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走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ近接検出方法 外国出願あり

国内特許コード P130009553
整理番号 2510
掲載日 2013年7月10日
出願番号 特願2011-519892
登録番号 特許第5733724号
出願日 平成22年6月21日(2010.6.21)
登録日 平成27年4月24日(2015.4.24)
国際出願番号 JP2010060494
国際公開番号 WO2010150756
国際出願日 平成22年6月21日(2010.6.21)
国際公開日 平成22年12月29日(2010.12.29)
優先権データ
  • 特願2009-149205 (2009.6.23) JP
  • 特願2010-025975 (2010.2.8) JP
発明者
  • 西村 活人
  • 川上 養一
  • 船戸 充
  • 金田 昭男
  • 橋本 恒明
出願人
  • 国立大学法人京都大学
発明の名称 走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ近接検出方法 外国出願あり
発明の概要 本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第1及び第2プローブと、これら第1及び第2プローブをそれぞれ保持する水晶振動子と、各水晶振動子の共振周波数とは異なる特定周波数の振動を前記第1プローブ5に付与する変調用発振器とを備える。制御装置は、前記第1及び第2プローブの特定周波数の振動を監視し、この特定周波数の振動の変化から前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出し、第1及び第2プローブの駆動を制御する。
従来技術、競合技術の概要


走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscopy)は、尖鋭な突端を有する探針(プローブ)で試料表面上を走査することにより、試料の表面形状や試料表面の多様な物性・機能をナノスケールで計測する技術である。また、近年、試料のより複雑な表面形状や様々な物性・機能を計測するために、複数のプローブを有する走査型プローブ顕微鏡が開発されている。
従来、このような複数のプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡においては、複数のプローブを試料表面の測定位置に移動させるために光学顕微鏡や電子顕微鏡が用いられている(特許文献1参照)。



走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型近接場光学顕微鏡(SNOM)では、試料に近接させたプローブの周りに近接場光を発生させ、プローブと試料表面との相互作用による散乱光の光強度や光学特性を計測することにより試料の表面状態を検出する。試料表面とプローブ先端との距離を正確に検出し、プローブ先端位置を精度良く制御することは、光の回折限界を超えた分解能を実現する上で非常に重要である。

産業上の利用分野


本発明は、複数のプローブを有する走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ近接検出方法に関し、特にはシアフォース方式でプローブ先端と試料表面との距離を制御する走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ近接検出方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第1及び第2プローブを有する走査型プローブ顕微鏡において、
a)前記第1プローブの共振周波数の振動を該第1プローブに付与しつつ、試料に対して相対的に前記第1プローブを走査する第1走査手段と、
b)前記第2プローブの共振周波数の振動を該第2プローブに付与しつつ、試料に対して相対的に前記第2プローブを走査する第2走査手段と、
c)前記第1プローブ及び第2プローブのいずれか一方に前記第1プローブ及び前記第2プローブの共振周波数とは異なる特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
d)前記第1プローブ及び前記第2プローブの前記特定周波数の振動を監視する振動監視手段と、
e)前記第1プローブ及び前記第2プローブの少なくとも一方の振動が変化したことに基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と、
f)前記プローブ近接検出手段の検出結果に基づき第1及び第2走査手段を制御する制御手段と
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

【請求項2】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第1及び第2プローブを有する走査型プローブ顕微鏡において、
a)試料に対して相対的に前記第1プローブを走査する第1走査手段と、
b)試料に対して相対的に前記第2プローブを走査する第2走査手段と、
c)前記第1プローブ及び第2プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
d)前記第1プローブ及び前記第2プローブの前記特定周波数の振動を監視する振動監視手段と、
e)前記第1プローブ及び前記第2プローブの少なくとも一方の振動が変化したことに基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と、
f)前記プローブ近接検出手段の検出結果に基づき第1及び第2走査手段を制御する制御手段と
を有し、
前記第1及び第2プローブは第1及び第2の音叉型振動子に取り付けられ、前記走査手段は、前記音叉型振動子を共振させて前記第1及び第2プローブを走査するように構成され、
前記第1及び第2の音叉型振動子を共振させて前記第1プローブ及び第2プローブの先端をそれぞれ試料表面に接近させたときに各音叉型振動子に誘起される電圧信号を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の検出結果に基づき、各プローブ先端と前記試料表面との距離を一定に保持するプローブ・試料間距離制御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。

