JP3099599B2 - Cantilever provided with thin film type displacement sensor and displacement detection method using the same - Google Patents
Cantilever provided with thin film type displacement sensor and displacement detection method using the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はカンチレバーに関するも
のであり、特に原子間力顕微鏡のカンチレバーに関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cantilever, and more particularly to a cantilever for an atomic force microscope.
【０００２】[0002]
【従来の技術】走査型顕微鏡のひとつである原子間力顕
微鏡（Ａtomic Ｆorce Ｍicroscope :ＡＦＭ）は、物質
間に働く力により表面の２次的な観察像を形成するもの
であるＡＦＭは、電気伝導性のない材料表面や有機分子
をナノメートルスケールで観察できることから、広範な
応用が期待されている（山田、応用物理 第59巻第２号
P191〜192 ）。2. Description of the Related Art An atomic force microscope (AFM), which is one of scanning microscopes, forms a secondary observation image of a surface by a force acting between materials. Because it is possible to observe material surfaces and organic molecules that have no properties at the nanometer scale, widespread applications are expected (Yamada, Applied Physics Vol. 59, No. 2)
P191-192).
【０００３】図４に、従来のＡＦＭの原理の概念図を示
す。ＡＦＭは、先端曲率半径の小さな針状チップと可撓
性プレートとからなるカンチレバーと、可撓性プレート
のたわみ（曲がり）を測定する変位検出系から構成され
る。次にＡＦＭの測定方法を述べる。カンチレバーの先
端の針状チップをサンプルに近づける（10ｎｍ程度）
と、サンプル原子と針状チップとの間には静電気、磁気
及びファンデルワールス力などが働いて可撓性プレート
がたわむ。このたわみの変位量を変位検出系により検出
することによって測定が行われる。FIG. 4 shows a conceptual diagram of the principle of a conventional AFM. The AFM includes a cantilever composed of a needle-like tip having a small radius of curvature and a flexible plate, and a displacement detection system for measuring the bending (bending) of the flexible plate. Next, an AFM measurement method will be described. Bring the needle tip at the tip of the cantilever closer to the sample (about 10 nm)
Then, the flexible plate bends due to static electricity, magnetism, van der Waals force and the like acting between the sample atoms and the needle tip. The measurement is performed by detecting the amount of displacement of the deflection by a displacement detection system.
【０００４】そして、サンプルを走査することによりサ
ンプル表面の力の２次元的情報が得られる。また、可撓
性プレートのたわみを一定にするように試料の位置を制
御しながらサンプルを走査することにより表面の微視的
形状を知ることができる。例えば、特開平３−218998に
は、シリコン基板およびこれと一体化した尖鋭なシリコ
ンチップとからなるカンチレバー、あるいは窒化珪素基
板と尖鋭なシリコンチップとからなるカンチレバーが記
載されている。[0004] By scanning the sample, two-dimensional information on the force on the sample surface is obtained. Further, by scanning the sample while controlling the position of the sample so as to keep the deflection of the flexible plate constant, the microscopic shape of the surface can be known. For example, JP-A-3-218998 describes a cantilever comprising a silicon substrate and a sharp silicon chip integrated with the silicon substrate, or a cantilever comprising a silicon nitride substrate and a sharp silicon chip.
【０００５】また、特開平１−262403には、上記のカン
チレバーの他、シリコンからなるプレートが回転する構
造のカンチレバーが記載されている。これらのカンチレ
バーのサンプル原子から受ける力によって生ずる変位を
検出する変位検出系には、トンネル検出方式、光波干渉
方式、光てこ方式が用いられていた。Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-262403 discloses a cantilever having a structure in which a plate made of silicon rotates in addition to the above-mentioned cantilevers. As a displacement detection system for detecting a displacement caused by a force received from a sample atom of the cantilever, a tunnel detection method, a light wave interference method, and an optical lever method have been used.
【０００６】いずれの方法においても、カンチレバーと
変位検出系との相対変位によって針状チップの動きを測
定するため、カンチレバーに対して変位検出系が固定さ
れないと変位の読み取り誤差が大きくなる。そのため、
従来、カンチレバー、変位検出系を固定し、試料を走査
していた。しかしながら、この方式では、試料が大きく
なると機械的特性が劣化するため試料を薄く小さく加工
する必要があった。それゆえ、大型試料を観察するとき
にはカンチレバーを走査したいが、従来のＡＦＭでは、
上述のようにカンチレバーと重い変位検出系を一体にし
て走査する必要があり、特性を劣化させてしまうことか
ら逃れられなかった。In any of the methods, the movement of the needle tip is measured by the relative displacement between the cantilever and the displacement detection system. Therefore, if the displacement detection system is not fixed to the cantilever, a displacement reading error increases. for that reason,
Conventionally, a cantilever and a displacement detection system are fixed and a sample is scanned. However, in this method, when the sample is large, the mechanical characteristics are deteriorated, so that it is necessary to process the sample thin and small. Therefore, when observing a large sample, we want to scan the cantilever, but in the conventional AFM,
As described above, it is necessary to perform scanning by integrating the cantilever and the heavy displacement detection system, and it has been unavoidable to deteriorate characteristics.
