JP3522022B2 - 原子間力顕微鏡用力変位センサ付カンチレバー - Google Patents

原子間力顕微鏡用力変位センサ付カンチレバー

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寛 高橋
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【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面の微細な
構造を、試料表面とレバーとの間に働く力で検出すカン
チレバーに関するものであり、主に原子間力顕微鏡等に
使われる。
【０００２】
【従来の技術】従来、圧電体を使った力変位センサ付カ
ンチレバーには、レバーの変位に応じて圧電体の両端に
発生する電圧を検出する方法があった。カンチレバーの
構造は、図１の本発明と同じであるが、検出部４が異な
る。図２で検出部４について説明する。二つの電極６の
間に圧電体５をはさんだ構造である。レバー２の変位は
検出部４に伝わり、変位量に応じて、圧電体５の両端に
電圧Ｖが発生する。両電極でその電圧を外部に取り出し
カンチレバーの変位量とする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来方式で、変位に対
する電圧の大きさは、圧電体の誘電率、面積、膜厚によ
って変化する。誘電率は材料によって決まるため、大き
な感度を得るためには、膜厚を厚く、面積を大きくする
必要がある。しかし、現状の技術では膜厚を十分厚くす
ることができず、感度が小さくなる問題がある。また膜
厚を厚くしたり、面積をあまり大きくすると、カンチレ
バーとしての特性が変わり、実際の使用上問題となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は、検出部４に弾性表面波素子（ＳＡ
Ｗ）による共振器を使うことで、感度を向上させる。Ｓ
ＡＷは圧電体の表面付近に櫛形の電極を設け、表面近傍
に発生する弾性表面波を利用する素子である。櫛形電極
のピッチに応じて共振周波数が決まり、周波数変化に対
して高いＱ値を持つ。従って、カンチレバーの変位によ
る周波数の変化を、従来方法と比べて、大きな電圧変化
として検出することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明は、原子間力顕微鏡に用い
られるカンチレバーの検出部に、弾性表面波素子を取り
付けたものである。さらに、弾性表面波素子による共振
器を設けることもできる。なお、共振器とカンチレバー
の共振周波数は、ほぼ同じとすると良い。
【０００６】そして、レバーの一部にレバーを振動させ
るための励振部を設けることもできる。ＳＡＷの共振周
波数は櫛形電極のピッチに反比例し、音波の伝搬速度に
比例する。音波の伝搬速度は、圧電体の材料により決ま
る定数で、圧電体の変位に応じて変化する。従ってカン
チレバーの変位により圧電体表面の伝搬速度が変わり、
ＳＡＷの共振周波数が変化する。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を使って説明す
る。図１に本発明の第１実施例の構造を示す。図１
（ａ）が平面図、図１（ｂ）が断面図である。構造はＡ
ＦＭに一般的に使われている片持ち梁式のカンチレバー
である。構成は支持台３にレバー２の一端が固定され、
レバー２の一部に検出部４、レバー２の先端付近に針状
のチップ１が設けられている。原子間力顕微鏡に使用す
る場合には、チップ１の先端を試料表面に約10nm程度ま
で近付け、チップ先端と試料表面との間に働く力をレバ
ー２の変位として検出する。
【０００８】検出部４の構造を図３に示す。図３（ａ）
が平面図、図３（ｂ）が図３（ａ）のＡＡ’に沿った断
面図である。圧電体５の表面に櫛形電極９を設けたＳＡ
Ｗ共振器１２を構成している。共振器は周波数ｆｓの信
号を送る送信部７と、信号を受ける受信部８とからな
る。一般に共振周波数をｆ0，櫛形電極９のピッチを
ｄ，圧電体５の表面波の伝搬速度をｕとすると、ｆ0＝
ｕ／２ｄの関係が成り立つ。動作は送信部７に周波数ｆ
ｓの入力信号１０（Ｖｓ）を印加し、受信部８で伝送さ
れる電圧（Ｖ）をモニターする方法である。共振器の櫛
形電極９は形状やピッチにいろいろな種類があり、設計
