JP5632131B2 - Method of vibrating cantilever for scanning probe microscope and scanning probe microscope using the method - Google Patents

Method of vibrating cantilever for scanning probe microscope and scanning probe microscope using the method Download PDF

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Description

本発明は、先端に探針を有するカンチレバーを振動させ、サンプル表面に働く相互作用を検出して距離制御を行いながら、探針とサンプルを相対的にスキャンし、サンプルの表面の形状や物理特性の測定、サンプル表面の加工、あるいは、探針によるサンプル表面の物質の移動などを行うための走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法ならびにその方法による走査型プローブ顕微鏡に関するものである。   The present invention oscillates a cantilever having a probe at the tip, detects the interaction acting on the sample surface, performs distance control, relatively scans the probe and the sample, and shapes and physical characteristics of the sample surface The present invention relates to a method for exciting a cantilever for a scanning probe microscope and a scanning probe microscope using the method for measuring the above, processing a sample surface, or moving a material on the sample surface with a probe.

図7をもとに従来の振動方式の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する(特許文献1参照)。   Based on FIG. 7, the structure of a conventional vibration-type scanning probe microscope will be described (see Patent Document 1).

従来の走査型プローブ顕微鏡は三軸微動機構102の上に液中セル101を載置し、液中セル101の内部に溶液を満たし、サンプル103がセットされている。   In a conventional scanning probe microscope, a submerged cell 101 is placed on a three-axis fine movement mechanism 102, the solution is filled in the submerged cell 101, and a sample 103 is set.

サンプルに対向する位置には先端に探針を有するカンチレバー106が配置される。   A cantilever 106 having a probe at the tip is disposed at a position facing the sample.

カンチレバー106が保持されるカンチレバーホルダは、ベース部104に絶縁体109を介して圧電素子110が固定されて、さらに絶縁体109を介して保持ブロック108が固定されている。保持ブロック108にはカンチレバー106が着脱可能にカンチレバー押え107により固定されている。カンチレバー106と保持ブロック108の一部およびカンチレバー押え107は溶液中に浸かった状態である。   In the cantilever holder for holding the cantilever 106, the piezoelectric element 110 is fixed to the base portion 104 via the insulator 109, and the holding block 108 is fixed via the insulator 109. A cantilever 106 is detachably fixed to the holding block 108 by a cantilever presser 107. The cantilever 106, a part of the holding block 108, and the cantilever presser 107 are immersed in the solution.

カンチレバーホルダ104の上方にはレーザとディテクタより構成される光てこ方式の変位検出機構114が配置されている。また、ベース部104にはカンチレバー106の上方に位置するようにガラス板111が固定されている。このガラス板111を液面に接した状態にすることで、液面の揺れを抑えて前記変位検出機構114のレーザ光が液面で散乱することなく液中と空気中の間で入出射可能となる。   Above the cantilever holder 104, an optical lever type displacement detection mechanism 114 composed of a laser and a detector is disposed. A glass plate 111 is fixed to the base portion 104 so as to be positioned above the cantilever 106. By bringing the glass plate 111 into contact with the liquid surface, the liquid surface can be prevented from shaking and the laser beam of the displacement detection mechanism 114 can enter and exit between the liquid and the air without being scattered on the liquid surface. .

