JP2006184079A - Atomic force microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、探針を用いて試料の微細構造を解析することができる走査型プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning probe microscope that can analyze the fine structure of a sample using a probe.
近年ナノテクノロジーや材料工学の分野において、試料の微細構造の解析および加工手段として走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が盛んに利用されており、この走査型プローブ顕微鏡の１種に、カンチレバーの先端に探針を設け、この探針が試料表面上を走査することによって生じるカンチレバーの上下動を光学センサなどの検出器を用いて検出し、その検出に基づいて試料表面の３次元的な画像を構成する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がある（例えば、特許文献１〜３参照）。 In recent years, a scanning probe microscope (SPM) has been actively used as a means for analyzing and processing the microstructure of a sample in the fields of nanotechnology and material engineering. One type of this scanning probe microscope is a probe at the tip of a cantilever. A needle is provided, and the vertical movement of the cantilever generated when the probe scans the sample surface is detected using a detector such as an optical sensor, and a three-dimensional image of the sample surface is constructed based on the detection. There is an atomic force microscope (AFM) (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
図１に示したのは、従来使用されている原子間力顕微鏡におけるカンチレバーチップ１とカンチレバーホルダ２の側面図である。カンチレバー３は１ｍｍ以下と小さいため、カンチレバー３を単独でカンチレバーホルダ２に取り付けることができず、一般に数ｍｍ以上の大きさの平板状を成すベース部４からカンチレバー３を延設したカンチレバーチップ１が製作される。このカンチレバーチップ１のベース部４が、コイルバネ５に連結された固定用ワイヤ６（取付手段）によって、カンチレバーホルダ２の台座部７に着脱可能に取り付けられる。尚、特許文献２に示すように板バネを用いて支持部（ベース部）をホルダー本体（台座部）に取り付けることもできる。
FIG. 1 is a side view of a cantilever tip 1 and a
また、カンチレバー３の上方には、半導体レーザー８とフォトダイオード９（検出器）が設けられており、半導体レーザー８から発射されたレーザーをカンチレバー３の上面に当て、その反射光をフォトダイオード９によって検出することでカンチレバー３の上下動が検出されるようになっている。
Further, a
この原子間力顕微鏡には、いくつかの測定モードがあり、試料１０に接触させた探針１１を試料１０の表面に沿ってなぞるように移動させ、試料１０の形状等を測定するコンタクトモードや、カンチレバー３をカンチレバーホルダ２に設けられた圧電振動子１２（振動体）によって振動させるＡＣモードがあり、ＡＣモードの中には、探針１１が試料１０の表面上をタッピングしながら移動することで試料１０を測定するタッピングモードや探針１１と試料１０が接触した状態でカンチレバー３が振動する超音波原子間力顕微鏡（ＵＡＦＭ）などがある。
This atomic force microscope has several measurement modes, such as a contact mode for measuring the shape and the like of the
超音波原子間力顕微鏡（原子間力顕微鏡のＡＣモード）では、フォトダイオード９がカンチレバー３の振幅や周波数を検出し、その検出信号に含まれているカンチレバー３の振動の変化を検出することで、試料１０の表面のみならず、試料１０の表面下に隠れた材料組織（結晶粒、ドメイン構造）や欠陥（転位、き裂）の解析が可能となっている。
In the ultrasonic atomic force microscope (AC mode of the atomic force microscope), the
また、ＡＣモード使用時には、カンチレバー３を上下振動させるために、カンチレバー３が有する共振周波数（固有振動数）に対応した所定の周波数の振動を圧電振動子１２により発生させ、カンチレバー３を共振振動させている。尚、特許文献１に示すように、カンチレバーは所定の周波数を切り換えることによって、カンチレバーが全体的に振動したり、カンチレバーの腹の部位（長手方向の中間部）が大きく振動したり、カンチレバー全体が捩れるように振動するようになっている。
When the AC mode is used, in order to cause the
図２に示したのは、従来の原子間力顕微鏡のＡＣモード（超音波原子間力顕微鏡（ＵＡＦＭ））使用時に、フォトダイオード９によって検出されたカンチレバー３の振幅と周波数の検出信号を示したグラフである。この図２のグラフに示すように、カンチレバー３は所定の周波数α、βで大きく振動するようになっている。具体的には、カンチレバー３は、周波数αでカンチレバー３の長手方向の中間部が大きく振動し、周波数βでカンチレバー３の長手方向の中間部に振動の節ができる振動の仕方をするようになっており、周波数α、βを適宜切り換えることで、試料１０をその堅さに応じた最適な解析方法で測定できるようになっている。
FIG. 2 shows the detection signals of the amplitude and frequency of the
探針１１が試料１０の表面上を走査したときには、カンチレバー３の振動に変化が生じるようになっているが、フォトダイオード９によって検出される検出信号には、走査によるカンチレバー３の振動の変化とは異なる不要振動によるカンチレバー３の振動の変化が混じる場合がある。図２のグラフに示すように、この不要振動がカンチレバー３の共振周波数α、βの近くで発生した場合、妨害信号（スプリアス）となって検出されてしまうため、本来検出すべき走査によるカンチレバー３の振動の変化を、正確に検出することが困難になり、原子間力顕微鏡における試料１０の解析精度が低下してしまうという問題がある。
When the
本発明の発明者が、妨害信号の原因となる不要振動を究明した結果、その不要振動の振動源がカンチレバー３を延設するベース部４の共振振動（たわみ振動）であることが解明された。このベース部４の共振振動について図３を用いて詳述すると、図３（ａ）は、ベース部４が固定用ワイヤ６により台座部７に取り付けられた状態を示す図であり、図３（ｂ）は、ベース部４が共振振動によりたわんだ状態を示す図である。
As a result of the inventors of the present invention investigating the unnecessary vibration that causes the interference signal, it has been clarified that the vibration source of the unnecessary vibration is the resonance vibration (flexural vibration) of the base portion 4 where the
