JP4209891B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
(1)プローブがフォーク型水晶振動子に接着固定されているため、温度などの環境変化により固定状態が大きく変化する。また、接着剤の量や接着方法により固定部の状態を一定に保つことが困難である。その結果、プローブの振幅やQ値などの振動パラメータが変化したり、力検出における検出特性が変化し、制御が不安定となる。
(3)フォーク型水晶振動子の一方の側面の長手方向とプローブの軸方向が平行に固定されるため、プローブと振動子の接触面積が大きくなる。接触面積が大きくなると、取付状態の再現性が困難となり、プローブの振幅やQ値などの振動パラメータや力検出における検出特性のばらつきが大きくなる。
他方は変化しないため、合成した出力は、直接に力を反映したものにはならない。この出力をZサーボのフィードバック信号として使用した場合、プローブとサンプルの距離を正確に制御できないという欠点があった。
(1)温度などの環境変化や接着剤の量や接着方法によらず固定部の状態を一定に保ち、安定した振動特性や検出特性が得られるような走査型プローブ顕微鏡を提供する。
(2)検出用圧電素子の再利用が可能なような走査型プローブ顕微鏡を提供する。
(3)プローブの振幅やQ値などの振動パラメータのばらつきや、力検出における検出特性のばらつきが小さくなるような検出用圧電素子とプローブの固定方法を提供する。
(4)サンプルから受ける力を直接反映した出力信号を出す検出用圧電素子を得ることで、プローブとサンプルの距離を正確に制御する走査型プローブ顕微鏡を提供する。
(2)プローブ自体の弾性を利用して、プローブと検出用圧電体との接合を行うようにした。この場合、プローブの先端がサンプル面に対して垂直になるようにプローブと検出用圧電体との取付角度を規定した取付部をプローブホルダに設けた。
(3)プローブの軸方向と検出用圧電体の梁の長手方向を概平行に接合する場合に比べて、プローブとフォーク型水晶振動子の接合部の接触面積が小さくなるようにプローブに対してフォーク型水晶振動子を接合面内で傾けて配置した。
(4)1本の振動体を有する圧電体の梁により検出用圧電体を構成した。
(1)先端が探針状に加工されたプローブと、励振用圧電体と交流電圧発生手段からなる励振部と、検出用圧電体と電流電圧増幅回路からなる振動検出部と、プローブおよび励振用圧電体および検出用圧電体を保持するためのプローブホルダと、プローブをサンプルに接近させる粗動機構と、Z軸微動素子とZサーボ回路からなるサンプルとプローブ間の距離制御手段と、XY微動素子とXY走査回路
からなる2次元走査手段と、測定信号の3次元画像化を行うデータ処理手段とからなる走査型プローブ顕微鏡において、プローブと検出用圧電体の接合を板バネなどの弾性体のバネ圧やプローブ自体の弾性を利用して行うようにした。
さらに、プローブ自体の弾性を利用して、プローブと検出用圧電体との接合を行う場合、プローブの先端がサンプル面に対して垂直になるようにプローブと検出用圧電体との取付角度を規定した取付部をプローブホルダに設けた。
さらに、本発明では、プローブの軸方向と検出用圧電体の梁の長手方向を概平行に接合する場合に比べて、プローブと検出用圧電体の接合部の接触面積が小さくなるようにプローブに対して検出用圧電体を接合面内で傾けて配置した。
この結果、サンプルから受ける力を直接反映した出力信号を出す検出用圧電体が得られ、プローブとサンプルの距離を正確に制御することが可能となった。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、先端が探針状に加工されたプローブ1と、励振用圧電体2と交流電圧発生手段からなる励振部と、検出用圧電体3と電流電圧増幅回路からなる振動検出部と、プローブおよび励振用圧電体および検出用圧電体を保持するためのプローブホルダ4と、プローブをサンプルに接近させる粗動機構8と、Z軸微動素子7aとZサーボ回路からなるサンプルとプローブ間の距離制御手段と、XY微動素子7bとXY走査回路からなる2次元走査手段と、測定信号の3次元画像化を行うデータ処理装置とから構成される。
