に持つ走査型力顕微鏡や物質センサ、 質量センサの模式図である。
第 1 4図は、 本発明の第 1 5実施例を示すカンチレバーの励振装置の構成図で あ
第 1 5図は、 本発明の第 1 6実施例を示す微小カンチレバー用光ファイバ式ホ モダインレーザ干渉計の構成図である。
第 1 6図は、 本発明の第 1 7実施例を示すカンチレバーや試料の像を観察する ための微小力ンチレバ一用光ファイバ式ホモダインレ一ザ干渉計の構成図である。 第 1 7図は、本発明の第 1 8実施例を示す、 試料の光励振機能を有するレーザ ドッブラ一干渉計を用いた試料の特性の測定装置の構成図である。 第 1 8図は、本発明の第 1 9実施例を示す試料の周波数特性の測定装置の模式 図である。
第 1 9図は、 本発明の第 2 0実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図で あ 。
第 2 0図は、 本発明の第 2 1実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図で あ 。
第 2 1図は、 本発明の第 2 2実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図で ある。
第 2 2図は、 本発明の第 2 3実施例を示すカンチレバ一の励振方法の説明図で ある。
第 2 3図は、 本発明の第 2 4実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図で ある。
第 2 4図は、 本発明の第 2 5実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図で ある。
第 2 5図は、 本発明の第 2 6実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図で ある。 発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
第 1図は本発明の第 1実施例を示すナノ力ンチレバ一ァレイの模式図である。 この図において、 1は試料 （基板） 、 2はその基板 1の摺動面、 3はナノカン チレバ一アレイ、 4は多数のコンプライアン卜なナノカンチレバ一 （振動子） 、
5はナノカンチレバーアレイ 3の摺動方向である。
このように、 多数のコンプライアン卜なカンチレバー 4からなるナノカンチレ バ一アレイ 3を用いて摺動方向 5に作用させると、摺動面 2で磨耗条件に極めて 達しにくい条件が実現できる。
第 2図は本発明の第 2実施例を示すナノ力ンチレバーァレイの模式図である。 この図において、 1 1は試料 （基板） 、 1 2は基板 1 1の表面、 1 3は基板 1 1の表面 1 2に密に配置したナノカンチレバ一アレイ、 1 4はカンチレバー （振 動子） 、 1 5は表面弾性波の伝搬方向、 1 6はカンチレバー 1 4の振動方向であ る。
このように、 カンチレバ一 1 4を基板 1 1の表面 1 2に密に配置し、 その基板 1 1に表面弾性波を伝搬させる。 ナノカンチレバーアレイ 1 3は真空中で 1 0， 0 0 0程度の Q値を有するため、 振幅が数 n mの表面弾性波はカンチレバー （振 動子） 1 4の Q値によって増幅される。
この現象を用いて、 ァクチユエ一夕や、光変調素子の効率を向上させることが 可能である。
なお、 カンチレバーの形状や、 支持部に対する対称性、 非対称性は目的に応じ て変えることができる。
第 3図は本発明の第 3実施例を示す固有振動数が異なる様に形成されたナノ力 ンチレバ一ァレイの模式図である。
この図において、 I 1は試料 （基板） 、 2 2は基板上面、 2 3はカンチレバー アレイ、 2 4 A〜 2 4 Eはカンチレバー、 2 5は探針質量、 1 6は試料、 1 7は カンチレバーの振動方向である。
この実施例では、 カンチレバーアレイ 2 3において、 カンチレバーの固有振動 数が異なる様にカンチレバー 2 4 A〜 2 4 Eを作製する。 つまり、 カンチレバー 2 4 Aは最も固有振動数の高いカンチレバー （探針質量小）、 カンチレバ一 2 4 Eは最も固有振動数の低いカンチレバー （探針質量大） である。 カンチレバ一 2 4 A〜2 4 Eの固有振動数を互いに異なったものにするには、 カンチレバーの質 量となる探針の大きさを変えるか、 カンチレバーの長さを変える。 探針の大きさ を変えるには、 S 0 I基板のトップシリコン層の厚さに勾配をあらかじめ持たせ る。 カンチレバーの長さを変えるには、 マスクのピッチに勾配を持たせるなどの 方法がある。
カンチレバーアレイ 1 3に特定の試料 1 6を固定し、 スぺクトロスコピーを行 うことが可能になる。 つまり、試料 2 6の持つ、 特定の周波数特性に最も近い固 有振動数を有するカンチレバ一 2 4 A〜2 4 Eのいずれかが反応し、 カンチレバ —の振動振幅として検出される。
なお、単結晶シリコンを用いたカンチレバーの作製方法を用いると、数センチ メ一トル平方のチップ上に数 1 0 0万から数億個のカンチレバ一の一括作製が可 肯 となる。
また、 多数のカンチレバ一を観察対象とする周波数帯に設けることにより、 細 かい周波数間隔でのスぺクトロスコピーが可能となる。
第 4図は本発明の第 4実施例を示す単結晶シリコンから作製した力ンチレバー アレイを示す図であり、 第 4図 （a ) はそのカンチレバ一アレイの斜視図、 第 4 図 （b ) はその拡大斜視図である。
これらの図において、 3 1はベース基板、 3 2はカンチレバーアレイ、 3 3は 対向する探針、 3 4， 3 5は電極、 3 6は電源である。
単結晶シリコンから作製したカンチレバーアレイ 3 2の各列の電位を制御し、 対向する探針 3 3間に高電界を生じさせる。 それにより、液中の電気泳動や、 気 体中での電界を用いたカーボンナノチューブ等ゥイス力結晶の方向性を指定した 成長制御が可能となる。
今までは、微小針状試料の成長箇所と方向の制御が困難であつたが、 対向する カンチレバーアレイ 3 2の各列の電位を制御することにより、 その問題を解決す る。 しかも、 カンチレバーアレイ 3 2では数 1 0 0万から数 ί意個のカンチレバー を一括で作製可能であるため、針状微小試料の一括作製も可能となる。 単結晶シ リコンカンチレバーアレイは各カンチレバーの列ごとにベース基板 3 1のシリコ ンから酸化シリコンの層で電気的に絶縁されている。 そのために、列ごとに電位 を外部から配線や電荷照射により与えることが可能である。
第 5図は本発明の第 5実施例を示す針状結晶の成長の方法の説明図である。 この図において、 4 1はチャンバ、 4 2はガス導入口、 4 3はガス排気口、 4 4は基板、 4 5は基板 4 4の上面、 4 6は単結晶シリコンカンチレバ一ァレイ、 4 7は針状結晶成長箇所、 4 8は平板電極、 4 9は交流電源、 5 0はリード線で ある。
単結晶シリコンカンチレバ一アレイ 4 6の面と対向する形で平板電極 4 8を配 置し、 各探針先端に電界集中を生じさせ、 基板 4 4の法線方向に針状結晶の成長 を行う。
第 6図は本発明の第 6実施例を示す自走式走査型プローブ顕微鏡の模式図であ る。
この図において、 5 1は試料、 5 2はその試料 5 1の摺動面、 5 3はプローブ (ナノカンチレバ一アレイ） 、 5 4は多数のコンプライアン卜なナノカンチレバ ― (振動子） 、 5 5は試料 5 1の摺動方向である。
この実施例は、 自走式走査型プローブ顕微鏡や案内機構として構成したもので あり、第 1図にも示したように、各プローブ 5 3は各カンチレバー 5 4を有する チップの自重を分担して受け持ち、 かつ、 各プローブ 5 3での面圧がある範囲内 に収まるように受動的に制御している。 そのため、 探針法線方向に能動制御を行 わなくても数 1 0 n N以下の力で走査が行える自走式走査型プローブ顕微鏡が実 現できる。
カンチレバー 5 4の変位計測は、 カンチレバ一アレイ 5 3のうちの一本、 数本、 もしくはすべてを対象とする。 .
