WO2020031329A1 - 走査型プローブ顕微鏡、および走査型プローブ顕微鏡を用いた物性量測定方法 - Google Patents

Abstract

走査型プローブ顕微鏡（５０）は、探針（２０）と、探針（２０）を指示するカンチレバー（２）と、試料（Ｓ）を載置するスキャナ（４３）と、試料（Ｓ）と探針（２０）との間の距離を変化させる駆動部（４）と、カンチレバー（２）の変位を測定する変位測定部（３）とを備える。走査型プローブ顕微鏡（５０）は、試料（Ｓ）が探針（２０）に近づくときの探針（２０）と試料（Ｓ）との間の距離とカンチレバー（２）の変位を表わす量との関係を表わす第１のカーブと、試料（Ｓ）が探針（２０）から遠ざかるときの探針（２０）と試料（Ｓ）との間の距離とカンチレバー（２）の変位を表わす量との関係を表わす第２のカーブとを作成するカーブ作成部（１１）と、第１のカーブと第２のカーブとの間の面積を表わす量を試料の物性量として求める物性量算出部（５３）とを備える。

Description

走査型プローブ顕微鏡、および走査型プローブ顕微鏡を用いた物性量測定方法

　本発明は、走査型プローブ顕微鏡、および走査型プローブ顕微鏡を用いた物性量測定方法に関する。

　従来から、走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の特性を観察する方法が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。走査型プローブ顕微鏡では、探針と試料表面に働く力の距離依存性を表わすフォースカーブを測定することによって、試料の形状、引力、吸着力、試料の硬さ等の物性を測定することができる。また、探針をＸＹ方向に移動しながら物性を測定して画像化することによって、試料の表面状態の観察および解析を行うことができる。ユーザーは解析画像から凹凸状態、および物性などの試料についての知見を得ることができる。

特開２０００－３４６７８２号公報

　しかしながら、測定する試料によって探針と試料表面に働く力の距離依存性は変化する。たとえば、試料が柔らかい場合には、フォースカーブから吸着量を測定することができない。

　それゆえに、本発明の目的は、試料の固さに係らず、試料の物性を表わす物理量を測定することができる走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ顕微鏡を用いた物性量測定方法を提供することである。

　本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針と、探針を指示する指示部材と、試料を載置する載置部と、試料と探針との間の距離を変化させる駆動部と、指示部材の変位を測定する変位測定部と、試料が探針に近づくときの探針と試料との間の距離と指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第１のカーブと、試料が探針から遠ざかるときの探針と試料との間の距離と指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第２のカーブとを作成するカーブ作成部と、第１のカーブと第２のカーブとの間の面積を表わす量を試料の物性量として求める物性量算出部とを備える。

　好ましくは、試料の物性量は、試料の固さを表わす量である。
　好ましくは、カーブ作成部は、指示部材の変位を表わす量として、変位に基づく指示部材が受ける力を用いる。

　好ましくは、駆動部は、試料または探針を水平方向に走査する。変位測定部は、水平方向の各位置での指示部材の変位を測定する。カーブ作成部は、水平方向の各位置での第１のカーブおよび第２のカーブを作成する。物性量算出部は、水平方向の各位置での物性量を求める。走査型プローブ顕微鏡は、水平方向の各位置に対する物性量を画素値とした画像を生成する画像生成部を備える。

　好ましくは、物性量算出部は、第１のカーブの傾きの大きさが閾値以上となる指示部材と試料との間の距離の範囲において、第１のカーブと第２のカーブとの間の面積を表わす量を試料の物性量として求める。

　好ましくは、物性量算出部は、第２のカーブの傾きの大きさが閾値以上となる指示部材と試料との間の距離の範囲において、第１のカーブと第２のカーブとの間の面積を表わす量を試料の物性量として求める。

　好ましくは、物性量算出部は、第１のカーブの傾きの大きさが第１の閾値以上であり、かつ第２のカーブの傾きの大きさが第２の閾値以上となる指示部材と試料との間の距離の範囲において、第１のカーブと第２のカーブとの間の面積を表わす量を試料の物性量として求める。

　好ましくは、物性量算出部は、指示部材と試料との間の距離が指定された範囲において、第１のカーブと第２のカーブとの間の面積を表わす量を試料の物性量として求める。

　好ましくは、物性量算出部は、複数の指定された範囲に対して、それぞれ物性量を求める。画像生成部は、指定された範囲が異なる複数の画像を生成する。

　好ましくは、変位測定部は、探針と試料との間の距離の複数のポイントで変位を測定する。物性量算出部は、複数のポイントの各々おける第１のカーブ上の変位を表わす量と第２のカーブ上の変位を表わす量との差分値を算出し、差分値の総和を試料の物性量として求める。

