JP2510015B2 - 共鳴音響発振素子の近接場中の対象物を検査する音響走査顕微鏡 - Google Patents
共鳴音響発振素子の近接場中の対象物を検査する音響走査顕微鏡Info
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- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
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- G01H3/10—Amplitude; Power
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
Description
【発明の詳細な説明】 この発明は対象物の音響近接場の相互作用を利用した
音響走査顕微鏡に関する。この場合、用語「近接場」を
用いて、ビーム源の大きさと対象物までの距離がほぼ等
しく、利用しているビームの波長より非常に短いことを
説明する。近接場の配置では、分解能が利用しているビ
ームの波長によって古典的に制限さるのでなく、より小
さいくでき、ビーム源の大きさと距離によって定まると
言う重要な特徴がある。このことは、例えばヨーロッパ
特許第0 112 401号明細書の光学的近接走査顕微鏡によ
って公知である。
音響走査顕微鏡に関する。この場合、用語「近接場」を
用いて、ビーム源の大きさと対象物までの距離がほぼ等
しく、利用しているビームの波長より非常に短いことを
説明する。近接場の配置では、分解能が利用しているビ
ームの波長によって古典的に制限さるのでなく、より小
さいくでき、ビーム源の大きさと距離によって定まると
言う重要な特徴がある。このことは、例えばヨーロッパ
特許第0 112 401号明細書の光学的近接走査顕微鏡によ
って公知である。
古典的な分解能の限界以下になり、分解能が音波の波
長の約十分の一になる音響走査顕微鏡はJ.K.Zieniuk,A.
Latuszek,IEEE Ultrasonics Symposium 1986,p.1035−1
039から公知である。
長の約十分の一になる音響走査顕微鏡はJ.K.Zieniuk,A.
Latuszek,IEEE Ultrasonics Symposium 1986,p.1035−1
039から公知である。
約3MHzの超音波は対象物を透過し、液体の結合媒体を
通過して対象物上に狭い間隔に保持してある音波導体に
入射し、この導体から検出器である変換器に導入され
る。音波導体の円錐台形状に特徴があり、約20μｍ直径
の前記導体の小さい上面は使用する音波の波長（約0.5m
m）より充分短く、対象物に対向している。小さい上面
の大きさは、到達分解能を決める。
通過して対象物上に狭い間隔に保持してある音波導体に
入射し、この導体から検出器である変換器に導入され
る。音波導体の円錐台形状に特徴があり、約20μｍ直径
の前記導体の小さい上面は使用する音波の波長（約0.5m
m）より充分短く、対象物に対向している。小さい上面
の大きさは、到達分解能を決める。
米国特許第4 646 573号明細書から、この様な顕微鏡
も公知である。
も公知である。
この様式の透過装置は、基本的に狭く限定された対象
物に対してのみ適する。
物に対してのみ適する。
音響レンズの代わりにこの種の円錐台を有する反射装
置は基本的には可能である。しかし、大きな出力損失、
パルス駆動の必要性及び種々の反射光による相当な乱れ
が生じる。このことは何れも古典的な音響顕微鏡の場
合、既に弱い形で問題を提起されている（A.Thaer,M.Ho
ppe,W.J.Patzelt,Leitz Mitt.Wiss.Techn.VIII（198
2）,61−67）。
置は基本的には可能である。しかし、大きな出力損失、
パルス駆動の必要性及び種々の反射光による相当な乱れ
が生じる。このことは何れも古典的な音響顕微鏡の場
合、既に弱い形で問題を提起されている（A.Thaer,M.Ho
ppe,W.J.Patzelt,Leitz Mitt.Wiss.Techn.VIII（198
2）,61−67）。
ヨーロッパ特許第0 223 918号明細書から、力顕微鏡
が公知である。原子の電子雲が先端と対象物で重なり、
原子間力が生じるまで、先端を対象物に近づけて、この
顕微鏡が対象物の位相形態的な画像を与える。この間隔
は1nm以下になる。先端は梁状羽根毛に装着してあり、
力はその先端を観測する走査トンネル顕微鏡に及ぼす先
端の偏向の影響によって検証される。この場合、梁状羽
根を2KHzの固有周波数と、1nmより小さい振幅でｚ方向
に振動させることが提唱されている。従って、誤差の影
響を低減する搬送周波数の方法が導入されている。この
力顕微鏡では、対象物と検出系とを超高真空（即ち、約
10-8Pa）中に導入すると、上記搬送周波数の方法が特に
有利である。
