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表面位置計測方法および表面位置計測装置

国内特許コード P09S000325
整理番号 P2004-191-JP02
掲載日 2010年2月19日
出願番号 特願2006-550729
登録番号 特許第4876216号
出願日 平成17年12月22日(2005.12.22)
登録日 平成23年12月9日(2011.12.9)
国際出願番号 JP2005023633
国際公開番号 WO2006073068
国際出願日 平成17年12月22日(2005.12.22)
国際公開日 平成18年7月13日(2006.7.13)
優先権データ
  • 特願2005-001538 (2005.1.6) JP
発明者
  • 岡嶋 孝治
  • 田中 賢
  • 徳本 洋志
出願人
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 表面位置計測方法および表面位置計測装置
発明の概要

柔らかい表面の位置を正確に、低侵襲で、かつ高速(リアルタイム)に計測することができる表面位置計測方法。本方法では、カンチレバーの探針と試料表面との間の距離を変化させながら、カンチレバーの熱振動スペクトルを計測し、得られた熱振動スペクトルから基本モード成分(スペクトル面積)を抽出して、距離に対する熱振動スペクトルの面積(スペクトル面積)の変化を計測する。このとき、カンチレバーの熱振動スペクトルの面積が変化し始める位置を、試料表面の位置として評価する。

従来技術、競合技術の概要

1986年に開発された原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope:AFM)(非特許文献1)は、導体・半導体・絶縁体(高分子・生体材料を含む)の表面形状を高分解能で観察することができる顕微鏡である。原子間力顕微鏡は、カンチレバーと呼ばれる極めて柔らかいレバーの先端に針状の突起(探針)を設け、この探針を試料に近づけたときに試料表面と探針の間に発生する微弱な力をカンチレバーのひずみを介して測定できるようにしたものである。なお、本明細書において、「カンチレバー」という用語は、特に明記しない限り、探針を含む広義の意味で用いる。


原子間力顕微鏡のカンチレバーの固さに比べて試料表面が十分柔らかい場合、探針が表面に接触しても、カンチレバーの変位(デフレクション)は小さいため、カンチレバーの静的変位量から表面位置を正確に計測することは難しい。例えば、細胞表面の脂質膜は、非常に柔らかく、数十nm以上の大きな振幅で揺らいでおり、その弾性は通常用いられる柔らかいカンチレバーと比較して十分小さいため、低侵襲で脂質膜のみの弾性応答や表面位置を精密に計測することはAFMでは容易ではない。


柔らかい表面の位置(接触点)を導出する方法としては、探針を表面に強く押し付けたときのフォースカーブの形状から表面位置を算出する方法がある(非特許文献2)。ここで、フォースカーブとは、横軸を探針と試料表面の距離、縦軸をカンチレバーの変位(通常は静的変位)としてプロットして得られる曲線のことである。


一方で、カンチレバーは熱振動をしており、その振幅は、カンチレバーの固さにもよるが、大体1nm以下の程度である。カンチレバーの熱振動の利用方法としては、熱振動スペクトルの計測からカンチレバーのバネ定数を見積もったり(非特許文献3)、熱振動スペクトルの計測から表面と探針の間の相互作用を非接触領域で計測したりすることが行われている(非特許文献4)。

【非特許文献1】G.Binnig,C.F.Quate,and Ch.Gerber,″Atomic Force Microscope″,Phys.Rev.Lett.Vol.56,p.930(1986)
【非特許文献2】C.Rotsch,K.Jacobson,and M.Radmacher,″Dimensional and mechanical dynamics of active and stable edges in motile fibroblasts investigated by using atomic force microscopy″,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,Vol.96,p.921(1999)
【非特許文献3】J.L.Hutter,J.Bechhoefer,″Calibration of atomic-force microscope tips″,Rev.Sci.Instrum.Vol.64,p.1868(1993)
【非特許文献4】A.Roters,M.Gelbert,M.Schimmel,J.Ruhe,and D.Johannsmann,″Static and dynamic profiles of tethered polymer layers probed by analyzing the noise of an atomic force microscope″,Phys.Rev.E Vol.56 p.3256(1997)

産業上の利用分野

本発明は、表面位置計測方法および表面位置計測装置に関し、特に、原子間力顕微鏡を用いた表面位置計測方法および表面位置計測装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 探針を有するカンチレバーの熱振動スペクトルの面積を検出する検出ステップと、
検出したカンチレバーの熱振動スペクトルの面積の変化に基づいて計測される前記探針と試料表面との接触位置から、前記試料表面の位置を評価する評価ステップと、
を有する表面位置計測方法。
【請求項2】 前記評価ステップは、
検出したカンチレバーの熱振動スペクトルの面積が変化し始める位置を、前記探針と試料表面との接触位置として計測する、
請求項1記載の表面位置計測方法。
【請求項5】 前記検出ステップは、
探針を有するカンチレバーの変位信号を検出するステップと、
検出した変位信号をFFT処理して熱振動スペクトルを取得するステップと、
取得した熱振動スペクトルからカンチレバーの共振モード部分を抽出してカンチレバーの共振周波数周辺における熱振動スペクトルの面積を算出するステップと、を有し、
前記評価ステップは、
算出したカンチレバーの熱振動スペクトルの面積が変化し始める位置を、前記探針と試料表面との接触位置として計測する、
請求項2記載の表面位置計測方法。
【請求項6】 探針を有するカンチレバーの熱振動スペクトルの面積を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出されたカンチレバーの熱振動スペクトルの面積の変化に基づいて計測される前記探針と試料表面との接触位置から、前記試料表面の位置を評価する評価手段と、
を有する表面位置計測装置。
産業区分
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
画像

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出願権利状態 権利存続中
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