JPH09159680A - カンチレバーホルダー及びこれを用いた加熱装置、並びにこれを用いた加熱・形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料の原子、分子オーダーの微小領域を局所
的に加熱可能とする。 【構成】 カンチレバー１の支持体１ａを板ばね４と基
板３の上面との間に挟持することにより、カンチレバー
１が保持される。基板３の上面には、ヒータとしての金
属パターン８が形成されている。パターン８に電流を流
すと、パターン８が発熱し、この熱が基板３、カンチレ
バー１の支持体１ａ、カンチレバー１の可撓性プレート
１ｂを介して探針１ｃに伝導され、探針１ｃの先端部が
加熱される。探針１ｃの先端部を介して試料表面の原
子、分子オーダーの微小領域が局所的に加熱される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カンチレバーを用
いて試料表面を加熱する加熱装置及びこれに用いられる
カンチレバーホルダー、並びに、試料表面を加熱するこ
とができるのみならず試料表面の形状を計測することが
できる加熱・形状計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】試料を局所的に加熱しようとする場合、
例えば、レーザー光を照射して試料を加熱することが考
えられる。

【０００３】しかし、レーザ光スポットの大きさは、回
折限界まで小さくしても、試料の原子、分子オーダーか
らみれば非常に大きいので、試料の原子、分子オーダー
の微小領域を局所的に加熱することはできない。

【０００４】なお、従来から、原子、分子オーダーの分
解能で試料（物質）の表面の形状を計測する装置とし
て、走査型原子間力顕微鏡が提供されている。走査型原
子間力顕微鏡では、支持体と、該支持体に一端が支持さ
れた可撓性プレートと、該可撓性プレートの先端側領域
に設けられた探針とを備えたカンチレバーが、プローブ
として用いられている。

【０００５】ところで、走査型原子間力顕微鏡で観察さ
れる試料の処理の１つに試料加熱がある。試料加熱によ
り、温度変化が起こり、試料の特性が変化する。特に生
物分野の生体高分子は活性状態の変化、有機物は相状態
が変化する。このように、試料加熱をしたまま走査型原
子間力顕微鏡で表面形状を観察することは様々な特性の
変化をとらえられる可能性があり重要である。

【０００６】しかし、従来の走査型原子間力顕微鏡で
は、試料表面の形状を測定することができるものの、試
料を局所的に加熱することはできなかった。

【０００７】また、走査型トンネル顕微鏡に関するもの
であるが、試料全体を加熱する方法が特開平６−７４８
８０号公報に開示されている。しかし、この方法では、
試料全体を加熱することはできるものの、試料を局所的
に加熱することはできない。

【０００８】このように、従来は、試料を局所的に加熱
する手段がなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
は、試料の原子、分子オーダーの微小領域を局所的に加
熱することができなかったので、例えば、生物試料の分
子レベルの領域の温度による性質の変化などを解明する
ことができなかった。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、試料の原子、分子オーダーの微小領域を局所
的に加熱することができる加熱装置及びこれに用いられ
るカンチレバーホルダーを提供することを目的とする。

【００１１】また、本発明は、試料の原子、分子オーダ
ーの微小領域を局所的に加熱することができるととも
に、原子、分子オーダーの分解能で試料表面の形状を測
定することができる加熱・形状計測装置を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様によるカンチレバーホルダー
は、探針を有するカンチレバーを保持するカンチレバー
ホルダーにおいて、保持されたカンチレバーを加熱する
ヒータを備えたものである。

【００１３】本発明の第２の態様によるカンチレバーホ
ルダーは、前記第１の態様によるカンチレバーホルダー
において、支持台と、該支持台との間に前記カンチレバ
ーを挟持する押さえ部材と、を備え、前記支持台又は前
記押さえ部材に前記ヒータを形成したものである。

【００１４】本発明の第３の態様によるカンチレバーホ
ルダーは、前記第１の態様によるカンチレバーホルダー
において、支持台と、前記カンチレバーに予め固定され
た支持板であって前記支持台に固定される支持板と、を
備え、前記支持板に前記ヒータを形成したものである。

【００１５】本発明の第４の態様によるカンチレバーホ
ルダーは、前記第１乃至第３のいずれかに記載のカンチ
レバーホルダーにおいて、保持された前記カンチレバー
以外の部分への、前記ヒータで発生した熱の伝導を軽減
させる断熱材を更に備えたものである。

【００１６】本発明の第５の態様による加熱装置は、探
針を有するカンチレバーと、該カンチレバーを保持する
前記第１乃至第４の態様のいずかの態様によるカンチレ
バーホルダーと、前記ヒータを発熱させる発熱駆動手段
と、試料表面と略平行な面の方向に前記探針を前記試料
に対して相対的に移動させるとともに、前記試料表面と
略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移
動させる移動手段と、前記カンチレバーが撓んで前記探
針が前記試料表面に押し付けられた状態において、前記
試料表面の所望の点のみが加熱されるか又は前記試料表
面の所望の領域の各点が順次加熱されるように、前記発
熱駆動手段及び前記移動手段を制御する制御手段と、を
備えたものである。

【００１７】本発明の第６の態様による加熱装置は、探
針を有するカンチレバーと、該カンチレバーを保持する
前記第１乃至第４の態様のいずかの態様によるカンチレ
バーホルダーと、前記ヒータを発熱させる発熱駆動手段
と、前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出手段
と、試料表面と略平行な面の方向に前記探針を前記試料
に対して相対的に移動させるとともに、前記試料表面と
略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移
動させる移動手段と、前記撓み検出手段からの検出信号
に基づいて前記カンチレバーの撓みが一定になるように
前記移動手段を制御しつつ、前記探針が前記試料表面の
所望の点に相対するか又は前記試料表面の所望の領域の
各点を順次走査するように前記移動手段を制御する手段
と、前記試料表面の所望の点のみが加熱されるか又は前
記試料表面の所望の領域の各点が順次加熱されるよう
に、前記発熱駆動手段を制御する手段と、を備えたもの
である。