が公知である。原子の電子雲が先端と対象物で重なり、
原子間力が生じるまで、先端を対象物に近づけて、この
顕微鏡が対象物の位相形態的な画像を与える。この間隔
は1nm以下になる。先端は梁状羽根毛に装着してあり、
力はその先端を観測する走査トンネル顕微鏡に及ぼす先
端の偏向の影響によって検証される。この場合、梁状羽
根を2KHzの固有周波数と、1nmより小さい振幅でｚ方向
に振動させることが提唱されている。従って、誤差の影
響を低減する搬送周波数の方法が導入されている。この
力顕微鏡では、対象物と検出系とを超高真空（即ち、約
10-8Pa）中に導入すると、上記搬送周波数の方法が特に
有利である。
予備公開されていない西独特許第37 23 933号明細書
から、１マイクロ平方メーターの程度の接触面で、しか
も１ミリニュートンより小さい程度の接触力用の接触検
出器は公知である。この検出器では、プローブが測定面
に接近した場合、振幅が例えば１デシベル低下すると、
鋭利なプローブを備えた棒状共鳴体が励起されて長手方
向の機械的な固有振動となり、接触信号が生じる。周波
数の変化も検出することができる。表面を走査すること
ができ、その場合、振幅を一定に制御できる。共鳴体の
振動を励起し、しかも検証するため分離した電極対が装
備してある。同調の外れは、硬度検査の時に行われるよ
うに、結合媒体なしに直接機械的な接触によって行われ
る。音響場、特に近接場の特性は考慮されていない。
から、１マイクロ平方メーターの程度の接触面で、しか
も１ミリニュートンより小さい程度の接触力用の接触検
出器は公知である。この検出器では、プローブが測定面
に接近した場合、振幅が例えば１デシベル低下すると、
鋭利なプローブを備えた棒状共鳴体が励起されて長手方
向の機械的な固有振動となり、接触信号が生じる。周波
数の変化も検出することができる。表面を走査すること
ができ、その場合、振幅を一定に制御できる。共鳴体の
振動を励起し、しかも検証するため分離した電極対が装
備してある。同調の外れは、硬度検査の時に行われるよ
うに、結合媒体なしに直接機械的な接触によって行われ
る。音響場、特に近接場の特性は考慮されていない。
この発明の課題は、分解能を従来技術に比べて、完全
に、しかも音波の波長に比べて著しく上昇し、サブミク
ロン領域になる音響走査顕微鏡を提供すること、そして
対象物の透過特性や反射特性に関係なく機能し、しかも
液状の結合媒体を使用しないで済むような音響走査顕微
鏡を提供することにある。
に、しかも音波の波長に比べて著しく上昇し、サブミク
ロン領域になる音響走査顕微鏡を提供すること、そして
対象物の透過特性や反射特性に関係なく機能し、しかも
液状の結合媒体を使用しないで済むような音響走査顕微
鏡を提供することにある。
上記の課題は、本発明によれば、絶えず共鳴状態に励
起されている音響発振素子が、対象物の上方にして該音
響発振素子の音響近接場領域内に、対象物と接触しない
ように配置されていること、音響発振素子の、対象物の
方向へ突出している局部的に狭く限定された部分だけ
を、プローブとして対象物に接近させるようにしたこ
と、音響近接場と対象物との相互作用による音響発振素
子の減衰を検出し、この場合音響発振素子の減衰は、音
響発振素子と対象物との間隔を表わす量であること、前
記プローブの走査により対象物の構造を結像化させるよ
うにしたことによって解決される。
起されている音響発振素子が、対象物の上方にして該音
響発振素子の音響近接場領域内に、対象物と接触しない
ように配置されていること、音響発振素子の、対象物の
方向へ突出している局部的に狭く限定された部分だけ
を、プローブとして対象物に接近させるようにしたこ
と、音響近接場と対象物との相互作用による音響発振素
子の減衰を検出し、この場合音響発振素子の減衰は、音
響発振素子と対象物との間隔を表わす量であること、前
記プローブの走査により対象物の構造を結像化させるよ
うにしたことによって解決される。
なお音響発振素子の減衰とは、本発明の場合、音響発
振素子が発する音波の共鳴周波数または振幅の減衰を意
味する。請求の範囲の従属項２〜15の要旨が有利な構成
である。この発明によれば、種々の物理的な波、即ち光
を含めた電磁波のビーム源に対する公知の近接場は、音
響場の場合でも同じように生じることが見出されてい
る。相違点は、種々の多重極が関与している点にある。
即ち、音響的な単極が音波を発するが、電磁波に対して
は少なくとも双極が必要となる。
振素子が発する音波の共鳴周波数または振幅の減衰を意
味する。請求の範囲の従属項２〜15の要旨が有利な構成
である。この発明によれば、種々の物理的な波、即ち光
を含めた電磁波のビーム源に対する公知の近接場は、音
響場の場合でも同じように生じることが見出されてい
る。相違点は、種々の多重極が関与している点にある。
即ち、音響的な単極が音波を発するが、電磁波に対して
は少なくとも双極が必要となる。
