JP2016065800A - Scanning prove microscope - Google Patents

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安藤 敏夫
Toshio Ando
敏夫 安藤
真悟 福田
Shingo Fukuda
真悟 福田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To fix a probe to be removable from a scanner while suppressing mass increase at a probe side in a scanning prove microscope that displaces the probe side for scanning.SOLUTION: In the scanning prove microscope, at least a Z-scanner 21 of a X-scanner, a Y-scanner, and the Z-scanner is arranged near a probe and an elastically deformable probe-fixing member 70 is fixed to an upper base part 11 directly or indirectly. The probe-fixing member 70 is elastically deformed and returns to its original form to press the base part of the probe 40 against the Z-scanner 21 with its own return force, while tracking displacement of the Z-scanner 21. This allows the probe to become removable while suppressing the mass increase for the Z-scanner.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、プローブ側を走査のために変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡に関するものであり、とりわけ、プローブをスキャナーに着脱可能に固定するための新規な固定構造に関するものである。   The present invention relates to a scanning probe microscope of a type in which a probe side is displaced for scanning, and more particularly to a novel fixing structure for detachably fixing a probe to a scanner.

走査型プローブ顕微鏡は、試料ステージと、プローブと、該試料ステージまたは該プローブを走査のために変位させるスキャナーと、該プローブで起こる物理量の変化を検出する検出器とを、原理上の共通の要素として有している。走査型プローブ顕微鏡の典型的なものとして、原子間力顕微鏡が挙げられる。該原子間力顕微鏡では、プローブとしてカンチレバーチップ(カンチレバーの先端に極めて微小な突起針が付与された部材)が用いられる。   A scanning probe microscope includes a sample stage, a probe, a scanner that displaces the sample stage or the probe for scanning, and a detector that detects a change in a physical quantity that occurs in the probe. Have as. A typical example of a scanning probe microscope is an atomic force microscope. In the atomic force microscope, a cantilever tip (a member provided with a very small protruding needle at the tip of the cantilever) is used as a probe.

図9は、走査のために試料ステージ側を変位させるタイプ(以下、試料ステージ変位型と呼ぶ)の原子間力顕微鏡の主要部分の構成例を示す図である。制御部は図示を省略している。図9に示すように、試料ステージ変位型の装置では、下側ベース部(ステージ側の支持基盤)100上に、XYZスキャナー200を介して試料ステージ300が配置され、その上に試料M10が配置される。図の例では、XYZスキャナー200は、制御信号に応じてZ方向(図の上下方向)に変位可能なZスキャナー210と、X−Y方向(図の紙面に垂直な平面に沿った直交する2方向)に変位可能なX−Yスキャナー220とを有して構成される。カンチレバーチップ400は、カンチレバー410と突起針420とを有し、その基部が支持部材500に取り付けられる。支持部材500は、上側ベース部(下側ベース部に対向する、プローブ側の支持基盤)110に固定されている。支持部材500には、ACモードの振動をカンチレバーに付与するためのデバイスが含まれる場合がある。
XYZスキャナー200が制御され、試料M10が変位すると、カンチレバーに変化が生じ、その変化が検出器600(図の例では、発光素子610と受光素子620とを有する光学的な変位検出器)によって検出され、各測定点のデータから、試料表面の起伏の様子が画像化される。原子間力顕微鏡の各部の構造やフィードバック制御については、例えば、特許文献1、2などに詳細に説明されている。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a main part of an atomic force microscope of a type in which the sample stage side is displaced for scanning (hereinafter referred to as a sample stage displacement type). The control unit is not shown. As shown in FIG. 9, in the sample stage displacement type apparatus, a sample stage 300 is disposed on a lower base portion (stage-side support base) 100 via an XYZ scanner 200, and a sample M10 is disposed thereon. Is done. In the illustrated example, an XYZ scanner 200 includes a Z scanner 210 that can be displaced in the Z direction (up and down direction in the figure) according to a control signal, and an XY direction (two orthogonal along a plane perpendicular to the drawing sheet). And an XY scanner 220 that can be displaced in the direction). The cantilever chip 400 includes a cantilever 410 and a protruding needle 420, and a base portion thereof is attached to the support member 500. The support member 500 is fixed to an upper base portion (probe-side support base facing the lower base portion) 110. Support member 500 may include a device for applying AC mode vibration to the cantilever.
When the XYZ scanner 200 is controlled and the sample M10 is displaced, a change occurs in the cantilever, and the change is detected by a detector 600 (an optical displacement detector having a light emitting element 610 and a light receiving element 620 in the illustrated example). Then, from the data of each measurement point, the state of the undulation on the sample surface is imaged. The structure of each part of the atomic force microscope and feedback control are described in detail in, for example, Patent Documents 1 and 2.

図9のような試料ステージ変位型の装置では、カンチレバーチップや検出器の位置が不動であるため、装置の構造が複雑にならないという利点がある。また、カンチレバーチップ側の質量が増大しても、ステージ側の質量とは関係が無いので、スキャナーの応答性が低下することがない。よって、カンチレバーチップ側には、カンチレバーチップを簡単に着脱するための種々の機構を比較的自由に設計し付与できるという利点もある。
しかしながら、試料ステージ変位型の装置は、試料ステージ全体をスキャナーによって変位させねばならないために、質量の制約上、大型の試料を対象にできないという問題がある、また、試料ステージの小型化にも限度があるので、スキャナーの応答性の高速化も制限される。
The sample stage displacement type apparatus as shown in FIG. 9 has an advantage that the structure of the apparatus does not become complicated because the positions of the cantilever chip and the detector are not moved. Further, even if the mass on the cantilever chip side is increased, there is no relationship with the mass on the stage side, so the responsiveness of the scanner does not deteriorate. Therefore, on the cantilever tip side, there is also an advantage that various mechanisms for easily attaching and detaching the cantilever tip can be designed and provided relatively freely.
However, the sample stage displacement type apparatus has a problem in that it cannot be used for a large sample due to mass restrictions because the entire sample stage must be displaced by a scanner, and there is a limit to miniaturization of the sample stage. Therefore, speeding up the response of the scanner is also limited.

一方、カンチレバーチップ側を変位させるタイプ(チップ変位型)の原子間力顕微鏡は、装置全体の構造が複雑になるが、試料ステージ側の質量が増大しても、スキャナーの応答性が低下することがない。よって、半導体ウェハや細胞培養用のシャーレといった、より大型の試料を観察対象とすることが可能である。
図10は、チップ変位型の原子間力顕微鏡の主要部分の構成例を示す図である。図10に示すように、チップ変位型の装置では、下側ベース部100上に試料ステージ300が配置され、その上に試料M10が配置される。カンチレバーチップ400はその基部が支持部材500に取り付けられ、該支持部材500は、XYZスキャナー200を介して上側ベース部110に固定される。X−Yスキャナー220は試料ステージ側にあってもよい。ACモードのための振動を発生させるためのデバイスは、別途、適宜設けられてよいし、Zスキャナーが該振動を発生させてもよい。
XYZスキャナー200によってカンチレバーチップ400が試料M10に対して変位すると、試料ステージ変位型の場合と同様に、カンチレバーに変化が生じ、その変化が検出器(図示せず)によって検出され、集められた変化に関するデータによって、試料表面の起伏の様子が画像化される。
On the other hand, an atomic force microscope of the type that displaces the cantilever tip side (tip displacement type) complicates the overall structure of the apparatus, but the responsiveness of the scanner decreases even if the mass on the sample stage side increases. There is no. Therefore, a larger sample such as a semiconductor wafer or a petri dish for cell culture can be set as an observation target.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a main part of a tip displacement type atomic force microscope. As shown in FIG. 10, in the chip displacement type apparatus, the sample stage 300 is disposed on the lower base portion 100, and the sample M10 is disposed thereon. The base portion of the cantilever chip 400 is attached to a support member 500, and the support member 500 is fixed to the upper base portion 110 via the XYZ scanner 200. The XY scanner 220 may be on the sample stage side. A device for generating vibration for the AC mode may be provided separately as appropriate, or the Z scanner may generate the vibration.
When the cantilever chip 400 is displaced with respect to the sample M10 by the XYZ scanner 200, a change occurs in the cantilever as in the case of the sample stage displacement type, and the change is detected and collected by a detector (not shown). The image of the undulations on the sample surface is imaged by the data relating to.