なお、 自走のために、基板とカンチレバー 5 4の間に光の定在波を発生させ、 各カンチレバーにその構造から生じる摺動方向 5 5に異方性のある振動を生じさ せる方法が用いられる。
もしくは、試料 5 1や力ンチレバ一ァレイ 5 3に表面弾性波を発生させ、 力ン チレバ一アレイ 5 3の変位を生じさせる方法がある。
第 7図は本発明の第 7実施例を示す走査型プローブ顕微鏡や物質又は質量セン サの模式図である。
この図において、 6 1は試料、 6 2はその試料 6 1の表面、 6 3はプロ一ブ (ナノカンチレバーアレイ） 、 6 4は多数のコンプライアン卜なナノカンチレバ ― (振動子） 、 6 5は反射防止膜、 6 6はビ一ムスプリッ夕ゃハーフミラー、 6 7は光てこ入射光、 6 8は反射光、 6 9は結像レンズ、 7 0は C C Dカメラ等の 撮像装置（撮像素子） 、 6 0は試料 6 1の摺動方向である。
この実施例では、 光てこ入射光 6 7をプローブ 6 3に入射して、 ナノカンチレ バ一6 4の変位により、 試料 6 1の表面 6 2の微小凹凸としての反射光 6 8が結 像レンズ 6 9を介して撮像装置 7 0に取り込まれる。 '
すなわち、 カンチレバー 6 4を結像レンズ 6 9と C C Dカメラ等の撮像装置 7 0を用いて観察し、 カンチレバー 6 4に光てこ入射光 6 7を照射する。 各カンチ レバ一 6 4の姿勢に応じて反射光 6 8が撮像装置 7 0に入射する。 カンチレバ一 6 4の角度変位によって、試料 6 1の表面 6 2の微小な凹凸が輝度変化として C C D等の撮像装置 7 0に変換される。
カンチレバ一 6 4のピッチをカバーするに足る範囲で試料 6 1を面内走查する ことにより、試料 6 1の表面 6 2全体の観察が可能になる。
このように、 光てこ入射光による多数の力ンチレバ一を用いた試料の表面全体 の観察を ί亍うことができる。
第 8図は本発明の第 8実施例を示す走査型プローブ顕微鏡や物質センサ、 質量 センサの模式図である。
この図において、 7 1は試料、 7 2はその試料 7 1の表面、 7 3はプローブ (ナノカンチレバーアレイ） の微小干渉キヤビティ、 7 4は多数のコンプライア ントなナノカンチレバー （振動子） 、 7 5は基準面、 7 6はビ一ムスプリッ夕ゃ ハーフミラ—、 7 7は入射光、 7 8は反射光、 7 9は結像レンズ、 8 0は C C D カメラ等の撮像装置 （撮像素子） である。
このように、 カンチレバ一 7 4を結像レンズ 7 9と C C Dカメラ等の撮像装置 8 0を用いて観察し、 カンチレバー 7 4に光を照射する。 各カンチレバー 7 4が 基準面 7 5となすマイクロキヤビティ長に応じた干渉輝度が撮像装置 8 0に入射 する。
このように、 カンチレバ一 7 4のピッチをカバーするに足る範囲で試料 7 1を 面内走査することにより、試料 7 1の表面 7 2全体の観察が可能になる。
この実施例では、 光干渉計により多数の力ンチレバーの変位を検知する走査型 プローブ顕微鏡や物質センサ、 質量センサを構築することができる。
また、本発明の第 9実施例として、 光干渉計により多数のカンチレバーの変位 を検出する場合に、 光てこ以外に起因する干渉を低減する方法として、 光源とし て S L D (スーパールミネセントダイオード） 等の低コヒ一レンス光源や、 白色 光源を用い、 干渉の生じる位置の範囲を制限し、 寄生干渉の影響を低減する方法 がある。
第 9図は本発明の第 1 0実施例を示すヘテロダインレーザドッブラ一計を用い た走查型カ顕微鏡や物質センサ、 質量センサ （その 1 ) の模式図である。 この図において、 9 0は光ファイバ、 9 1はレ一ザ出射部、 9 2は 1/4波長 板、 9 3はハーフミラ一、 94は対物レンズ、 9 5は試料 9 6の xy zピエゾス キヤナー、 9 6は試料、 9 7はカンチレバ一、 9 8はミラ一、 9 9は結像レンズ、 1 0 0は xyステージ、 1 0 1は CCDカメラ等の撮像装置 （撮像素子） 、 1 0 2は光学系ュニット、 1 0 3はその光学系ュニット 1 0 2の: X y z位置決め機構、 1 04は AFMベ一スプレート、 1 0 5は真空チャンバ隔壁、 1 0 6はステージ 支持バネである。
第 1 0図は本発明の第 1 1実施例を示すヘテロダインレーザドップラー計を用 いた走査型力顕微鏡や物質センサ、 質量センサ （その 2) の模式図である。
この図において、 1 1 0は真空チャンバ、 1 1 1は光半導体装置、 1 1 2は電 極、 1 1 3はその電極 1 1 2へ電力を供給するためのリ一ド線、 1 1 4は試料の xy zピエゾスキャナー、 1 1 5は試料、 1 1 6はカンチレバー、 1 1 7は対物 レンズ、 1 1 8は反射光、 1 1 9は結像レンズ、 1 2 0は xyステージ、 1 2 1 は CCDカメラ等の撮像装置 （撮像素子） である。
第 1 1図は本発明の第 1 2実施例を示すヘテロダインレーザドッブラ一計を用 いた走査型力顕微鏡や物質センサや質量センサ （その 3) の模式図である。
この図において、 1 2 2は試料準備用真空チャンバ、 1 2 3〜 1 2 5は試料、 カンチレバー搬送棒、 1 2 6は光ファイバ、 1 2 7は光学系ュニット、 1 2 8は レーザ出射部、 1 9はビ一ムスプリッ夕、 1 3 0は試料、 1 3 1はカンチレバ ―、 1 3 2は CCDカメラ等の撮像装置 （撮像素子） である。