それ故、光学走査顕微鏡で知られている分解能に関す
る利点は、種々の波長を考慮すると、音響走査顕微鏡に
持ち込める。
る利点は、種々の波長を考慮すると、音響走査顕微鏡に
持ち込める。
共鳴音響発振素子は、例えば時計産業で小型化された
振動用水晶として作製されている。この発振器の応用か
ら、励起して振動状態を測定する方法も公知である。
振動用水晶として作製されている。この発振器の応用か
ら、励起して振動状態を測定する方法も公知である。
この発明によれば、上記の共鳴音響発振素子と対象物
との間の近接場の効果を走査顕微鏡に利用している。
との間の近接場の効果を走査顕微鏡に利用している。
公知の高分解能音響走査顕微鏡（J.K.Zieniuk,A.Latu
szek又は米国特許第4 646 573号明細書）に比べて、本
発明の利点は、この公知の音響走査顕微鏡のように受信
器を別個に必要としないことである。この種の受信器
は、対象物の影響を受けた小さな強度の音波（反射波）
を検出する必要があり、しかもこの音波を、送信される
大きな強度の音波の影響を受けないように識別しなけれ
ばならない。これに対して本発明では、対象物に接触し
て送られて来る音波（反射波）を受信する必要がない。
音響発振素子の励起は絶えず行われ、該音響発振素子は
音響近接場の領域において対象物の上方に設置される。
szek又は米国特許第4 646 573号明細書）に比べて、本
発明の利点は、この公知の音響走査顕微鏡のように受信
器を別個に必要としないことである。この種の受信器
は、対象物の影響を受けた小さな強度の音波（反射波）
を検出する必要があり、しかもこの音波を、送信される
大きな強度の音波の影響を受けないように識別しなけれ
ばならない。これに対して本発明では、対象物に接触し
て送られて来る音波（反射波）を受信する必要がない。
音響発振素子の励起は絶えず行われ、該音響発振素子は
音響近接場の領域において対象物の上方に設置される。
この発明を図面に示した実施例に基づきより詳しく説
明する。
明する。
第１図、対象物に平行に移動する共振素子として同調
フォーク水晶を備えた音響走査顕微鏡の模式図。
フォーク水晶を備えた音響走査顕微鏡の模式図。
第２図、第１図に相当するが、振動方向が対象物に垂
直である模式図。
直である模式図。
第３図、電極配置の実施例も含めて示した、角がプロ
ーブ先端として作用し、対象物に斜めに振動する同調フ
ォーク発振素子を備えた配置図。
ーブ先端として作用し、対象物に斜めに振動する同調フ
ォーク発振素子を備えた配置図。
第４図、一端がプローブ先端として形成された棒状振
動子を有する音響走査顕微鏡の模式図。
動子を有する音響走査顕微鏡の模式図。
第５図、近接場領域にある対象物までの距離に依存す
る同調フォーク発振器の周波数ずれの実験的に測定され
たグラフ。この場合、効果の気体圧力依存性が重要であ
る。
る同調フォーク発振器の周波数ずれの実験的に測定され
たグラフ。この場合、効果の気体圧力依存性が重要であ
る。
第１図には、或る構造を有する対象物１が示してあ
る。この対象物１の表面に平行に、適当な間隔で端部３
と４及び励起用の二つの電極５と６を備えた音響発振素
子としての同調フォーク２が模式的に示してある。同調
フォーク２の端部３と４は同調フォーク２の共鳴周波数
で対象物１の表面に平行に振動する。
る。この対象物１の表面に平行に、適当な間隔で端部３
と４及び励起用の二つの電極５と６を備えた音響発振素
子としての同調フォーク２が模式的に示してある。同調
フォーク２の端部３と４は同調フォーク２の共鳴周波数
で対象物１の表面に平行に振動する。
同調フォーク２は、例えば圧電石英で構成されてい
て、励起と測定は両方の電極５と６とによる圧電効果で
行われる。更に、これ等の電極には電子回路７が配設し
てある。この電子回路は電子的な正帰還によって同調フ
ォーク２を励起して固有な共鳴状態にし、この同調フォ
ーク２の共鳴周波数または振幅の減衰も測定する。
て、励起と測定は両方の電極５と６とによる圧電効果で
行われる。更に、これ等の電極には電子回路７が配設し
てある。この電子回路は電子的な正帰還によって同調フ
ォーク２を励起して固有な共鳴状態にし、この同調フォ
ーク２の共鳴周波数または振幅の減衰も測定する。
同調フォーク２の一方の端部３には、プローブとして
微細な先端８がある。この先端８は、音響発振素子の、
対象物１の方向へ突出している局部的に狭く限定された
部分であり、対象物１の近くで狭い間隔９まで達してい
る。他方の端部４には、同調フォーク２の共鳴特性を安
定化するバランス重量10が装備してある。
微細な先端８がある。この先端８は、音響発振素子の、
対象物１の方向へ突出している局部的に狭く限定された
部分であり、対象物１の近くで狭い間隔９まで達してい
る。他方の端部４には、同調フォーク２の共鳴特性を安
定化するバランス重量10が装備してある。
ホルダー11を介して、先端８をする同調フォーク２が