以上のように構成された装置を用いた走査型プローブ顕微鏡の測定方法を説明する。加振機構として作用する圧電素子110によりカンチレバー106を1次の共振周波数近傍で加振しながら変位検出機構114によりカンチレバー106の振幅や位相を計測し、カンチレバー106の探針にサンプル103を近接させていく。そうするとサンプル103と探針間には、原子間力などの物理的な力が作用し、さらに近接していくとサンプル103と探針がカンチレバー106の振動に対応して間欠的に接触し、両者に接触力が作用する。この原子間力や接触力により、カンチレバー106の振幅や位相または共振周波数が変化する。これらの変化量は、探針とサンプル間の距離に依存するため、カンチレバーの振幅や位相または共振周波数の変化量が常に一定になるように、探針とサンプル間の距離を三軸微動機構102で制御することで高さ方向の距離制御が行われる。さらに三軸微動機構102によりサンプル101面内で探針3をラスタスキャンすることでサンプル表面の形状像を測定することが出来る。   A measurement method of the scanning probe microscope using the apparatus configured as described above will be described. The displacement detection mechanism 114 measures the amplitude and phase of the cantilever 106 while the cantilever 106 is vibrated in the vicinity of the primary resonance frequency by the piezoelectric element 110 acting as an excitation mechanism, and the sample 103 is brought close to the probe of the cantilever 106. To go. Then, a physical force such as an atomic force acts between the sample 103 and the probe, and the sample 103 and the probe come into intermittent contact in response to the vibration of the cantilever 106 as they come closer to each other. The contact force acts on. Due to the interatomic force or contact force, the amplitude, phase, or resonance frequency of the cantilever 106 changes. Since the amount of change depends on the distance between the probe and the sample, the distance between the probe and the sample is set to the three-axis fine movement mechanism 102 so that the amount of change in the amplitude and phase of the cantilever or the resonance frequency is always constant. By controlling with, distance control in the height direction is performed. Furthermore, the shape image of the sample surface can be measured by raster scanning the probe 3 within the surface of the sample 101 by the triaxial fine movement mechanism 102.

振動方式の原子間力顕微鏡の場合には先に述べた1次の共振周波数近傍で加振を行う方法のほか2次以上の高次の共振周波数近傍で加振を行いながら測定を行う方法もある。高次の振動モードの場合、振動モードごとの特徴を活かした測定に応用されている。例えばカンチレバーの長軸周りにねじり振動をおこなう振動モードの場合には、測定中のサンプルと探針の距離をほぼ一定に保つことが可能という特徴がある。   In the case of the vibration type atomic force microscope, in addition to the method of performing excitation near the first-order resonance frequency described above, there is also a method for performing measurement while exciting near the second-order or higher-order resonance frequency. is there. In the case of higher-order vibration modes, it is applied to measurements that take advantage of the characteristics of each vibration mode. For example, in the case of a vibration mode in which torsional vibration occurs around the long axis of the cantilever, there is a feature that the distance between the sample being measured and the probe can be kept substantially constant.

走査型プローブ顕微鏡の測定を行う場合にはサンプルの種類や測定手法、測定したい物理量によりさまざまな形状や特殊機能を付加したカンチレバーが市販されており、最適なものを選択してカンチレバーホルダにセットして使用される。   When measuring with a scanning probe microscope, cantilevers with various shapes and special functions are commercially available depending on the sample type, measurement method, and physical quantity to be measured. Select the most suitable cantilever and place it in the cantilever holder. Used.

図7で説明した液中で測定を行う場合のほか、空気中や真空中などでも走査型プローブ顕微鏡の測定が行われる。この場合の装置構成や測定方法は図7と概ね同じであるが、空気中測定の場合には図7において液中セル101やガラス板111などは不要となり、真空中測定の場合は装置の少なくともサンプルとカンチレバーが真空チャンバーに配置された構成となる。   In addition to the case where the measurement is performed in the liquid described with reference to FIG. 7, the measurement by the scanning probe microscope is performed in the air or in a vacuum. The apparatus configuration and measurement method in this case are substantially the same as in FIG. 7, but in the case of measurement in air, the submerged cell 101, the glass plate 111, etc. are not required in FIG. The sample and the cantilever are arranged in a vacuum chamber.

特開2003−329565号公報JP 2003-329565 A

このように構成された走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーホルダの加振機構による加振力が不足して、カンチレバーが十分な振幅量を得られない場合がある。このときには変位検出機構で検出される信号での振幅の検出信号に対するノイズレベルが高くなり測定精度が悪化して分解能が低下してしまう。また、十分な振幅量を得るために、圧電素子への印加電圧を大きくして加振機構の振幅を増やした場合には、カンチレバーホルダや走査型プローブ顕微鏡を構成する部材の振動が大きくなって振動ノイズが大きくなる。   In the scanning probe microscope configured in this way, the excitation force by the excitation mechanism of the cantilever holder may be insufficient, and the cantilever may not obtain a sufficient amount of amplitude. At this time, the noise level with respect to the amplitude detection signal in the signal detected by the displacement detection mechanism is increased, the measurement accuracy is deteriorated, and the resolution is lowered. In addition, in order to obtain a sufficient amount of amplitude, when the amplitude of the excitation mechanism is increased by increasing the voltage applied to the piezoelectric element, the vibration of the members constituting the cantilever holder and the scanning probe microscope increases. Vibration noise increases.

