JP3270141B2 - 力検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型力顕微鏡や高分
解能な表面電位計に用いられる力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来における力検出装置としては、力顕
微鏡等に応用された種々のものが発案されている。例え
ば、その第一の従来例として、「ATOMIC FORCE MICROSC
OPY USING A PIEZORESISTIVE CANTILEVER」、 １９９
１、ＩＥＥＥに開示されているものがある。これを、
今、図２０及び図２１に基づいて説明する。図２０にお
いて、台座１の一端部にはＵ字形をした片持ち梁２が固
定されている。台座１は単結晶シリコン３の表面に酸化
シリコン膜４を形成してなっており、片持ち梁２は単結
晶シリコン３の表面にピエゾ抵抗体５を形成してなって
おり、そのピエゾ抵抗体５は金属配線６にて電気的に接
続されている。

【０００３】このような構成において、片持ち梁２の全
体がＵ字形の抵抗体になっているため、この片持ち梁２
の先端に加わる力により生じる曲がり（歪）をピエゾ抵
抗体５の抵抗値から検出することができる。図２１は、
ピエゾ抵抗体５と固定抵抗７とよりホイーストンブリッ
ジ回路を構成した様子を示すものであり、そのブリッジ
電圧の変化からピエゾ抵抗体５の抵抗変化を検出するこ
とができる。このような検出方法を用いて片持ち梁２の
先端に加わる力を測定することができるため、原子間力
を測定し、これにより顕微鏡像を得ることができる。

【０００４】また、第二の従来例として、「Charge sto
rage in a nitride-oxide-silliconmedium by scanning
capacitance microscopy」、１９９１、．Appl.Phys.
に開示されているものがある。これを、今、図２２に基
づいて説明する。圧電素子スキャナ８上には試料９が載
置されている。前記圧電素子スキャナ８はコントローラ
１０により駆動制御がなされている。また、前記試料９
の上部には片持ち梁１１の先端に取付けられた探針１２
が接触している。片持ち梁１１は固定端１３から電気回
路１４に接続されている。一方、探針１２の上面には鏡
１５が取付けられており、レーザ光源１６からの光はそ
の鏡１５に入射した後反射して受光素子（ＰＳＤ）１７
に検出され、アンプ１８を介してコントローラ１０に送
られる。

【０００５】このような構成において、片持ち梁１１と
探針１２とは導電性になっており、片持ち梁１１の固定
端１３から電気的接続をとり、探針１２に所定の電圧が
印加される。これにより、片持ち梁１１の曲がりはレー
ザ光源１６と鏡１５と受光素子１７とにより構成される
「光てこ法」により検出して探針１２に加わる力を求め
ることができ、これにより試料９の表面に存在する電荷
或いは表面電位を測定することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】第一の従来例の場合、
片持ち梁２の先端部分が探針になっており、しかも、そ
の片持ち梁２の全体がピエゾ抵抗になっている。この場
合、ピエゾ抵抗値の変化は、図２１に示すような回路に
おいてａ点とｂ点の電位差により求めることができる。
このためピエゾ抵抗体５の抵抗値が変化すれば、ａ点の
電位が変化し、これに伴ってピエゾ抵抗体５の各部分の
電位も変動し、これにより探針先端の電位も変動するこ
とになる。試料表面の電位が一定であるとすると、探針
先端の電位変動により試料と探針との両者間に働く静電
引力が変化し、これにより試料表面と探針先端間の「原
子間力以外の静電引力」という力が働くことになり、結
果としてその力が雑音となり、測定精度が低下する。

【０００７】第二の従来例の場合、試料９の表面電荷と
探針１２との間に生じる静電引力による片持ち梁１１の
曲がりを検出し帯電分布を測定するため、例えば、感光
性試料表面を観察する場合、レーザ光の散乱光により試
料表面の状態が変化してしまい、結果として測定観察が
不可能となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、梁の先端に設けられた導電性探針と、この導電性探
針に電圧を印加するための電気的配線と、前記梁の曲が
りを検出する電気的検出手段とを有する片持ち梁の前記
導電性探針に加わる力を検出する力検出装置において、
前記導電性探針への前記電気的配線を有する片持ち梁と
前記電気的検出手段を有する片持ち梁とを梁先端の変位
方向に対して垂直な同一平面内で各々別個に設け、それ
ら同一平面内で別個に設けられた前記片持ち梁の先端を
１つに結合した。

【０００９】請求項２記載の発明では、梁の先端に設け
られた導電性探針と、この導電性探針に電圧を印加する
ための電気的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的
検出手段とを有する片持ち梁の前記導電性探針に加わる
力を検出する力検出装置において、前記導電性探針への
前記電気的配線を有する片持ち梁と前記電気的検出手段
を有する片持ち梁とを梁先端の変位方向に対して垂直な
異なる平面に各々別個に設け、それら異なる平面で別個
に設けられた前記片持ち梁の先端を１つに結合した。