しかしながら、本発明者らが、図10のようなチップ変位型の原子間力顕微鏡を実際に製作し、走査のさらなる高速化のための検討を行なったところ、カンチレバーチップをスキャナー(とりわけZスキャナー)に固定するための固定構造に、次の問題が存在することがわかった。
カンチレバーチップは、観察対象物の固着や、自体の振動特性の不具合などによって頻繁に交換する必要がある。そのため、カンチレバーチップは、Zスキャナーに対して着脱可能でなければならず、しかも、走査の高速化を図るためには、該着脱可能とするための固定構造がZスキャナーの作動に悪影響を与えてはならない。即ち、該固定構造は、より具体的には、次の条件を満たさなければならない。
(i)カンチレバーチップの着脱が、Zスキャナーに無理な力を加えることなしに、容易に行えること。
(ii)Zスキャナーの共振周波数(固有振動数)を許容範囲外まで下げるような質量を追加しないこと。
(iii)Zスキャナーを高速に変位させた場合に、カンチレバーチップに望ましくない振動を生じさせないこと。
However, when the present inventors actually manufactured a tip displacement type atomic force microscope as shown in FIG. 10 and studied to further increase the scanning speed, the cantilever tip was changed to a scanner (especially a Z scanner). It has been found that there are the following problems in the fixing structure for fixing to.
The cantilever tip needs to be frequently replaced due to the fixation of the object to be observed and defects in its vibration characteristics. For this reason, the cantilever chip must be detachable from the Z scanner. Moreover, in order to increase the scanning speed, the fixing structure for enabling the detachment has an adverse effect on the operation of the Z scanner. Must not. That is, more specifically, the fixing structure must satisfy the following conditions.
(I) The cantilever tip can be easily attached and detached without applying an excessive force to the Z scanner.
(Ii) Do not add mass that lowers the resonance frequency (natural frequency) of the Z scanner outside the allowable range.
(Iii) When the Z scanner is displaced at a high speed, undesirable vibrations are not generated in the cantilever chip.

従来のチップ変位型の装置では、高速の走査が求められていなかったので、Zスキャナー自体が比較的大きく(共振周波数が低く)、カンチレバーチップを着脱し得る機構を、比較的自由に設計することが可能であった。
しかし、シャーレ内の試料液中における細胞やタンパク質分子の動的な振る舞いなどを観察するためには、チップ変位型の装置の走査を高速化する必要がある。そのためには、Zスキャナーの応答速度をより高くすべく、Zスキャナーの質量をより小さくして、その共振周波数をより高くする必要がある。スキャナーを構成するピエゾ素子などのアクチュエーターでは、〔信号に対する該アクチュエーターの応答速度がより高いこと〕と、〔該アクチュエーターの共振周波数がより高いこと〕と、〔該アクチュエーターの可動部分の質量がより小さいこと〕は、同義であり不可分の関係にある。
よって、上記(i)〜(iii)の条件のなかでも、(i)と(ii)は、相反する条件である。なぜならば、(i)を満たすような便利な着脱機構は、多数の部品を必要とし、よってZスキャナーに大きな質量を追加して共振周波数を低下させるので、(ii)を満たすことができないからである。
ネジによるカンチレバーチップの固定では、オネジのみならずメネジを持ったベースも必要となり、質量の削減には限度がある。また、微小なネジによる着脱は簡単な操作とは言えない。ネジ固定に代わるものとして、バネを利用した固定治具をZスキャナーに取り付ける構造が考えられるが、簡単な治具であってもいくつかの部品を要し、Zスキャナーの質量を増大させる。また、接着剤によってカンチレバーチップをZスキャナーに直接的に固定すれば、質量は実質的にはカンチレバーチップのみとなるが、その場合には、カンチレバーを容易には取り外せなくなり、着脱可能とは言えない。
以上の様なカンチレバーチップの固定に関する問題は、原子間力顕微鏡のみならず、プローブをスキャナーで変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡においても、同様に存在する問題である。
In conventional tip displacement type devices, high-speed scanning has not been required, so the Z scanner itself is relatively large (resonance frequency is low), and a mechanism that can attach and detach the cantilever tip is designed relatively freely. Was possible.
However, in order to observe the dynamic behavior of cells and protein molecules in the sample solution in the petri dish, it is necessary to increase the scanning speed of the chip displacement type device. For this purpose, in order to increase the response speed of the Z scanner, it is necessary to reduce the mass of the Z scanner and increase its resonance frequency. In an actuator such as a piezo element constituting a scanner, the response speed of the actuator to a signal is higher, the resonance frequency of the actuator is higher, and the mass of the movable part of the actuator is smaller. Is synonymous and inseparable.
Therefore, among the above conditions (i) to (iii), (i) and (ii) are contradictory conditions. This is because a convenient attachment / detachment mechanism that satisfies (i) requires a large number of parts, thus adding a large mass to the Z scanner and lowering the resonance frequency, so (ii) cannot be satisfied. is there.
Fixing the cantilever tip with screws requires not only male screws but also a base with internal threads, and there is a limit to the reduction of mass. Also, attaching and detaching with a small screw is not an easy operation. As an alternative to screw fixing, a structure in which a fixing jig using a spring is attached to the Z scanner is conceivable. However, even a simple jig requires several parts and increases the mass of the Z scanner. Also, if the cantilever tip is directly fixed to the Z scanner with an adhesive, the mass is substantially only the cantilever tip, but in that case, the cantilever cannot be easily removed and cannot be said to be removable. .
The above-described problem relating to fixing of the cantilever tip is a problem that exists not only in an atomic force microscope but also in a scanning probe microscope in which the probe is displaced by a scanner.

国際公開第2010/087114号International Publication No. 2010/087114 国際公開第2006/129561号International Publication No. 2006/129561

本発明の課題は、上記の相反する問題を解決し、プローブ側を走査のために変位させるタイプの走査型プローブ顕微鏡に対して、プローブ側の質量の増大を抑制しながらも、プローブをスキャナーに着脱可能に固定できるようにすることにある。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned conflicting problems and to suppress the increase in mass on the probe side while suppressing the increase in mass on the probe side, while the probe side is displaced for scanning. The purpose is to enable detachable fixing.