　本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針と、探針を指示する指示部材と、試料を載置する載置部と、試料と探針との間の距離を変化させる駆動部と、指示部材の変位を測定する変位測定部と、試料が探針に近づくときの探針と試料との間の距離と、指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第１のカーブと、試料が探針から遠ざかるときの探針と試料との間の距離と、指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第２のカーブとを作成するカーブ作成部と、第１のカーブ上または第２のカーブ上の指定された変位を表わす量に対応する指示部材と試料との間の距離を試料の表面形状を表わす形状値として求める形状値算出部とを備える。駆動部は、試料または探針を水平方向に走査する。変位測定部は、水平方向の各位置での指示部材の変位を測定する。カーブ作成部は、水平方向の各位置での第１のカーブおよび第２のカーブを作成する。形状値算出部は、水平方向の各位置での形状値を求める。走査型プローブ顕微鏡は、水平方向の各位置に対する形状値を画素値とした画像を生成する画像生成部を備える。形状値算出部は、複数の指定された変位に対して、それぞれ形状値を求める。画像生成部は、指定された変位が異なる複数の画像を生成する。

　好ましくは、指示部材は、カンチレバーである。
　本発明は、探針と、探針を指示する指示部材と、試料を載置する載置部と、駆動部と、変位測定部と備えた走査型プローブ顕微鏡を用いた物性量測定方法である。物性量測定方法は、駆動部が、試料と探針との間の距離を変化させるステップと、変位測定部が、指示部材の変位を測定するステップと、試料が探針に近づくときの探針と試料との間の距離と、指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第１のカーブと、試料が探針から遠ざかるときの探針と試料との間の距離と、指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第２のカーブとを作成するステップと、第１のカーブと第２のカーブとの間の面積を表わす量を試料の物性量として求めるステップとを備える。

　本発明によれば、試料の固さに係らず、試料の物性を表わす物理量を測定することができる。

第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡５０の構成を表わす図である。 試料Ｓがカンチレバー２に垂直方向にアプローチするときと、試料Ｓがカンチレバー２から垂直方向にリリースするときのカンチレバー２の変位を表わす図である。 図２のようにカンチレバー２が変位した場合のフォースカーブの例を表わす図である。 フォーカスカーブの別の例を表わす図である。 弾性回復量の算出例を表わす図である。 第１の実施形態の表面形状像の生成手順を表わすフローチャートである。 第１の実施形態の弾性回復像の生成手順を表わすフローチャートである。 試料ＳがＨｅＬａ細胞のときの表面形状像の例を表わす図である。 試料ＳがＨｅＬａ細胞のときの弾性回復像の例を表わす図である。 第２の実施形態の弾性回復像の生成手順を表わすフローチャートである。 フォースカーブのＺ位置の範囲の指定の例を表わす図である。 第３の実施形態の表面形状像の生成手順を表わすフローチャートである。 フォースカーブのフォースＦＡの指定の例を表わす図である。 試料ＳがＨｅＬａ細胞のときの第１のフォースＦＡ１に対する表面形状像の例を表わす図である。 試料ＳがＨｅＬａ細胞のときの第２のフォースＦＡ２に対する表面形状像の例を表わす図である。 第４の実施形態の走査型プローブ顕微鏡５５０の構成を表わす図である。 変位カーブの例を表わす図である。 測定部のハードウエア構成の例を表わす図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
　［第１の実施形態］
　図１は、第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡５０の構成を表わす図である。

　図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡５０は、スキャナ４３と、探針２０と、カンチレバー２と、変位測定部３と、Ａ／Ｄ変換器３５と、測定部１と、駆動部４と、表示装置５１とを備える。

　スキャナ４３は、試料Ｓを載置し、駆動部４によって３次元方向に駆動される。
　カンチレバー２は、探針２０を支持する。探針２０と試料Ｓとの間の原子間力（引力または斥力）によって、カンチレバー２が変位する。

　変位測定部３は、カンチレバー２のたわみを検出する。変位測定部３は、光源３１と、ミラー３２，３３と、光検出器３４とを備える。光源３１は、レーザ光を発射するレーザ発振器などによって構成される。ミラー３２および３３は、光学系を構成する。光検出器３４は、入射されるレーザ光を検出するフォトダイオードなどによって構成される。光源３１から発射されたレーザ光は、ミラー３２で反射されて、カンチレバー２に入射される。レーザ光は、カンチレバー２で反射され、さらにミラー３３に反射されて、光検出器３４に入射される。光検出器３４がレーザ光を検出することによって、カンチレバー２の変位を測定することができる。

