本発明は、プローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法、該測定に用いるプローブ顕微鏡に関するものである。
特に、液滴や、揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物の表面形状測定方法、該測定方法に用いるプローブ顕微鏡に関するものである。

近年、固体表面だけでなく、軟質物の表面形状やミクロンサイズの液体材料のメニスカス形状など、揮発の可能性が高いうえに非常に軟らかく変形し易い材料の表面形状を、高精度に測定するための要求が高まってきている。
例えば、このような軟質物の表面形状の測定として、磁気ディスク表面に付着した油脂などの軟質物や、インクジェットプリンタのノズル部におけるインク形状、等の測定が挙げられる。

従来において、このような液体表面を観察する方法としては、大気圧に近い環境で観察が可能な、環境制御型の走査電子顕微鏡や原子間力顕微鏡が利用される。
例えば、特許文献１では、つぎのような観察手段が開示されている。
すなわち、観察中に水分蒸発に伴なう試料の収縮を防止し、前処理を行わずに観察可能な電子顕微鏡を提供するため、保水物質と大気中の貯水タンクとを接続して保水物質に水分を供給し、保水物質は試料に水分を供給する手段が開示されている。
これにより、環境制御型走査電子顕微鏡において試料表面から揮発してしまう水分を外から補いながら観察することが可能とされている。

また、特許文献２では、軟質物の表面形状を測定するため、探針先端の表面エネルギーを、この先端部分と被測定物質との間の界面エネルギーより低くなるように、探針の少なくとも先端部分表面の材質を定めるようにする方法が開示されている。
この方法では、原子間力顕微鏡において、その探針先端をフッ素系コーティング膜などで覆い、油脂の探針への付着や形状の破壊を防ぐようにした構成が用いられる。
さらに、非特許文献１では、最新の原子間力顕微鏡において、ピコニュートンオーダーの力を制御／測定できる装置を用いた液滴などの観察について報告されている。
すなわち、この装置では、ナノニュートンレベルの力ではなく、更に微弱なピコニュートンオーダーの力を制御／測定できることから、探針と対象試料間の力を微弱に設定して、液滴などの観察ができるというものである。

特開平０８−０５０８７５号公報

特開２０００−１５５０８４号公報

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． ａｓｙｌｕｍｒｅｓｅａｒｃｈ． ｃｏｍ／ＩｍａｇｅＧａｌｌｅｒｙ／Ｍａｔ／Ｍａｔ． ｓｈｔｍｌ＃Ｍ２

しかしながら、上記した従来例における軟質物の表面形状測定方法においては、つぎのような問題を有していた。
例えば、特許文献１のものにおいては、環境制御型の走査電子顕微鏡や原子間力顕微鏡が利用されることから、高分機能による観察や、正確な形状を計測することが困難である。
また、電子線照射の影響の全く無い状態の形状を観察することが困難であり、完全な大気圧状態での観察を行うことができない、等の多くの課題を有している。 また、特許文献２においては、軟質物の探針への付着は防げるものの、軟質物自体の形状を正確に測定することができないという課題を有している。
さらに、最新のピコニュートンオーダーの力検出が可能な原子間力顕微鏡の場合、専用の装置であるために高額な設備投資を必要とする。

本発明は、上記課題に鑑み、液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物の表面形状を、精度良く測定することが可能となるプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法、該測定方法に用いるプローブ顕微鏡の提供を目的とする。

