JP2009068930A - Atomic force microscope and probe - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a probe of an atomic force microscope having high characteristic frequency, even in air or in liquid, while reducing the fluid resistance. <P>SOLUTION: In a probe 10 of an atomic force microscope, surface shape information is acquired by fixing a probe 16 on a rotating body 17, having circular cross section, rotatable with respect to supporting beams 12, 13 of the both ends and scanning an object to be measured. The rotating body 17 is connected to the supporting beams 12, 13 through elastic bodies 14, 15 having circular cross section. With the torsional vibrating of an elastic mechanism 18 which is constituted with the rotational body 17 and the elastic bodies 14, 15 at a fixed frequency, driving of the probe 16 can be easily realized. Since the center axis of the probe 16 has a positional relation of the spacial torsion with the central axis of the rotational body 17, influence due to friction can be reduced with the driving the probe 16 in the vertical direction of the object to be measured. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、プローブの先端に設置された探針を被測定物に接近させて走査することにより、探針と被測定物間の引力または斥力(原子間力)を検出して被測定物の面形状を計測する原子間力顕微鏡及びプローブに関するものである。   The present invention detects the attractive force or repulsive force (atomic force) between the probe and the object to be measured by bringing the probe installed at the tip of the probe close to the object to be measured and scanning. The present invention relates to an atomic force microscope and a probe for measuring a surface shape.

原子間力顕微鏡はその原理が特許文献1に開示されている。それによれば、ばね状の片持ち梁(カンチレバー)の一端に固定した探針を被測定物に接近させて、探針の頂点の原子と被測定物表面の原子間に発生する原子間力によって、カンチレバーをたわませる。このたわみ量が一定になるように探針と被測定物間の距離を制御(トラッキング制御)し、かつ制御のための信号を探針の位置を表す走査位置信号として取り出し、被測定物表面の像を形成している。   The principle of the atomic force microscope is disclosed in Patent Document 1. According to this, a probe fixed to one end of a spring-like cantilever (cantilever) is brought close to the object to be measured, and the atomic force generated between the atoms at the apex of the probe and the atoms on the surface of the object is measured. , Bend the cantilever. The distance between the probe and the object to be measured is controlled so that the amount of deflection is constant (tracking control), and a control signal is taken out as a scanning position signal indicating the position of the probe, and the surface of the object to be measured is extracted. An image is formed.

なお、特許文献1ではトンネル電流検知によりカンチレバーのたわみ量を検知しているが、光テコ法も従来技術としては一般的である。すなわち、カンチレバー背面にはレーザ光を反射するミラー面を形成しておく。変位計測光学系にはミラー面に向けてレーザビームを射出するレーザダイオードと、カンチレバー上のミラー面からレーザビームを受ける二分割受光器を設置する。二分割受光器は二つの受光領域を有し、カンチレバーが測定時の基準状態にあるとき、ミラー面からのレーザビーム中心が二つの受光領域の境界に照射されるように配置しておく。二つの受光領域は受光した光の強度に応じた電圧信号を出力するので、その出力差を調べることにより、ミラー面の傾きすなわちカンチレバーの変位を測定できる。   In Patent Document 1, the amount of deflection of the cantilever is detected by tunnel current detection, but the optical lever method is also common as a conventional technique. That is, a mirror surface that reflects laser light is formed on the back surface of the cantilever. In the displacement measurement optical system, a laser diode that emits a laser beam toward the mirror surface and a two-divided light receiver that receives the laser beam from the mirror surface on the cantilever are installed. The two-divided light receiver has two light receiving areas, and is arranged so that the center of the laser beam from the mirror surface is irradiated to the boundary between the two light receiving areas when the cantilever is in the reference state at the time of measurement. Since the two light receiving regions output voltage signals according to the intensity of the received light, the inclination of the mirror surface, that is, the displacement of the cantilever can be measured by examining the output difference.

原子間力顕微鏡では、探針を被測定物に接触させた状態で走査するDCモードと、カンチレバーに代表される弾性機構を一定の周波数及び振幅で振動させながら被測定物上を走査し、その振幅・位相・周波数の変化を測定するACモードがある。   In an atomic force microscope, a DC mode that scans with the probe in contact with the object to be measured and an object to be measured are scanned while vibrating an elastic mechanism represented by a cantilever at a constant frequency and amplitude. There is an AC mode that measures changes in amplitude, phase, and frequency.