【００１８】本発明の第７の態様による加熱装置は、探
針を有するカンチレバーと、該カンチレバーを保持する
前記第１乃至第４の態様のいずかの態様によるカンチレ
バーホルダーと、前記ヒータを発熱させる発熱駆動手段
と、前記カンチレバーを振動させる振動手段と、前記カ
ンチレバーの振動状態を検出する振動検出手段と、前記
試料表面と略平行な面の方向に前記探針を前記試料に対
して相対的に移動させるとともに、前記試料表面と略垂
直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動さ
せる移動手段と、前記振動検出手段からの検出信号に基
づいて前記カンチレバーの前記探針と前記試料表面との
間に作用する原子間力が一定になるように前記移動手段
を制御しつつ、前記探針が前記試料表面の所望の点に相
対するか又は前記試料表面の所望の領域の各点を順次走
査するように前記移動手段を制御する手段と、前記試料
表面の所望の点のみが加熱されるか又は前記試料表面の
所望の領域の各点が順次加熱されるように、前記発熱駆
動手段を制御する手段と、を備えたものである。

【００１９】本発明の第８の態様による加熱・形状計測
装置は、前記第６又は第７の態様による加熱装置と、前
記試料表面と略平行な面の方向における前記探針の前記
試料表面に対する相対位置に応じた、前記試料表面と略
垂直な方向の前記探針の前記試料表面に対する相対位置
に関する情報を得る手段と、を備えたものである。

【００２０】前記第１乃至第４の態様によるカンチレバ
ーホルダーによれば、当該カンチレバーホルダーにカン
チレバーを保持させると、ヒータから発生した熱がカン
チレバーの探針の先端部に伝導され、該先端部が加熱さ
れる。したがって、探針の先端部を試料表面に接触させ
るか又は微小間隔で近接させることによって、探針の先
端部を介して試料表面を加熱することができる。このと
き、カンチレバーとして走査型原子間力顕微鏡で採用さ
れている探針の先端部が極めて先鋭に構成されたカンチ
レバーを用いることができるので、探針の先端部を介し
て試料表面の原子、分子オーダーの微小領域を局所的に
加熱することができる。また、走査型原子間力顕微鏡で
採用されているカンチレバーをそのまま用いることもで
きるので、特別なカンチレバーを用意する必要がなく、
コストの低減を図ることができる。

【００２１】そして、前記第１乃至第４の態様によるカ
ンチレバーによれば、片持ち梁構造が採用されているの
で、前記第５乃至第７の態様のようにカンチレバーの撓
みを巧みに利用することによって、探針の先端部を試料
表面に接触させるか又は微小間隔で近接させることがで
きるのである。

【００２２】前記第１の態様によるカンチレバーホルダ
ーの具体的な構成は、特に限定されるものではなく、例
えば、第２の態様のように支持台と押さえ部材との間に
カンチレバーを挟持する構成を採用したり、前記第３の
態様のように予めカンチレバーに固定された支持板を用
いる構成を採用したりすることができる。前記第３の態
様によるカンチレバーホルダーはいわばプリマウント型
のホルダーであり、第３の態様によれば、カンチレバー
の位置決めが容易となってカンチレバーの交換等を簡単
に行うことができる。

【００２３】前記第４の態様によるカンチレバーホルダ
ーによれば、保持されたカンチレバー以外の部分への、
ヒータで発生した熱の伝導が、断熱材により軽減される
ので、ヒータで発生した熱が効率良くカンチレバーの探
針の先端部に伝導され、試料表面を効率良く加熱するこ
とができる。また、このように不要な熱伝導が断熱材に
より軽減されるので、カンチレバーホルダーの不要な部
分の加熱が軽減され、これによりカンチレバーホルダー
の熱変形が軽減される。このため、カンチレバーホルダ
ーの熱変形により引き起こされる意図しない探針の動き
を防止することができる。

【００２４】前記第５の態様による加熱装置では、カン
チレバーが撓んで探針が試料表面に押し付けられた状態
において、試料表面の所望の点のみが加熱されるか又は
試料表面の所望の領域の各点が順次加熱されるように、
制御手段により発熱駆動手段並びに移動手段が制御され
る。この場合、カンチレバーの撓みによって探針が試料
表面へ押し付けられるので、探針が確実に試料表面に接
触し、探針の先端部から試料表面への熱伝導が有効に行
われる。また、試料の表面の所望の領域を加熱するべく
探針を試料表面に対して走査した場合にも、カンチレバ
ーの撓みによって探針が試料表面の凹凸に追従するの
で、探針が確実に試料表面に接触し、探針の先端部から
試料表面への熱伝導が有効に行われる。

【００２５】前記第６の態様による加熱装置では、カン
チレバーの撓みが一定になるように移動手段が制御され
つつ、探針が前記試料表面の所望の点に相対するか又は
試料表面の所望の領域の各点を順次走査するように移動
手段が制御される。また、試料表面の所望の点のみが加
熱されるか又は試料表面の所望の領域の各点が順次加熱
されるように、発熱駆動手段が制御される。したがっ
て、走査型原子間力顕微鏡におけるいわゆるコンタクト
モードと同様の探針の移動制御が実現されつつ、試料表
面の所望の点のみが加熱されるか又は試料表面の所望の
領域の各点が順次加熱される。このため、試料表面の凹
凸に追従して探針と試料表面との接触状態を一定に保つ
ことができるので、試料表面の凹凸にかかわらず試料表
面の加熱量を一定にすることができる。また、コンタク
トモードと同様の探針の移動制御が実現されるので、前
記第８の態様による加熱・形状計測装置のように、相対
位置に関する情報を得ることによって、試料表面の加熱
と同時に、加熱前に又は加熱後に試料表面の凹凸の形状
データを得ることが可能となり、試料表面の加熱箇所を
決めたり、試料を観察したりする上で好ましい。