第 1 2図は本発明の第 1 3実施例を示すヘテロダインレーザドップラー計を用 いた走査型力顕微鏡や物質センサ、 質量センサ （その 4) の模式図である。
この図において、 1 3 3は試料準備用真空チャンバ、 1 34， 1 3 5は試料、 カンチレバー搬送棒、 1 3 6は試料観察用真空チャンバ、 1 3 7は光ファイバ、 1 3 8はカンチレバ一検出光学系、 1 3 9はレーザ出射部 xy zステージ、 1 4 0はレーザドップラー出射部、 1 4 1は試料 xy zステージ、 1 4 2は試料、 1 4 3はカンチレバー、 1 44は CCDカメラ等の撮像装置 （撮像素子） である。 第 9図〜第 1 2図に示したように、 ヘテロダインレーザドップラー計を用いた 走査型力顕微鏡や物質センサや質量センサを構成することができる。 つまり、 へ テロダインレーザドッブラ一計を力ンチレバーの振動検出に用いることができる。 従来広く用いられている光てこ機構は、 レーザスポットを小さくすると検出分 解能が低下する。 レーザドッブラ一計では、 1ミクロンオーダーにレーザスポッ ト径を小さくすることが可能で、 かつ、原理的に、光てこ計のように、 スポット 径を小さくすることが検出感度を劣化させることにならない。
光てこ機構や、 ホモダイン干渉計では、検出信号の周波数が高くなることは、
1 / f ノイズの低下以外には S N比改善の点で利点とならない。 これに対して、 レーザドッブラ一計の信号はドッブラ一効果を検出するため、 被測定対象の速度 や振動周波数が高くなるほど信号強度が高くなる。
そのため、 固有振動数の高い小型力ンチレバーの振動検出にレーザドッブラ一 計を用いることができるという利点がある。 すなわち、 ヘテロダイン計測を行う ことにより、 より S N比の高い検出が可能となる。
上記した第 1 0〜1 3実施例は、 カンチレバーのねじれを計測することにも応 用可能であり、 堅いカンチレバーの、 周波数の高いねじれ固有振動を検出し、 探 針の試料面内振動振幅の計測に応用可能である。
第 1 3図は本発明の第 1 4実施例を示す光学顕微鏡をカンチレバー検出光学系 と同軸に持つ走査型力顕微鏡や物質センサ、 質量センサの模式図である。
この図において、 1 5 1はレ一ザ出射部、 1 5 2は 1 / 4波長板、 1 5 3はダ イク口イツクミラ一、 1 5 4は対物レンズ、 1 5 5は力ンチレバー、 1 5 6は結 像レンズ、 1 5 7は C C Dカメラ等の撮像装置 （撮像素子） である。
このように、光学顕微鏡を同軸に持つレーザへテロダイン干渉計、 もしくはレ 一ザホモダイン干渉計、 もしくは光てこ機構を用いることによって、 光学顕微鏡 の視覚情報を用いて微小振動子上にレーザスポットを位置決めすることが可能と なる。
第 1 4図は本発明の第 1 5実施例を示すカンチレバーの励振装置の構成図であ る。
この図に示すように、 ここでは、 上記第 1 4実施例における、糸吉像レンズ 1 5 6、 C C D 1 5 ·7とダイクロイツクミラ一 1 5 3を除去した構成とする。
次に、本発明の第 1 6、 第 1 7実施例について説明する。 従来の光ファイバ式干渉計では、 6 3 2 n m程度の赤色レーザを用いた場合、 コアが 4 、 クラッディングが 1 2 5〃 mの光ファィバを切断したものをカン チレバーから数 ju mのところに位置決めさせ、 ホモダイン干渉計測を行っていた c この場合、 以下の点が問題となっていた。
( 1 ) 4〃mより小さい試料へ光を照射した場合、 損失が大きい。
( 2 ) 1 2 5〃mのクラッデイングが大きいため、 1 0 0 mより小さなカン チレバーの場合、 力ンチレバーのベース部とクラッディングの位置的干渉が生じ やすい。
( 3 ) 光ファイバ端面での屈折率の変化により生じる、全光量の 4 %程度の反 射光をホモダイン計測の基準光としているため、 干渉の信号強度が小さい。
( 4 ) カンチレバーと光ファイバとの距離が自由に選べない。
そこで、上記の問題を解消するために、 以下のように構成する。
第 1 5図は本発明の第 1 6実施例を示す微小カンチレバ一用光ファイバ式ホモ ダインレーザ干渉計の構成図である。
この図において、 1 6 0は光ファイバ、 1 6 1は第 1の支持部材、 1 6 2はレ 一ザ出射部、 1 6 3はビ一ムスプリッ夕、 1 6 4は第 2の支持部材、 1 6 5はミ ラ一位置決め機構、 1 6 6は基準ミラー、 1 6 7は対物レンズ、 1 6 8はカンチ レバ一支持部材、 1 6 9はカンチレバーである。
光ファイバ 1 6 0を用いることにより、 真空環境、 低温環境への光の導入、 光 計測を容易にするとともに、光ファイノ 1 6 0の計測側の端部にコリメートレン ズ (図示なし)、 ビ一ムスプリッ夕 1 6 3、 基準ミラー 1 6 6、 対物レンズ 1 6 7等を配置し、 ミクロン大のレーザの焦点を 1 mm以上離れた位置に配置する。 これにより、従来の光ファイバコアを直接カンチレバーに対向させる方法と比 ベて、 よりミクロン大の力ンチレバ一 1 6 9の変位や振動周波数の計測を可能と し、 より強い参照光を用いた干渉計測を可能とすることができる。 また、 より高 い信号対雑音比を実現し、 より高い空間設計の自由度を与えることができる。 このように構成することにより、上記の問題点 （ 1 )〜（4 ) すべてを解決す ることができる。