探針を支持するカンチレバーに代表される弾性機構と基台を含めた部分をプローブと呼ぶ。ACモードにて原子間力を精度良く検出するには、探針と被測定物間の原子間力に対応して敏感に振幅・位相・周波数の変化が現れることが望ましいため、プローブ固有振動数のQ値が高いことが必要である。薄膜平板の先端に探針を形成したカンチレバーでは振動時の移動速度に探針と被測定物間の流体は追従できず、スクイズ効果による大きな抵抗を示す。また周囲流体の粘性単独でも大きな抵抗となる。この抵抗がダンピング効果となり、プローブ固有振動数のQ値が低下することになる。   A portion including an elastic mechanism represented by a cantilever that supports a probe and a base is called a probe. In order to accurately detect the atomic force in the AC mode, it is desirable that the amplitude, phase, and frequency changes sensitively correspond to the atomic force between the probe and the object to be measured. It is necessary that the Q value of is high. A cantilever with a probe formed at the tip of a thin film flat plate cannot follow the fluid velocity between the probe and the object to be measured, and exhibits a large resistance due to the squeeze effect. In addition, the viscosity of the surrounding fluid alone is a great resistance. This resistance becomes a damping effect, and the Q value of the probe natural frequency decreases.

これに対する改善策として、特許文献2に開示されたプローブでは、カンチレバー先端領域に貫通孔を設け、探針と被測定物間の流体が容易に通過できる構成とすることで、スクイズ効果を低減させ、プローブ固有振動数のQ値を高くしている。   As an improvement measure against this, in the probe disclosed in Patent Document 2, a through hole is provided in the cantilever tip region so that the fluid between the probe and the object to be measured can be easily passed, thereby reducing the squeeze effect. The Q value of the natural frequency of the probe is increased.

また、特許文献3に開示されたプローブでは、カンチレバーの被測定物に対向する片面または両面に凸条部を形成している。このように構成することにより、カンチレバーが振動する際に周囲流体がこの凸条部に沿って円滑に流れ、抵抗を減少させることで、プローブ固有振動数のQ値を高くしている。   Moreover, in the probe disclosed by patent document 3, the protruding item | line part is formed in the single side | surface or both surfaces which oppose the to-be-measured object of a cantilever. By configuring in this way, when the cantilever vibrates, the surrounding fluid smoothly flows along the ridges, and the resistance is reduced, thereby increasing the Q value of the probe natural frequency.

特開昭62−130302号公報JP-A-62-130302 特開2004−198134号公報JP 2004-198134 A 特開2006−145510号公報JP 2006-145510 A 特開平10−282130号公報JP-A-10-282130

しかしながら、上記従来例では流体抵抗を減少させることはできるが、カンチレバーが周囲流体を押しのけるように動くことになるので、根本的な解決には至っていない。すなわち、特許文献2では貫通孔により先端のスクイズ効果は減少するが、貫通孔より先の平板部分および多くの可撓梁部分では振動時の動きによる流体排除とその剥離流のため、大きな流体抵抗を受けることになる。   However, although the fluid resistance can be reduced in the above conventional example, since the cantilever moves so as to push away the surrounding fluid, a fundamental solution has not been reached. That is, in Patent Document 2, the squeeze effect at the tip is reduced by the through-hole, but the plate portion and many flexible beam portions ahead of the through-hole have a large fluid resistance due to fluid exclusion and separation flow due to movement during vibration. Will receive.

また、特許文献3ではカンチレバーの可撓梁部分の断面が円形または曲線形状になっているため、振動時の動きによる流体排除での流体抵抗は減少させることができるが、やはり剥離流をなくすことはできないため、可撓梁部分での流体抵抗は残ることになる。また、より多くの効果を狙って、可撓梁部分の断面を円形または試料に対抗する面とその反対側両面とも曲面形状にした場合には、被測定物と対向する方向と、水平な方向の固有振動数が一致又は近接してしまう。このため分離が困難になったり、測定誤差が大きくなるという未解決の課題があった。   Further, in Patent Document 3, since the cross section of the flexible beam portion of the cantilever is circular or curved, the fluid resistance due to fluid exclusion due to movement during vibration can be reduced, but the separation flow is also eliminated. Therefore, the fluid resistance at the flexible beam portion remains. In addition, in order to achieve more effects, when the cross section of the flexible beam part is circular or curved on both the opposite surface and the opposite surface, the direction facing the object to be measured and the horizontal direction The natural frequencies of these coincide or are close to each other. Therefore, there are unsolved problems that separation becomes difficult and measurement error increases.