特に溶液中で測定を行う場合には、カンチレバーが溶液から受ける粘性抵抗により十分な振幅が得られず、変位検出機構の信号のノイズレベルが非常に高くなってしまう。また、加振機構の振幅を大きくすると振動ノイズが大きくなるとともに、ガラス板や液面も振動してしまい、変位検出機構のレーザスポットが細かく振動しノイズが発生していた。その結果、走査型プローブ顕微鏡の分解能が悪化していた。   In particular, when measurement is performed in a solution, a sufficient amplitude cannot be obtained due to the viscous resistance that the cantilever receives from the solution, and the noise level of the signal of the displacement detection mechanism becomes very high. In addition, when the amplitude of the excitation mechanism is increased, vibration noise increases, and the glass plate and the liquid surface also vibrate, and the laser spot of the displacement detection mechanism vibrates finely, generating noise. As a result, the resolution of the scanning probe microscope was deteriorated.

従って、本発明の目的は、振動方式の走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバーが効率的に振動する加振方法により変位検出機構のノイズレベルを抑制するとともに、部材の振動ノイズを抑え、分解能の高い測定が可能な走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法ならびにそれを用いた走査型プローブ顕微鏡を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to reduce the noise level of the displacement detection mechanism by a vibration method in which the cantilever vibrates efficiently in a vibration type scanning probe microscope, and to suppress the vibration noise of the member, thereby measuring with high resolution. It is an object to provide a method for exciting a cantilever for a scanning probe microscope and a scanning probe microscope using the same.

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。   The present invention provides the following means in order to solve the above problems.

本発明のカンチレバーの加振方法では、先端に探針を有し末端にベース部を有するカンチレバーの該ベース部を保持する保持ブロックを備えたカンチレバーホルダと、前記保持ブロックを振動させて前記カンチレバーを加振するための加振機構と、前記カンチレバーの変位を検出するための光てこ方式の変位検出機構を備えた走査型プローブ顕微鏡において、走査型プローブ顕微鏡としての測定を行う際の前記カンチレバーの動作周波数を、当該カンチレバーの共振スペクトルにおける共振ピークからベースライン間の任意の周波数に設定する第一の周波数調整工程と、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とを、一致するように調整する第二の周波数調整工程と、を備えたIn the cantilever oscillating method of the present invention, a cantilever holder having a holding block for holding the base portion of the cantilever having a probe at the tip and a base portion at the end, and vibrating the holding block to move the cantilever Operation of the cantilever when performing measurement as a scanning probe microscope in a scanning probe microscope having an excitation mechanism for exciting and an optical lever type displacement detection mechanism for detecting displacement of the cantilever A first frequency adjusting step for setting the frequency to an arbitrary frequency between the resonance peak and the baseline in the resonance spectrum of the cantilever, and the structure of the cantilever holder including the holding block vibrates in a vibration mode in a resonance state. Frequency and the behavior of the cantilever when measuring with a scanning probe microscope A wave number, with a, a second frequency adjustment step of adjusting it to match.

また、本発明では、前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線が曲げ変形する振動モードで測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーの構造体の共振状態での振動に係わる動作が、前記カンチレバーが曲げ変形を行う面内で並進動作または曲げ動作を行うようにした。   In the present invention, when measurement is performed in a vibration mode in which the longitudinal axis of the cantilever is bent and deformed by the operating frequency, the operation related to vibration in the resonance state of the structure of the cantilever including the holding block is performed. The cantilever performs a translation operation or a bending operation in a plane where the bending deformation is performed.

また、前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線のまわりにねじれモードで振動させて測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の共振状態に係わる動作が、カンチレバーの長手方向の軸線まわりに回転モーメントを与える動作を行うようにした。   Further, when the measurement is performed by vibrating in the torsional mode around the longitudinal axis of the cantilever at the operating frequency, the operation related to the resonance state of the structure of the cantilever holder including the holding block is the longitudinal direction of the cantilever. An operation to give a rotational moment around the direction axis was performed.