【００２６】前記第７の態様による加熱装置では、カン
チレバーが振動手段により振動させられ、カンチレバー
の振動状態の検出信号に基づいて前記カンチレバーの前
記探針と前記試料表面との間に作用する原子間力が一定
になるように移動手段が制御されつつ、探針が試料表面
の所望の点に相対するか又は試料表面の所望の領域の各
点を順次走査するように移動手段が制御される。また、
試料表面の所望の点のみが加熱されるか又は試料表面の
所望の領域の各点が順次加熱されるように、発熱駆動手
段が制御される。したがって、原子間力顕微鏡における
所定モードと同様の探針の移動制御が実現されつつ、試
料表面の所望の点のみが加熱されるか又は試料表面の所
望の領域の各点が順次加熱される。このため、試料表面
の凹凸に追従して探針の振動の中心と試料表面との間隔
を一定に保つことができるので、試料表面の凹凸にかか
わらず試料表面の加熱量を一定にすることができる。ま
た、走査型原子間力顕微鏡の所定モードと同様の探針の
移動制御が実現されるので、前記第８の態様による加熱
・形状計測装置のように、相対位置に関する情報を得る
ことによって、試料表面の加熱と同時に、加熱前に又は
加熱後に試料表面の凹凸の形状データを得ることが可能
となり、試料表面の加熱箇所を決めたり、試料を観察し
たりする上で好ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるカンチレバー
ホルダー、加熱装置及び加熱・形状計測装置について、
図面を参照して説明する。

【００２８】まず、本発明の一実施の形態によるカンチ
レバーホルダーについて、図１を参照して説明する。

【００２９】図１は本発明の一実施の形態によるカンチ
レバーホルダーを示す図であり、図１（ａ）はカンチレ
バー１を保持した状態を示す概略斜視図、図１（ｂ）は
ヒータ８の部分を示す平面図である。

【００３０】カンチレバー１は、支持体１ａと、支持体
１ａに一端が支持された可撓性プレート１ｂと、可撓性
プレート１ｂの先端側領域に設けられた探針１ｃとを備
えている。本実施の形態では、カンチレバー１として、
走査型原子間力顕微鏡用のものがそのまま用いられ、い
わゆるＳｉ₃Ｎ₄レバー又はＳｉレバーとなっている。な
お、カンチレバー１の材質としては、熱伝導率の高いも
のが好ましいが、熱伝導度が比較的低くても、試料表面
の加熱温度範囲が低い場合や、後述するヒータ８の発熱
量を上げたりすれば、格別の支障はない。

【００３１】本実施の形態によるカンチレバーホルダー
は、図１に示すように、金属製等の板状の本体２と、本
体２上に固定された支持台としてのアルミナからなる基
板３と、基板３の上面との間にカンチレバー１の支持体
１ａを挟持する押さえ部材としての板ばね４と、を備え
ている。板ばね４の一端側部分は、本体２上に固定され
たスペーサ部材５を介してねじ６にて本体２に固定され
ている。基板３は、カンチレバー１を保持したときに、
カンチレバー１の探針１ｃ及び本体２が試料（図示せ
ず）に接触しないように例えば１５度傾けてカンチレバ
ー１を保持できるように、基板３の上面が傾斜面となる
ように加工してある。なお、取り扱いを容易にするた
め、本体２の側部には取手７が設けられている。

【００３２】本実施の形態では、図１（ｂ）に示すよう
に、基板３の上面におけるカンチレバー１の保持部分の
周辺部には、ヒータとして、幅の狭い（例えば、２０μ
ｍの幅の）金のパターン８がヘアピン状に形成されてい
る。金は体積抵抗率の低い材料であるが、その線幅を十
分に狭くして単位長さ当たりの抵抗を大きくすることに
よって、ヒータとして使用できるものである。このパタ
ーン８の両端には、パターン８に連続して、電極として
比較的面積の大きい金のパターン９ａ，９ｂが形成され
ている。これらの金のパターン８，９ａ，９ｂは、例え
ば、スクリーン印刷やリフトオフ法等により形成するこ
とができる。なお、パターン８のパターン形状は、図１
（ｂ）に示す形状に限定されるものではない。電極パタ
ーン９ａ，９ｂには、それぞれワイヤボンディングによ
り、後述する発熱駆動回路に接続するための被覆付きの
金線１０ａ，１０ｂが接続されている。

【００３３】なお、前述したように、本実施の形態で
は、基板３がアルミナからなるが、基板３の材料は、例
えば、マイカ、窒化アルミニウム、ムライト、ステアタ
イトなどの他の熱伝導率の高い材料であってもよい。ま
た、本実施の形態ではヒータとして金のパターン８が用
いられているが、ヒータとしては、例えば、アルミニウ
ムなどの通常の配線パターンに用いられる材料からなる
幅の狭いパターンであってもよい。また、ヒータの材料
としては、クロメル、アルメル、ニクロム、タングステ
ン、酸化タングステン、白金、酸化ルテニウムなどの体
積抵抗率の高い材料であってもよい。この場合、必ずし
もパターンの幅を狭くする必要はない。ヒータの形成方
法は、スクリーン印刷法やリフトオフ法の他、スパッタ
法、ＣＶＤ法、蒸着法、塗布法などを採用してもよい。

【００３４】本実施の形態によるカンチレバーホルダー
によれば、カンチレバー１を新たに取り付けたり取り替
えたりする場合には、ねじ６を緩め、ピンセット等でカ
ンチレバー１の支持体１ａをつまんで、支持体１ａを板
ばね４と基板３の上面との間に差し込み、ねじ６を締め
る。これにより、図１に示すように、カンチレバー１の
支持体１ａが板ばね４と基板３との間に挟持され、カン
チレバー１が保持される。

