JPH11101810A - カンチレバーユニットおよびそのホルダならびにこれらを装備した走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自己検知型カンチレバーを容易かつ正確に装
着できるようにしたカンチレバーユニットおよびそのホ
ルダならびにこれらを装備した走査型プローブ顕微鏡を
提供する。 【解決手段】 カンチレバーユニットホルダ５０の一端
には、Ｓ字型の弾性体電極５４（５４ａ〜５４ｄ）のＵ
字部が挿貫される４つの溝５５が開口されている。ホル
ダ５０の下方には、下面と予定の間隙を保って対向配置
されるように片持ち支持され、各溝５５と対応する位置
が欠けた櫛歯状の電極ガイド５３が形成されている。各
弾性体電極５４は、その一方のＵ字部がそれぞれ各溝５
５に挿貫され、他方のＵ字部から端部に至る部分は、電
極ガイド５３の櫛歯間から間隙内へ弾性的に突出してい
る。ホルダ５０の他端にはプリズム５９が固着されてい
る。また基板８０の配線パターン８２ａ側に面取り部８
４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自身の撓み量に応
答した電気信号を出力する自己検知型カンチレバーを備
えたカンチレバーユニットおよびそのホルダならびにこ
れらを装備した走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、自
己検知型カンチレバーを容易かつ正確に装着できるよう
にしたカンチレバーユニットおよびそのホルダ並びにこ
れらを装備した走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡では、
試料表面とプローブとの間の相互作用を利用して試料表
面の微細な組織や構造を検出するために、片持ち梁の先
端に探針を装着したカンチレバーがプローブとして使用
される。試料表面と探針との間には、原子間力に基づく
引力または斥力が発生するので、探針を試料表面でＸＹ
方向へ走査させながら原子間力をカンチレバーの歪量と
して検出し、この歪量すなわち試料表面と探針との間隙
が一定となるように試料ステージをＺ軸方向へ微動させ
れば、その際の微動信号、あるいは検出された歪量その
ものが試料表面の形状を代表するようになる。

【０００３】図１３は、従来の走査型プローブ顕微鏡の
カンチレバー部の構成を模式的に示した図であり、観察
対象である試料６４の上方には、カンチレバー６３の自
由端に取り付けられた探針６５が対向して配置される。
レーザ発生器６１から放出されたレーザ光６６ａは適宜
のレンズ手段６７またはアパーチャ等によって収束さ
れ、カンチレバー６３の自由端近傍の背面に照射され
る。カンチレバー６３の撓み量は、反射されたレーザ光
６６ｂのスポット位置を位置検出器６２で測定すること
により検出される。

【０００４】位置検出器６２は、例えば４分割された光
検出電極から構成されており、カンチレバー６３の撓み
量が０の時にはレーザ光６６ｂのスポットが該４分割電
極の中央に来るように位置合わせされている。このた
め、カンチレバー６３に撓みが発生すると、該レーザ光
６６ｂのスポットが該４分割電極上を移動し、４分割電
極から出力される電圧に差が発生する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、カン
チレバーの撓み量を光学的に検出する方法では、構成が
複雑化して調整も難しいという問題があった。そのた
め、近年になって撓み量を検知するセンサ機能をカンチ
レバー上に設け、検知した撓み量を電気信号として直接
出力し得る特徴を持った自己検知型のカンチレバーが開
発されている。

【０００６】このような自己検知型のカンチレバーによ
れば、高価な光学系や複雑な調整が不要となるが、その
反面、電気信号を出力するためにカンチレバー側に設け
た電気接点と、カンチレバーを保持するために走査型プ
ローブ顕微鏡側に設けたホルダの電気接点とが正確に接
触するように、ホルダに対してカンチレバーを正確に位
置決めして固定する必要がある。

【０００７】一方、カンチレバーの平均的な交換頻度は
１回／日であるため、カンチレバーはホルダに対して容
易に着脱できるように保持することが望ましい。しかし
ながら、これまでは走査型プローブ顕微鏡に用いる自己
検知型カンチレバーが普及しておらず、その装着を容易
かつ正確に行えるカンチレバーホルダは存在しなかっ
た。