さらに、本発明のカンチレバーの加振方法では、前記カンチレバーと、前記保持ブロックの一部または全部を液中に浸して測定を行う場合に、前記第二の周波数調整工程が前記走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際の液中で実施するようにした。 Further, in the cantilever oscillating method of the present invention, when the measurement is performed by immersing part or all of the cantilever and the holding block in a liquid, the second frequency adjustment step is performed by the scanning probe microscope. It was made to carry out in the liquid at the time of measuring .

また、本発明のカンチレバーの加振方法では、前記加振機構が圧電素子を含み、前記圧電素子が前記カンチレバーホルダに取り付けられ、前記第二の周波数調整工程が、前記圧電素子及び/又は前記保持ブロックの形状の調整によるものとした。 In the cantilever excitation method of the present invention, the excitation mechanism includes a piezoelectric element, the piezoelectric element is attached to the cantilever holder, and the second frequency adjustment step includes the piezoelectric element and / or the holding. The block shape was adjusted.

また、本発明は、上記したカンチレバーの加振方法により測定を行う走査型プローブ顕微鏡を提供すると共に、それに備わる前記カンチレバーホルダは、前記保持ブロックを含む構造体が前記ベース部から着脱可能な構造とした。 Further, the present invention shows the above-mentioned as well as providing a scanning probe microscope for performing measurements by a vibration method of cantilever, the cantilever holder, removable structure comprising a pre-Symbol retaining blocks from the base portion structure provided in it It was.

本発明では、1次または高次の共振スペクトル上でカンチレバーを振動させる振動方式の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの加振方法において、ホルダを上記のような構造とすることで、走査型プローブ顕微鏡測定時のカンチレバーの動作周波数と、保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数を一致させているため効率的に加振を行うことが可能となり、圧電素子を低電圧で駆動してもカンチレバーが大きな変位で振動することができ、変位検出機構の信号のノイズ成分が低下して分解能の高い測定が可能となる。   In the present invention, in the vibration method of a scanning cantilever for a scanning probe microscope of a vibration type that vibrates the cantilever on the primary or higher order resonance spectrum, the holder is structured as described above, so that the measurement by the scanning probe microscope can be performed. Since the operating frequency of the cantilever and the frequency when the structure of the cantilever holder including the holding block vibrates in the vibration mode in the resonance state are matched, it is possible to efficiently excite the piezoelectric element. Even when driven with a low voltage, the cantilever can vibrate with a large displacement, and the noise component of the signal of the displacement detection mechanism is reduced, enabling measurement with high resolution.

また、カンチレバーの振動モードの変位の方向と、保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の振動モードの変位の方向を概ね一致させて加振を行うようにしたため、さらに加振効率が向上する。この場合、カンチレバーの動作時の振動モードに寄与する方向へ以外への保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体の変形量が少なくなるので、カンチレバーホルダや走査型プローブ顕微鏡を構成する部材に不要な方向への振動が伝搬することが防止されて、振動に起因するノイズ成分が減少する。また、低振幅でカンチレバーを加振する場合にも、変位検出機構のノイズレベルが小さくなり振動の影響も受けず、精度のよい測定が可能となる。   Further, the vibration efficiency is further improved because the direction of displacement of the vibration mode of the cantilever and the direction of displacement of the vibration mode of the structure of the cantilever holder including the holding block are substantially matched. In this case, since the amount of deformation of the structure of the cantilever holder including the holding block in a direction other than the direction that contributes to the vibration mode during operation of the cantilever is reduced, the direction unnecessary for the members constituting the cantilever holder and the scanning probe microscope Is prevented from propagating to the vibration, and noise components caused by the vibration are reduced. In addition, even when the cantilever is vibrated with a low amplitude, the noise level of the displacement detection mechanism becomes small and is not affected by vibration, so that accurate measurement is possible.

また、粘性抵抗によりカンチレバーの振幅が得づらい溶液中でも、十分な振幅量を得ることが可能となる。   In addition, a sufficient amount of amplitude can be obtained even in a solution in which it is difficult to obtain the amplitude of the cantilever due to viscous resistance.