　Ａ／Ｄ変換器３５は、光検出器３４によって検出された変位信号をデジタル信号に変換する。

　測定部１は、フォースカーブ作成部１１と、形状値算出部５２と、表面形状像生成部１２と、物性量算出部５３と、物性量画像生成部１３とを備える。

　フォースカーブ作成部１１は、カンチレバー２の変位の時間変化から作用力（フォース）の時間変化を表わすフォースカーブを作成する。

　具体的には、フォースカーブ作成部１１は、カンチレバー２の変位Ｄ［Ｖ］に、バネ定数Ｋ［Ｎ／ｍ］と感度Ｓ［ｍ／Ｖ］とを乗算することによって、フォース［Ｎ］を算出する。バネ定数Ｋは、探針２０に接続されるバネのバネ定数である。感度は、変形のない固い試料でフォースカーブを作成したときのフォースカーブの傾きの逆数である。

　形状値算出部５２は、フォースカーブから試料Ｓの形状値を算出する。
　表面形状像生成部１２は、スキャナ４３によって試料ＳをＸＹ平面（水平方向）で走査することによって得られる各場所での形状値を画素値とした表面形状像を生成する。

　物性量算出部５３は、フォースカーブから弾性回復量を試料Ｓの物性量として算出する。弾性回復量は、探針２０を試料Ｓに押し込んで試料Ｓを凹ませ、その後探針２０を試料Ｓから離したときに試料Ｓの凹みがどれだけ早く元に戻るかを表わす量である。試料Ｓが柔らかいほど、弾性回復量が大きくなる。したがって、弾性回復量は、試料Ｓの固さを表わす量でもある。

　物性量画像生成部１３は、スキャナ４３によって試料ＳをＸＹ平面（水平方向）で走査することによって得られる各場所での弾性回復量を画素値とした弾性回復像を生成する。

　測定部１は、駆動部４に対して制御信号を出力する。
　駆動部４は、Ｄ／Ａ変換器４１と、スキャナドライバ４２とを備える。Ｄ／Ａ変換器４１は、測定部１からのデジタルの制御信号をアナログ信号に変換して、スキャナドライバ４２に送る。

　スキャナドライバ４２は、制御信号を受けて、スキャナ４３をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に駆動することによって、試料Ｓを走査することができる。図１において、Ｚ軸方向は、鉛直方向であり、ＸＹ平面が水平面である。画像を生成するために、駆動部４は、試料ＳをＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ数１０μｍ～数１０ｎｍの範囲を移動させる。

　図２は、試料Ｓが探針２０に垂直方向にアプローチするときと、試料Ｓが探針２０から垂直方向にリリースするときのカンチレバー２の変位を表わす図である。

　（１）～（４）に示すように、試料Ｓが探針２０にアプローチし、（４）～（６）に示すように、試料Ｓが探針２０からリリースする。図３は、図２のようにカンチレバー２が変位した場合のフォースカーブの例を表わす図である。図３において、横軸は、探針２０の位置を原点とした試料Ｓの垂直方向の位置Ｚを表わす。垂直方向の位置Ｚは、探針２０と試料Ｓの垂直方向の距離を表わす。図２の縦軸は、フォース、すなわちカンチレバー２が受ける力を表わす。

　（１）では、カンチレバー２の先端の探針２０と試料Ｓとが完全に離れている。（２）では、カンチレバー２が試料Ｓからわずかな引力を受け、下側に反る。これをジャンプインという。（３）では、カンチレバー２が斥力を受け、上側に反る。（４）では、探針２０と試料Ｓとが最も近く接触し、斥力が最大となる。（５）では、カンチレバー２の受ける力が斥力から引力に変わる。（６）では、カンチレバー２と試料Ｓとの間に吸着力が働き、引力が最大となる。（６）の直後に探針２０が試料Ｓから離れて、（１）の状態に戻る。これをジャンプアウトという。

　図３のフォースカーブは、アプローチ時のアプローチカーブと、リリース時のリリースカーブとから構成される。表面形状像は、アプローチカーブ上のある一定のフォースＦ０に対するＺ位置の値Ｚ０を画素値とする画像である。また、ジャンプアウト時のフォースＦの始点（最小値）と終点（最大値）との差分から吸着量を測定することができる。

　図４は、フォーカスカーブの別の例を表わす図である。
　たとえば試料Ｓが柔らかい場合には、図４に示すように、フォースカーブにジャンプインおよびジャンプアウトが発生しない。試料Ｓが柔らかい場合には、ジャンプアウトが発生しないので、吸着力を測定することができない。