本発明は、上記課題を達成するために、つぎのように構成したプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法、該測定方法に用いるプローブ顕微鏡を提供するものである。
本発明のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法は、液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物による試料の表面形状を、プローブ顕微鏡により測定する方法であって、
前記試料と導電性プローブとの間に電圧を印加し、前記導電性プローブの共振周波数成分と印加バイアスとの相関に基づく、前記試料の表面における固体材料部位と液体材料部位とのバイアス依存性を測定する段階と、
前記バイアス依存性の測定結果に基づき、前記固体材料部位と液体材料部位とのそれぞれの間に作用する静電気力が等しくなるバイアス値を決定する段階と、
前記決定されたバイアス値を用いて印加した状態で、静電気力の大きさが一定になるように前記試料と導電性プローブとの間の距離を保って該試料表面を走査し、該試料の表面形状を測定する段階と、
を有することを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法は、前記試料の表面形状を測定する段階において、
前記試料と導電性プローブとの間の距離を保つ際、周波数変位検出法を用いて該試料と導電性プローブ間の距離制御をすることを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法は、前記試料の表面形状を測定する段階において、
前記試料と導電性プローブとの間の距離を保つ際、振幅変位検出法を用いて該試料と導電性プローブ間の距離制御をすることを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡は、液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物による試料の表面形状の測定に用いるプローブ顕微鏡であって、
導電性プローブと、
前記導電性プローブと前記試料間に、電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段による前記プローブと試料間への電圧印加状態において、前記導電性プローブの共振周波数成分と印加バイアスとの相関に基づく、前記試料の表面における固体材料部位と液体材料部位とのバイアス依存性を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果に基づいて、前記固体材料部位と液体材料部位とのそれぞれに作用する静電気力が等しくなるバイアス値を印加することで、前記静電気力が一定の力になるように前記プローブと試料間の距離を制御する手段と、
を有することを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡は、前記プローブと試料間の距離を制御する手段が、周波数変位検出法を用いた制御システムにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡は、前記プローブと試料間の距離を制御する手段が、振幅変位検出法を用いた制御システムにより構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物の表面形状を、精度良く測定することが可能となる。

つぎに、本発明の実施の形態におけるプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法と、該測定方法に用いるプローブ顕微鏡について説明する。
図１に、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡の制御回路の構成例の概略図を示す。
図１において、１は導電性カンチレバー、２は試料、３は半導体レーザー、４は光変位検出器、５は圧電振動子、１８は試料２を載せたＰＺＴスキャナーである。
本実施の形態において、導電性カンチレバー１は様々な硬さを選択できるが、共振周波数が６０〜３５０ｋＨｚ程度のものを使用することが望ましい。
また、空間分解能の観点からカンチレバー先端の探針の先端曲率半径は４０ｎｍ以下、２０ｎｍ以上のものが望ましい。
さらに、カンチレバーおよび探針表面の導電性コート膜は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｉｎなどの金属及びその金属間化合物、酸化物半導体などから選択できるが、その安定性からＡｕやＰｔが望ましい。

また、カンチレバー１は圧電振動子５に固定され、プリアンプ６、移相器７、波形変換器８、減衰器９と接続して正帰還発信ループによる自励発信回路が構成されている。
また、１０は発振器、１１はＤＣ電源、１２は累算器であり、これらによって電源系回路が構成されている。
本実施の形態では、この電源系回路が試料２に接続され、接地されたカンチレバー１との間に電圧を印加できるように構成されている。
また、１３はＦＭ復調器、１４はロックインアンプ、１５はエラーアンプ、１６はフィルター、１７はＺピエゾドライバーであり、これらによってフィードバック回路が構成されている。
本実施の形態では、このフィードバック回路によって、カンチレバー１先端の探針と試料２の間の静電気力を抽出し、その大きさが一定になるように試料２の載っているスキャナー１８を駆動する。
上記フィードバック回路のＺピエゾドライバー１７の出力を面内走査と同期して表示すれば、表面の形状を観察することができる。
また、電源系回路１０，１１，１２を使用せず試料２を接地した状態で、図１中において、点線で示した回路構成要素１９，２０を使用してフィードバック回路を構成した場合には、周波数変位検出による原子間力顕微鏡観察が可能となる。