本発明は、周囲の流体抵抗を低減させた、固有振動数のQ値が高いプローブを有し、被測定物表面の凹凸に対する応答分解能の高い原子間力顕微鏡及びプローブを提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to provide an atomic force microscope and a probe having a probe with a high Q value of natural frequency and a high response resolution with respect to the unevenness of the surface of the object to be measured, with reduced surrounding fluid resistance. To do.

上記の課題を解決するために、本発明の原子間力顕微鏡は、プローブの先端に設置された探針と被測定物を接近させたときの原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちながら走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得する原子間力顕微鏡において、前記プローブは、円断面を有する回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持部材と、を有し、前記回転体の円周面に前記探針が固定されたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, the atomic force microscope of the present invention detects an atomic force when a probe placed at the tip of a probe and an object to be measured are brought close to each other, and the atomic force is constant. In the atomic force microscope that acquires the surface shape information of the object to be measured by scanning while maintaining the above, the probe includes a rotating body having a circular cross section, and a support member that rotatably supports the rotating body, And the probe is fixed to a circumferential surface of the rotating body.

本発明のプローブ は、探針と被測定物を接近させたときの原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちながら走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得する原子間力顕微鏡のプローブにおいて、円断面を有する回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持部材と、を有し、前記回転体の円周面に前記探針が固定されたことを特徴とする。   The probe of the present invention detects the atomic force when the probe and the object to be measured are approached, and acquires the surface shape information of the object to be measured by scanning while keeping the atomic force constant. An atomic force microscope probe, comprising: a rotating body having a circular cross section; and a support member that rotatably supports the rotating body, wherein the probe is fixed to a circumferential surface of the rotating body. Features.

上記構成によれば、探針を一定の周波数及び振幅で振動させながら被測定物上を走査し、その振幅・位相・周波数の変化を測定するACモードにおいて、駆動時の流体抵抗を低減し、固有振動数のQ値が非常に高いプローブを実現できる。これにより被測定物表面の凹凸に対する応答分解能の高い原子間力顕微鏡を提供することができる。   According to the above configuration, the fluid resistance during driving is reduced in the AC mode in which the object to be measured is scanned while vibrating the probe with a constant frequency and amplitude, and changes in the amplitude, phase, and frequency are measured. A probe having a very high natural frequency Q value can be realized. Thereby, it is possible to provide an atomic force microscope having a high response resolution with respect to the unevenness of the surface of the object to be measured.

探針を設置する基台となる円断面の回転体を含む振動部を一定周波数にてねじり振動させることで、回転体の回転運動による簡単な機構で探針の往復運動が実現できる。   By resonating and vibrating a vibrating portion including a circular rotating body serving as a base on which the probe is installed at a constant frequency, the probe can be reciprocated with a simple mechanism based on the rotational movement of the rotating body.

探針の中心軸を、回転体の中心軸に一致させたときには、探針の動きは回転体の回転とともに、対向する被測定物の略水平方向となり、探針と被測定物の間には摩擦力が伴う。しかし、探針の中心軸を、回転体の中心軸に対して空間的ねじれの位置関係に配置したときは、回転体の回転による探針の動きは、対向する被測定物の略垂直方向となり、前記摩擦力を生じさせない効果がある。   When the center axis of the probe is made to coincide with the center axis of the rotating body, the movement of the probe becomes substantially horizontal with the object to be measured as the rotating body rotates, and between the probe and the object to be measured. With frictional force. However, when the center axis of the probe is arranged in a spatial torsional positional relationship with respect to the center axis of the rotating body, the movement of the probe due to the rotation of the rotating body is in the substantially vertical direction of the object to be measured. The frictional force is not generated.

また、円断面の回転体の表面に回折格子を設けることで、光を照射して得られる一次回折光の位置を回転体の角度変位として得ることができ、従来公知の光テコ法の適用を可能とする。   In addition, by providing a diffraction grating on the surface of the rotating body having a circular cross section, the position of the first-order diffracted light obtained by irradiating light can be obtained as the angular displacement of the rotating body. Make it possible.

このようなプローブにより被測定物を走査し、例えば振幅・位相・周波数の変化が一定になるようにトラッキング制御を行うことで、高精度な面形状情報を取得することが可能となる。   By scanning the object to be measured with such a probe and performing tracking control so that, for example, changes in amplitude, phase, and frequency are constant, highly accurate surface shape information can be acquired.