三次元位置決め装置12に装着されている。このことは、
先端８を対象物１の測定間隔に設定し、格子状の運動に
よってこの対象物を走査することを可能にしている。位
置決め装置12を適切に構成することは、走査顕微鏡で、
特に走査トンネル顕微鏡でも知られている。更に、粗調
整駆動と密調整駆動とに区分された圧電駆動動作が、音
響走査顕微鏡の分解能に適合させた精度で行われる。
三次元位置決め装置12に装着されている。このことは、
先端８を対象物１の測定間隔に設定し、格子状の運動に
よってこの対象物を走査することを可能にしている。位
置決め装置12を適切に構成することは、走査顕微鏡で、
特に走査トンネル顕微鏡でも知られている。更に、粗調
整駆動と密調整駆動とに区分された圧電駆動動作が、音
響走査顕微鏡の分解能に適合させた精度で行われる。
第２図には、対象物１に対して垂直な振動方向の構成
用の同じ構成要素の配置が示してある。このため、第１
図の実施例に比べて同調フォーク２は対象物１に垂直な
平面内で回転した位置にあり、端部３の先端８も同じよ
うに回転した位置にある。
用の同じ構成要素の配置が示してある。このため、第１
図の実施例に比べて同調フォーク２は対象物１に垂直な
平面内で回転した位置にあり、端部３の先端８も同じよ
うに回転した位置にある。
第３図では、同調フォーク２及びその振動方向も対象
物１の表面に対して斜めに傾けてある。端部３の同調フ
ォーク２の角は直接先端8aとして利用でき、余分な部分
がないことも示してある。必要な場合には、組み込こま
れている先端8aを形成するため、同調フォーク２の成形
を最適にできる。
物１の表面に対して斜めに傾けてある。端部３の同調フ
ォーク２の角は直接先端8aとして利用でき、余分な部分
がないことも示してある。必要な場合には、組み込こま
れている先端8aを形成するため、同調フォーク２の成形
を最適にできる。
第１図から第３図の配置に対しては、例えばETA社S.
A.CH−2540 Grenchenの水晶発振素子DS−26に使用され
ているような同調フォークが適している。これ等の同調
フォークでは、両方の電極が、第３図に模式的に示すよ
うに、多数の部分面5a,5b,5c,5d;6a,6b,6c,6dに配分し
てあり、同調フォークの両方のアームに配分してある。
従って、第１図の単純な原理配置の場合よりも、電気的
な振動と機械的な音響振動との間のより有効な結合が得
られる。共鳴周波数は、32kHzになり、空気中の音波の
波長は1cmである。端部3,4の典型的な寸法は、約0.1mm
である。振動の振幅は端部3,4で１μｍより小さい。
A.CH−2540 Grenchenの水晶発振素子DS−26に使用され
ているような同調フォークが適している。これ等の同調
フォークでは、両方の電極が、第３図に模式的に示すよ
うに、多数の部分面5a,5b,5c,5d;6a,6b,6c,6dに配分し
てあり、同調フォークの両方のアームに配分してある。
従って、第１図の単純な原理配置の場合よりも、電気的
な振動と機械的な音響振動との間のより有効な結合が得
られる。共鳴周波数は、32kHzになり、空気中の音波の
波長は1cmである。端部3,4の典型的な寸法は、約0.1mm
である。振動の振幅は端部3,4で１μｍより小さい。
共振素子のクオリティファクター（Ｑ値）は50,000よ
り大きい。同調フォーク２を励起させ、且つ周波数また
は振幅を測定し、よって同調フォークの減衰（周波数ま
たは振幅の減衰）を測定する回路７はこの様な共振器に
とって公知であり、市販されている。
り大きい。同調フォーク２を励起させ、且つ周波数また
は振幅を測定し、よって同調フォークの減衰（周波数ま
たは振幅の減衰）を測定する回路７はこの様な共振器に
とって公知であり、市販されている。
第３図の装置では、先端8aを特別に切り出してなく、
間隔９が0.1mmの程度である場合、同調フォーク２の共
鳴周波数は、通常の大気圧で間隔９が0.1mmの変化をす
ると通常2Hzほど変化する。このことを第５図に基づき
より詳しく説明する。この場合、ｚ方向間隔分解能は波
長の一万分の一に達する。
間隔９が0.1mmの程度である場合、同調フォーク２の共
鳴周波数は、通常の大気圧で間隔９が0.1mmの変化をす
ると通常2Hzほど変化する。このことを第５図に基づき
より詳しく説明する。この場合、ｚ方向間隔分解能は波
長の一万分の一に達する。
第１図又は第２図の配置では、走査トンネル顕微鏡用
の先端で通常採用されているように、約50nmの先端曲率
を有する先端８に仕上げた場合、約100nmの間隔の範囲
にわたって約5nmの間隔の分解能に達する。間隔９がほ
ぼ先端曲率に一致すると、横分解能も約50nmに達する。
の先端で通常採用されているように、約50nmの先端曲率
を有する先端８に仕上げた場合、約100nmの間隔の範囲
にわたって約5nmの間隔の分解能に達する。間隔９がほ