また、微小カンチレバ一用光ファイバはホモダインレーザ干渉計において、 力 ンチレバ一や試料の像を観察する必要がある場合は、 以下のような構成とする。 第 1 6図は本発明の第 1 7実施例を示すカンチレバ一や試料の像を観察するた めの微小カンチレバー用光ファイバ式ホモダインレーザ干渉計の構成図である。 この図において、 1 7 0は光ファイバ、 1 7 1はレーザ出射部、 1 7 2はダイ クロイツクミラー、 1 7 3は第 1の支持部材、 1 7 4はビームスプリツ夕、 1 7 5は第 2の支持部材、 1 7 6はミラ一位置決め機構、 1 7 7は基準ミラ一、 1 7 8は対物レンズ、 1 7 9はカンチレバ一支持部材、 1 8 0はカンチレバ一、 1 8 1はカメラである。
このように、 ダイクロイツクミラ一 1 7 2を用いて測定光を導入し、 ダイク口 イツクミラ一 1 7 2を透過する光を用いてカメラ 1 8 1により像観察を行う。 これらの方法において、 測定光と異なる波長の光を変調してカンチレノく一の加 振を行うことが可能である。
次に、本発明の第 1 8実施例について説明する。
従来、 ピエゾ素子によって励振可能な周波数は、 素子の厚さ、 素子中の音速、 温度、 素子の構造等の影響を受け、 ピエゾ素子自身が固有の周波数特性を持つ。 この問題点は、 励起しょうとする周波数が MH z程度以上になるとより顕著とな る。
例えば、 5 0〃mの厚さのピエゾ素子に電極と絶縁板を接着した素子で励振可 能な振動は、 数 M H z程度までで、 それ以上は離散的な周波数でしか励振可能で ない。
この問題点のため、 MH z以上の帯域で、 ピエゾ素子などを用いて試料の振動 励起を行い、試料の周波数特性の計測を行なう場合、試料の周波数特性にピエゾ 素子の周波数特性が重畳し、試料の周波数特性の評価を困難、 もしくは不可能に していた。 更に、 高周波になるほど、 ピエゾ素子への試料の固定方法や接着の善 し悪しによる測定結果の差が生じ、 試料の特性の評価をより困難にしていた。 同様に、 ピエゾ素子などを用いて、走査型プローブ顕微鏡の力検出用カンチレ バーの振動励振を行なう場合、 M H z以上の帯域で力ンチレバー固有振動数の高 周波化が進むと、励振がより困難になる。 その原因としては、 カンチレバーの励 振を行う場合も、 ピエゾ素子とカンチレバーの固定方法により、 励振特性の測定 結果や測定効率に差が生じることが考えられる。 また、真空中で励振を行う場合、 力ンチレバー支持部材に振動励起用ピエゾ素子を設け、 このピエゾ素子への配線 を行う必要があり、 装置を複雑にしていた。
その結果、 装置の信頼性の低下、 真空度の劣化、 走査型プローブ顕微鏡の大型 化、 高温加熱が困難、等の問題を招いていた。
この実施例では、 上記状況に鑑みて、高周波領域や真空環境における測定、 ま た、 小型化、 高信頼化を可能にする試料の光励振機能を有するレーザドップラー 干渉計を提供する。
第 1 7図は、 本発明の第 1 8実施例を示す、試料の光励振機能を有するレーザ ドッブラ一干渉計を用いた試料の特性の測定装置の構成図である。
この図において、 この実施例の試料の特性の測定装置は、光学的励起部 200、 信号処理部 300、 レーザドップラー干渉部 400、 AFM (原子力間顕微鏡） 試料ステージ制御部 500、 ネットワークアナライザ 600からなる。
光学的励起部 200は、 レーザダイオード （LD) ドライバ一 20 1、 そのし Dドライバ一 20 1によって駆動されるレーザダイオード （LD) 202、 ミラ -203からなる。
また、 信号処理部 300は、 第 1スィッチ （sw l) 30 1、 第 2スィッチ (sw 2 ) 302、 デイジタイザ一 303、 位相シフ夕一 304、 フィル夕一 3 0 5、 増幅器 306からなる。
レーザドップラー干渉部 400は、 He— Neレーザ 40 1、 第 1の PBS (ボラライジングビームスプリツ夕） 402、 第 2の PB S 403、合波器 40 4、 レンズ 405、 偏波面保存ファイバ 406、 センサへッド （レーザ出射部） 407 (レンズ一； L / 4波長板一レンズ組み立て体） 、 ナノカンチレバ一 408、 探針 （プローブ） 408 A、 ミラ一 409、 AOM (音響'光変調器） 4 1 0、 义/2波長板 4 1 1、 第 3の PBS 4 1 2、 偏光子 4 1 3、 ホトダイオード 4 1 4、 BPF (バンドバスフィルタ） 4 1 5、 アンプ 4 1 6， 4 1 8, 423、 デ イジタイザ一 4 1 7， 4 1 9、遅延ライン 420. DBM (Doub l e B a l anc e d M i x e r ;ダブルバランスドミキサ） 42 1、 L P F (口一パ スフィル夕） 422からなる。 さらに、 A F M試料ステージ制御部 5 0 0は、 L O (ローカルオシレータ） に 接続される D B M 5 0 1、 コントローラ 5 0 2、試料 5 0 3、 その試料 5 0 3の ピエゾ素子 5 0 4からなる。
ネットワークアナライザ 6 0 0は、信号入力端子 6 0 1、評価出力端子 6 0 2 を有している。
