JP2013145120A - Tapping mode afm including multiple cantilever for afm and scan method of the same - Google Patents

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Shigeo Kotake
茂夫 小竹
Yasuyuki Suzuki
泰之 鈴木
Kazunori Yagi
一憲 八木
Takahiro Kawamura
貴宏 河村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a cantilever that can control impact energy in a collision and reduce damage to a sample to solve the problem in which in a tapping mode of an atomic force microscope the cantilever comes into contact with the measurement sample even in a very short time and damages a surface of the sample; and a scan device using the cantilever.SOLUTION: A multiple cantilever is a many-body vibration system formed by connecting one cantilever 8A with other two cantilevers 8B and 8C. An AFM device is fabricated so as to scan a surface of the sample while tapping the cantilever 8B and apply an excitation to the cantilever 8C. Since a certain amount of energy flows from the cantilever 8C to the cantilever 8B, when an input amount of energy by excitation and an attenuation of energy by collision in tapping are controlled to be equal to the energy transfer amount, a steady vibration is expected to occur thereby controlling the collision speed of the cantilever 8B and reducing the impact energy.

Description

本発明は、大振動子に二つの小振動子を並列に繋げた機構を適切に設計することにより、小振動子間に一サイクルあたり一定のエネルギー移動を実現する多体振動系に対し、一方の小振動子に衝突による減衰ともう一方の小振動子に外部からの加振を適用することにより、系の振動に定常状態となる条件を得ることができることから、この機構における振動子をカンチレバーや共振回路系へと置き換えることにより、タッピングモードAFMにおける衝突時の衝撃エネルギーの制御や垂直方向の位置の分解能の向上させることを可能にするカンチレバーおよびこれを利用した走査システムに関するものである。 The present invention provides a multi-body vibration system that achieves constant energy transfer per cycle between small oscillators by appropriately designing a mechanism in which two small oscillators are connected in parallel to a large oscillator. By applying damping to the small oscillator of this system and external excitation to the other small oscillator, it is possible to obtain a steady state condition for the vibration of the system. The present invention relates to a cantilever and a scanning system using the cantilever that can control impact energy at the time of collision in tapping mode AFM and improve the resolution of the position in the vertical direction by replacing with a resonant circuit system.

さらに本発明は、大振動子に二つの小振動子を並列に繋げた機構を適切に設計することにより、タッピングモードAFMにおけるタッピングをおこなうカンチレバーの振動をこれと結合させた他のカンチレバーの振動から評価することを可能にし、またこの機構において評価に用いる振動子を共振回路系へと置き換えることにより、タッピングモードAFMにおけるタッピングをおこなうカンチレバーの振動をこれと結合させた共振回路の振動から評価することを可能にする技術に関するものである。 In addition, the present invention is designed by appropriately designing a mechanism in which two small vibrators are connected in parallel to a large vibrator, so that the vibration of a cantilever that performs tapping in the tapping mode AFM is coupled with the vibration of another cantilever. It is possible to evaluate the vibration of the cantilever that performs tapping in the tapping mode AFM by replacing the vibrator used for the evaluation in this mechanism with a resonance circuit system, from the vibration of the resonance circuit combined therewith. It relates to the technology that makes possible.

今日、原子間力顕微鏡(Atomic Force Micro scope:AFM) は分解能が高く、測定雰囲気を選ばないことから(空気中、液中、真空中で使用可)、ミクロに形状分析を行う目的において、非常に有用な手段の一つとなっている。中でもカンチレバーを振動させながら試料表面を走査するタッピングモードは、表面における高さや力の僅かな変化を鋭敏に捉えることができることから、感度の良い手法として、AFMにおける走査法の主流をなしている。 Today, Atomic Force Microscope (AFM) has a high resolution and can be used in any atmosphere (in air, in liquid, or in vacuum). It has become one of the useful tools. In particular, the tapping mode in which the surface of the sample is scanned while vibrating the cantilever can capture a slight change in the height and force on the surface, and thus has become the mainstream scanning method in AFM as a sensitive method.

AFMにおけるタッピングモードではカンチレバーを振動させ、試料表面にカンチレバー先端を衝突させながら走査をおこなう。この際、試料表面の凹凸によってカンチレバーの振幅、もしくは振動数に変化が生じる。AFMのシステムでは、これらのカンチレバーの変化をゼロにするように、フィードバック機構を通じて、試料台、もしくはカンチレバーの加振中心を上下させ、試料-カンチレバー間の距離を一定に保つように制御をおこなう。この移動させた量が試料表面の凹凸に相当することから、精密なプロファイル測定が可能となる。尚、カンチレバーの振動状態の検知には、主としてカンチレバー先端にレーザーを照射し、その反射光の位置変化を評価する光てこ法が用いられている。 In the tapping mode in AFM, scanning is performed while the cantilever is vibrated and the tip of the cantilever collides with the sample surface. At this time, the amplitude or frequency of the cantilever changes due to the unevenness of the sample surface. In the AFM system, the sample stage or the excitation center of the cantilever is moved up and down through a feedback mechanism so as to make these changes in the cantilever zero, and control is performed so as to keep the distance between the sample and the cantilever constant. Since the amount of movement corresponds to the unevenness of the sample surface, precise profile measurement is possible. In order to detect the vibration state of the cantilever, an optical lever method is used in which the tip of the cantilever is irradiated with a laser and the positional change of the reflected light is evaluated.

このタッピングモードでは、測定試料とカンチレバーの接触時間が極めて短いものの、鋭いプローブ先端を試料表面に衝突させるため、試料表面に与える損傷を無視できない。そのため、生体試料や表面に物質が弱く吸着している試料の場合などにおいては、十分にシャープな像が得られないなどの問題点があった。そのため、タッピング時における衝撃力を制御することを目的とする様々な研究が進められてきた(非特許文献1)が、従来の研究は実験やシミュレーションによる経験的な設計が主であり、カンチレバーの設計法については解析的な提案がされてこなかった。またカンチレバーの振幅をフィードバックさせることにより、衝突時の損傷を抑える試みもあるが(特許文献1、特許文献2)、動的な制御であるため、高速な操作の場合には、試料位置制御のフィードバックと干渉してしまうなどの問題があった。 In this tapping mode, although the contact time between the measurement sample and the cantilever is extremely short, the sharp probe tip collides with the sample surface, so damage to the sample surface cannot be ignored. Therefore, in the case of a biological sample or a sample in which a substance is weakly adsorbed on the surface, there is a problem that a sufficiently sharp image cannot be obtained. Therefore, various researches aimed at controlling the impact force during tapping have been advanced (Non-Patent Document 1), but the conventional research is mainly based on empirical design by experiments and simulations. No analytical proposal has been made on the design method. There is also an attempt to suppress damage at the time of collision by feeding back the amplitude of the cantilever (Patent Document 1 and Patent Document 2). However, because of dynamic control, in the case of high-speed operation, the sample position control is performed. There were problems such as interference with feedback.

一般にこれまでのAFMの場合、その多くは、アクティブなフィードバック制御によるものが多かったため、平らで凹凸の少ない試料を観察しようとした場合、強い帰還信号による系の発振を免れ得ず、像の分解能が得られないなどの問題が存在していた。 In general, many of the conventional AFMs are based on active feedback control. Therefore, when observing a flat sample with little unevenness, the oscillation of the system due to a strong feedback signal cannot be avoided, and the image resolution There was a problem such as not being able to get.

またタッピングモードでは、測定試料とカンチレバーを衝突させることから、カンチレバーの振動が大きな非線形性を持つため、微分方程式を用いたカンチレバーの振動解析ができないでいた。また僅かな衝突位置の変化により、分数周期運動やカオスなどの挙動を示しやすいことから、定常な振動状態を維持することが難しかった。そのため振動学的な観点から、カンチレバーを作製した例はあまり見られず、試料―カンチレバー間の距離の変化による振幅や振動数の変化も、非線形微分方程式の線形近似解やシミュレーションや実験における観察からしか説明されてこなかった(非特許文献2)。 Further, in the tapping mode, since the measurement sample and the cantilever collide with each other, the vibration of the cantilever has a large non-linearity. Therefore, the vibration analysis of the cantilever using the differential equation cannot be performed. In addition, it is difficult to maintain a steady vibration state because a slight change in the collision position tends to show behavior such as fractional periodic motion and chaos. Therefore, from the viewpoint of vibration, there are not many examples of making cantilevers, and changes in amplitude and frequency due to changes in the distance between the sample and the cantilever are also observed from linear approximation solutions of nonlinear differential equations and observations in simulations and experiments. However, it has only been explained (Non-Patent Document 2).

さらに通常のAFMのシステムでは、ピエゾ素子等のアクチュエーターから入力された振動エネルギーによりカンチレバーを加振し、カンチレバー先端が試料と衝突することにより、そのエネルギーを減衰させるが、カンチレバーにおけるエネルギーの流れを設計した例はあまり見当たらない。そのため定常な運動を実現するカンチレバーの作製法については、あまり議論がなされておらず、これまで報告されているカンチレバーの振動解析においても、衝突を考慮した解析はされてこなかった(非特許文献1)。 Furthermore, in a normal AFM system, the cantilever is vibrated by vibration energy input from an actuator such as a piezo element and the tip of the cantilever collides with the sample to attenuate the energy, but the energy flow in the cantilever is designed. There are not many examples. For this reason, there has not been much discussion on a method for producing a cantilever that realizes steady motion, and even in the vibration analysis of a cantilever that has been reported so far, no analysis that considers collision has been performed (Non-Patent Document 1). ).

他方、AFMでは、初期設定の際、光てこ法をカンチレバーの位置検出に用いることからレーザーをカンチレバー先端に絞って当てる必要があるため、この作業に時間がかかるなどの問題があり、自動化するなどの簡便な測定法となりづらかった。 On the other hand, in the AFM, since the optical lever method is used for detecting the position of the cantilever at the time of initial setting, it is necessary to squeeze the laser at the tip of the cantilever. It was difficult to be a simple measurement method.