【００１０】請求項３記載の発明では、梁の中心に設け
られた導電性探針と、この導電性探針に電圧を印加する
ための電気的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的
検出手段とを有する両持ち梁の前記導電性探針に加わる
力を検出する力検出装置において、前記両持ち梁の一方
の固定端から前記導電性探針までの梁上に前記電気的配
線を有し、前記他方の固定端から前記導電性探針までの
梁上に電気的検出手段を有するようにした。

【００１１】請求項４記載の発明では、梁の中心に設け
られた導電性探針と、この導電性探針に電圧を印加する
ための電気的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的
検出手段とを有する両持ち梁の前記導電性探針に加わる
力を検出する力検出装置において、前記導電性探針への
前記電気的配線を有する両持ち梁と前記電気的検出手段
を有する両持ち梁とを梁中心の変位方向に対して垂直な
異なる平面に各々別個に設け、それら異なる平面で別個
に設けられた前記両持ち梁の中心を１つに結合した。

【００１２】請求項５記載の発明では、梁の先端若しく
は中心に設けられた導電性探針と、この導電性探針に電
圧を印加するための電気的配線と、前記梁の曲がりを検
出する電気的検出手段とを有する片持ち梁若しくは両持
ち梁の前記導電性探針に加わる力を検出する力検出装置
において、前記導電性探針に印加する電圧と等しい電圧
を前記梁の曲がりを検出する電気的検出手段の基準電位
に設定した。

【００１３】請求項６記載の発明では、梁の先端若しく
は中心に設けられた導電性探針と、この導電性探針に電
圧を印加するための電気的配線と、前記梁の曲がりを検
出する電気的検出手段とを有する片持ち梁若しくは両持
ち梁の前記導電性探針に加わる力を検出する力検出装置
において、前記導電性探針に印加する電圧の低周波帯域
の電圧を前記梁の曲がりを検出する電気的検出手段の基
準電位に設定した。

【００１４】請求項７記載の発明では、請求項１，２，
３又は４記載の発明において、導電性探針への電気的配
線を有する片持ち梁若しくは両持ち梁における梁の剛性
を、電気的検出手段を有する前記片持ち梁若しくは両持
ち梁における梁の剛性よりも小さく設定した。

【００１５】請求項８記載の発明では、請求項１，２，
３又は４記載の発明において、導電性探針及び電気的配
線と、電気的検出手段との間の最短の距離を略１００μ
ｍ以上とした。

【００１６】

【作用】請求項１記載の発明においては、探針への電気
的配線と電気的検出手段との距離が大きくなり、探針と
試料との両者間での放電が生じないため、測定が不可能
になるようなことをなくすことが可能となる。

【００１７】請求項２記載の発明においては、梁の長さ
を長くすることなく、探針への電気的配線と電気的検出
手段との距離を大きくとることができ、これにより探針
と試料との両者間の放電を生じさせず測定が可能とな
り、かつ、片持ち梁作製時の梁の破損の確率を低く抑え
ることが可能となる。

【００１８】請求項３記載の発明においては、探針への
電気的配線と電気的検出手段との距離が大きくなり、探
針と試料との両者間の放電を生じさせることなく測定が
可能となる。

【００１９】請求項４記載の発明においては、梁の長さ
を長くすることなく、探針への電気的配線と電気的検出
手段との距離を大きくすることができ、これにより探針
と試料との両者間の放電を生じさせることなく測定が可
能となり、かつ、片持ち梁作製時の梁の破損の確率を低
く抑えることが可能となる。

【００２０】請求項５記載の発明においては、探針への
電気的配線の電位と電気的検出手段との電位差を小さく
させることができ、これにより探針と試料との両者間の
放電を生じさせずに測定を行うことが可能となる。

【００２１】請求項６記載の発明においては、寄生容量
を介した雑音電流の電気的検出手段への流入を減少さ
せ、測定精度を向上させることができ、かつ、探針への
電気配線の電位と電気的検出手段との電位差が小さくな
り、探針と試料との両者間の放電を生じさせずに測定が
可能となる。

【００２２】請求項７記載の発明においては、片持ち梁
又は両持ち梁全体の剛性が高くならず、複雑な共振状態
が生じないため、検出感度や測定精度を向上させること
が可能となる。

【００２３】請求項８記載の発明においては、導電性探
針及び電気的配線と電気的検出手段との間の放電の発生
を防止することができる。

【００２４】

【実施例】この発明の一実施例を図１に基づいて説明す
る。シリコンからなる台座１９には、絶縁物である酸化
シリコンからなる片持ち梁２０が固定されている。この
片持ち梁２０の先端部には下方に向けて探針２１が形成
されている。また、片持ち梁２０の梁の一部分（ここで
は、付け根部分）Ａには、電気的検出手段としての多結
晶シリコンからなるピエゾ抵抗２２が取付けられてい
る。このピエゾ抵抗２２の両端部には、外部との電気的
接続をとるために、アルミニウム薄膜からできた配線２
３が接続されている。