ぼ先端曲率に一致すると、横分解能も約50nmに達する。
周波数のずれのほかに、同調フォーク２の振幅の変化
も、近接した対象物１による同調フォーク２の減衰を表
わす量として好適に評価することができる。同調フォー
ク２の減衰の程度、即ちこの場合には同調フォーク２の
振幅の減衰の程度は、位置決め装置12のデータから既知
である先端８の位置に関係しており、走査によって処理
して顕微鏡像にされる。
も、近接した対象物１による同調フォーク２の減衰を表
わす量として好適に評価することができる。同調フォー
ク２の減衰の程度、即ちこの場合には同調フォーク２の
振幅の減衰の程度は、位置決め装置12のデータから既知
である先端８の位置に関係しており、走査によって処理
して顕微鏡像にされる。
走査トンネル顕微鏡の場合と同じ様に、対象物１を走
査する場合、走査する期間中振動振幅又は共鳴周波数を
一定に維持するように、対象物１と先端８との間の間隔
９を制御すると有利である。走査点に応じた制御信号は
対象物１の表面の輪郭を与える。この場合、高さの外に
対象物１の局所的な弾性特性も原理的に与える。
査する場合、走査する期間中振動振幅又は共鳴周波数を
一定に維持するように、対象物１と先端８との間の間隔
９を制御すると有利である。走査点に応じた制御信号は
対象物１の表面の輪郭を与える。この場合、高さの外に
対象物１の局所的な弾性特性も原理的に与える。
他の走査顕微鏡と同じように、音響近接走査顕微鏡も
対象物１の局所表面に影響を与える可能性をもたらす。
特に、局所的な音響表面波を発生させることができる。
対象物１の局所表面に影響を与える可能性をもたらす。
特に、局所的な音響表面波を発生させることができる。
微細な先端８を有する構成の場合には、同調フォーク
２の両端部3,4での振動振幅は作業間隔９や分解能より
もはるかに大きい。
２の両端部3,4での振動振幅は作業間隔９や分解能より
もはるかに大きい。
先端８が端部３から同調フォーク２のベースに向けて
移動すると、先端の振動振幅を減少させることができ
る。そうすると、近接場による同調フォーク２への影響
も減少する。
移動すると、先端の振動振幅を減少させることができ
る。そうすると、近接場による同調フォーク２への影響
も減少する。
しかしながら、振動励起を電子制御することによっ
て、この振幅を10nmの範囲以下に低減させることができ
る。同調フォーク２を高調波周波数で励起しても、小さ
い振幅が得られる。
て、この振幅を10nmの範囲以下に低減させることができ
る。同調フォーク２を高調波周波数で励起しても、小さ
い振幅が得られる。
好みに応じて、間隔の高分解能に対して第１図による
平行振動方向か、あるいは高い横分解能に対して第２図
による垂直振動方向を選択できる。第２図の配置では、
振幅が約１μｍの場合、先端８と対象物１の間の平均間
隔９は先端８の曲率半径より大きい。それ故、近接場の
効果は同調フォーク２の振動が対象物１の方向に最大変
位の90％以上に達する区間で大体作用を及ぼす。しか
し、反転箇所で必要な先端８と対象物１間の最小間隔
（例えば、50nm）は、間隔の到達分解能（例えば、5n
m）よりも必ず大きい。
平行振動方向か、あるいは高い横分解能に対して第２図
による垂直振動方向を選択できる。第２図の配置では、
振幅が約１μｍの場合、先端８と対象物１の間の平均間
隔９は先端８の曲率半径より大きい。それ故、近接場の
効果は同調フォーク２の振動が対象物１の方向に最大変
位の90％以上に達する区間で大体作用を及ぼす。しか
し、反転箇所で必要な先端８と対象物１間の最小間隔
（例えば、50nm）は、間隔の到達分解能（例えば、5n
m）よりも必ず大きい。
それ故、ヨーロッパ特許第 223 918号明細書の力顕微
鏡とは幾分異なり、先端８と対象物１に損傷を与える恐
れは少ない。前記力顕微鏡では、先端の動作間隔と間隔
分解能は共に大体0.1nmである。
鏡とは幾分異なり、先端８と対象物１に損傷を与える恐
れは少ない。前記力顕微鏡では、先端の動作間隔と間隔
分解能は共に大体0.1nmである。
第４図には、この発明で採用する共鳴音響発振素子が
同調フォーク２でなくてよいことを模式図にして示して
ある。
同調フォーク２でなくてよいことを模式図にして示して
ある。
発振器の箇所には、真中に挟み込んだ圧電水晶棒13が
ある。両端部14と15は、棒13の長手方向に交互に振動す
る。励起には、電極a,5bと6a,6bが使用される。対象物
１に間隔９で対向している端部14は、音響発振素子の、
対象物１の方向へ突出している局部的に狭く限定された
部分である。他の配置は第１図〜第３図に相当する。適
当な振動水晶棒13は例えばETA社S.A.CH−2540 Grenchen
の水晶結晶発振素子CX−MV中に含まれている。この典型
的な共鳴周波数は1MHzで、空気中の音波の波長は約0.33
mmである。この様な水晶発振素子は、R.J.Dinger,Proc.
