JP2004093574A - 原子間力顕微鏡用力方位センサ付カンチレバー - Google Patents

Abstract

【課題】　高感度な力変位センサを集積した、原子間力顕微鏡等に用いられるカンチレバーを提供する。
【解決手段】　カンチレバーの力変位の検出に、圧電体に櫛形電極を設けた弾性表面波素子（ＳＡＷ）を利用した共振器を使った。
【選択図】　　図１

Description

　本発明は、試料表面の微細な構造を、試料表面とレバーとの間に働く力で検出するカンチレバーに関するものであり、主に原子間力顕微鏡等に使われる。

　従来、圧電体を使った力変位センサ付カンチレバーには、レバーの変位に応じて圧電体の両端に発生する電圧を検出する方法があった。カンチレバーの構造は、図１の本発明と同じであるが、検出部４が異なる。図２で検出部４について説明する。二つの電極６の間に圧電体５をはさんだ構造である。レバー２の変位は検出部４に伝わり、変位量に応じて、圧電体５の両端に電圧Ｖが発生する。両電極でその電圧を外部に取り出しカンチレバーの変位量とする。

　従来方式で、変位に対する電圧の大きさは、圧電体の誘電率、面積、膜厚によって変化する。誘電率は材料によって決まるため、大きな感度を得るためには、膜厚を厚く、面積を大きくする必要がある。しかし、現状の技術では膜厚を十分厚くすることができず、感度が小さくなる問題がある。また膜厚を厚くしたり、面積をあまり大きくすると、カンチレバーとしての特性が変わり、実際の使用上問題となる。

　上記の問題点を解決するために、本発明は、検出部４に弾性表面波素子（ＳＡＷ）による共振器を使うことで、感度を向上させる。ＳＡＷは圧電体の表面付近に櫛形の電極を設け、表面近傍に発生する弾性表面波を利用する素子である。櫛形電極のピッチに応じて共振周波数が決まり、周波数変化に対して高いＱ値を持つ。従って、カンチレバーの変位による周波数の変化を、従来方法と比べて、大きな電圧変化として検出することができる。

　本発明はカンチレバーの変位検出に、Ｑ値の高い周波数特性をもつＳＡＷを使うことにより、従来の電荷検出に比べ、より高感度な検出を可能にする。特に励振モードでは、励振周波数と、カンチレバーの共振周波数、ＳＡＷの共振点をほぼ同じ値に設定することで、特徴がより生かされ高感度化される。

　本発明は、原子間力顕微鏡に用いられるカンチレバーの検出部に、弾性表面波素子を取り付けたものである。さらに、弾性表面波素子による共振器を設けることもできる。なお、共振器とカンチレバーの共振周波数は、ほぼ同じとすると良い。

　そして、レバーの一部にレバーを振動させるための励振部を設けることもできる。ＳＡＷの共振周波数は櫛形電極のピッチに反比例し、音波の伝搬速度に比例する。音波の伝搬速度は、圧電体の材料により決まる定数で、圧電体の変位に応じて変化する。従ってカンチレバーの変位により圧電体表面の伝搬速度が変わり、ＳＡＷの共振周波数が変化する。

　以下、本発明の実施例を図を使って説明する。図１に本発明の第１実施例の構造を示す。図１（ａ）が平面図、図１（ｂ）が断面図である。構造はＡＦＭに一般的に使われている片持ち梁式のカンチレバーである。構成は支持台３にレバー２の一端が固定され、レバー２の一部に検出部４、レバー２の先端付近に針状のチップ１が設けられている。原子間力顕微鏡に使用する場合には、チップ１の先端を試料表面に約10nm程度まで近付け、チップ先端と試料表面との間に働く力をレバー２の変位として検出する。

　検出部４の構造を図３に示す。図３（ａ）が平面図、図３（ｂ）が図３（ａ）のＡＡ’に沿った断面図である。圧電体５の表面に櫛形電極９を設けたＳＡＷ共振器１２を構成している。共振器は周波数ｆｓの信号を送る送信部７と、信号を受ける受信部８とからなる。一般に共振周波数をｆ0，櫛形電極９のピッチをｄ，圧電体５の表面波の伝搬速度をｕとすると、ｆ0＝ｕ／２ｄの関係が成り立つ。動作は送信部７に周波数ｆｓの入力信号１０（Ｖｓ）を印加し、受信部８で伝送される電圧（Ｖ）をモニターする方法である。共振器の櫛形電極９は形状やピッチにいろいろな種類があり、設計により選択することができる。カンチレバーの検出感度を上げるためには、入力信号１０の周波数（ｆｓ）をカンチレバーの機械的な共振周波数とほぼ同じか、整数倍にすることが望ましい。検出感度は下がるが、各々異なる周波数で設計し、動作させることも可能である。ここでは２つの動作方式について説明する。