一方、振動子を多体にすることで、機能を持たせる試みも数多くなされてきた。Bajajらは(非特許文献3)多数の振動子を結合させることで、振動に特徴のある性質が現れることを報告している。また特許文献3では、ロボットにおいて複数の物理振動子を配置することによって、振動子間の位相制御をおこなう運動制御法を提案している。しかし、非特許文献3の報告では、特定の機能を付与するための設計法については明らかにしておらず、また特許文献3の報告においても、フィードバックを利用して制御を与えるものであり、系の安定化に対しての効果を述べたものにすぎない。 On the other hand, many attempts have been made to provide functions by using multiple vibrators. Bajaj et al. (Non-Patent Document 3) have reported that a characteristic characteristic of vibration appears by coupling a large number of vibrators. Patent Document 3 proposes a motion control method that performs phase control between vibrators by arranging a plurality of physical vibrators in a robot. However, in the report of Non-Patent Document 3, the design method for giving a specific function is not clarified. In the report of Patent Document 3, control is provided using feedback. It just describes the effect on the stabilization of

また小竹らは、一振動子に結合された衝突二体振動間におけるエネルギー移動の現象を波動アルゴリズムを使って明らかにしているが(非特許文献4、非特許文献5、非特許文献6)、衝突位置は釣合位置もしくは離れた2点にあるものであり、AFMのカンチレバーが衝突する1点の位置については言及してこなかった。また彼らの議論はエネルギー保存系における挙動について述べたものであり、加振や減衰を伴った系における振動について述べたものではなかった。また彼らは、一振動子に結合された多体線形振動間におけるエネルギー移動を使って、自然エネルギーを集める方法を報告しているが(非特許文献7、特許文献4)、これらの議論は複数の振動子にランダムな外力が入力される場合についてであり、効率的にエネルギーを集める工夫であって、衝突振動子の定常状態について述べたものではなかった。また彼らの議論は線形振動系に限られていた。 Kotake et al. Have clarified the phenomenon of energy transfer between collisional two-body vibrations coupled to one oscillator using a wave algorithm (Non-Patent Document 4, Non-Patent Document 5, Non-Patent Document 6). The collision position is at a balanced position or two points away from each other, and the position of one point where the AFM cantilever collides has not been mentioned. Moreover, their discussion was about the behavior in the energy conservation system, and not about the vibration in the system with excitation and damping. In addition, they have reported a method of collecting natural energy using energy transfer between many-body linear vibrations coupled to one oscillator (Non-patent Document 7 and Patent Document 4). This is a case where a random external force is input to the vibrator, and is a device for efficiently collecting energy, and does not describe the steady state of the collision vibrator. Their discussion was limited to linear vibration systems.

一方、特許文献5では、同じ保持部につながる複数のカンチレバーに対して、共振周波数をずらすことでお互いに干渉しないプローブの設計を提案しているが、多体振動系の相互作用を逆に除く工夫であり、振動子を多体化することによる機能の付与ではなかった。 On the other hand, Patent Document 5 proposes the design of probes that do not interfere with each other by shifting the resonance frequency for a plurality of cantilevers connected to the same holding unit, but the interaction of the multi-body vibration system is removed in reverse. It is a contrivance, not a function addition by making the vibrator multi-body.

特開2004-101202号公報JP 2004-101202 A 特開2010-2409号公報JP 2010-2409 特開2006-289602号公報JP 2006-289602 特開2010-65545号公報JP 2010-65545 A 特開2010-112888号公報JP 2010-112888

ファンデルポール型自励発振を用いたAFMカンチレバーの振幅制御、林圭一、芦田極、藪野浩司、黒田雅治、日本機械学会論文集(C編)、73巻732号(2007)2225-2231AFM cantilever amplitude control using van der Pol type self-excited oscillation, Junichi Hayashi, Goku Hamada, Koji Kanno, Masaharu Kuroda, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), Vol. 73, No. 732 (2007) 2225-2231 タッピングモード原子間力顕微鏡への応用に向けたカンチレバーの衝突振動と制御、沼津匡俊、Andrew J. Dick、 藪野浩司、黒田雅治、 BalakumarBalachandran、日本機械学会論文集(C編)、74巻742号(2008)1409-1415Cantilever collision vibration and control for tapping mode atomic force microscopy, Toshitoshi Numazu, Andrew J. Dick, Koji Kanno, Masaharu Kuroda, Balakumar Balachandran, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), 74, 742 (2008) 1409-1415 Global dynamics of an autoparametric system with multiple pendulums、 Transaction of the ASME、 Journal ofcomputational and nonlinear dynamics、 Vol.1 (2006)35-46Global dynamics of an autoparametric system with multiple pendulums, Transaction of the ASME, Journal ofcomputational and nonlinear dynamics, Vol. 1 (2006) 35-46 一振動子に結合された内部共振衝突振動系に現れる周期的な完全概周期振動の波動アルゴリズムによる解析、高田宗一朗、小竹茂夫、鈴木泰之、日本機械学会論文集(C編)、77巻773号(2011)14-27Analysis of periodic perfect approximate periodic vibration appearing in internal resonant collisional vibration system coupled to one oscillator by wave algorithm, Soichiro Takada, Shigeo Kotake, Yasuyuki Suzuki, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), Vol. 77, No. 773 (2011) 14-27 一振動子に結合された二体衝突振動系の内部共振によるエネルギー移動に起因した周期的なGraze現象、高田宗一朗、小竹茂夫、鈴木泰之、日本機械学会論文集(C編)、77巻777号(2011)1911-1925Periodic Graze phenomenon due to energy transfer due to internal resonance of a two-body collision vibration system coupled to one oscillator, Soichiro Takada, Shigeo Kotake, Yasuyuki Suzuki, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), Vol. 77, No. 777 (2011) 1911-1925 一振動子に結合された内部共振二体小振動子間のエネルギー移動を操作する波動アルゴリズム、小竹茂夫、花井宏旭、鈴木泰之、日本機械学会論文集(C編)、77巻781号(2011)3337-3349Wave algorithm to manipulate energy transfer between two internal small resonators coupled to one oscillator, Shigeo Kotake, Hiroaki Hanai, Yasuyuki Suzuki, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), Vol. 77, No. 781 (2011 ) 3337-3349 Groverアルゴリズムによる空間コヒーレントな波動エネルギーの集中、内田秀範、小竹茂夫、鈴木泰之、日本機械学会論文集(B編)、76巻761号(2010)85-94Spatial coherent wave energy concentration by the Grover algorithm, Hidenori Uchida, Shigeo Kotake, Yasuyuki Suzuki, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (B), 76, 761 (2010) 85-94

AFMをタッピングモードで使用する場合、カンチレバーの振動は衝突を伴う非線形系であることから、微分方程式による厳密な解析は難しい。また、スキャンする際の試料表面の凹凸による衝突位置変化によって、衝突振動は分数周期運動やカオスなどの複雑な振る舞いを示す傾向にあることから、加振と減衰を伴った一振動子系において、安定な定常解を得ることは難しく、これまでこういった提案がなされてこなかった。 When the AFM is used in the tapping mode, the cantilever vibration is a nonlinear system accompanied by a collision, so that it is difficult to perform a precise analysis using a differential equation. In addition, due to the collision position change due to the unevenness of the sample surface when scanning, the collision vibration tends to show complex behavior such as fractional period motion and chaos, so in one oscillator system with excitation and attenuation, It has been difficult to obtain a stable steady solution, and no such proposal has been made so far.

不安定な系において、フィードバック等の操作により安定な振動状態を得るためには、速度の速い高度な制御法が必要であり、凹凸の信号自身が小さい平らな試料においては、フィードバック等の影響により、系の振動が発振する危険性があることから、分解能の高い像を得ることは難しかった。 In order to obtain a stable vibration state by an operation such as feedback in an unstable system, a high-speed and advanced control method is required. Because of the danger of oscillation of the system, it was difficult to obtain an image with high resolution.

一方、AFMをタッピングモードで使う場合、カンチレバー先端の鋭いプローブを試料に衝突させるため、試料表面に与える損傷は無視出来ない。そのため、試料への衝突による衝撃を極力少なくする必要があるが、現状のタッピングモードAFMに関する技術においては、動的な制御による解決法がほとんどであることから、高速でカンチレバーを振動させ、スキャンさせるAFM像の測定においては、十分にこれを制御することができず、柔らかな組織を持つ生物等の試料を高い分解能で観察することは難しかった。一方、パッシブな制御を可能にする衝撃力(衝突速度)と加振量との明確な関係式が得られていないことから、衝撃力をパッシブに制御することもできないでいた。 On the other hand, when the AFM is used in the tapping mode, a probe having a sharp cantilever tip collides with the sample, so damage to the sample surface cannot be ignored. For this reason, it is necessary to minimize the impact caused by the collision with the sample. However, in the current technology related to the tapping mode AFM, most of the solutions are based on dynamic control, so the cantilever is vibrated and scanned at high speed. In the measurement of the AFM image, this cannot be controlled sufficiently, and it has been difficult to observe a sample such as a living organism having a soft tissue with high resolution. On the other hand, since a clear relational expression between the impact force (collision speed) and the amount of vibration that enables passive control has not been obtained, the impact force cannot be controlled passively.

また、AFMの初期設定の際、位置検出にレーザーによる光てこ法を用いるため、絞ったレーザー光線をカンチレバー先端に正確に当てる必要があり、また反射したレーザー光を検出する四分割フォトダイオード等のセンサーを適切に調整する必要があることから、作業に経験と時間を要し、自動化が難しいなどの問題があった。 In addition, since the optical lever method using a laser is used for position detection at the initial setting of the AFM, it is necessary to accurately squeeze the focused laser beam to the tip of the cantilever, and a sensor such as a quadrant photodiode that detects reflected laser light Because it was necessary to adjust the system appropriately, there were problems such as that work required experience and time and automation was difficult.

従来のAFMの技術は、一本のカンチレバーに関するものがほとんどであり、多数の振動子が結合したマルチカンチレバーについては、それらの相互作用を取り除く技術はあったものの、それらの相互作用を積極的に利用する技術はなかった。また複数のカンチレバー間の相互作用による効果を模して一本のカンチレバーを制御する試みはなかった。 Most of the conventional AFM techniques are related to a single cantilever. For multi-cantilevers in which a large number of vibrators are combined, there is a technique to remove these interactions, but these interactions are actively performed. There was no technology to use. There was no attempt to control a single cantilever simulating the effect of interaction between multiple cantilevers.