【００２５】このような構成において、図示しない試料
の表面上の帯電電荷と探針２１との間の静電引力により
片持ち梁２０が変形し、その機械的な変形量を梁の付け
根部分Ａに設けられたピエゾ抵抗２２により電気的に検
出し、配線２３を介して外部に取出し電気的出力として
得ることにより、探針２１に加わる力を測定することが
できる。

【００２６】本実施例の場合、片持ち梁２０は絶縁物で
あり、探針２１と付け根部分Ａのピエゾ抵抗２２とは電
気的に絶縁されているため、ピエゾ抵抗２２の電位が変
化しても探針２１の電位には全く影響を及ぼさない。従
って、このようなことから、従来で述べたような試料表
面と探針２１との間に原子間力以外の静電引力が働くよ
うなことをなくし、従来よりも一段と測定精度を向上さ
せることができる。

【００２７】次に、別の実施例を図２に基づいて説明す
る。ここでは、片持ち梁２０を２本用い、先端部を１つ
に結合してＶ字形に形成したものである。２本の片持ち
梁２０の付け根部分Ａには、ピエゾ抵抗２２が取付けら
れている。

【００２８】この場合にも、探針２１はピエゾ抵抗２２
と絶縁されているため、試料表面と探針２１との間に原
子間力以外の静電引力が働くようなことがなくなり、こ
れにより第一の実施例と同様に測定精度を一段と向上さ
せることができる。

【００２９】次に、別の実施例を図３に基づいて説明す
る。ここでは、台座１９と、片持ち梁２０と、探針２１
とをｎ型シリコンで一体化して構成したものである。片
持ち梁２０の付け根部分Ａには、不純物拡散により作製
したｐ型シリコンのピエゾ抵抗２２が設けられている。
この場合、ｎ型シリコンの電位は大地電位とし、ｐ型シ
リコンであるピエゾ抵抗２０の電位は、大地電位よりも
負になるように電気回路が構成されている。これによ
り、ｎ型シリコンの部分とピエゾ抵抗２０との界面のｐ
ｎ接合は逆バイアスとなり、両者間は絶縁された形とな
る。従って、梁の変位によりピエゾ抵抗２２の電位が変
動しても探針２１の電位はＧＮＤのままとすることがで
きるため、試料表面と探針２１との間に原子間力以外の
静電引力が働くようなことがなくなり、これにより従来
よりも一段と測定精度を向上させることができる。

【００３０】次に、別の実施例を図４に基づいて説明す
る。台座１９の中央部には両持ち梁２４が形成されてい
る。この両持ち梁２４の中央には探針２１が設けられ、
その両側の梁の付け根部分Ａにはピエゾ抵抗２２が設け
られている。この場合にも、第一の実施例と同様に、探
針２１と付け根部分Ａのピエゾ抵抗２２とは電気的に絶
縁されているため、ピエゾ抵抗２２の電位が変化しても
探針２１の電位には全く影響を及ぼさず、従来のような
試料表面と探針２１との間に原子間力以外の静電引力が
働くようなことがなくなり、測定精度を一段と向上させ
ることができる。

【００３１】次に、別の実施例を図２３に基づいて説明
する。台座１９の中央部には両持ち梁２４が形成されて
いる。この両持ち梁２４の中央には探針２１が設けら
れ、その両側の梁の中央寄り（探針近く）の部分Ｂには
ピエゾ抵抗２２が設けられている。この場合にも、第一
の実施例と同様に、探針２１とピエゾ抵抗２２とは電気
的に絶縁されているため、ピエゾ抵抗２２の電位が変化
しても探針２１の電位には全く影響を及ぼさず、従来の
ような試料表面と探針２１との間に原子間力以外の静電
引力が働くようなことがなくなり、測定精度を一段と向
上させることができる。

【００３２】次に、別の実施例を図５に基づいて説明す
る。なお、前記の実施例と同一部分についての説明は省
略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００３３】ここでは、片持ち梁２０の先端の探針を導
電性（以下、導電性探針２５と呼ぶ）に形成し、この導
電性探針２５に電圧を印加するための電気的配線として
の配線２６を接続したものである。このような構成によ
り、配線２６を通じて導電性探針２５に任意の電圧を印
加し、ピエゾ抵抗２２の抵抗値変化から導電性探針２５
と試料表面上の帯電電荷との間の静電引力により生じる
片持ち梁２０の曲がりを検出することができ、これによ
り試料表面上の電荷を測定することができる。

【００３４】次に、別の実施例を図６〜図８に基づいて
説明する。なお、前記の実施例と同一部分についての説
明は省略し、その同一部分については同一符号を用い
る。

【００３５】ここでは、３本の片持ち梁２０ａ，２０
ｂ，２０ｃを用いてＶ字形の梁構造としたものである。
すなわち、図６において、導電性探針２５への配線２６
を有する中央に設けられた１本の片持ち梁２０ｃと、ピ
エゾ抵抗２２ａ，２２ｂをそれぞれ有する左右に設けら
れた２本の片持ち梁２０ａ，２０ｂとを梁先端の変位方
向Ｚに対して垂直な同一平面内で各々別個に設け、それ
ら同一平面内で別個に設けられた片持ち梁２０ａ〜２０
ｃの先端部を１つに結合した。このような構成とするこ
とにより、導電性探針２５への配線２６と、ピエゾ抵抗
２２ａ，２２ｂへの配線２３ａ，２３ｂとの間の距離を
前述した請求項２記載の実施例（図５（ｂ））に比べて
一段と大きくとることができるため、それら配線間の電
位差が著しく大きくても両者間で放電を起こすようなこ
とがなくなり、これにより力検出の測定が不可能となる
ことを防ぐことができる。