　本実施の形態では、物性量算出部５３は、フォースカーブから弾性回復量を試料Ｓの物性量として算出する。アプローチカーブとリリースカーブとの間の面積を表わす量を試料Ｓの弾性回復量として求める。物性量算出部５３は、アプローチカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ１以上となる探針２０と試料Ｓとの間の距離の範囲において、アプローチカーブとリリースカーブとの間の面積を表わす量を求めてもよい。

　アプローチカーブおよびリリースカーブは、複数のサンプルポイントから構成されているので、物性量算出部５３は、アプローチカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ１以上となる探針２０と試料Ｓとの間の距離の範囲において、探針２０と試料Ｓとの間の距離の各サンプルポイントおけるアプローチカーブ上のフォースＦ１とリリースカーブ上のフォースＦ２との差分値ΔＦを求め、差分値ΔＦの総和を弾性回復量として求めることとしてもよい。

　図５は、弾性回復量の算出例を表わす図である。
　図５に示すように、ＺＡ～ＺＢの範囲において、アプローチカーブとリリースカーブとの間の面積が弾性回復量として求めることができる。ＺＡ～ＺＢの範囲は、アプローチカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ１以上となる範囲である。

　図６は、第１の実施形態の表面形状像の生成手順を表わすフローチャートである。表面形状像の大きさをＸ＿ＭＡＸ×Ｙ＿ＭＡＸとする。

　ステップＳ１０１において、表面形状像生成部１２は、表面形状像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）を（０，０）に設定する。

　ステップＳ１０２において、駆動部４は、試料Ｓの水平方向の位置を（Ｘ，Ｙ）に対応する位置に移動させる。

　ステップＳ１０３において、フォースカーブ作成部１１は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブを生成する。

　ステップＳ１０４において、形状値算出部５２は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブを構成するアプローチカーブ上の一定のフォースＦ０に対するＺ位置Ｚ０（Ｘ，Ｙ）を形状値として求める。

　ステップＳ１０５において、表面形状像生成部１２は、表面形状像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）の画素値を形状値Ｚ０（Ｘ，Ｙ）とする。

　ステップＳ１０６において、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１の場合には、処理がステップＳ１０８に進み、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１でない場合には、処理がステップＳ１０７に進む。

　ステップＳ１０７において、表面形状像生成部１２は、Ｘをインクリメントする。その後、処理がステップＳ１０２に戻る。

　ステップＳ１０８において、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１の場合には、処理がステップＳ１１０に進み、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１でない場合には、処理がステップＳ１０９に進む。

　ステップＳ１０９において、表面形状像生成部１２は、Ｘ＝０とするとともに、Ｙをインクリメントする。その後、処理がステップＳ１０２に戻る。

　ステップＳ１１０において、表面形状像生成部１２は、表面形状像を表示装置５１に表示する。

　図７は、第１の実施形態の弾性回復像の生成手順を表わすフローチャートである。弾性回復像の大きさをＸ＿ＭＡＸ×Ｙ＿ＭＡＸとする。

　ステップＳ２０１において、物性量画像生成部１３は、弾性回復像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）を（０，０）に設定する。

　ステップＳ２０２において、駆動部４は、試料Ｓの水平方向の位置を（Ｘ，Ｙ）に対応する位置に移動させる。

　ステップＳ２０３において、フォースカーブ作成部１１は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブを生成する。

　ステップＳ２０４において、物性量算出部５３は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブのＺ位置の最小値「０」を始点ＺＡに設定する。

　ステップＳ２０５において、物性量算出部５３は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブを構成するアプローチカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ１以上となるＺ位置の最大値を終点ＺＢとして求める。始点ＺＡ～終点ＺＢの範囲において、アプローチカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ１以上となる。

　ステップＳ２０６において、物性量算出部５３は、Ｚ位置がＺＡとＺＢの間の区間におけるアプローチカーブとリリースカーブとの間の面積を弾性回復量ＥＲ（Ｘ，Ｙ）として求める。

　ステップＳ２０７において、物性量画像生成部１３は、弾性回復像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）の画素値を弾性回復量ＥＲ（Ｘ，Ｙ）とする。

　ステップＳ２０８において、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１の場合には、処理がステップＳ２１０に進み、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１でない場合には、処理がステップＳ２０９に進む。

　ステップＳ２０９において、物性量画像生成部１３は、Ｘをインクリメントする。その後、処理がステップＳ２０２に戻る。

　ステップＳ２１０において、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１の場合には、処理がステップＳ２１２に進み、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１でない場合には、処理がステップＳ２１１に進む。

