JP2580244B2 - 原子間力を検出するための機構、撓みを検出する方法 - Google Patents
原子間力を検出するための機構、撓みを検出する方法Info
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- G—PHYSICS
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- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
- G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
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- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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- G01D5/266—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
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- G—PHYSICS
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- G—PHYSICS
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- G01R33/038—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using permanent magnets, e.g. balances, torsion devices
- G01R33/0385—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using permanent magnets, e.g. balances, torsion devices in relation with magnetic force measurements
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- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B11/00—Recording on or reproducing from the same record carrier wherein for these two operations the methods are covered by different main groups of groups G11B3/00 - G11B7/00 or by different subgroups of group G11B9/00; Record carriers therefor
- G11B11/002—Recording on or reproducing from the same record carrier wherein for these two operations the methods are covered by different main groups of groups G11B3/00 - G11B7/00 or by different subgroups of group G11B9/00; Record carriers therefor using recording by perturbation of the physical or electrical structure
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-
- G—PHYSICS
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- G11B11/00—Recording on or reproducing from the same record carrier wherein for these two operations the methods are covered by different main groups of groups G11B3/00 - G11B7/00 or by different subgroups of group G11B9/00; Record carriers therefor
- G11B11/10—Recording on or reproducing from the same record carrier wherein for these two operations the methods are covered by different main groups of groups G11B3/00 - G11B7/00 or by different subgroups of group G11B9/00; Record carriers therefor using recording by magnetic means or other means for magnetisation or demagnetisation of a record carrier, e.g. light induced spin magnetisation; Demagnetisation by thermal or stress means in the presence or not of an orienting magnetic field
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- G11B17/00—Guiding record carriers not specifically of filamentary or web form, or of supports therefor
- G11B17/32—Maintaining desired spacing between record carrier and head, e.g. by fluid-dynamic spacing
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- G11B9/14—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor using microscopic probe means, i.e. recording or reproducing by means directly associated with the tip of a microscopic electrical probe as used in Scanning Tunneling Microscopy [STM] or Atomic Force Microscopy [AFM] for inducing physical or electrical perturbations in a recording medium; Record carriers or media specially adapted for such transducing of information
- G11B9/1418—Disposition or mounting of heads or record carriers
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Description
【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、一般には、原子間力顕微鏡に関するもので
あり、より具体的には、原子間力顕微鏡の動作中に生じ
る力または、たわみあるいはその両方を測定する手段に
関する。
あり、より具体的には、原子間力顕微鏡の動作中に生じ
る力または、たわみあるいはその両方を測定する手段に
関する。
B.従来技術およびその問題点 G.ビンニッヒ（Binnig）が（欧州特許出願、第861102
76.2）で提案し、フィジカル・レビュー・レターズ（Ph
ys.Rev.Letters）、第56巻、第９号、1986年３月、930
〜933頁に所載のG.ビンニッヒ、C.F.クエイト（Quat
e）、Ch.ゲルバ（Gerber）の論文に記載されている原子
間力顕微鏡は、ばね状片持ちばりに取り付けた鋭く尖っ