本発明者等は、上記の課題を解決すべく鋭意検討し、上側ベース部に固定した弾性体によって、プローブをプローブ側のスキャナーに押し付けることで、該プローブの固定を着脱可能にしながらも、該スキャナーにとって有害な質量の増加を抑制し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の主たる構成は、以下のとおりである。
〔1〕Xスキャナー、Yスキャナー、Zスキャナーのうち、少なくともZスキャナーがプローブ側に配置された走査型プローブ顕微鏡であって、
プローブ側の支持基盤である上側ベース部には、弾性的に変形可能なプローブ固定用部材が直接的にまたは間接的に固定されており、
該プローブ固定用部材は、弾性的に変形し、Zスキャナーの変位に追従しながら自体の復帰力によってプローブの基部をZスキャナーに押し付けるように配置されている、
前記走査型プローブ顕微鏡。
〔2〕前記プローブ固定用部材が、支持ブロックを介して前記上側ベース部に固定されており、該支持ブロックは、該上側ベース部とZスキャナーとの間の高さの差を意図する値へと調節するために、前記上側ベース部に固定されたものである、上記〔1〕記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔3〕前記上側ベース部には、前記支持ブロックが、Zスキャナーを間に置いた少なくとも2箇所に設けられており、該支持ブロックには、それぞれに前記プローブ固定用部材の端部が固定され、該プローブ固定用部材の中央部が、自体の復帰力によってプローブの基部をZスキャナーに押し付けている、
上記〔2〕記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔4〕前記上側ベース部には、前記支持ブロックが、必要箇所に設けられており、
該支持ブロックには、前記プローブ固定用部材の一方の端部が固定されており、該プローブ固定用部材の他方の自由端部が、自体の復帰力によってプローブの基部をZスキャナーに押し付けている、
上記〔2〕または〔3〕記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔5〕前記プローブ固定用部材が、板バネである、上記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔6〕前記プローブ固定用部材と前記プローブとの間には、弾性および柔軟性を有する材料からなるクッション部材がさらに介在している、上記〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔7〕Zスキャナーには、前記プローブの位置決めのための位置決め部材が固定されており、
前記プローブ固定用部材は、該位置決め部材によって位置決めされた該プローブの基部をZスキャナーに押し付ける状態となるように配置されている、上記〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
〔8〕当該走査型プローブ顕微鏡が、原子間力顕微鏡であって、前記プローブが、カンチレバーと突起針とを有してなるカンチレバーチップである、上記〔1〕〜〔7〕のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
The present inventors diligently studied to solve the above-mentioned problem, and while pressing the probe against the scanner on the probe side by the elastic body fixed to the upper base portion, the probe can be fixed while being detachable. It has been found that an increase in mass harmful to the scanner can be suppressed, and the present invention has been completed.
The main configuration of the present invention is as follows.
[1] A scanning probe microscope in which at least the Z scanner among the X scanner, Y scanner, and Z scanner is disposed on the probe side,
An elastically deformable probe fixing member is directly or indirectly fixed to the upper base portion which is a support base on the probe side,
The probe fixing member is elastically deformed and arranged to press the base of the probe against the Z scanner by its own restoring force while following the displacement of the Z scanner.
The scanning probe microscope.
[2] The probe fixing member is fixed to the upper base portion via a support block, and the support block is set to a value intended for a height difference between the upper base portion and the Z scanner. In order to adjust, the scanning probe microscope according to the above [1], which is fixed to the upper base portion.
[3] The upper base portion is provided with the support blocks at at least two positions with the Z scanner interposed therebetween, and the end portions of the probe fixing members are fixed to the support blocks, respectively. The central portion of the probe fixing member presses the base of the probe against the Z scanner by its own restoring force.
The scanning probe microscope according to [2] above.
[4] The upper base portion is provided with the support block at a necessary location,
One end of the probe fixing member is fixed to the support block, and the other free end of the probe fixing member presses the base of the probe against the Z scanner by its own restoring force. ,
The scanning probe microscope according to the above [2] or [3].
[5] The scanning probe microscope according to any one of [1] to [4], wherein the probe fixing member is a leaf spring.
[6] The scanning according to any one of [1] to [5], wherein a cushion member made of a material having elasticity and flexibility is further interposed between the probe fixing member and the probe. Type probe microscope.
[7] A positioning member for positioning the probe is fixed to the Z scanner,
The scanning probe according to any one of [1] to [6], wherein the probe fixing member is disposed so as to press a base portion of the probe positioned by the positioning member against a Z scanner. microscope.
[8] The scanning probe microscope according to any one of [1] to [7], wherein the scanning probe microscope is an atomic force microscope, and the probe is a cantilever tip including a cantilever and a protruding needle. Scanning probe microscope.

本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡は、プローブ固定用部材によってプローブがZスキャナーに押し付けられた状態のままで作動する。該プローブ固定用部材は、Zスキャナーに直接載せるのではなく、プローブ側の支持基盤である上側ベース部に一端部が固定されており(この固定は、後述するとおり、上側ベース部の形状に応じ、直接的または部材を介した固定であってよい)、可動部分がZスキャナーへと延びて、プローブをZスキャナーの下面へと押し付けている。
この構成によって、先ず、プローブがZスキャナーに押し付けられただけの状態であるから、Zスキャナーとプローブ固定用部材との間にプローブを挿入するだけで、該プローブをZスキャナーに装着することが可能となり、また、プローブをZスキャナーとプローブ固定用部材との間から抜き取るだけで、該プローブをZスキャナーから離脱させることが可能となる。
次に、該プローブ固定用部材は、プローブをZスキャナーに押し付けながらも、該Zスキャナーの高速の振動に追従するので、Zスキャナーの作動が阻害されることがない。
さらに、該プローブ固定用部材の形状によっても異なるが、プローブ固定用部材の質量の少なくとも半分が上側ベース部によって支持され、残りの弾性的な可動部分の質量とカンチレバーチップの質量だけがZスキャナーの振動の負荷となる。
以上のように、本発明によれば、プローブをスキャナーに着脱可能に固定することを達成しながらも、従来の着脱機構のような大きな質量がZスキャナーに加わることがない。
According to the present invention, the scanning probe microscope operates while the probe is pressed against the Z scanner by the probe fixing member. The probe fixing member is not mounted directly on the Z scanner, but is fixed at one end to the upper base portion that is a support base on the probe side (this fixing depends on the shape of the upper base portion as will be described later). , Which may be fixed directly or via a member), the movable part extends to the Z scanner, pressing the probe against the underside of the Z scanner.
With this configuration, since the probe is just pressed against the Z scanner, the probe can be attached to the Z scanner simply by inserting the probe between the Z scanner and the probe fixing member. In addition, the probe can be detached from the Z scanner simply by removing the probe from between the Z scanner and the probe fixing member.
Next, since the probe fixing member follows the high-speed vibration of the Z scanner while pressing the probe against the Z scanner, the operation of the Z scanner is not hindered.
Furthermore, although depending on the shape of the probe fixing member, at least half of the mass of the probe fixing member is supported by the upper base portion, and only the mass of the remaining elastic movable part and the mass of the cantilever tip are It becomes a vibration load.
As described above, according to the present invention, while securing the probe to the scanner in a detachable manner, a large mass as in the conventional attachment / detachment mechanism is not added to the Z scanner.

図1は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a scanning probe microscope of the present invention. 図2は、図1に示されたスキャナーおよびプローブ部分を、図1の矢印Aの方向に沿って見たときの図である。図1におけるカンチレバー41、プローブ固定用部材70、支持ブロック位置決め部材の下端部など、傾斜している部分については、図1中のB−B断面矢視図に従って、図2に示している。FIG. 2 is a view of the scanner and probe portion shown in FIG. 1 as viewed in the direction of arrow A in FIG. Inclined portions such as the cantilever 41, the probe fixing member 70, and the lower end portion of the support block positioning member in FIG. 1 are shown in FIG. 2 according to the BB cross-sectional view in FIG. 図3は、本発明におけるプローブ固定用部材の他の態様例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing another example of the probe fixing member according to the present invention. 図4は、本発明におけるプローブ固定用部材の他の態様例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing another example of the probe fixing member according to the present invention. 図5は、本発明において、プローブとプローブ固定用部材との間に、弾性および柔軟性を有する材料からなるクッション部材を介在させた態様例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example in which a cushion member made of a material having elasticity and flexibility is interposed between a probe and a probe fixing member in the present invention. 図6は、本発明においてZスキャナーに設けられる、プローブの位置決めのための位置決め部材の態様例を示す図である。図6(a)は、位置決め部材に形成された位置決めのための溝の例を示しており、図6(b)は、図6(a)の斜視図であって、Zスキャナーに位置決め部材を固定した状態を示している。FIG. 6 is a diagram showing an example of a positioning member for positioning the probe provided in the Z scanner in the present invention. 6A shows an example of a positioning groove formed on the positioning member, and FIG. 6B is a perspective view of FIG. 6A, in which the positioning member is attached to the Z scanner. The fixed state is shown. 図7は、本発明の実施例(図7(a))と比較例(図7(b))におけるZスキャナーの振動特性を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the vibration characteristics of the Z scanner in the example of the present invention (FIG. 7A) and the comparative example (FIG. 7B). 図8は、図7(a)のグラフと、図7(b)のグラフとを重ね合わせたグラフである。FIG. 8 is a graph obtained by superimposing the graph of FIG. 7A and the graph of FIG. 図9は、従来の原子間力顕微鏡の構成例を概略的に示す図であって、ステージ側にXYZスキャナーが配置された構成例を示す図である。FIG. 9 is a diagram schematically showing a configuration example of a conventional atomic force microscope, and is a diagram showing a configuration example in which an XYZ scanner is arranged on the stage side. 図10は、従来の原子間力顕微鏡の他の構成例を概略的に示す図であって、プローブ側にXYZスキャナーが配置された構成例を示す図である。図10では、図9中の各部に対応する部分には、図9と同じ符号を用い、対応関係を分かり易くしている。また、図10では、検出器の図示を省略している。FIG. 10 is a diagram schematically showing another configuration example of a conventional atomic force microscope, and is a diagram showing a configuration example in which an XYZ scanner is arranged on the probe side. In FIG. 10, the same reference numerals as those in FIG. 9 are used for portions corresponding to the respective portions in FIG. In FIG. 10, the detector is not shown.

