JP6287775B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、さらに詳しくは、試料の様々な特性を多元的に捉えることのできる新規な走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡（SPM）では、図１のように、試料表面に水平な方向に探針Pまたは試料Sを移動しつつ、探針先端と試料表面との相互作用を検出し、その情報を元に試料表面の形状を高分解能に観察する。この際、探針先端と試料表面の間の距離は、検出された相互作用（力）が一定になるように探針Pまたは試料Sを試料表面に垂直な方向に移動させることで制御される。つまり、通常のSPMでは、探針先端と試料表面との距離がある値で一定になるように制御され、その状態で探針先端が試料表面をなぞるように水平方向に移動する。この探針先端と試料表面との相互作用としては、通常、原子間力が用いられる。原子間力を用いて試料の表面の形状を観察するのが原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：AFM）である。

SPMにはその他に、磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscope : MFM）や静電気力顕微鏡（Electric Force Microscope : EFM）がある。一般に磁気力や静電気力は原子間力に比べて遠距離力であり、これらの顕微鏡では、試料表面と探針先端を、原子間力が支配的な近距離において試料表面の形状を観察した後、探針先端と試料表面を一定距離だけ離して、磁気力や静電気力の情報を画像化するという方式が用いられる。

これらMFMやEFMでは、ダイナミックモードと呼ばれる方法が用いられる。ダイナミックモードでは、カンチレバーをその機械的共振周波数近傍で励振し、その共振状態の変化より試料表面の物性情報を得るものである（特許文献１、２等）。

特表2001-522045号公報 特開平05-026662号公報

様々な物質や試料についての研究が進んでいる現在、一つの試料に対して、表面形状の他、磁気的性質や電気的性質を一挙に取得し、かつ、それらの相互の関係を知りたいという要望が強くなっている。しかし、従来のSPMでこのような要求に応えるためには、複雑な操作を行う必要があった。

例えば、前記のとおりMFMやEFMではダイナミックモードで試料の測定が行われるが、試料によって磁気力や静電気力が及ぶ距離が異なるため、磁気力や静電気力の情報を有効に画像化できる距離に設定するためには、最初にAFMで表面形状を測定した後、その位置から、原子間力がもはや及ばす、磁気力や静電気力が及ぶであろうと考えられる距離だけ探針を引き上げ、磁気力や静電気力を測定する。しかし、試料の種類や状態によっては、その探針位置では磁気力や静電気力を正しく測定することができない場合があり、そのときは再度探針の位置を変える必要がある。従来の方法ではこのように試行錯誤を繰り返す必要があった。

本発明が解決しようとする課題は、1回の測定で表面形状の他、磁気的性質や電気的性質を一挙に取得することのできる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、
a) 試料表面と探針先端の相対的位置を、両者を結ぶZ方向と、それに垂直なXY面内で変化させる3次元移動機構と、
b) 探針先端を共振振動させつつ、試料表面と探針先端の間に働く、磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力と、原子間力の測定を行う力測定手段と、
c) 試料表面と探針先端の間の距離を前記3次元移動機構によりZ方向に所定範囲内で変化させつつ、その間の各点で前記力測定手段により探針先端を共振振動させつつ、試料表面と探針先端の間に働く、磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力と、原子間力の測定を行うZ方向走査測定を行い、その後、前記試料表面と前記探針先端の相対的位置をXY面内で変化させて前記Z方向走査測定を行うという操作を繰り返すことにより、前記磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力、並びに、前記原子間力の3次元データであるボリュームデータを取得するボリュームデータ取得手段と
を備えることを特徴とする。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、まずは3次元移動機構が試料表面と探針先端を結ぶZ方向において距離を所定範囲内で変化させつつ、その間の各点で力測定手段が原子間力と磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力とを測定する。これにより、これら少なくとも2つの力のZ方向の変化を表すカーブ（これを「フォースカーブ」と呼ぶ。）が得られる。