【０００８】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、自己検知型カンチレバーを容易かつ正確に
装着できるようにするためのカンチレバーユニット、当
該カンチレバーユニットを保持するためのホルダならび
にこれらを装備した走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、以下のような手段を講じた点に特
徴がある。 (1) 本発明のカンチレバーユニットは、自己検知型カン
チレバーと、前記自己検知型カンチレバーを保持する基
板と、前記検知部と電気的に接続されて基板表面に形成
された複数のコンタクトパターンとによって構成され
る。このようなカンチレバーユニットを用いれば、自己
検知型カンチレバーを、そのホルダに対して機械的、電
気的に容易かつ正確に装着できるようになる。 (2) 本発明のカンチレバーユニットホルダは、正規の位
置に配置されたカンチレバーユニットのコンタクトパタ
ーンに圧接されるように位置決めされた弾性体電極を具
備し、前記カンチレバーユニットを、カンチレバーユニ
ットホルダに対して前記弾性体電極の圧接力によって保
持するようにした。このようなカンチレバーユニットホ
ルダによれば、自己検知型カンチレバーを有するカンチ
レバーユニットを機械的にも電気的にも容易かつ正確に
装着できるようになる。 (3) 本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前記カンチレバ
ーユニットホルダで保持されたカンチレバーユニットの
自己検知型カンチレバーを、試料表面と探針との間隙を
予定値に保ちながら試料表面で走査する。このような走
査型プローブ顕微鏡によれば、走査プローブとしての自
己検知型カンチレバーを、その機械的および電気的な接
続を良好に保ちながら、ホルダに対して容易かつ正確に
着脱できるようになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である走査
プローブ顕微鏡の主要部の構成を示した図である。筐体
１の上部には第１の永久磁石２が装着され、永久磁石２
の中央部には、環状溝５で囲まれた心棒部３が形成され
ている。永久磁石２の心棒部３にはキャップ状の可動子
４が遊嵌され、可動子４の外周部にはボイスコイル６が
巻回されている。永久磁石２、心棒部３、可動子４およ
びボイスコイル６は、音響用スピーカ等で使用されてい
るボイスコイルモータを形成している。

【００１１】前記可動子４の閉塞端４ａの中央部には、
ｚ方向に延びるスピンドル８の一端が固着されている。
スピンドル８の他端には、固定端が中筒１３によって支
持された片持ち梁１４の自由端が固着されている。片持
ち梁１４には、後に図３〜５を参照して詳述するカンチ
レバーユニットホルダ５０が固着されており、ホルダ５
０には、後に図６，７を参照して詳述する、自己検知型
カンチレバーを搭載したカンチレバーユニット１０が保
持されている。

【００１２】前記筐体１の側面には、また、第２の永久
磁石２１が装着され、永久磁石２１の中央部には、環状
溝２８で囲まれた心棒部２２が形成されている。心棒部
２２にはキャップ状の可動子２３が遊嵌され、可動子２
３の外周部にはボイスコイル２５が巻回されている。第
２の永久磁石２１、心棒部２２、可動子２３およびボイ
スコイル２５は前記と同様のボイスコイルモータを形成
している。

【００１３】可動子２３にはｘ方向のスピンドル２７の
一端が固着され、スピンドル２７の他端は中筒１３の側
部に固着されている。このボイスコイルモータは主走査
方向（Ｘ方向）のスピンドル２７に作用するが、図示さ
れていない同構成のボイスコイルモータが９０°回転し
た位置に設けられており、副走査方向（Ｙ方向）のスピ
ンドルに作用する。そして、前記主および副走査方向の
ボイスコイルモータを駆動することにより、カンチレバ
ーユニット１０の自由端に設けられた探針１０ａは試料
表面に対してラスタ走査される。探針１０ａと対向する
位置には試料台３１が設けられ、試料台３１上には観察
対象の試料３２が載置されている。該試料台３１は試料
ステージ３３上に設置されている。

【００１４】図２は、図１の走査プローブ顕微鏡の接続
される駆動回路系のブロック図であり、図１と同一の符
号は同一または同等部分を表している。探針１０ａの変
位、例えばプローブ１０の撓み量が変位検出器４９で検
出されると、その検出信号が基準値発生器４２から出力
される基準値と差動増幅器４１によって比較される。該
基準値は、探針１０ａと試料面との距離が所定値になっ
た時に変位検出器４９から出力される値と等しいので、
探針１０ａと試料面との距離が所定値からずれている時
には、差動増幅器４１はずれ量に応じた大きさの信号を
出力する。