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、一実施形態によるプローブ10を示す斜視図である。プローブ基台11からは支持部材である一対の支持梁12、13が突き出しており、その間には円断面の弾性体14、15と、円断面の回転体17と、そこに固着された探針16により構成される弾性機構(振動部)18が結合されている。探針16は回転体17の円周面に固定されており、回転体17の往復回転に伴って振動する。このプローブ10の固有振動数は最低次のモードが主たる質量が回転体17であり、弾性定数が弾性体14、15のねじり剛性で決まるように構成されている。したがってプローブ外部より所定の一定振動数で加振することにより、探針16を振動させることができる。   FIG. 1 is a perspective view showing a probe 10 according to an embodiment. A pair of support beams 12 and 13 which are support members protrude from the probe base 11, and between them, elastic bodies 14 and 15 having a circular cross section, a rotary body 17 having a circular cross section, and a probe fixed thereto. An elastic mechanism (vibrating portion) 18 constituted by 16 is coupled. The probe 16 is fixed to the circumferential surface of the rotating body 17 and vibrates with the reciprocating rotation of the rotating body 17. The natural frequency of the probe 10 is configured so that the mass of the lowest mode is the rotating body 17 and the elastic constant is determined by the torsional rigidity of the elastic bodies 14 and 15. Therefore, the probe 16 can be vibrated by applying vibration from the outside of the probe at a predetermined constant frequency.

図2は、本実施形態による原子間力顕微鏡の動作・作用を説明する模式図である。上述の構成のプローブ(プローブ基台11,支持梁12、13、探針16、回転体17等を含む)は加振用ピエゾ21に接続されており、被測定物20に対して、所定周波数の加振を行うことが可能である。これにより、弾性機構18をねじり振動させて探針16を振動させることができるようになっている。加振用ピエゾ21はプローブ取付け台22を介してZスキャナ23に接続されている。Zスキャナ23は円筒状の圧電素子で製作されており、図示しない電極が円筒内面および外面に形成されている。これに電圧を印加することで、円筒軸方向の伸縮が可能となっている。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation and action of the atomic force microscope according to the present embodiment. The probe (including the probe base 11, the support beams 12 and 13, the probe 16, the rotating body 17, and the like) having the above-described configuration is connected to the excitation piezo 21 and has a predetermined frequency with respect to the object 20 to be measured. Can be vibrated. Thereby, the probe 16 can be vibrated by torsionally vibrating the elastic mechanism 18. The vibration piezo 21 is connected to a Z scanner 23 via a probe mounting base 22. The Z scanner 23 is made of a cylindrical piezoelectric element, and electrodes (not shown) are formed on the inner and outer surfaces of the cylinder. By applying a voltage to this, it is possible to expand and contract in the cylindrical axis direction.

Zスキャナ23はスキャナ連結部材24を介してXYスキャナ25に連結されている。XYスキャナ25は弾性ヒンジと駆動用圧電素子で構成した直交微小変位機構であり、Zスキャナ23の変位方向に垂直な面内で二軸方向に変位可能となっている。探針16の回動角度の計測には、回転体17上にレーザ光源26より、レーザ光を照射しその反射光は折返しミラー27を介して、フォトダイオード28に導かれる。回転体17の円周面を一部きり欠き、反射面とするか、あるいは回折格子を形成することで、回転体17の角度変位をフォトダイオード28上で計測することができる。   The Z scanner 23 is connected to the XY scanner 25 via the scanner connecting member 24. The XY scanner 25 is an orthogonal minute displacement mechanism composed of an elastic hinge and a driving piezoelectric element, and can be displaced in two axial directions within a plane perpendicular to the displacement direction of the Z scanner 23. In order to measure the rotation angle of the probe 16, laser light is irradiated onto the rotating body 17 from the laser light source 26, and the reflected light is guided to the photodiode 28 via the folding mirror 27. The angular displacement of the rotator 17 can be measured on the photodiode 28 by partially cutting away the circumferential surface of the rotator 17 to form a reflecting surface or forming a diffraction grating.

このプローブは、先端に設置された探針16と被測定物20を近接させたときの引力または斥力を検出し、前記力(原子間力)を一定に保ちつつ走査することにより、被測定物20の面形状を得る。   This probe detects an attractive force or repulsive force when the probe 16 installed at the tip and the object to be measured 20 are brought close to each other, and scans while keeping the force (interatomic force) constant, thereby measuring the object to be measured. 20 surface shapes are obtained.