たチップを用いて、検査しようとする表面のプロフィル
を走査する。そのときの距離で、チップの頂点にある原
子と表面にある原子の間に微小な力が生じ、そのために
片持ちばりに非常に小さなたわみが生じる。ビンニッヒ
（Binnig）の提案では、トンネル顕微鏡によってこのた
わみを測定する。つまり、導電性トンネル・チップを片
持ちばりの背面からトンネル距離以内の所に配置し、ト
ンネル電流の変動を利用してたわみを決定する。片持ち
ばりの特性が既知の場合、原子間力顕微鏡のチップと検
査中の表面の間に生じる力が決定できる。
76.2）で提案し、フィジカル・レビュー・レターズ（Ph
ys.Rev.Letters）、第56巻、第９号、1986年３月、930
〜933頁に所載のG.ビンニッヒ、C.F.クエイト（Quat
e）、Ch.ゲルバ（Gerber）の論文に記載されている原子
間力顕微鏡は、ばね状片持ちばりに取り付けた鋭く尖っ
たチップを用いて、検査しようとする表面のプロフィル
を走査する。そのときの距離で、チップの頂点にある原
子と表面にある原子の間に微小な力が生じ、そのために
片持ちばりに非常に小さなたわみが生じる。ビンニッヒ
（Binnig）の提案では、トンネル顕微鏡によってこのた
わみを測定する。つまり、導電性トンネル・チップを片
持ちばりの背面からトンネル距離以内の所に配置し、ト
ンネル電流の変動を利用してたわみを決定する。片持ち
ばりの特性が既知の場合、原子間力顕微鏡のチップと検
査中の表面の間に生じる力が決定できる。
尖ったチップと表面の間に生じる力は、通常、ファン
・デル・ワールス力や共有結合力やイオン結合力や斥力
型核相互作用力として記述されている。チップの頂点に
ある単一原子と表面上にある単一原子の間隔を原子距離
まで近接させるのに要するエネルギーは、E0＝0.01ない
し10eV＝10-22ないし10-18Jouleの範囲にある。したが
って、当該の力（すなわち、ポテンシャル関数の一次導
関数）は、K0＝10pNないし10nNの範囲にある。その結果
得られる原子的「ばね定数」、すなわちポテンシャル関
数の２次導関数は、C0＝100ないし0.01N/mの範囲にあ
る。これらのデータは、表面の研究および弾性定数の値
など他の多くの出所から導くことができる。
・デル・ワールス力や共有結合力やイオン結合力や斥力
型核相互作用力として記述されている。チップの頂点に
ある単一原子と表面上にある単一原子の間隔を原子距離
まで近接させるのに要するエネルギーは、E0＝0.01ない
し10eV＝10-22ないし10-18Jouleの範囲にある。したが
って、当該の力（すなわち、ポテンシャル関数の一次導
関数）は、K0＝10pNないし10nNの範囲にある。その結果
得られる原子的「ばね定数」、すなわちポテンシャル関
数の２次導関数は、C0＝100ないし0.01N/mの範囲にあ
る。これらのデータは、表面の研究および弾性定数の値
など他の多くの出所から導くことができる。
本発明の一目的は、片持ちばりを力／たわみ変換器と
して使いながらトンネリングに代わる技法を利用する、
原子間力測定装置のいくつかの実施例を記述することに
ある。本発明に基づく装置は、原子間力顕微鏡として使
用できるが、それが利用できるようになれば、応用分野
も広がるものと思われる。
して使いながらトンネリングに代わる技法を利用する、
原子間力測定装置のいくつかの実施例を記述することに
ある。本発明に基づく装置は、原子間力顕微鏡として使
用できるが、それが利用できるようになれば、応用分野
も広がるものと思われる。
C.問題点を解決するための手段 したがって、本発明は、一端に少なくとも１本の片持
ちばりを有し、その固定端から離れた位置に検査しよう
とする表面と相互作用する部材を担持するタイプの原子
間力検知ヘッド、および上記相互作用部材が上記検査表
面と相互作用するとき、上記片持ちばりのたわみを検出
する手段を示すことを意図している。上記検出手段は、
上記片持ちばりの元の位置からの上記たわみをトンネル
電流以外の電気的値の初期値からの変動に変換するよう
に設計されている。
ちばりを有し、その固定端から離れた位置に検査しよう
とする表面と相互作用する部材を担持するタイプの原子
間力検知ヘッド、および上記相互作用部材が上記検査表
面と相互作用するとき、上記片持ちばりのたわみを検出
する手段を示すことを意図している。上記検出手段は、
上記片持ちばりの元の位置からの上記たわみをトンネル
電流以外の電気的値の初期値からの変動に変換するよう
に設計されている。
本発明は、 尖った先端部を有し、該先端部に位置する原子と検査
しようとするサンプルの表面上の原子との間で原子間力
を発生させるためのチップ部材と、 上記チップ部材を担持する片持ちばりと、 上記チップ部材先端部と上記サンプル表面とを上記原
子間力が発生可能な距離（以下、動作距離と言う）以内
に近づけた状態で、上記チップ部材で上記サンプル表面
の走査を行うための手段 を備えた原子間力顕微鏡において、 上記チップ部材先端部が上記サンプル表面から上記動
作距離以内にある場合に、上記原子間力が発生すること
に基づいて起こる上記片持ちばりの振動の振動数の、上
記片持ちばりの固有振動数からのシフトを検出する手段
と、 上記検出された振動数のシフトを上記チップ部材先端
部と上記サンプル表面の距離を示す情報として利用し
て、上記サンプルの表面の像を形成する手段 を具備することを特徴とする。
しようとするサンプルの表面上の原子との間で原子間力
を発生させるためのチップ部材と、 上記チップ部材を担持する片持ちばりと、 上記チップ部材先端部と上記サンプル表面とを上記原
子間力が発生可能な距離（以下、動作距離と言う）以内
に近づけた状態で、上記チップ部材で上記サンプル表面
の走査を行うための手段 を備えた原子間力顕微鏡において、 上記チップ部材先端部が上記サンプル表面から上記動
作距離以内にある場合に、上記原子間力が発生すること
に基づいて起こる上記片持ちばりの振動の振動数の、上
記片持ちばりの固有振動数からのシフトを検出する手段
と、 上記検出された振動数のシフトを上記チップ部材先端
部と上記サンプル表面の距離を示す情報として利用し
て、上記サンプルの表面の像を形成する手段 を具備することを特徴とする。
D.実施例 第１図には、鋭く尖ったチップ２を有する原子間力顕
微鏡１が示されている。チップ２は、たとえばダイヤモ
ンド製でよく、台板４上に載っている片持ちばり３に取
り付けられている。検査しようとするサンプル５がチッ
プ２に近づくにつれて、チップ２とサンプル５の最も近
接した原子同士の間に生じる力によって片持ちばり３に
たわみが生じる。通常そうであるが、上記の力を斥力で
あると仮定すると、片持ちばり３は第１図で右にたわむ
ことになる。たわみの量は10-11m程度である。
微鏡１が示されている。チップ２は、たとえばダイヤモ
ンド製でよく、台板４上に載っている片持ちばり３に取
り付けられている。検査しようとするサンプル５がチッ
プ２に近づくにつれて、チップ２とサンプル５の最も近
接した原子同士の間に生じる力によって片持ちばり３に
たわみが生じる。通常そうであるが、上記の力を斥力で
あると仮定すると、片持ちばり３は第１図で右にたわむ
ことになる。たわみの量は10-11m程度である。
片持ちばり３は、たわみが最大となるその上端がコン
デンサ６の一方の極度となっている。そうするために、
片持ちばり３は、導電体から作成してもよく、またその
上端に導電性被覆をつけてもよい。コンデンサ６の第２
の極板８は、被覆７と片持ちばり３の向かい側に非常に
小さな間隔をおいて配列されている。第１図で、片持ち
ばり３は接地され、コンデンサ極板８は通常の静電容量
測定装置９、たとえば交流ホイートストーン・ブリッジ
に接続される。
デンサ６の一方の極度となっている。そうするために、
片持ちばり３は、導電体から作成してもよく、またその
上端に導電性被覆をつけてもよい。コンデンサ６の第２
の極板８は、被覆７と片持ちばり３の向かい側に非常に
小さな間隔をおいて配列されている。第１図で、片持ち
ばり３は接地され、コンデンサ極板８は通常の静電容量
測定装置９、たとえば交流ホイートストーン・ブリッジ
に接続される。
静電容量計９は、静止状態のときその出力がゼロにな
るように調節されている。片持ちばり３がそのチップ２
に働く力の影響でたわむと、静電容量は変動し、静電容
量計９から出力信号が発生する。この機構によって片持
ちばりのたわみや振動数が検出可能である。以下、第２
図以下においても同様の原理を用いている。フィードバ
ック回路10がこの出力信号を使って線11上に制御信号を
発生させ、この制御信号がxyz駆動装置12のｚ部分に供