図３（ａ）に示すように、カンチレバー３のベース部４が固定用ワイヤ６によってカンチレバーホルダ２に取り付けられている場合には、図３（ｂ）に示すように、カンチレバー３を圧電振動子１２によって振動させると固定用ワイヤ６よりも先端側のベース部４の部位がたわむようになる。尚、特許文献２に示すように、板バネを用いて支持部（ベース部）をホルダー本体（台座部）に取り付けた場合でも、板バネよりも先端側の支持部（ベース部）が共振振動を起こし、支持部（ベース部）が大きくたわむようになる。
As shown in FIG. 3A, when the base portion 4 of the
特に、ベース部４が有する共振周波数（固有振動数）が、カンチレバー３が有する共振周波数（固有振動数）α、βに近い場合には、ＡＣモード使用時にベース部４が大きく共振振動されてしまい、このベース部４の共振振動が妨害信号となって検出され、原子間力顕微鏡の試料の解析精度が低下してしまう。
In particular, when the resonance frequency (natural frequency) of the base portion 4 is close to the resonance frequencies (natural frequencies) α and β of the
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、原子間力顕微鏡のＡＣモード使用時において、試料の解析精度を向上させることができる原子間力顕微鏡を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to provide an atomic force microscope that can improve the analysis accuracy of a sample when the AC mode of the atomic force microscope is used. To do.
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の原子間力顕微鏡は、
略板形状を成すベース部から延設されたカンチレバーの先端側に探針が形成され、前記ベース部は、取付手段によって振動体が設けられた台座部に取り付けられており、前記振動体によって前記カンチレバーを共振振動させることで、前記探針が上下動しながら試料を走査し、該探針が前記試料に接触することで生じる前記カンチレバーの上下振動の変化を検出器によって検出することで、前記試料を解析する原子間力顕微鏡において、
前記振動体の振動によって前記ベース部に発生する共振振動を抑制するベース部振動抑制手段を、前記ベース部および前記取付手段の少なくともいずれかに設けることを特徴としている。
この特徴によれば、探針が試料を走査することで生じるカンチレバーの上下振動の変化を検出器が検出する際に、妨害信号の原因となっているカンチレバーのベース部の共振振動が、ベース部および取付手段の少なくともいずれかに設けられるベース部振動抑制手段によって抑制されるので、検出器がカンチレバーの上下振動の変化を正確に検出できるようになり、原子間力顕微鏡による試料の解析精度を向上させることができる。
In order to solve the above-described problem, an atomic force microscope according to claim 1 of the present invention is provided.
A probe is formed on the tip side of a cantilever extending from a base portion having a substantially plate shape, and the base portion is attached to a pedestal portion provided with a vibrating body by an attaching means, and the vibrating body By resonantly vibrating the cantilever, the probe scans the sample while moving up and down, and a change in the vertical vibration of the cantilever caused by the probe contacting the sample is detected by a detector. In an atomic force microscope that analyzes samples,
Base part vibration suppressing means for suppressing resonance vibration generated in the base part due to vibration of the vibrating body is provided in at least one of the base part and the attaching means.
According to this feature, when the detector detects a change in the vertical vibration of the cantilever caused by the probe scanning the sample, the resonance vibration of the base portion of the cantilever causing the interference signal is And the base part vibration suppression means provided on at least one of the attachment means, so that the detector can accurately detect changes in the vertical vibration of the cantilever, improving the analysis accuracy of the sample by the atomic force microscope Can be made.
本発明の請求項２に記載の原子間力顕微鏡は、請求項１に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記ベース部振動抑制手段が、前記ベース部の少なくとも長手方向の略全体を前記台座部に向かって押圧することができる前記取付手段で構成されることを特徴としている。
この特徴によれば、ベース部の長手方向の略全体が、台座部に向かって押圧されるので、ベース部が固定されて振動しなくなり、カンチレバーの上下振動の変化を検出器が検出するときの妨害信号の原因となるベース部の共振振動を抑制できるようになる。
The atomic force microscope according to
The base part vibration suppressing means is configured by the attachment means capable of pressing substantially the entire base part in the longitudinal direction toward the pedestal part.
According to this feature, since almost the entire length of the base portion is pressed toward the pedestal portion, the base portion is fixed and does not vibrate, and when the detector detects a change in vertical vibration of the cantilever. It becomes possible to suppress the resonance vibration of the base part that causes the interference signal.