請求項1に係る発明は、一本のカンチレバー8Aに別の二本のカンチレバー8B、8Cを接続させて作った多体振動系であるマルチカンチレバーにおいて、カンチレバー8Bをタッピングさせながら試料表面を走査させ、カンチレバー8Cに加振を加えるようにAFM装置を設計することにより、上記の問題に対して解決手段を与える。この際、各カンチレバーは、以下に示す波動アルゴリズムに従って適切に設計することにより、接続されたカンチレバー8B、8Cの振動が、カンチレバー8Aの振動と離散力学的に切り離され、制御可能な2体問題に帰着される。またカンチレバー8Cからカンチレバー8Bへ一定のエネルギーが流れるようになるため、加振によるエネルギーの入力量とタッピング時の衝突によるエネルギー減衰量が、このエネルギー移動量に等しくなるように制御した場合、定常な振動が発生することが期待される。以下では、以上のような条件を可能にするマルチカンチレバーの形状と、これが成り立つ系に現れる特徴について言及する。また今回の多体衝突振動系と同じ振動を一つのカンチレバーに発生させる手法についても言及する。 The invention according to claim 1 is a multi-cantilever which is a multi-body vibration system made by connecting another two cantilevers 8B and 8C to one cantilever 8A, and scans the sample surface while tapping the cantilever 8B. By designing the AFM apparatus to apply vibration to the cantilever 8C, a solution is provided for the above problem. At this time, each cantilever is appropriately designed according to the wave algorithm shown below, so that the vibration of the connected cantilevers 8B and 8C is discretely mechanically separated from the vibration of the cantilever 8A, thereby creating a controllable two-body problem. It will be returned. In addition, since constant energy flows from the cantilever 8C to the cantilever 8B, when the energy input amount due to the excitation and the energy attenuation amount due to the collision at the time of tapping are controlled to be equal to this energy transfer amount, It is expected that vibration will occur. In the following, the shape of the multi-cantilever that enables the above-described conditions and the features that appear in the system in which this is realized will be mentioned. We will also refer to the method of generating the same vibration in a single cantilever as in this multibody collision vibration system.

一般にカンチレバーは、複数の固有モードを持つものの、主として1次モードが基本振動として立ちやすい。また変位が微小な場合、カンチレバーの非線形性はそれほど大きくないことから、振動の多くは線形振動子として近似できる。これにより、カンチレバーの振る舞いは、一般に質量-バネからなる線形振動系によって近似的に表現することができる。長さl、断面二次モーメントI、ヤング率E、カンチレバーの重さm、先端に付加された質量m’のカンチレバーをバネ-質量系に見立てた場合、各パラメーター間の関係は以下のように表現される。(機械振動学、動的問題解決の基本知識、佐藤 秀紀、岡部 佐規一、岩田 佳雄) In general, a cantilever has a plurality of eigenmodes, but the primary mode is likely to stand as a fundamental vibration. In addition, when the displacement is very small, the non-linearity of the cantilever is not so great, so that most of the vibration can be approximated as a linear oscillator. Thus, the behavior of the cantilever can be approximately expressed by a linear vibration system generally composed of a mass-spring. When a cantilever of length l, moment of inertia of section I, Young's modulus E, weight m b of cantilever and mass m ′ added to the tip is regarded as a spring-mass system, the relationship between each parameter is as follows: It is expressed in (Mechanical Vibration, Basic Knowledge of Dynamic Problem Solving, Hideki Sato, Saichi Okabe, Yoshio Iwata)

本請求項1に係るマルチカンチレバーは、カンチレバーを質量-バネ系に置き換えることによって、線形振動系における三体衝突振動モデルで表現されることから、カンチレバーにおいて成り立つ振動現象の特徴を質量-バネ系に現れる波動アルゴリズムを使って作製することが出来る。 The multi-cantilever according to claim 1 is expressed by a three-body collision vibration model in a linear vibration system by replacing the cantilever with a mass-spring system. It can be created using the wave algorithm that appears.

今、図1に示すような、固定された壁につながる一つの大振動子1とこの大振動子1につながる二小振動子3、5からなり、小振動子の一つが出し入れする壁7に一定時間周期Δtごとに完全弾性衝突する三体衝突振動モデルについて考える。このモデルにおいて、衝突する小振動子(以下、衝突小振動子3)の質量mとバネ定数k、衝突しない小振動子(以下、非衝突小振動子5)の質量mとバネ定数k、大振動子1の質量Mとバネ定数Kをそれぞれ以下のように設定された場合、二小振動子間に、交互にエネルギーが移動し、これを繰り返す概周期振動が発生する。このエネルギー移動を実現する波動アルゴリズムは、量子アルゴリズムの一種であり、確率振幅を局在化させるアルゴリズムとして知られるGroverアルゴリズムと等価であることが知られている。(非特許文献4、Optimal Database Search: Wave and
Catalysis、 Apoorva Patel、 http://arxiv.org/abs/quant-ph/0401154)以下では、このアルゴリズムも広くGroverアルゴリズムと呼ぶことにする。
Now, as shown in FIG. 1, a large vibrator 1 connected to a fixed wall and two small vibrators 3 and 5 connected to the large vibrator 1 are arranged on a wall 7 into which one of the small vibrators is taken in and out. Consider a three-body collision vibration model in which a complete elastic collision occurs every fixed time period Δt. In this model, the mass m 1 and the spring constant k 1 of the colliding small oscillator (hereinafter referred to as the colliding small oscillator 3), the mass m 2 and the spring constant of the small oscillator that does not collide (hereinafter referred to as the non-collision small oscillator 5). When k 2 and the mass M and the spring constant K of the large vibrator 1 are set as follows, energy is alternately transferred between the two small vibrators, and an almost periodic vibration is generated. The wave algorithm that realizes this energy transfer is a kind of quantum algorithm, and is known to be equivalent to the Grover algorithm known as an algorithm for localizing the probability amplitude. (Non-Patent Document 4, Optimal Database Search: Wave and
Catalysis, Apoorva Patel, http://arxiv.org/abs/quant-ph/0401154) In the following, this algorithm is also referred to as the Grover algorithm.

ここでpは自然数である。以下では代表時間T=(k/m1/2、代表長さを単位長さ、代表質量をmとすることにより、各物理量を無次元化して表現する。各無次元化された物理量の記号には、*を上付きに付すことで区別する。大振動子1と衝突小振動子3、非衝突小振動子5の質量とバネ定数を
と定義することにより、大振動子1の固有振動数Ω=(2p+1)(k/m1/2/4、衝突小振動子3と非衝突小振動子5の固有振動数は等しく、ω=(k/m1/2と表現される。上式におけるγは、質量比およびバネ定数比を表わす。また系全体の固有振動数は、大振動子1と小振動子全体の重心との二重バネモデルの固有振動数である
によって表現される。
Here, p is a natural number. In the following, each physical quantity is expressed in a non-dimensional manner by setting the representative time T r = (k 1 / m 1 ) 1/2 , the representative length as a unit length, and the representative mass as m 1 . Each dimensionless physical quantity symbol is distinguished by adding a superscript. The mass and spring constant of the large oscillator 1, the small collision oscillator 3, and the non-collision small oscillator 5
Thus, the natural frequency Ω of the large oscillator 1 Ω = (2p + 1) (k 1 / m 1 ) 1/2 / 4, and the natural frequency of the collision small oscillator 3 and the non-collision small oscillator 5 are equal. , Ω r = (k 1 / m 1 ) 1/2 . Γ in the above formula represents a mass ratio and a spring constant ratio. The natural frequency of the entire system is the natural frequency of the double spring model of the large oscillator 1 and the center of gravity of the entire small oscillator.
Is represented by

非特許文献4により、Δt(ω−ω)=2nπの条件下において接続された二小振動子の振動は、大振動子1の振動と離散力学的に切り離され、Groverアルゴリズムが成り立つ。数式1は、そのようにして定められた。 According to Non-Patent Document 4, the vibration of the two small oscillators connected under the condition of Δt *+ −ω ) = 2nπ is discretely separated from the vibration of the large oscillator 1 to establish the Grover algorithm. . Equation 1 was thus determined.

一方、この力学系においては、n回目の衝突時の無次元化された大振動子1の変位、速度をX*[n]、V*[n]、無次元化された衝突小振動子3の変位、速度をx* [n]、v* [n]、無次元化された非衝突小振動子5の変位、速度をx* [n]、v* [n]、無次元化された衝突時間周期Δt=2πとすると、これらの物理量は以下の漸化式によって表される。なお離散化された衝突小振動子3の変位は衝突位置を表わし、衝突小振動子3のx* [0]は初期位置を意味する。つまり波動アルゴリズムが成り立つためには、衝突小振動子3の初期位置を同振動子の衝突位置から始める必要があるが、加振と減衰のある系においては任意の初期条件でこれらの値に収束していくことから、それほど気にする必要はない。 On the other hand, in this dynamic system, the displacement and velocity of the dimensionless large oscillator 1 at the n-th collision are X * [n] and V * [n], and the dimensionless collision small oscillator 3 is made. X * 1 [n], v * 1 [n], the displacement and speed of the non-colliding non-collision small oscillator 5 are x * 2 [n], v * 2 [n], no Assuming that the dimensioned collision time period Δt * = 2π, these physical quantities are expressed by the following recurrence formula. Note that the discretized displacement of the collision small oscillator 3 represents a collision position, and x * 1 [0] of the collision small oscillator 3 represents an initial position. In other words, in order for the wave algorithm to be established, it is necessary to start the initial position of the small collision oscillator 3 from the collision position of the same oscillator. However, in a system with excitation and attenuation, it converges to these values under arbitrary initial conditions. You don't have to worry too much about it.

いま壁に固定した座標系である絶対座標系下で、衝突小振動子3への衝突減衰(反発係数aによる減衰)と非衝突小振動子5の速度に一定速度dvを時間周期ごとに加算するような加振を想定する。Groverアルゴリズムにより時間周期ごとのエネルギー移動量が解析的に求まることから、この移動量を打ち消すように衝突減衰と加振を与えることにより、定常衝突状態が得られる。以下にその条件式を示す。 Under the absolute coordinate system, which is now a coordinate system fixed to the wall, a constant speed dv 2 is set for each time period in the collision attenuation to the collision small oscillator 3 (attenuation by the restitution coefficient a) and the speed of the non-collision small oscillator 5. Assuming excitation to be added. Since the energy transfer amount for each time period is obtained analytically by the Grover algorithm, a steady collision state can be obtained by applying collision attenuation and excitation so as to cancel this transfer amount. The conditional expressions are shown below.

上式は絶対座標系における衝突小振動子3の衝突速度が反発係数と無次元化された加振量dv* から決まることを意味しており、加振量dv* により衝突速度制御が可能となる。一方、この条件式とn回目の衝突時の速度の漸化式より
の式が得られる。これは絶対座標系における二小振動子の衝突時の速度が常に一定になることを意味している。
The above formula is meant that a collision speed of the collision small vibrator 3 in the absolute coordinate system are determined from the pressure Furyou dv * 2, which is dimensionless and the coefficient of restitution, the collision speed control by pressure Furyou dv * 2 It becomes possible. On the other hand, from this conditional expression and the recurrence expression of the speed at the n-th collision
The following equation is obtained. This means that the velocity at the time of collision of the two small vibrators in the absolute coordinate system is always constant.

n回目の衝突時の変位の漸化式より、絶対座標系における衝突時の衝突小振動子3の位置X*+x* も解析的に求まる。
の条件を用いることによって、衝突時の衝突小振動子3の位置は
となり、常に一定となる。これは絶対座標系における衝突時の衝突小振動子3の位置が、常に一定になることを意味している。
From the recurrence formula of the displacement at the n-th collision, the position X * + x * 1 of the collision small oscillator 3 at the time of collision in the absolute coordinate system can also be obtained analytically.
Is used, the position of the collision small oscillator 3 at the time of collision is
And always constant. This means that the position of the collision small oscillator 3 at the time of collision in the absolute coordinate system is always constant.