【００１５】差動増幅器４１から出力された差分信号は
積分回路４３および比例回路４４により処理され、Ｖ−
Ｉ変換器４５に入力される。Ｖ−Ｉ変換器４５は、入力
された電圧信号を電流信号Ｉz に変換してボイスコイル
６へ供給する。すなわち、変位検出器４９、差動増幅器
４１、積分回路４３、比例回路４４およびＶ−Ｉ変換器
４５はフィードバック回路を構成している。

【００１６】一方、ラスタスキャナ４６は主および副走
査方向の走査信号電流Ｉx ，Ｉy を、それぞれＸ方向可
動子２３およびＹ方向可動子３４に巻回されているボイ
スコイル２５、３５に供給する。また、ラスタスキャナ
４６はＣＲＴ４７にＸ，Ｙ走査信号を供給する。試料表
面の形状、物理量等の検査情報は、Ｖ−Ｉ変換器４５の
入力側から取り出されてＣＲＴ４７に供給される。

【００１７】図３は、本発明の一実施形態である前記カ
ンチレバーユニットホルダ５０の側面図であり、図４は
図３のＡ矢図であり、図５は図３のＢ矢図である。本実
施形態では、カンチレバーユニットホルダ５０は圧電素
子板５８を介して前記片持ち梁１４に固定されている。
この圧電素子板５８は、生物分子等の柔らかい試料の観
察時にカンチレバーを共振させる目的で設けられてい
る。

【００１８】ホルダ５０の一方の側面には、Ｓ字型の弾
性体電極５４（５４ａ〜５４ｄ）のＵ字部がそれぞれ挿
貫される４つの溝５５が形成されている。ホルダ５０の
下方には、本体と予定の間隙を保って対向するように櫛
歯状の電極ガイド５３が片持ち支持されている。電極ガ
イド５３の櫛歯は、前記各溝５５と対応する位置が欠け
るように構成されている。

【００１９】各弾性体電極５４は、図示したように、一
方のＵ字部がそれぞれ各溝５５に挿貫され、他方のＵ字
部から端部に至る部分は、その屈曲部５７が電極ガイド
５３の櫛歯間から間隙内へ弾性的に突出している。ホル
ダ５０の他方の側面にはプリズム５９が固着されてお
り、下方にはカンチレバー台５２が形成されている。次
いで、本発明の一実施形態であるカンチレバーユニット
について説明する。図６は、自己検知型カンチレバーを
搭載したカンチレバーユニット１０の平面図であり、図
７は図６の側面図である。基板８０の端部には面取り８
４が設けてある。面取り８４を設けることにより、基板
の挿入をスムーズ行うことができる。また屈曲部５７に
損傷を与えることなくなるため、信頼性が向上する。

【００２０】本発明のカンチレバーユニット１０は、図
７に示したように、厚板状のシリコン基板７２と薄板状
のシリコン基板７１とを積層し、薄板状シリコン基板７
１の一端から突き出た片持ち梁部７１ａの自由端に探針
１０ａが形成された自己検知型カンチレバー７０と、図
６に示したように、前記カンチレバー７０の少なくとも
片持ち梁部７１ａが端部から突き出すように当該カンチ
レバー７０を保持するガラスエポキシ基板８０とによっ
て構成されている。

【００２１】シリコン基板７１の探針１０ａが形成され
た主面には、梁部７１ａの撓み量に応答した電気信号を
出力する検知回路（図示せず）、ならびに当該検知回路
の電源ライン用および信号ライン用のボンディングパッ
ド７２が形成されている。ガラスエポキシ基板８０の表
面には、複数の配線パターン８２が形成されており、各
配線パターン８２の一端には、前記カンチレバーユニッ
トホルダ５０の各電極５４の屈曲部５７が圧接されるコ
ンタクトパターン８２ａが形成され、他端にはボンディ
ングパッド８２ｂが形成されている。

【００２２】シリコン基板７１のボンディングパッド７
２とガラスエポキシ基板８０のボンディングパッド８２
ｂとはボンディングワイヤ８３で接続され、ボンディン
グワイヤ８３および各ボンディングパッド７２，８２ｂ
には樹脂モールド８１が施されている。このようなカン
チレバーユニット１０を前記ホルダ５０へ装着する際、
作業者はピンセットあるいは適宜の専用治具を用いてカ
ンチレバーユニット１０を水平状態に保ってつまみ、図
８に示したように、カンチレバー台５２と電極ガイド５
３との間隙部へ下方から斜め上方へ向けて挿入する。カ
ンチレバー台５２の側面およびカンチレバーユニット１
０のガラスエポキシ基板８０の側面には、カンチレバー
ユニット１０がホルダ５０に対して正規の位置まで挿入
されたときに合致する位置決めマーク５２ａ，８０ａが
それぞれ形成されている。作業者は、図９に示したよう
に、挿入したカンチレバーユニット１０のマーク５２ａ
がホルダ５０側のマーク８０ａと合致していれば、カン
チレバーユニット１０がホルダ５０に対して正規の位置
まで挿入されたものと判断する。