【０００７】また、ＡＦＭは、〜 100μｍの視野しか持
たず、かつその範囲においては１フレーム数分かかり、
光学顕微鏡や電子顕微鏡のようにスムーズなファインダ
ー機能を持っていない。そして、大きな変位検出系のた
めに、上部からＮ.Ａの大きい光学顕微鏡でカンチレバ
ー、サンプルの位置合わせができないこともＡＦＭの操
作性を悪くしていた。AFM has a field of view of only about 100 μm, and in that range, it takes one frame several minutes,
It does not have a smooth finder function like optical microscopes and electron microscopes. In addition, because of the large displacement detection system, the cantilever and the sample cannot be aligned with an optical microscope having a large NA from the top, which also deteriorates the operability of the AFM.
【０００８】そこで、変位検出系とカンチレバーを一体
化する試みがなされている。その有効な方法の一つに、
圧電、電歪効果を利用した変位検出系として鉛系強誘電
薄膜型変位センサーを用い、この薄膜型変位センサーを
カンチレバー上に設けて一体化したカンチレバーが研究
されている（特開平４−１８０７８６）。従来の薄膜型
変位センサーを設けたカンチレバーは、薄膜型変位セン
サーを可撓性プレートの全面に設けたもの、または、片
持ちの根元付近に一つ設けたものが知られている。Therefore, attempts have been made to integrate the displacement detection system and the cantilever. One of the effective methods is
A lead-based ferroelectric thin film type displacement sensor is used as a displacement detection system utilizing the piezoelectric and electrostrictive effects, and a cantilever in which the thin film type displacement sensor is provided on a cantilever and integrated is being studied (Japanese Patent Laid-Open No. 4-180786). . As a conventional cantilever provided with a thin film type displacement sensor, a cantilever provided with a thin film type displacement sensor on the entire surface of a flexible plate or one provided near a cantilever base is known.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、可撓性
プレートの全面に薄膜型変位センサーを設けたカンチレ
バーにおいては、信号電圧が小さくその確度（正確さ）
が低いという問題がある。このため、可撓性プレートが
たわんだときに誘起される小さい電圧を測定する際には
大がかりな測定回路が必要となる。However, in the cantilever in which the thin film type displacement sensor is provided on the entire surface of the flexible plate, the signal voltage is small and its accuracy (accuracy) is small.
Is low. For this reason, a large measuring circuit is required to measure a small voltage induced when the flexible plate bends.
【００１０】また、図３に示すような可撓性プレートの
根元付近に薄膜型変位センサーを設けたカンチレバーに
おいては、信号電圧は増加するが、カンチレバーの形状
や材料によって信号電圧にばらつきが生じるという問題
があった。本発明の目的は、これらの問題点の解決にあ
る。In a cantilever provided with a thin film type displacement sensor near the base of a flexible plate as shown in FIG. 3, the signal voltage increases, but the signal voltage varies depending on the shape and material of the cantilever. There was a problem. An object of the present invention is to solve these problems.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らが、
薄膜型変位センサーと得られる信号電圧との関係につい
て研究したところ、以下のようなことがわかった。ま
ず、可撓性プレートの全面に薄膜型変位センサーを設け
た場合、最も大きく歪む根元部の大きい信号電圧と、ほ
とんど歪まない先端部の小さい信号電圧とが平均化して
測定されるため、信号電圧は小さくその角度は小さくな
る。これに対して根元部のみに一つ変位センサーを設け
た場合、信号電圧は全面に設けた場合に比べて大きくな
るが、先端部の針状チップの変位を根元部の変位センサ
ーで測定しているため個々の可撓性プレートの形状や弾
性係数のばらつきにより先端に同じ変位を与えても個々
のカンチレバーの間で信号電圧が大きく異なってしま
う。Means for Solving the Problems Accordingly, the present inventors have
A study on the relationship between the thin-film displacement sensor and the obtained signal voltage revealed the following. First, when the thin film type displacement sensor is provided on the entire surface of the flexible plate, the largest signal voltage at the root portion that is most distorted and the smaller signal voltage at the tip portion that is hardly distorted are averaged and measured. Is smaller and the angle is smaller. On the other hand, when one displacement sensor is provided only at the base, the signal voltage is larger than when it is provided on the entire surface, but the displacement of the needle tip at the tip is measured by the displacement sensor at the base. Therefore, even if the same displacement is applied to the tip due to the variation in the shape and elastic coefficient of each flexible plate, the signal voltage greatly differs between the cantilevers.