給される。このｚ部分は、サンプル５の表面とチップ２
の頂点の間の距離を制御する働きをする（xyz駆動装置1
2のｘ部分およびｙ部分は、xy制御装置13の指令下で、
サンプル５の表面を横切るチップ２のマトリクス走査を
制御する）。
るように調節されている。片持ちばり３がそのチップ２
に働く力の影響でたわむと、静電容量は変動し、静電容
量計９から出力信号が発生する。この機構によって片持
ちばりのたわみや振動数が検出可能である。以下、第２
図以下においても同様の原理を用いている。フィードバ
ック回路10がこの出力信号を使って線11上に制御信号を
発生させ、この制御信号がxyz駆動装置12のｚ部分に供
給される。このｚ部分は、サンプル５の表面とチップ２
の頂点の間の距離を制御する働きをする（xyz駆動装置1
2のｘ部分およびｙ部分は、xy制御装置13の指令下で、
サンプル５の表面を横切るチップ２のマトリクス走査を
制御する）。
現況技術による静電容量計は、たとえばジャーナル・
オブ・アプライド・フィジックス（J.Appl.Phys.）、第
57号、1437ページ（1985年）に所載のJ.R.マティ（Mate
y）とJ.ブラン（Blanc）の論文に記載されているような
技法を使って、ΔＣ＝10-18F（アトファラッド）という
小さな静電容量の変化を測定することができる。こうし
た感度を用いて、平行板コンデンサの公式Ｃ＝εA/dに
基づいて距離または誘電率の変化を決定できる。ただ
し、εは誘電率、Ａは極板の面積、ｄは極板間の間隔で
ある。極板面積が100×100ミクロン、極板間隔が１ミク
ロンの場合、空気中で約２×10-13Fの静電容量になる。
したがって、上記の感度はΔｄ＝（d/C）・ΔＣ＝10-11
mという最小検出可能ギャップ幅変動に変換される。
オブ・アプライド・フィジックス（J.Appl.Phys.）、第
57号、1437ページ（1985年）に所載のJ.R.マティ（Mate
y）とJ.ブラン（Blanc）の論文に記載されているような
技法を使って、ΔＣ＝10-18F（アトファラッド）という
小さな静電容量の変化を測定することができる。こうし
た感度を用いて、平行板コンデンサの公式Ｃ＝εA/dに
基づいて距離または誘電率の変化を決定できる。ただ
し、εは誘電率、Ａは極板の面積、ｄは極板間の間隔で
ある。極板面積が100×100ミクロン、極板間隔が１ミク
ロンの場合、空気中で約２×10-13Fの静電容量になる。
したがって、上記の感度はΔｄ＝（d/C）・ΔＣ＝10-11
mという最小検出可能ギャップ幅変動に変換される。
第２図は、チップを担当する片持ちばり30が固体台と
して働く剛体本体31に向き合って配置されている、力検
知ヘッドの実施例を示している。片持ちばり30と本体31
は、周知のミクロメカニカル技法によってSi/SiO2の一
片から製造するのが好ましい。片持ちばり30と本体31の
互いに向き合っている表面は、それぞれ薄い金層32およ
び33で被覆されて、コンデンサ29を形成する。このコン
デンサ29に電圧源34が接続されている。片持ちばり30の
金層32は、増幅器35にも接続されている。増幅器35の出
力端子は弁別器36に接続されている。
して働く剛体本体31に向き合って配置されている、力検
知ヘッドの実施例を示している。片持ちばり30と本体31
は、周知のミクロメカニカル技法によってSi/SiO2の一
片から製造するのが好ましい。片持ちばり30と本体31の
互いに向き合っている表面は、それぞれ薄い金層32およ
び33で被覆されて、コンデンサ29を形成する。このコン
デンサ29に電圧源34が接続されている。片持ちばり30の
金層32は、増幅器35にも接続されている。増幅器35の出
力端子は弁別器36に接続されている。
チップ37がサンプル38の表面に近づくにつれて、チッ
プと表面の最も近接した原子同士が相互作用して、両者
の間にその相互作用ポテンシャルUintと距離ｒと片持ち
ばり30のばね定数Ｃで決まる力が発生する。平衡状態の
とき、すなわち原子間力dUint/drがばね力Cxと釣り合っ
ているとき、片持ちばり30のたわみは、次式で与えられ
る。
プと表面の最も近接した原子同士が相互作用して、両者
の間にその相互作用ポテンシャルUintと距離ｒと片持ち
ばり30のばね定数Ｃで決まる力が発生する。平衡状態の
とき、すなわち原子間力dUint/drがばね力Cxと釣り合っ
ているとき、片持ちばり30のたわみは、次式で与えられ
る。
第２図の実施例は、調節して、静的に検出可能な静的
たわみｘ≒10〜100pm（ピコメートル）となるようにす
ることができる。また、特願昭63−88364号に開示する
ように、片持ちばりの原子間力の作用による固有振動数
からのシフトを利用して片持ちばりの変位を測定するこ
とも可能である。つまり、片持ちばり30は固有振動数ω
0 2＝C/mを持つ調和振動子であるが、片持ちばり30を試
料と片持ちばりの距離が原子レベルにまで近づいたとき
に、試料を駆動手段12によって振動させることによって
片持ちばり30自身も試料との原子間力を介して振動す
る。このときの振動数は原子間距離ｒに依存する相互作
用のポテンシャルエネルギーUintによって変化する。こ
のときの共鳴振動数は に従ってシフトする。この項は、相互作用ポテンシャル
の高次項が運動方程式に寄与しないと仮定したものであ
る。以下、この式の導出過程について説明を加える。
たわみｘ≒10〜100pm（ピコメートル）となるようにす
ることができる。また、特願昭63−88364号に開示する
ように、片持ちばりの原子間力の作用による固有振動数
からのシフトを利用して片持ちばりの変位を測定するこ
とも可能である。つまり、片持ちばり30は固有振動数ω
0 2＝C/mを持つ調和振動子であるが、片持ちばり30を試
料と片持ちばりの距離が原子レベルにまで近づいたとき
に、試料を駆動手段12によって振動させることによって
片持ちばり30自身も試料との原子間力を介して振動す
る。このときの振動数は原子間距離ｒに依存する相互作
用のポテンシャルエネルギーUintによって変化する。こ
のときの共鳴振動数は に従ってシフトする。この項は、相互作用ポテンシャル
の高次項が運動方程式に寄与しないと仮定したものであ
る。以下、この式の導出過程について説明を加える。
一次元におけるニュートンの運動方程式は で与えられる。ここで、Ｆは質量ｍの物体に働く力であ
る。
る。
また、系のエネルギー U0＝（1/2）Cr2＋U1 ・・・・（２） で与えられる。
ここで、U1＝Uint＝原子間の相互ポテンシャルであ
る。
る。
Ｆ＝dU/drであるから、（２）式をｒで微分して、２
次より高次の項を無視すると、 を得る。
次より高次の項を無視すると、 を得る。
また、（１）式に（３）式を代入して、 ω02＝C/mを用いてｍを消去すると、 一方、原子間力が作用していない場合は （４）式と（５）式は結局原子間力が作用している場
合と作用していない場合の違いを表しているから、原子
間ポテンシャル存在下での周波数ωは で表すことができる。振動数シフトの測定は、長さ測定
が不要となり、したがって、検知ヘッドの較正が簡単に
なるという非常な利点がある。
合と作用していない場合の違いを表しているから、原子
間ポテンシャル存在下での周波数ωは で表すことができる。振動数シフトの測定は、長さ測定
が不要となり、したがって、検知ヘッドの較正が簡単に
なるという非常な利点がある。
この検知ヘッドの設計は、対立する要件に関して最適
化する必要がある。つまり、高感度を得るには、小さな
ばね定数Ｃが望ましい。ただし、装置の熱振動の最大許
容振幅によってその下限が決まる。さらに、準安定な平
衡位置が存在すると、検知ヘッドの信頼性ある動作が不
可能になるので、Ｃがd2Uint/dr2の最大値よりも大きく
なければならない。短距離の共有結合相互作用の場合に
は、ポテンシャルの２次導関数が10ないし100N/mになる
と予想できるので、このことが重大な問題となることが
ある。したがって、やや堅い片持ちばりが望ましい。
化する必要がある。つまり、高感度を得るには、小さな
ばね定数Ｃが望ましい。ただし、装置の熱振動の最大許
容振幅によってその下限が決まる。さらに、準安定な平
衡位置が存在すると、検知ヘッドの信頼性ある動作が不
可能になるので、Ｃがd2Uint/dr2の最大値よりも大きく
なければならない。短距離の共有結合相互作用の場合に
は、ポテンシャルの２次導関数が10ないし100N/mになる
と予想できるので、このことが重大な問題となることが
ある。したがって、やや堅い片持ちばりが望ましい。
本発明に基づくミクロメカニカルな片持ちばり30は、
最適な性能をもたらす。その共鳴振動数は、片持ちばり
上の熱振動によって導入される容量性電流を測定するこ