により選択することができる。カンチレバーの検出感度
を上げるためには、入力信号１０の周波数（ｆｓ）をカ
ンチレバーの機械的な共振周波数とほぼ同じか、整数倍
にすることが望ましい。検出感度は下がるが、各々異な
る周波数で設計し、動作させることも可能である。ここ
では２つの動作方式について説明する。
【０００９】（実施例１）第１実施例は、送信部７、受
信部８の電極ピッチを変えて各々ｄ１，ｄ２とする。各
共振周波数はｆ０１、ｆ０２となる。受信部８の周波数
特性を図４（ａ）に示す。この例はｄ１＞ｄ２（ｆ０１
＜ｆ０２）の場合である。ｆ０１と同じ周波数ｆｓの入
力信号１０を印加し、受信部８の周波数特性の傾きが正
で、ピークの１／２付近にくるように設計し、動作点１
３を設定する。圧電体５に変位がない時は、伝搬速度ｕ
が変化しないため、送信周波数ｆ０１も変化しない。次
に変位が生じると伝搬速度ｕが変位に応じてｕ±△ｕに
変化する。その結果、受信部８に伝送される周波数がｆ
０１±△ｆ変化するため、受信電圧ｖも同様に変化す
る。
【００１０】（実施例２）第２実施例の特性を図４
（ｂ）に示す。電極ピッチｄは送信部７、受信部８で同
じにする（ｄ１＝ｄ２，ｆ０１＝ｆ０２）。動作点１３
は、ｆ０２より小さい周波数ｆｓの入力信号１０（Ｖ
ｓ）を印加し、受信部８の周波数特性の傾きが正で、ピ
ークの１／２付近にくるように設定する。他の動作は、
第１実施例と同じである。
【００１１】第１実施例は送信部７が共振周波数で動作
するため、入力信号１０の送信部での減衰が小さいが、
最初に送受信部の電極ピッチ（ｄ１，ｄ２）を設計して
おく必要がある。第２実施例は電極間距離を同じに設計
するため、設計は容易であるが、送信部での信号の減衰
が大きくなる。また、ここでは正の傾きの部分を使用し
たが、負の部分を使っても出力１１の変化が反対になる
だけで、変位検出は可能である。
【００１２】ＡＦＭの測定には、カンチレバーの動作モ
ードとして大きく２つの種類がある。一つはカンチレバ
ーを固定したままで測定する固定モードで、もう一つは
カンチレバーを共振周波数付近で一定の振動をさせなが
ら測定する励振モードである。これまで説明してきた第
１実施例、第２実施例は、どちらのモードにも使える。
励振モードの場合には、受信部８のみで信号の検出が可
能となり、送信部７と入力信号１０をなくすことができ
る。
【００１３】（実施例３）次に第３実施例を図５に示
す。受信部８の櫛形電極９のみを大きくした構造であ
る。つまり、カンチレバーが機械的に振動しているた
め、圧電体５に振動周波数に対応した変位が生じる。従
ってその変位をＳＡＷで検出すれば、カンチレバーの変
位が測定できる。この際電極のピッチは、動作点を図４
（ａ）と図４（ｂ）と同様にカンチレバーの共振周波数
ｆ０が、受信部８の周波数特性の傾きが正で、ピークの
１／２付近にくるように設定する。またこの場合も傾き
負の動作点でも検出は可能である。
【００１４】以上本発明のＳＡＷ共振器１２をカンチレ
バーの変位検出に使う方法は、ＳＡＷが高いＱ値を持つ
ため、高感度な信号検出が可能となる。振動モードでの
動作に関しては、ＳＡＷの共振周波数をカンチレバーの
共振周波数とほぼ同じにすることが望ましいが、異なる
場合でも動作可能で、各々独立に設計することもでき
る。
【００１５】（実施例４）ＡＦＭにおける励振モード動
作は、カンチレバーの外部から励振を行なうのが一般的
であるが、励振部１４を圧電体を使ってカンチレバー内
部に集積化することも可能である。第４実施例として励
振部１４を含むカンチレバーの構造を図６（ａ）に示
す。図２の従来方式の検出部４と同様の構造をしてお
り、動作は外部から励振信号１５を圧電体５に印加して
レバー２を振動させる。図６（ａ）では励振部１４を検
出部４と反対側の面に設置しているが、同じ側や、検出
部４に積層する構造も可能である。この構造により自己
励振、自己検出のカンチレバーが構成される。励振や変
位検出には、いくつかの方法があるが、カンチレバーと
ＳＡＷの共振周波数をほぼ同じに設計して、カンチレバ
ーの共振周波数で励振する方法が、最も感度がよくな
る。
【００１６】ここまで、レバー２の長さ方向の変位を検
出するため、検出部４の送信部７、受信部８をレバー２
の長さ方向に配置した例を述べてきた。検出部４の配置
はこれ以外にもいくつかの方法がある。 （実施例５）第５実施例として検出部４をレバー２の長