【００３６】具体例として、周知のＰｕｓｃｈｅｎ曲線
より１気圧、乾燥空気の場合、１ＫＶの電位差に対して
１００μｍ以上の距離があれば、放電は生じない。この
ようなことから、図６の例では、距離Ｄを１００μｍ以
上とし、距離Ｌを２００μｍ以上にすればよく、このよ
うな片持ち梁はマイクロマシンニングにより作製するこ
とが可能である（請求項８）。

【００３７】図７，図８は、変形例を示すものである。
図７では、中央の片持ち梁２０ｃにピエゾ抵抗２２を設
け、両側２本の片持ち梁２０ａ，２０ｂに配線２６を設
けたものである。また、図８の例では、２本の片持ち梁
２０ａ，２０ｂのうち、片方の１本にピエゾ抵抗２２を
設け、他方の１本に配線２６を設けたものである。これ
らの場合にも、配線２６と配線２３との距離を十分に保
つことができるため、それら配線間で放電を起こすよう
なことがなくなり、これにより力検出の測定が不可能と
なることを防ぐことができる。

【００３８】次に、この発明の別の実施例を図９に基づ
いて説明する。なお、前記の実施例と同一部分について
の説明は省略し、その同一部分については同一符号を用
いる。

【００３９】ここでは、梁の端部に設けられた導電性探
針２５への配線２６を有する片持ち梁２０ａと、ピエゾ
抵抗２２を有する片持ち梁２０ｂとを梁先端の変位方向
Ｚに対して垂直な方向の異なる平面に各々別個に設け、
それら異なる平面で別個に設けられた片持ち梁２０ａ，
２０ｂの先端を１つに結合したものである。このよう
に、２本の片持ち梁２０ａ，２０ｂを台座２７を介して
重ね合わせた構造としており、下方の片持ち梁２０ａに
は導電性探針２５と配線２６とが設けられ、上方の片持
ち梁２０ｂにはピエゾ抵抗２２と配線２３とが設けられ
た形となっている。なお、下側の片持ち梁２０ａの一端
は、台座２７と固定台２８とにより固定支持されてい
る。

【００４０】従って、このような縦型構造にすることに
より、導電性探針２５への配線２６と、ピエゾ抵抗２２
への配線２３との距離を大きくとることができるため、
これら配線間で放電が生じるようなことがなくなり測定
が不可能になることを防止することができる。しかも、
梁を縦方向に重ねて構成しているため、片持ち梁作製時
の梁の破損の確率を低く抑えることができる。また、こ
のような縦型構造においては横方向へのスペースの省略
を図ることができる。

【００４１】具体例として、厚さ１００μｍの厚みのＳ
ｉウェハからマイクロマシンニング技術により片持ち梁
２０ａ，２０ｂを作製した場合、距離Ｔが１００μｍと
なることにより距離Ｄは２００μｍとなる。今、１気
圧、１ＫＶ、乾燥空気の場合、放電を避けるためには１
００μｍ以上の距離が必要となるが、Ｄが２００μｍで
あることから放電を確実に防止させることができる。ま
た、片持ち梁２０ａ，２０ｂの長さＬはＤとは無関係に
設定できるため、作製工程中の破損の少ないＬ＜３００
μｍの領域に設定することができる。

【００４２】次に、別の一実施例を図１０に基づいて説
明する。なお、前記実施例と同一部分についての説明は
省略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００４３】ここでは、両持ち梁２４の中心部に導電性
探針２５を取付け、この導電性探針２５から一方の固定
端までの梁上に配線２６を設け、その梁の他方の固定端
の付け根部分Ａにピエゾ抵抗２２を設けるようにしたも
のである。これにより、導電性探針２５とピエゾ抵抗２
２への配線２３との距離Ｄを一定に保つことができるた
め、両者間の放電を防止することが可能となる。具体例
として、距離Ｌ＞２００μｍとすれば、Ｄ＞１００μｍ
とすることができるため、放電を十分防ぐことが可能と
なる。

【００４４】次に、別の実施例を図１１に基づいて説明
する。なお、前記の実施例と同一部分についての説明は
省略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００４５】ここでは、２本の両持ち梁２４ａ，２４ｂ
を重ね合わせた構造としたものである。すなわち、中心
部に設けられた導電性梁２５への配線２６を有する両持
ち梁２４ａと、両端部にピエゾ抵抗２２ａ，２２ｂを有
する両持ち梁２４ｂとを梁中心の変位方向Ｚに対して垂
直な方向の異なる平面に各々別個に設け、それら異なる
平面で別個に設けられた両持ち梁２４ａ，２４ｂの中心
部を台座２７を介して１つに結合した。ピエゾ抵抗２２
ａ，２２ｂに接続された配線２３ａ，２３ｂは、固定台
上の外部接続のための電極パッドに接続されている。