【００３５】そして、金線１０ａ，１０ｂを介してパタ
ーン８に電流を流すと、パターン８が発熱し、この熱が
基板３、カンチレバー１の支持体１ａ、カンチレバー１
の可撓性プレート１ｂを介して探針１ｃに伝導され、探
針１ｃの先端部が加熱される。したがって、探針１ｃの
先端部を試料表面に接触させるか又は微小間隔で近接さ
せることによって、探針１ｃの先端部を介して試料表面
を加熱することができる。このとき、探針１ｃの先端部
は極めて先鋭に構成されているので、探針１ｃの先端部
を介して試料表面の原子、分子オーダーの微小領域を局
所的に加熱することができる。そして、カンチレバー１
は片持ち梁構造が採用されているので、後述するように
可撓性プレート１ｃの撓みを巧みに利用することによっ
て、探針１ｃの先端部を試料表面に接触させるか又は微
小間隔で近接させることができるのである。また、本実
施の形態によるカンチレバーホルダーは、走査型原子間
力顕微鏡で採用されているカンチレバーをそのまま用い
ることもできるので、特別なカンチレバーを用意する必
要がなく、コストの低減を図ることができる。

【００３６】なお、本実施の形態では断熱材が設けられ
ていないが、例えば、図１において、板ばね４の下面に
断熱材を設けてもよい。この場合、パターン８で発生し
た熱が板ばね４には伝導しなくなり、その結果、パター
ン８で発生した熱が効率良くカンチレバー１の探針１ｃ
の先端部に伝導され、試料表面を効率良く加熱すること
ができる。

【００３７】次に、本発明の他の実施の形態によるカン
チレバーホルダーについて、図２を参照して説明する。

【００３８】図２は本実施の形態によるカンチレバーホ
ルダーを示す図であり、図２（ａ）はカンチレバー１を
保持した状態を示す概略斜視図、図２（ｂ）は図２
（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図、図２（ｃ）はヒー
タ８の部分を示す平面図である。なお、図２において、
図１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付
し、その重複した説明は省略する。

【００３９】本実施の形態では、本体２が図２に示すよ
うな形状を有しており、本体２の上面に形成された凹部
の底面が例えば１５度の傾斜面２ａとされ、この傾斜面
２ａの部分が支持台に相当している。また、本実施の形
態では、図１中の板ばね４の代わりに、傾斜面２ａとの
間にカンチレバー１の支持体１ａを挟持する押さえ部材
として、アルミナからなる押さえ板２０が設けられてい
る。押さえ板２０の下面の一部（カンチレバー１の支持
体１ａを挟持しない部分）と傾斜面２ａとの間には、カ
ンチレバー１の支持体１ａとほぼ同じ厚みを有する板状
の断熱材２１が設けられている。断熱材２１は傾斜面２
ａに固定されている。押さえ板２０は、断熱材２１を介
してねじ２２にて本体２に固定されている。

【００４０】そして、本実施の形態では、ヒータとして
のパターン８及び電極パターン９ａ，９ｂは、押さえ板
２０の上面に形成されている。これらのパターン８，９
ａ，９ｂは、前述した実施の形態の場合と同様に形成す
ることができる。なお、押さえ板２０の材料として、図
１中の基板３と同様に種々の材料を用いることができ
る。

【００４１】本実施の形態によるカンチレバーホルダー
によれば、カンチレバー１を新たに取り付けたり取り替
えたりする場合には、ねじ２２を緩め、ピンセット等で
カンチレバー１の支持体１ａをつまんで、支持体１ａを
押さえ板２０と傾斜面２ａとの間に差し込み、ねじ２２
を締める。これにより、図２に示すように、カンチレバ
ー１の支持体１ａが押さえ板２０の下面と傾斜面２ａと
の間に挟持され、カンチレバー１が保持される。

【００４２】そして、金線１０ａ，１０ｂを介してパタ
ーン８に電流を流すと、パターン８が発熱し、この熱が
押さえ板２０、カンチレバー１の支持体１ａ、カンチレ
バー１の可撓性プレート１ｂを介して探針１ｃに伝導さ
れ、探針１ｃの先端部が加熱される。したがって、本実
施の形態によっても、前述した実施の形態と同様に、探
針１ｃの先端部を介して試料表面の原子、分子オーダー
の微小領域を局所的に加熱することができる。本実施の
形態によるカンチレバーホルダーも、走査型原子間力顕
微鏡で採用されているカンチレバーをそのまま用いるこ
ともできるので、特別なカンチレバーを用意する必要が
なく、コストの低減を図ることができる。

【００４３】また、本実施の形態では、パターン８で発
生した熱が断熱材２１によって傾斜面２ａへ伝導し難く
なり、その結果、パターン８で発生した熱が効率良くカ
ンチレバー１の探針１ｃの先端部に伝導され、試料表面
を効率良く加熱することができる。また、このように、
傾斜面２ａへの不要な熱伝導が断熱材２１により軽減さ
れるので、傾斜面２ａの熱膨張等の熱変形が少なくな
り、意図しない探針１ｃの動きを防止することができ
る。

【００４４】次に、本発明の更に他の実施の形態による
カンチレバーホルダーについて、図３を参照して説明す
る。

【００４５】図３は本実施の形態によるカンチレバーホ
ルダーを示す図であり、図３（ａ）はカンチレバー１を
保持した状態を示す概略斜視図、図３（ｂ）は図３
（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図３（ｃ）はヒー
タ８の部分を示す平面図である。なお、図３において、
図２中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付
し、その重複した説明は省略する。

【００４６】本実施の形態によるカンチレバーホルダー
は、図２中の押さえ板２０の代わりに、カンチレバー１
の支持体１ａに予め固定されたアルミナからなる支持板
３０を備えている。具体的には、本実施の形態では、支
持板３０の上面の一部がカンチレバー１の支持体の１ａ
の下面の一部に、銀ペースト等の比較的熱導電率が高い
接着剤で接着されている。支持板３０の下面の全体と傾
斜面２ａとの間には、板状の断熱材３１が設けられてい
る。断熱材３１は傾斜面２ａに固定されている。押さえ
板２０は、断熱材３１を介してねじ３２にて本体２に固
定されている。