探針16を設置する部分は円断面の回転体17で構成されており、回転体17の回転運動により探針16を駆動する。平板を流体中で移動させるような流体を押しのける動きがないため、大幅に流体抵抗を減少させることができる。   The portion where the probe 16 is installed is composed of a rotary member 17 having a circular cross section, and the probe 16 is driven by the rotational movement of the rotary member 17. Since there is no movement to push away the fluid that moves the flat plate in the fluid, the fluid resistance can be greatly reduced.

回転体17の両端は、円断面の弾性体14、15により回転可能に支持梁12、13に接続される。回転体17及び弾性体14、15により構成される弾性機構18を一定周波数にてねじり振動をさせた状態で被測定物20を走査することにより、面形状情報を取得する。   Both ends of the rotator 17 are rotatably connected to the support beams 12 and 13 by elastic bodies 14 and 15 having circular cross sections. Surface shape information is acquired by scanning the object to be measured 20 in a state where the elastic mechanism 18 constituted by the rotating body 17 and the elastic bodies 14 and 15 is torsionally vibrated at a constant frequency.

このように、回転体17の両端は円断面の弾性体14,15にて支持され、弾性体14,15と回転体17よりなる弾性機構18に対して外部より振動を与えれば、一定周波数にてねじり振動させることができる。弾性機構18の固有周波数近傍でのねじり振動であれば振幅を大きなものとすることができ、簡単な方法で探針16の大きな動きを得ることができる。   In this way, both ends of the rotating body 17 are supported by the elastic bodies 14 and 15 having a circular cross section, and if a vibration is applied to the elastic mechanism 18 composed of the elastic bodies 14 and 15 and the rotating body 17 from the outside, a constant frequency is obtained. Torsional vibration. If the torsional vibration is near the natural frequency of the elastic mechanism 18, the amplitude can be increased, and a large movement of the probe 16 can be obtained by a simple method.

被測定物表面を走査する探針16の中心軸を、探針16を設置する基台となる回転体17の中心軸と交差しない位置、いわゆる空間的ねじれの位置に配置する。このような位置関係にすることにより、弾性機構18のねじり振動による探針16の動きを、対向する被測定物20の略垂直方向とすることができる。   The central axis of the probe 16 that scans the surface of the object to be measured is arranged at a position that does not intersect the central axis of the rotating body 17 that becomes a base on which the probe 16 is installed, that is, a so-called spatial twist position. By adopting such a positional relationship, the movement of the probe 16 due to the torsional vibration of the elastic mechanism 18 can be set in the substantially vertical direction of the object 20 to be measured.

回転体17の角度変位は、回転体17の表面に設けた回折格子に光を照射し、その一次回折光より求めるとよい。   The angular displacement of the rotating body 17 may be obtained from the first-order diffracted light by irradiating the diffraction grating provided on the surface of the rotating body 17 with light.

図2において、探針16が被測定物20に近づくとき、遠距離ではファン・デル・ワールス力などの引力が作用し、さらに原子結合距離程度の近距離になると斥力が作用する。   In FIG. 2, when the probe 16 approaches the object to be measured 20, an attractive force such as van der Waals force acts at a long distance, and a repulsive force acts at a short distance of about the atomic bond distance.

原子間力顕微鏡にはいくつかのモードがあり、以下に代表的なモードを記載しておく。コンタクトモードは上記の斥力領域で動作するものであり、探針が被測定物と接触した状態で利用される。ノンコンタクトモードは逆に探針が常に被測定物と接触しない距離で走査される。この場合、探針を振動させないDCモードと、加振用圧電素子により探針を強制振動させ被測定物と相対的に近接・離反させるACモードがある。また、分解能は高いが探針や被測定物に損傷を与える可能性のあるコンタクトモードと、一般的には分解能の劣るノンコンタクトモードの折衷案として、強制振動する探針を部分的に接触させて損傷の可能性を低減させるタッピングモードがある。   The atomic force microscope has several modes, and typical modes are described below. The contact mode operates in the above repulsive force region and is used in a state where the probe is in contact with the object to be measured. In the non-contact mode, on the contrary, scanning is performed at a distance where the probe does not always contact the object to be measured. In this case, there are a DC mode in which the probe is not vibrated and an AC mode in which the probe is forcibly vibrated by a vibrating piezoelectric element and relatively close to and away from the object to be measured. In addition, as a compromise between the contact mode, which has high resolution but may damage the probe and the object to be measured, and the non-contact mode, which generally has poor resolution, the probe that is forced to vibrate is partially brought into contact. There is a tapping mode that reduces the possibility of damage.