さ方向と垂直に配置して、レバー２の垂直方向の変位
（ねじれ）を測定する方法を図７に示す。構成は図１の
第１実施例と同じである。
【００１７】（実施例６）第６実施例として図８にレバ
ー２の長さ方向の変位と、ねじれ変位とを両方同時に検
出できる方法を示す。検出部４は送信部７と、２つの受
信部８が平行に配置されている。共通の送信部７から送
られてきた信号は、各々２つの受信部８で検出する。こ
こで２つの受信部８の信号の和と差をオペアンプ等で分
離すると、和が長さ方向の変位で、差がねじれ変位とな
る。
【００１８】レバー２の形状もいくつかの種類があり、
ここまでは矩形で板状のものを説明したが、レバーの設
計に応じて他の形状でも製作可能である。図９は板状の
レバーの中心部分をなくしＵ字型にしたものである。図
１０はレバー２をＶ型にしたものである。図９、図１０
ともねじれ変位を検出するには適した形状である。検出
部４は特に記入していないが、矩形の場合と同様に配置
が可能である。
【００１９】本発明の力変位センサ付カンチレバーの製
作は、薄膜や、バルク材料を用いて、通常使われている
カンチレバーの製作方法で可能である。支持台３やレバ
ー２の材料としては、一般的に使われているＳｉ，ガラ
ス等の平坦な基板や、圧電体のバルク、セラミック材料
等がある。検出部４の圧電体５の例としては、ＺｎＯ，
ＡｌＮ，ＰＺＴ，ＰＬＺＴ，水晶，ＬｉＮｂＯ3，Ｌｉ
ＴａＯ3等がある。これらの材料は、薄膜やバルク材料
の状態で使用可能である。薄膜の場合には、スパッタ、
蒸着、ＣＶＤ等の方法で堆積を行なう。バルク材料を使
う場合には、レバー２と検出部４の圧電体５を共通にす
ることもでき、レバーの圧電体表面に櫛形電極を設ける
ことで検出部が形成できる。電極６、櫛形電極９は主に
Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ
等を含む金属類や、Ｓｉ等の半導体にＰ，Ｂ等の不純物
をドーピングしたもので製作可能である。薄膜のパター
ン形成はフォトリソグラフィー工程で容易に可能であ
る。
【００２０】検出部４のＳＡＷとして、ここでは共振器
の例について述べたが、ＳＡＷは共振器以外にも発振器
や演算回路等いろいろな機能素子が構成できることか
ら、さらに高機能なセンサをカンチレバーに集積化する
ことも可能である。本発明のカンチレバーはＡＦＭ以外
にも、チップ１に導伝電性を持たせることで、ＳＴＭや
加工等の応用にも使える。またチップ１表面に磁性体を
コートすることで、微少領域の磁気を検出することもで
きる。またレバー２の構造を変えることで、圧力等のＡ
ＦＭ以外の用途にも応用可能である。
【００２１】
【発明の効果】本発明はカンチレバーの変位検出に、Ｑ
値の高い周波数特性をもつＳＡＷを使うことにより、従
来の電荷検出に比べ、より高感度な検出を可能にする。
特に励振モードでは、励振周波数と、カンチレバーの共
振周波数、ＳＡＷの共振点をほぼ同じ値に設定すること
で、特徴がより生かされ高感度化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカンチレバーを示す図面であり、
（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。
【図２】従来の検出部の断面図である。
【図３】本発明の検出部の図であり、（ａ）が平面図、
（ｂ）が断面図である。
【図４】本発明の検出方法を説明する図面であり、
（ａ）が第１実施例の動作特性、（ｂ）が第２実施例の
動作特性である。
【図５】本発明第３実施例の検出部の平面図である。
【図６】本発明第４実施例のカンチレバーを示す図面
で、（ａ）がカンチレバーの断面図、（ｂ）が励振部の
断面図である。
【図７】本発明の第５実施例を示す平面図である。
【図８】本発明の第６実施例を示す平面図である。
【図９】本発明でレバー形状がＵ字の場合の構造を示し
た図である。
【図１０】本発明でレバー形状がＶ字の場合の構造を示
した図である。
【符号の説明】
１ チップ ２ レバー ３ 支持台 ４ 検出部 ５圧電体 ６ 電極 ７送信部 ８ 受信部 ９ 櫛形電極 １０ 入力信号 １１ 出力 １２ ＳＡＷ共振器 １３ 動作点 １４ 励振部 １５ 励振信号