　ステップＳ２１１において、物性量画像生成部１３は、Ｘ＝０とするとともに、Ｙをインクリメントする。その後、処理がステップＳ２０２に戻る。

　ステップＳ２１２において、物性量画像生成部１３は、弾性回復像を表示装置５１に表示する。

　図８は、試料ＳがＨｅＬａ細胞のときの表面形状像の例を表わす図である。
　図８に示すように、表面形状像によって、ＨｅＬａ細胞の形状を知ることができる。

　図９は、試料ＳがＨｅＬａ細胞のときの弾性回復像の例を表わす図である。
　図９に示すように、弾性回復像によって、ＨｅＬａ細胞の内部の弾性回復量（すなわち、探針２０でＨｅａＬａ細胞を凹ませた後、探針２０をＨｅＬａ細胞から離したときに、ＨｅＬａ細胞の凹みがどれだけ早く元に戻るかを表わす量）を知ることができる。

　正常な細胞と異常な細胞の弾性回復像を比較する事で、細胞間接着の硬さの違いなどの知見を得ることができ、がんやパーキンソン病など疾患の発生前後に細胞内で起こる事象の解析を行うことができる。

　［第２の実施形態］
　第２の実施形態では、フォースカーブのＺ位置の指定された範囲で弾性回復量を求める。

　図１０は、第２の実施形態の弾性回復像の生成手順を表わすフローチャートである。弾性回復像の大きさをＸ＿ＭＡＸ×Ｙ＿ＭＡＸとする。

　ステップＳ３０１において、物性量画像生成部１３は、弾性回復像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）を（０，０）に設定する。

　ステップＳ３０２において、駆動部４は、試料Ｓの水平方向の位置を（Ｘ，Ｙ）に対応する位置に移動させる。

　ステップＳ３０３において、フォースカーブ作成部１１は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブを生成する。

　ステップＳ３０４において、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１の場合には、処理がステップＳ３０６に進み、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１でない場合には、処理がステップＳ３０５に進む。

　ステップＳ３０５において、物性量画像生成部１３は、Ｘをインクリメントする。その後、処理がステップＳ３０２に戻る。

　ステップＳ３０６において、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１の場合には、処理がステップＳ３０８に進み、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１でない場合には、処理がステップＳ３０７に進む。

　ステップＳ３０７において、物性量画像生成部１３は、Ｘ＝０とするとともに、Ｙをインクリメントする。その後、処理がステップＳ３０２に戻る。

　ステップＳ３０８において、フォースカーブのＺ位置の範囲（始点ＺＡおよび終点ＺＢ）を指定した弾性回復像の生成要求があった場合に、処理がステップＳ３０９に進む。弾性回復像の生成要求がない場合には、処理を終了する。

　ステップＳ３０９において、物性量画像生成部１３は、弾性回復像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）を（０，０）に設定する。

　ステップＳ３１０において、物性量算出部５３は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブのＺ位置がＺＡとＺＢとの間の区間におけるアプローチカーブとリリースカーブの間の面積を弾性回復量ＥＲ（Ｘ，Ｙ）として求める。

　ステップＳ３１１において、物性量画像生成部１３は、弾性回復像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）の画素値を弾性回復量ＥＲ（Ｘ，Ｙ）とする。

　ステップＳ３１２において、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１の場合には、処理がステップＳ３１４に進み、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１でない場合には、処理がステップＳ３１２に進む。

　ステップＳ３１２において、物性量画像生成部１３は、Ｘをインクリメントする。その後、処理がステップＳ３１０に戻る。

　ステップＳ３１４において、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１の場合には、処理がステップＳ３１６に進み、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１でない場合には、処理がステップＳ３１５に進む。

　ステップＳ３１５において、物性量画像生成部１３は、Ｘ＝０とするとともに、Ｙをインクリメントする。その後、処理がステップＳ３１０に戻る。

　ステップＳ３１６において、物性量画像生成部１３は、弾性回復像を表示装置５１に表示する。その後、処理がステップＳ３０８に戻る。

　図１１は、フォースカーブのＺ位置の範囲の指定の例を表わす図である。
　第１の範囲は、始点をＺＡ（１）、終点をＺＢ（１）とする範囲である。第２の範囲は、始点をＺＡ（２）、終点をＺＢ（２）とする範囲である。

　ステップＳ３０８において、フォースカーブのＺ位置の範囲（始点ＺＡおよび終点ＺＢ）の指定が異なる複数の弾性回復像の生成要求があった場合には、物性量算出部５３は、複数の指定された範囲に対して、それぞれ弾性回復量（Ｘ，Ｙ）を求める。物性量画像生成部１３は、指定された範囲が異なる複数の弾性回復像を生成する。図１１に示すように、第１の範囲と第２の範囲の指定があった場合には、指定範囲が異なる２つの弾性回復像が得られる。