【００２３】カンチレバーユニット１０は、間隙内に弾
性的に突出した電極５４の弾性力に抗して挿入されるた
め、間隙内へ挿入された後は、その弾性力によってカン
チレバー台５２側へ押しつけられ、電極５４とカンチレ
バー台５２とによって挟持されることになる。各電極５
４は、カンチレバーユニット１０が正規の位置まで挿入
されると、その屈曲部５７がガラスエポキシ基板８０の
各コンタクトパターン８２ａと接触するように予め位置
決めされている。したがって、前記各位置決めマーク５
２ａ，８０ａが合致するようにカンチレバーユニット１
０をホルダ５０に対して挿入しさえすれば、カンチレバ
ーユニット１０を機械的にも電気的にも容易かつ正確に
装着できるようになる。

【００２４】さらに、本実施形態では前記図６に示した
ように、コンタクトパターン８２ａがガラスエポキシ基
板８０の挿入方向の先端部から予定の距離ｄ３だけ離間
して形成されているので、カンチレバーユニット１０の
挿入が不完全であると、コンタクトパターン８２ａが電
極５４の屈曲部５７まで到達しない。この結果、電気的
な接触が得られずに検知信号が異常となるので、検知信
号を参照することによっても、カンチレバーユニット１
０が正規の位置に保持されているか否かを認識できるよ
うになる。

【００２５】次いで、前記プリズム５９を利用して探針
１０ａを試料表面の所望位置に位置決めする方法を、図
１０、１１、１２を参照して説明する。図１２に示した
ように、プリズム５９は、その鏡面５９ａが試料表面に
対して傾斜するように固定されており、試料表面から垂
直に探針１０ａを通る仮想光軸Ｌ１が斜め上方へ屈折さ
れて仮想光軸Ｌ２となる。したがって、図１０に示した
ように、光学顕微鏡９０の光軸９１ａと前記仮想光軸Ｌ
２とを一致させれば、光学顕微鏡９０では、図１１(a)
に示したように、探針１０ａの真上から試料表面を見下
ろした像が観察でき、試料表面での探針１０ａの位置決
めが極めて容易になる。

【００２６】また、図１０に破線で示したように光学顕
微鏡９０を下方へ移動し、その光軸９０ｂが探針１０ａ
と交差するようにすれば、図１１(b) に示したように、
探針１０ａと試料表面との垂直方向に関する位置関係を
観察できるようになる。なお、本実施形態では、図１２
に示したように、カンチレバーユニットホルダ５０の幅
ｄ１とカンチレバーユニット１０の幅ｄ２とがほぼ等し
いので、両者の端面が揃うようにカンチレバーユニット
１０を挿入すれば、幅方向の位置決めも同時に達成され
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果が達
成される。 (1) カンチレバーユニットの電極パターンに圧接されて
電気的接触を得る弾性体電極によってカンチレバーユニ
ットを挟持するようにしたので、自己検知型カンチレバ
ーを機械的にも電気的にも容易かつ正確に装着できるよ
うになる。 (2) カンチレバーユニットホルダにプリズムを設け、試
料表面から垂直に探針を通る光軸を屈折させて外部に取
り出すようにしたので、この光軸を光学顕微鏡と光軸と
一致させれば、探針の真上から試料表面を見下ろした像
を観察でき、試料表面での探針の位置決めが極めて容易
になる。 (3) カンチレバーユニットおよびホルダの双方に、カン
チレバーユニットが正規の位置まで挿入されたときに合
致するマークを設けたので、カンチレバーユニットが正
規の位置まで挿入されたことを目視により簡単に認識で
きる。 (4) カンチレバーユニットのコンタクトパターンを端部
から離間して設け、カンチレバーユニットが正規の位置
まで挿入されないと、ホルダ側の電極とコンタクトパタ
ーンとが接触しないようにしたので、電極上の信号を参
照すれば、カンチレバーユニットが正規の位置まで挿入
されているか否かを容易に認識できる。 (5) 走査型プローブ顕微鏡用の走査プローブとして自己
検知型カンチレバーを用い、これを前記カンチレバーユ
ニットホルダで保持するようにしたので、走査プローブ
としてのカンチレバーを、ホルダに対して機械的にも電
気的にも容易かつ正確に装着できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のカンチレバーユニットホルダを備えた
走査プローブ顕微鏡の主要部の構成を示した図である。