試料表面の或る1点においてZ方向のフォースカーブのデータを得た後、3次元移動機構は試料表面と探針先端をXY面内で相対的に移動させ、別の1点において同様に測定を行って、その点でのフォースカーブのデータを採取する。

こうして試料表面の各点においてZ方向のフォースカーブのデータを採取すると、最終的に3次元のボリュームデータが得られる。このボリュームデータは、原子間力と、それに対応する磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力との直接的な関係を表すものであるため、このボリュームデータにより試料の表面形状と表面物性との関係を一挙に得ることができる。

なお、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、各点において、探針先端を共振振動させつつ力を測定する。このため原子間力だけではなく、探針を保持するカンチレバーの励振状態（例えば、振動数、位相）の情報より、それ以外の物性情報を得ることができる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、1度の測定により、原子間力と、磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力とを同時に測定するため、1回の測定で測定対象試料の表面形状と、該試料表面から任意の距離だけ離れた位置での試料表面の物性情報を再構成することが可能となり、従来のように、適切な距離を探索するために、何度も測定を繰り返す必要がない。

そして、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡で得られた、試料の表面の物性に起因する磁気力又は／及び静電気力のボリュームデータは、一つの試料に関する、表面形状とその磁気的性質又は／及び電気的性質の直接的な関係を表すものである。これにより、試料の表面物性の統合的研究の進展が期待される。

走査型プローブ顕微鏡（SPM）による試料表面形状観察の様子を示す説明図。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一つの実施例である静電気力顕微鏡の要部の概略構成図。 前記静電気力顕微鏡におけるカンチレバー励振部の概略構成図。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の他の実施例である磁気力顕微鏡の、試料と探針の周囲の概略構成図。 実施例の磁気力顕微鏡におけるボリュームデータ取得のための動作のフローチャート。 実施例の磁気力顕微鏡におけるボリュームデータ取得のための動作の概略説明図。 実施例の磁気力顕微鏡で得られるボリュームデータを二次元画像の重ね合わせで表した説明図。

以下、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一つの実施例である静電気力顕微鏡について、添付図面を参照して説明する。図２はこの静電気力顕微鏡の要部の概略構成図、図３はその静電気力顕微鏡におけるカンチレバー励振部の概略構成図である。

図２に示すように、観察対象である試料３は略円筒形状であるスキャナ１の上に載置された試料ホルダ２の上に保持される。スキャナ１は、試料３を互いに直交するX、Yの2軸方向に走査するXYスキャナとX軸及びY軸に対し直交するZ軸方向に微動させるZスキャナとを含み、それぞれ水平位置制御部３３、垂直位置制御部３２から印加される電圧によって変位を生じる圧電素子を駆動源としている。試料３の上方には先端に探針６を備えるカンチレバー５が配置され、このカンチレバー５は、カンチレバーホルダに上下方向に振動可能に固定されている。

カンチレバー５のZ軸方向の変位を検出するために、その上方には、レーザ光源１１、ミラー１２、１３、及び光検出器１４を含む光学的変位検出部１０が設けられている。光学的変位検出部１０においては、レーザ光源１１から出射したレーザ光をミラー１２で略垂直に反射させ、カンチレバー５の背面先端付近に照射する。カンチレバー５はシリコン又は窒化シリコンなどから成るが、その前面（試料３との対向面）及び背面には金（Au）、アルミニウム（Al）、等の金属薄膜が蒸着等により形成されている。それによりカンチレバー５の背面は鏡面となっており、上方から照射されたレーザ光は高い効率で反射する。このカンチレバー５の背面からの反射光はミラー１３を介して光検出器１４に導入される。光検出器１４はカンチレバー５の振動方向（変位方向、Z軸方向）に複数（通常2つ）に分割された受光面を有するか、或いは、Z軸方向及びY軸方向に4分割された受光面を有する。カンチレバー５が上下に変位するとこれら複数の受光面に入射する光量の割合が変化するから、その複数の受光光量に応じた検出信号を演算処理することで、カンチレバー５のZ軸方向の変位量を算出することができる。この光検出器１４による検出信号は増幅されて振幅位相検出部３０に入力され、そこで得られたカンチレバー５の変位の振幅・位相に関する情報がデータ処理部３１に与えられる。