　（実施例１）
　第１実施例は、送信部７、受信部８の電極ピッチを変えて各々ｄ１，ｄ２とする。各共振周波数はｆ０１、ｆ０２となる。受信部８の周波数特性を図４（ａ）に示す。この例はｄ１＞ｄ２（ｆ０１＜ｆ０２）の場合である。ｆ０１と同じ周波数ｆｓの入力信号１０を印加し、受信部８の周波数特性の傾きが正で、ピークの１／２付近にくるように設計し、動作点１３を設定する。圧電体５に変位がない時は、伝搬速度ｕが変化しないため、送信周波数ｆ０１も変化しない。次に変位が生じると伝搬速度ｕが変位に応じてｕ±△ｕに変化する。その結果、受信部８に伝送される周波数がｆ０１±△ｆ変化するため、受信電圧ｖも同様に変化する。

　（実施例２）
　第２実施例の特性を図４（ｂ）に示す。電極ピッチｄは送信部７、受信部８で同じにする（ｄ１＝ｄ２，ｆ０１＝ｆ０２）。動作点１３は、ｆ０２より小さい周波数ｆｓの入力信号１０（Ｖｓ）を印加し、受信部８の周波数特性の傾きが正で、ピークの１／２付近にくるように設定する。他の動作は、第１実施例と同じである。

　第１実施例は送信部７が共振周波数で動作するため、入力信号１０の送信部での減衰が小さいが、最初に送受信部の電極ピッチ（ｄ１，ｄ２）を設計しておく必要がある。第２実施例は電極間距離を同じに設計するため、設計は容易であるが、送信部での信号の減衰が大きくなる。また、ここでは正の傾きの部分を使用したが、負の部分を使っても出力１１の変化が反対になるだけで、変位検出は可能である。

　ＡＦＭの測定には、カンチレバーの動作モードとして大きく２つの種類がある。一つはカンチレバーを固定したままで測定する固定モードで、もう一つはカンチレバーを共振周波数付近で一定の振動をさせながら測定する励振モードである。これまで説明してきた第１実施例、第２実施例は、どちらのモードにも使える。励振モードの場合には、受信部８のみで信号の検出が可能となり、送信部７と入力信号１０をなくすことができる。

　（実施例３）
　次に第３実施例を図５に示す。受信部８の櫛形電極９のみを大きくした構造である。つまり、カンチレバーが機械的に振動しているため、圧電体５に振動周波数に対応した変位が生じる。従ってその変位をＳＡＷで検出すれば、カンチレバーの変位が測定できる。この際電極のピッチは、動作点を図４（ａ）と図４（ｂ）と同様にカンチレバーの共振周波数ｆ０が、受信部８の周波数特性の傾きが正で、ピークの１／２付近にくるように設定する。またこの場合も傾き負の動作点でも検出は可能である。

　以上本発明のＳＡＷ共振器１２をカンチレバーの変位検出に使う方法は、ＳＡＷが高いＱ値を持つため、高感度な信号検出が可能となる。振動モードでの動作に関しては、ＳＡＷの共振周波数をカンチレバーの共振周波数とほぼ同じにすることが望ましいが、異なる場合でも動作可能で、各々独立に設計することもできる。

　（実施例４）
　ＡＦＭにおける励振モード動作は、カンチレバーの外部から励振を行なうのが一般的であるが、励振部１４を圧電体を使ってカンチレバー内部に集積化することも可能である。第４実施例として励振部１４を含むカンチレバーの構造を図６（ａ）に示す。図２の従来方式の検出部４と同様の構造をしており、動作は外部から励振信号１５を圧電体５に印加してレバー２を振動させる。図６（ａ）では励振部１４を検出部４と反対側の面に設置しているが、同じ側や、検出部４に積層する構造も可能である。この構造により自己励振、自己検出のカンチレバーが構成される。励振や変位検出には、いくつかの方法があるが、カンチレバーとＳＡＷの共振周波数をほぼ同じに設計して、カンチレバーの共振周波数で励振する方法が、最も感度がよくなる。

　ここまで、レバー２の長さ方向の変位を検出するため、検出部４の送信部７、受信部８をレバー２の長さ方向に配置した例を述べてきた。検出部４の配置はこれ以外にもいくつかの方法がある。

　（実施例５）
　第５実施例として検出部４をレバー２の長さ方向と垂直に配置して、レバー２の垂直方向の変位（ねじれ）を測定する方法を図７に示す。構成は図１の第１実施例と同じである。

　（実施例６）
　第６実施例として図８にレバー２の長さ方向の変位と、ねじれ変位とを両方同時に検出できる方法を示す。検出部４は送信部７と、２つの受信部８が平行に配置されている。共通の送信部７から送られてきた信号は、各々２つの受信部８で検出する。ここで２つの受信部８の信号の和と差をオペアンプ等で分離すると、和が長さ方向の変位で、差がねじれ変位となる。

　レバー２の形状もいくつかの種類があり、ここまでは矩形で板状のものを説明したが、レバーの設計に応じて他の形状でも製作可能である。図９は板状のレバーの中心部分をなくしＵ字型にしたものである。図１０はレバー２をＶ型にしたものである。図９、図１０ともねじれ変位を検出するには適した形状である。検出部４は特に記入していないが、矩形の場合と同様に配置が可能である。