【００４６】このように下側の両持ち梁２４ａには導電
性探針２５と配線２６とが設けられ、上側の両持ち梁２
４ｂにはピエゾ抵抗２２ａ，２２ｂと配線２３ａ，２３
ｂとが設けられていることから、放電防止を確実に行う
ことができる。しかも、請求項４記載の発明と同様に梁
の長さＬ＜３００に設定することができるため、片持ち
梁作製時の梁の破損の確率を低く抑えることができる。

【００４７】次に、別の一実施例を図１２に基づいて説
明する。なお、前記の実施例と同一部分についての説明
は省略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００４８】ここでは、片持ち梁２０（又は、両持ち梁
でもよい）の梁の曲がりを検出するピエゾ抵抗２２及び
その配線２３の周囲を取り囲むようにして、電気的シー
ルド電極としてのシールド電極２９を配設したものであ
る。このシールド電極２９は、配線２３，２６と接続す
る電気回路の基準となるＧＮＤに接続する。これによ
り、導電性探針２５に接続された配線２６からのもれ電
流をシールド電極２９に流し、そのもれ電流がピエゾ抵
抗２２と配線２３とに流れ込むことを防ぐことができ
る。従って、このようなことから、もれ電流による測定
誤差をなくし測定程度の低下を防止させることができ
る。

【００４９】次に、別の実施例を図１３及び図１４に基
づいて説明する。なお、前記の実施例と同一部分につい
ての説明は省略し、その同一部分については同一符号を
用いる。

【００５０】本実施例の外部構成を示す図１４は前述し
た請求項３記載の発明（図６参照）とほぼ同一である
が、ここでは図１３に示すような内部回路の構成が異な
る。すなわち、ここでは、導電性探針２５に印加する電
圧と等しい電圧Ｖｔを、梁の曲がりを検出するピエゾ抵
抗Ｒ１，Ｒ２の基準電圧に設定したものである。以下、
具体的に説明する。

【００５１】図１３において、ピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ２
は、固定抵抗Ｒ３，Ｒ４とホイーストンブリッジ回路を
構成している。このブリッジ回路に、導電性探針２５へ
の印加電圧Ｖｔを基準電位とした励起電圧Ｖｂが印加さ
れる。このＶｂの値は絶縁アンプ３０の出力値であり、
このアンプの出力側の基準電位がＶｔとなっているた
め、ブリッジ印加電圧の基準電源ＶbsとＶｔとの和がＶ
ｂの値となる。すなわち、Ｖｂ＝Ｖｔ＋Ｖbsがブリッジ
回路のｂ点に印加される。一方、ブリッジ回路のｄ点に
はＶｔの値が印加されるため、ｂ，ｄ両点間の差Ｖbsが
ブリッジ回路の励起電圧となる。また、ａ，ｃ点は、Ｖ
ｔを入力側の基準電位とし出力側が大地電位を基準電位
とした絶縁アンプ３１に接続されているため、ａ点とｃ
点との電位差の電圧がＧＮＤに対して出力される。Ｖbs
は通常１０Ｖ以下の値で十分であり、また、導電性探針
２５の電位はＶｔである。さらに、コントローラ３３か
らのＶｃがパワーアンプ３２を介すことにより得られた
Ｖｔの出力値は、試料表面上の帯電電位と等しくされて
いる。

【００５２】このようなことから、たとえＶｔが１ＫＶ
以上になっても、導電性探針２５及び配線２６と、ピエ
ゾ抵抗Ｒ１，Ｒ２との間の電位差は１０Ｖ以下となり、
これまでの実施例に比べて電位差を著しく小さくするこ
とができる。従って、このように導電性探針２５への配
線２６とピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ２への配線２３ａ，２３ｂ
との間の電位差を小さくすることができるため、両者間
の放電を生じさせることなく測定を行うことができる。

【００５３】次に、別の実施例を図１５及び図１６に基
づいて説明する。なお、前記の実施例と同一部分につい
ての説明は省略し、その同一部分については同一符号を
用いる。

【００５４】図１５は本装置の構成を示すものであり、
基本的な構成は前述した図１３の構成と同一である。こ
こでは、導電性探針２５に印加する電圧の低周波帯域の
電圧を、梁の曲がりを検出するピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ２の
基準電位に設定したものである。その低周波帯域の電圧
を発生させるために、ローパスフィルタ３４を設けた。
なお、本装置の外部構成は図１４と同一なため省略し
た。以下、具体的に説明する。

