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(In Japanese)測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法 meetings

Patent code P110004130
File No. K022P23
Posted date Jul 7, 2011
Application number P2007-536526
Patent number P4546535
Date of filing Feb 14, 2007
Date of registration Jul 9, 2010
International application number JP2007052626
International publication number WO2007094365
Date of international filing Feb 14, 2007
Date of international publication Aug 23, 2007
Priority data
  • P2006-037030 (Feb 14, 2006) JP
Inventor
  • (In Japanese)福澤 健二
  • (In Japanese)式田 光宏
  • (In Japanese)寺田 諭
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title (In Japanese)測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法 meetings
Abstract (In Japanese)試料Sの表面を測定するための測定プローブ1を、ベース部10と、探針31が設けられたヘッド部30と、探針31が突出する垂直軸に略直交する軸を支持軸としてベース部10に対してヘッド部30を支持する支持構造部15とによって構成する。また、支持構造部15を、垂直軸の方向について変形可能な第1ばね構造部20と、水平軸の方向について変形可能な第2ばね構造部25との2つのばね構造部によって構成するとともに、ヘッド部30の探針31とは反対側に、反射率が面内で異なるように変化する反射パターンで形成された反射面32を設ける。これにより、特殊な測定系を用いることなく試料表面の測定精度を向上することが可能な測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法が実現される。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

試料表面の摩擦力分布を測定することでナノメートル・スケールでの材料評価等が可能な技術として、摩擦力顕微鏡(FFM:Friction Force Microscope)、あるいは水平力顕微鏡(LFM:Lateral Force Microscope)と呼ばれる試料表面測定装置がある(例えば、文献1:特開2000-171381号公報、文献2:特開2000-258331号公報参照)。摩擦力顕微鏡では、例えば、図8に示すように、ベース部60に固定されたレバー部62を有する微小(長さが100μmのオーダ、厚さが1μmのオーダ)なカンチレバー6を測定プローブとし、レバー部62の端部に設けられた、先端径を数nm以下に先鋭化させた探針61を用いて試料Sの表面を測定する。

すなわち、レバー部62の長軸である支持軸の方向、及び探針61が突出する探針軸の方向に直交する方向を走査方向として、カンチレバー6で試料の表面を走査する。このとき、探針61に走査軸(水平軸)の方向の摩擦力(水平力)が働き、レバー部62に「捩れ」が生じる。また、試料表面の形状に応じて探針61に荷重(垂直力)が働き、レバー部62に「撓み」が生じる。これらのレバー部62の捩れ、及び撓みを測定することにより、試料を走査することで生じる水平力・垂直力の2方向の力を求めることができ、試料の表面情報を取得することができる。また、水平力・垂直力の比によって、試料表面の摩擦係数も求められる。

このような測定方法によれば、例えば、航空機の機体等に用いられているカーボンファイバなどを樹脂で固めて作製した強化プラスチック、あるいはガラスに新機能を持たせる微粒子分散ガラスなどの複合材料を試料として、材料の断面を作製し、上記装置を用いてその表面上での摩擦係数の分布を測定することにより、その複合材料における構成材料の分布を把握することができる。あるいは、水平力及び垂直力を測定することで、材料表面の摩擦特性や潤滑特性をナノメートル・スケールで測定することができる。
【特許文献1】
特開2000-171381号公報
【特許文献2】
特開2000-258331号公報
【特許文献3】
特開2000-258332号公報
【特許文献4】
特開平11-166823号公報
【特許文献5】
特開2001-56281号公報
【非特許文献1】
B.W.Chui et al., Applied Physics Letters, Vol.72, No.11, pp.1388-1390 (1998)
【非特許文献2】
S.A.Joyce and J.E.Housion, Rev. Sci. Instrum. Vol.62, No.3, pp.710-715 (1991)

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、試料の表面を測定するために用いられる測定プローブ、測定プローブを用いた試料表面測定装置、及び試料表面測定方法に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
試料の表面を測定するために用いられる測定プローブであって、
ベース部と、
表面測定用の探針が設けられたヘッド部と、
前記探針が突出する探針軸に略直交する第1軸を支持軸として前記ベース部に対して前記ヘッド部を支持する支持構造部とを備え、
前記支持構造部は、前記探針軸の方向について変形可能に構成され前記ベース部側に設けられた第1ばね構造部と、前記探針軸及び前記第1軸に略直交する第2軸の方向について変形可能に構成され前記ヘッド部側に設けられた第2ばね構造部との2つのばね構造部によって構成され、
前記第1ばね構造部は、前記第2軸の方向に延びるように配置され、前記支持構造部の他の部分と前記ベース部との間を連結するとともに捩れ変形可能な捩り梁を含み、
前記ヘッド部は、前記探針とは反対側に設けられ、その反射率が面内で異なるように変化する反射パターンで形成された反射面を有し、前記ヘッド部の前記反射面は、その反射率が面内で前記第2軸の方向において変化する前記反射パターンで形成されていることを特徴とする測定プローブ。