そこで、 この実施例では、 例えば、 7 8 0 nmの波長を有するレーザダイォ一 ド （L D ) 2 0 2の出力光を、 6 3 2 n mの波長を有する H e—N e (ヘリウム —ネオン） レーザ 4 0 1のレーザドップラー干渉計の計測光に重畳させ、 それを 4 mコアの偏波面保存ファイバ 4 0 6に導入し、 レーザ出射部 4 0 7、 ナノ力 ンチレバー 4 0 8を経て試料 5 0 3に照射する。 ただし、波長は、上記に限定さ れない。
計測方法によつて以下の用い方ができる。
( 1 ) レーザドップラー干渉部 4 0 0の出力信号を移相、 増幅、 場合によって はフィルタリングや 2値化し、 その信号を用いて 7 8 O n mの波長を有するレー ザダイオード 2 0 2の変調を行う。 これにより、試料 5 0 3の固有振動数におい て自励を生じさせることが可能となる。 つまり、 フィルタ一特性を選択すること により、 特定の振動モードを励振することが可能となり、 ナノメートルオーダか らミクロンオーダの試料としての 3次元構造物の自励を実現することが可能とな る。
また、 走查型プローブ顕微鏡の力検出素子であるカンチレバー 4 0 8に光を照 射することにより、 カンチレバ一 4 0 8の自励を生じさせ、 自励周波数の変化か らカンチレバ一 4 0 8先端に配置した探針 4 0 8 Aと試料 5 0 3の相互作用や質 量変化を検出することが可能となる。
( 2 ) ネットワークアナライザ 6 0 0で周波数を掃引した信号を発生させ、 そ の信号を用いて 7 8 0 nmの波長を有するレーザダイオード 2 0 2の変調を^う。 レーザドップラー干渉部 4 0 0の出力信号をネットワークアナライザ 6 0 0の信 号入力端子 6 0 1に接続する。 これにより、試料 5 0 3の周波数特性を、 ネット ワークアナライザ 6 0 0と、 光励振機能を有するレーザドップラー干渉部 4 0 0 を用いて計測することが可能となる。 なお、計測光と振動励起光は重畳させて同一の光学系を用いることも、異なる 光路を用いて試料に照射させることも可能である。
また、 レーザドップラー干渉部 4 0 0の光計測プローブ光 4 0 1にカンチレバ —4 0 8の振動を励振するための L D 2 0 2で発生した光を重畳させる。 その際、 励振のための光は、 レーザドップラー干渉部 4 0 0の速度信号出力に移相、 2値 化、 増幅等の処理を行い、 その信号を用いてレーザダイオード 2 0 2等の光源の 変調を行ったものか、 発信器によって指定された周波数、 もしくは掃引された周 波数で変調したものを用いる。
以上により、 レ一ザドップラー干渉計で計測しょうとする測定対象に固有の振 動が励起され、 測定対象の周波数特性の計測や、振動を応用した計測や加工が可 食 となる。
次に、本発明の第 1 9実施例について説明する。
従来、 レ一ザドップラー干渉計で試料の振動特性の評価を行う場合、試料にピ ェゾ素子を貼り付け加振するか、試料に変調された光を照射する必要があつた。 第 1 8図は本発明の第 1 9実施例を示す試料の周波数特性の測定装置の模式図 である。
この図において、 7 0 1はレーザ、 7 0 2はレンズ、 7 0 3はそのレンズ支持 部、 7 0 4は干渉キヤビティ （空隙） 、 7 0 5は試料、 7 0 6は試料支持部であ る。
ここでは、 レ一ザドップラー干渉計の、 一定光量の測定光であるレーザ 7 0 1 と、 試料 7 0 5がその一端をなす干渉キャビティ 7 0 4を用いることにより、 試 料 7 0 5をその固有振動数で自励させ、 レーザドップラー干渉計を用いてその振 幅や速度、 周波数を計測する。
レーザドップラー干渉計の計測光を試料 7 0 5に照射する際、 試料 7 0 5があ る光学面と干渉キヤビティ 7 0 4を生じるようにする。 レーザドップラー干渉計 の 1 / 2波長の整数倍に干渉キャビティ 7 0 4がなつた場合、試料 7 0 5の振動 が生じる。 その振動は試料 7 0 5の固有振動数と一致している。 この振動はレ一 ザドッブラ一干渉計によつて計測される。
この振動機能を用いることにより、光励振用の変調された光を用いなくても試 料の振動励振が可能となる。
以下、本発明の第 20実施例について説明する。
従来、 3次元のナノ ·マイクロ構造物を振動させ、 それをセンサ一ゃァクチュ エー夕として用いる場合、 ピエゾ素子や表面弓単 f生波素子が用いられてきた。
本発明の実施例では、 光を用いた励振機能を、 振動性を有する構造体に適応し、 ァクチユエーシヨン、加工、 センシングを行うものである。 なお、 干渉によって 光の定在波が生じる様な構造体で、 その一部が振動性を有する場合、 自励を生じ ることや、 強度変調された光により振動を生じることは、 以下の論文等で既に知 られている。
1 ) 'Op t i c a l l y a c t i va t e d v i b r a t i ons l n a mi c r omac h i ne d s i l i c a s t r uc tur e ， S. Venka t e s h, E l e c t r on l e t t e r s, 2 1 3 1 5 ( 1 985) .
(2) "O t i c a l a c t i va t i on o f a s i l i c on v i b r a t i ng s en s o r" , M. V. Andr e s, K. W. H.
F o u 1 d s , M. J . Tud o r, E l e c t r on i c s Le t t e r s 11, 1 099, ( 1 986) .