このようにセットされた、プローブ1を励振用圧電体2により、検出用圧電体3とともに、サンプル表面と平行に振動させながらサンプル5に接近させると、シアフォースがプローブに作用し、プローブの振動振幅が減少する。プローブ1と検出用圧電体3は接合され一体として動作するため、プローブ1の振動振幅の減少は検出用圧電体3の振幅の減少となる。この振幅の減少は検出用圧電体3の出力電流を減少させる。出力電流は電流電圧増幅回路で検出され、検出用圧電体3の出力電流の変化量が一定になるように、Z軸微動素子7aとZサーボ回路によりサンプル5とプローブ1間の距離を制御する。このような状態でプローブ1をサンプル面上で2次元走査し、サンプルの形状を測定する。この測定信号をもとに、ータ処理装置で3次元画像を得るようにした。
1のプローブホルダ部の正面図を図2に、図2の右側面図を図3に示す。
本実施例では、走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型近接場顕微鏡に使用される光ファイバーの先端を探針状に加工したストレート型のプローブを使用した。
検出用圧電体3はプローブ1の軸方向と、検出用圧電体3の梁の長手方向を一致させて接合する場合に比べて接合部の面積が小さくなるように、プローブ1の軸に対して、45度程度傾けられ、プローブ1を保持用治具6により固定部に固定した場合にプローブ1の先端部と検出用圧電体3が交差するよう配置した。なお、プローブ1と検出用圧電体3の接触面内での角度はプローブ1の軸方向と、検出用圧電体3の長手方向を概平行状態で接合する場合に比べて接合部の面積が小さくなるような状態であれば任意に設定できる。
ここで、図11の模式図を用いて、プローブの取付方法と押圧の関係を説明する。
ここで、固定端Aから長さlの部分をΔωだけ撓ませて、B点において接触させた場合、B点に掛かる押圧Pは式(1)となる。
ここで、Eはプローブの材質のヤング率、Iはプローブの中立軸に関する断面二次モーメントである。
また、aとαの関係はαが微小な場合、式(2)となる。
a=lα/3 (2)
本実施例では、プローブの材料を石英ガラス製の光ファイバーとした。光ファイバーのヤング率Eと直径dをそれぞれ、E=6.9×1010Pa、直径d=125×10-6mとする。ここで、 長さlをl=14.5×10-3mに設定し、式(1)、式(2)より、a、α、Pをそれぞれ、a=8 ×10-4m、α=0.17 rad(9.5deg)、P=1.30mNに設定した。
さらに、サンプルに対してプローブ先端が垂直でない場合には走査型近接場顕微鏡の光学像やシアフォースを利用した表面形状の分解能が低下するが、サンプルに対してプローブが垂直に設置されるため、分解能の低下が防止される。
本実施例では弾性体のバネ圧のみで接合を行ったが、外乱によるずれを防止するため、バネ圧に加えて補助的に接着剤で接合することも考えられる。接着力の弱いものを用いれば、接合状態はバネ圧に依存するため、接着剤に影響は少ない。さらに、接着力を弱くすれば、検出用圧電体から取り外しも可能となり繰り返し使用も可能である。
図4は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の第2の実施例のプローブホルダ部の正面図、図5は図4のA−A線断面図である。
検出用圧電体3はプローブ1の軸方向と、検出用圧電体3の梁の長手方向を一致 させて接合する場合に比べて接合部の面積が小さくなるように、プローブ1の軸に対して、45度程度傾けられ、プローブ1を保持用治具6により固定部9aに固定した場合にプローブ1の先端部と検出用圧電体3が交差するように配置される。
本実施例の場合にも、固定に接着を用いないため、温度などの環境変化による固定部の状態変化を防ぐことができ、また接着剤の量や接着方法による固定状態のばらつきを押さえることが可能となった。その結果、プローブの振幅やQ値などの振動パラメータの変化や、力検出における検出特性の変化を防止できた。また、検出用圧電体は繰り返し使用が可能である。
図6に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第3の実施例のプローブホルダ部の正面図を、図7に図6の右側面図を示す。
本実施例でも、先の実施例と同様に、光ファイバーの先端を探針状に加工したストレート型のプローブを使用し、また、検出用圧電体として、棒状に加工した水晶を使用し、励振用圧電体には、平板状に加工したPZTを使用した。励振用圧電体2はホルダ本体に接着固定され、更に検出用圧電体3は励振用圧電体2に接着固定される。なお、励振用圧電体2と検出用圧電体3は電気的に絶縁されている。
検出用圧電体3はプローブ1の軸方向と、検出用圧電体3の梁の長手方向を一致させて接合する場合に比べて接合部の面積が小さくなるように、プローブの軸に対して、45度程度傾けられ、プローブ1を保持用治具6により固定部11aに固定した場合にプローブ1の先端部と検出用圧電体3が交差するよう配置される。