【請求項2】
 
前記ベース部は、前記支持構造部を前記第2軸の方向で挟むように配置された一対の支持部を有し、
前記第1ばね構造部は、前記捩り梁として、前記支持構造部の他の部分と前記一対の支持部のそれぞれとの間を連結する一対の捩り梁を含むことを特徴とする請求項1記載の測定プローブ。

【請求項3】
 
前記第2ばね構造部は、それぞれ前記第2軸の方向を向くように互いに平行に配置された少なくとも2枚の板ばねを含むことを特徴とする請求項1または2記載の測定プローブ。

【請求項4】
 
前記ヘッド部の前記反射面は、前記第1軸の方向の中心軸に沿って延びる第1反射領域と、前記第1反射領域とは異なる反射率を有する第2反射領域とを少なくとも含む前記反射パターンで形成されていることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項記載の測定プローブ。

【請求項5】
 
試料の表面を測定するための請求項1~4のいずれか一項記載の測定プローブと、
前記測定プローブでの前記支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給手段と、
前記測定プローブの前記ヘッド部に設けられた前記反射面で前記測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出手段と、
前記反射光像検出手段での前記反射光像の検出結果に基づいて、前記試料の表面情報を取得する表面情報処理手段とを備え、
前記反射光像検出手段で検出される前記反射光像は、前記測定光の前記反射面への照射パターンと、前記反射面での前記反射パターンとによって生成される2次元光像であり、
前記表面情報処理手段は、前記反射光像の前記検出結果に基づいて、前記探針軸の方向についての表面情報、及び前記第2軸の方向についての表面情報の両者を取得することを特徴とする試料表面測定装置。

【請求項6】
 
前記反射光像検出手段は、前記反射光像を検出する少なくとも4分割された分割型フォトダイオードを有することを特徴とする請求項5記載の試料表面測定装置。

【請求項7】
 
前記反射光像は、前記分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、前記測定プローブが前記探針軸の方向に変形した場合の前記反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも2つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することを特徴とする請求項6記載の試料表面測定装置。

【請求項8】
 
前記反射光像は、前記分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、前記測定プローブが前記第2軸の方向に変形した場合の前記反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも2つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することを特徴とする請求項6または7記載の試料表面測定装置。

【請求項9】
 
前記表面情報処理手段は、前記反射光像の位置の変化、及び前記反射光像内での前記反射光の検出パターンの変化を参照して、前記表面情報を取得することを特徴とする請求項5~8のいずれか一項記載の試料表面測定装置。

【請求項10】
 
試料の表面を測定するための請求項1~4のいずれか一項記載の測定プローブを用い、前記測定プローブでの前記支持構造部の変形を測定するための測定光を供給する測定光供給ステップと、
前記測定プローブの前記ヘッド部に設けられた前記反射面で前記測定光が反射されて生成された反射光像を検出する反射光像検出ステップと、
前記反射光像検出ステップでの前記反射光像の検出結果に基づいて、前記試料の表面情報を取得する表面情報処理ステップとを備え、
前記反射光像検出ステップにおいて検出される前記反射光像は、前記測定光の前記反射面への照射パターンと、前記反射面での前記反射パターンとによって生成される2次元光像であり、
前記表面情報処理ステップにおいて、前記反射光像の前記検出結果に基づいて、前記探針軸の方向についての表面情報、及び前記第2軸の方向についての表面情報の両者を取得することを特徴とする試料表面測定方法。

【請求項11】
 
前記反射光像検出ステップにおいて、前記反射光像を少なくとも4分割された分割型フォトダイオードによって検出することを特徴とする請求項10記載の試料表面測定方法。

【請求項12】
 
前記反射光像は、前記分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、前記測定プローブが前記探針軸の方向に変形した場合の前記反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも2つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することを特徴とする請求項11記載の試料表面測定方法。

【請求項13】
 
前記反射光像は、前記分割型フォトダイオードを構成する複数の光検出部に対し、前記測定プローブが前記第2軸の方向に変形した場合の前記反射光像の変位方向について、その方向に並んで位置する少なくとも2つの光検出部によってそれぞれ検出されるように入射することを特徴とする請求項11または12記載の試料表面測定方法。

【請求項14】
 
前記表面情報処理ステップにおいて、前記反射光像の位置の変化、及び前記反射光像内での前記反射光の検出パターンの変化を参照して、前記表面情報を取得することを特徴とする請求項10~13のいずれか一項記載の試料表面測定方法。
IPC(International Patent Classification)
Drawing

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JP2007536526thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) PRESTO Structure Function and Measurement Analysis AREA
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