上記の3モードはいずれも被測定物垂直方向の探針の動きであるが、被測定物と平行に探針を振動させ、摩擦力等を測定するトーションモードがある。   The above three modes are the movements of the probe in the direction perpendicular to the object to be measured, but there is a torsion mode in which the probe is vibrated in parallel with the object to be measured and the frictional force and the like are measured.

本発明のプローブおよび原子間力顕微鏡は、上記モードのうち探針を振動させるACモードのいずれでもその効果を発揮できるが、ここではタッピングモードを中心に説明する。   The probe and the atomic force microscope of the present invention can exhibit the effect in any of the above modes in the AC mode in which the probe is vibrated, but here, the tapping mode will be mainly described.

図2において、まず加振用ピエゾ21を周波数スイープすることにより、プローブの固有振動数を求める。振幅計測手段はレーザ光源26、折返しミラー27、フォトダイオード28により構成された光テコ法である。   In FIG. 2, first, the natural frequency of the probe is obtained by frequency sweeping the vibration piezo 21. The amplitude measuring means is an optical lever method composed of a laser light source 26, a folding mirror 27, and a photodiode 28.

図3に示すように、回転体17にはその円筒表面(円周面)に回転角とともに格子の傾斜が変化する回折格子17aが形成されている。これにレーザ光源26からレーザを照射する。さらに、入射光の一次回折光をフォトダイオード28に導く。このようにすることで回転体17の回転により、一次回折光はフォトダイオード28上を移動する。したがって回転体17の回転角度は光路の長さで拡大されてフォトダイオード28上で計測可能である。   As shown in FIG. 3, the rotating body 17 is formed with a diffraction grating 17a on the cylindrical surface (circumferential surface) where the inclination of the grating changes with the rotation angle. This is irradiated with laser from the laser light source 26. Further, the first-order diffracted light of the incident light is guided to the photodiode 28. By doing so, the first-order diffracted light moves on the photodiode 28 by the rotation of the rotating body 17. Therefore, the rotation angle of the rotator 17 is enlarged by the length of the optical path and can be measured on the photodiode 28.

また、図4に示すように、回転体17の円周面の一部に反射面17bを形成してもよい。   Further, as shown in FIG. 4, a reflecting surface 17 b may be formed on a part of the circumferential surface of the rotating body 17.

なお、探針の変位計測手段は、特許文献4に記載されたように、ねじり振動の回転軸となる弾性体の一部にピエゾ抵抗体を配置して角度変位を計測する方法でもよい。このように構成することで、プローブ自体は複雑になるが、光テコ計測系が不用になるので、全体構成は簡単になり、光軸アライメントも不用になる。   The probe displacement measuring means may be a method of measuring the angular displacement by disposing a piezoresistor on a part of an elastic body serving as a rotational axis of torsional vibration, as described in Patent Document 4. With this configuration, the probe itself is complicated, but the optical lever measurement system is unnecessary, so the overall configuration is simplified and optical axis alignment is also unnecessary.

被測定物20の形状測定時には、求められたプローブの一次の固有振動数近傍の周波数にて加振用ピエゾ21を駆動しておく。プローブの一次の固有振動数は、回転体17の質量と弾性体14,15のねじりバネ定数で決まる振動数となるように設計しておくことで、大きなねじり角度を得ることが可能となる。   When measuring the shape of the object 20 to be measured, the excitation piezo 21 is driven at a frequency in the vicinity of the obtained primary natural frequency of the probe. It is possible to obtain a large torsion angle by designing the primary natural frequency of the probe to be a frequency determined by the mass of the rotating body 17 and the torsion spring constant of the elastic bodies 14 and 15.

ここで、図5(b)に示すように、回転体37の回転中心軸と探針36の中心軸が交差するように配置すれば、トーションモードでの測定が可能である。しかし本実施形態では、図5(a)に示すように回転体17の回転軸と探針16の中心軸は交差しない、すなわち、空間的ねじれの位置関係で配置されている。このため探針16は、回転体17の回転により、被測定物20の垂直方向に振動することになるので、タッピングモードでの測定が可能である。   Here, as shown in FIG. 5B, if the rotation center axis of the rotator 37 and the center axis of the probe 36 are arranged to intersect, measurement in the torsion mode is possible. However, in the present embodiment, as shown in FIG. 5A, the rotation axis of the rotating body 17 and the center axis of the probe 16 do not intersect with each other, that is, are arranged in a spatial relationship of spatial twist. For this reason, since the probe 16 vibrates in the vertical direction of the DUT 20 by the rotation of the rotating body 17, measurement in the tapping mode is possible.