本実施例の場合、先の実施例とは異なり、検出用圧電体3の再利用が困難になったり、接着接合のため、温度などの環境変化を受けやすく、また、接合部12の接着状態のばらつきが多くなってしまうが、プローブの軸方向と検出用圧電体の梁の長手方向を概平行に接着固定する従来技術に比べ、検出用圧電体を接合面内で斜めに配置した効果により、接合部の面積が小さくなり、そのため、接合状態のばらつきが少なくなる効果がある。
本実施例は、基本的に図2と同様の装置構成で、同じ原理によりプローブ1と検出用圧電体3が接合されるが、プローブの取付角度を微調整できる機構を取り付けた。プローブ取付用の治具固定部14がホルダ本体13に枢着され、固定部14とホルダ本体13の間にくさび型の部材15を入れる。くさび型部材15を送りネジ機構(図示せず)で挿入することにより、プローブの取付角度が可変となり、サンプルに対するプローブ先端の角度の微調性が可能となる。
また、検出用圧電体の材料としては水晶のほか、PZTなどの圧電性を有するほかの材料で形成された圧電体も本発明に含まれる。また、形状も断面が長方形の梁に限らず、断面が三角形や丸形のものなど任意の断面を有する梁や、フォーク型水晶振動子、バイモルフ型圧電素子、弾性部材に圧電薄膜を貼り付けた任意形状の検出装置なども考えられ、いずれも本発明に含まれる。さらに、検出用圧電体と励振用圧電体を一体化することも考えられる。
従来のフォーク型水晶振動子を用いた方法では、プローブと接合している振動片16aは、プローブを介してサンプルからの力を受け振動振幅が減少するが、他方の振動片16bは元の振動状態を維持し、2本の振動片の振動状態は全く異なり、一方は力を検出して変化するが他方は変化しないため、合成した出力は、直接に力を反映したものにはならなかった。
性プローブとしたものも考えられ、いずれも本発明に含まれる。
2 励振用圧電体
3 検出用圧電体
4 プローブホルダ
5 サンプル
6 プローブ保持用治具
7 XYZ微動素子
8 粗動機構
9 プローブホルダ
10 板バネ
11 プローブホルダ
12 接着部
13 プローブホルダ
14 治具固定部
15 くさび型部材
16 フォーク型水晶振動子
Claims (7)
- 先端が探針状に加工されたプローブと、
励振用圧電体と交流電圧発生手段からなる励振部と、
検出用圧電体と電流電圧増幅回路からなる振動検出部と、
前記プローブおよび前記励振用圧電体および前記検出用圧電体を保持するためのプローブホルダと、
前記プローブをサンプルに接近させる粗動機構と、
Z軸微動素子とZサーボ回路からなる前記サンプルと前記プローブ間の距離制御手段と、
XY微動素子とXY走査回路からなる2次元走査手段と、
測定信号の3次元画像化を行うデータ処理装置と、からなる走査型プローブ顕微鏡において、
前記プローブの軸方向と前記検出用圧電体の梁の長手方向を概平行に接合する場合に比べて、前記プローブと前記検出用圧電体の接合部の接触面積が小さくなるように前記プローブに対して前記検出用圧電体を接合面内で傾けて配置し、前記プローブと前記検出用圧電体との接合を接着により行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 前記検出用圧電体がフォーク型水晶振動子である請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記検出用圧電体が1本の振動体を有する梁であることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記振動検出部を構成する部材の一部または全部が圧電性を有する部材を使用した請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記検出用圧電体が前記励振用圧電体を兼ねることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡
- 前記プローブが先端を探針状に加工したストレート型の光ファイバープローブであることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記プローブが先端を探針状に加工したベント型の光ファイバープローブであることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
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