JP3953958B2 - 走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置 - Google Patents
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Description
本発明は走査プローブ顕微鏡の分野に関する。より具体的には、本発明は独立クレーム
に開示された走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置に関する。
微細加工され、探針先端部が取付けられたカンチレバーは、たとえば原子間力顕微鏡(AFM)といった走査プローブ顕微鏡(SPM)の主な構成部品の1つである。SPMの測定モードはいわゆる「動的」モードである。このモードでは、探針先端部を試料表面に接近させ、カンチレバーをその共振周波数に近い周波数で振動させる。他の測定モード、たとえばいわゆる「タッピング」または間欠コンタクトモードでは、探針先端部を、カンチレバーが振動しているときに、表面に接触させる。試料を走査する間に、探針先端部と試料表面の特徴との間の距離が変動する。この変動が、探針先端部と表面との間の、たとえばファンデルワールス力といった相互作用力の勾配の変化を引き起こす。結果として生じる、カンチレバーの機械的特性、たとえば共振周波数、位相、振動振幅およびQ値の変化を、たとえば偏光検出システムといった外部システムを用いて検出する。通常、カンチレバーと試料表面との間の距離をフィードバックシステムによって制御して固有の特性を一定値に保つ。
本発明の作動および検知装置は、たとえば音叉といった、2つのピンを有するフォーク状の装置と、探針先端部を備えた接続手段とを含み、探針先端部は、この接続手段を介してフォーク状の装置の上記2つのピン双方に接続される。このフォーク状の装置は、振動する機械的共振器として使用される。ピンの運動は、上記接続手段を介して、探針先端部の運動に変換され、この探針先端部の運動面は、ピンの運動面と異ならせることができる。作動および検知装置は、好ましくは、たとえば原子間力顕微鏡といった走査プローブ顕微鏡(SPM)において用いられる。
。接続手段、探針先端部および音叉が対称的に配置されていることにより、カンチレバーの完全な対称性が保たれる。このことは、音叉のQ値を高めるだけでなく、探針先端部の運動を単純にする、すなわち、3つのうち1つの自由度が制限されるため探針先端部は面において運動する。
より低い。実験的構成でのばね定数の典型的な値は、0.03−80N/mの範囲にあり、好ましくは0.04−30N/mの範囲にあり、たとえば0.07N/mである。これは、従来技術の音叉共振器の2kN/m近辺の値より遥かに低い。これはまた、従来のシリコンカンチレバーの典型的なばね定数の値1−100N/mよりも低い。本発明のカンチレバーシステムはしたがって、従来技術のカンチレバーよりも遥かに軟らかい、すなわち、探針先端部は、たとえば動作中の損傷の頻度が低い。
好ましい実施例の説明
図1は、SPM応用例において使用される、従来技術の音叉1の2つの例を示す。探針先端部2は、音叉1のピンの一方に、図面左側に示すように音叉に垂直に、または図面右側に示すように音叉に平行に固定される。探針先端部2は、音叉に直に結合され、常にピンと同方向に運動する。後者の場合、探針先端部の運動は試料表面8にほぼ平行である。
端部32が、xy面から出るように変形する。そのため、探針先端部の運動は、作動装置の側面図である図3の上部分からわかるように、主としてxz面で行なわれる。もし、たとえばAC電気信号が圧電音叉共振器31に与えられたとすると、2つのピンは逆位相で共振し、取付けられている板ばね33を変形させる。この場合、探針先端部32は、音叉の振動方向と同一方向には運動しない。好ましくは、板ばね33の振動周波数は、音叉共振器31の共振周波数と同一である。しかしながら、これはユーザの要求に応じて選択可能である。
ム101を用いて、光信号がたとえばフォトダイオード100を用いて検出される。この信号は、基準位置に対する板ばねの位置の変化のために偏向する。この偏向測定は、好ましくは、たとえば板ばね93の後ろ側から反射するレーザビーム99といった光信号によって行なわれ、板ばねの位置の変化によって、光ビームが異なる方向に偏向する。
がら
、さらなる接続点の非対称の配置、したがって非対称接続手段も選択することができ、また、第1の接続点に結合されたさらなる接続点を選択することができる。