また、衝突位置(衝突振動子3の初期位置)が振動子のつり合い位置に近いほど、離散力学における衝突振動子の力学的エネルギーも小さくなるので、衝突速度が同じときのことを考えると、衝突位置が釣り位置に近いほど、振動子の振幅もまた小さくなると考えられる。 Also, the closer the collision position (initial position of the collision vibrator 3) is to the balance position of the vibrator, the smaller the mechanical energy of the collision vibrator in discrete mechanics. It is considered that the closer the position is to the fishing position, the smaller the amplitude of the vibrator is.

以上のように、本請求項1で示した3つの機械振動系からなる多体衝突振動系には、絶対座標系における衝突小振動子3の衝突位置、衝突速度が常に一定となる定常解が存在していることが分かる。同様に非衝突小振動子5と大振動子1の位置や速度も定常な振動となる。 As described above, the multi-body collision vibration system including the three mechanical vibration systems described in claim 1 has a steady solution in which the collision position and collision speed of the collision small oscillator 3 in the absolute coordinate system are always constant. You can see that it exists. Similarly, the positions and velocities of the non-collision small vibrator 5 and the large vibrator 1 also become steady vibrations.

請求項2に記載の発明は、請求項1のマルチカンチレバーのカンチレバー8Bで試料を走査し、その際の振幅変化をカンチレバー8Bもしくはカンチレバー8Cで検知し、振幅が一定となるようにアクチュエーターの3次元方向(高さ)の位置をフィードバック制御するもので、カンチレバー8B、8Cの衝突時(離散時間)における位置、速度の関係が(数5)(数3)のように得られていることから、カンチレバー8B、8Cの振幅の関係もまた得られ、これにより、カンチレバー8Bの振幅はカンチレバー8Cの振幅から分かることから、カンチレバー8Bの振幅変化をカンチレバー8Cの振幅変化でも検知できる。以下に(数5)(数3)から得られる二つのカンチレバーの振幅と衝突位置変化による振幅変化量の関係式を示す。質量比γ<1、定常衝突時の衝突時刻をt=2nπとした場合、時刻t≒(2n+1)π、2nπにて二小振動子の変位はほぼ最大になることから、衝突小振動子3の両振幅A、非衝突小振動子5の両振幅Aはそれぞれ近似的に以下のように表される。
According to the second aspect of the present invention, the sample is scanned with the cantilever 8B of the multi-cantilever according to the first aspect, the amplitude change at that time is detected by the cantilever 8B or the cantilever 8C, and the three-dimensional of the actuator is set so that the amplitude becomes constant. Since the position (height) position is feedback controlled, the relationship between the position and speed at the time of collision of the cantilevers 8B and 8C (discrete time) is obtained as in (Equation 5) (Equation 3). The relationship between the amplitudes of the cantilevers 8B and 8C is also obtained, whereby the amplitude of the cantilever 8B is known from the amplitude of the cantilever 8C. Therefore, the change in the amplitude of the cantilever 8B can be detected by the change in the amplitude of the cantilever 8C. The relational expression between the amplitude of the two cantilevers obtained from (Equation 5) and (Equation 3) and the amplitude change amount due to the collision position change is shown below. When the mass ratio γ <1 and the collision time at the time of steady collision is t * = 2nπ, the displacement of the two small vibrators is almost maximized at time t * ≈ (2n + 1) π, 2nπ. both the amplitude a 1 of the child 3, both the amplitude a 2 of the non-collision-small vibrator 5 is respectively approximately expressed as follows.

衝突位置がx →x +dx と変化した直後の二小振動子の振幅をそれぞれA’、A’とすると、二振動子間の振幅変化量の差は以下のように表される。
Assuming that the amplitudes of the two small vibrators immediately after the collision position changes from x 1 * → x 1 * + dx 1 * are A 1 ′ and A 2 ′, respectively, the difference in amplitude variation between the two vibrators is as follows: It is expressed in

これらの式から、二小振動子の振幅変化量の比は以下のようになる。
この式から分かるように、非衝突小振動子5の振幅変化量は衝突小振動子3の振幅変化量の1/γ倍となることが解析的に求まる。これによりγがより小さい値(γ<1)を取るようにカンチレバーを設計してやることにより、カンチレバー8Bの振幅変化量よりカンチレバー8Cの振幅変化量が大きくなる。この際、カンチレバー8Cで衝突位置変化による振幅変化を検知することにより、より深さ方向の精度が上昇すると考えられ、上記の問題に対して解決手段を与える。
From these equations, the ratio of the amplitude change amount of the two small vibrators is as follows.
As can be seen from this equation, it is analytically determined that the amplitude change amount of the non-collision small vibrator 5 is 1 / γ times the amplitude change amount of the collision small vibrator 3. By designing the cantilever so that γ takes a smaller value (γ <1), the amplitude change amount of the cantilever 8C becomes larger than the amplitude change amount of the cantilever 8B. At this time, it is considered that the accuracy in the depth direction is further improved by detecting the amplitude change due to the change in the collision position by the cantilever 8C, and provides a solution to the above problem.

請求項3に記載の発明は、カンチレバー8Cの加振量(速度加振量)とカンチレバー8Bの定常衝突時における衝突速度の関係式が(数3)で得られていることから、カンチレバー8Cへの加振量を制御することにより、カンチレバー8Bの衝突速度を任意に決定することができ、試料への衝撃力を緩和できることから、上記の問題に対して解決手段を与える。
本発明のうち請求項1に係るマルチカンチレバーのうち、試料に衝突させるカンチレバー8Bと加振を施すカンチレバー8Cについては、質量比γ分の自由度があるため、これを適切に設計することで、カンチレバー8Cを検知するのに適したカンチレバーを作製することが可能となる。
In the invention according to claim 3, since the relational expression between the amount of vibration (velocity amount of vibration) of the cantilever 8C and the collision speed at the time of steady collision of the cantilever 8B is obtained by (Equation 3), By controlling the amount of vibration, the collision speed of the cantilever 8B can be determined arbitrarily, and the impact force on the sample can be mitigated, thus providing a solution to the above problem.
Among the multi-cantilevers according to claim 1 of the present invention, the cantilever 8B that collides with the sample and the cantilever 8C that performs vibration have a degree of freedom corresponding to the mass ratio γ. A cantilever suitable for detecting the cantilever 8C can be manufactured.

請求項4に記載の発明は、請求項1で示したマルチカンチレバーにおいて請求項2で示した走査、検知を行うことにより、アクチュエーターの3次元方向(高さ)の位置の制御量が試料の凹凸高さに相当し、これにより試料表面の形状を測定するものである In the invention according to claim 4, by performing the scanning and detection shown in claim 2 in the multi-cantilever shown in claim 1, the control amount of the position in the three-dimensional direction (height) of the actuator can be reduced. Corresponds to the height, which measures the shape of the sample surface

請求項5の発明は、請求項1で示した3つの機械振動系からなる多体衝突振動系は、機械的振動子と電気的振動子の類似性から(電子回路素子としての電気・機械振動子とその応用、永井健三、近野正、コロナ社 (1974))、その一部を電気的振動子によって置換することも可能であり、他の振動子の機能を電気の共振回路や圧電素子等のアクチュエーターに置き換えることにより、一個のカンチレバーでも同様な機能を付与することができる。 According to a fifth aspect of the present invention, the multi-body collision vibration system including the three mechanical vibration systems described in the first aspect is based on the similarity between a mechanical vibrator and an electric vibrator (electric / mechanical vibration as an electronic circuit element). Child and its applications, Kenzo Nagai, Tadashi Konno, Corona (1974)), some of which can be replaced by electric vibrators, and other vibrators function as electrical resonance circuits, piezoelectric elements, etc. A similar function can be imparted to a single cantilever by substituting this actuator.

一般に機械振動子に接合されたアクチュエーターは、等価回路により、キャパシタンス成分Cとインダクタンス成分L、レジスタンス成分Rの組合せによって表現される。例えば、AFMのカンチレバーに接続された圧電素子は、圧電素子自身の持つキャパシタンスC(コンデンサ12A)と圧電素子とカンチレバーが結合してできる機械振動子の等価キャパシタンスCと等価インダクタンスLを持つコンデンサ12B−コイル11Bの共振並列回路との直列回路によって表現される(図3)。CとLの共振回路の固有振動数は、圧電素子とカンチレバーが結合してできる衝突小振動子の機械的な固有振動数と等しく、ω=(L−1/2と表現される。 In general, an actuator joined to a mechanical vibrator is expressed by a combination of a capacitance component C, an inductance component L, and a resistance component R by an equivalent circuit. For example, a piezoelectric element connected to an AFM cantilever has a capacitance C 0 (capacitor 12A) of the piezoelectric element itself, an equivalent capacitance C 1 of a mechanical vibrator formed by coupling the piezoelectric element and the cantilever, and an equivalent inductance L 1 . This is expressed by a series circuit including a capacitor 12B and a resonant parallel circuit of the coil 11B (FIG. 3). The natural frequency of the resonance circuit of C 1 and L 1 is equal to the mechanical natural frequency of the collision small oscillator formed by coupling the piezoelectric element and the cantilever, and ω 1 = (L 1 C 1 ) −1/2. It is expressed.

一方、カンチレバーに張り付ける圧電素子のキャパシタンスC(コンデンサ12A)をインダクタンス成分Lのコイル11Aと直列させ、コイル11A(L)−コンデンサ12A(C)からなる直列共振回路の固有振動数を今回の多体衝突振動系における大振動子1の固有振動数Ωと等しくなるように設計することにより(Ω=(L−1/2)、大振動子1をコイル11AのインダクタンスLと圧電素子のキャパシタンスC(コンデンサ12A)からなる共振回路で置き換えることができる。 On the other hand, the capacitance C 0 (capacitor 12A) of the piezoelectric element attached to the cantilever is connected in series with the coil 11A having the inductance component L 0 , and the natural frequency of the series resonance circuit composed of the coil 11A (L 0 ) -capacitor 12A (C 0 ). Is designed to be equal to the natural frequency Ω of the large vibrator 1 in this multi-body collision vibration system (Ω = (L 0 C 0 ) −1/2 ), so that the large vibrator 1 is connected to the coil 11A. It can be replaced with a resonant circuit comprising an inductance L 0 and a capacitance C 0 (capacitor 12A) of the piezoelectric element.