つぎに、本実施の形態の軟質物の表面形状測定方法における材質の違いによるバイアス依存性の相違について説明する。
図２に、ノズル部分と液部分における材質の違いによるバイアス依存性の相違を説明するための図を示す。 図２ではノズル先端から液が顔を出した状態を模式的に示している。
探針と試料間に電圧を印加している状態で、その間の相互作用力（静電気力）を測定すると、ノズル部分と液部分では材質が異なるためにバイアス依存性が相違する。
この測定方法を更に詳しく説明すると、まず、カンチレバー１と試料２間に電圧を印加している状態で、その間に働く相互作用力（静電気力）を測定する。
発振器１０の出力である交流成分Ｖ _ＡＣ ｓｉｎ（ωｔ）とＤＣ電源１１の出力である直流成分Ｖ _ＤＣを累算器１２で合算し、試料２に印加する。 この時、発信器１０の出力は周波数１ｋＨｚ、振幅２Ｖｐ−ｐ程度とする。
図３に、カンチレバー１の振動を検出した光変位検出器４の出力のうち、その共振周波数ωの成分をロックインアンプ１４で抽出し、ロックインアンプ１４の出力を縦軸に、印加バイアスＶ _{ｓａｍｐｌｅ} ＝Ｖ _ＤＣを横軸にとったバイアス依存性の測定例を示す。
ロックインアンプ１４の出力は、探針と試料間に作用する力の勾配ｄＦ／ｄｚの印加電圧Ｖ _{ｓａｍｐｌｅ}による１次微分値に相当する。
ノズル部分と液部分では材質が違うことから、探針と試料間に作用する静電気力によるバイアス依存性が異なり、図３に示されるように、それらの傾きが異なる。
ここで、図３よりノズルと液のそれぞれ探針との静電気力が等しくなるバイアス値Ｖｘを読み取る。
なお、金属材料以外の材質の場合は本グラフは直線になるとは限らないが、重要なのは静電気力が等しくなるバイアス値Ｖｘを見つけ出すことである。

軟質物の表面形状の測定に際し、このバイアス値Ｖｘを電源１１のＤＣ出力値に設定（Ｖ _ＤＣ ＝Ｖｘ）することで、材質によらず静電気力の大きさを一定に保つようにフィードバックをかけることができ、軟質物の表面形状を精度良く測定することが可能となる。
なお、本発明においては回路構成は図１に限られるものではない。 例えば、後に詳述する図５に示すように構成してもよい。

以上の本実施の形態による構成によれば、非接触に計測が可能な静電気力をフィードバックすることで、軟質物や液滴の表面形状を正確に測定することができる。
また、走査プローブ顕微鏡であるため環境制御型走査電子顕微鏡のように真空環境を必要としないので、大気中で観察が可能である。 これによると、揮発の可能性が高いうえに非常に軟らかく変形しやすい材料の表面形状を精度良く測定することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、走査プローブ顕微鏡の制御回路は、基本的には図１と同じ構成のものを用いた。
導電性カンチレバー１は様々な硬さを選択できるが、本実施例では市販の原子間力顕微鏡用カンチレバーで金属コートされた製品（ＮａｎｏＷｏｒｌｄ ＡＧ製ＰＰＰ−ＮＣＬＰｔ、共振周波数１９０ｋＨｚ、ＰｔＩｒコート）を使用した。
また、半導体レーザー３から照射されるレーザー光は、波長６７０ｎｍのレーザー光が用いられる。
このレーザー光を照射してカンチレバー１の背面で反射させ、光変位検出器４（４分割フォトダイオードを用いたＰｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）で検出し、カンチレバー１の振動状態を検出する構成が採られる。

本実施例では図２に示す形態の試料を観察するに際し、まず、カンチレバー１と試料２間に電圧を印加している状態でその間に働く相互作用力（静電気力）を測定する。
その際、発振器１０の出力である交流成分Ｖ _ＡＣ ｓｉｎ（ωｔ）とＤＣ電源１１の出力である直流成分Ｖ _ＤＣを累算器１２で合算し、試料２に印加する。 この時、発信器１０の出力は周波数１ｋＨｚ、振幅２Ｖｐ−ｐとする。
これにより、カンチレバー１の振動を検出した光変位検出器４の出力のうち、周波数ωの成分をロックインアンプ１４で抽出し、ロックインアンプ１４の出力を縦軸に、印加バイアスＶ _{ｓａｍｐｌｅ} ＝Ｖ _ＤＣを横軸とした図３に示すような測定結果を得る。
この測定結果から、ノズルと液のそれぞれ探針との静電気力が等しくなるバイアス値Ｖｘを読み取る。