以下に、図を参照しながら、本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する。
図1は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成を概略的に示した図であって、走査型プローブ顕微鏡の具体例として原子間力顕微鏡の構成例を示している。原子間力顕微鏡は、プローブとしてカンチレバーチップ40(カンチレバー41の先端に極めて微小な突起針(探針)42が付与された部材)を用い、該突起針と試料表面との間の相互作用によるカンチレバーの変化(DCモード(接触モードや非接触モード)での原子間力によるカンチレバー先端部分の変位や、ACモード(タッピングモードと称される場合もある)でのカンチレバーの振動の変化など)を通じて、試料表面の起伏の様子を画像化し得る顕微鏡である。
図1では、装置の主要部分だけを示しており、制御部や検出器は、図示を省略している。また、各部の大きさは説明のために誇張し、また、ある構成要素が他の構成要素を覆い隠さないように、適宜にサイズの比率を変更している。
The configuration of the scanning probe microscope of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a scanning probe microscope of the present invention, and shows a configuration example of an atomic force microscope as a specific example of the scanning probe microscope. The atomic force microscope uses a cantilever tip 40 (a member provided with a very small protruding needle (probe) 42 at the tip of the cantilever 41) as a probe, and a cantilever by an interaction between the protruding needle and a sample surface. Through changes in the cantilever tip due to atomic force in DC mode (contact mode and non-contact mode, changes in cantilever vibration in AC mode (sometimes called tapping mode), etc.) It is a microscope which can image the appearance of undulations on the sample surface.
In FIG. 1, only the main part of the apparatus is shown, and the control unit and the detector are not shown. In addition, the size of each part is exaggerated for the sake of explanation, and the size ratio is appropriately changed so that a certain component does not cover other components.

図1に示すように、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、従来品と同様、ステージ側の支持基盤である下側ベース部10と、プローブ側の支持基盤である上側ベース部11とを有して構成される。下側ベース部10上には、試料ステージ30が設けられ、その上に試料M1が配置される。図1の例では、XYZスキャナー20(X−Yスキャナー22とZスキャナー21)が全てプローブ側に配置されているが、少なくともZスキャナー21がプローブ側に配置されていればよい。本願発明の特徴はプローブ固定用部材にある。上側ベース部11には、弾性的に変形可能なプローブ固定用部材70が、支持ブロック80を介して固定されている。上側ベース部11の下面の起伏や、プローブ固定用部材70の形状によっては、該プローブ固定用部材70は、上側ベース部11に直接的に固定されていてもよい。
該プローブ固定用部材70は、図2〜図4に例示するように、Zスキャナー21へと延びておりかつ弾性的に変形した状態(撓んだ状態)で配置されており、その変形の復帰力によってプローブの基部(カンチレバー41の基部)をZスキャナー21に押し付けた状態となっている。そして、該プローブ固定用部材70は、プローブの基部をZスキャナー21に押し付けながら、自体の弾性によって、Zスキャナー21の振動を妨げることなく、該振動に追従するようになっている。
As shown in FIG. 1, the scanning probe microscope of the present invention has a lower base portion 10 that is a support base on the stage side and an upper base portion 11 that is a support base on the probe side, as in the conventional product. Configured. A sample stage 30 is provided on the lower base portion 10, and a sample M1 is disposed thereon. In the example of FIG. 1, the XYZ scanner 20 (XY scanner 22 and Z scanner 21) are all arranged on the probe side, but it is sufficient that at least the Z scanner 21 is arranged on the probe side. A feature of the present invention resides in a probe fixing member. An elastically deformable probe fixing member 70 is fixed to the upper base portion 11 via a support block 80. Depending on the undulation of the lower surface of the upper base portion 11 and the shape of the probe fixing member 70, the probe fixing member 70 may be directly fixed to the upper base portion 11.
As illustrated in FIGS. 2 to 4, the probe fixing member 70 extends to the Z scanner 21 and is disposed in an elastically deformed state (bent state), and the deformation is restored. The probe base (base of the cantilever 41) is pressed against the Z scanner 21 by force. The probe fixing member 70 follows the vibration without pressing the vibration of the Z scanner 21 due to its own elasticity while pressing the base of the probe against the Z scanner 21.

本発明は、図1の走査型プローブ顕微鏡において、プローブをZスキャナーに着脱可能に固定するための方法であるということもできる。上記説明したとおり、上側ベース部11にプローブ固定用部材70を直接的にまたは間接的に固定する。そして、該プローブ固定用部材70を弾性的に変形させながら、該プローブ固定用部材70が自体の復帰力によってプローブの基部をZスキャナーに押し付けるように、該プローブ固定用部材70を配置する。   The present invention can also be said to be a method for detachably fixing the probe to the Z scanner in the scanning probe microscope of FIG. As described above, the probe fixing member 70 is fixed directly or indirectly to the upper base portion 11. Then, the probe fixing member 70 is arranged so that the probe fixing member 70 presses the base of the probe against the Z scanner by its own restoring force while elastically deforming the probe fixing member 70.

上記の構成によって、プローブ固定用部材70は、Zスキャナーの変位に追従しながら、該プローブを該Zスキャナーに着脱可能に固定するように機能する。これにより、従来技術の説明で挙げた上記(i)〜(iii)の条件が満たされ、とりわけ相反する条件である上記(i)と(ii)の条件が満たされ、〔プローブ側の質量の増大を抑制しながらも、プローブをスキャナーに着脱可能に固定することを可能にする〕という、本発明の目的が達成される。   With the above configuration, the probe fixing member 70 functions to detachably fix the probe to the Z scanner while following the displacement of the Z scanner. As a result, the above conditions (i) to (iii) mentioned in the description of the prior art are satisfied, and the above conditions (i) and (ii), which are particularly conflicting conditions, are satisfied. The object of the present invention is achieved, which enables the probe to be detachably fixed to the scanner while suppressing the increase.

Xスキャナー、Yスキャナー、Zスキャナーは、それぞれ、走査のために試料ステージまたはプローブを、X方向、Y方向、Z方向に変位させるための装置であって、従来公知の走査型プローブ顕微鏡に使用されているものを用いることができる。制御信号に対して正確に応答する素子として、ピエゾ素子や、磁歪素子、ボイスコイルモーターなどが挙げられる。
本明細書では、XスキャナーとYスキャナーとを、1つのユニットとみなして、X−Yスキャナーと呼ぶ場合がある。Xスキャナー、Yスキャナーの配置は、装置の目的や規模に応じて適宜決定すればよいが、大型の試料を観察対象にする点からは、図1の例のように、X−Yスキャナー、Zスキャナーが、全てプローブ側に配置された構造が好ましい。
The X scanner, Y scanner, and Z scanner are devices for displacing the sample stage or probe in the X, Y, and Z directions for scanning, respectively, and are used in conventionally known scanning probe microscopes. Can be used. Examples of elements that accurately respond to control signals include piezo elements, magnetostrictive elements, and voice coil motors.
In this specification, the X scanner and the Y scanner may be regarded as one unit and called an XY scanner. The arrangement of the X scanner and the Y scanner may be appropriately determined according to the purpose and scale of the apparatus. However, from the viewpoint of observing a large sample, the X-Y scanner, Z A structure in which the scanner is all disposed on the probe side is preferable.

Zスキャナーの共振周波数は、特に限定はされないが、1kHz程度以上の高速振動、特に10〜100kHz程度、またはそれ以上の高速振動の場合には、従来では接着剤によってプローブをZスキャナーに固定しなければならなかったので、本発明の着脱可能とした構成の有用性が特に顕著となる。   The resonance frequency of the Z scanner is not particularly limited, but in the case of high-speed vibration of about 1 kHz or higher, particularly about 10 to 100 kHz or higher, conventionally, the probe must be fixed to the Z scanner with an adhesive. Therefore, the usefulness of the detachable configuration of the present invention is particularly remarkable.