　［第３の実施形態］
　第３の実施形態では、フォースカーブの指定されたフォースでの形状値を求める。

　図１２は、第３の実施形態の表面形状像の生成手順を表わすフローチャートである。表面形状像の大きさをＸ＿ＭＡＸ×Ｙ＿ＭＡＸとする。

　ステップＳ４０１において、表面形状像生成部１２は、表面形状像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）を（０，０）に設定する。

　ステップＳ４０２において、駆動部４は、試料Ｓの水平方向の位置を（Ｘ，Ｙ）に対応する位置に移動させる。

　ステップＳ４０３において、フォースカーブ作成部１１は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブを生成する。

　ステップＳ４０４において、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１の場合には、処理がステップＳ４０６に進み、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１でない場合には、処理がステップＳ４０５に進む。

　ステップＳ４０５において、表面形状像生成部１２は、Ｘをインクリメントする。その後、処理がステップＳ４０２に戻る。

　ステップＳ４０６において、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１の場合には、処理がステップＳ４０８に進み、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１でない場合には、処理がステップＳ４０７に進む。

　ステップＳ４０７において、表面形状像生成部１２は、Ｘ＝０とするとともに、Ｙをインクリメントする。その後、処理がステップＳ４０２に戻る。

　ステップＳ４０８において、フォースカーブのフォースＦＡを指定した表面形状像の生成要求があった場合に、処理がステップＳ４０９に進む。表面形状像の生成要求がない場合には、処理を終了する。

　ステップＳ４０９において、表面形状像生成部１２は、表面形状像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）を（０，０）に設定する。

　ステップＳ４１０において、形状値算出部５２は、（Ｘ，Ｙ）についてのフォースカーブのアプローチカーブ上のフォースＦＡに対するＺ位置ＺＡ（Ｘ，Ｙ）を形状値として求める。

　ステップＳ４１１において、表面形状像生成部１２は、表面形状像の画素の位置（Ｘ，Ｙ）の画素値を形状値ＺＡ（Ｘ，Ｙ）とする。

　ステップＳ４１２において、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１の場合には、処理がステップＳ４１４に進み、Ｘ＝ＭＡＸ＿Ｘ－１でない場合には、処理がステップＳ４１３に進む。

　ステップＳ４１３において、表面形状像生成部１２は、Ｘをインクリメントする。その後、処理がステップＳ４１０に戻る。

　ステップＳ４１４において、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１の場合には、処理がステップＳ４１６に進み、Ｙ＝ＭＡＸ＿Ｙ－１でない場合には、処理がステップＳ４１５に進む。

　ステップＳ４１５において、表面形状像生成部１２は、Ｘ＝０とするとともに、Ｙをインクリメントする。その後、処理がステップＳ４１０に戻る。

　ステップＳ４１６において、表面形状像生成部１２は、表面形状像を表示装置５１に表示する。その後、処理がステップＳ４０８に戻る。

　図１３は、フォースカーブのフォースＦＡの指定の例を表わす図である。
　図１３では、第１のフォースＦＡ１と第２のフォースＦＡ２が指定されている。

　ステップＳ４０８において、フォースカーブのフォースＦＡの指定が異なる複数の表面形状像の生成要求があった場合には、形状値算出部５２は、複数の指定されたフォースに対して、それぞれ形状値ＺＡ（Ｘ，Ｙ）を求める。表面形状像生成部１２は、指定されたフォースが異なる複数の表面形状像を生成する。図１３に示すように、第１のフォースと第２のフォースの指定があった場合には、フォースが異なる２つの表面形状像が得られる。

　図１４は、試料ＳがＨｅＬａ細胞のときの第１のフォースＦＡ１に対する表面形状像の例を表わす図である。図１５は、試料ＳがＨｅＬａ細胞のときの第２のフォースＦＡ２に対する表面形状像の例を表わす図である。

　フォースの相違、つまり、ＨｅＬａ細胞を押し込む力の相違によって、得られる表面形状像が相違する。押し込む力であるフォースＦＡを徐々に変化させて、複数個の表面形状像を作成して、これらの複数の表面形状像を動画のように連続して表示させることによって、細胞が変形していく様子を示すこともできる。

　［第４の実施形態］
　図１６は、第４の実施形態の走査型プローブ顕微鏡５５０の構成を表わす図である。

　第４の実施形態の走査型プローブ顕微鏡５５０は、フォースカーブ作成部１１に代えて、変位カーブ作成部９１を備える。

　第１の実施形態では、フォースカーブ作成部１１は、カンチレバー２の変位Ｄ［Ｖ］に、バネ定数Ｋ［Ｎ／ｍ］と感度Ｓ［ｍ／Ｖ］とを乗算してフォースを算出することによって、フォースカーブを作成した。