【００１２】そこで、本発明においては、可撓性プレー
ト上の先端と根元との間に薄膜型変位センサーを複数設
け、これらを直列につなぐことにより、上記問題を解決
することとした。よって、本発明は第１に、片持ち型の
可撓性プレートとその先端付近に設けられた針状チップ
とからなるカンチレバーにおいて、下部電極と、圧電ま
たは電歪特性を持つ中間層と、上部電極とからなる薄膜
型変位センサーを前記可撓性プレート上の先端と根元と
の間に複数設け、これらが直列につながれていて、前記
薄膜型変位センサーに誘起される電圧を測定することを
特徴とするカンチレバー（請求項１）を提供する。Therefore, in the present invention, the above-mentioned problem is solved by providing a plurality of thin film displacement sensors between the tip and the base on the flexible plate and connecting them in series. Therefore, the present invention firstly provides a cantilever comprising a cantilever-type flexible plate and a needle-shaped tip provided near the tip thereof, comprising a lower electrode, an intermediate layer having piezoelectric or electrostrictive characteristics, providing a plurality of thin-film type displacement sensor composed of an electrode between the tip and the root on the flexible plate, they have been connected in series, the
Providing cantilever (claim 1), characterized that you measure the voltage induced in the thin film type displacement sensor.
【００１３】さらに、複数の薄膜型変位センサーを直列
に接続し、それぞれのセンサーに誘起される電圧の測定
値の代数和をとることにより、同じ歪量に対して得られ
る信号電圧の値が従来のカンチレバーに比較して大きく
なり、その確度も増すことがわかった。よって、本発明
は第２に、複数の薄膜型変位センサーを直列に接続した
カンチレバーの可撓性プレートの歪量を薄膜型変位セン
サーに誘起される電圧の値として測定する変位測定方法
において、複数の薄膜型変位センサーに誘起される電圧
の測定値の代数和をとることを特徴とする変位検出方法
（請求項２）を提供する。Further, by connecting a plurality of thin film type displacement sensors in series and taking the algebraic sum of the measured values of the voltages induced in each of the sensors, the signal voltage value obtained for the same amount of distortion can be conventionally obtained. It was found to be larger than that of the cantilever, and its accuracy also increased. Therefore, the present invention secondly provides a displacement measuring method for measuring the amount of strain of a flexible plate of a cantilever in which a plurality of thin film displacement sensors are connected in series as a value of a voltage induced in the thin film displacement sensor. A displacement detection method (claim 2), wherein algebraic sum of measured values of voltages induced in the thin film type displacement sensor is obtained.
【００１４】[0014]
【作用】本発明においては、カンチレバーの可撓性プレ
ート上に薄膜型変位センサーを複数設けることにより、
可撓性プレートのたわみに応じて得られる信号強度（電
圧の測定値）を増幅することが可能となる。また、変位
の測定点が増えるため、個々のカンチレバーの製造プロ
セス上の問題による変位特性のばらつきが生じても、そ
れぞれのセンサーに誘起される電圧の測定値の代数和を
とることにより平均化の効果が生じ、測定確度が増す。In the present invention, by providing a plurality of thin film displacement sensors on the flexible plate of the cantilever,
It is possible to amplify the signal strength (measured value of the voltage) obtained according to the deflection of the flexible plate. In addition, since the number of measurement points for displacement increases, even if variations in displacement characteristics occur due to problems in the manufacturing process of individual cantilevers, averaging can be performed by taking the algebraic sum of the measured values of the voltage induced in each sensor. The effect occurs and the measurement accuracy increases.
【００１５】[0015]
【実施例】図３は従来例の薄膜型変位センサーであるが
１つの薄膜型変位センサーを有し、長さ１００μｍのカ
ンチレバーの先端を１ｎｍ撓ませると、膜厚２μｍの薄
膜型変位センサーに誘起される電圧は１．２ｍＶであ
る。図１は本実施例のための薄膜型変位センサーを設け
た長さ１００μｍのカンチレバーであり、５個の薄膜型
変位センサーを有している。カンチレバーの先端を１ｎ
ｍ撓ませると、膜厚２μｍの薄膜型変位センサーに誘起
される電圧はそれぞれカンチレバーの根元から１．２ｍ
Ｖ、１．０ｍＶ、０．７ｍｖ、０．４ｍＶ、０．１ｍＶ
で、それらの代数和は３．４ｍＶとなり、薄膜型変位セ
ンサーが一つのものに比べて約２．８倍の応答が得られ
る。FIG. 3 shows a conventional thin film type displacement sensor which has one thin film type displacement sensor. When the tip of a cantilever having a length of 100 μm is bent by 1 nm, a thin film type displacement sensor having a thickness of 2 μm is induced. The applied voltage is 1.2 mV. FIG. 1 shows a 100 μm-length cantilever provided with a thin-film displacement sensor for this embodiment, and has five thin-film displacement sensors. The tip of the cantilever is 1n
When flexed m, the voltage induced in the 2 μm-thick thin film displacement sensor is 1.2 m from the root of the cantilever.