本発明の請求項３に記載の原子間力顕微鏡は、請求項２に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記取付手段が、前記ベース部の下面の略全体を蓋うことができるカバー体で構成されており、該カバー体と前記台座部との間で前記ベース部が挟持されることを特徴としている。
この特徴によれば、カバー体と台座部との間でベース部が上下方向から挟持されるので、ベース部が固定されて振動しなくなり、カンチレバーの上下振動の変化を検出器が検出するときの妨害信号の原因となる共振振動を抑制できるようになる。
The atomic force microscope according to
The attachment means includes a cover body that can cover substantially the entire lower surface of the base portion, and the base portion is sandwiched between the cover body and the pedestal portion. .
According to this feature, since the base portion is sandwiched from the vertical direction between the cover body and the pedestal portion, the base portion is fixed and does not vibrate, and the detector detects the change in the vertical vibration of the cantilever. Resonance vibration that causes interference signals can be suppressed.
本発明の請求項４に記載の原子間力顕微鏡は、請求項３に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記カバー体が、先端側に行くに従い肉薄となるテーパ形状となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、カバー体が先端側に行くに従い肉薄となるテーパ形状となっていることで、カバー体が下方に配置される試料に接触することを防止できる。
The atomic force microscope according to claim 4 of the present invention is the atomic force microscope according to
The cover body has a taper shape that becomes thinner toward the tip side.
According to this feature, since the cover body has a tapered shape that becomes thinner toward the tip side, the cover body can be prevented from coming into contact with the sample disposed below.
本発明の請求項５に記載の原子間力顕微鏡は、請求項１ないし４のいずれかに記載の原子間力顕微鏡であって、
前記ベース部振動抑制手段が、共振振動が抑制される振動抑制形状を成す前記ベース部で構成されることを特徴としている。
この特徴によれば、ベース部自体が共振振動を起こし難くなるので、カンチレバーの上下振動の変化を検出器が検出するときの妨害信号の原因となるベース部の共振振動を抑制することができる。
The atomic force microscope according to
The base part vibration suppression means is configured by the base part having a vibration suppression shape in which resonance vibration is suppressed.
According to this feature, since the base portion itself is less likely to cause resonance vibration, it is possible to suppress the resonance vibration of the base portion that causes an interference signal when the detector detects a change in the vertical vibration of the cantilever.
本発明の請求項６に記載の原子間力顕微鏡は、請求項５に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記振動抑制形状が、上下両面が互いに非平行に形成された略板形状であることを特徴としている。
この特徴によれば、厚さが一定の板形状は共振振動を起こし易いことから、板形状を成すベース部の形状を、上下両面が互いに非平行に形成された振動抑制形状とすることで、ベース部の厚さが変化し、ベース部自体が共振振動を起こし難くなる。
The atomic force microscope according to
The vibration suppression shape is a substantially plate shape in which upper and lower surfaces are formed non-parallel to each other.
According to this feature, since the plate shape with a constant thickness is likely to cause resonance vibration, the shape of the base portion forming the plate shape is a vibration suppression shape in which the upper and lower surfaces are formed non-parallel to each other, The thickness of the base part changes, and the base part itself hardly causes resonance vibration.
本発明の請求項７に記載の原子間力顕微鏡は、請求項５または６に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記振動抑制形状が、上下両面の少なくとも一方の面に、溝部が形成された略板形状であることを特徴としている。
この特徴によれば、板形状を成すベース部の形状を、上下いずれかの面に溝部を設けた振動抑制形状とすることで、ベース部の厚さが変化し、ベース部自体が共振振動を起こし難くなる。
The atomic force microscope according to
The vibration suppression shape is a substantially plate shape in which a groove is formed on at least one of the upper and lower surfaces.
According to this feature, the shape of the base portion forming the plate shape is a vibration suppressing shape in which a groove portion is provided on either of the upper and lower surfaces, so that the thickness of the base portion changes, and the base portion itself exhibits resonance vibration. It becomes difficult to wake up.
本発明の請求項８に記載の原子間力顕微鏡は、請求項７に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記溝部が、前記ベース部に複数形成されており、該溝部同士の間隔が、不規則になるように配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の溝部を等間隔に並べてしまうと共振振動を起こし易くなるので、複数の溝部同士の間隔を不規則に並べることで、ベース部が共振振動を起こし難くなる。
The atomic force microscope according to
A plurality of the groove portions are formed in the base portion, and the groove portions are arranged so that the intervals between the groove portions are irregular.
According to this feature, if a plurality of groove portions are arranged at equal intervals, resonance vibration is likely to occur. Therefore, by arranging the intervals between the plurality of groove portions irregularly, it is difficult for the base portion to cause resonance vibration.
本発明の請求項９に記載の原子間力顕微鏡は、請求項１ないし８のいずれかに記載の原子間力顕微鏡であって、
前記ベース部振動抑制手段が、共振振動が抑制される振動抑制材料で少なくとも一部が形成された前記ベース部で構成されることを特徴としている。
この特徴によれば、ベース部自体が共振振動を起こし難くなるので、カンチレバーの上下振動の変化を検出器が検出するときの妨害信号の原因となるベース部の共振振動を抑制することができる。
An atomic force microscope according to
The base part vibration suppressing means is characterized by comprising the base part formed at least in part by a vibration suppressing material that suppresses resonance vibration.
According to this feature, since the base portion itself is less likely to cause resonance vibration, it is possible to suppress the resonance vibration of the base portion that causes an interference signal when the detector detects a change in the vertical vibration of the cantilever.