Claims (16)
- 走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置であって、2つのピン(46、76、106、206、306)を有する音叉(21、31、41、61、81、91、201)と、探針先端部(22、32、42、62、82、202、302)を有する接続手段とを含み、
探針先端部(22、32、42、62、82、202、302)は、前記接続手段を介して音叉(21、31、41、61、81、91、201)の前記2つのピン(46、76、106、206、306)双方に接続される、走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置。 - 前記接続手段は、該接続手段の対称軸である規定軸を備えた形状を有し、前記対象軸は、音叉(21、31、81、201)の対称軸上に配置されるまたは平行である、請求項1に記載の作動および検知装置。
- 前記接続手段は、該接続手段の対称軸である規定軸を備えた形状を有し、前記対称軸は音叉(41、61)の対称軸に垂直である、請求項1に記載の作動および検知装置。
- 探針先端部(62、82、202、302)が向く方向は、前記接続手段の対称軸に平行である、請求項2または3に記載の作動および検知装置。
- 探針先端部(22、32、42、202、302)が向く方向は、前記接続手段の対称軸に垂直である、請求項2または3に記載の作動および検知装置。
- 探針先端部の、音叉(21、31、41、61、81、91、201)の2つのピン(46、76、106、206、306)への前記接続に加え、さらなる接続点(209、309)を特徴とし、このさらなる接続点で、探針先端部(22、32、42、202、302)は前記接続手段を介して音叉(21、31、41、61、81、91、201)に接続される、請求項1または2に記載の作動および検知装置。
- 探針先端部の、音叉(21、31、41、61、81、91、201)の2つのピン(46、76、106、206、306)への前記接続に加え、さらなる接続点(209、309)を特徴とし、このさらなる接続点で、探針先端部(22、32、42、202、302)は前記接続手段を介して音叉(21、31、41、61、81、91、201)に接続される、請求項1または3に記載の作動および検知装置。
- 前記さらなる接続点(209、309)は、作動および検知装置へのまたは作動および検知装置からの外部信号の結合のための結合手段として使用され、前記外部信号は音叉(21、31、41、61、81、91、201)の駆動信号から独立したものである、請求項6または7に記載の作動および検知装置。
- 音叉(21、31、41、61、81、91、201)の運動は、前記接続手段を用いて探針先端部(22、32、42、62、82、202、302)の運動に変換される、請求項1から8のいずれかに記載の作動および検知装置。
- 音叉(21、31、41、61、81、91、201)のピン(46、76、106、206、306)の運動面は、探針先端部(22、32、42、62、82、202、302)の運動面と異なる、請求項9に記載の作動および検知装置。
- 前記接続手段は、該接続手段の対称軸または対称面に関して対称である、請求項1から10のいずれかに記載の作動および検知装置。
- 前記接続手段はU字型またはV字型である、請求項11に記載の作動および検知装置。
- 前記接続手段および探針先端部(22、32、42、62、82、202、302)は同じ材料を含む、請求項1から12のいずれかに記載の作動および検知装置。
- 前記接続手段はばね手段(23、33、43、63、83、93、103、203、303)である、請求項1から13のいずれかに記載の作動および検知装置。
- ばね手段は、板またはリーフばね(23、43、103、203、303)、固体材料であって弾性を有するワイヤまたはストリップ(63、83)である、請求項14に記載の作動および検知装置。
- 板ばね(23、43、103)の全長は150−650μmであり、前記板ばねの2つの脚(25、35)の幅wは30−100μmであり、これらの脚(25、35)の各々は、音叉(21、31、41、91)のピン(46、106)に取付けられる、請求項15に記載の作動および検知装置。
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