とにより監視される。フィードバック・ループ中で、片
持ちばりの固有振動振幅を増大させて、検知ヘッドの感
度を高めることができる。このため、検知ヘッドの特性
を相互作用ポテンシャルの特定の形状に適合させるのに
都合良い方法が得られる。たとえば、チップとサンプル
の距離が大きく、相互作用が弱い場合、振動振幅を約１
ナノメートルに増大させることによって、必要な高感度
が実現される。チップが表面に近づくと相互作用は強く
なるので、片持ちばりの振動を減少させて表面との接触
を避けることができる。
最適な性能をもたらす。その共鳴振動数は、片持ちばり
上の熱振動によって導入される容量性電流を測定するこ
とにより監視される。フィードバック・ループ中で、片
持ちばりの固有振動振幅を増大させて、検知ヘッドの感
度を高めることができる。このため、検知ヘッドの特性
を相互作用ポテンシャルの特定の形状に適合させるのに
都合良い方法が得られる。たとえば、チップとサンプル
の距離が大きく、相互作用が弱い場合、振動振幅を約１
ナノメートルに増大させることによって、必要な高感度
が実現される。チップが表面に近づくと相互作用は強く
なるので、片持ちばりの振動を減少させて表面との接触
を避けることができる。
やはり第２図で、片持ちばり30の振動によって静電容
量の変動が起こり、対応する交流電流が生じる。この電
流を増幅器35で増幅し、発振の振動数を標準的技法で測
定する。チップ37をサンプル38の表面に近づけ、その表
面上でチップ37を走査するために、本体31を通常のxyz
駆動装置（図示せず）上に装着することもできる。
量の変動が起こり、対応する交流電流が生じる。この電
流を増幅器35で増幅し、発振の振動数を標準的技法で測
定する。チップ37をサンプル38の表面に近づけ、その表
面上でチップ37を走査するために、本体31を通常のxyz
駆動装置（図示せず）上に装着することもできる。
２原子間の弱い引力、すなわち相互作用ポテンシャル
の２次導関数Cint＝d2Uint/dr2の詳細な検討ができるよ
うにするため、第２図の実施例は次のような考慮に基づ
いて寸法を定めるべきである。
の２次導関数Cint＝d2Uint/dr2の詳細な検討ができるよ
うにするため、第２図の実施例は次のような考慮に基づ
いて寸法を定めるべきである。
相互作用ポテンシャルUintの２次導関数Cintと測定さ
れた振動数シフトΔωは次のような関係をもつ。
れた振動数シフトΔωは次のような関係をもつ。
ただし、Ceffは片持ちばり30の静的ばね定数にほぼ等
しい。検出しきい値Cminは、固有振動数ω０と共振器の
Ｑと振動数測定の積分時間τによって表わすことができ
る。つまり、 Cminは0.01N/mに選ぶ。ミクロメカニカルな片持ちば
りでは1000というＱ値が最近確定された。積分時間τ
は、相互作用ポテンシャルUintの測定だけでなく一定力
走査顕微鏡検査も可能なように、10ミリ秒を超えてはな
らない。固有振動数ω０は、環境振動から充分に絶縁す
るために約２π×10kHzでなければならない。これらの
パラメータを使うと、Ceff＝4N/mおよび1.25kHz/（N/
m）の検出器感度が得られる。言い換えると、0.01N/mの
Cminによって1.25Hzの振動数シフトが生じる。熱振動の
２乗平均平方根振幅は、液体窒素温度で0.016nm、室温
で0.03nmである。
しい。検出しきい値Cminは、固有振動数ω０と共振器の
Ｑと振動数測定の積分時間τによって表わすことができ
る。つまり、 Cminは0.01N/mに選ぶ。ミクロメカニカルな片持ちば
りでは1000というＱ値が最近確定された。積分時間τ
は、相互作用ポテンシャルUintの測定だけでなく一定力
走査顕微鏡検査も可能なように、10ミリ秒を超えてはな
らない。固有振動数ω０は、環境振動から充分に絶縁す
るために約２π×10kHzでなければならない。これらの
パラメータを使うと、Ceff＝4N/mおよび1.25kHz/（N/
m）の検出器感度が得られる。言い換えると、0.01N/mの
Cminによって1.25Hzの振動数シフトが生じる。熱振動の
２乗平均平方根振幅は、液体窒素温度で0.016nm、室温
で0.03nmである。
相互作用Uintの３次より大きな項が、振動振幅の２乗
に比例する追加の振動数シフトをもたらす。この振動数
シフトが、 程度の測定CintのあいまいさCahをもたらす。
に比例する追加の振動数シフトをもたらす。この振動数
シフトが、 程度の測定CintのあいまいさCahをもたらす。
Ｋを１に近い定数として、Ceff＝Ｋ・fRであることを
考慮すると、力の定数fRと共振振動数ω０に関する次の
方程式から、片持ちばり30の寸法を計算できる。
考慮すると、力の定数fRと共振振動数ω０に関する次の
方程式から、片持ちばり30の寸法を計算できる。
ただし、Ｅ＝7.2×1010N/m2はSiO2のヤング率であ
り、ｗ、ｔ、ｌはそれぞれ片持ちばり30の幅、厚さ、長
さであり、ρ＝2.2×103kg/m3は片持ちばり材の密度で
ある。上に示したパラメータとｗ＝8tという実現的仮定
を用いると、片持ちばりの寸法からｗ＝115ミクロン、
ｔ＝14ミクロン、ｌ＝1150ミクロンという結果が得られ
る。
り、ｗ、ｔ、ｌはそれぞれ片持ちばり30の幅、厚さ、長
さであり、ρ＝2.2×103kg/m3は片持ちばり材の密度で
ある。上に示したパラメータとｗ＝8tという実現的仮定
を用いると、片持ちばりの寸法からｗ＝115ミクロン、
ｔ＝14ミクロン、ｌ＝1150ミクロンという結果が得られ
る。
金層32と33の間の間隔ｄを10μｍに選ぶと、静電容量
Cb＝0.12pfとなる。誘導交流電流Ｉは次式のようにな
る。
Cb＝0.12pfとなる。誘導交流電流Ｉは次式のようにな
る。
ポテンシャルＶ＝50Vの場合、0.25pAの２乗平均平方
根電流が得られる。この程度の大きさの電流は、通常の
FET増幅器で検出できる。
根電流が得られる。この程度の大きさの電流は、通常の
FET増幅器で検出できる。
金電極32と33の間に存在する電界は、片持ちばりに追
加の力を加え、そのCeffを係数ｋだけ増加させる。
加の力を加え、そのCeffを係数ｋだけ増加させる。
ただし、ｍは片持ちばり30の質量である。この特定の
例では、係数ｋ≒1.1である。
例では、係数ｋ≒1.1である。
第２図の実施例の重要な拡張は、フィードバックを取
り入れて片持ちばりの固有振動振幅を増大させることで
ある。こうすると、検知ヘッドの感度が上がり、応用分
野がさらに広がる。
り入れて片持ちばりの固有振動振幅を増大させることで
ある。こうすると、検知ヘッドの感度が上がり、応用分
野がさらに広がる。
第３図は、フィードバック・ループをマイクロケミカ
ルな検知ヘッドとして実施する一方法を示す。第２図の
実施例と同様に、片持ちばり30は電極32を担持し、本体
31と向き合って配列されている。本体31は、それ自体の
電極33を担持している。片持ちばり30は、本体31の上に
載っている圧電変換器40の上端に装着されている。圧電
変換器40は、励起装置41からの出力信号によって励起で
きる。電圧源42が電極33と大地の間に接続され、電極32
は電流電圧変換器43の入力端子に接続される。変換器43
の出力信号は、高速制御可能な利得増幅器44を制御し、
また整流器45を介しゆらぎ振幅基準信号を追加して低速
制御可能なフィードバック増幅器46を制御する。フィー
ドバック増幅器46は、利得増幅器44に利得制御信号を供
給する。
ルな検知ヘッドとして実施する一方法を示す。第２図の
実施例と同様に、片持ちばり30は電極32を担持し、本体
31と向き合って配列されている。本体31は、それ自体の
電極33を担持している。片持ちばり30は、本体31の上に
載っている圧電変換器40の上端に装着されている。圧電
変換器40は、励起装置41からの出力信号によって励起で
きる。電圧源42が電極33と大地の間に接続され、電極32
は電流電圧変換器43の入力端子に接続される。変換器43
の出力信号は、高速制御可能な利得増幅器44を制御し、
また整流器45を介しゆらぎ振幅基準信号を追加して低速
制御可能なフィードバック増幅器46を制御する。フィー
ドバック増幅器46は、利得増幅器44に利得制御信号を供
給する。
第４図は、第２図および第３図に関連して説明した実
施例の修正例を示す。高い誘電率を有する絶縁層56が、
電極51と52の間のギャップを埋めている。このことは３
重の有益な効果を有する。すなわち、 −電極が相互に接触して、短絡を起こすことがない。
施例の修正例を示す。高い誘電率を有する絶縁層56が、
電極51と52の間のギャップを埋めている。このことは３