プローブ固定用部材は、その一部が上側ベース部に固定され、他の部分がそこからZスキャナーへと延びて、プローブをZスキャナーに押し付けることができるものであればよい。通常、上側ベース部の下面は、図1に示すように平坦であり、そこから少なくともZスキャナーが下方へ突き出している。よって、上側ベース部の下面と、Zスキャナー下面(プローブの取付け面)との間には、大きな高さの差が存在する。
そこで、本発明の好ましい態様では、図1、図2に示すように、該上側ベース部とZスキャナーとの間の高さの差ΔTを、意図する値ΔT1へと調節するために、支持ブロック80が上側ベース部に固定され、該支持ブロック80を介してプローブ固定用部材70が上側ベース部11に固定される。
前記意図する値ΔT1は、プローブ固定用部材70の形状やバネ定数に応じて、適宜決定すればよい。
例えば、図1、図2に示すように、プローブ固定用部材が単純な平板状の板バネの場合、支持ブロック80の高さt1を、Zスキャナーに装着されたカンチレバーの高さt0よりも、低くすることによって、その差(即ち、意図する値ΔT1=t0−t1)が、プローブ固定用部材の撓み量となる。よって、意図する値ΔT1を適宜設定することによって、プローブ固定用部材の撓み量を変更し、プローブをZスキャナーに押し付ける量を調節することができる。
また、図3、図4に示すように、プローブ固定用部材が板バネであって、かつ、その作用部分がZスキャナー側に湾曲している場合、支持ブロック80の高さt1を、Zスキャナーに装着されたカンチレバーの高さt0と同じ高さとすることによって、または、より高くすることによって、適当なプローブ固定用部材の撓み量が得られる場合がある。
The probe fixing member may be any member that is partly fixed to the upper base portion and the other portion extends from there to the Z scanner so that the probe can be pressed against the Z scanner. Normally, the lower surface of the upper base portion is flat as shown in FIG. 1, and at least the Z scanner protrudes downward therefrom. Therefore, there is a large difference in height between the lower surface of the upper base part and the lower surface of the Z scanner (probe mounting surface).
Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, in order to adjust the height difference ΔT between the upper base portion and the Z scanner to an intended value ΔT1, a support block is used. 80 is fixed to the upper base portion, and the probe fixing member 70 is fixed to the upper base portion 11 through the support block 80.
The intended value ΔT1 may be appropriately determined according to the shape of the probe fixing member 70 and the spring constant.
For example, as shown in FIGS. 1 and 2, when the probe fixing member is a simple flat plate spring, the height t1 of the support block 80 is set to be higher than the height t0 of the cantilever attached to the Z scanner. By lowering, the difference (that is, the intended value ΔT1 = t0−t1) becomes the amount of bending of the probe fixing member. Therefore, by appropriately setting the intended value ΔT1, the amount of bending of the probe fixing member can be changed, and the amount of pressing the probe against the Z scanner can be adjusted.
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, when the probe fixing member is a leaf spring and its action portion is curved toward the Z scanner, the height t1 of the support block 80 is set to the Z scanner. An appropriate amount of bending of the probe fixing member may be obtained by setting the height to be the same as the height t0 of the cantilever attached to the head or by making it higher.

プローブ固定用部材は、上記作用効果の達成に必要な弾性を有するものであればよく、例えば、板バネ、線状のバネ、コイルバネ(圧縮バネ、引張りバネ)、弾性材料からなる塊状部材、弾性材料からなる紐状部材などが挙げられる。
プローブ固定用部材の材料は、ステンレス鋼、焼入れ銅、ベイナイト鋼などといったバネ用の金属、天然ゴム、合成ゴム、前記必要な弾性を有する有機高分子材料などが挙げられる。
プローブを下方からZスキャナーへと押え付けるための機構は、特に限定はされず、Zスキャナーに無用の過大な質量が加わらないものであればよい。例えば、微小な質量を持った押付け用部材の両端に、プローブ固定用部材として引張りバネや弾性材料からなる紐状部材を接続し、該押付け用部材を上側ベース部の方向へと弾性的に引っ張り上げることによって、該押付け用部材によってプローブをZスキャナーへと押え付ける機構や、図2、図3に示す支持ブロックから剛性を有する部材をZスキャナーの下面まで延ばし、そこから圧縮バネや弾性材料によってプローブをZスキャナーへと押え付ける機構などであってもよい。しかし、プローブの下面と試料との間のスペースは、実際には非常に狭く、重厚な機構を挿入することができない場合が多い。このような点からは、図1〜図3に示したような板バネを用いた押え機構が好ましいものとして挙げられる。板バネであれば、図2〜図4のように、Zスキャナーの側方で基部を支持され、Zスキャナーの直下まで延びて、カンチレバーの基部をZスキャナーへと押し付けることが容易である。
板バネは、板の幅を狭くして全体として線状を呈するようなバネであってもよい。そのような線状を呈するようなバネであっても、必要な本数だけ用いて、必要な押し付け力を獲得すればよい。
The probe fixing member only needs to have elasticity necessary for achieving the above-described effects. For example, a plate spring, a linear spring, a coil spring (compression spring, a tension spring), a block member made of an elastic material, an elasticity Examples thereof include a string-like member made of a material.
Examples of the material for the probe fixing member include spring metals such as stainless steel, hardened copper, and bainite steel, natural rubber, synthetic rubber, and organic polymer materials having the necessary elasticity.
The mechanism for pressing the probe from below to the Z scanner is not particularly limited as long as unnecessary excessive mass is not added to the Z scanner. For example, a string-like member made of a tension spring or an elastic material is connected to both ends of a pressing member having a minute mass as a probe fixing member, and the pressing member is elastically pulled toward the upper base portion. By pushing up, a mechanism for pressing the probe to the Z scanner by the pressing member, and a rigid member is extended from the support block shown in FIGS. 2 and 3 to the lower surface of the Z scanner, and from there, a compression spring or elastic material is used. A mechanism for pressing the probe to the Z scanner may be used. However, the space between the lower surface of the probe and the sample is actually very narrow, and often a heavy mechanism cannot be inserted. From such a point, a presser mechanism using a leaf spring as shown in FIGS. 1 to 3 is preferable. If it is a leaf | plate spring, as shown in FIGS. 2-4, a base will be supported by the side of Z scanner, it will extend to just under Z scanner, and it will be easy to press the base of a cantilever to Z scanner.
The leaf spring may be a spring that narrows the width of the plate and exhibits a linear shape as a whole. Even with such a spring having a linear shape, a necessary pressing force may be obtained by using a necessary number of springs.

プローブ固定用部材を板バネとする場合、該板バネの態様は、図2、図3に示すように、両端部を支持され、中央部でカンチレバーの基部をZスキャナーへと押し付けるものであってもよいし、図4に示すように、一方の端部を支持され、他方の自由端部でカンチレバーの基部をZスキャナーへと押し付けるものであってもよい。図1〜図4の例では、プローブ固定用部材70は、ネジ70aによって支持ブロックに固定されている。符号70aで示された部分は、ナベ小ネジの頭部を表している。該プローブ固定用部材70は、適当なワンタッチの着脱機構によって支持ブロックに固定されてもよい。
図2、図3の例では、上側ベース部11に支持ブロック80、81が、Zスキャナーを間に置いた2箇所に設けられており、これら支持ブロック80、81には、プローブ固定用部材(板バネ)70の端部が固定され、その中央部71が復帰力によってカンチレバー41の基部をZスキャナーに押し付けている。図の例では、支持ブロックは一対であるが、プローブ固定用部材の増加に応じて、支持ブロックを複数対設けてもよい。
また、図4の例では、Zスキャナーの背後に支持ブロック80が1つ設けられ、該支持ブロック80には、プローブ固定用部材70の一方の端部が固定されており、該プローブ固定用部材70の他方の自由端部が、自体の復帰力によってカンチレバー41の基部をZスキャナーに押し付けている。この場合、支持ブロックの位置や数は、任意であってよく、Zスキャナーの周囲を取り囲むように設けてもよい。また、図2、図3の例において、支持ブロック80、81のどちらか一方だけを設け、その支持ブロックにプローブ固定用部材を片持ち状に固定してもよい。また、図2、図3の例において、プローブ固定用部材70が中央で切断され、2つの片持ち状のプローブ固定用部材へと分割された態様であってもよい。
またさらに、図2、図3のような両端部を支持されたプローブ固定用部材と、図4のような片側の端部を支持されたプローブ固定用部材とを組み合わせて用いてもよい。
When the probe fixing member is a leaf spring, as shown in FIGS. 2 and 3, the leaf spring is supported at both ends and presses the base of the cantilever to the Z scanner at the center. Alternatively, as shown in FIG. 4, one end may be supported, and the base of the cantilever may be pressed against the Z scanner by the other free end. 1 to 4, the probe fixing member 70 is fixed to the support block by screws 70a. The portion indicated by reference numeral 70a represents the head of the pan head screw. The probe fixing member 70 may be fixed to the support block by an appropriate one-touch attachment / detachment mechanism.
In the example of FIGS. 2 and 3, support blocks 80 and 81 are provided on the upper base portion 11 at two locations with a Z scanner in between. The support blocks 80 and 81 include probe fixing members ( The end portion of the leaf spring 70 is fixed, and the central portion 71 presses the base portion of the cantilever 41 against the Z scanner by the restoring force. In the example shown in the figure, the support block is a pair, but a plurality of pairs of support blocks may be provided in accordance with the increase in the probe fixing member.
In the example of FIG. 4, one support block 80 is provided behind the Z scanner, and one end of a probe fixing member 70 is fixed to the support block 80, and the probe fixing member The other free end of 70 presses the base of the cantilever 41 against the Z scanner by its own restoring force. In this case, the position and the number of the support blocks may be arbitrary and may be provided so as to surround the periphery of the Z scanner. 2 and 3, only one of the support blocks 80 and 81 may be provided, and the probe fixing member may be fixed to the support block in a cantilever manner. 2 and 3, the probe fixing member 70 may be cut at the center and divided into two cantilevered probe fixing members.
Furthermore, a probe fixing member supported at both ends as shown in FIGS. 2 and 3 and a probe fixing member supported at one end as shown in FIG. 4 may be used in combination.