さらに、保持ブロックを含む部材を交換可能とすることで、カンチレバーの種類にあわせて最適な振動モードで動作する保持ブロックを含む部材に交換することが可能となる。   Furthermore, by making the member including the holding block replaceable, it is possible to replace the member with a holding block that operates in an optimal vibration mode according to the type of cantilever.

本発明の第一実施形態に係る大気中での測定に用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。It is a general-view figure of the scanning probe microscope used for the measurement in air | atmosphere which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。It is a general-view figure which shows the operation state of the cantilever holder and cantilever of the scanning probe microscope which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。It is a general-view figure which shows the operation state of the cantilever holder and cantilever of the scanning probe microscope which concerns on 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。It is a general-view figure which shows the operation state of the cantilever holder and cantilever of the scanning probe microscope which concerns on 3rd embodiment of this invention. 本発明の第四実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダとカンチレバーの動作状態を示す概観図である。It is a general-view figure which shows the operation state of the cantilever holder and cantilever of the scanning probe microscope which concerns on 4th embodiment of this invention. 本発明の第五実施形態に係る溶液中での測定に用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。It is a general-view figure of the scanning probe microscope used for the measurement in the solution which concerns on 5th embodiment of this invention. 従来の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダの概観図である。It is a general-view figure of the conventional cantilever holder for scanning probe microscopes.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
(第一実施形態)
図1は本発明の第一実施形態に係る大気中での測定に用いられる振動方式の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view of a vibration type scanning probe microscope used for measurement in the atmosphere according to the first embodiment of the present invention.

図1に示した走査型プローブ顕微鏡1では、カンチレバー4の先端に探針3を有し末端にベース部5を有するシリコン製のカンチレバー2と、カンチレバー2のベース部5を保持しカンチレバー2を加振するために用いられるカンチレバーホルダ6と、カンチレバー4の変位を検出するための変位検出機構7と、サンプル8を微動させる三軸微動機構9と、三軸微動機構9に固定されサンプル8が載置されるサンプルステージ10と、三軸微動機構が搭載される粗動機構11と筐体12から走査型プローブ顕微鏡1が構成される。   In the scanning probe microscope 1 shown in FIG. 1, a cantilever 2 made of silicon having a probe 3 at the tip of a cantilever 4 and a base 5 at the end, and a base 5 of the cantilever 2 and holding the cantilever 2 A cantilever holder 6 used for shaking, a displacement detection mechanism 7 for detecting the displacement of the cantilever 4, a triaxial fine movement mechanism 9 for finely moving the sample 8, and a sample 8 fixed to the triaxial fine movement mechanism 9 The scanning probe microscope 1 is composed of a sample stage 10 to be placed, a coarse movement mechanism 11 on which a triaxial fine movement mechanism is mounted, and a housing 12.

カンチレバーホルダ6は、先端にカンチレバーのベース部5を載せるための傾斜した平面部13を有する保持ブロック14の末端が、加振機構として作用する平板形状の圧電素子15に接着固定されており、圧電素子15の保持ブロック14の接着面とは反対側の面が基板16に接着固定されている。この基板16はカンチレバーホルダ6のベース部17に脱着可能にネジ固定されている。保持ブロック14にはカンチレバーのベース部5を固定するために板バネ18が取り付けられており、板バネ18と保持ブロックの平面部13の間にカンチレバーのベース部5を挿入することでカンチレバー2が交換可能に装着される。カンチレバーホルダ6のベース部17は走査型プローブ顕微鏡の筐体12に脱着可能に固定される。   In the cantilever holder 6, the end of a holding block 14 having an inclined flat surface portion 13 for placing the cantilever base portion 5 on the tip is bonded and fixed to a flat plate-shaped piezoelectric element 15 that acts as an excitation mechanism. The surface of the element 15 opposite to the bonding surface of the holding block 14 is bonded and fixed to the substrate 16. The substrate 16 is screwed to the base portion 17 of the cantilever holder 6 so as to be detachable. A leaf spring 18 is attached to the holding block 14 in order to fix the base portion 5 of the cantilever. By inserting the base portion 5 of the cantilever between the leaf spring 18 and the flat portion 13 of the holding block, the cantilever 2 is It is installed interchangeably. The base portion 17 of the cantilever holder 6 is detachably fixed to the housing 12 of the scanning probe microscope.