( 3 ) "S e l f — e x c i t e d v i b r a t i on o f a s e l f — s up p o r t i ng t h i n f i lm c au s e d by l a s e r i r r a d a t i o n" , K. H a n e , K. Suzuk i , S e n s o r s and Ac t ua t o r s A5 1 , 1 79- 1 82 ( 1 996) . シリコンマイクロマシン技術により、近年、 1 00万本/ c m2 以上の高密度 でカンチレバーアレイを作製することが可能になり、 それを用いた計測、 加工、 ァクチユエーシヨンが期待されている。 し力、し、 アレイ中の特定のカンチレバ一 の集合の励振や、 すべての力ンチレバーの励振方法はまだ確立されていない。 ここでは、 光励振による励振方法をカンチレバ一アレイに適応させる方法、 そ れにより新しい機能を実現することに関する。 以下に、 順次説明する。
第 1 9図は本発明の第 20実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図であ る。 この図において、 800は基板、 801は干渉キヤビティ、 802は基板 80 0上に形成されたそれぞれ干渉キヤビティ 801を有する複数個の探針付きカン チレバー、 803はそれらのカンチレバ一 802によって構成されるカンチレバ —アレイ、 804はレーザ光である。
ここでは、 カンチレバーアレイ 803と基板 800の間に存在する干渉キヤビ ティ （空隙） 801の間隔 （干渉キヤビティ長） を、 光励振に用いる波長の整数 倍に選び、 基板 800背面から一定光量の振動励起光であるレーザ光 804を照 射する。 干渉キヤビティ （空隙） 801に存在する光の定在波と、光によるカン チレバ一 802の特性変化によりカンチレバー 802が自励を生じる。 カンチレ バ一アレイ 803を構成するカンチレバ一 802の固有振動数が同一でなくても、 各々のカンチレバ一 802はその固有振動数において自励を生じる。
第 20図は本発明の第 21実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図であ る。
この図において、 800は基板、 815， 816， 817, 818はその基板 800上に形成された、 それぞれ干渉キヤビティ 81 1 , 81 , 813, 81 4を有する探針付きカンチレバー、 819はそれらのカンチレバー 81 5, 81 6， 817， 818によって構成されるカンチレバ一アレイ、 820は一定光量 のレ一ザ光 （波長； I) である。
ここでは、 カンチレバーアレイ 819において、 力ンチレバ一の集合 815 , 816， 817, 818ごとに、 基板 800となす干渉キヤビティ （空隙） 81 1 , 812, 8 1 3, 814の間隔空隙を変える。 それにより、振動励振光の波 長を選ぶことができ、 意図したカンチレバーの集合のみを励振させることが可能 となる。
第 21図は本発明の第 22実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図であ る。
この図において、 800は基板、 832はその基板 800上に形成された干渉 キヤビティ 83 1を有する探針付きカンチレバー、 833はそれらのカンチレバ 一 832によって構成されるカンチレバーアレイ、 834は弓蛍度変調されたレー ザ光である。 ここでは、 カンチレバーアレイ 8 3 3の基板 8 0 0の背面から光量変調された 振動励振光であるレーザ光 8 3 4を照射する。 光量変調の周波数と固有振動数の 一致したカンチレバー 8 3 2が励振される。 これにより、 特定のカンチレバーの 集合を選択的に励振することが可能となる。
第 2 2図は本発明の第 2 3実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図であ る。
この図において、 8 0 0は基板、 8 4 2はその基板 8 0 0上に形成された干渉 キヤビティ 8 4 1を有する探針付きカンチレバ一、 8 4 3はそれらのカンチレバ - 8 4 2によって構成されるカンチレバ一アレイ、 8 4 4は強度一定のレーザ光 (波長 λ ) 、 8 4 5は探針先端の軌跡、 8 4 6はスライダー、 8 4 7はスライダ - 8 4 6の変位方向である。
ここでは、一平方センチメートルあたり 1 0 0万本の探針付きカンチレバー 8 4 2を有する基板 8 0 0の自重は約 0 . 1 gであるため、 すべての探針で自重を 支えた場合、 個々の探針は 1 n Nの荷重を受け持つことになる。 この状態におい て、光励振を行うと、 カンチレバー 8 4 2の振動が励起される。 探針先端が楕円 振動を描くような異方性を有すると、振動の励起に伴ってカンチレバーアレイ 8 4 3を有する基板 8 0 0が面内方向に変位する。
また、探針を上に向け、 そのうえに物体であるスライダー 8 4 6をおいた場合、 そのスライダー 8 4 6が変位させられる。 すべての探針が同時にスライダー 8 4 6に接触すると、 スライダー 8 4 6の Q値が下がり、振動体に十分な振動エネル ギ一が蓄えられない場合は、 探針の高さを不均一にするなどして、探針とスライ ダ一 8 4 6との接触する頻度が小さくなるように設計する。
第 2 3図は本発明の第 2 4実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図であ る。
この図において、 8 0 0は基板、 8 5 5 , 8 5 6 , 8 5 7 , 8 5 8はその基板 8 0 0上に形成された干渉キヤビティ 8 5 1， 8 5 2， 8 5 3 , 8 5 4を有する カンチレバー （8 5 5は反応膜 a付きカンチレバー、 8 5 6は反応膜 b付きカン チレバ一、 8 5 7は反応膜 c付きカンチレバ一、 8 5 8は反応膜 d付きカンチレ バ一） 、 8 5 9はそれらのカンチレバーによって構成されるカンチレバーアレイ、 8 6 0は一定光量のレーザ光（波長; L ) である。
ここでは、 カンチレバーの集合に特定の薄膜を塗布し、 特定の物質と反応する ようにしておく。 特定の物質の有無を調べる場合、上記した方法により、 その力 ンチレバ一の集合が振動励起されるような振動周波数、 もしくは光の波長を選ぶ。 それにより、 カンチバ一アレイ 8 5 9の中の特定のカンチレバーの集合のみを用 いて計孭 ijを ί亍ぅことが可能となる。
第 2 4図は本発明の第 2 5実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図であ る。