重の有益な効果を有する。すなわち、 −電極が相互に接触して、短絡を起こすことがない。
−片持ちばりのたわみが、電極相互間の残留自由ギャッ
プ54内で安定である。
プ54内で安定である。
−寸法を適切に選ぶと、感度が上がる。
第４図の配置は、片持ちばり50で担持された電極51と
本体53上に載っている対電極52の間のギャップが、誘電
率εの異なる２個（またはそれ以上）の誘電体で充填さ
れていること以外は、前述のものと本質的に同じであ
る。片持ちばり50の次に配置される誘電体54は、検査し
ようとする表面にチップ55が近接したために起こる片持
ちばり50の動きを損なわないように、極めて柔軟なもの
にすることが好ましい。自明の材料は、誘電率ε１＝１
の空気である。
本体53上に載っている対電極52の間のギャップが、誘電
率εの異なる２個（またはそれ以上）の誘電体で充填さ
れていること以外は、前述のものと本質的に同じであ
る。片持ちばり50の次に配置される誘電体54は、検査し
ようとする表面にチップ55が近接したために起こる片持
ちばり50の動きを損なわないように、極めて柔軟なもの
にすることが好ましい。自明の材料は、誘電率ε１＝１
の空気である。
片持ちばり50から離して配置されるもう一方の誘電体
56は、誘電体54の誘電率よりもはるかに高い、たとえば
10倍高い、誘電率ε２を有する。
56は、誘電体54の誘電率よりもはるかに高い、たとえば
10倍高い、誘電率ε２を有する。
第４図の配置は、実際には、 という合計静電容量を有する直列接続の２個のコンデン
サからなる。ただし、Ａはコンデンサの面積であり、Ｂ
は誘電体54と56の相対厚さと比誘電率との相互関係を示
す。つまり、 感度の向上を決定するため、前記のＣの項を微分す
る。
サからなる。ただし、Ａはコンデンサの面積であり、Ｂ
は誘電体54と56の相対厚さと比誘電率との相互関係を示
す。つまり、 感度の向上を決定するため、前記のＣの項を微分す
る。
比s1/s＝0.05で誘電率の比が1:10の場合、ギャップｓ
の一部を充填することによる感度の向上度は となる。
の一部を充填することによる感度の向上度は となる。
前段で論じた容量性力検知に代わる装置が、第５図に
示されている。この実施例は、ファブリ・ペロー干渉計
を用いて動作する。当技術では、干渉計技術で最低0.1n
mまでの位置変化の測定が可能なことが知られている。
到達可能な感度は、容量性方法やトンネリング方法に匹
敵し、原子間力の検出には充分である。
示されている。この実施例は、ファブリ・ペロー干渉計
を用いて動作する。当技術では、干渉計技術で最低0.1n
mまでの位置変化の測定が可能なことが知られている。
到達可能な感度は、容量性方法やトンネリング方法に匹
敵し、原子間力の検出には充分である。
光学的方法は、一般的に、純粋の電子的方法よりも複
雑な装置と位置合せ手順を必要とする欠点がある、一
方、他の方法に勝る重要な利点がいくつかある。
雑な装置と位置合せ手順を必要とする欠点がある、一
方、他の方法に勝る重要な利点がいくつかある。
１）信号は、片持ちばりのかなり大きな面積にわたって
平均した変位を表わし、したがって測定域における個々
の原子的変化の影響を受けない。
平均した変位を表わし、したがって測定域における個々
の原子的変化の影響を受けない。
２）実際上、光線は片持ちばりに力を及ばさない。
３）光線を用いて、無接触遠隔試験ができる。
第５図の原子間力センサは、尖ったチップ71を備えた
ミクロメカニカルな片持ちばり70を含む。片持ちばり70
上に被覆させた金属皮膜72が、波長に比べてサイズの大
きな、たとえば50×300μｍの高反射率の反射鏡を形成
する。第２の半透明反射鏡73が、本体74の片持ちばり70
の配置されている面の背面に装着されている。反射鏡72
と73の間のヴァイア・ホール75を、光が通過できる。
ミクロメカニカルな片持ちばり70を含む。片持ちばり70
上に被覆させた金属皮膜72が、波長に比べてサイズの大
きな、たとえば50×300μｍの高反射率の反射鏡を形成
する。第２の半透明反射鏡73が、本体74の片持ちばり70
の配置されている面の背面に装着されている。反射鏡72
と73の間のヴァイア・ホール75を、光が通過できる。
２枚の平行な反射鏡72と73が、ファブリ・ペロー干渉
計を形成する。これらの間の間隔は、金属皮膜72と本体
74を電極として使って、片持ちばり70の静電的たわみに
よって調節できる。そのために、本体74をドープ半導体
から構成することもできる。片持ちばり70は、変位感度
が最大になる（これはファブリ・ペロー反射／透過特性
を記述するエアリー関数の傾斜部で起こる）ような向き
にすることができる。
計を形成する。これらの間の間隔は、金属皮膜72と本体
74を電極として使って、片持ちばり70の静電的たわみに
よって調節できる。そのために、本体74をドープ半導体
から構成することもできる。片持ちばり70は、変位感度
が最大になる（これはファブリ・ペロー反射／透過特性
を記述するエアリー関数の傾斜部で起こる）ような向き
にすることができる。
干渉計を、本体74の下からレーザ76で照射する。ビー
ム分割器77により光の一部がヴァイア・ホール75を通っ
てファブリ・ペロー干渉計72/73上に達する。干渉計72/
73から反射された光は、曲げられて光電検出器78に当た
る。調節を適切に行なうと、チップ71に作用する力によ
って生じた、チップ71と検査中の表面との間のどのよう
な間隔変化も反射光の強度の変動として現われる。
ム分割器77により光の一部がヴァイア・ホール75を通っ
てファブリ・ペロー干渉計72/73上に達する。干渉計72/
73から反射された光は、曲げられて光電検出器78に当た
る。調節を適切に行なうと、チップ71に作用する力によ
って生じた、チップ71と検査中の表面との間のどのよう
な間隔変化も反射光の強度の変動として現われる。
最良の分解能を得るには、今説明した原子間力検知ヘ
ッドの実施例を真空中で動作させるべきである。レーザ
も光電検出器も、真空内に配置してもよく、ミクロメカ
ニカルなチップに組み込むことができる。
ッドの実施例を真空中で動作させるべきである。レーザ
も光電検出器も、真空内に配置してもよく、ミクロメカ
ニカルなチップに組み込むことができる。
磁気記憶装置での本発明の応用例は、第６図に示され
ている。この場合、第１図のサンプル５の場所を磁気記
憶媒体80が占める。媒体80は片持ちばり82に取り付けた
チップ81を高速度で通過するものと仮定する。片持ちば
り82は、記憶装置内に堅く支持されているフレーム部材
83に装着されている。フレーム部材83のアーム84によっ
て、コンデンサ極板85が支持される。極板85は片持ちば
り82の背面と一緒にコンデンサ87を形成する。
ている。この場合、第１図のサンプル５の場所を磁気記
憶媒体80が占める。媒体80は片持ちばり82に取り付けた
チップ81を高速度で通過するものと仮定する。片持ちば
り82は、記憶装置内に堅く支持されているフレーム部材
83に装着されている。フレーム部材83のアーム84によっ
て、コンデンサ極板85が支持される。極板85は片持ちば
り82の背面と一緒にコンデンサ87を形成する。
チップ81と記憶媒体80の表面の間の距離の変化によっ
て、または（磁界特性など）チップ81が影響を受ける記
憶媒体80のある種の表面特性の変化によってチップ81に
働く力が変動すると、片持ちばり82がその元の位置から
たわみを生じる。その結果、コンデンサ87の静電容量が
変化し、したがってジャッキ89を制御する補正信号が距
離制御装置88から出される。ジャッキ89は、力の変動の
符号に応じて、ディスク駆動機構90を下げ上げする。
て、または（磁界特性など）チップ81が影響を受ける記
憶媒体80のある種の表面特性の変化によってチップ81に
働く力が変動すると、片持ちばり82がその元の位置から
たわみを生じる。その結果、コンデンサ87の静電容量が
変化し、したがってジャッキ89を制御する補正信号が距
離制御装置88から出される。ジャッキ89は、力の変動の
符号に応じて、ディスク駆動機構90を下げ上げする。
磁気データ記憶装置に関連する容量性力センサのもう
一つの実施例が、第７図に示されている。片持ちばり92
は、その記憶媒体95に向いた側94上に小さな単一磁区の
磁粉93を担持している。記憶媒体には複数のトラックが
あり、それに沿って２方向のうちの１方向をとる磁区96
が配列されている。一方のトラックに沿った隣接する２
個の磁区相互間の配向変化を記憶値「１」に割り当て、
隣接する磁区相互間の無変化を記憶値「０」に割り当て
ることができる。浮動高さを約100ナノメートルに調節
する場合、これらの磁区配向の変化が、片持ちばりに取