35th Ann.Freq.Control Symposium,USAERADCOM,Ft.Monm
outh,NJ,May1981,p.144〜にも記載されている。
ある。両端部14と15は、棒13の長手方向に交互に振動す
る。励起には、電極a,5bと6a,6bが使用される。対象物
１に間隔９で対向している端部14は、音響発振素子の、
対象物１の方向へ突出している局部的に狭く限定された
部分である。他の配置は第１図〜第３図に相当する。適
当な振動水晶棒13は例えばETA社S.A.CH−2540 Grenchen
の水晶結晶発振素子CX−MV中に含まれている。この典型
的な共鳴周波数は1MHzで、空気中の音波の波長は約0.33
mmである。この様な水晶発振素子は、R.J.Dinger,Proc.
35th Ann.Freq.Control Symposium,USAERADCOM,Ft.Monm
outh,NJ,May1981,p.144〜にも記載されている。
機能様式は、その他の点で第１図〜第３図の例の場合
と同じである。
と同じである。
第１〜４図にも図示した上記水晶発振素子には、逆位
相の振動を励起する一対のアームないしは棒振動子で構
成されると言う特異な特性がある。この水晶発振素子
は、アームないしは棒振動子の一方が対象物１と相互作
用するように、音響近接場走査顕微鏡中に配設される。
この結果、著しい相互作用が生じない程大きい対象物１
までの間隔では、発振素子の振動がホルダー11（第１
図）に伝達されない。何故なら、ホルダー11への固定は
振動の節点で行われるからである。しかしながら、対象
物１との相互作用によって発振素子の対が一方の側で負
荷を受けると、ホルダー11への振動の伝達が生じる。こ
の振動の伝達はホルダー11中で減衰する。このことは測
定感度を向上させることになる。何故なら、減衰の変化
はこれ等の条件下で棒又はアームの振動子が対象物１と
の相互作用によってのみ生じる減衰の変化より著しく大
きいからである。
相の振動を励起する一対のアームないしは棒振動子で構
成されると言う特異な特性がある。この水晶発振素子
は、アームないしは棒振動子の一方が対象物１と相互作
用するように、音響近接場走査顕微鏡中に配設される。
この結果、著しい相互作用が生じない程大きい対象物１
までの間隔では、発振素子の振動がホルダー11（第１
図）に伝達されない。何故なら、ホルダー11への固定は
振動の節点で行われるからである。しかしながら、対象
物１との相互作用によって発振素子の対が一方の側で負
荷を受けると、ホルダー11への振動の伝達が生じる。こ
の振動の伝達はホルダー11中で減衰する。このことは測
定感度を向上させることになる。何故なら、減衰の変化
はこれ等の条件下で棒又はアームの振動子が対象物１と
の相互作用によってのみ生じる減衰の変化より著しく大
きいからである。
第５図には、空気中での同調フォーク２と対象物１と
の間の間隔９（Δｄ）に対する共鳴音響発振素子の共鳴
周波数の周波数のずれを表すグラフが示してある。
の間の間隔９（Δｄ）に対する共鳴音響発振素子の共鳴
周波数の周波数のずれを表すグラフが示してある。
特殊な先端８のない第３図の同調フォーク２が、第２
図の相当して、対象物１である湾曲した金属表面に垂直
に振動する配置を用いて、測定値を得た。Δｄ＝０μｍ
の接触では、図示した相対間隔Δｄを校正していない。
図の相当して、対象物１である湾曲した金属表面に垂直
に振動する配置を用いて、測定値を得た。Δｄ＝０μｍ
の接触では、図示した相対間隔Δｄを校正していない。
特性曲線の圧力依存性は、結合媒体なしで有効になり
えない効果である音響特性を示している。1.5Paの真空
で既に、周波数は圧力40Pa,1kPa及び100kPa（通常の圧
力）のグラフに示した間隔の範囲にわたって最大0.02Hz
ほど変わる。通常の圧力では、周波数変化がこの値の百
倍に上昇する。空気以外に、結合媒体として他の気体、
例えばヘリュームも適する。音響特性に応じて、周波数
と間隔の特性曲線も変わる。
えない効果である音響特性を示している。1.5Paの真空
で既に、周波数は圧力40Pa,1kPa及び100kPa（通常の圧
力）のグラフに示した間隔の範囲にわたって最大0.02Hz
ほど変わる。通常の圧力では、周波数変化がこの値の百
倍に上昇する。空気以外に、結合媒体として他の気体、
例えばヘリュームも適する。音響特性に応じて、周波数
と間隔の特性曲線も変わる。
フロントページの続き (72)発明者 ギュートナー ペーター アメリカ合衆国 カリフォルニア 95120‐6099 サン ホセ ハリー ロ ード 650 アイビーエム リサーチ ディヴィジョン アルマデン リサーチ センター エキスプロラトリー スト リッジ スタディーズ デパート メン ト (72)発明者 ハイトマン クヌート ドイツ連邦共和国 Ｄ‐6330 ヴェツラ ー レルヒェンヴェーク 16 (56)参考文献 特開 昭61−250551（ＪＰ，Ａ)
Claims (15)
- 【請求項１】対象物（１）を検査するための音響走査顕
微鏡において、 絶えず共鳴状態に励起されている音響発振素子が、対象
物（１）の上方にして該音響発振素子の音響近接場領域
内に、対象物と接触しないように配置されていること、 音響発振素子の、対象物（１）の方向へ突出している局
部的に狭く限定された部分だけを、プローブとして対象
物（１）に接近させるようにしたこと、 音響近接場と対象物（１）との相互作用による音響発振
素子の減衰を検出し、この場合音響発振素子の減衰は、
音響発振素子と対象物（１）との間隔を表わす量である
こと、 前記プローブの走査により対象物（１）の構造を結像化
させるようにしたこと、 を特徴とする音響走査顕微鏡。 - 【請求項２】音響発振素子は、結合した音響発振素子の
対で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項
に記載の音響走査顕微鏡。 - 【請求項３】音響発振素子は、同調フォーク（２）であ
ることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の音響走査