【００４７】そして、本実施の形態では、ヒータとして
のパターン８及び電極パターン９ａ，９ｂは、支持板３
０の上面に形成されている。これらのパターン８，９
ａ，９ｂは、前述した実施の形態の場合と同様に形成す
ることができる。なお、支持板３０の材料として、図１
中の基板３と同様に種々の材料を用いることができる。

【００４８】本実施の形態によるカンチレバーホルダー
によれば、カンチレバー１を新たに取り付けたり取り替
えたりする場合には、予めカンチレバー１に固定した支
持板３０ごと取り付けたり取り替えたりする。この際、
ねじ３２を一旦取り外し、ねじ３２にて支持板３０を、
断熱材３１を介して本体２に固定する。これにより、図
３に示すように、カンチレバー１が保持される。本実施
の形態では、予めカンチレバー１を支持板３０の所定位
置にプリマウントしておくことによって、カンチレバー
１の本体２に対する位置決めが容易となってカンチレバ
ー１の交換等を簡単に行うことができる。

【００４９】そして、金線１０ａ，１０ｂを介してパタ
ーン８に電流を流すと、パターン８が発熱し、この熱が
支持板３０、カンチレバー１の支持体１ａ、カンチレバ
ー１の可撓性プレート１ｂを介して探針１ｃに伝導さ
れ、探針１ｃの先端部が加熱される。したがって、本実
施の形態によっても、前述した各実施の形態と同様に、
探針１ｃの先端部を介して試料表面の原子、分子オーダ
ーの微小領域を局所的に加熱することができる。本実施
の形態によるカンチレバーホルダーも、走査型原子間力
顕微鏡で採用されているカンチレバーをそのまま用いる
こともできるので、特別なカンチレバーを用意する必要
がなく、コストの低減を図ることができる。

【００５０】また、本実施の形態では、パターン８で発
生した熱が断熱材３１によって傾斜面２ａへ伝導しなく
なり、その結果、パターン８で発生した熱が効率良くカ
ンチレバー１の探針１ｃの先端部に伝導され、試料表面
を効率良く加熱することができる。また、このように、
傾斜面２ａへの不要な熱伝導が断熱材２１により阻止さ
れるので、傾斜面２ａの熱膨張等の熱変形がなくなり、
意図しない探針１ｃの動きを防止することができる。

【００５１】次に、以上説明した各カンチレバーホルダ
ーを用いた本発明の一実施の形態による加熱・形状計測
装置について、図４を参照して説明する。図４は、この
加熱・形状計測装置を模式的に示す概略構成図である。

【００５２】この加熱・形状計測装置は、前述したカン
チレバー１と、カンチレバー１を保持する図１に示すカ
ンチレバーホルダー（あるいは、図２又は図３に示すカ
ンチレバーホルダー）４０と、該カンチレバーホルダー
４０をＸ，Ｙ，Ｚ方向（Ｘ方向は図４の紙面に対して垂
直な方向、Ｙ方向は図４中の左右方向、Ｚ方向は図４中
の上下方向とし、ＸＹ平面が試料４１の表面と略平行な
面となっている。）に移動させるカンチレバー移動装置
４２と、該移動装置４２を駆動する駆動回路４３と、試
料４１をＸ，Ｙ，Ｚ方向に粗動させる移動装置４４と、
該移動装置４４を駆動する駆動回路４５と、試料４１を
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に微動させる移動装置４６と、該移動装
置４６を駆動する駆動回路４７と、カンチレバーホルダ
ー４０の電極パターン９ａ，９ｂ及び金線１０ａ，１０
ｂを介してパターン（ヒータ）８を通電して、カンチレ
バーホルダー４０のパターン８を発熱駆動する発熱駆動
回路４８と、カンチレバー１の可撓性プレート１ｂの撓
みを検出する撓み検出部４９と、駆動回路４３，４５，
４７，４８を制御したり、撓み検出部４９からの検出信
号を取り込んで所定の演算を行ったりするコンピュータ
等からなる演算・制御部５０と、使用者が演算・制御部
に指令等を与えるためのキーボードやマウス等の入力装
置５１と、得られた結果等を表示するＣＲＴ等の表示装
置５２とを備えている。なお、移動装置４６は、試料４
１の試料台も兼ねている。また、図４中、５３は基台で
ある。

【００５３】なお、本実施の形態では、撓み検出部４９
は、周知の光てこ法に従ってカンチレバー１の可撓性プ
レート１ｂの撓みを検出するように構成されており、具
体的には、例えば、可撓性プレート１ｂにレーザ光を照
射するＨｅ−Ｎｅレーザ等からなるレーザ光源と、可撓
性プレート１ｂで反射されたレーザ光を検出するための
２分割フォトディテクタとで構成されている。もっと
も、撓み検出部４９の構成は、このような構成に限定さ
れるものではなく、光てこ法によるものでなくてもよ
い。

【００５４】以上説明したような加熱・形状計測装置の
構成は、従来の走査型原子間力顕微鏡とほぼ同様である
が、カンチレバーホルダー４０がヒータ８を有している
点、発熱駆動回路４８を有している点、演算・制御部５
０による後述する加熱制御の点などにおいて、従来の走
査型原子間力顕微鏡と全く異なるものである。

【００５５】次に、前記加熱・形状計測装置の動作の一
例について、説明する。

【００５６】前記加熱・形状計測装置の第１の加熱動作
では、入力装置５１を介して使用者から入力された所定
の指令に応答して、演算・制御部５０は、カンチレバー
１が撓んで探針１ｃが試料４１の表面に押し付けられた
状態において、試料４１の表面の所望の点のみが加熱さ
れるか又は試料４１の表面の所望の領域の各点が順次加
熱されるように、駆動回路４３，４５，４７，４８を制
御する。