　本発明の力変位センサ付カンチレバーの製作は、薄膜や、バルク材料を用いて、通常使われているカンチレバーの製作方法で可能である。支持台３やレバー２の材料としては、一般的に使われているＳｉ，ガラス等の平坦な基板や、圧電体のバルク、セラミック材料等がある。検出部４の圧電体５の例としては、ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ，ＰＬＺＴ，水晶，ＬｉＮｂＯ3，ＬｉＴａＯ3等がある。これらの材料は、薄膜やバルク材料の状態で使用可能である。薄膜の場合には、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の方法で堆積を行なう。バルク材料を使う場合には、レバー２と検出部４の圧電体５を共通にすることもでき、レバーの圧電体表面に櫛形電極を設けることで検出部が形成できる。電極６、櫛形電極９は主にＡｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ等を含む金属類や、Ｓｉ等の半導体にＰ，Ｂ等の不純物をドーピングしたもので製作可能である。薄膜のパターン形成はフォトリソグラフィー工程で容易に可能である。

　検出部４のＳＡＷとして、ここでは共振器の例について述べたが、ＳＡＷは共振器以外にも発振器や演算回路等いろいろな機能素子が構成できることから、さらに高機能なセンサをカンチレバーに集積化することも可能である。本発明のカンチレバーはＡＦＭ以外にも、チップ１に導伝電性を持たせることで、ＳＴＭや加工等の応用にも使える。またチップ１表面に磁性体をコートすることで、微少領域の磁気を検出することもできる。またレバー２の構造を変えることで、圧力等のＡＦＭ以外の用途にも応用可能である。

本発明のカンチレバーを示す図面であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。 従来の検出部の断面図である。 本発明の検出部の図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。 本発明の検出方法を説明する図面であり、（ａ）が第１実施例の動作特性、（ｂ）が第２実施例の動作特性である。 本発明第３実施例の検出部の平面図である。 本発明第４実施例のカンチレバーを示す図面で、（ａ）がカンチレバーの断面図、（ｂ）が励振部の断面図である。 本発明の第５実施例を示す平面図である。 本発明の第６実施例を示す平面図である。 本発明でレバー形状がＵ字の場合の構造を示した図である。 本発明でレバー形状がＶ字の場合の構造を示した図である。

符号の説明

　１　　　チップ
　２　　　レバー
　３　　　支持台
　４　　　検出部
　５　　　圧電体
　６　　　電極
　７　　　送信部
　８　　　受信部
　９　　　櫛形電極
　１０　　　入力信号
　１１　　　出力
　１２　　　ＳＡＷ共振器
　１３　　　動作点
　１４　　　励振部
　１５　　　励振信号

Claims (6)

1. 　一端が支持台に固定されている片持ち梁構造のレバーと、該レバーの先端に備えられた針状のチップと、レバーの変位を検出する検出部とからなり、該検出部は、圧電体と金属電極からなる弾性表面波素子（ＳＡＷ）であり、該ＳＡＷが前記レバーとほぼ同じ共振周波数を有する共振器であることを特徴とする原子間力顕微鏡用力変位センサ付カンチレバー。
2. 　一端が支持体に固定されている片持ち梁構造のレバーと、該レバーに機械的に接続されたチップと、前記レバーの変位を検出する検出部として櫛型の電極を備えたＳＡＷ共振器からなり、該ＳＡＷ共振器は、送信部と、該送信部が発する信号を受信する受信部とを有し、前記送信部からの信号の周波数が前記レバーの機械的な共振周波数とほぼ等しい周波数であることを特徴とする原子間力顕微鏡用力変位センサ付カンチレバー。
3. 　前記送信部からの信号の周波数が前記レバーの機械的な共振周波数の整数倍であることを特徴とする請求項２に記載の原子間力顕微鏡用力変位センサ付カンチレバー。
4. 　前記送信部の電極ピッチは、前記受信部の電極ピッチと異なるピッチであることを特徴とする請求項２に記載の原子間力顕微鏡用力変位センサ付カンチレバー。
5. 　一端が支持体に固定されている片持ち梁構造のレバーと、該レバーに機械的に接続されたチップと、前記レバーの変位を検出する検出部として櫛型の電極を備えたＳＡＷ共振器からなり、該ＳＡＷ共振器は、送信部と、該送信部が発する信号を受信する受信部とを有し、前記送信部の共振周波数は、前記受信部の共振周波数と異なる周波数であることを特徴とする原子間力顕微鏡用力変位センサ付カンチレバー。
6. 　一端が支持体に固定されている片持ち梁構造のレバーと、該レバーに機械的に接続されたチップと、前記レバーの一方の面に配置し前記レバーを振動する励振部と、前記レバーの面のうち励振部を有する面と反対の面に配置し、前記レバーの変位を検出する検出部からなり、該検出部は、圧電体と金属電極からなる弾性表面波素子であることを特徴とする原子間力顕微鏡用力変位センサ付カンチレバー。

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