り付けた単一磁区の磁耘によって検出できる。
一つの実施例が、第７図に示されている。片持ちばり92
は、その記憶媒体95に向いた側94上に小さな単一磁区の
磁粉93を担持している。記憶媒体には複数のトラックが
あり、それに沿って２方向のうちの１方向をとる磁区96
が配列されている。一方のトラックに沿った隣接する２
個の磁区相互間の配向変化を記憶値「１」に割り当て、
隣接する磁区相互間の無変化を記憶値「０」に割り当て
ることができる。浮動高さを約100ナノメートルに調節
する場合、これらの磁区配向の変化が、片持ちばりに取
り付けた単一磁区の磁耘によって検出できる。
磁区の上記トラックが、それぞれ端を揃えて、一粒子
の幅と一粒子の厚さでスタックされる。隣接するトラッ
ク間の間隔を磁区の直径の５倍と仮定すると、約６×10
11ビット/cm2の記憶密度に対応することになる。振動数
応答、したがってデータ伝送速度は片持ちばり92の機械
的応答によって限定され、比較的小さな片持ちばりの場
合、数メガヘルツになることがある。
の幅と一粒子の厚さでスタックされる。隣接するトラッ
ク間の間隔を磁区の直径の５倍と仮定すると、約６×10
11ビット/cm2の記憶密度に対応することになる。振動数
応答、したがってデータ伝送速度は片持ちばり92の機械
的応答によって限定され、比較的小さな片持ちばりの場
合、数メガヘルツになることがある。
片持ちばり92は数メガヘルツの固有振動数をもつもの
と仮定する。すなわち、f/m＝ω２＝1014sec-2。この振
動数は、熱揺動によって限定される。ギャップ87の幅xC
〜0.5nm、▲fx2 C▼＞kTかつ300KでのkT≒2.5×10-21Jの
場合、 となる。
と仮定する。すなわち、f/m＝ω２＝1014sec-2。この振
動数は、熱揺動によって限定される。ギャップ87の幅xC
〜0.5nm、▲fx2 C▼＞kTかつ300KでのkT≒2.5×10-21Jの
場合、 となる。
熱揺動が存在する時、質量ｍ＝f/ω２＝10-16kg、固
有振動数が数メガヘルツの片持ちばりの場合に測定でき
る最小の力は、力センサのＱがＱ＝100と仮定して、時
間２π／ωの間に、ｋ≒fxc/Q≒５×10-14Nである。
有振動数が数メガヘルツの片持ちばりの場合に測定でき
る最小の力は、力センサのＱがＱ＝100と仮定して、時
間２π／ωの間に、ｋ≒fxc/Q≒５×10-14Nである。
磁粉93と磁気媒体95上の磁区96との間に存在する磁界
が少なくとも10-14Nの力を引き起こすのに充分な強さ
で、片持ちばり92をたわませるのに利用できる場合、第
７図の配置を用いて片持ちばり92の下を通る構造体の磁
界を高い空間解像度で写像することもできる。
が少なくとも10-14Nの力を引き起こすのに充分な強さ
で、片持ちばり92をたわませるのに利用できる場合、第
７図の配置を用いて片持ちばり92の下を通る構造体の磁
界を高い空間解像度で写像することもできる。
測定に利用できる磁力の大きさは次のように推定され
る。つまり、ガンマ酸化鉄の単一磁区磁粉は、体積Ｖが
約10-21m3で磁化が約400ガウス（＝0.4T）である。その
磁気モーメントはＭ＝４×10-19Gm3となる。磁力は、次
式で与えられる。
る。つまり、ガンマ酸化鉄の単一磁区磁粉は、体積Ｖが
約10-21m3で磁化が約400ガウス（＝0.4T）である。その
磁気モーメントはＭ＝４×10-19Gm3となる。磁力は、次
式で与えられる。
磁界勾配が∂H/∂ｒ＝1011A/m2の場合、磁力はＦ＝0.
4×10-10Nとなる。この値は、この配置の感度の範囲内
に充分含まれる。
4×10-10Nとなる。この値は、この配置の感度の範囲内
に充分含まれる。
第６図と第７図に示した配置を幾分拡張して、第８図
に示すようにチップ81（または磁粉93）をコンデンサ極
板100で置き換え、それを片持ちばり102上に固定された
部材101に取り付けることにより、可動表面記憶装置の
目的に適合させることができる。（第８図の配置は、第
６図と第７図に対し、上下を逆にして示してある。）レ
コード・キャリア99上にある情報パターン103によって
表わされる情報が、コンデンサ極板100の下を通過する
とき、コンデンサ極板100とパターン103間の距離xsの変
動と共に、静電容量Csが変化する。極板100と情報パタ
ーン103の間の距離xsにわたって存在する容量性力によ
って、片持ちばり102はたわみ、片持ちばり102と本体10
6の向き合っている表面上の導電層とから形成されるコ
ンデンサの静電容量Ccが距離xcの変化に応じて変動す
る。性能指数Ｍは、片持ちばり102の位置を測定するこ
とによって得られるてこ比である。
に示すようにチップ81（または磁粉93）をコンデンサ極
板100で置き換え、それを片持ちばり102上に固定された
部材101に取り付けることにより、可動表面記憶装置の
目的に適合させることができる。（第８図の配置は、第
６図と第７図に対し、上下を逆にして示してある。）レ
コード・キャリア99上にある情報パターン103によって
表わされる情報が、コンデンサ極板100の下を通過する
とき、コンデンサ極板100とパターン103間の距離xsの変
動と共に、静電容量Csが変化する。極板100と情報パタ
ーン103の間の距離xsにわたって存在する容量性力によ
って、片持ちばり102はたわみ、片持ちばり102と本体10
6の向き合っている表面上の導電層とから形成されるコ
ンデンサの静電容量Ccが距離xcの変化に応じて変動す
る。性能指数Ｍは、片持ちばり102の位置を測定するこ
とによって得られるてこ比である。
軟かな片持ちばりの場合、主要なてこ比は静電容量比
である。つまり、 ただし、εｓおよびεｃはそれぞれ静電容量Csおよび
Ccの媒質の誘電率であり、BsおよびBcは、それぞれ指標
ＳおよびＣのついた静電容量に特徴的な１に近い定数値
である。
である。つまり、 ただし、εｓおよびεｃはそれぞれ静電容量Csおよび
Ccの媒質の誘電率であり、BsおよびBcは、それぞれ指標
ＳおよびＣのついた静電容量に特徴的な１に近い定数値
である。
硬い片持ちばりの場合、てこ比は有効ばね定数feffの
減衰率1/αと電圧比である。つまり、 次のようなパラメータ Cs/Cc＝面積比＝102μm2/105μm2、xs＝0.1μｍ、xc
＝１μｍ、εｓ＝１、εｃ＝10、Vs＝5V、Vc＝1V、Bs≒
１、Bc≒１、α＝1/5 を持つ簡単な例を選ぶと、 Msoft≒103 Mrigid≒125 が得られる。
減衰率1/αと電圧比である。つまり、 次のようなパラメータ Cs/Cc＝面積比＝102μm2/105μm2、xs＝0.1μｍ、xc
＝１μｍ、εｓ＝１、εｃ＝10、Vs＝5V、Vc＝1V、Bs≒
１、Bc≒１、α＝1/5 を持つ簡単な例を選ぶと、 Msoft≒103 Mrigid≒125 が得られる。
可動表面記憶装置に伴う一般的問題は、表面に望まし
くない起伏が存在することであり、情報の読取りや書込
みに好ましくない効果を及ぼす恐れがある。本発明の容
量性実施例は、この問題に対する簡単な解決策を提供す
る。第９図は、その原理を示している。記憶媒体108上
の表面起伏107が、誘電率ε１の誘電媒質109によって覆
われている。誘電媒質109は、たとえば液体でよい。空
気ギャップ110（ε１＝１）によって、片持ちばり112に
取り付けたコンデンサ極板111が記憶媒体108から分離さ
れている。コンデンサ極板111は、誘電率ε２の誘電体
部材113を担持する。部材113はコンデンサ極板111を防
護する働きをする。第９図の配置は記憶媒体108の表面
の凹凸を「減少させる」働きをする。一定の静電容量に
調節するには とする。すなわち、コンデンサ極板111はε1/ε２の減
衰率で記憶媒体108の輪郭に追従する。
くない起伏が存在することであり、情報の読取りや書込
みに好ましくない効果を及ぼす恐れがある。本発明の容
量性実施例は、この問題に対する簡単な解決策を提供す
る。第９図は、その原理を示している。記憶媒体108上
の表面起伏107が、誘電率ε１の誘電媒質109によって覆
われている。誘電媒質109は、たとえば液体でよい。空
気ギャップ110（ε１＝１）によって、片持ちばり112に
取り付けたコンデンサ極板111が記憶媒体108から分離さ
れている。コンデンサ極板111は、誘電率ε２の誘電体
部材113を担持する。部材113はコンデンサ極板111を防
護する働きをする。第９図の配置は記憶媒体108の表面
の凹凸を「減少させる」働きをする。一定の静電容量に
調節するには とする。すなわち、コンデンサ極板111はε1/ε２の減
衰率で記憶媒体108の輪郭に追従する。
磁粉の代わりに導電性（帯電可能な）チップを使用す