図３に示すように、試料ホルダ２は直流成分遮断用のコンデンサ２５を介して励振電圧生成部２１に接続され、一端がカンチレバー５の前面及び背面の金属薄膜５ａと電気的に接続された導電性のリード部２０の他端は本顕微鏡の接地電位（GND）に接続されている。励振電圧生成部２１は、搬送波発生部２２、変調波発生部２３、振幅変調部２４を含む。搬送波発生部２２はカンチレバー５の共振周波数よりも高い所定の周波数範囲の中の周波数f₀の正弦波電圧を発生するものである。一方、変調波発生部２３は搬送波よりも低い周波数でカンチレバー５を励振させたい周波数f_mの正弦波電圧を発生するものである。振幅変調部２４は、搬送波の振幅を変調波波形に応じて変調する。したがって、振幅変調部２４の出力、つまり試料ホルダ２に印加される励振電圧は周波数がf₀でその包絡線は変調波波形に一致している。これにより、カンチレバー５前面の金属薄膜５ａと試料３の間に励振電圧が印加される。なお、コンデンサ２５は、励振電圧生成部２１で生成される励振電圧が切り替えられるときに生じる大きな直流電圧を遮断するためのものである。

また、励振電圧生成部２１、垂直位置制御部３２、水平位置制御部３３は、主制御部３４により制御され、該主制御部３４には測定のために必要な条件やパラメータなどを設定するための操作部３５や測定結果を表示するための表示部３６なども接続されている。

ここで、上記励振電圧がカンチレバー５前面の金属薄膜５ａと試料３の間（以下「探針−試料間」と記す）に印加された場合における、カンチレバー５に作用する静電気力について説明する。
いま、或る電圧Vが探針−試料間に印加されたときに、探針−試料間の静電気力F_esfは次の(1)式となる。ここで、C_tsは探針−試料間の静電容量、zは探針−試料間距離である。
探針−試料間に、直流電圧V_DCと振幅変調信号V_AC,p-0（搬送波の角周波数ω₀、変調波の角周波数ω_m）を印加する場合、印加電圧V_modは次の(2)式で表される。
したがって、探針−試料間に電圧V_modを印加したときの探針−試料間の静電気力F^AM _esfは次の(3)式となる。

(3)式に示すように、静電気力F^AM _esfは、直流成分を始めとする様々な周波数の成分を含むが、その１つとして変調波の角周波数ω_mの成分が存在することが分かる。即ち、静電気力F^AM _esfによってカンチレバー５は変調波の角周波数ω_mの成分を以て振動するから、例えばロックインアンプなどによりこの特定の周波数成分を検出することにより、角周波数ω_m成分のみの静電気力を抽出することが可能である。

以上は、静電気力顕微鏡について詳しく説明したが、磁気力顕微鏡についても、探針と試料の間の磁気力を測定するという点で上記実施例の静電気力顕微鏡と異なるだけであり、その他の機構、原理はほぼ同じである。磁気力顕微鏡の場合、例えば図４に示すように、試料３と探針６の周囲に磁場形成装置７を設け、両者を磁場の中に置けば、上記同様に、試料３と探針６の間に働く磁気力を測定することができる。

次に、図５及び図６により、本発明の実施例である磁気力顕微鏡（MFM）における走査方法の概念を示す。一般的なSPMの走査は、まずX方向に速い速度で1ライン走査し、1ラインのX走査が終わった後、Y方向に少しずらし、再び1ラインのX走査を行う。このX走査のような早い走査を高速走査、Y方向のような遅い走査を低速走査と呼ぶ。

本実施例のMFMでは、高速走査の方向と低速走査の方向を変更し、図６に示すように、Z方向に高速走査、X方向に低速走査を行う。すると、1つの高速走査はフォースカーブを取得することと同じになり、それをX座標を変えながら行うこととなる。