さらに非衝突小振動子5は、機械振動子と電気振動子の等価則により、固有振動数がω等しい共振周波数を持つインダクタンスLのコイル11CとキャパシタンスCのコンデンサ12Cからなる並列共振回路(ω=(L−1/2)に置き換えることができる。ただし、LとL、CとCとの間には、衝突小振動子3と非衝突小振動子5の質量比γに相当する以下の関係式が成り立つ必要がある。
Further, the non-collision small vibrator 5 is a parallel resonance circuit including a coil 11C having an inductance L 2 having a resonance frequency equal to ω 1 and a capacitor 12C having a capacitance C 2 according to an equivalence rule of a mechanical vibrator and an electric vibrator. (Ω 2 = (L 2 C 2 ) −1/2 ). However, the following relational expression corresponding to the mass ratio γ of the collision small oscillator 3 and the non-collision small oscillator 5 needs to be established between L 2 and L 1 and C 2 and C 1 .

カンチレバーに接続された圧電素子にコイル11A(L)とコイル11C-コンデンサ12Cの並列共振回路を直列に繋ぐことにより、機械振動と電気回路の相似性より、図1の三体衝突振動モデルと等価な回路 (図4) となることから、請求項5に係る共振回路と結合された一本のカンチレバーは、請求項1のマルチカンチレバーと同様な機能を持つ。 By connecting the parallel resonance circuit of the coil 11A (L 0 ) and the coil 11C-capacitor 12C in series to the piezoelectric element connected to the cantilever, the three-body collision vibration model of FIG. Since this is an equivalent circuit (FIG. 4), the single cantilever coupled with the resonance circuit according to claim 5 has the same function as the multi-cantilever according to claim 1.

請求項6に記載の発明は、上記で設計されたカンチレバーと共振回路との結合系において、コイル11C-コンデンサ12Cからなる共振回路とカンチレバーの間で、エネルギーを交換することから、カンチレバーの振幅と、コイル11C-コンデンサ12Cからなる共振回路に掛る電圧との関係式を得られることにより、 試料へ衝突させるカンチレバーの振動状態を圧電素子に繋いだコイル11C-コンデンサ12Cに掛る電圧により検知できる。なお本方式においては、アクチュエーターの機械的振動がカンチレバーと密接に結合する必要があることから、圧電素子等のアクチュエーターをカンチレバー表面に成膜するなどの工夫が必要となる。 According to the sixth aspect of the present invention, in the coupling system of the cantilever and the resonance circuit designed as described above, energy is exchanged between the resonance circuit composed of the coil 11C and the capacitor 12C and the cantilever. By obtaining the relational expression with the voltage applied to the resonance circuit composed of the coil 11C and the capacitor 12C, the vibration state of the cantilever colliding with the sample can be detected by the voltage applied to the coil 11C and the capacitor 12C connected to the piezoelectric element. In this method, since the mechanical vibration of the actuator needs to be closely coupled with the cantilever, it is necessary to devise such as forming an actuator such as a piezoelectric element on the surface of the cantilever.

請求項7に記載の発明は、請求項1で示した3つの機械振動系からなる多体衝突振動系においては、各振動子の位置や速度が定常振動となり、その値が解析的に表現されていることから、一本のカンチレバーにおいても、3体衝突振動モデルで一定の加振をその他小振動子に掛けた際に実現する定常状態に保つように系をフィードバックさせることにより、カンチレバーの衝突速度の制御やより精度の高い高さ方向の分解能を実現することができる。一本のカンチレバーの根元に圧電素子等のアクチュエーターを取り付け、カンチレバーの根元の位置を大振動子1の取るべき位置に、また一本のカンチレバーの根元の速度を大振動子1の取るべき速度になるようにアクチュエーターに電圧を掛ける。一本のカンチレバーの衝突位置が、請求項1で示した多体衝突振動系におけるカンチレバーの衝突位置と一致していた場合には、定常振動が起こる。 According to the seventh aspect of the present invention, in the multi-body collision vibration system comprising the three mechanical vibration systems described in the first aspect, the position and speed of each vibrator are stationary vibrations, and the values are expressed analytically. Therefore, even in a single cantilever, the cantilever collision is achieved by feeding back the system to maintain a steady state that is realized when a constant vibration is applied to other small vibrators in the three-body collision vibration model. Speed control and higher resolution in the height direction can be realized. An actuator such as a piezoelectric element is attached to the base of one cantilever, the base position of the cantilever is set to the position where the large vibrator 1 should be taken, and the speed of the base of one cantilever is set to the speed that the big vibrator 1 should take. Apply a voltage to the actuator so that When the collision position of one cantilever coincides with the collision position of the cantilever in the multi-body collision vibration system shown in claim 1, steady vibration occurs.

一方、一本のカンチレバーの衝突位置が、請求項1で示した多体衝突振動系におけるカンチレバーの衝突位置から離れた場合には、一本のカンチレバーの振幅が大きくなり、また近づいた場合には、一本のカンチレバーの振幅が小さくなる。これにより、一本のカンチレバーの振幅が一定の定常状態になるように、カンチレバーの根元の位置を制御しながら試料を走査させることにより、カンチレバーの衝突時の衝撃力の制御ができ、精密な高さ方向の分解能を持つAFM装置が可能となり、請求項3に係る制御法が実現する。 On the other hand, when the collision position of one cantilever is away from the collision position of the cantilever in the multi-body collision vibration system shown in claim 1, the amplitude of one cantilever increases and The amplitude of one cantilever is reduced. As a result, the impact force at the time of the cantilever collision can be controlled by scanning the sample while controlling the base position of the cantilever so that the amplitude of one cantilever becomes a constant steady state. An AFM apparatus having a horizontal resolution is possible, and a control method according to claim 3 is realized.

本発明の請求項3では、請求項1や請求項2におけるカンチレバーの衝突振動において解析的な定常解が得られ、衝突速度が加振力に比例して変化することから、加振力を制御することにより試料への衝突速度を変化させることができる。カンチレバーの衝突速度を小さくすることで、Graze衝突に限りなく近い状態にできることから、試料のダメージを最小限にすることができ、生体試料や基板に付いた吸着力の弱い試料などの柔らかい表面を高分解能で観察することが可能となる。 According to the third aspect of the present invention, an analytical steady solution is obtained in the collision vibration of the cantilever according to the first and second aspects, and the collision speed changes in proportion to the excitation force. By doing so, the collision speed to the sample can be changed. By reducing the cantilever collision speed, it can be as close to Graze collision as possible, minimizing damage to the sample, and soft surfaces such as biological samples and weakly adsorbed samples attached to the substrate. It becomes possible to observe with high resolution.

また本発明の請求項2により、カンチレバー8Bの振幅をカンチレバー8Cの振幅で検知することが出来、系の設計によって、試料表面の凹凸によるカンチレバー8Bの振幅変化をカンチレバー8Cの振幅変化で拡大できる。また本発明を用いることによって、カンチレバーの定常振動を解析的に設計でき、試料高さの変化をカンチレバーの振幅の連続した変化として捉えることができる。従来のAFMの技術では、試料高さをカンチレバーの振幅や振動数の変化として捉えていたが、離れた試料を近づけた際のこれらの量の変化は不連続的であり、振動を始めたカンチレバーの位置は、その振幅の分だけ不確定性が残っていたことから、この技術により深さ方向の分解能の向上が期待でき、従来は観察が難しかった原子オーダーの高さの変化がより容易に得られる可能性がある。 According to the second aspect of the present invention, the amplitude of the cantilever 8B can be detected by the amplitude of the cantilever 8C, and the amplitude change of the cantilever 8B due to the unevenness of the sample surface can be expanded by the amplitude change of the cantilever 8C by the system design. Further, by using the present invention, the steady vibration of the cantilever can be designed analytically, and the change in the sample height can be regarded as a continuous change in the amplitude of the cantilever. In the conventional AFM technology, the sample height is regarded as a change in the amplitude and frequency of the cantilever. However, the change in these amounts when a distant sample is brought close is discontinuous, and the cantilever that started to vibrate As the position of て い remains uncertain as much as its amplitude, this technique can be expected to improve the resolution in the depth direction, making it easier to change the height of the atomic order, which was difficult to observe in the past. May be obtained.

本発明の請求項6においては、請求項5における機械―電気結合を用いることにより、試料高さの変化に対応するカンチレバーの衝突位置変化を、外部のコイル11C-コンデンサ12Cからなる並列共振回路に発生する電圧で検知できるため、従来のカンチレバーを検知するための光てこ法等の技術やそれに要する光学軸の調整等の手間が不要となり、多数のAFMプローブを使った検査装置の自動化が実現する。 In the sixth aspect of the present invention, by using the mechanical-electrical coupling in the fifth aspect, the change in the collision position of the cantilever corresponding to the change in the sample height is applied to the parallel resonance circuit including the external coil 11C and the capacitor 12C. Since it can be detected by the generated voltage, the conventional technique such as the optical lever method for detecting the cantilever and the trouble of adjusting the optical axis required for it can be eliminated, and the inspection apparatus using a large number of AFM probes can be automated. .

本発明の請求項7においては、請求項1におけるマルチカンチレバーに現れる解析的な定常解からもとめられる衝突速度と加振量の関係を用いた加振をおこなうことにより、一本のカンチレバーでも請求項1におけるマルチカンチレバーと同様な定常振動を得ることができ、これをフィードバック制御することにより、カンチレバーの衝突速度制御や高さ方向の高分解能化が可能となることから、タッピングモードにおける衝撃力を抑えた高分解能AFM観察が可能となる。 According to claim 7 of the present invention, even a single cantilever is claimed by performing vibration using the relationship between the collision speed and the amount of vibration obtained from the analytical steady solution appearing in the multi-cantilever in claim 1. The steady vibration similar to that of the multi-cantilever in No. 1 can be obtained, and by controlling this feedback, it is possible to control the collision speed of the cantilever and increase the resolution in the height direction. High-resolution AFM observation is possible.

本発明を実施する最良の手段として、以下では、請求項1におけるマルチカンレバーを使った機械的な振動系における測定法と請求項5におけるカンチレバーと電気回路との機械―電気結合系を使った測定法、請求項7におけるシングルカンチレバーにこの技術を応用した測定法を例に取り上げて説明する。 As the best means for carrying out the present invention, the measurement method in the mechanical vibration system using the multi-cantilever in claim 1 and the mechanical-electrical coupling system of the cantilever and the electric circuit in claim 5 are used below. The measurement method and a measurement method applying this technique to the single cantilever in claim 7 will be described as an example.