この図において、 8 0 0は基板、 8 6 2 , 8 6 3 , 8 6 4 , 8 6 5 , 8 6 6は その基板 8 0 0上に形成された干渉キヤビティ 8 6 1を有する固有振動数のそれ ぞれ異なるカンチレバー、 8 6 7はそれらのカンチレバーによって構成される力 ンチレバーアレイ、 8 6 8は基板 8 0 0の背面から照射される強度一定のレーザ 光（波長 λ ) 、 8 6 9は異なる強度変調周波数を有するレーザ光（波長; 0 であ る。
ここでは、 カンチレバーアレイ 8 6 7に強度一定のレーザ光 8 6 8を 、射し、 それによりカンチレバー 8 6 2， 8 6 3 , 8 6 4， 8 6 5 , 8 6 6の振動を励起 し、 それにより干渉キヤビティ 8 6 1の間隔をある周波数で変ィヒさせ、 それによ り反射光や透過光の光量を同一の周波数で変調させる。 異なる固有振動数を有す るカンチレバーの集合からなるカンチレバ一アレイ 8 6 7に強度一定のレーザ光 8 6 8を照射すると、 複数の変調周波数で変調された光 8 6 9を反射光や透過光 として得ることができる。
第 2 5図は本発明の第 2 6実施例を示すカンチレバーの励振方法の説明図であ る。
この図において、 8 0 0は基板、 8 7 2 , 8 7 3 , 8 7 4 , 8 7 5 , 8 7 6は その基板 8 0 0上に形成された干渉キヤビティ 8 7 1を有する固有振動数のそれ ぞれ異なるカンチレバ一、 8 7 7はそれらのカンチレバ一によって構成される力 ンチレバ一ァレイ、 8 7 8は基板 8 0 0の背面から照射される強度一定のレーザ 光（波長； I ) 、 8 7 9は基板 8 0 0の斜め上方から照射される一定波長の入射光、
8 8 0は異なる周波数を有するレーザ光（波長え i , λ ζ , ···, λ 5 ) である。 ここでは、 カンチレバーアレイ 8 7 7に強度一定のレーザ光 8 7 8を P¾射し、 それによりカンチレバ一 8 7 7面上に波を発生させ、 それにより反射光や透過光 の周波数を変調させる。
なお、光音響変調を生じさせる構造はカンチレバーに限られず、 両端支持梁な どの振動性構造体を含むことができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 以上、 詳細に説明したように、 本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とができる。
(A) 構成が簡単で、 的確な試料面のナノオーダーの検出ができる。
( B ) 多数のコンプライアントなカンチレバーからなるアレイを用いて摺動方 向に作用させると、 摺動面で磨耗条件に極めて達し難くすることができる。
( C )振動を加えた上、表面弾性波を伝搬させると、 振幅が数 nmの表面弾性 波は振動子の Q値によつて増幅され、 ァクチユエ一夕や光変調素子の効率を向上 させることができる。
( D ) 光てこ入射光による多数の力ンチレバーによる試料の表面全体の観察を 行うことができる。
( E ) 力ンチレバ一状部材で試料表面を摺動させながらそこに照射された光の 反射状況から微小凹凸を輝度変化として検出することができる。
( F ) 光干渉計により多数の力ンチレバ一の変位を検知する走査型プロ一ブ顕 微鏡を構築することができる。
( G) ヘテロダインレーザドッブラー計を用いた走査型力顕微鏡を構成するこ とができる。 つまり、 ヘテロダインレーザドップラー計をカンチレバ一の振動検 出に用いることができる。
(H)光学顕微鏡の視覚情報を用いて微小振動子上にレーザスポットを位置決 めすることが可能となる。
( I )高周波帯域において、試料としての 3次元構造物の周波数特性の正確な 評価を行うことができる。
( J )励振と検出をともに光で行うことにより、装置の機械部分の単純化、 小 型化とそれに伴う信頼性の向上と装置の高清浄化を図ることができる。
(K )励振と検出をともに光で行うことにより、 試料に光を当てるだけで計測 が可能となるため、 高い時間効率で多数の試料の評価が可能となる。
( L )励振と検出をともに光で行うことにより、 超高真空、 極低温等の特殊環 境に於いて、 装置の単純化、 小型化と高清浄化を図ることができる。
(M〕 レーザドップラー干渉計の計測光を試料に照射する際、 試料がある光学 面と干渉キヤビティを生じるように配置することにより、試料の固有振動数で自 励させ、前記レーザドップラー干渉計を用いてその振幅や速度、 周波数を計測す ることができる。
(N)光励振による励振方法をカンチレバーアレイに適応させ、新しい機能、 例えば、 ァクチユエーシヨン、 物質選別、 物質認識、光変調、 質量センシングを 実現することができる。 産業上の利用可能性
本発明は、 試料面のナノオーダ一の検出、 ァクチユエ一夕や光変調素子の効率 の向上、 微小凹凸を輝度変化としての検出、 カンチレバーの振動検出、 多数の試 料の評価、 試料の固有振動数での自励による試料の振幅や速度、 周波数の計測、 ァクチユエ一シヨン、物質選別、 物質認識、光変調、質量センシングを行うこと ができ、 特に、 試料の特性の測定装置やセンサとして好適である。

Claims

請 求 の 範 囲
I . 試料の表面上を摺動する多数のコンプライアントな力ンチレバーを具備する ことを特徴とするカンチレバ一アレイ。
2 . 請求項 1記載の力ンチレバ一ァレイにおいて、前記力ンチレバーァレイを前 記試料の表面に密に配置し、 前記試料に表面弾性波を伝搬させることを特徴とす るカンチレバ一アレイ。
3 . 複数の力ンチレバーのそれぞれの固有振動数が異なるように配置されること を特徴とするカンチレバーアレイ。
4 . 単結晶シリコンから作製したカンチレバーアレイの各列の電位を制御し、 対 向する探針間に高電界を生じさせることにより、 液中の電気泳動や、 気体中での 電界を用いたウイスカ結晶の方向性を指定して成長制御することを特徴とする力 ンチレバ一アレイの製造方法。
5 . 請求項 4記載のカンチレバ一アレイの製造方法において、 前記ウイスカ結晶 が力一ボンナノチューブであることを特徴とするカンチレバ一アレイの製造方法。
6 . 単結晶シリコンカンチレバーァレイの面と対向する形で平板電極を配置し、 各探針先端に電界集中を生じさせ、 基板法線方向に針状結晶の成長を行うことを 特徴とする力ンチレバーァレイの製造方法。
7 . 各プローブは各々が力ンチレバ一を有するチップの自重や外部荷重を分担し て受け持ち、 かつ前記各プローブでの面圧がある範囲内に収まるように受動的に 制御することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