【００５５】コントローラ３３からの出力Ｖｃにローパ
スフィルタ３４を通過した出力をパワーアンプ３２ａで
増幅した電圧Ｖｓをブリッジ回路の基準電位とする。こ
れにより、Ｖｔの高周波成分を除去した波形がＶｓとな
るため、Ｃｓを通したＶｂに流れ込む雑音電流を少なく
させることができ、測定誤差を少なくさせることができ
る。また、パワーアンプ３２ｂを介した電圧Ｖｔは、試
料表面上の帯電電位と等しくなるようにコントローラ３
３が制御しているのであるが、試料を導電性探針２５に
対してスキャンした場合や、帯電している電荷分布の空
間周波数が高くなった場合には、表面電位Ｖｓは図１６
のＰ側領域のように周波数が高くなるに従って、その振
幅が小さくなっていく特性があり、これによりＶｔの高
周波成分を除去したＶｓとＶｔの電位差は高周波になる
ほど小さくなる。一方、図１６のＱ領域の低周波の場合
は、ローパスフィルタ３４は低周波成分は除去しないた
めＶｓとＶｔとはほぼ同電位になり、これにより、Ｖｔ
の周波数に無関係にＶｓとＶｔの電位差は小さくなる。
従って、このようなことから、導電性探針２５への配線
２６と、ピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ２への配線２３ａ，２３ｂ
との間の電位差がなくなるため、それら配線間の放電を
防止させることができる。

【００５６】次に、別の実施例を図１７〜図１９に基づ
いて説明する。なお、前記の実施例と同一部分について
の説明は省略し、その同一部分については同一符号を用
いる。

【００５７】ここでは、導電性探針への電気的配線を有
する片持ち梁若しくは両持ち梁における梁の剛性を、電
気的検出手段を有する前記片持ち梁若しくは両持ち梁に
おける梁の剛性よりも小さく設定した。具体的には、図
１７（図６の構成とほぼ同じ）において、導電性探針２
５への配線２６を有する片持ち梁２０ｃにおける梁の剛
性を、ピエゾ抵抗２２ａ，２２ｂを有する片持ち梁２０
ａ，２０ｂにおける梁の剛性よりも小さく設定したもの
である。梁の剛性を変えるために、片持ち梁２０ｃの梁
幅Ｗｃを、片持ち梁２０ａ，２０ｂの梁幅Ｗａ，Ｗｂよ
りも小さく設定した。

【００５８】このように、片持ち梁２０ｃの剛性を片持
ち梁２０ａ，２０ｂの剛性よりも小さくすることによ
り、梁全体のバネ定数が導電性探針２５への配線２６を
もつ片持ち梁２０ｃがあることによって著しく高くなっ
てしまうことがなくなる。また、これにより、導電性探
針２５への配線２６を有する片持ち梁２０ｃは、ピエゾ
抵抗２２ａ，２２ｂを有する片持ち梁２０ａ，２０ｂの
運動に追随することになるため、複雑な共振運動が発生
するようなことがない。従って、このように梁全体の剛
性が高くならず、複雑な共振状態が生じないため、検出
感度や測定精度を一段と向上させることができる。

【００５９】図１８、図１９は、変形例を示すものであ
る。図１８（図７の構成とほぼ同じ）では、導電性探針
２５への配線２６を有する両側２本の片持ち梁２０ａ，
２０ｂの梁幅Ｗａ，Ｗｂを、ピエゾ抵抗２２を有する片
持ち梁２０ｃの梁幅Ｗｃよりも小さくすることにより、
片持ち梁２０ａ，２０ｂの剛性を片持ち梁２０ｃの剛性
よりも小さくしている。また、図１９（図９の構成とほ
ぼ同じ）では、ピエゾ抵抗２２を有する片持ち梁２０ｂ
の梁厚ｔｂ を、導電性探針２５への配線２６を有する
片持ち梁２０ａの梁厚ｔａ よりも厚く形成することに
より、片持ち梁２０ａの剛性を片持ち梁２０ｂの剛性よ
りも小さくしている。従って、これらの場合にも、梁全
体の剛性が高くならず、複雑な共振状態が生じないた
め、検出感度や測定精度を一段と向上させることができ
る。

【００６０】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、梁の先端に設け
られた導電性探針と、この導電性探針に電圧を印加する
ための電気的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的
検出手段とを有する片持ち梁の前記導電性探針に加わる
力を検出する力検出装置において、前記導電性探針への
前記電気的配線を有する片持ち梁と前記電気的検出手段
を有する片持ち梁とを梁先端の変位方向に対して垂直な
同一平面内で各々別個に設け、それら同一平面内で別個
に設けられた前記片持ち梁の先端を１つに結合したの
で、探針への電気的配線と電気的検出手段との距離が大
きくなり、探針と試料との両者間での放電が生じるよう
なことがなくなり、これにより測定を確実に行うことが
できるものである。