まず始めに、請求項1におけるマルチカンレバーを使った機械的な振動系における測定法について、これを応用した例について述べる。マルチカンレバーは、単振動をカンチレバーの1次振動に対応させた次に示す式を使って、図4に示す各寸法を決定する。ここでpは自然数であり、カンチレバー8A、8B、8Cの高さ、長さ、幅をそれぞれh、l、b、h、l、b、h、l、bとする(図2)。 First, an example in which the measurement method in a mechanical vibration system using a multican lever according to claim 1 is applied will be described. The multi-cantilever determines each dimension shown in FIG. 4 by using the following equation in which simple vibration corresponds to primary vibration of the cantilever. Here, p is a natural number, and the height, length, and width of the cantilevers 8A, 8B, and 8C are h 0 , l 0 , b 0 , h 1 , l 1 , b 1 , h 2 , l 2 , b 2, respectively. (FIG. 2).

上記の条件式を満たすように、かつ数式11、12の条件式から得られるm’’、m’が適切な値になるように各寸法を決定する。
ここでm’、m’は、衝突小振動子3、非衝突小振動子5に相当するカンチレバー8B、8Cの先端に付加されている質量である。以上の条件を満たす様、設計することにより、請求項1で示したマルチカンチレバーが得られる。
Each dimension is determined so that the above conditional expressions are satisfied and m 1 ″ and m 2 ′ obtained from the conditional expressions of Expressions 11 and 12 are appropriate values.
Here, m 1 ′ and m 2 ′ are masses added to the tips of cantilevers 8B and 8C corresponding to the small collision oscillator 3 and the small collision small oscillator 5, respectively. The multi-cantilever shown in claim 1 can be obtained by designing to satisfy the above conditions.

このマルチカンチレバーのカンチレバーCの先端にはコバルト等の磁性体を蒸着することにより、外部磁場の印加により駆動力が掛るように工夫する。この他にも、カンチレバー8Cの根本に圧電素子を張り付けたり、カンチレバー8Cの先端に金属コイルを蒸着させて高周波の磁場による渦電流を与えたり、光ピンセット等の技術により、光子の圧力を利用したりするなどの工夫が考えられる。 A magnetic material such as cobalt is deposited on the tip of the cantilever C of the multi-cantilever so as to apply a driving force by applying an external magnetic field. In addition, a piezoelectric element is attached to the root of the cantilever 8C, a metal coil is deposited on the tip of the cantilever 8C to give an eddy current due to a high-frequency magnetic field, and the pressure of photons is utilized by techniques such as optical tweezers. It is possible to devise such as

次にXYZ軸を持つピエゾステージ上に試料を固定する。このピエゾステージには、従来のAFM装置と同じく、試料を原子分解能で移動させる機能をもたせ、外部のピエゾ用駆動回路を使って、PCにつないだD/Aコンバーターにより制御させる。次にマルチカンチレバーを自動XYZステージに取り付ける。マルチカンチレバーを取り付けた自動ステージと試料を取り付けたピエゾステージは、外部の温度変化の影響をあまり受けないインバー合金等の低熱膨張材を使って接続すると良い。このマルチカンチレバーの近くには、微小コイルを置き、外部から高周波バイポーラー電源を用いて、高周波磁場を印加させる様にする。この高周波バイポーラー電源には、PCにつないだD/Aコンバーターやプログラマブルな周波数発生器により任意の波形を印加できるようにする。このコイルからの磁場の印加により、カンチレバー8Cを加振することができるようにする。カンチレバー8Cを加振することにより、これと連成したカンチレバー8Bも振動を始める。 Next, a sample is fixed on a piezo stage having XYZ axes. Like the conventional AFM apparatus, this piezo stage has a function of moving a sample with atomic resolution, and is controlled by a D / A converter connected to a PC using an external piezo drive circuit. Next, the multi-cantilever is attached to the automatic XYZ stage. The automatic stage with the multi-cantilever attached and the piezo stage with the sample attached should be connected using a low thermal expansion material such as Invar alloy that is not significantly affected by external temperature changes. A micro coil is placed near the multi-cantilever, and a high frequency magnetic field is applied from the outside using a high frequency bipolar power source. An arbitrary waveform can be applied to the high-frequency bipolar power source by a D / A converter or a programmable frequency generator connected to the PC. By applying a magnetic field from this coil, the cantilever 8C can be vibrated. When the cantilever 8C is vibrated, the cantilever 8B coupled thereto also starts to vibrate.

また衝突カンチレバー先端には、レーザーを絞って当てており、その反射光を離した位置においた4分割フォトダイオードからの電圧差によってカンチレバー8Bの振幅量を測定する。この際、レーザーは必ずしも、カンチレバー8Bだけに当てる必要はなく、カンチレバー8Cに当てることによっても、定常振動の関係式により、カンチレバー8Bの振幅量を評価することができる。カンチレバー8Cの振幅をカンチレバー8Bの振幅の評価に使う場合は、加振の影響を減らすために、加振周波数はバースト波とし、加振停止状態での振幅の変化を評価するなどの工夫を入れる。カンチレバー8Cがカンチレバー8Bよりも(幅を)大きく設計することで、レーザーの光軸合わせは、より簡便になる。 Further, a laser is focused on the tip of the collision cantilever, and the amplitude of the cantilever 8B is measured by the voltage difference from the four-divided photodiode at the position where the reflected light is separated. At this time, the laser is not necessarily applied only to the cantilever 8B, and the amplitude amount of the cantilever 8B can be evaluated by applying the laser to the cantilever 8C by the relational expression of steady vibration. When the amplitude of the cantilever 8C is used for the evaluation of the amplitude of the cantilever 8B, in order to reduce the influence of the vibration, the vibration frequency is a burst wave, and a measure such as evaluating the change in the amplitude when the vibration is stopped is added. . By designing the cantilever 8C to be larger (wider) than the cantilever 8B, it becomes easier to align the optical axis of the laser.

次に自動XYZステージを動かしてマルチカンチレバーを試料に近づける。その際、試料側のピエゾステージのZ軸をカンチレバー側に最大限伸ばすことにより試料-カンチレバー間の距離を近づけておき、カンチレバー8Bが試料表面と接触したことを検知した際、ピエゾのZ軸を縮めることにより試料-カンチレバー間の距離を離し、カンチレバー自体、もしくはカンチレバー先端のプローブの破損を防ぐようにする。カンチレバー8Bが試料に接触した際には、加振されたカンチレバー8Cからカンチレバー8Bへ波動アルゴリズムに従って振動エネルギーが流れ込むため、振幅が急激に増加する。この信号を検出して、マルチカンチレバーの試料先端へのアプローチを停止させ、ピエゾをZ軸方向に縮めさせる。 Next, the automatic XYZ stage is moved to bring the multi-cantilever closer to the sample. At that time, the Z-axis of the piezo stage on the sample side is extended to the cantilever side as much as possible to keep the distance between the sample and the cantilever close. When it is detected that the cantilever 8B is in contact with the sample surface, the Z-axis of the piezo is By shortening, the distance between the sample and the cantilever is increased to prevent damage to the cantilever itself or the probe at the tip of the cantilever. When the cantilever 8B comes into contact with the sample, the vibration energy flows from the excited cantilever 8C into the cantilever 8B according to the wave algorithm, so that the amplitude increases rapidly. This signal is detected, the approach of the multi-cantilever to the sample tip is stopped, and the piezo is contracted in the Z-axis direction.

根元のカンチレバー8Aに減衰特性を持たせることにより、系は定常振動へと遷移し、タッピングモードによるカンチレバーの走査が可能になる。試料の走査は、試料を固定したピエゾステージを試料表面水平方向に走査させることによっておこなう。 By providing the base cantilever 8A with a damping characteristic, the system shifts to steady vibration, and the cantilever can be scanned in the tapping mode. The sample is scanned by scanning the piezo stage with the sample fixed in the horizontal direction of the sample surface.

この定常振動状態において、カンチレバー8Bの振幅は、カンチレバー8Cの振幅に比例し、またカンチレバーの釣合位置と試料表面との距離の関数となることから、カンチレバー8Bやカンチレバー8Cの振幅を評価することで、試料高さの変化が評価できる。ただしカンチレバーの振幅は、加振力の関数でもあるため、この場合、加振は一定としなければならない。カンチレバー8Bやカンチレバー8Cの振幅が一定になるように試料ステージに高さ方向のフィードバックを掛ければ、通常のAFMと同じ使い方ができる。ただし、本発明による手法では、試料高さと振幅の間に連続した関係が存在することから、高さ方向の精度の向上が期待できる。さらにある範囲以内の試料高さの変化に対しては、試料高さの情報がカンチレバーの振幅の大きさとなって現れるため、フィードバック機構を要さずにプロファイル測定が可能となるものと予想されるが、加振系等の影響を極力抑える設計にする必要がある。これが実現した場合、フィードバックを介さずに試料のプロファイル変化を評価できることから、今以上の高速スキャンが実現するものと期待される。 In this steady vibration state, the amplitude of the cantilever 8B is proportional to the amplitude of the cantilever 8C and is a function of the distance between the cantilever balance position and the sample surface. Thus, the change in the sample height can be evaluated. However, since the amplitude of the cantilever is also a function of the excitation force, the excitation must be constant in this case. If feedback in the height direction is applied to the sample stage so that the amplitude of the cantilever 8B and cantilever 8C is constant, the same usage as a normal AFM can be performed. However, in the method according to the present invention, since there is a continuous relationship between the sample height and the amplitude, an improvement in accuracy in the height direction can be expected. Furthermore, for changes in the sample height within a certain range, the information on the sample height appears as the amplitude of the cantilever, so it is expected that profile measurement can be performed without the need for a feedback mechanism. However, it is necessary to make the design to suppress the influence of the excitation system as much as possible. When this is realized, it is possible to evaluate the profile change of the sample without using feedback, so that it is expected that higher-speed scanning will be realized.

さらに柔らかい試料などカンチレバーの衝撃力を嫌う材料を観察する場合には、本手法を用いて加振力を小さくすることで、カンチレバーのタッピング時における衝撃力を抑えることが可能になる。表面の凹凸が激しい試料の場合、ある一定以上に加振力を小さくすると、カンチレバーはGraze条件を越えて、試料と衝突しなくなる可能性もあることから、試料によって条件の選択には注意をしなければならない。以上のようにして、本発明における請求項1におけるマルチカンチレバーを用いたタッピングモードAFMが可能となる。 When observing a material that dislikes the impact force of a cantilever, such as a soft sample, it is possible to reduce the impact force when tapping the cantilever by reducing the excitation force using this method. In the case of a sample with a rough surface, if the excitation force is reduced beyond a certain level, the cantilever may exceed the Graze condition and may not collide with the sample. There must be. As described above, the tapping mode AFM using the multi-cantilever according to claim 1 of the present invention is possible.