る場合、表面電荷による静電的引力を、磁力と同様に監
視することができる。たとえば、電子40個の電荷はチッ
プとサンプルのギャップが30nmの場合、ほぼ1nNの力を
生じる。0.01C/m2という典型的な表面電荷を仮定する
と、電子40個の電荷を30×30nm2の区域に収容させるこ
とができる。このような帯電区域を記憶ビットと考え、
各方向に70nmの安全距離を設定すると、密度1014ビット
/m2の記憶方式が得られるが、これは今日の技術をはる
かに超えるものである。
る場合、表面電荷による静電的引力を、磁力と同様に監
視することができる。たとえば、電子40個の電荷はチッ
プとサンプルのギャップが30nmの場合、ほぼ1nNの力を
生じる。0.01C/m2という典型的な表面電荷を仮定する
と、電子40個の電荷を30×30nm2の区域に収容させるこ
とができる。このような帯電区域を記憶ビットと考え、
各方向に70nmの安全距離を設定すると、密度1014ビット
/m2の記憶方式が得られるが、これは今日の技術をはる
かに超えるものである。
E.効果 本発明によれば、片持ちばりのたわみをトンネル・チ
ップを使わずに検出する新規な原子間力顕微鏡が提供さ
れる。
ップを使わずに検出する新規な原子間力顕微鏡が提供さ
れる。
第１図は、コンデンサをたわみ検出器として利用する原
子間力顕微鏡の概略図である。 第２図は、容量性力検知ヘッドのミクロメカニカルな実
施例の透視図である。 第３図は、圧電変換器を用いる第２図の実施例の拡張例
の透視図である。 第４図は、高誘電率材料を用いる第２図の実施例のもう
一つの拡張例の透視図である。 第５図は、ファブリ・ペロー干渉計として構成されたミ
クロメカニカルな検知ヘッドの断面図である。 第６図は、データ記憶装置の応用例での容量性検知ヘッ
ドの概略図である。 第７図は、データ記憶装置の応用例での容量性検知ヘッ
ドのもう一つの実施例の透視図である。 第８図は、データ記憶装置の応用例での容量性検知ヘッ
ドの第３の実施例の透視図である。 第９図は、第７図の検知ヘッドと関連する表面軟化手段
の概略説明図である。 １……分子間力顕微鏡、２、37、55……チップ、３、3
0、50……片持ちばり、４……台板、５、38……サンプ
ル、６、29、57……コンデンサ、８……コンデンサ極
板、９……静電容量計、10……フィードバック回路、12
……xyz駆動装置、13……xy制御装置、31、53……本
体、32、33……金属（電極）、34、42……電圧源、35…
…増幅器、36……弁別器、40……圧電変換器、41……励
起装置、43……電流電圧変換器、44……高速制御可能利
得増幅器、46……低速制御可能フィードバック増幅器、
51、52……電極、54、56……誘電体。
子間力顕微鏡の概略図である。 第２図は、容量性力検知ヘッドのミクロメカニカルな実
施例の透視図である。 第３図は、圧電変換器を用いる第２図の実施例の拡張例
の透視図である。 第４図は、高誘電率材料を用いる第２図の実施例のもう
一つの拡張例の透視図である。 第５図は、ファブリ・ペロー干渉計として構成されたミ
クロメカニカルな検知ヘッドの断面図である。 第６図は、データ記憶装置の応用例での容量性検知ヘッ
ドの概略図である。 第７図は、データ記憶装置の応用例での容量性検知ヘッ
ドのもう一つの実施例の透視図である。 第８図は、データ記憶装置の応用例での容量性検知ヘッ
ドの第３の実施例の透視図である。 第９図は、第７図の検知ヘッドと関連する表面軟化手段
の概略説明図である。 １……分子間力顕微鏡、２、37、55……チップ、３、3
0、50……片持ちばり、４……台板、５、38……サンプ
ル、６、29、57……コンデンサ、８……コンデンサ極
板、９……静電容量計、10……フィードバック回路、12
……xyz駆動装置、13……xy制御装置、31、53……本
体、32、33……金属（電極）、34、42……電圧源、35…
…増幅器、36……弁別器、40……圧電変換器、41……励
起装置、43……電流電圧変換器、44……高速制御可能利
得増幅器、46……低速制御可能フィードバック増幅器、
51、52……電極、54、56……誘電体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウルス・セオドール・ダーリング スイス国シイーエイチ‐8803ルーシリコ ン、ニイーデルバツドシユトラーセ15番 地 (72)発明者 ヴオルフガング・デイスター・ポール スイス国シイー・エイチ‐8134アドリス ビル、フエルセンホーフシユトラーセ10 番地 (72)発明者 ハインリツクス・ローラー スイス国シニー・エイチ‐リクタースビ ル、バクテルシユトラーセ27番地 (72)発明者 ジエームス・カズミユーズ・ギユミユー スキイ スイス国シイーエイチ‐8507チユーリツ シユ、ミルチバツクシユトラーセ１番地 (56)参考文献 特開 昭50−10659（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−6109（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−11109（ＪＰ，Ａ) Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．56，Ｎｏ．９, Ｐ．930〜933
Claims (5)
- 【請求項１】尖った先端部を有し、該先端部に位置する
原子と検査しようとするサンプルの表面上の原子との間
で原子間力を発生させるためのチップ部材と、上記チッ
プ部材をその自由端側に担持し、上記原子間力に応じて
上記自由端が上記サンプルの表面に対して垂直の方向に
撓む片持ちばりと、上記片持ちばりの上記自由端のたわ
みを検出する検出手段と、を備えた原子間力を検出する
ための機構において、上記検出手段は、 上記自由端の撓みに対応して静電容量が変化する容量手
段であって、実質的に上記片持ちばりと一体をなす部材
によって構成される第一のプレートと、該第一のプレー
トに対向して上記サンプルと反対側に配設された第二の
プレートとを有する容量手段と、 上記容量手段に接続されその静電容量を測定する手段
と、 を具備する原子間力を検出するための機構。 - 【請求項２】上記第一のプレートと上記第二のプレート
との間に異なった誘電率を有する少なくとも二つの誘電
体を配置する、請求項１の原子間力を検出するための機
構。 - 【請求項３】尖った先端部を有し、該先端部に位置する
原子と検査しようとするサンプルの表面上の原子との間
で原子間力を発生させるためのチップ部材と、上記チッ
プ部材をその自由端側に担持し、上記原子間力に応じて
上記自由端が上記サンプルの表面に対して垂直の方向に
撓む片持ちばりと、上記片持ちばりの上記自由端のたわ
みを検出する検出手段と、上記片持ちばりに対して上記
サンプルと反対側に対向して配設され、少なくともその
一部が透明部分を有する本体部分と、を備えた原子間力
を検出するための機構において、上記検出手段は、 上記片持ちばり上に形成された第一のミラーと、 該第一のミラーに対向して配設された半透明な第二のミ
ラーと、 上記第二のミラー及び上記本体部分の上記透明部分を介
して上記第一のミラーに到達した光が上記第一のミラー
によって反射された第一の反射光と上記第二のミラーに
よって反射された第二の反射光との干渉による強度の変
化を検出する検出器と、を具備する原子間力を検出する
ための機構。 - 【請求項４】尖った先端部を有し、該先端部に位置する
原子と検査しようとするサンプルの表面上の原子との間
で原子間力を発生させるためのチップ部材と、 上記チップ部材を担持し、上記原子間力に応じて自由端
が上記サンプルの表面に対して垂直の方向に撓む片持ち
ばりと、 を備えた原子間力を検出するための機構において上記片
持ちばりの撓みを検出する方法であって、 実質的に上記片持ちばりと一体をなす部材によって構成
される第一のプレートと、該第一のプレートに対向して
上記サンプルと反対側に配設された第二のプレートとを
含む容量手段の静電容量が上記片持ちばりの撓みに対応
することを利用して、上記静電容量の変化を検出し、次
に、この検出した値から上記片持ちばりの撓みを検出す
ることを特徴とする、原子間力を検出するための機構に
おいて上記片持ちばりの撓みを検出する方法。 - 【請求項５】尖った先端部を有し、該先端部に位置する
原子と検査しようとするサンプルの表面上の原子との間
で原子間力を発生させるためのチップ部材と、 上記チップ部材を担持し、上記原子間力に応じて自由端
が上記サンプルの表面に対して垂直の方向に撓む片持ち
ばりと、 上記片持ちばりに対して上記サンプルと反対側に対向し
て配設され、上記第一のミラーに対向して配設された半