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−181035（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−169924（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−61912（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−258072（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−42909（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−248810（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72504（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−109561（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−296713（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−71952（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−130013（ＪＰ，Ａ) Ｓ． Ｊ． Ｍａｒｔｉｎ， Ｒ． Ｌ． Ｇｕｎｓｈｏｒ， ａｎｄ Ｒ. Ｆ． Ｐｉｅｒｒｅｔ，”Ｕｎｉａｘ ｉａｌｌｙ Ｓｔｒａｉｎｅｄ ＺｎＯ ／ＳｉＯ２／Ｓｉ ＳＡＷ Ｒｅｓｏｎ ａｔｏｒｓ” ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，1982年11月25日, 第18巻、第24号，ｐ．1030−1031 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 H01L 41/00 - 41/26 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一端が支持体に固定されている片持ち梁構
    造のレバーと、該レバーに機械的に接続されたチップ
    と、前記レバーの変位を検出する検出部として櫛型の電
    極を備えたＳＡＷ共振器からなり、該ＳＡＷ共振器は、
    送信部と、該送信部が発する信号を受信する受信部とを
    有し、前記送信部と前記受信部が前記レバーの長さ方向
    と垂直に配置されたことを特徴とする原子間力顕微鏡用
    力変位センサ付カンチレバー。
  2. 【請求項２】一端が支持体に固定されている片持ち梁構
    造のレバーと、該レバーに機械的に接続されたチップ
    と、前記レバーの変位を検出する検出部として櫛型の電
    極を備えたＳＡＷ共振器からなり、該ＳＡＷ共振器は、
    送信部と、該送信部が発する信号を受信する受信部とを
    有し、該受信部は、前記送信部に対して前記レバーの長
    さ方向に配置される第１の受信部と、該第１の受信部に
    対して前記レバーの長さ方向と平行に配置される第２の
    受信部とを有することを特徴とする原子間力顕微鏡用力
    変位センサ付カンチレバー。
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WO2012153739A1 (ja) * 2011-05-10 2012-11-15 インサイト株式会社 プローブおよびそれを備えた測定装置
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Ｓ． Ｊ． Ｍａｒｔｉｎ， Ｒ． Ｌ． Ｇｕｎｓｈｏｒ， ａｎｄ Ｒ． Ｆ． Ｐｉｅｒｒｅｔ，"Ｕｎｉａｘｉａｌｌｙ Ｓｔｒａｉｎｅｄ ＺｎＯ／ＳｉＯ２／Ｓｉ ＳＡＷ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ" ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９８２年１１月２５日，第１８巻、第２４号，ｐ．１０３０−１０３１

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