次に請求項5におけるカンチレバーと電気回路との機械―電気結合系を使った測定法について、これを応用した例について述べる。機構的なシステムは、前述したマルチカンチレバーを用いたタッピングモードAFMとほぼ同じであることから、以下の点に差異を中心に述べる。 Next, a measurement method using a mechanical-electrical coupling system between a cantilever and an electric circuit according to claim 5 will be described as an application example. Since the mechanical system is almost the same as the tapping mode AFM using the multi-cantilever described above, the following points will be mainly described.

まず、カンチレバーには通常のシングルカンチレバーを用いる。このカンチレバー表面に圧電素子を成膜するか、カンチレバーの根元に圧電素子を密接に張り付けることにより,圧電素子の機械振動がカンチレバーと一致するように工夫する。また圧電素子には電極を付け、外部電源による加振を可能にする。次にこの圧電素子に直列にコイル11Aと共振回路(コイル11Cとコンデンサ12Cを並列に接続させたもの)を接続し、閉回路を作る。各電子部品の選択には、機械振動子と電気振動子の等価性を利用して、マルチカンチレバーにおける各カンチレバーに合うように設計をおこなう。この際、カンチレバーに取り付けた圧電素子も等価回路によって評価する必要があり、インピーダンスアナライザー等により、加振周波数での等価素子の値を得ておく必要がある。 First, a normal single cantilever is used as the cantilever. A piezoelectric element is formed on the surface of the cantilever, or the piezoelectric element is closely attached to the base of the cantilever so that the mechanical vibration of the piezoelectric element coincides with that of the cantilever. In addition, an electrode is attached to the piezoelectric element to enable excitation by an external power source. Next, a coil 11A and a resonance circuit (a coil 11C and a capacitor 12C connected in parallel) are connected in series with this piezoelectric element to form a closed circuit. Each electronic component is selected by using the equivalence of a mechanical vibrator and an electric vibrator so as to fit each cantilever in the multi-cantilever. At this time, the piezoelectric element attached to the cantilever also needs to be evaluated by an equivalent circuit, and the value of the equivalent element at the excitation frequency needs to be obtained by an impedance analyzer or the like.

次に外部電源による加振を高周波バイポーラー電源につないだコイル14と前述した共振回路のコイルとの電磁結合によりおこなう。電源への信号は、振幅を制限した正弦波でも構わないものの、プログラマブルな高周波発生器やPCにつないだA/Dコンバーターによって、共振回路の発振を乱さないように制御させた信号を利用する方がより良い。共振回路に入力された振動のエネルギーは、結合されたコイルを伝わって、カンチレバーを振動させる。 Next, excitation by an external power source is performed by electromagnetic coupling between the coil 14 connected to the high frequency bipolar power source and the coil of the resonance circuit described above. Although the signal to the power supply may be a sine wave with limited amplitude, a signal that is controlled so as not to disturb the oscillation of the resonant circuit by a programmable high-frequency generator or an A / D converter connected to a PC Is better. The energy of vibration input to the resonance circuit is transmitted through the coupled coil to vibrate the cantilever.

カンチレバーの振幅は、従来のAFMと同様に先端にレーザーを当てることによる光てこ法を利用することもできるが、共振回路を構成する素子端の電圧でも同様に評価することが可能となる。その場合、外部電源につながれたコイルと共振回路のコイルの結合が影響するため、外部電源による加振はバースト波にするなどの工夫が必要となる。その他、本システムの持つ利便性は、前述のマルチカンチレバーを用いたタッピングモードAFMとほぼ同じであることから省略する。 The amplitude of the cantilever can be evaluated using an optical lever method in which a laser is applied to the tip as in the case of a conventional AFM, but can also be similarly evaluated by the voltage at the element end constituting the resonance circuit. In that case, since the coupling between the coil connected to the external power supply and the coil of the resonance circuit is affected, it is necessary to devise such as a burst wave for the excitation by the external power supply. In addition, the convenience of this system is omitted since it is almost the same as the tapping mode AFM using the multi-cantilever described above.

最後に請求項7におけるシングルカンチレバーにこの技術を応用した測定法について、これを応用した例について述べる。機構的なシステムは、前述したマルチカンチレバーを用いたタッピングモードAFMとほぼ同じであることから、以下の点についての差異を中心に述べる。 Finally, an example of applying this technique to a single cantilever according to claim 7 will be described. Since the mechanical system is almost the same as the tapping mode AFM using the multi-cantilever described above, the following points will be mainly described.

まず、カンチレバーには通常のシングルカンチレバーを用いる。このカンチレバーの根元には圧電素子を張り付けることにより、カンチレバーの加振を可能にする。この圧電素子には、高周波バイポーラー電源につなぎ、プログラマブルな高周波発生器やPCにつないだA/Dコンバーターによって、任意の波形による加振を可能にする。入力波形は、マルチカンチレバーにおける大振動子1の位置や速度を再現するように制御する。定常状態における大振動子1の位置や速度は周期関数であることから、前もって波形を計算しておく。定常状態における大振動子の位置や速度を算出する際、目標のカンチレバーの衝突速度と衝突位置が合うように設計する。こうした加振力を入れることにより、前述のマルチカンチレバーによる振動をエミュレーションすることができる。入力波形は単純な正弦波ではないことから、高周波バイポーラー電源やプログラマブル高周波発生器やA/Dコンバーターには、カンチレバーの加振周波数よりも一桁大きな周波数での高速応答が必要となる。 First, a normal single cantilever is used as the cantilever. The cantilever can be vibrated by attaching a piezoelectric element to the base of the cantilever. This piezoelectric element is connected to a high-frequency bipolar power source, and can be excited by an arbitrary waveform by a programmable high-frequency generator or an A / D converter connected to a PC. The input waveform is controlled so as to reproduce the position and speed of the large vibrator 1 in the multi-cantilever. Since the position and speed of the large vibrator 1 in the steady state are periodic functions, the waveform is calculated in advance. When calculating the position and velocity of the large vibrator in the steady state, the design is made so that the collision velocity and the collision position of the target cantilever match. By applying such an excitation force, it is possible to emulate the vibration caused by the multi-cantilever described above. Since the input waveform is not a simple sine wave, high-frequency bipolar power supplies, programmable high-frequency generators, and A / D converters require a high-speed response at an order of magnitude greater than the excitation frequency of the cantilever.

このようにしてタッピングさせた状態でカンチレバーを試料に近づけると、衝突後、カンチレバーの振幅は、定常振動に移る。これを確認した後、試料のピエゾステージを水平に動かすことにより、カンチレバーを試料表面に走査させる。走査による試料位置の変化は、カンチレバーの振幅の変化となって現れることから、振幅が大きくなった場合には、試料をカンチレバー側に近づけるようにフィードバックを掛け、振幅が小さくなった場合には、逆に試料をカンチレバーから遠ざけるように制御する。この方式におけるエミュレーションでは、試料位置のフィードバックによって、定常振動を保つように制御することによって、前述の二つの方式に近い動きを可能にするものの、カンチレバーと内部共振を起こす振動系を持たないため、定常状態を示す試料高さからずれた場合には、カンチレバーの振動はカオス等の乱れた振動になるなどの欠点も予想される。こうした乱れを起こさないように、計画された定常振動内に収まるように、試料位置の高速なフィードバックが重要となる。 When the cantilever is brought close to the sample in the tapped state in this way, the amplitude of the cantilever shifts to steady vibration after the collision. After confirming this, the cantilever is scanned over the sample surface by moving the piezo stage of the sample horizontally. Since the change in the sample position due to scanning appears as a change in the amplitude of the cantilever, when the amplitude is increased, feedback is performed so that the sample is closer to the cantilever side, and when the amplitude is reduced, Conversely, control is performed so that the sample is kept away from the cantilever. In this method of emulation, although it is possible to move close to the above two methods by controlling to maintain steady vibration by feedback of the sample position, it does not have a vibration system that causes internal resonance with the cantilever. If the sample height deviates from the steady state, the cantilever vibration is expected to be a turbulent vibration such as chaos. In order not to cause such disturbance, high-speed feedback of the sample position is important so as to be within the planned steady vibration.

以上のような形体により、本発明で提案した請求項における3つの方式が可能となる。 The above-described form enables the three methods in the claims proposed in the present invention.

本発明であるカンチレバーの産業上の利用可能性を以下に述べる。
請求項1〜4における技術を用いることにより、AFMのタッピング法におけるカンチレバーの衝突速度を加振量によって制御することが可能となることから、Grazingに近い、ほとんど速度がゼロとなるような制御を施すことにより、試料への衝撃力を減らすことができる。これにより生体材料における細胞膜の表面観察や基板表面に弱く付着した物質の表面の凹凸の観察に対してもAFM観察が有効となる。また同時にカンチレバーやプローブへのダメージも減らすことが出来ることから、カンチレバーの寿命が長くなるため、プローブや取り換え等に掛るコストや時間を減らすことができる。
The industrial applicability of the cantilever according to the present invention will be described below.
By using the techniques according to claims 1 to 4, it is possible to control the collision speed of the cantilever in the AFM tapping method by the amount of vibration, so that control close to Grazing and almost zero speed is performed. By applying, the impact force to the sample can be reduced. As a result, AFM observation is also effective for observation of the surface of a cell membrane in a biological material and observation of irregularities on the surface of a substance weakly attached to the substrate surface. At the same time, since the damage to the cantilever and the probe can be reduced, the life of the cantilever is prolonged, so that the cost and time required for the probe and replacement can be reduced.

請求項1及び請求項2において質量比γ<1とすることにより、タッピングモードAFMにおける、高さ方向の分解能を向上させることができる。これにより、厳密なサイズの設計が重要とな、精密な試料を測定することができるようになり、より性能の良い素子の製造が可能になる。 By setting the mass ratio γ <1 in claims 1 and 2, the resolution in the height direction in the tapping mode AFM can be improved. As a result, it is important to design a strict size, and it becomes possible to measure a precise sample, and it becomes possible to manufacture a device with higher performance.

請求項5および請求項6において、衝突させないカンチレバーの振幅や並列共振回路に掛る電圧によって試料高さの連続した変化を評価できることから、試料表面の微細な力の変化も敏感に測定することができる。これにより、カンチレバー先端の力の変化に関する測定もより敏感に観察することができる。 According to the fifth and sixth aspects, since the continuous change in the sample height can be evaluated by the amplitude of the cantilever that is not caused to collide and the voltage applied to the parallel resonance circuit, a minute change in the force on the sample surface can be sensitively measured. . Thereby, the measurement regarding the change in force at the tip of the cantilever can be observed more sensitively.