本発明の請求項１０に記載の原子間力顕微鏡は、請求項９に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記振動抑制材料が、多孔質材料であることを特徴としている。
この特徴によれば、多孔質材料は内部に微小な空孔を有しており、多孔質材料で形成された部材は、振動を吸収しやすくなるので、多孔質材料でベース部を形成することで、ベース部が共振振動を起こし難くなる。
The atomic force microscope according to claim 10 of the present invention is the atomic force microscope according to
The vibration suppressing material is a porous material.
According to this feature, the porous material has minute pores inside, and the member formed of the porous material easily absorbs vibration, so that the base portion is formed of the porous material. Thus, the base portion is less likely to cause resonance vibration.
本発明の請求項１１に記載の原子間力顕微鏡は、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記多孔質材料が、金属粉末を焼結することによって形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、金属粉末を焼結することによって、多孔質材料を容易に形成することができる。
The atomic force microscope according to claim 11 of the present invention is the atomic force microscope according to
The porous material is formed by sintering metal powder.
According to this feature, the porous material can be easily formed by sintering the metal powder.
本発明の請求項１２に記載の原子間力顕微鏡は、請求項９に記載の原子間力顕微鏡であって、
前記振動抑制材料が、合成樹脂材料であることを特徴としている。
この特徴によれば、合成樹脂材料は振動を吸収し易くなっており、この合成樹脂材料でベース部を形成することで、ベース部の共振振動を合成樹脂材料に吸収させて抑制させることができる。
The atomic force microscope according to claim 12 of the present invention is the atomic force microscope according to
The vibration suppression material is a synthetic resin material.
According to this feature, the synthetic resin material is easy to absorb vibration. By forming the base portion with this synthetic resin material, the resonance vibration of the base portion can be absorbed and suppressed by the synthetic resin material. .
本発明の実施例を以下に説明する。 Examples of the present invention will be described below.
本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図４は、本発明の実施例１における原子間力顕微鏡を示す概念図である。図４の符号１３は、本発明の適用された原子間力顕微鏡である。この原子間力顕微鏡１３は、解析対象となる試料１４を載置するための圧電走査素子（ピエゾスキャナ）１５と、圧電走査素子１５のＸ軸およびＹ軸方向（水平方向）の制御を行う走査回路１６と、圧電走査素子１５のＺ軸方向（垂直方向）の制御を行うサーボ回路１７と、カンチレバーチップ１８を固定するためのカンチレバーホルダ１９と、カンチレバーチップ１８にレーザー光を照射するための半導体レーザー２０と、カンチレバーチップ１８に反射されたレーザー光を検出するための実施例１における検出器としてのフォトダイオード２１と、走査回路１６およびサーボ回路１７からの制御情報やフォトダイオード２１によって検出された検出信号に基づいて試料１４を解析する中央制御装置２２と、この中央制御装置２２によって作成された試料１４の３次元的な画像や試料１４の解析結果を表示するモニタ２３と、から構成されている。
The embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 4 is a conceptual diagram showing an atomic force microscope according to the first embodiment of the present invention.
図４に示す圧電走査素子１５は、走査回路１６が圧電走査素子１５の側部に設けられた圧電素子に電圧を加えることで、圧電走査素子１５に載置された試料１４をＸ軸およびＹ軸方向（水平方向）に移動させることができ、かつサーボ回路１７が圧電走査素子１５の上部に設けられた圧電素子に電圧を加えることで、圧電走査素子１５に載置された試料１４をＺ軸方向（垂直方向）に移動させることができるようになっている。
In the
図５は、実施例１におけるカンチレバーチップ１８とカンチレバーホルダ１９の縦断側面図であり、以下、図５中の左側をカンチレバーホルダ１９の先端側とし、右側をカンチレバーホルダ１９の後端側として説明する。
FIG. 5 is a longitudinal side view of the
