[发明专利]摩擦力显微镜

说明书

技术领域

本发明涉及在扫描型探测器(probe)显微镜中根据悬臂(cantilever)的扭曲(れ、捻れ)程度测定摩擦力的摩擦力显微镜。

背景技术

在扫描型探测器显微镜中，摩擦力显微镜作为测定作用于样品与悬臂的探针前端之间的摩擦力的装置而开发，其基本原理是，在使悬臂的探针前端与样本接触的状态下，相对于悬臂的长度方向沿直角方向扫描，取得此时的各位置处的悬臂的扭曲方向的位移量，由此使测定区域内的摩擦力的分布图像化(参照专利文献1)。

然而，现有的摩擦力显微镜容易对测定区域内的探针的样本表面的摩擦力的相对的分布进行测定，但难以对摩擦力的绝对值进行测定。这起因于对于每个悬臂而言，特性存在着偏差。因此，难以用于使用多个悬臂来比较多个样本的摩擦力的用途。

在此，作为悬臂的特性的偏差而成为问题的是为了从所测定的扭曲位移信号来计算摩擦力所需要的参数，(i)悬臂的扭曲弹簧常数、(ii)悬臂的扭曲信号的灵敏度、(iii)悬臂的探针的高度。

进行通过对每个悬臂测定这些参数来进行摩擦力的绝对值测定的尝试，而关于其方法，分别使用这样的方法：(i)使用从悬臂的尺寸求出的扭曲弹簧常数；(ii)与悬臂的挠曲(撓み)方向的信号的灵敏度相等或作为一定的比率而使用挠曲方向的信号的灵敏度；(iii)由电子显微镜或光学显微镜等测定探针高度。

专利文献1：日本特开平6-241762号公报

发明内容

然而，在用于修正上述的悬臂的各参数的方法中，分别存在着如下问题。

(i)难以精度良好地测定厚度以作为悬臂的尺寸，而且，扭曲方向的弹簧常数与厚度的3次方成比例，所以原来的测长的误差被放大，难以计算精度良好的扭曲弹簧常数的值。

(ii)由于照射至悬臂的激光的斑点形状或强度的分布、悬臂的反射面的不均匀导致挠曲方向和扭曲方向的灵敏度并不相同或成一定的比率。

(iii)悬臂的探针前端小到在光学显微镜中不能观察，而难以测定，而且，在扫描型探测器显微镜中，在根据悬臂的扭曲来测定摩擦力的摩擦力显微镜中，为了计算摩擦力所需要的探针的高度不单是从安装有探针的悬臂的表面至探针前端的长度，而且是从悬臂的扭曲的旋转中心至探针前端的长度。然而，仅靠通过显微镜等从外部观察，不能确定悬臂的扭曲的旋转中心，不存在判断测定从哪个部分至探针前端的长度较好的方案。

为了解决以上的课题，在本发明中，其目的在于，提供这样的方法：不直接测定在根据外观的观察来测定尺寸的情况下测定误差大的悬臂的探针高度和悬臂的厚度，而是从悬臂的位移信号和悬臂的谐振频率计算，由此，减小悬臂的形状等的测定误差，更高精度地求出样品的摩擦力。

为了解决上述课题，本发明的摩擦力显微镜，具有在前端带有探针的悬臂，具备使探针相对于与该探针对置配置的样本表面而在平行的X-Y平面移动的XY驱动机构及沿与样本表面垂直的Z方向移动的Z驱动机构、以及检测悬臂的挠曲方向的位移信息及扭曲方向的位移信息的位移检测单元，其中，具备摩擦力计算单元，分别根据从悬臂的挠曲方向的位移信息求出的挠曲灵敏度以及从扭曲方向的位移信息求出的扭曲灵敏度来计算从悬臂的扭曲的中心至探针的前端的探针高度h及悬臂的扭曲所导致的扭曲弹簧常数K_t，以作为为了从基于扭曲方向的位移信息的扭曲位移信号来计算摩擦力所需要的参数，根据该计算出的探针高度h及扭曲弹簧常数K_t来计算摩擦力。

另外，在摩擦力计算单元中，根据既定的计算式计算从悬臂的扭曲的中心至探针的前端的探针高度h及悬臂的扭曲所导致的扭曲弹簧常数K_t。

具体而言，使用悬臂的杆部(lever)长度L、悬臂的从探针侧端部至探针前端位置的与杆部平行的长度d、Z方向的悬臂的挠曲方向的位移信号和位移量的比率S_DIF、Z方向的悬臂的挠曲方向的位移信号放大率G_DIF、XY方向的悬臂的扭曲方向的位移信号和位移量的比率S_FFM、XY方向的所述悬臂的挠曲方向的位移信号放大率G_FFM、所述悬臂的宽度w、所述悬臂的扭曲模式的谐振频率f_t、所述悬臂的基于材质的密度ρ以及所述悬臂的基于材质的横弹性系数G，根据数学式1及数学式2来计算。

[数学式1]