【００５７】具体的には、試料４１の所望の点のみを加
熱する場合には、例えば、駆動回路４５，４７を介して
移動装置４４，４６を作動させることによって、探針１
ｃの先端部が試料４１の表面の所望の点に対応するＸ，
Ｙ方向の位置に到達するまで試料４１をＸ，Ｙ方向に移
動させ、その後試料４１をＺ方向に移動させ、カンチレ
バー１が撓んで探針１ｃの先端部が試料４１の表面に押
し付けられた状態にする。また、その後に駆動回路４８
を介してカンチレバーホルダー４０のヒータ８を発熱さ
せるか、あるいは、予めヒータ８を発熱させておく。

【００５８】また、試料４１の所望の領域を加熱する場
合には、例えば、駆動回路４５，４７を介して移動装置
２５，２７を作動させることによって、探針１ｃの先端
部が試料４１の表面の所望の領域に対応するＸ，Ｙ方向
の位置に到達するまで試料４１をＸ，Ｙ方向に移動さ
せ、その後試料４１をＺ方向に移動させ、カンチレバー
１が撓んで探針１ｃの先端部が試料４１の表面に押し付
けられた状態にする。その後、試料４１のＺ方向の位置
を保ったまま、駆動回路４５，４７を介して移動装置４
４，４６を作動させることによって、探針１ｃの先端部
が試料４１の表面の所望の領域を走査するように試料４
１をＸ，Ｙ方向に移動させる。その走査中に、駆動回路
４８を介してカンチレバーホルダー４０のヒータ８を発
熱させる。

【００５９】以上説明した第１の加熱動作では、カンチ
レバー１の撓みによって探針１ｃが試料４１の表面へ押
し付けられるので、探針１ｃが確実に試料４１の表面に
接触し、探針１ｃの先端部から試料４１の表面への熱伝
導が有効に行われる。また、試料４１の表面の所望の領
域を加熱するべく探針１ｃを試料４１の表面に対して走
査した場合にも、カンチレバー１の撓みによって探針１
ｃが試料４１の表面の凹凸に追従するので、探針１ｃが
確実に試料４１の表面に接触し、探針１ｃの先端部から
試料４１の表面への熱伝導が有効に行われる。

【００６０】なお、前記第１の加熱動作では、必ずしも
カンチレバー１の撓みを検出する必要がないので、第１
の加熱動作のみを行う場合には、撓み検出部４９を取り
除いてもよい。

【００６１】前記加熱・形状計測装置の第２の加熱動作
では、入力装置５１を介して使用者から入力された所定
の指令に応答して、演算・制御部５０は、撓み検出部４
９からの検出信号に基づいてカンチレバー１の撓みが一
定になるように試料４１のＺ方向の位置を駆動回路４
５，４７及び移動装置４４，４６を介して制御しつつ、
探針１ｃが試料４１の表面の所望の点に相対するか又は
試料４１の表面の所望の領域の各点を順次走査するよう
に、試料４１のＸ，Ｙ方向の位置を駆動回路４５，４７
及び移動装置４４，４６を介して制御し、かつ、試料４
１の表面の所望の点のみが加熱されるか又は前記試料表
面の所望の領域の各点が順次加熱されるように、発熱駆
動回路４８を制御する。

【００６２】具体的には、第２の加熱動作では、まず、
移動装置４２を用いてカンチレバー１の位置調整を行
う。この位置調整とは、撓み検出部４９を構成するレー
ザ光源からのレーザ光をカンチレバー１の所定の位置に
照射し、カンチレバー１で反射した反射光を２分割フォ
トディテクタの所定の位置に入射するように、カンチレ
バー１の位置を調整することを言う。次に、駆動回路４
５，４７を介して移動装置４４，４６を作動させること
によって、探針１ｃの先端部が試料４１の表面の所望の
点又は所望の領域に対応するＸ，Ｙ方向の位置に到達す
るまで試料４１をＸ，Ｙ方向に移動させる。その後、移
動装置４４，４６を用いて、カンチレバー１の探針１ｃ
と試料４１が接触するまで試料４１をＺ方向に移動させ
る。このとき、カンチレバー１の探針１ｃと試料４１と
の接触は、カンチレバー１の撓みを撓み検出部４９で検
出することにより達成することができる。試料４１の表
面の所望の点のみを加熱する場合には、この接触状態に
おいて、駆動回路４８を介してカンチレバー１のヒータ
８を発熱させ、その加熱を終了する。一方、試料４１の
表面の所望の領域を加熱する場合には、試料４１と探針
１ｃとの接触が達成された後に、移動装置４６を用い
て、撓み検出部４９で計測したカンチレバー１の撓みを
一定に保つように試料４１をＺ方向に上下させながら、
探針１ｃの先端部が試料４１の表面の所望の領域を走査
するように試料４１をＸ、Ｙ方向に移動させる。その走
査中に、駆動回路４８を介してカンチレバー１のヒータ
８を発熱させる。

【００６３】以上説明した第２の加熱動作では、原子間
力顕微鏡におけるいわゆるコンタクトモードと同様の探
針１ｃの移動制御が実現されつつ、試料４１の表面の所
望の点のみが加熱されるか又は試料４１の表面の所望の
領域の各点が順次加熱されることになる。このため、試
料４１の表面の凹凸に追従して探針１ｃと試料４１の表
面との接触状態を一定に保つことができるので、試料４
１の表面の凹凸にかかわらず試料４１の表面の加熱量を
一定にすることができる。

【００６４】なお、例えば、探針１ｃによりいわゆるラ
スタースキャンを行う場合に、その走査順序に従ってパ
ルス状にヒータ８を発熱させると、試料４１の表面の任
意の形状の領域を加熱することができる。

【００６５】前記加熱・形状計測装置の形状測定動作で
は、入力装置５１を介して使用者から入力された所定の
指令に応答して、演算・制御部５０は、前述した第２の
加熱動作の場合と同様に、撓み検出部４９からの検出信
号に基づいてカンチレバー１の撓みが一定になるように
試料４１のＺ方向の位置を駆動回路４５，４７及び移動
装置４４，４６を介して制御しつつ、探針１ｃが試料４
１の表面の所望の領域の各点を順次走査するように、試
料４１のＸ，Ｙ方向の位置を駆動回路４５，４７及び移
動装置４４，４６を介して制御し、かつ、Ｘ，Ｙ方向に
おける探針１ｃの試料４１表面に対する相対位置に関す
る情報、すなわち、試料４１の表面の形状データを得
る。