プローブ固定用部材がプローブをZスキャナーへと押し付ける力は、屈曲された状態から原形へと復帰しようとする力、圧縮された状態から原形へと復帰しようとする力、引っ張られた状態から原形へと復帰しようとする力、または、これらの力の組合せなどであってよい。例えば、図2の例では、プローブ固定用部材は、片持ち梁の場合とは異なり、湾曲によって内部に張力も発生しており、該張力がプローブの押え付け力に寄与している。   The force by which the probe fixing member presses the probe to the Z scanner is the force to return from the bent state to the original shape, the force to return from the compressed state to the original shape, or from the pulled state to the original shape. Or a force to return to the power supply or a combination of these forces. For example, in the example of FIG. 2, the probe fixing member, unlike the case of the cantilever beam, also generates tension inside due to bending, and this tension contributes to the pressing force of the probe.

プローブ固定用部材を板バネとする場合、該板バネの板厚は、特に限定はされないが、例えば、200〜400μm程度が例示され、該板バネの作用部分(プローブを押し付ける部分)のバネ定数は、1×105〜1×106〔N/m〕程度が例示される。
プローブの基部をZスキャナーに押し付けるために、実際に該プローブに作用させるべき力は、該プローブをZスキャナーに押し付けることができ、かつ、該プローブがXY方向に動くのを防ぐ程度に押し付けることができる力であればよい。尚、該プローブがXY方向に動くのを防ぐことは、後述の位置決め部材によって達成し得る。
原子間力顕微鏡の場合には、カンチレバーチップの全重量は、一般に数mg程度である。一例を挙げると、カンチレバーチップ全重量は5〜10mgであり、カンチレバーの基部の幅は1.6mm(互換性を保つための標準寸法の一例である)、厚さは0.3〜0.5mmである。
このようなカンチレバーチップを、Zスキャナーが高速で振動してもZスキャナーに押し付けた状態で維持し、かつ、該Zスキャナーの振動に悪影響を与えないためには、プローブ固定用部材をセットした時に5〜50N程度の力でカンチレバーチップをZスキャナーに押し付けるようにすることが好ましい例として挙げられる。
プローブ固定用部材のバネ定数は、該プローブ固定用部材の材料、断面形状、長さなどを変更して、必要とする押し付け力を得るために適宜調節することができる。
Zスキャナーの伸縮のストローク量は、一般に0.5μm〜数μm程度である。よって、板厚200〜400μmといった板バネの規模を鑑みると、該板バネのストロークは該板厚の1%にも満たないので、Zスキャナーの伸縮に伴ってバネの復帰力が大きく変動することはない。
上記したZスキャナーの共振周波数に対して、プローブ固定用部材が追従するためには、該プローブ固定用部材自体の共振周波数を高くするように構成すればよい。
When the probe fixing member is a plate spring, the plate thickness of the plate spring is not particularly limited. For example, about 200 to 400 μm is exemplified, and the spring constant of the plate spring acting portion (the portion pressing the probe) is exemplified. Is about 1 × 10 5 to 1 × 10 6 [N / m].
In order to press the base of the probe against the Z scanner, the force that should actually be applied to the probe can be pressed to the extent that it can press the probe against the Z scanner and prevent the probe from moving in the XY direction. Any power that can be used. Note that preventing the probe from moving in the XY directions can be achieved by a positioning member described later.
In the case of an atomic force microscope, the total weight of the cantilever tip is generally about several mg. For example, the total weight of the cantilever tip is 5 to 10 mg, the width of the base of the cantilever is 1.6 mm (an example of standard dimensions for maintaining compatibility), and the thickness is 0.3 to 0.5 mm. It is.
In order to keep such a cantilever chip pressed against the Z scanner even if the Z scanner vibrates at a high speed, and in order not to adversely affect the vibration of the Z scanner, when the probe fixing member is set, A preferable example is that the cantilever chip is pressed against the Z scanner with a force of about 5 to 50 N.
The spring constant of the probe fixing member can be appropriately adjusted in order to obtain the required pressing force by changing the material, cross-sectional shape, length, etc. of the probe fixing member.
The expansion / contraction stroke amount of the Z scanner is generally about 0.5 μm to several μm. Therefore, in view of the scale of the leaf spring such as a plate thickness of 200 to 400 μm, since the stroke of the leaf spring is less than 1% of the plate thickness, the return force of the spring varies greatly as the Z scanner expands and contracts. There is no.
In order for the probe fixing member to follow the resonance frequency of the Z scanner described above, the resonance frequency of the probe fixing member itself may be increased.

プローブ固定用部材を板バネとする場合、図4に例示するように、端部72を湾曲させて導入部とし、プローブの基部を挿入し易いようにしてもよい。   When the probe fixing member is a leaf spring, as illustrated in FIG. 4, the end 72 may be curved to be an introduction portion so that the probe base can be easily inserted.

支持ブロックには、高さを調節し得る機構を加えて、プローブ固定用部材の押え力を調節し得るようにしてもよい。また、支持ブロックには、プローブ固定用部材の端部をワンタッチで保持、解放できるような構造を付与してもよい。   A mechanism capable of adjusting the height may be added to the support block so that the pressing force of the probe fixing member can be adjusted. The support block may be provided with a structure that can hold and release the end of the probe fixing member with one touch.

プローブ固定用部材とプローブ(カンチレバーの基部)とを、より広い面で接触させるために、両者の間には、図5(a)、(b)に例示するように、弾性および柔軟性を有する材料からなるクッション部材を介在させることが好ましい。
クッション部材の材料としては、天然ゴム、合成ゴムの他、アクリル変成シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの、弾性および柔軟性を有する有機高分子材料が挙げられる。
クッション部材は、独立した部材であってもよいが、プローブ固定用部材またはプローブに一体に設けておくことが、プローブの着脱操作には便利である。プローブが交換部品である点からは、クッション部材はプローブ固定用部材に一体に設けておくことが好ましい。
クッション部材は、図5(a)に例示するように層状であってもよいし、図5(b)に例示するように離散的なドット状であってもよく、その他、格子状など種々のパターンとして設けてもよい。また、クッション部材は、弾性や柔軟性の特性を考慮し、複数の材料層からなる複合的な部材であってもよい。
In order to bring the probe fixing member and the probe (base of the cantilever) into contact with each other on a wider surface, there is elasticity and flexibility between them as illustrated in FIGS. 5 (a) and 5 (b). It is preferable to interpose a cushion member made of a material.
Examples of the material for the cushion member include natural rubber and synthetic rubber, and organic polymer materials having elasticity and flexibility such as acrylic modified silicone resin and epoxy resin.
The cushion member may be an independent member, but it is convenient for the probe attaching / detaching operation to be provided integrally with the probe fixing member or the probe. From the viewpoint that the probe is a replacement part, the cushion member is preferably provided integrally with the probe fixing member.
The cushion member may be layered as illustrated in FIG. 5 (a), may be discrete dot-shaped as illustrated in FIG. 5 (b), and other various types such as a lattice shape. It may be provided as a pattern. Further, the cushion member may be a composite member composed of a plurality of material layers in consideration of elasticity and flexibility characteristics.