探針16が被測定物20の垂直方向に振動した場合、上述のように遠距離ではファン・デル・ワールス力などの引力が作用し、さらに原子結合距離程度の近距離になると斥力が作用する。このため、プローブと被測定物20の位置を一定に保って加振用ピエゾ21を駆動させた場合、周波数および振幅が一定の入力であっても、探針16の位置により周波数および振幅が変化する。そこで、この周波数または振幅の変化量が一定になるように、XYスキャナ24にて被測定物20との平行面内で走査し、被測定物20の凹凸にあわせてZスキャナ22をトラッキング制御することにより被測定物20の表面形状を得ることができる。   When the probe 16 vibrates in the vertical direction of the object 20 to be measured, an attractive force such as van der Waals force acts at a long distance as described above, and a repulsive force acts at a short distance of about the atomic bond distance as described above. . For this reason, when the vibration piezo 21 is driven while keeping the position of the probe and the DUT 20 constant, the frequency and amplitude change depending on the position of the probe 16 even if the frequency and amplitude are constant. To do. Therefore, the XY scanner 24 scans in a plane parallel to the measured object 20 so that the amount of change in frequency or amplitude is constant, and performs tracking control of the Z scanner 22 according to the unevenness of the measured object 20. Thus, the surface shape of the DUT 20 can be obtained.

一方、従来の原子間力顕微鏡に用いられるプローブはカンチレバーと呼ばれる平板状の片持ち梁先端に探針が形成されている。このため探針を振動させると、周囲の静止した流体(大気中では空気、液中では環境液体)中を平板状の片持ち梁が横切るように高速で動くことになる。これにより平板状片持ち梁の振動進行方向の後方では剥離流が発生し、大きな流体抵抗を生じることになる。この流体抵抗は平板状片持ち梁の速度に比例するため、運動方程式上は粘性項となり、固有振動数付近での振動における振幅を小さくする。また、探針と被測定物間の流体は平板状片持ち梁の動きに追従できず、接近する場合は圧縮され、離れる場合には膨張させられる。このスクイズ効果でも粘性抵抗は大きなものとなる。これらの原因は、探針そのものは小さいので、主に平板状片持ち梁が流体中で高速に振動することに起因している。したがって従来のプローブでは、流体中では固有振動数のQ値を小さくする効果を本質的に持ち、真空中のような限られた環境でしか固有振動数のQ値を高くすることができない。   On the other hand, a probe used in a conventional atomic force microscope has a probe formed at the tip of a flat cantilever called a cantilever. For this reason, when the probe is vibrated, it moves at high speed so that the flat plate cantilever crosses the surrounding stationary fluid (air in the atmosphere, environmental liquid in the liquid). As a result, a separation flow is generated behind the flat plate cantilever in the vibration traveling direction, resulting in a large fluid resistance. Since this fluid resistance is proportional to the velocity of the flat plate cantilever, it becomes a viscous term in the equation of motion, and the amplitude of vibration near the natural frequency is reduced. Further, the fluid between the probe and the object to be measured cannot follow the movement of the flat plate cantilever, and is compressed when approaching and expanded when leaving. Even with this squeeze effect, the viscous resistance becomes large. These causes are mainly due to the fact that the flat plate cantilever vibrates at high speed in the fluid because the probe itself is small. Therefore, the conventional probe essentially has the effect of reducing the Q value of the natural frequency in the fluid, and can increase the Q value of the natural frequency only in a limited environment such as in a vacuum.

これに対して、本発明のプローブでは、円断面を有する回転体の回転運動であり、従来の平板状片持ち梁と異なり、本質的に剥離流やスクイズ効果をもたらす動きをしない。したがって粘性抵抗はごく僅かであり、大気や液中のような流体中においても固有振動数のQ値を高くすることができる。これにより、探針と被測定物間の原子間力変化に対応して、敏感に振幅・位相・周波数が変化し、検出分解能の高い測定を行うことができる。   On the other hand, the probe of the present invention is a rotational movement of a rotating body having a circular cross section, and unlike a conventional flat plate cantilever, it does not essentially move to cause a separation flow or a squeeze effect. Therefore, the viscous resistance is negligible, and the Q value of the natural frequency can be increased even in a fluid such as air or liquid. As a result, the amplitude, phase, and frequency change sensitively in response to changes in the atomic force between the probe and the object to be measured, and measurement with high detection resolution can be performed.