変位検出機構7は 半導体レーザ19と表面が4分割されたフォトディテクタ21とビームスプリッタ20から構成され、一般に光てこ法と呼ばれる方式でカンチレバー4の変位検出が行われる。まず、半導体レーザ19の光を集光し、ビームスプリッタ20で光路を曲げてカンチレバー4の背面に直上から照射する。カンチレバー4の背面は入射光23に直交する面に対して10°傾斜しているので、背面で反射した光は、入射光に対して20°の角度で反射しフォトディテクタ21の検出面に入射する。カンチレバー4の長手方向の軸線に撓みが生じた場合にはフォトディテクタ21面内でスポットが上下に移動する。このとき分割されたフォトディテクタ21の検出面の信号強度差を検出することでカンチレバー4の変位の検出が行われる。また、カンチレバー4の長手方向の軸線周りのねじれ角の検出を行う場合にはフォトディテクタ21上で、撓みを検出する方向と直交する方向にスポットが移動し、このとき分割された検出面の信号強度差を検出することでねじれ角の検出が行われる。変位検出機構7を構成するこれらの部材は変位検出機構の筐体22内に配置されて、走査型プローブ顕微鏡の筐体12上に設置される。   The displacement detection mechanism 7 includes a semiconductor laser 19, a photodetector 21 whose surface is divided into four parts, and a beam splitter 20, and detects the displacement of the cantilever 4 by a method generally called an optical lever method. First, the light of the semiconductor laser 19 is collected, the optical path is bent by the beam splitter 20, and the rear surface of the cantilever 4 is irradiated from directly above. Since the back surface of the cantilever 4 is inclined by 10 ° with respect to the surface orthogonal to the incident light 23, the light reflected by the back surface is reflected at an angle of 20 ° with respect to the incident light and enters the detection surface of the photodetector 21. . When the longitudinal axis of the cantilever 4 is bent, the spot moves up and down within the surface of the photodetector 21. At this time, the displacement of the cantilever 4 is detected by detecting the signal intensity difference between the detection surfaces of the divided photodetectors 21. When detecting the torsion angle around the longitudinal axis of the cantilever 4, the spot moves on the photodetector 21 in the direction orthogonal to the direction in which the deflection is detected, and the signal intensity of the detection surface divided at this time is detected. By detecting the difference, the torsion angle is detected. These members constituting the displacement detection mechanism 7 are arranged in the casing 22 of the displacement detection mechanism and are installed on the casing 12 of the scanning probe microscope.

三軸微動機構9は円筒型の圧電素子により構成される。円筒型圧電素子9の末端は固定され、先端にはサンプル8を載置するためのサンプルホルダ10が取り付けられている。円筒型圧電素子9には円筒の中心軸に平行な方向に伸縮動作を行うことで垂直方向微動機構24として作用する電極部分と、固定端を中心に先端のサンプルステージを円弧運動させることでサンプルをサンプル面内で移動させる水平方向微動機構25として作用する電極部分が設けられている。この三軸微動機構9は粗動機構11に取り付けられている。   The triaxial fine movement mechanism 9 is constituted by a cylindrical piezoelectric element. The end of the cylindrical piezoelectric element 9 is fixed, and a sample holder 10 for mounting the sample 8 is attached to the tip. The cylindrical piezoelectric element 9 performs an expansion and contraction operation in a direction parallel to the central axis of the cylinder, and an electrode portion that acts as a vertical fine movement mechanism 24 and a sample stage by moving the sample stage at the tip centered around the fixed end in an arc. An electrode portion is provided that acts as a horizontal fine movement mechanism 25 that moves the sample in the sample plane. The triaxial fine movement mechanism 9 is attached to the coarse movement mechanism 11.

次に、第一実施形態での測定方法を図1と図2により説明する。図2はカンチレバーホルダ6の圧電素子15により加振を行った場合の圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体とカンチレバー4の振動モードを示す概観図である。保持ブロックに取り付けられた板バネ18の図面への記載は省略している。   Next, the measurement method in the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic view showing the vibration mode of the cantilever 4 and the structure including the piezoelectric element 15 and the holding block 14 when the piezoelectric element 15 of the cantilever holder 6 is vibrated. The illustration of the leaf spring 18 attached to the holding block is omitted.