図1〜図4、図6に示すように、Zスキャナーには、プローブの位置決めのための位置決め部材50を固定しておくのが好ましい態様である。プローブを位置決めするための構造は、特に限定はされず、突起とそれを受ける穴や切り欠きによる位置決めなどであってよい。プローブに、穴や切り欠きを設けてもよいし、突起を設けてもよい。図6(a)、(b)の例では、位置決め部材50には、カンチレバーの基部をはめ込んで位置決めするための溝51が設けられている。該溝の深さは、カンチレバーを位置決めし易いように適宜決定すればよい。該溝の深さが、カンチレバーの板厚よりも大きい場合には、プローブ固定用部材の作用部分を突起させることで、溝内のカンチレバーを押え付けることが可能である。   As shown in FIGS. 1 to 4 and 6, it is preferable that a positioning member 50 for positioning the probe is fixed to the Z scanner. The structure for positioning the probe is not particularly limited, and may be positioning by a projection and a hole or notch for receiving the projection. A hole or a notch may be provided in the probe, or a protrusion may be provided. In the example of FIGS. 6A and 6B, the positioning member 50 is provided with a groove 51 for positioning by positioning the base of the cantilever. The depth of the groove may be determined as appropriate so that the cantilever can be easily positioned. When the depth of the groove is larger than the plate thickness of the cantilever, the cantilever in the groove can be pressed by projecting the action portion of the probe fixing member.

位置決め部材の材料は、Zスキャナーの振動に悪影響を与えないように、より軽い材料が好ましく、かつ、位置決めのためには変形し難い材料であることが好ましい。そのような材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金などの軽金属や、Si、SiCなどといった軽くて堅い無機化合物が挙げられる。
位置決め部材は、質量を増大させないように、接着剤によってZスキャナーに固定するのが好ましい。また、Zスキャナーの下面自体に、位置決め用の溝を直接的に設けてもよい。
The material of the positioning member is preferably a lighter material so as not to adversely affect the vibration of the Z scanner, and is preferably a material that is difficult to deform for positioning. Examples of such materials include light metals such as aluminum and aluminum alloys, and light and hard inorganic compounds such as Si and SiC.
The positioning member is preferably fixed to the Z scanner with an adhesive so as not to increase the mass. Further, a positioning groove may be provided directly on the lower surface of the Z scanner.

本発明による走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡のみならず、プローブ側に少なくともZスキャナーが設けられたものであればよい。代表的なものとして、走査型トンネル顕微鏡(プローブと試料との間に流れるトンネル電流に基づき画像を得るもの)、走査型近接場光学顕微鏡(光と試料と間の相互作用に基づき画像を得るもの)、走査型電気化学顕微鏡(走査型トンネル顕微鏡の構成に類するものであり、プローブと試料との間で起こる電気化学反応に基づき画像を得るもの)、走査型イオン伝導顕微鏡(プローブにマイクロガラス電極を用い,プローブと試料との間の距離の変化により生じるイオン伝導の変化を利用するもの)などが挙げられる。   The scanning probe microscope according to the present invention is not limited to an atomic force microscope, but may be any probe provided with at least a Z scanner on the probe side. Typical examples are scanning tunneling microscopes (which obtain images based on the tunnel current flowing between the probe and sample), scanning near-field optical microscopes (which obtain images based on the interaction between light and the sample) ), Scanning electrochemical microscope (similar to the configuration of scanning tunneling microscope, which obtains an image based on the electrochemical reaction between the probe and sample), scanning ion conduction microscope (micro glass electrode on the probe) And using a change in ion conduction caused by a change in the distance between the probe and the sample).

本実施例では、図1に示す構造を持った原子間力顕微鏡を製作し、一方で、カンチレバーの基部を接着剤によって固定した比較例品を製作し、Zスキャナーの振動特性を比較した。
〔実施例品〕
図1、図2に示すように、カンチレバー41を傾斜させるために、角度のついた位置決め部材50を作成し、Zスキャナー(Zピエゾ)の下面に接着剤で固定した。
位置決め部材50の材料は、SiCである。位置決め部材には、図6(a)、(b)に示すように、カンチレバーの基部をはめ込んで位置決めするための溝51を形成した。
カンチレバーチップ全体の重量は10mgであり、カンチレバーの基部の幅は1.6mm、厚さは0.5mmである。
上側ベース部11には、Zスキャナーを間に置いた2箇所に支持ブロック80、81を設けた。該支持ブロックの下端面には、板バネであるプローブ固定用部材をネジ止めできるようにメネジを加工した。この支持ブロックの下端面は、位置決め部材の傾斜角度に合わせて角度のついた傾斜面となっている。
プローブ固定用部材は、両端部にネジを通すための穴が設けられた長方形の平板状の板バネである。該板バネの材料は、ステンレス鋼であり、厚さ0.4mm、ネジを通すための穴の中心間距離は6.6mm、短辺は3.5mmである。
カンチレバーチップ40を位置決め部材50の溝に装着し、その上をプローブ固定用部材で覆って押え付け、両端部をネジによって支持ブロックに固定した。
板バネがカンチレバーを通じてZスキャナーの振動を低下させるような強い力を作用させないように、支持ブロックの下面と、位置決め部材に装着されたカンチレバーの下面との相対位置を調節した。
板バネの作用面(カンチレバーに接する領域の面)には、アクリル変成シリコーン樹脂からなるクッション部材を厚さ200〜300μmの層として付与した。これは、板バネとカンチレバーとの接触を面で接触させるためである。また、板バネによって強く押え過ぎるのを軽減するためのものでもある。これは、板バネによって強く押え過ぎると、Zスキャナーの変位量が減少するだけでなく、板バネの過大な変形により低周波領域に有害な振動が発生しやすくなるからである。
In this example, an atomic force microscope having the structure shown in FIG. 1 was manufactured, while a comparative product in which the base of the cantilever was fixed with an adhesive was manufactured, and the vibration characteristics of the Z scanner were compared.
[Example product]
As shown in FIGS. 1 and 2, in order to incline the cantilever 41, an angled positioning member 50 was prepared and fixed to the lower surface of the Z scanner (Z piezo) with an adhesive.
The material of the positioning member 50 is SiC. As shown in FIGS. 6A and 6B, a groove 51 for positioning by positioning the base portion of the cantilever was formed in the positioning member.
The total weight of the cantilever tip is 10 mg, the width of the base of the cantilever is 1.6 mm, and the thickness is 0.5 mm.
The upper base portion 11 is provided with support blocks 80 and 81 at two locations with the Z scanner interposed therebetween. A female screw was machined on the lower end surface of the support block so that a probe fixing member, which is a leaf spring, could be screwed. The lower end surface of the support block is an inclined surface having an angle according to the inclination angle of the positioning member.
The probe fixing member is a rectangular flat plate spring provided with holes for passing screws at both ends. The material of the leaf spring is stainless steel, the thickness is 0.4 mm, the distance between the centers of the holes for passing the screws is 6.6 mm, and the short side is 3.5 mm.
The cantilever chip 40 was mounted in the groove of the positioning member 50, covered with a probe fixing member and pressed, and both ends were fixed to the support block with screws.
The relative position between the lower surface of the support block and the lower surface of the cantilever mounted on the positioning member was adjusted so that the leaf spring did not exert a strong force that would reduce the vibration of the Z scanner through the cantilever.
A cushion member made of acryl-modified silicone resin was applied as a layer having a thickness of 200 to 300 μm to the working surface of the leaf spring (the surface in the region in contact with the cantilever). This is because the contact between the leaf spring and the cantilever is brought into contact with the surface. It is also for reducing excessive pressing by the leaf spring. This is because if the plate spring is pressed too hard, not only will the amount of displacement of the Z scanner be reduced, but also excessive vibration of the plate spring will likely cause harmful vibrations in the low frequency region.

〔評価〕
図7(a)は、上記実施例品において、プローブ固定用部材(板バネ)によってカンチレバーチップをZスキャナーに押え付けた状態で、該Zスキャナーを振動させたときの振動特性を示すグラフである。
横軸は、Zスキャナーを正弦波駆動する信号の周波数(駆動周波数)、左側の縦軸は、各駆動周波数でのカンチレバーチップ先端部の変位(ゲイン)、右側の縦軸は、その変位の駆動信号に対する位相である。グラフ中の曲線(Ia)はゲインを示し、曲線(Ib)は位相を示している。
Zスキャナー自体の無負荷の状態での共振周波数は110kHzであり、プローブ固定用部材によってカンチレバーチップをZスキャナーに押え付けた状態での共振周波数は104kHzであったが、もとの共振周波数と同様であり、高速での制御を阻害するような低下ではなかった。
[Evaluation]
FIG. 7A is a graph showing the vibration characteristics when the Z scanner is vibrated in a state where the cantilever chip is pressed against the Z scanner by the probe fixing member (plate spring) in the above-mentioned embodiment product. .
The horizontal axis is the frequency (drive frequency) of the signal for driving the Z scanner in a sine wave, the left vertical axis is the displacement (gain) of the tip of the cantilever tip at each drive frequency, and the right vertical axis is the drive of the displacement The phase with respect to the signal. A curve (Ia) in the graph indicates a gain, and a curve (Ib) indicates a phase.
The resonance frequency of the Z scanner itself with no load is 110 kHz, and the resonance frequency when the cantilever chip is pressed against the Z scanner by the probe fixing member is 104 kHz, which is the same as the original resonance frequency. It was not a drop that hindered the control at high speed.