なお、本実施形態のプローブ製作には、イオンビーム加工にて一体もので製作する方法のほかに、例えば図1における弾性機構18と、プローブ基台11及び支持梁12、13を含む部分を別々に製作し、接合してもよい。   In addition to the method of manufacturing the probe integrally by ion beam processing, for example, the elastic mechanism 18 in FIG. 1 and the portion including the probe base 11 and the support beams 12 and 13 are separately provided for manufacturing the probe of this embodiment. And may be joined together.

また、構成が簡単なねじり振動による実施形態を説明したが、図1において弾性機構18に相当する部分を支持梁12、13に対して回転自在とし、外部駆動により往復回転(振動)運動を行なわせてもよい。   Further, although the embodiment by the torsional vibration having a simple configuration has been described, the portion corresponding to the elastic mechanism 18 in FIG. 1 is rotatable with respect to the support beams 12 and 13, and reciprocating rotation (vibration) motion is performed by external driving. It may be allowed.

一実施形態によるプローブを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the probe by one Embodiment. 図1のプローブ を用いた原子間力顕微鏡を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the atomic force microscope using the probe of FIG. 探針の変位をする計測方法を示す図である。It is a figure which shows the measuring method which displaces a probe. 探針の変位を計測する別の方法を示す図である。It is a figure which shows another method of measuring the displacement of a probe. 探針の配置を説明する図である。It is a figure explaining arrangement | positioning of a probe.

符号の説明Explanation of symbols

11 プローブ基台
12、13 支持梁
14、15 弾性体
16 探針
17 回転体
18 弾性機構
20 被測定物
21 加振用ピエゾ
22 プローブ取付け台
23 Zスキャナ
24 スキャナ連結部材
25 XYスキャナ
26 レーザ光源
27 折返しミラー
28 フォトダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Probe base 12, 13 Support beam 14,15 Elastic body 16 Probe 17 Rotating body 18 Elastic mechanism 20 Measured object 21 Piezo for vibration 22 Probe mounting base 23 Z scanner 24 Scanner connection member 25 XY scanner 26 Laser light source 27 Folding mirror 28 Photodiode

Claims (5)

プローブの先端に設置された探針と被測定物を接近させたときの原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちながら走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得する原子間力顕微鏡において、
前記プローブは、
円断面を有する回転体と、
前記回転体を回転可能に支持する支持部材と、を有し、
前記回転体の円周面に前記探針が固定されたことを特徴とする原子間力顕微鏡。
By detecting the interatomic force when the probe placed at the tip of the probe and the object to be measured are approached, and scanning while keeping the atomic force constant, the surface shape information of the object to be measured is acquired. In the atomic force microscope that
The probe is
A rotating body having a circular cross section;
A support member that rotatably supports the rotating body,
An atomic force microscope, wherein the probe is fixed to a circumferential surface of the rotating body.
前記回転体の両端は、それぞれ円断面の弾性体により前記支持部材に接続され、前記回転体と前記弾性体により構成される振動部を一定周波数にてねじり振動させながら前記プローブを走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得することを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。   Both ends of the rotating body are respectively connected to the support member by elastic bodies having a circular cross section, and by scanning the probe while torsionally vibrating a vibrating portion constituted by the rotating body and the elastic body at a constant frequency 2. The atomic force microscope according to claim 1, wherein surface shape information of the object to be measured is acquired. 前記探針の中心軸は、前記回転体の中心軸と空間的ねじれの位置関係にあることを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。   The atomic force microscope according to claim 1, wherein the central axis of the probe is in a positional relationship of spatial twist with the central axis of the rotating body. 前記回転体の角度変位を、前記回転体に設けた回折格子に光を照射し、その一次回折光により求めることを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡   2. The atomic force microscope according to claim 1, wherein the angular displacement of the rotating body is obtained by irradiating light to a diffraction grating provided on the rotating body and using the first-order diffracted light. 探針と被測定物を接近させたときの原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちながら走査することにより、前記被測定物の面形状情報を取得する原子間力顕微鏡のプローブにおいて、
円断面を有する回転体と、
前記回転体を回転可能に支持する支持部材と、を有し、
前記回転体の円周面に前記探針が固定されたことを特徴とするプローブ。
An atomic force microscope probe that detects the interatomic force when the probe and the object to be measured are brought close to each other, and obtains surface shape information of the object to be measured by scanning while keeping the atomic force constant. In
A rotating body having a circular cross section;
A support member that rotatably supports the rotating body,
A probe characterized in that the probe is fixed to a circumferential surface of the rotating body.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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