　本実施の形態では、変位カーブ作成部９１は、カンチレバー２の変位の時間変化を表わす変位カーブを作成する。

　図１７は、変位カーブの例を表わす図である。
　図１７において、横軸は、探針２０を原点とした試料Ｓの垂直方向の位置Ｚを表わす。垂直方向の位置Ｚは、探針２０と試料Ｓの垂直方向の距離を表わす。図１６の縦軸は、カンチレバー２の変位を表わす。

　バネ定数Ｋ［Ｎ／ｍ］と感度Ｓ［ｍ／Ｖ］は、定数なので、本実施の形態の変位カーブは、フォースカーブと同じ形状となる。よって、第１～第３の実施形態で説明した形状値および弾性回復量は、変位カーブでも求めることができる。

　したがって、本実施の形態では、形状値算出部５２は、フォースカーブを用いて形状値を算出したのと同じ方法で、変位カーブを用いて形状値を算出する。同様に、物性量算出部５３は、フォースカーブを用いて弾性回復量を算出したのと同じ方法で、変位カーブを用いて弾性回復量を算出する。

　（変形例）
　本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、たとえば、以下のような変形例も含む。

　（１）形状値
　上記の実施形態では、アプローチカーブ上のあるフォースＦに対するＺ位置を形状値としたが、これに限定されるものではない。たとえば、リリースカーブ上のあるフォースＦに対するＺ位置を形状値としてもよい。あるいは、アプローチカーブ上のあるフォースＦに対するＺ位置と、リリースカーブ上のあるフォースＦに対するＺ位置を形状値としてもよい。

　（２）面積の計算
　第１の実施形態では、物性量算出部５３は、フォースカーブを構成するアプローチカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ１以上となるＺ位置の最大値を面積計算のための終点ＺＢとして求めたが、これに限定されるものではない。物性量算出部５３は、フォースカーブを構成するリリースカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ２以上となるＺ位置の最大値を面積計算のための終点ＺＢとして求めてもよい。あるいは、物性量算出部５３は、フォースカーブを構成するアプローチカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ１以上、かつ、フォースカーブを構成するリリースカーブの傾きの大きさが閾値ＴＨ２以上となるＺ位置の最大値を面積計算のための終点ＺＢとして求めてもよい。上記において、閾値ＴＨ１と閾値ＴＨ２は、同一であってもよい。

　（３）駆動部
　上記の実施形態では、駆動部が、試料Ｓを３次元方向に移動させたが、これに限定するものではない。駆動部が、探針２０を３次元方向に移動させるものとしてもよい。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　（４）　測定部１
　図１８は、測定部のハードウエア構成の例を表わす図である。

　図１の測定部１を構成するフォースカーブ作成部１１、形状値算出部５２、表面形状像生成部１２、物性量算出部５３、および物性量画像生成部１３ハードウエアは、プロセッサ１１００と、プロセッサ１１００とバス１３００で接続されたメモリ１２００とを備える。制御部４０は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）などのプロセッサ１１１０がメモリ１２００に記憶されたプログラムを実行することにより、実現される。また、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して上記構成要素の機能を実行するものとしてもよい。図９の測定部８１を構成する変位カーブ作成部９１、形状値算出部５２、表面形状像生成部１２、物性量算出部５３、および物性量画像生成部１３も同様である。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１，８１　測定部、２　カンチレバー、３　変位測定部、４　駆動部、１１　フォースカーブ作成部、１２　表面形状像生成部、１３　物性量画像生成部、２０　探針、３１　光源、３２，３３　ミラー、３４　光検出器、３５　Ａ／Ｄ変換器、４１　Ｄ／Ａ変換器、４２　スキャナドライバ、４３　スキャナ、５０，５５０　走査型プローブ顕微鏡、５２　形状値算出部、５３　物性量算出部、９１　変位カーブ作成部、Ｓ　試料。

Claims (13)