この図５に示すように、圧電走査素子１５の上面には、試料１４が載置されており、試料１４の上方には、カンチレバーホルダ１９が配置されている。このカンチレバーホルダ１９は、ホルダ治具（図示略）に下面に固着されたセラミック部２４有しており、このセラミック部２４の下方には、上下を電極２５によって挟まれた実施例１における振動体としての圧電振動子２６が配置されている。更に圧電振動子２６より下方には絶縁体２７を介して台座部２８が配置されている。台座部２８の後端側には、ネジ穴２９が形成されており、台座部２８の下面は先端側に行くに従って下がるように傾斜されている。
As shown in FIG. 5, a
図５に示すように、台座部２８の下方には、実施例１におけるベース部振動抑制手段および取付手段としてのカバー体３０が配置されている。このカバー体３０は、後端側に形成された挿通孔３１に下方からネジ３２が挿通され、このネジ３２が台座部２８のネジ穴２９に螺着されることで、カバー体３０が台座部２８に固着されている。尚、このカバー体３０は、先端側に行くに従って肉薄となるテーパ形状を成す挟持片３３を有している。
As shown in FIG. 5, below the
また、図５に示すように、カンチレバーチップ１８は、略板形状を成すベース部３４と、このベース部３４の先端側から延設されたカンチレバー３５と、このカンチレバー３５の先端側から下方に突設された探針３６とで構成されている。
As shown in FIG. 5, the
カンチレバーチップ１８をカンチレバーホルダ１９に取り付ける際には、台座部２８とカバー体３０の挟持片３３との間にカンチレバーチップ１８のベース部３４を挿入し、ネジ３２を締め付けることで台座部２８と挟持片３３との間でベース部３４の全体を上下方向から挟持させる。尚、カンチレバーチップ１８をカンチレバーホルダ１９から取り外す際には、ネジ３２を緩めることで容易に取り外せるようになっている。
When the
更に図５に示すように、カンチレバーチップ１８がカンチレバーホルダ１９に取り付けられると、カバー体３０の挟持片３３が有する弾性付勢力によって、ベース部３４の全体が台座部２８に向かって押圧される。ベース部３４は先端側から後端側にかける長手方向の略全体を挟持片３３によって覆われており、挟持片３３の先端縁辺は、ベース部３４の先端縁辺とカンチレバー３５の根元との境界に配置される。そのためカンチレバー３５は自由に振動でき、ベース部３４は固定されて全く振動できなくなる。
Further, as shown in FIG. 5, when the
図５に示すように、台座部２８の下面の傾斜に沿ってベース部３４が配置されており、ベース部３４から延設されたカンチレバー３５が、台座部２８よりも先端側に突出され、カンチレバー３５の上方に配置された半導体レーザー２０からカンチレバー３５の上面にレーザー光を当て易くなっている。また、カンチレバーチップ１８が傾斜されて配置されることで、カンチレバー３５の先端に突設された探針３６の下端が、試料１４の表面に接触できるようになっている。
As shown in FIG. 5, the
更に図５に示すように、カンチレバー３５の上面は、半導体レーザー２０から発射されたレーザー光を反射し易いように鏡面状を成しており、カンチレバー３５によって反射されたレーザー光を検出するためのフォトダイオード２１が、カンチレバー３５の上方に配置されている。このフォトダイオード２１は光てこ方式によってレーザー光を検出できるようになっており、コンタクトモード使用時には、カンチレバー３５の微小なたわみを検出でき、原子間力顕微鏡１３のＡＣモード（超音波原子間力顕微鏡（ＵＡＦＭ））使用時には、カンチレバー３５の微小な振動の振幅や周波数が検出できるようになっている。
Further, as shown in FIG. 5, the upper surface of the
原子間力顕微鏡１３のＡＣモード（超音波原子間力顕微鏡（ＵＡＦＭ））使用時には、先ず圧電振動子２６の上下に配置されている電極２５から圧電振動子２６に対して電圧をかけ、探針３６が試料１４に接触した状態でカンチレバー３５が有する共振周波数（固有振動数）に対応した所定の周波数α、βで圧電振動子２６を振動させる。この振動によってカンチレバー３５が共振周波数で振動する。更に、中央制御装置２２が走査回路１６を介して圧電走査素子１５を制御すると、試料１４がＸ軸およびＹ軸方向に移動し、カンチレバー３５の先端の探針３６が、試料１４の表面上に接触しながらカンチレバー３５が振動しつつ走査されるようになっている。
When the AC mode (ultrasonic atomic force microscope (UAFM)) of the
圧電振動子２６によってカンチレバー３５に振動を与えながら、カンチレバー３５の上方に配置されている半導体レーザー２０からレーザー光を発射し、カンチレバー３５の上面に当てる。そして、カンチレバー３５の上面で反射されたレーザー光が、フォトダイオード２１によって検出され、フォトダイオード２１で検出された検出信号に基づいて、カンチレバー３５の上下振動の振幅と周波数が測定される。探針３６が試料１４表面上に接触し、カンチレバー３５が振動しながら走査することによって、カンチレバー３５の上下振動の振幅と周波数は、試料１４の表面の凹凸形状や弾性特性に応じて変化するようになっている。
While applying vibration to the
そして、フォトダイオード２１によって、カンチレバー３５の上下振動の振幅と周波数の変化が検出されると、走査回路１６の制御による試料１４のＸ軸およびＹ軸方向の移動距離に基づいて、中央制御装置２２が試料１４表面の弾性特性の分布の情報などを作成し、試料１４表面の凹凸形状の画像や試料１４の弾性特性などの解析結果を、モニタ２３に表示できるようになっている。
When a change in amplitude and frequency of the vertical vibration of the
図５に示すように、カバー体３０の挟持片３３が先端側に行くに従って肉薄となるテーパ形状を成していることで、探針３６が試料１４を走査する際に、カバー体３０の下方に配置される試料１４に、挟持片３３の先端が接触しないようになっている。
As shown in FIG. 5, since the
図５に示すように、ベース部３４の上面の全体が台座部２８の下面に当接されるとともに、ベース部３４の下面の全体がカバー体３０によって覆われているので、ベース部３４の全体が挟持され、ベース部３４全体がたわまないようになっている。