【００６１】請求項２記載の発明は、梁の先端に設けら
れた導電性探針と、この導電性探針に電圧を印加するた
めの電気的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的検
出手段とを有する片持ち梁の前記導電性探針に加わる力
を検出する力検出装置において、前記導電性探針への前
記電気的配線を有する片持ち梁と前記電気的検出手段を
有する片持ち梁とを梁先端の変位方向に対して垂直な異
なる平面に各々別個に設け、それら異なる平面で別個に
設けられた前記片持ち梁の先端を１つに結合したので、
梁の長さを長くすることなく、探針への電気的配線と電
気的検出手段との距離を大きくとることができ、これに
より探針と試料との両者間の放電を生じさせず測定を確
実に行うことができ、しかも、片持ち梁作製時の梁の破
損の確率を低く抑えることができるものである。

【００６２】請求項３記載の発明は、梁の中心に設けら
れた導電性探針と、この導電性探針に電圧を印加するた
めの電気的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的検
出手段とを有する両持ち梁の前記導電性探針に加わる力
を検出する力検出装置において、前記両持ち梁の一方の
固定端から前記導電性探針までの梁上に前記電気的配線
を有し、前記他方の固定端から前記導電性探針までの梁
上に電気的検出手段を有するようにしたので、探針への
電気的配線と電気的検出手段との距離が大きくなり、探
針と試料との両者間の放電を生じさせることがなくな
り、これにより測定を確実に行うことができるものであ
る。

【００６３】請求項４記載の発明は、梁の中心に設けら
れた導電性探針と、この導電性探針に電圧を印加するた
めの電気的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的検
出手段とを有する両持ち梁の前記導電性探針に加わる力
を検出する力検出装置において、前記導電性探針への前
記電気的配線を有する両持ち梁と前記電気的検出手段を
有する両持ち梁とを梁中心の変位方向に対して垂直な異
なる平面に各々別個に設け、それら異なる平面で別個に
設けられた前記両持ち梁の中心を１つに結合したので、
梁の長さを長くすることなく、探針への電気的配線と電
気的検出手段との距離を大きくすることができ、これに
より探針と試料との両者間の放電を生じさせることがな
くなり測定を確実に行うことができる、しかも、片持ち
梁作製時の梁の破損の確率を低く抑えることができるも
のである。

【００６４】請求項５記載の発明は、梁の先端若しくは
中心に設けられた導電性探針と、この導電性探針に電圧
を印加するための電気的配線と、前記梁の曲がりを検出
する電気的検出手段とを有する片持ち梁若しくは両持ち
梁の前記導電性探針に加わる力を検出する力検出装置に
おいて、前記導電性探針に印加する電圧と等しい電圧を
前記梁の曲がりを検出する電気的検出手段の基準電位に
設定したので、探針への電気的配線の電位と電気的検出
手段との電位差を小さくさせることができ、これにより
探針と試料との両者間の放電が生じるようなことがなく
なり測定を確実に行うことができるものである。

【００６５】請求項６記載の発明は、梁の先端若しくは
中心に設けられた導電性探針と、この導電性探針に電圧
を印加するための電気的配線と、前記梁の曲がりを検出
する電気的検出手段とを有する片持ち梁若しくは両持ち
梁の前記導電性探針に加わる力を検出する力検出装置に
おいて、前記導電性探針に印加する電圧の低周波帯域の
電圧を前記梁の曲がりを検出する電気的検出手段の基準
電位に設定したので、寄生容量を介した雑音電流の電気
的検出手段への流入を減少させ、測定精度を向上させる
ことができ、しかも、探針への電気配線の電位と電気的
検出手段との電位差が小さくなるため、探針と試料との
両者間の放電が生じるようなことがなくなり測定を確実
に行うことができるものである。

【００６６】請求項７記載の発明は、請求項１，２，３
又は４記載の発明において、導電性探針への電気的配線
を有する片持ち梁若しくは両持ち梁における梁の剛性
を、電気的検出手段を有する前記片持ち梁若しくは両持
ち梁における梁の剛性よりも小さく設定したので、片持
ち梁又は両持ち梁全体の剛性が高くならず、複雑な共振
状態が生じるようなことがなく、検出感度や測定精度を
向上させることができるものである。

【００６７】請求項８記載の発明では、請求項１，２，
３又は４記載の発明において、導電性探針及び電気的配
線と、電気的検出手段との間の最短の距離を略１００μ
ｍ以上としたので、導電性探針及び電気的配線と電気的
検出手段との間の放電の発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はこの発明の一実施例である力検出装置
の構成を示す断面図、（ｂ）は上面図である。