V, 1.0mV, 0.7mv, 0.4mV, 0.1mV
Therefore, the sum of these algebras is 3.4 mV, and a response about 2.8 times that of a single thin film displacement sensor can be obtained.
【００１６】図２は本実施例のためのＶ字型の薄膜型変
位センサーであり、二股にわかれた一辺の長さが１００
μｍのカンチレバーの根元に薄膜型変位センサーをそれ
ぞれ一つずつ、計２個有している。カンチレバーの先端
を１ｎｍ撓ませると、膜厚２μｍの薄膜型変位センサー
に誘起される電圧はそれぞれ１．２ｍＶで、それらの代
数和は２．４ｍＶとなり、応答は２倍になる。また、代
数和をとらずに２個のセンサーを電気的に並列に接続す
れば、電圧は１．２ｍＶのままだが電荷量が２倍にな
り、測定確度が増す。FIG. 2 shows a V-shaped thin film type displacement sensor for this embodiment, in which the length of one side divided into two is 100.
It has two thin film displacement sensors, one each at the base of the cantilever of μm. When the tip of the cantilever is bent by 1 nm, the voltages induced in the thin-film displacement sensors having a thickness of 2 μm are each 1.2 mV, the algebraic sum thereof is 2.4 mV, and the response is doubled. Also, if two sensors are electrically connected in parallel without taking the algebraic sum, the charge amount is doubled while the voltage remains 1.2 mV, and the measurement accuracy increases.
【００１７】[0017]
【発明の効果】以上の通り、本発明に従い片持ちの可撓
性プレート上の根元部と先端部の間に薄膜型変位センサ
ーを複数設け、これらを直列に接続し、それぞれのセン
サーに誘起される電圧の測定値の代数和をとることによ
り、従来のものより数倍の応答が得られ、測定確度が増
す。As described above, according to the present invention, a plurality of thin-film displacement sensors are provided between the root and the tip of a cantilevered flexible plate, and these are connected in series, and the respective sensors are induced. By taking the algebraic sum of the measured values of the voltage, a response several times higher than that of the conventional one is obtained, and the measurement accuracy is increased.
【図１】 本発明のカンチレバーの一例を示す概念図で
ある。FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of the cantilever of the present invention.
【図２】 本発明のカンチレバーの一例を示す概念図で
ある。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the cantilever of the present invention.
【図３】 従来のカンチレバーの一例を示す概念図であ
る。FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a conventional cantilever.
【図４】 従来のＡＦＭの原理の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of the principle of a conventional AFM.
１・・・可撓性プレート ２・・・上部電極 ３・・・圧電体膜 ４・・・下部電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flexible plate 2 ... Upper electrode 3 ... Piezoelectric film 4 ... Lower electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34 H01J 37/28 G01N 37/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 21/00-21/32 G01B 7/ 00-7/34 H01J 37/28 G01N 37/00
Claims (2)
近に設けられた針状チップとからなるカンチレバーにお
いて、 下部電極と、圧電または電歪特性を持つ中間層と、上部
電極とからなる薄膜型変位センサーを前記可撓性プレー
ト上の先端と根元との間に複数設け、これらが直列につ
ながれていて、前記薄膜型変位センサーに誘起される電
圧を測定することを特徴とするカンチレバー。1. A cantilever comprising a cantilevered flexible plate and a needle tip provided near the tip thereof, comprising: a lower electrode; an intermediate layer having piezoelectric or electrostrictive characteristics; and an upper electrode. A plurality of thin-film displacement sensors are provided between the tip and the base on the flexible plate, these are connected in series, and the electric current induced by the thin-film displacement sensor is provided.
Cantilever characterized that you measure the pressure.
プレートの歪量を薄膜型変位センサーに誘起される電圧
の値として測定する変位測定方法において、 前記複数の薄膜型変位センサーに誘起される電圧の測定
値の代数和をとることを特徴とする変位検出方法。2. The displacement measuring method according to claim 1, wherein the amount of distortion of the flexible plate of the cantilever is measured as a value of a voltage induced in the thin film displacement sensor. A displacement detection method characterized by taking an algebraic sum of measured voltage values.
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| JP5164743B2 (en) * | 2008-08-27 | 2013-03-21 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | Cantilever, cantilever system, probe microscope and adsorption mass sensor |
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- 1993-09-06 JP JP05221006A patent/JP3099599B2/en not_active Expired - Fee Related
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