As shown in FIG. 5, the entire upper surface of the
図６は、実施例１におけるカンチレバー３５の振幅と周波数の検出信号を示したグラフである。ベース部３４全体が台座部２８と挟持片３３によって挟持され、たわまないようになっていることで、ベース部３４が有している共振周波数（固有振動数）が、圧電振動子２６によって与えられるカンチレバー３５の共振周波数（固有振動数）α、βに近いものであってもベース部３４の共振振動が抑制されるようになっている。
FIG. 6 is a graph showing detection signals of the amplitude and frequency of the
図６に示すように、ベース部３４の共振振動が抑制されているので、カンチレバー３５が振動する周波数α、βの近くで、ベース部３４の振動に基づく妨害信号（スプリアス）が発生しないようになっている。そして、探針３６が試料１４表面上を走査することによって生じるカンチレバー３５の上下振動の振幅と周波数の変化を、フォトダイオード２１を介して中央制御装置２２が正確に検出できるようなり、原子間力顕微鏡１３による試料１４の解析精度を向上させることができる。
As shown in FIG. 6, since the resonance vibration of the
次に、実施例２に係るカンチレバーチップ３７につき、図７を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する説明を省略する。図７は、実施例２におけるカンチレバーチップ３７とカンチレバーホルダ２の側面図である。以下、図７中の左側をカンチレバーホルダ２の先端側とし、右側をカンチレバーホルダ２の後端側として説明する。
Next, the
図７に示すように、実施例２におけるカンチレバーホルダ２は、従来使用されているカンチレバーホルダ２と同様なものが使用されており、このカンチレバーホルダ２は、ホルダ治具（図示略）に下面に固着されたセラミック部３８と、セラミック部３８の下方に配置される上下を電極３９によって挟まれた実施例２における振動体としての圧電振動子１２と、圧電振動子１２の下方に絶縁体４０を介して配置される台座部７と、台座部７の下面および側面に沿うように設けられた略Ｕ字形状を成す実施例２における取付手段としての固定用ワイヤ６と、固定用ワイヤ６を付勢するためのコイルバネ５と、から構成されている。
As shown in FIG. 7, the
また、図７に示すように、実施例２におけるカンチレバーチップ３７は、略板形状を成す実施例２におけるベース部振動抑制手段としてのベース部４１と、このベース部４１の先端側から延設されたカンチレバー４２と、このカンチレバー４２の先端側から下方に突設された探針４３とで構成されている。ベース部４１の形状は、ベース部４１の上面から延びる線L１と、ベース部４１の下面から延びる線L２は、互いに非平行になるように形成されており、ベース部４１は先端側から後端側に行くに従って肉厚となる実施例２における振動抑制形状となっている。
As shown in FIG. 7, the
カンチレバーチップ３７をカンチレバーホルダ２に取り付ける際には、固定用ワイヤ６を下方に引っ張り、固定用ワイヤ６と台座部７との間にカンチレバーチップ３７のベース部４１を挿入する。そして固定用ワイヤ６を離すと、固定用ワイヤ６に連結されたコイルバネ５の弾性付勢力によってベース部４１が台座部７に向かって押圧されるように取り付けられる。尚、カンチレバーチップ３７をカンチレバーホルダ２から取り外す際には、固定用ワイヤ６を下方に引っ張ることで容易に取り外せるようになっている。
When the
ベース部４１の厚さが一定の板形状であると、ベース部４１が所定の共振周波数（固有振動数）で共振振動を起こし易くなることから、ベース部４１の形状を先端側から後端側に行くに従って肉厚となるような板形状とすることで、ベース部４１の厚さが変化し、ベース部４１自体が共振振動を起こし難くなる。そのため従来用いられているカンチレバーホルダ２と同様に、固定用ワイヤ６を用いてカンチレバーチップ３７をカンチレバーホルダ２に取り付けても、カンチレバー４２の上下振動の変化をフォトダイオード９が検出するときの妨害信号の原因となるベース部４１の共振振動が抑制されるようになり、原子間力顕微鏡の試料１０の解析精度を向上させることができる。
If the thickness of the
次に、実施例３に係るカンチレバーチップ４４につき、図８を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する説明を省略する。図８は、実施例３におけるカンチレバーチップ４４とカンチレバーホルダ２の側面図である。以下、図８中の左側をカンチレバーホルダ２の先端側とし、右側をカンチレバーホルダ２の後端側として説明する。
Next, a
図８に示すように、実施例３におけるカンチレバーホルダ２は、実施例２と同様に従来使用されているカンチレバーホルダ２が使用されている。実施例３におけるカンチレバーチップ４４は、略板形状を成す実施例３におけるベース部振動抑制手段としてのベース部４５と、このベース部４５の先端側から延設されたカンチレバー４６と、このカンチレバー４６の先端側から下方に突設された探針４７とで構成されている。
As shown in FIG. 8, the
ベース部４５の形状は、厚さが一定のベース部４５の上面に複数の同一形状の溝部４８が形成された実施例３における振動抑制形状となっている。この溝部４８の長手方向は、ベース部４５の長手方向に対して垂直に交わるように形成されており、溝部４８同士の間隔D１、D２、D３、D４が不規則に並ぶように配置されている。具体的には、溝部４８同士の間隔D１、D２、D３、D４が、ベース部４５の先端側から後端側に行くに従って幅広になっている（D１＜D２＜D３＜D４）。
The shape of the
ベース部４５の厚さが一定の板形状であると、ベース部４５が所定の共振周波数（固有振動数）で共振振動を起こし易くなることから、ベース部４５の上面に溝部４８を形成することで、ベース部４５の厚さが変化し、ベース部４５自体が共振振動を起こし難くなる。また、ベース部４５の上面に同一形状の溝部４８を複数の形成した際に、これら溝部４８同士を等間隔に並べてしまうと、ベース部４５が共振周波数（固有振動数）を有してしまい共振振動を起こし易くなるので、複数の溝部４８同士の間隔を不規則に並べることで、ベース部４５の共振振動を防ぐことができる。そのためカンチレバー４６の上下振動の変化をフォトダイオード９が検出するときに妨害信号が検出されなくなり、原子間力顕微鏡の試料１０の解析精度を向上させることができる。