本実施形態では、カンチレバー4を1次の共振周波数の近傍で振動させる。このときの動作周波数はカンチレバー4の振幅の周波数特性を測定した際に1次の共振周波数をピークとして測定される共振スペクトルの山型波形のピークからベースラインまでの間の任意の周波数である。このときのカンチレバー4の振動モードは図2に示すようにカンチレバー4の長手方向の軸線が曲げ変形し、探針3の先端がサンプル8に対して垂直方向に上下する振動モードである(図2の探針3左側に示した矢印の方向)。   In the present embodiment, the cantilever 4 is vibrated in the vicinity of the primary resonance frequency. The operating frequency at this time is an arbitrary frequency between the peak of the peak waveform of the resonance spectrum and the baseline measured with the primary resonance frequency as the peak when the frequency characteristic of the amplitude of the cantilever 4 is measured. The vibration mode of the cantilever 4 at this time is a vibration mode in which the longitudinal axis of the cantilever 4 is bent and deformed as shown in FIG. 2, and the tip of the probe 3 is vertically moved with respect to the sample 8 (FIG. 2). The direction of the arrow shown on the left side of the probe 3).

このような状態で、サンプル8を探針3に粗動機構11により測定領域まで近付けて行くと、原子間力や間欠的な接触力によりカンチレバー4の振幅が変化する。この振幅変化量は探針3とサンプル8との距離に依存するため、このときの振幅の変化量があらかじめ設定した値となるように垂直方向微動機構24でサーボ動作させることで、探針3とサンプル8間の距離を一定に保つことができる。この状態で、水平方向微動機構25によりサンプル8をラスタスキャンし、三軸微動機構9に印加される垂直方向微動機構24の印加電圧と水平方向移動機構25の印加電圧に較正値を乗じて画像化することでサンプル8の凹凸形状を測定することができる。   In this state, when the sample 8 is brought close to the probe 3 to the measurement region by the coarse movement mechanism 11, the amplitude of the cantilever 4 changes due to an atomic force or an intermittent contact force. Since the amplitude change amount depends on the distance between the probe 3 and the sample 8, the probe 3 is servo-operated by the vertical fine movement mechanism 24 so that the amplitude change amount at this time becomes a preset value. And the distance between the samples 8 can be kept constant. In this state, the sample 8 is raster-scanned by the horizontal fine movement mechanism 25, and an image is obtained by multiplying the applied voltage of the vertical fine movement mechanism 24 and the applied voltage of the horizontal movement mechanism 25 applied to the triaxial fine movement mechanism 9 by the calibration value. As a result, it is possible to measure the uneven shape of the sample 8.

カンチレバー4を振動させる場合には、圧電素子15にカンチレバー4の動作周波数と同じ周波数の交流電圧を印加して保持ブロック14を振動させて、保持ブロック14上に板バネ18で固定されたカンチレバーのベース部5を加振する。   When the cantilever 4 is vibrated, an AC voltage having the same frequency as the operating frequency of the cantilever 4 is applied to the piezoelectric element 15 to vibrate the holding block 14 and the cantilever 4 fixed on the holding block 14 with a leaf spring 18 is used. The base unit 5 is vibrated.

本実施形態では圧電素子15と保持ブロック14からなるカンチレバーホルダ6の構造体が、図2の2点破線で示すように圧電素子15の固定面に対して垂直方向に保持ブロック14の先端部が並進動作する振動モードで共振するようにした(図2の保持ブロック14上の矢印の方向)。この振動モードでの加振周波数は、カンチレバー4の1次の共振スペクトル上に設定された動作周波数と一致するようにした。   In this embodiment, the structure of the cantilever holder 6 including the piezoelectric element 15 and the holding block 14 has a tip end portion of the holding block 14 that is perpendicular to the fixed surface of the piezoelectric element 15 as indicated by a two-dot broken line in FIG. Resonance was performed in a vibration mode in which the translation operation was performed (in the direction of the arrow on the holding block 14 in FIG. 2). The excitation frequency in this vibration mode was made to coincide with the operating frequency set on the primary resonance spectrum of the cantilever 4.