顕微鏡。 - 【請求項４】音響発振素子は、自由端（14,15）を有す
る真中を固定したアーム（13）であることを特徴とする
請求の範囲第２項に記載の音響走査顕微鏡。 - 【請求項５】音響発振素子は、対象物（１）の表面に平
行に振動することを特徴とする請求の範囲第１項に記載
の音響走査顕微鏡。 - 【請求項６】音響発振素子は、対象物（１）の表面に垂
直に振動することを特徴とする請求の範囲第１項に記載
の音響走査顕微鏡。 - 【請求項７】振動振幅の大きい音響発振素子の、対象物
（１）にたいして最も近接している部分に、プローブ先
端が成形または配設してあることを特徴とする請求の範
囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 - 【請求項８】音響発振素子と対象物（１）の間には、結
合媒体である気体が満たしてあることを特徴とする請求
の範囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 - 【請求項９】音響発振素子の減衰を表わす量として、固
有共鳴振動している音響発振素子の周波数変化を測定す
ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走査
顕微鏡。 - 【請求項１０】音響発振素子の減衰を表わす量として、
固有共鳴振動している音響発振素子の振幅変化を測定す
ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走査
顕微鏡。 - 【請求項１１】対象物（１）を走査する場合、音響発振
素子と対象物（１）の間の間隔（９）を、音響発振素子
の減衰が一定量に補償されるように調節することを特徴
とする請求の範囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 - 【請求項１２】音響発振素子のクオリティファクターが
1000より大きいことを特徴とする請求の範囲第１項に記
載の音響走査顕微鏡。 - 【請求項１３】音響発振素子は、圧電材料で構成されて
いることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走
査顕微鏡。 - 【請求項１４】音響発振素子（2,13）は、構造を付与し
た二つの電極（5,6）を有し、音響発振素子（2,13）の
励起を電子的な正帰還によって固有共鳴で動作させる電
子回路（７）に接続していることを特徴とする請求の範
囲第13項に記載の音響走査顕微鏡。 - 【請求項１５】音響発振素子は相互に逆位相振動する発
振素子を結合させた対で構成され、この対を結合された
振動の節点で保持して、対象物（１）と相互作用が生じ
ない限り、保持部に振動を伝達させないようにしたこと
を特徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走査顕微
鏡。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3820518.1 | 1988-06-16 | ||
| DE3820518A DE3820518C1 (ja) | 1988-06-16 | 1988-06-16 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03500213A JPH03500213A (ja) | 1991-01-17 |
| JP2510015B2 true JP2510015B2 (ja) | 1996-06-26 |
Family
ID=6356686
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1508881A Expired - Lifetime JP2510015B2 (ja) | 1988-06-16 | 1989-06-15 | 共鳴音響発振素子の近接場中の対象物を検査する音響走査顕微鏡 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0372060B1 (ja) |
| JP (1) | JP2510015B2 (ja) |
| DE (2) | DE3820518C1 (ja) |
| WO (1) | WO1989012805A1 (ja) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5319977A (en) * | 1991-06-20 | 1994-06-14 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Near field acoustic ultrasonic microscope system and method |
| US5262643A (en) * | 1992-06-12 | 1993-11-16 | International Business Machines Corp. | Automatic tip approach method and apparatus for scanning probe microscope |
| FR2697087B1 (fr) * | 1992-10-19 | 1995-01-06 | Centre Nat Rech Scient | Procédé acoustique d'analyse microscopique ou d'imagerie d'un objet en profondeur par application d'une pointe vibrante et microscope en faisant application. |
| DE4303125C1 (de) * | 1993-02-04 | 1994-05-11 | Hommelwerke Gmbh | Schaltungsanordnung mit einem elektromechanischen Stellantrieb |