1. 　探針と、
   　前記探針を指示する指示部材と、
   　試料を載置する載置部と、
   　前記試料と前記探針との間の距離を変化させる駆動部と、
   　前記指示部材の変位を測定する変位測定部と、
   　前記試料が前記探針に近づくときの前記探針と前記試料との間の距離と前記指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第１のカーブと、前記試料が前記探針から遠ざかるときの前記探針と前記試料との間の距離と前記指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第２のカーブとを作成するカーブ作成部と、
   　前記第１のカーブと前記第２のカーブとの間の面積を表わす量を前記試料の物性量として求める物性量算出部とを備える、走査型プローブ顕微鏡。
2. 　前記試料の物性量は、前記試料の固さを表わす量である、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 　前記カーブ作成部は、前記指示部材の変位を表わす量として、前記変位に基づく前記指示部材が受ける力を用いる、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 　前記駆動部は、前記試料または前記探針を水平方向に走査し、
   　前記変位測定部は、前記水平方向の各位置での前記指示部材の変位を測定し、
   　前記カーブ作成部は、前記水平方向の各位置での前記第１のカーブおよび前記第２のカーブを作成し、
   　前記物性量算出部は、前記水平方向の各位置での前記物性量を求め、
   　前記水平方向の各位置に対する前記物性量を画素値とした画像を生成する画像生成部を備える、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 　前記物性量算出部は、前記第１のカーブの傾きの大きさが閾値以上となる前記指示部材と前記試料との間の距離の範囲において、前記第１のカーブと前記第２のカーブとの間の面積を表わす量を前記試料の物性量として求める、請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 　前記物性量算出部は、前記第２のカーブの傾きの大きさが閾値以上となる前記指示部材と前記試料との間の距離の範囲において、前記第１のカーブと前記第２のカーブとの間の面積を表わす量を前記試料の物性量として求める、請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 　前記物性量算出部は、前記第１のカーブの傾きの大きさが第１の閾値以上であり、かつ前記第２のカーブの傾きの大きさが第２の閾値以上となる前記指示部材と前記試料との間の距離の範囲において、前記第１のカーブと前記第２のカーブとの間の面積を表わす量を前記試料の物性量として求める、請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 　前記物性量算出部は、前記指示部材と前記試料との間の距離が指定された範囲において、前記第１のカーブと前記第２のカーブとの間の面積を表わす量を前記試料の物性量として求める、請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 　前記物性量算出部は、複数の前記指定された範囲に対して、それぞれ前記物性量を求め、
   　前記画像生成部は、前記指定された範囲が異なる複数の前記画像を生成する、請求項８記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 　前記変位測定部は、前記探針と前記試料との間の距離の複数のポイントで変位を測定し、
    　前記物性量算出部は、前記複数のポイントの各々おける前記第１のカーブ上の変位を表わす量と前記第２のカーブ上の変位を表わす量との差分値を算出し、前記差分値の総和を前記試料の物性量として求める、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
11. 　探針と、
    　前記探針を指示する指示部材と、
    　試料を載置する載置部と、
    　前記試料と前記探針との間の距離を変化させる駆動部と、
    　前記指示部材の変位を測定する変位測定部と、
    　前記試料が前記探針に近づくときの前記探針と前記試料との間の距離と、前記指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第１のカーブと、前記試料が前記探針から遠ざかるときの前記探針と前記試料との間の距離と、前記指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第２のカーブとを作成するカーブ作成部と、
    　前記第１のカーブ上または前記第２のカーブ上の指定された変位を表わす量に対応する前記指示部材と前記試料との間の距離を前記試料の表面形状を表わす形状値として求める形状値算出部とを備え、
    　前記駆動部は、前記試料または前記探針を水平方向に走査し、
    　前記変位測定部は、前記水平方向の各位置での前記指示部材の変位を測定し、
    　前記カーブ作成部は、前記水平方向の各位置での前記第１のカーブおよび前記第２のカーブを作成し、
    　前記形状値算出部は、前記水平方向の各位置での前記形状値を求め、
    　前記水平方向の各位置に対する前記形状値を画素値とした画像を生成する画像生成部を備え、
    　前記形状値算出部は、複数の前記指定された変位に対して、それぞれ前記形状値を求め、
    　前記画像生成部は、前記指定された変位が異なる複数の前記画像を生成する、走査型プローブ顕微鏡。
12. 　前記指示部材は、カンチレバーである、請求項１または１１記載の走査型プローブ顕微鏡。
13. 　探針と、前記探針を指示する指示部材と、試料を載置する載置部と、駆動部と、変位測定部と備えた走査型プローブ顕微鏡を用いた物性量測定方法であって、
    　前記駆動部が、前記試料と前記探針との間の距離を変化させるステップと、
    　前記変位測定部が、前記指示部材の変位を測定するステップと、
    　前記試料が前記探針に近づくときの前記探針と前記試料との間の距離と、前記指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第１のカーブと、前記試料が前記探針から遠ざかるときの前記探針と前記試料との間の距離と、前記指示部材の変位を表わす量との関係を表わす第２のカーブとを作成するステップと、
    　前記第１のカーブと前記第２のカーブとの間の面積を表わす量を前記試料の物性量として求めるステップとを備える、走査型プローブ顕微鏡を用いた物性量測定方法。

Images