請求項5および請求項6において、従来のカンチレバーの検知に用いていた光てこ法等の装置が不要となることから、AFM装置は小型化することができるようになり、顕微鏡や真空装置、TEMやSEM等の評価装置内部に容易に追加することができるようになる。また多くのカンチレバーを並べることも可能となることから、半導体等の検査装置においても、装置の自動化や検査時間の短縮に貢献する。 In claim 5 and claim 6, since an apparatus such as an optical lever method used for conventional cantilever detection is not required, the AFM apparatus can be miniaturized, and a microscope, vacuum apparatus, TEM And SEM can be easily added to the inside of the evaluation apparatus. In addition, since a large number of cantilevers can be arranged, this also contributes to the automation of the apparatus and the reduction of the inspection time even in the inspection apparatus for semiconductors and the like.

さらに光てこ法等の従来の手法で必要のあったレーザーの光学軸調整等の手間がなくなることから、観察が容易になり、観察に特別に熟練した技術等が必要なくなり、作業効率の向上が見込まれる。また光学軸のずれ等による測定のエラーがなくなることから、連続した測定が可能となり、これを利用した産業のコストの低下に貢献する。 Furthermore, since there is no need to adjust the optical axis of the laser, which was necessary with conventional methods such as the optical lever method, observation becomes easier, and specially skilled techniques are no longer necessary, improving work efficiency. Expected. In addition, since measurement errors due to optical axis misalignment and the like are eliminated, continuous measurement is possible, which contributes to a reduction in industrial costs.

さらに本発明の請求項7の技術を用いることによって、一本のカンチレバーを用いたAFMにおいても、簡単な装置の改良により本技術を応用することができるようになり、新たな装置開発が必要なくなる。また本発明の請求項1で示したカンチレバーを作製することにより、従来のタッピングモードAFMを多少改良することにより、本技術を適用できるようになる。 Furthermore, by using the technique of claim 7 of the present invention, even in an AFM using a single cantilever, the present technique can be applied by improving the simple apparatus, and no new apparatus development is required. . Further, by producing the cantilever shown in claim 1 of the present invention, the present technology can be applied by slightly improving the conventional tapping mode AFM.

最後に本発明では、ある範囲内で試料高さの変化がカンチレバーの振幅の変化となって現れることから、表面の凹凸が激しくない平らな試料においては、試料の高さ方向のフィードバックを掛けることなく高さの変化を測ることが可能となる。AFMのシステムにおいてフィードバックが必要となくなることから、信号の発信等のノイズが入りにくくなるため、表面高さの変化が小さい試料においても、精度良く測定できる可能性がある。またフィードバックを要しない高速スキャンが可能となることから、生体等の分子の変化をその場観察することが可能になる。 Finally, in the present invention, since the change in the sample height appears as a change in the amplitude of the cantilever within a certain range, feedback is applied in the height direction of the sample for a flat sample with no severe surface irregularities. It is possible to measure the change in height. Since feedback is not required in the AFM system, noise such as signal transmission is difficult to enter, and therefore, even a sample with a small change in surface height may be able to be measured with high accuracy. In addition, since high-speed scanning that does not require feedback is possible, it is possible to observe changes in molecules such as living bodies in situ.

大振動子に二つの小振動子が結合した三体衝突振動モデルThree-body collision vibration model with two small oscillators coupled to a large oscillator 三体衝突振動モデルの質量-バネ系をカンチレバーに置き換えたときのイメージImage of replacing the mass-spring system of the three-body collision vibration model with a cantilever 三体衝突振動モデルの質量-バネ系をコイル、コンデンサに置き換えた時の回路図Circuit diagram when the mass-spring system of the three-body collision vibration model is replaced with a coil and capacitor 圧電素子の等価回路Equivalent circuit of piezoelectric element

1 大振動子
2 大振動子のバネ
3 衝突小振動子
4 衝突小振動子のバネ
5 非衝突小振動子
6 非衝突小振動子のバネ
7 時間周期ごとに出し入れする壁
8A 大振動子に相当するカンチレバー
8B 衝突小振動子に相当するカンチレバー
8C 非衝突小振動子に相当するカンチレバー
9 試料
10 プローブ
11A 大振動子の質量に相当するコイル
11B 衝突小振動子の質量に相当するコイル
11C 非衝突小振動子の質量に相当するコイル
12A 大振動子のバネに相当するコンデンサ
12B 衝突小振動子のバネに相当するコンデンサ
12C 非衝突小振動子のバネに相当するコンデンサ
13 圧電素子−カンチレバーの等価回路
14 システムにエネルギーを与える電源
1 Large oscillator 2 Large oscillator spring
3 Collision small oscillator 4 Collision small oscillator spring 5 Non-collision small oscillator
6 Spring of non-collision small oscillator 7 Wall 8A to be taken in and out every time period Cantilever equivalent to large oscillator
8B Cantilever equivalent to a collision small oscillator
8C Cantilever equivalent to non-collision small oscillator
9 Sample 10 Probe 11A Coil corresponding to mass of large vibrator 11B Coil corresponding to mass of collision small vibrator
11C Coil corresponding to mass of non-collision small vibrator
12A Capacitor corresponding to the spring of the large oscillator 12B Capacitor corresponding to the spring of the small collision oscillator 12C Capacitor corresponding to the spring of the non-collision small oscillator 13 Piezoelectric element-cantilever equivalent circuit 14 Power supply for supplying energy to the system

Claims (7)

カンチレバーAと、該カンチレバーAにそれぞれ繋がるカンチレバーBと、カンチレバーCで構成されるAMF用マルチカンチレバーであって、前記カンチレバーBと、前記カンチレバーCの固有振動数が同一で、前記カンチレバーBと前記カンチレバーCの重心と、前記カンチレバーAがつくる二つの連成固有振動数の差と衝突周期の積が2πの整数倍であって前記カンチレバーCを加振して用い、前記カンチレバーBを試料表面に衝突させて用いることを特徴とするAFM用マルチカンチレバー。 A cantilever A, a cantilever B connected to the cantilever A, and a multi-cantilever for AMF composed of the cantilever C, wherein the cantilever B and the cantilever C have the same natural frequency, and the cantilever B and the cantilever C The product of the center of gravity of C, the difference between the two coupled natural frequencies created by the cantilever A and the collision period is an integral multiple of 2π, and the cantilever C is vibrated and used to collide with the sample surface. A multi-cantilever for AFM characterized by being used. 前記AFM用マルチカンチレバーを搭載するアクチュエーターが試料表面を2次元(平面)方向に走査するタッピングモードAFMであって、前記走査の期間中、前記カンチレバーBもしくは前記カンチレバーCの振幅が所定の値に保持されるよう、前記アクチュエーターの3次元(高さ)方向の位置がフィードバック制御されることを特徴とするタッピングモードAFM。 The actuator equipped with the AFM multi-cantilever is a tapping mode AFM in which the sample surface is scanned in a two-dimensional (planar) direction, and the amplitude of the cantilever B or the cantilever C is maintained at a predetermined value during the scanning period. The tapping mode AFM is characterized in that the position of the actuator in the three-dimensional (height) direction is feedback-controlled. 前記カンチレバーCの加振力の制御により、前記カンチレバーBが試料表面に衝突する衝撃力を制御することを特徴とする請求項2に記載のタッピングモードAFM。 3. The tapping mode AFM according to claim 2, wherein an impact force that the cantilever B collides with a sample surface is controlled by controlling an excitation force of the cantilever C. 前記カンチレバーBの3次元(高さ)方向の位置の走査により試料表面の形状を測定することを特徴とする請求項2又は3の何れか1項に記載のタッピングモードAFM。 4. The tapping mode AFM according to claim 2, wherein the shape of the sample surface is measured by scanning the position of the cantilever B in a three-dimensional (height) direction. 5. カンチレバーに圧電素子を装着させ、該圧電素子にコイルAが直列接続され、該コイルAに、並列接続されたコイルCとコンデンサCとが直列に接続されており、
カンチレバーに圧電素子を張り付けたことによる機械振動子の等価キャパシタンス、等価インダクタンスをそれぞれ持つコンデンサB−コイルBの並列共振回路と前記コンデンサC−前記コイルCの並列共振回路の固有振動数が同一で、また、前記コンデンサB−前記コイルBの並列共振回路と前記コンデンサC−前記コイルCの並列共振回路を直列に繋げた合成並列共振回路と前記圧電素子の等価キャパシタンスを持つコンデンサA−コイルAの直列共振回路との二つの連成固有振動数の差とカンチレバーの衝突周期が2πの整数倍であって、
前記並列共振回路(コンデンサB−コイルB)を振動させて、前記カンチレバーを振動させ、タッピングモードでカンチレバーが試料表面に接触し、前記コイルCに電磁誘導により外部から電力を供給する電力供給回路を備えていることを特徴とするタッピングモードAFM。
A piezoelectric element is attached to the cantilever, a coil A is connected in series to the piezoelectric element, and a coil C and a capacitor C connected in parallel to the coil A are connected in series.
The natural resonance frequency of the parallel resonance circuit of the capacitor B-coil B and the parallel resonance circuit of the capacitor C-coil C having the equivalent capacitance and equivalent inductance of the mechanical vibrator by attaching the piezoelectric element to the cantilever is the same, In addition, the capacitor B-the parallel resonance circuit of the coil B and the capacitor C-the parallel resonance circuit of the coil C connected in series and the capacitor A-the coil A having the equivalent capacitance of the piezoelectric element are connected in series. The difference between the two coupled natural frequencies with the resonant circuit and the collision period of the cantilever is an integer multiple of 2π,
A power supply circuit that vibrates the parallel resonant circuit (capacitor B-coil B), vibrates the cantilever, the cantilever contacts the sample surface in a tapping mode, and supplies power to the coil C from the outside by electromagnetic induction. A tapping mode AFM, comprising:
請求項5に記載のタッピングモードAFMであって、前記コンデンサCに接続される両端子間の電圧から、カンチレバーの振幅を推定することを特徴とする請求項5に記載のタッピングモードAFM。 6. The tapping mode AFM according to claim 5, wherein the amplitude of the cantilever is estimated from a voltage between both terminals connected to the capacitor C. 一本のカンチレバーの根元に接続したアクチュエーターを請求項1に記載の前記カンチレバーBがとる位置と速度の動きを実現するように操作することで、前記アクチュエーターから前記カンチレバーBに一サイクルあたり一定のエネルギー移動させるシステムを用いて、カンチレバーの振幅が一定を保つように試料―カンチレバー間の3次元(高さ)方向の距離にフィードバック制御をおこなうタッピングモードAFMの走査法   A constant energy per cycle from the actuator to the cantilever B by operating an actuator connected to the base of a single cantilever so as to realize the movement of the position and speed of the cantilever B according to claim 1. A tapping mode AFM scanning method that uses a moving system to perform feedback control on the distance between the sample and the cantilever in the three-dimensional (height) direction so that the amplitude of the cantilever remains constant.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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