【請求項3】
前記振動付与手段は、前記第1プローブに振動を付与するように構成され、
前記プローブ近接検出手段が、前記第1プローブの振動の変化率が閾値以下になったことに基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項1又は2に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項4】
前記振動付与手段は、前記第1プローブに振動を付与するように構成され、
前記プローブ近接検出手段が、前記第2プローブの振動の変化率が閾値を上回ったことに基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項5】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第1及び第2プローブを有する走査型プローブ顕微鏡において、
a)前記第1プローブが取り付けられた第1音叉型振動子と、
b)前記第2プローブが取り付けられた第2音叉型振動子と、
c)前記第1音叉型振動子と前記第2音叉型振動子をそれぞれ共振させて、前記第1及び前記第2プローブのそれぞれを前記試料に対して相対的に走査する走査手段と、
d)前記第1プローブ及び第2プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与する振動付与手段と、
e)前記第1及び第2音叉型振動子を共振させて前記第1及び第2プローブを互いに接近させたときに各音叉型振動子に誘起される前記特定周波数の電圧信号を検出する信号検出手段と、
f)前記第1音叉型振動子及び第2音叉型振動子にそれぞれ誘起される前記特定周波数の電圧信号に基づき第1及び第2プローブが互いに近接したことを検出するプローブ近接検出手段と
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

【請求項6】
前記プローブ近接検出手段が、前記第1音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第2音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の積に基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項5に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項7】
前記プローブ近接検出手段が、前記第1音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第2音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の和に基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項5に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項8】
前記特定周波数は、前記音叉型振動子の共振周波数と異なる周波数であることを特徴とする請求項2、5~7のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項9】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第1及び第2プローブを有する走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法において、
前記第1プローブに共振周波数の振動を付与しつつ該第1プローブを試料に対して相対的に走査し、
前記第2プローブに共振周波数の振動を付与しつつ該第2プローブを試料に対して相対的に走査し、
前記第1プローブ及び第2プローブのいずれか一方に、前記第1プローブの共振周波数及び前記第2プローブの共振周波数とは異なる特定周波数の振動を付与し、
前記第1プローブ及び前記第2プローブの前記特定周波数の振動を監視し、
前記第1プローブ及び前記第2プローブの少なくとも一方の前記特定周波数の振動が変化したことにより前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。

【請求項10】
前記第1プローブに特定周波数の振動を付与するように構成され、
前記第1プローブの振動の変化率が閾値以下になったことに基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項9に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。

【請求項11】
前記第1プローブに特定周波数の振動を付与するように構成され、
前記第2プローブの振動の変化率が閾値を上回ったことに基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項9又は10に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。

【請求項12】
試料表面との距離を一定に保持しながら前記試料上を走査する第1及び第2プローブを有する走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法において、
前記第1プローブは第1音叉型振動子に取り付けられ、
前記第2プローブは第2音叉型振動子に取り付けられ、
前記第1プローブ及び第2プローブのいずれか一方に特定周波数の振動を付与し、
前記第1音叉型振動子及び第2音叉型振動子にそれぞれ誘起される前記特定周波数の電圧信号に基づき第1プローブ及び第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。

【請求項13】
前記第1音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第2音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の積に基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項12に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。

【請求項14】
前記第1音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号と前記第2音叉型振動子に誘起される特定周波数の電圧信号の和に基づき前記第1プローブと前記第2プローブが互いに近接したことを検出することを特徴とする請求項12に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ近接検出方法。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 登録
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