【００６６】この形状測定動作は、従来の走査型原子間
力顕微鏡におけるコンタクトモードの動作と同一であ
る。

【００６７】なお、本実施の形態では、移動装置の位置
制御をオープンループ制御により行っているので、演算
・制御部５０から出力される移動装置４２，４４，４６
への制御信号が移動装置４２，４４，４６の位置情報に
相当する。このため、演算・制御部５０はこの制御信号
に基づき試料４１の表面の形状データを、内部のメモリ
に記憶する。移動装置４２，４４，４６の位置制御をフ
ィードバック制御により行う場合には、例えば、移動装
置４２，４４，４６に位置検出器を設けておけばよい。

【００６８】そして、本実施の形態では、演算・制御部
５０は、前記形状データを処理して試料４１の表面の凹
凸画像を、表示装置に表示させる。

【００６９】なお、探針１ｃの走査自体は前記第２の加
熱動作も前記形状測定動作も共通するので、これらの動
作を同時に行うこともできる。

【００７０】前記加熱・形状計測装置では、以上説明し
た各動作を行うので、次のような使用も可能となる。

【００７１】すなわち、前記第２の加熱動作と前記第３
の形状測定動作を同時に行うことにより、試料４１の表
面の形状データの取得と試料４１の表面の全面的又は局
所的な加熱とを同時に行うことができる。

【００７２】また、前記形状測定動作により加熱前の試
料４１の表面の形状データを取得し、この形状データに
基づいて加熱箇所を決め、その後に前記第２の加熱動作
によりその箇所を局所的に加熱することができる。すな
わち、前記形状測定動作で試料４１の凹凸等の観察の結
果、特異点もしくは任意の位置で熱的反応を起こさせた
いような場合は、前記第２の加熱動作によりその位置を
局所的に加熱することが可能である。この場合、例え
ば、表示装置５２に表示された加熱前の試料４１の表面
の凹凸画像に対して、入力装置５１としてのマウス等で
当該画像の一部を指摘することにより、その箇所が前記
第２の加熱動作により自動的に加熱されるような、ユー
ザーインターフェースを構築しておくことが、好まし
い。

【００７３】さらに、前記形状測定動作により加熱前の
試料４１の表面の形状データを取得し、前記第２の加熱
動作により試料４１の表面を全面的又は局所的に加熱
し、その後再び前記形状測定動作により加熱後の試料４
１の表面の形状データを取得することによって、加熱前
後の試料４１の表面の凹凸変化を観察することもでき
る。

【００７４】以上説明した実施の形態の加熱・形状計測
装置における前記第２の加熱動作及び前記形状計測動作
は、走査型原子間力顕微鏡におけるコンタクトモードに
よるものである。

【００７５】しかし、前述した加熱・形状計測装置を以
下のように変形することによって、走査型原子間力顕微
鏡における他の所定モードによる加熱動作及び形状計測
動作を実現することができる。

【００７６】すなわち、図４において、カンチレバー１
を振動させる振動部と、カンチレバー１の振動状態を検
出する振動検出部と、を追加する。

【００７７】前記振動部としては、例えば、カンチレバ
ー１の可撓性プレート１ｂの部分に設けたピエゾ素子
（図示せず）や、カンチレバーホルダー４０とカンチレ
バー移動装置４２との間に介在させたピエゾ素子（図示
せず）など、を採用することができる。このピエゾ素子
に交流電圧を印加することによって、カンチレバー１が
振動する。このときピエゾ素子に印加する交流電圧の周
波数は、カンチレバー１の固有周波数とわずかに異なる
周波数となるようにしておくことが、好ましい。

【００７８】前記振動検出部としては、前記撓み検出部
４９がレーザ光源及び２分割フォトディテクタとで構成
されているので、これをそのまま用いることができる。
もっとも、前記振動検出部として、例えば、カンチレバ
ー１の可撓性プレート１ｂの部分に設けたピエゾ抵抗を
採用することもでき、このピエゾ抵抗の抵抗変化から振
動状態を検出することができる。

【００７９】そして、探針１ｃと試料４１の表面との間
に作用する原子間力は試料４１の表面と探針１ｃとの間
の距離に応じて変化し、前記原子間力に応じてカンチレ
バー１の共振周波数がシフトし、前記原子間力が変化す
ると前記振動検出部からの検出信号が変化する。したが
って、前記振動検出部からの検出信号に基づいて、前記
原子間力が一定になるように、試料４１とカンチレバー
１との間の距離を相対的に上下方向に移動させる。この
ようにすると、試料４１とカンチレバー１の振動の中心
との間の距離は一定になるため、試料４１の表面の凹凸
にかかわらず試料表面の加熱量を一定にすることができ
るとともに、試料４１の表面の形状データを得ることが
できる。

【００８０】このようにして前述した加熱・形状計測装
置を、このようなモードによる加熱動作及び形状計測動
作を行うように変形しても、実質的に前述した加熱・形
状計測装置と同様である。

【００８１】以上、本発明の種々の実施の形態について
説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定される
ものではない。

【００８２】

【発明の効果】本発明によれば、試料の原子、分子オー
ダーの微小領域を局所的に加熱することが可能になる。

【００８３】したがって、本発明によれば、以下のよう
な具体的な応用の効果が得られる。

【００８４】生体試料の生きた環境での正常な機能を果
たすのは、３０℃〜４０℃である。生物の研究は、現在
分子レベルまでの解明が行われている。本発明によれ
は、分子レベルの分解能で３０℃〜４０℃の範囲で加熱
し、生物の活性状態を微細に観察することが可能であ
る。