【図２】別の実施例を示す平面図である。

【図３】別の実施例を示す断面図である。

【図４】（ａ）は別の実施例を示す断面図、（ｂ）は底
面図である。

【図５】（ａ）は別の実施例を示す断面図、（ｂ）は上
面図である。

【図６】（ａ）は別の実施例を示す断面図、（ｂ）は上
面図である。

【図７】別の実施例を示す平面図である。

【図８】別の実施例を示す平面図である。

【図９】（ａ）は別の実施例を示す上面図、（ｂ）は断
面図、（ｃ）は底面図である。

【図１０】（ａ）は別の実施例を示す側面図、（ｂ）は
底面図である。

【図１１】（ａ）は別の実施例を示す上面図、（ｂ）は
断面図、（ｃ）は底面図である。

【図１２】別の実施例である平面図である。

【図１３】別の実施例である回路構成図である。

【図１４】力検出装置の構成を示す平面図である。

【図１５】別の実施例である回路構成図である。

【図１６】振幅特性を示す特性図である。

【図１７】別の実施例を示す平面図である。

【図１８】別の実施例を示す平面図である。

【図１９】同断面図である。

【図２０】（ａ）は第一の従来例を示す断面図、（ｂ）
は上面図である。

【図２１】回路図である。

【図２２】第二の従来例を示す構成図である。

【図２３】（ａ）は別の実施例を示す断面図、（ｂ）は
底面図である。

【符号の説明】

２０ 片持ち梁 ２１ 探針 ２２ 電気的検出手段 ２４ 両持ち梁 ２５ 導電性探針 ２６ 電気的配線 ２９ 電気的シールド電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−1949（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−309802（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−311702（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−147448（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−40311（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−162339（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−26807（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−196458（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−312562（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 1/00 - 1/26 G01B 7/28 G01B 21/30 G01N 13/12 G01N 13/16

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 梁の先端に設けられた導電性探針と、こ
   の導電性探針に電圧を印加するための電気的配線と、前
   記梁の曲がりを検出する電気的検出手段とを有する片持
   ち梁の前記導電性探針に加わる力を検出する力検出装置
   において、前記導電性探針への前記電気的配線を有する
   片持ち梁と前記電気的検出手段を有する片持ち梁とを梁
   先端の変位方向に対して垂直な同一平面内で各々別個に
   設け、それら同一平面内で別個に設けられた前記片持ち
   梁の先端を１つに結合したことを特徴とする力検出装
   置。
2. 【請求項２】 梁の先端に設けられた導電性探針と、こ
   の導電性探針に電圧を印加するための電気的配線と、前
   記梁の曲がりを検出する電気的検出手段とを有する片持
   ち梁の前記導電性探針に加わる力を検出する力検出装置
   において、前記導電性探針への前記電気的配線を有する
   片持ち梁と前記電気的検出手段を有する片持ち梁とを梁
   先端の変位方向に対して垂直な異なる平面に各々別個に
   設け、それら異なる平面で別個に設けられた前記片持ち
   梁の先端を１つに結合したことを特徴とする力検出装
   置。
3. 【請求項３】 梁の中心に設けられた導電性探針と、こ
   の導電性探針に電圧を印加するための電気的配線と、前
   記梁の曲がりを検出する電気的検出手段とを有する両持
   ち梁の前記導電性探針に加わる力を検出する力検出装置
   において、前記両持ち梁の一方の固定端から前記導電性
   探針までの梁上に前記電気的配線を有し、前記他方の固
   定端から前記導電性探針までの梁上に電気的検出手段を
   有するようにしたことを特徴とする力検出装置。
4. 【請求項４】 梁の中心に設けられた導電性探針と、こ
   の導電性探針に電圧を印加するための電気的配線と、前
   記梁の曲がりを検出する電気的検出手段とを有する両持
   ち梁の前記導電性探針に加わる力を検出する力検出装置
   において、前記導電性探針への前記電気的配線を有する
   両持ち梁と前記電気的検出手段を有する両持ち梁とを梁
   中心の変位方向に対して垂直な異なる平面に各々別個に
   設け、それら異なる平面で別個に設けられた前記両持ち
   梁の中心を１つに結合したことを特徴とする力検出装
   置。
5. 【請求項５】 梁の先端若しくは中心に設けられた導電
   性探針と、この導電性探針に電圧を印加するための電気
   的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的検出手段と
   を有する片持ち梁若しくは両持ち梁の前記導電性探針に
   加わる力を検出する力検出装置において、前記導電性探
   針に印加する電圧と等しい電圧を前記梁の曲がりを検出
   する電気的検出手段の基準電位に設定したことを特徴と
   する力検出装置。
6. 【請求項６】 梁の先端若しくは中心に設けられた導電
   性探針と、この導電性探針に電圧を印加するための電気
   的配線と、前記梁の曲がりを検出する電気的検出手段と
   を有する片持ち梁若しくは両持ち梁の前記導電性探針に
   加わる力を検出する力検出装置において、前記導電性探
   針に印加する電圧の低周波帯域の電圧を前記梁の曲がり
   を検出する電気的検出手段の基準電位に設定したことを
   特徴とする力検出装置。
7. 【請求項７】 導電性探針への電気的配線を有する片持
   ち梁若しくは両持ち梁における梁の剛性を、電気的検出
   手段を有する前記片持ち梁若しくは両持ち梁における梁
   の剛性よりも小さく設定したことを特徴とする請求項
   １，２，３又は４記載の力検出装置。
8. 【請求項８】 導電性探針及び電気的配線と、電気的検
   出手段との間の最短の距離を略１００μｍ以上としたこ
   とを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の力検出装
   置。