〔比較例品〕
上記実施例品において、プローブ固定用部材を用いず、カンチレバーを位置決め部材に接着剤によって固定したこと以外は、上記実施例品と同様に原子間力顕微鏡を製作した。
[Comparative product]
An atomic force microscope was manufactured in the same manner as in the above example product, except that the cantilever was fixed to the positioning member with an adhesive without using the probe fixing member.

〔評価〕
図7(b)は、上記比較例品において、Zスキャナーを振動させたときの振動特性を示すグラフである。グラフの縦軸、横軸は、図7(a)のグラフと同様である。グラフ中の曲線(IIa)はゲインを示し、曲線(IIb)は位相を示している。
Zスキャナー自体の無負荷の状態での共振周波数は上記のとおり110kHzであり、接着剤によってカンチレバーチップを固定した場合の共振周波数は100kHzであり、もとの共振周波数と同様であった。
[Evaluation]
FIG. 7B is a graph showing vibration characteristics when the Z scanner is vibrated in the comparative example product. The vertical and horizontal axes of the graph are the same as those in the graph of FIG. A curve (IIa) in the graph indicates a gain, and a curve (IIb) indicates a phase.
The resonance frequency in the unloaded state of the Z scanner itself was 110 kHz as described above, and the resonance frequency when the cantilever chip was fixed with an adhesive was 100 kHz, which was the same as the original resonance frequency.

〔実施例品と比較例品との比較〕
実施例品と比較例品とを比較するために、図7(a)のグラフと図7(b)のグラフとを重ねたグラフを、図8に示す。
図8のグラフから、プローブ固定用部材によるカンチレバーチップの固定と、接着剤によるカンチレバーの固定とは、振動特性にほとんど差がないことが明らかになった。
また、実施例品では、Zスキャナーに無理な力を加えずに、カンチレバーチップを簡単にZスキャナーに装着し、取り外せることがわかった。また、Zスキャナーを高速に走査しても、カンチレバー側に意図せぬ別の振動が生じないことがわかった。
[Comparison between Example Product and Comparative Product]
FIG. 8 shows a graph obtained by superimposing the graph of FIG. 7A and the graph of FIG. 7B in order to compare the example product and the comparative product.
From the graph of FIG. 8, it is clear that there is almost no difference in vibration characteristics between fixing the cantilever tip with the probe fixing member and fixing the cantilever with the adhesive.
In addition, it was found that the cantilever tip can be easily attached to and removed from the Z scanner without applying excessive force to the Z scanner. Further, it was found that even when the Z scanner was scanned at high speed, another unintentional vibration was not generated on the cantilever side.

本発明によって、プローブ側の質量の増大を抑制しながらも、プローブをスキャナーに着脱可能に固定することが可能になった。これによって、例えば、プローブ側をより高速に作動させるような高速原子間力顕微鏡であっても、Zスキャナーの動作を阻害することなく、即ち、共振周波数の低下や変位量の減少を起こすことなく、カンチレバーチップを簡単に着脱できるようになった。   According to the present invention, the probe can be detachably fixed to the scanner while suppressing an increase in mass on the probe side. As a result, for example, even a high-speed atomic force microscope that operates the probe side at a higher speed does not hinder the operation of the Z scanner, that is, without causing a decrease in resonance frequency or a decrease in displacement. The cantilever tip can now be easily attached and removed.

10 下側ベース部
11 上側ベース部
20 XYZスキャナー
21 Zスキャナー
22 X−Yスキャナー
30 ステージ
40 カンチレバーチップ
41 カンチレバー
42 微小な突起針
50 位置決め部材
70 プローブ固定用部材
80 支持ブロック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Lower base part 11 Upper base part 20 XYZ scanner 21 Z scanner 22 XY scanner 30 Stage 40 Cantilever tip 41 Cantilever 42 Minute protrusion needle 50 Positioning member 70 Probe fixing member 80 Support block

Claims (8)

Xスキャナー、Yスキャナー、Zスキャナーのうち、少なくともZスキャナーがプローブ側に配置された走査型プローブ顕微鏡であって、
プローブ側の支持基盤である上側ベース部には、弾性的に変形可能なプローブ固定用部材が直接的にまたは間接的に固定されており、
該プローブ固定用部材は、弾性的に変形し、Zスキャナーの変位に追従しながら自体の復帰力によってプローブの基部をZスキャナーに押し付けるように配置されている、
前記走査型プローブ顕微鏡。
Among the X scanner, Y scanner, and Z scanner, a scanning probe microscope in which at least the Z scanner is arranged on the probe side,
An elastically deformable probe fixing member is directly or indirectly fixed to the upper base portion which is a support base on the probe side,
The probe fixing member is elastically deformed and arranged to press the base of the probe against the Z scanner by its own restoring force while following the displacement of the Z scanner.
The scanning probe microscope.
前記プローブ固定用部材が、支持ブロックを介して前記上側ベース部に固定されており、該支持ブロックは、該上側ベース部とZスキャナーとの間の高さの差を意図する値へと調節するために、前記上側ベース部に固定されたものである、請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡。   The probe fixing member is fixed to the upper base part via a support block, and the support block adjusts the height difference between the upper base part and the Z scanner to an intended value. Therefore, the scanning probe microscope according to claim 1, which is fixed to the upper base portion. 前記上側ベース部には、前記支持ブロックが、Zスキャナーを間に置いた少なくとも2箇所に設けられており、該支持ブロックには、それぞれに前記プローブ固定用部材の端部が固定され、該プローブ固定用部材の中央部が、自体の復帰力によってプローブの基部をZスキャナーに押し付けている、
請求項2記載の走査型プローブ顕微鏡。
The upper base portion is provided with the support blocks at at least two positions with a Z scanner interposed therebetween, and the end portions of the probe fixing members are fixed to the support blocks, respectively. The central part of the fixing member presses the base of the probe against the Z scanner by its own restoring force.
The scanning probe microscope according to claim 2.
前記上側ベース部には、前記支持ブロックが、必要箇所に設けられており、
該支持ブロックには、前記プローブ固定用部材の一方の端部が固定されており、該プローブ固定用部材の他方の自由端部が、自体の復帰力によってプローブの基部をZスキャナーに押し付けている、
請求項2または3記載の走査型プローブ顕微鏡。
In the upper base portion, the support block is provided at a necessary location,
One end of the probe fixing member is fixed to the support block, and the other free end of the probe fixing member presses the base of the probe against the Z scanner by its own restoring force. ,
The scanning probe microscope according to claim 2 or 3.
前記プローブ固定用部材が、板バネである、請求項1〜4のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the probe fixing member is a leaf spring. 前記プローブ固定用部材と前記プローブとの間には、弾性および柔軟性を有する材料からなるクッション部材がさらに介在している、請求項1〜5のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein a cushion member made of a material having elasticity and flexibility is further interposed between the probe fixing member and the probe. Zスキャナーには、前記プローブの位置決めのための位置決め部材が固定されており、
前記プローブ固定用部材は、該位置決め部材によって位置決めされた該プローブの基部をZスキャナーに押し付ける状態となるように配置されている、請求項1〜6のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。
A positioning member for positioning the probe is fixed to the Z scanner,
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the probe fixing member is disposed so as to press a base portion of the probe positioned by the positioning member against a Z scanner.
当該走査型プローブ顕微鏡が、原子間力顕微鏡であって、前記プローブが、カンチレバーと突起針とを有してなるカンチレバーチップである、請求項1〜7のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 7, wherein the scanning probe microscope is an atomic force microscope, and the probe is a cantilever tip having a cantilever and a protruding needle. .
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