【００８５】また、タンパクの活性を調整したり変性に
も温度が重要な要因である。したがって、本発明によれ
ば、分子量の大きなタンパクが局所的に加熱することに
より、分子レベルで結合状態を調べることができる。

【００８６】さらに、有機物質では、温度で結合状態が
変化する。したがって、分子量の大きな有機物質が局所
的に加熱できることは、分子鎖の結合状態を分子レベル
で変化させることができることになる。このため、本発
明は、ナノメーターオーダのリソグラフィにも応用可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるカンチレバーホル
ダーを示す図であり、図１（ａ）はカンチレバーを保持
した状態を示す概略斜視図、図１（ｂ）はヒータの部分
を示す平面図である。

【図２】本発明の他の実施の形態によるカンチレバーホ
ルダーを示す図であり、図２（ａ）はカンチレバーを保
持した状態を示す概略斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）
中のＡ−Ａ線に沿った断面図、図２（ｃ）はヒータの部
分を示す平面図である。

【図３】本発明の更に他の実施の形態によるカンチレバ
ーホルダーを示す図であり、図３（ａ）はカンチレバー
を保持した状態を示す概略斜視図、図３（ｂ）は図３
（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図３（ｃ）はヒー
タの部分を示す平面図である。

【図４】本発明の一実施の形態による加熱・形状計測装
置を模式的に示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ カンチレバー １ｃ 探針 ２ 本体 ２ａ 傾斜面 ３ 基板 ４ 板ばね（押さえ部材） ６，２２，３２ ねじ ８ パターン（ヒータ） ９ａ，９ｂ 電極パターン ２０ 押さえ板（押さえ部材） ２１，３１ 断熱材 ３０ 支持板 ４０ カンチレバーホルダー ４２，４４，４６ 移動装置 ４３，４５，４７ 駆動回路 ４８ 発熱駆動回路 ４９ 撓み検出部 ５０ 演算・制御部 ５１ 入力装置 ５２ 表示装置

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針を有するカンチレバーを保持するカ
   ンチレバーホルダーにおいて、保持されたカンチレバー
   を加熱するヒータを備えたことを特徴とするカンチレバ
   ーホルダー。
2. 【請求項２】 支持台と、該支持台との間に前記カンチ
   レバーを挟持する押さえ部材と、を備え、前記支持台又
   は前記押さえ部材に前記ヒータを形成したことを特徴と
   する請求項１記載のカンチレバーホルダー。
3. 【請求項３】 支持台と、前記カンチレバーに予め固定
   された支持板であって前記支持台に固定される支持板
   と、を備え、前記支持板に前記ヒータを形成したことを
   特徴とする請求項１記載のカンチレバーホルダー。
4. 【請求項４】 保持された前記カンチレバー以外の部分
   への、前記ヒータで発生した熱の伝導を軽減させる断熱
   材を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいず
   れかに記載のカンチレバーホルダー。
5. 【請求項５】 探針を有するカンチレバーと、 該カンチレバーを保持する請求項１乃至４のいずれかに
   記載のカンチレバーホルダーと、 前記ヒータを発熱させる発熱駆動手段と、 試料表面と略平行な面の方向に前記探針を前記試料に対
   して相対的に移動させるとともに、前記試料表面と略垂
   直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動さ
   せる移動手段と、 前記カンチレバーが撓んで前記探針が前記試料表面に押
   し付けられた状態において、前記試料表面の所望の点の
   みが加熱されるか又は前記試料表面の所望の領域の各点
   が順次加熱されるように、前記発熱駆動手段及び前記移
   動手段を制御する制御手段と、 を備えたことを特徴とする加熱装置。
6. 【請求項６】 探針を有するカンチレバーと、 該カンチレバーを保持する請求項１乃至４のいずれかに
   記載のカンチレバーホルダーと、 前記ヒータを発熱させる発熱駆動手段と、 前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出手段と、 試料表面と略平行な面の方向に前記探針を前記試料に対
   して相対的に移動させるとともに、前記試料表面と略垂
   直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動さ
   せる移動手段と、 前記撓み検出手段からの検出信号に基づいて前記カンチ
   レバーの撓みが一定になるように前記移動手段を制御し
   つつ、前記探針が前記試料表面の所望の点に相対するか
   又は前記試料表面の所望の領域の各点を順次走査するよ
   うに前記移動手段を制御する手段と、 前記試料表面の所望の点のみが加熱されるか又は前記試
   料表面の所望の領域の各点が順次加熱されるように、前
   記発熱駆動手段を制御する手段と、 を備えたことを特徴とする加熱装置。
7. 【請求項７】 探針を有するカンチレバーと、 該カンチレバーを保持する請求項１乃至４のいずれかに
   記載のカンチレバーホルダーと、 前記ヒータを発熱させる発熱駆動手段と、 前記カンチレバーを振動させる振動手段と、 前記カンチレバーの振動状態を検出する振動検出手段
   と、 前記試料表面と略平行な面の方向に前記探針を前記試料
   に対して相対的に移動させるとともに、前記試料表面と
   略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移
   動させる移動手段と、 前記振動検出手段からの検出信号に基づいて前記カンチ
   レバーの前記探針と前記試料表面との間に作用する原子
   間力が一定になるように前記移動手段を制御しつつ、前
   記探針が前記試料表面の所望の点に相対するか又は前記
   試料表面の所望の領域の各点を順次走査するように前記
   移動手段を制御する手段と、 前記試料表面の所望の点のみが加熱されるか又は前記試
   料表面の所望の領域の各点が順次加熱されるように、前
   記発熱駆動手段を制御する手段と、 を備えたことを特徴とする加熱装置。
8. 【請求項８】 請求項６又は７記載の加熱装置と、 前記試料表面と略平行な面の方向における前記探針の前
   記試料表面に対する相対位置に応じた、前記試料表面と
   略垂直な方向の前記探針の前記試料表面に対する相対位
   置に関する情報を得る手段と、 を備えたことを特徴とする加熱・形状計測装置。