If the
次に、実施例４に係るカンチレバーチップ４９につき、図９を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する説明を省略する。図９は、実施例４におけるカンチレバーチップ４９とカンチレバーホルダ２の側面図である。以下、図９中の左側をカンチレバーホルダ２の先端側とし、右側をカンチレバーホルダ２の後端側として説明する。
Next, a
図９に示すように、実施例４におけるカンチレバーホルダ２は、実施例２と同様に従来使用されているカンチレバーホルダ２が使用されている。実施例４におけるカンチレバーチップ４９は、略板形状を成す実施例４におけるベース部振動抑制手段としてのベース部５０と、このベース部５０の先端側から延設されたカンチレバー５１と、このカンチレバー５１の先端側から下方に突設された探針５２とで構成されている。
As shown in FIG. 9, the
ベース部５０の形状は、ベース部５０の下面に複数の溝部５３が形成された実施例４における振動抑制形状となっている。この溝部５３は、溝部５３の長手方向がベース部５０の長手方向に対して垂直に交わるように形成されており、溝部５３同士の間隔が等間隔に並ぶように配置されている。溝部５３同士の間に形成される突部５４の下面は、ベース部５０の先端側から後端側に行くに従って肉厚となる傾斜が形成されており、複数の突部５４の下方に伸びる高さは、ベース部５０の先端側から後端側に行くに従って高くなっている。ベース部５０の上面から延びる線L３と、ベース部５０の突部５４の下面から延びる線L４は、互いに非平行になるように形成されており、ベース部５０は先端側から後端側に行くに従って肉厚となっている。
The shape of the
ベース部５０の厚さが一定の板形状であると、ベース部５０が所定の共振周波数（固有振動数）で共振振動を起こし易くなることから、ベース部５０の下面に溝部５３および突部５４を形成することで、ベース部５０の厚さが変化し、ベース部５０自体が共振振動を起こし難くなる。そのためカンチレバー５１の上下振動の変化をフォトダイオード９が検出するときに妨害信号が検出されなくなり、原子間力顕微鏡の試料１０の解析精度を向上させることができる
If the thickness of the
次に、実施例５に係るカンチレバーチップ５５につき、図１０を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する説明を省略する。図１０は、実施例５におけるカンチレバーチップ５５とカンチレバーホルダ２の側面図である。以下、図１０中の左側をカンチレバーホルダ２の先端側とし、右側をカンチレバーホルダ２の後端側として説明する。
Next, a
図１０に示すように、実施例５におけるカンチレバーホルダ２は、実施例２と同様に従来使用されているカンチレバーホルダ２が使用されている。実施例５におけるカンチレバーチップ５５は、厚さが一定の略板形状を成す実施例５におけるベース部振動抑制手段としてのベース部５６と、このベース部５６の先端側から延設されたカンチレバー５７と、このカンチレバー５７の先端側から下方に突設された探針５８とで構成されている。
As shown in FIG. 10, the
ベース部５６は、実施例５における振動抑制材料としての多孔質材料で構成されており、この多孔質材料は、アルミニウム、鉄、若しくはタングステン等の金属の粉末を焼結することによって形成されている。金属粉末を焼結することによって、多孔質材料を容易に形成することができるようになっている。多孔質材料は内部に微小な空孔を有しており、多孔質材料で形成されたベース部５６は、振動を吸収しやすくなり、ベース部５６自体が共振振動を起こし難くなる。またはベース部５６の共振周波数（固有振動数）をカンチレバー５７の共振周波数（固有振動数）から離すことができる。そのため従来用いられているカンチレバーホルダ２と同様に、固定用ワイヤ６を用いてカンチレバーチップ５５をカンチレバーホルダ２に取り付けても、カンチレバー５７の上下振動の変化をフォトダイオード９が検出するときの妨害信号の原因となるベース部５６の共振振動が抑制されるようになり、原子間力顕微鏡の試料１０の解析精度を向上させることができる。
The
次に、実施例６に係るカンチレバーチップ５９につき、図１１を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する説明を省略する。図１１は、実施例６におけるカンチレバーチップ５９とカンチレバーホルダ２の側面図である。以下、図１１中の左側をカンチレバーホルダ２の先端側とし、右側をカンチレバーホルダ２の後端側として説明する。
Next, a
図１１に示すように、実施例６におけるカンチレバーホルダ２は、実施例２と同様に従来使用されているカンチレバーホルダ２が使用されている。実施例６におけるカンチレバーチップ５９は、厚さが一定の略板形状を成すベース部６０と、このベース部６０の先端側から延設されたカンチレバー６１と、このカンチレバー６１の先端側から下方に突設された探針６２とで構成されている。
As shown in FIG. 11, the
ベース部６０の上面側には、実施例６における振動抑制材料としての合成樹脂材料で構成されたベース部振動抑制手段としての合成樹脂層６３が形成されている。合成樹脂層６３をベース部６０を形成することで、ベース部６０の共振振動を合成樹脂材料に吸収させて抑制させることができる。またはベース部６０の共振周波数（固有振動数）をカンチレバー６１の共振周波数（固有振動数）から離すことができる。そのためカンチレバー６１の上下振動の変化をフォトダイオード９が検出するときに妨害信号が検出されなくなり、原子間力顕微鏡の試料１０の解析精度を向上させることができる。
On the upper surface side of the
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to these embodiments, and modifications and additions within the scope of the present invention are included in the present invention. It is.