【図２】図１の走査プローブ顕微鏡の駆動回路系のブロ
ック図である。

【図３】本発明のカンチレバーユニットホルダの側面図
である。

【図４】図３のＡ矢視図である。

【図５】図３のＢ矢視図である。

【図６】自己検知型カンチレバーを搭載した本発明のカ
ンチレバーユニットの平面図である。

【図７】図６のカンチレバーユニットの側面図である。

【図８】カンチレバーをホルダへ装着する方法を示した
図である。

【図９】カンチレバーユニットが装着されたホルダの側
面図である。

【図１０】光学顕微鏡を用いて探針の位置を観察する方
法を示した図である。

【図１１】光学顕微鏡による観察像を示した図である。

【図１２】ホルダに設けたプリズムの機能を説明するた
めの図である。

【図１３】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を模式的
に示した図である。

【符号の説明】

１０ カンチレバーユニット １０ａ 探針 ５０ カンチレバーユニットホルダ ５２ カンチレバー台 ５２ａ，８０ａ 位置決めマーク ５３ 電極ガイド ５４ 弾性体電極 ５９ プリズム ７０ 自己検知型カンチレバー ８０ ガラスエポキシ基板

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 片持ち梁の自由端に探針が形成されたカ
   ンチレバー部および前記カンチレバー部の撓み量を検知
   する検知部を備えた自己検知型カンチレバーと、 前記自己検知型カンチレバーを、なくとも前記カンチレ
   バー部の自由端が端部から突出するように保持する基板
   と、 前記基板の表面に形成され、前記検知部と電気的に接続
   された複数のコンタクトパターンとを具備したことを特
   徴とするカンチレバーユニット。
2. 【請求項２】 前記複数のコンタクトパターンは基板端
   部から所定の間隙を設けて形成され、コンタクトパター
   ンのある基板端部に面取り部を有することを特徴とする
   請求項１に記載のカンチレバーユニット。
3. 【請求項３】 前記請求項１または２に記載のカンチレ
   バーユニットを保持するカンチレバーユニットホルダで
   あって、 正規の位置に配置されたカンチレバーユニットのコンタ
   クトパターンに圧接されるように位置決めされた弾性体
   電極を具備し、前記カンチレバーユニットは、カンチレ
   バーユニットホルダに対して前記弾性体電極の圧接力に
   よって保持されることを特徴とするカンチレバーユニッ
   トホルダ。
4. 【請求項４】 前記カンチレバーユニットホルダは、そ
   の一主面と予定の間隙を保って対向配置されるように一
   端がカンチレバーユニットホルダに対して片持ち支持さ
   れた櫛歯状の電極ガイドを具備し、 前記弾性体電極は、前記電極ガイドの櫛歯部から間隙内
   へ弾性的に突出し、前記カンチレバーユニットを前記間
   隙内でカンチレバーユニットホルダの一主面側へ圧接す
   ることを特徴とする請求項３に記載のカンチレバーユニ
   ットホルダ。
5. 【請求項５】 前記カンチレバーユニットの端面には第
   １の目印が形成されており、前記カンチレバーユニット
   ホルダには、正規の位置に保持されたカンチレバーユニ
   ットの前記第１の目印と対向する位置に第２の目印が形
   成されたことを特徴とする請求項３または４に記載のカ
   ンチレバーユニットホルダ。
6. 【請求項６】 正規の位置に保持されたカンチレバーユ
   ニットのカンチレバー部の自由端と交差して当該自由端
   の変移方向に沿った仮想光軸を、当該仮想光軸外へ光学
   的に屈折させる光屈折部材をさらに具備したことを特徴
   とする請求項３ないし５のいずれかに記載のカンチレバ
   ーユニットホルダ。
7. 【請求項７】 前記請求項３ないし６のいずれかに記載
   のカンチレバーユニットホルダを装備し、当該カンチレ
   バーユニットホルダで保持したカンチレバーユニットの
   自己検知型カンチレバーを、試料表面と探針との間隙を
   予定値に保ちながら試料表面で走査することを特徴とす
   る走査型プローブ顕微鏡。