| DE4324983C2 (de) * | 1993-07-26 | 1996-07-11 | Fraunhofer Ges Forschung | Akustisches Mikroskop |
| DE4337507C2 (de) * | 1993-11-03 | 1997-05-28 | Dresden Ev Inst Festkoerper | Akustisches Mikroskop |
| GB2289759B (en) * | 1994-05-11 | 1996-05-22 | Khaled Karrau | Coupled oscillator scanning imager |
| DE19531466C2 (de) * | 1995-03-30 | 2000-09-28 | Dresden Ev Inst Festkoerper | Mikromechanische Sonde für Rastermikroskope |
| DE19812987A1 (de) * | 1998-03-24 | 1999-09-30 | Boris Anczykowski | Selbstanregungs-Kraftmikroskopie mit Amplituden und Frequenzregelung bei konstanter Anregungsamplitude |
| DE112005002322B4 (de) * | 2004-09-24 | 2021-04-22 | Hoya Corp. | Abtasteinrichtung, optischer Kopf, optisches Instrument und Abtastverfahren |
| US10566169B1 (en) | 2008-06-30 | 2020-02-18 | Nexgen Semi Holding, Inc. | Method and device for spatial charged particle bunching |
| US20110167913A1 (en) * | 2009-10-15 | 2011-07-14 | Nexgen Semi Holding, Inc. | Imaging devices for measuring the structure of a surface |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3472063A (en) * | 1967-04-17 | 1969-10-14 | Branson Instr | Resonant sensing device |
| GB2114745B (en) * | 1982-02-12 | 1985-03-06 | Bestobell | Electromagnetically driven tuning fork for determining fluid properties |
| DE3276138D1 (en) * | 1982-12-27 | 1987-05-27 | Ibm | Optical near-field scanning microscope |
| DE3576752D1 (de) * | 1985-04-26 | 1990-04-26 | Ibm | Abtastendes ultraschallmikroskop. |
| DE3675158D1 (de) * | 1985-11-26 | 1990-11-29 | Ibm | Verfahren und mikroskop zur erzeugung von topographischen bildern unter anwendung atomarer wechselwirkungskraefte mit subaufloesung. |
| DE3723933A1 (de) * | 1987-07-20 | 1989-02-02 | Krautkraemer Gmbh | Verfahren zum erfassen einer kleinflaechigen, nahezu punktfoermigen und weitgehend kraeftefreien beruehrung zwischen einer sonde und einem festen gegenstand, sowie beruehrungsdetektor |
-
1988
- 1988-06-16 DE DE3820518A patent/DE3820518C1/de not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-06-15 JP JP1508881A patent/JP2510015B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1989-06-15 EP EP89906712A patent/EP0372060B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1989-06-15 DE DE8989906712T patent/DE58903529D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-06-15 WO PCT/DE1989/000391 patent/WO1989012805A1/de active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO1989012805A1 (en) | 1989-12-28 |
| JPH03500213A (ja) | 1991-01-17 |
| EP0372060A1 (de) | 1990-06-13 |
| DE58903529D1 (de) | 1993-03-25 |
| DE3820518C1 (ja) | 1990-01-11 |
| EP0372060B1 (de) | 1993-02-10 |
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