次に、ＤＣ電源１１の出力電圧Ｖ _ＤＣを上記バイアス値Ｖｘに設定し、形状測定を行う。
波形変換器８の出力をＦＭ復調器１３経由でロックインアンプ１４に入力して周波数ωの成分を抽出し、任意に設定した値Ｘとエラーアンプ１５で比較することで、その出力が０になるようにＰＺＴスキャナー１８へＺピエゾドライバー１７から駆動信号を出力する。
このフィードバック回路により一定の（設定値Ｘ）静電気力を検知できるように試料−探針間距離が制御され、Ｚピエゾドライバー１７の出力信号と試料面内の走査信号を同期させて表示すると、図４に示すような試料表面の形状を観察することができる。
図４において、周辺部が金属製のノズル表面であり、中央の円形状部が液表面を表している。
観察時には、設定値Ｘを比較的大きな値に設定すると試料探針間距離が近くなり、観察された像の空間分解能が向上するが、探針と試料が接触する可能性も高まる。 実際の測定では設定値Ｘとカンチレバー１の励振振幅を適宜調整することが必要である。

なお、本実施例ではカンチレバー１を接地する回路を説明したが、本発明はこれらの構成に限られるものではない。
例えば、試料を接地しカンチレバー１に累算器１２を接続しても同様の測定が可能である。
また、図１の制御回路において、試料を接地し、ＦＭ復調器１３の出力をエラーアンプ１９とフィルター２０を介してＺピエゾドライバー１７にもどすフィードバック回路を使用するようにしてもよい。
すなわち、電源系回路１０，１１，１２を使用せず、試料２を接地した状態で、図１の点線で示したエラーアンプ１９とフィルター２０によるフィードバック回路を使用することによって、周波数変位検出による原子間力顕微鏡観察が可能となる。

［実施例２］
実施例２においては、実施例１と異なる走査プローブ顕微鏡の制御回路を用いた構成例について説明する。
図５に、本実施例に用いる走査プローブ顕微鏡の別の制御回路の構成例の概略図を示す。
実施例１との相違は、自励発信回路の代わりに発振器２１でカンチレバー１を振動し、ＦＭ復調器１３の代わりにＲＭＳ−ＤＣ変換器２２を組み込んだことで、それ以外は実施例１と同じである。
本実施例においても実施例１と同様に図２に示す試料を観察した結果、図４と同様の形状像を得ることができる。

なお、本実施例においてもカンチレバー１を接地する回路を図示したが、本発明はこれに限られるものではない。
例えば、試料を接地しカンチレバー１に累算器１２を接続しても同様の測定が可能である。
また、図５の制御回路において、試料を接地して光変位検出器４の出力をＲＭＳ−ＤＣ変換器２２に接続する。
そして、エラーアンプ１９とフィルター２０を介してＺピエゾドライバー１７にもどすフィードバック回路を使用すれば、振幅変位検出による原子間力顕微鏡観察が可能となる。

本発明の実施の形態及び実施例１における走査プローブ顕微鏡の制御回路の構成例を示す概略図。

本発明の実施の形態のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法におけるノズル部分と液部分における材質の違いによるバイアス依存性の相違を説明するための図。

本発明の実施の形態のプローブ顕微鏡によるバイアス依存性の測定例を説明するための図。

本発明の実施例１におけるプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定例を示す図。

本発明の実施例２における走査プローブ顕微鏡の制御回路の構成例を示す概略図。

符号の説明

１：導電性カンチレバー２：試料３：半導体レーザー４：光変位検出器５：圧電振動子６：プリアンプ７：移相器８：波形変換器９：減衰器１０：発振器１１：ＤＣ電源１２：累算器１３：ＦＭ復調器１４：ロックインアンプ１５：エラーアンプ１６：フィルター１７：Ｚピエゾドライバー１８：ＰＺＴスキャナー１９：エラーアンプ２０：フィルター２１：発振器２２：ＲＭＳ−ＤＣ変換器