詳しく説明すると、図５に示すように、まずカンチレバーの励振を開始し（ステップS1）、探針先端を所定の高さZmaxに置く（或いは、スキャナの方を移動させる。以下同様。S2）。その位置でカンチレバー振動の周波数及び／又は位相の変化を測定する（S3）。これにより、探針先端と試料表面の間の静電気的／磁気的相互作用を測定することができる。次に、探針先端の位置をZ方向に微小距離ΔZだけ下げ（S4）、カンチレバーの振動の振幅wが所定値w₀以下になったか否かを判定する（S5）。w＜w₀となった時点で、探針先端が試料表面に接触すると判断し、探針をX方向に微小距離ΔXだけ移動する（S6）。そして探針先端を前記高さZmaxまで引き上げ（S2）、以降、同様の測定を繰り返す。このような測定を繰り返し、X方向に所定の距離X_maxだけ移動した時点で、今度はY方向に微小距離ΔYだけ移動し、同様の測定を繰り返す（S7、S8、S9）。

上記のようにZ-X方向の走査を行うことにより1つの二次元画像が得られ、続いてこのような二次元画像をY座標を変えながら取得することにより、試料表面上の3次元座標上での情報が取得できる。これをボリュームデータと呼ぶ。二次元画像の重ね合わせによりボリュームデータが生成される様子を図７に示す。

SPMでは1つの座標において1つのデータだけではなく、複数のデータを取り込むことが可能である。つまり、同じ3次元座標で複数のボリュームデータが得られることとなる。上記MFMを例にとると、ボリュームデータの一つは原子間力、すなわち表面形状のデータであり、別のボリュームデータは磁気力データとなる。磁気力は試料表面からの距離にも依存するため、一般なMFMでは形状に起因する原子間力が及ばない距離まで探針を離した状態で磁気力の測定を行うか、表面形状をあらかじめ記憶し、そのデータを用いて探針と試料表面との距離を制御しながら磁気力を測定する（リフトモード）。しかしながら、本実施例のMFMでは、表面形状と磁気力のデータがすべてのXYZ座標において得られているため、表面形状データから探針と試料表面との距離が一定となるZを抽出し、それを磁気力データに適用することで、リフトモードと同様の結果が得られる。さらに、リフトモードでは1つの距離でのみのデータしか得られないのに対し、本特許の手法では、表面形状から抽出するZ座標は任意の距離に設定できるため、様々な距離での磁気力像が再構築可能となる。

１…スキャナ
２…試料ホルダ
３…試料
５…カンチレバー
５ａ…金属薄膜
６…探針
７…磁場形成装置
１０…光学的変位検出部
１１…レーザ光源
１２、１３…ミラー
１４…光検出器
２０…リード部
２１…励振電圧生成部
２２…搬送波発生部
２３…変調波発生部
２４…振幅変調部
２５…コンデンサ
３０…振幅位相検出部
３１…データ処理部
３２…垂直位置制御部
３３…水平位置制御部
３４…主制御部
３５…操作部
３６…表示部

Claims (2)

1. a) 試料表面と探針先端の相対的位置を、両者を結ぶZ方向と、それに垂直なXY面内で変化させる3次元移動機構と、
   b) 探針先端を共振振動させつつ、試料表面と探針先端の間に働く、磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力と、原子間力の測定を行う力測定手段と、
   c) 試料表面と探針先端の間の距離を前記3次元移動機構によりZ方向に所定範囲内で変化させつつ、その間の各点で前記力測定手段により探針先端を共振振動させつつ、試料表面と探針先端の間に働く、磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力と、原子間力の測定を行うZ方向走査測定を行い、その後、前記試料表面と前記探針先端の相対的位置をXY面内で変化させて前記Z方向走査測定を行うという操作を繰り返すことにより、前記磁気力及び静電気力のうちの少なくとも1つの力、並びに、前記原子間力の3次元データであるボリュームデータを取得するボリュームデータ取得手段と
   を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記力測定手段が原子間力と磁気力を測定することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。