例えば、前記実施例では、１つのカンチレバーホルダに１つのカンチレバーチップが取り付けられた原子間力顕微鏡に適用されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つのカンチレバーホルダに複数のカンチレバーチップを取り付けた原子間力顕微鏡にも適用することが可能である。 For example, in the above-described embodiment, the present invention is applied to an atomic force microscope in which one cantilever tip is attached to one cantilever holder. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of cantilevers are provided in one cantilever holder. It can also be applied to an atomic force microscope equipped with a cantilever tip.
また、前記実施例では、１つのベース部から１つのカンチレバーが延設された原子間力顕微鏡に適用されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つのベース部から複数のカンチレバーが延設された原子間力顕微鏡にも適用することが可能である。 Moreover, in the said Example, although it applied to the atomic force microscope in which one cantilever was extended from one base part, this invention is not limited to this, A plurality of from one base part. The present invention can also be applied to an atomic force microscope in which a cantilever is extended.
更に、前記実施例では、本発明の振動抑制手段が、原子間力顕微鏡のＡＣモードの使用形態である超音波原子間力顕微鏡（ＵＡＦＭ）に適用されていたが、超音波原子間力顕微鏡に限ることなく、原子間力顕微鏡のＡＣモードのその他の使用形態であるタッピングモードや、磁力を利用した磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）や、電気力（電気勾配力）を利用した電気力顕微鏡（ＥＦＭ）や、摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）や、マイクロ粘弾性顕微鏡（ＶＥ−ＡＦＭ）、表面電位差顕微鏡（ＳＫＰＭ）などのその他の走査型プローブ顕微鏡にも適用できる。 Furthermore, in the said Example, although the vibration suppression means of this invention was applied to the ultrasonic atomic force microscope (UAFM) which is the usage mode of AC mode of an atomic force microscope, it is applied to an ultrasonic atomic force microscope. Without limitation, the tapping mode, which is another mode of use of the AC mode of the atomic force microscope, the magnetic force microscope (MFM) using magnetic force, and the electric force microscope (EFM) using electric force (electric gradient force) It can also be applied to other scanning probe microscopes such as a friction force microscope (FFM), a micro viscoelastic microscope (VE-AFM), and a surface potential microscope (SKPM).
１ カンチレバーチップ
２ カンチレバーホルダ
３ カンチレバー
４ ベース部
６ 固定用ワイヤ（取付手段）
７ 台座部
９ フォトダイオード（検出器）
１０ 試料
１１ 探針
１２ 圧電振動子（振動体）
１３ 原子間力顕微鏡
１４ 試料
１８ カンチレバーチップ
１９ カンチレバーホルダ
２１ フォトダイオード（検出器）
２６ 圧電振動子（振動体）
２８ 台座部
３０ カバー体（ベース部振動抑制手段、取付手段）
３３ 挟持片（ベース部振動抑制手段、取付手段）
３４ ベース部
３５ カンチレバー
３６ 探針
３７ カンチレバーチップ
４１ ベース部（ベース部振動抑制手段）
４２ カンチレバー
４３ 探針
４４ カンチレバーチップ
４５ ベース部（ベース部振動抑制手段）
４６ カンチレバー
４７ 探針
４８ 溝部（ベース部振動抑制手段）
４９ カンチレバーチップ
５０ ベース部（ベース部振動抑制手段）
５１ カンチレバー
５２ 探針
５３ 溝部（ベース部振動抑制手段）
５４ 突部（ベース部振動抑制手段）
５５ カンチレバーチップ
５６ ベース部（ベース部振動抑制手段）
５７ カンチレバー
５８ 探針
５９ カンチレバーチップ
６０ ベース部（ベース部振動抑制手段）
６１ カンチレバー
６２ 探針
６３ 合成樹脂層（ベース部振動抑制手段）
1
7
10
13
26 Piezoelectric vibrator (vibrating body)
28
33 Clamping piece (base part vibration suppression means, mounting means)
34
42
46
49
51
54 Protrusion (base vibration suppression means)
55
57
61
Claims (12)
前記振動体の振動によって前記ベース部に発生する共振振動を抑制するベース部振動抑制手段を、前記ベース部および前記取付手段の少なくともいずれかに設けることを特徴とする原子間力顕微鏡。 A probe is formed on the tip side of a cantilever extending from a base portion having a substantially plate shape, and the base portion is attached to a pedestal portion provided with a vibrating body by an attaching means, and the vibrating body By resonantly vibrating the cantilever, the probe scans the sample while moving up and down, and a change in the vertical vibration of the cantilever caused by the probe contacting the sample is detected by a detector. In an atomic force microscope that analyzes samples,
An atomic force microscope characterized in that base vibration suppression means for suppressing resonance vibration generated in the base part due to vibration of the vibrating body is provided in at least one of the base part and the attachment means.
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