透明な第二のミラーと、 を備えた原子間力を検出するための機構において上記片
持ちばりの撓みを検出する方法であって、 上記第一のミラーによって反射された第一の反射光と上
記第二のミラーによって反射された第二の反射光との干
渉による強度の変化が上記片持ちばりの撓みに対応する
ことを利用して、上記干渉光の強度の変化を検出し、次
に、この検出した値から上記片持ちばりの撓みを検出す
ることを特徴とする、原子間力を検出するための機構に
おいて上記片持ちばりの撓みを検出する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP87106900.1 | 1987-05-12 | ||
| EP87106900A EP0290648B1 (en) | 1987-05-12 | 1987-05-12 | Atomic force sensor head for investigating the topography of a surface |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63309802A JPS63309802A (ja) | 1988-12-16 |
| JP2580244B2 true JP2580244B2 (ja) | 1997-02-12 |
Family
ID=8196983
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63088363A Expired - Lifetime JP2580244B2 (ja) | 1987-05-12 | 1988-04-12 | 原子間力を検出するための機構、撓みを検出する方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (3) | EP0440268B1 (ja) |
| JP (1) | JP2580244B2 (ja) |
| CA (1) | CA1308574C (ja) |
| DE (3) | DE3750406T2 (ja) |
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| US5304924A (en) * | 1989-03-29 | 1994-04-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Edge detector |
| DE69002503T2 (de) * | 1989-03-29 | 1994-03-03 | Canon Kk | Kantendetektor. |
| US5260824A (en) * | 1989-04-24 | 1993-11-09 | Olympus Optical Co., Ltd. | Atomic force microscope |
| JP2628790B2 (ja) * | 1989-06-23 | 1997-07-09 | ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リーランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティ | ディジタル情報を記憶された電荷の形態で記憶する方法および装置 |
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| DE3942896A1 (de) * | 1989-12-23 | 1991-06-27 | Zeiss Carl Fa | Interferometrischer sensor zur messung von abstandsaenderungen einer kleinen flaeche |
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| JP4362559B2 (ja) * | 1999-03-04 | 2009-11-11 | 独立行政法人理化学研究所 | 電気容量式力測定装置 |
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| US7230719B2 (en) * | 2003-12-02 | 2007-06-12 | National University Of Singapore | High sensitivity scanning probe system |
| JP5122775B2 (ja) * | 2006-08-23 | 2013-01-16 | 株式会社ミツトヨ | 測定装置 |
| WO2012071088A1 (en) * | 2010-11-24 | 2012-05-31 | University Of Florida Research Foundation Inc. | Wireless power transfer via electrodynamic coupling |
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| CN111473895B (zh) * | 2020-03-16 | 2021-06-29 | 吉林大学 | 一种触觉传感器 |
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| US4575822A (en) * | 1983-02-15 | 1986-03-11 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Method and means for data storage using tunnel current data readout |
-
1987
- 1987-05-12 EP EP91105521A patent/EP0440268B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-05-12 DE DE3750406T patent/DE3750406T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1987-05-12 DE DE3750408T patent/DE3750408T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1987-05-12 DE DE8787106900T patent/DE3777402D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1987-05-12 EP EP91105520A patent/EP0442536B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-05-12 EP EP87106900A patent/EP0290648B1/en not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-04-12 JP JP63088363A patent/JP2580244B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1988-04-29 CA CA000565614A patent/CA1308574C/en not_active Expired - Fee Related
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| Title |
|---|
| Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．９，Ｐ．９３０〜９３３ |
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| DE3750406D1 (de) | 1994-09-22 |
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| EP0442536A3 (en) | 1992-01-02 |
| EP0440268A3 (en) | 1992-01-02 |
| EP0442536B1 (en) | 1994-08-17 |
| DE3750408T2 (de) | 1995-03-30 |
| EP0442536A2 (en) | 1991-08-21 |
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