8 . 各プローブは各々が力ンチレバーを有するチップの自重や外部荷重を分担し て受け持ち、 かつ前記各プローブでの面圧がある範囲内に収まるように受動的に 制御することを特徴とする案内 ·回転機構の摺動装置。
9 . 光てこによる多数のカンチレバーの変位を撮像装置により、 微小な試料の凹 凸を輝度変化として検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1 0 . 光てこによる多数のカンチレバーの変位を撮像装置により、 微小な試料の 凹凸を輝度変化として検出することを特徴とするセンサ。
I I . カンチレバーに光を照射し、該各カンチレバ一が基準面となすマイクロキ ャビティ長に応じた干渉輝度を撮像装置を用いて観察することを特徴とする走査 型プローブ顕微鏡。
1 2 . カンチレバーに光を照射し、該各カンチレバーが基準面となすマイクロキ ャビティ長に応じた干渉輝度を撮像装置を用いて観察することを特徴とするセン サ。
1 3 . 光干渉計による多数のカンチレバーの変位を撮像装置により、 微小な試料 の凹凸を輝度変化として検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1 4 . 請求項 1 3記載の走査型プローブ顕微鏡において、光源として低コヒ一レ ンス光源を用い、 干渉の生じる位置の範囲を制限し、 寄生干渉の影響を低減する ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1 5 . 光干渉計による多数のカンチレバーの変位を撮像装置により、 微小な試料 の凹凸を輝度変化として検出することを特徴とするセンサ。
1 6 . 請求項 1 5記載のセンサにおいて、 光源として低コヒ一レンス光源を用い、 干渉の生じる位置の範囲を制限し、 寄生干渉の影響を低減することを特徴とする センサ。
1 7 . ヘテロダインレーザドップラー計をカンチレバ一の振動検出に用いること を特徴とする走査型プ口―ブ顕微鏡。
1 8 . ヘテロダインレ一ザドップラー計をカンチレバ一の振動検出に用いること を特徴とするセンサ。
1 9 . 光学顕微鏡をカンチレバー検出光学系と同軸に持つことを特徴とする走査 型プローブ顕微鏡。
2 0 . 光学顕微鏡をカンチレバ一検出光学系と同軸に持つことを特徴とするセン サ。
2 1 . 微小力ンチレバ一にレーザスボットを位置決めする微小力ンチレバ一検出 光学系を具備することを特徴とする光ファイバ式ホモダインレーザ干渉計。
2 2 . 請求項 2 1記載の光ファイバ式ホモダインレーザ干渉計において、前記微 小力ンチレバーにレーザスポットを位置決めする微小力ンチレバー検出光学系と、 該微小力ンチレバー検出光学系と同軸に光学顕微鏡を具備することを特徴とする 光ファィバ式ホモダインレーザ干渉計。
2 3 . 試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計において、
該レーザドッブラ一干渉計の出力信号を用いてカンチレバ一を介して前記試料 に変調された光を照射し、該照射光により試料の振動を励起し、 前記試料の周波 数特性や機械的特性を計測することを特徴とする試料の光励振機能を有するレ一 ザドップラー干渉計。
4 . 請求項 2 3記載の試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計にお いて、 前記レーザドッブラ一干渉計をループに含む自励ループを構成することを 特徴とする試料の光励振機能を有するレーザドッブラ一干渉計。
2 5 . 請求項 2 3記載の試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計にお いて、
( a ) ネットワークアナライザにより周波数を掃引した信号を用いて光を変調し、 該変調した光を用いて試料の振動を励起し、
( b )前記試料の振動を同時に観察している前記レーザドップラー干渉計の出力 を前記ネットワークアナライザの信号入力に接続することによって、前記試料の 周波数特性を計測することを特徴とする試料の光励振機能を有するレーザドップ ラー干渉計。
2 6 . 請求項 2 3記載の試料の光励振機能を有するレ一ザドップラー干渉計にお いて、 前記振動励起のための光を、前記レーザドップラー干渉計の計測光に重畳 することにより、 一本の光路により振動計測と振動励振を行なうことを特徴とす る試料の光励振機能を有するレーザドッブラ一干渉計。
2 7 . 請求項 2 3記載の試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計にお いて、 前記カンチレバーの固有振動数の自励を実現し、 それにより前記カンチレ バー先端と前記試料の相互作用や、前記力ンチレバ一先端に付着した質量の変化 を、 自励振動周波数の変化や、 自励振動振幅、 位相の変化として検出することを 特徴とする試料の光励振機能を有するレーザドッブラ一干渉計。
2 8 . 多数のカンチレバ一の並んだ基板に、 その背面から一定光量、一定波長の 光を照射し、 それによりすべての前記カンチレバ一を各々の固有振動数で自励さ せることを特徴とする力ンチレバ一の励振方法。
2 9 . 多数のカンチレバーの並んだ基板に、 その背面から強度変調された光を照 射し、 それにより変調周波数と前記カンチレバーの固有振動数を合致させること を特徴とするカンチレバーの励振方法。 ·
3 0 . カンチレバーアレイにおいて振動している該カンチレバ一の集合を用いて、 前記力ンチレバーァレイ自身、 もしくはカンチレバ一アレイに支持されている物 体を変位させることを特徴とするカンチレバーの励振方法。
3 1 . カンチレバーアレイにおいて振動している該カンチレバ一の集合を用いて、 センシングゃ加工を行うことを特徴とする力ンチレバーの励振方法。
3 2 . カンチレバーアレイに一定光量の光を照射して、該カンチレバーの振動を 励起し、 それにより空隙の間隔をある周波数で変ィ匕させ、反射光や透過光の光量 を同一の周波数で変調させることを特徴とする力ンチレバ一の励振方法。
3 3 . 異なる固有振動数を有するカンチレバーの集合からなるカンチレバ一ァレ ィに一定光量の光を照射し、 複数の変調周波数で変調された光を反射光や透過光 として得ることを特徴とする力ンチレバーの励振方法。
3 4 . カンチレバ一アレイに一定光量の光を照射し、 それによりカンチレバ一面 上に進行波を発生させ、 それにより反射光や透過光の周波数を変調させることを 特徴とするカンチレバーの励振方法。
3 5 . 異なる固有振動数を有するカンチレバーの集合からなるカンチレバ一ァレ ィに一定光量の光を照射し、複数の周波数を有する光を反射光や透過光として得 ることを特徴とするカンチレバ一の励振方法。
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