すなわち、カンチレバー4の長手方向の軸線が曲げ変形を行う面内で圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体が伸縮動作を行っており、圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体の振幅の周波数特性を測定したときに、伸縮動作の振動モードで動作する共振周波数をピークとする共振スペクトルの山型波形のピークからベースラインまでの間の任意の周波数が、カンチレバー4の1次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。   That is, the structure made up of the piezoelectric element 15 and the holding block 14 is expanding and contracting within the plane in which the longitudinal axis of the cantilever 4 undergoes bending deformation, and the amplitude of the structure made up of the piezoelectric element 15 and the holding block 14 is expanded. When the frequency characteristic is measured, an arbitrary frequency between the peak of the peak-shaped waveform of the resonance spectrum having a peak at the resonance frequency that operates in the vibration mode of the stretching operation and the baseline is the primary resonance spectrum of the cantilever 4. Matched the above operating frequency.

このとき圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体の共振周波数と振動モードは、圧電素子15や保持ブロック14の形状や材料、圧電素子15の電極パターンやポーリングの向き、各部品同士の固定方法、部材周囲の環境(大気中、液中、真空中)などによって決まってくる。   At this time, the resonance frequency and the vibration mode of the structure including the piezoelectric element 15 and the holding block 14 are the shape and material of the piezoelectric element 15 and the holding block 14, the electrode pattern and the poling direction of the piezoelectric element 15, and the fixing method of the components. It is determined by the environment around the member (in the atmosphere, liquid, or vacuum).

本実施形態では、圧電素子15の材質と形状を決め、厚み方向にポーリングを行い、厚み方向で互いに対向する両面に電極を配置して、圧電素子15に保持ブロック14の形状と材料密度から決まる負荷質量を想定したモデルのもとで、圧電素子15を厚み方向に共振させることで、保持ブロック14と圧電素子15からなる構造体を伸縮動作の振動モードで共振させるようにした。   In the present embodiment, the material and shape of the piezoelectric element 15 are determined, polling is performed in the thickness direction, electrodes are disposed on both surfaces facing each other in the thickness direction, and the shape and material density of the holding block 14 are determined on the piezoelectric element 15. Under the model assuming the load mass, the piezoelectric element 15 is resonated in the thickness direction, so that the structure including the holding block 14 and the piezoelectric element 15 is resonated in the vibration mode of the expansion / contraction operation.

このように保持ブロック14の先端を伸縮モードで共振させると、圧電素子15を低電圧で駆動しても、カンチレバー4に曲げ変形を与える方向にカンチレバーのベース部5を大きな変位で並進運動させることができ、カンチレバー4を効率的に加振させることが可能となる。その結果、変位検出機構7の信号のノイズ成分が低下して分解能の高い測定が可能となる。   Thus, when the tip of the holding block 14 is resonated in the expansion / contraction mode, even if the piezoelectric element 15 is driven at a low voltage, the cantilever base 5 is translated with a large displacement in a direction in which the cantilever 4 is bent. Thus, the cantilever 4 can be vibrated efficiently. As a result, the noise component of the signal of the displacement detection mechanism 7 is reduced, and measurement with high resolution becomes possible.

また、カンチレバー4の動作時の振動モードに寄与する方向へ以外への圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体の変形量が少なくなるので、カンチレバーホルダ6や走査型プローブ顕微鏡1を構成する部材に不要な方向への振動が伝搬することが防止されて、振動に起因するノイズ成分が減少する。また、高分解能測定を行う場合などに低振幅でカンチレバー4を加振する場合にも、変位検出機構6のノイズレベルや振動の影響が小さくなり、精度のよい測定が可能となる。   Further, since the amount of deformation of the structure composed of the piezoelectric element 15 and the holding block 14 in the direction other than the direction contributing to the vibration mode during the operation of the cantilever 4 is reduced, members constituting the cantilever holder 6 and the scanning probe microscope 1 The vibration in the unnecessary direction is prevented from propagating, and the noise component caused by the vibration is reduced. In addition, when the cantilever 4 is vibrated with a low amplitude, for example, when performing high-resolution measurement, the influence of the noise level and vibration of the displacement detection mechanism 6 is reduced, and accurate measurement is possible.

また、本実施形態では圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体を基板16に固定し、基板16をカンチレバーホルダ6のベース部17に着脱可能とした。走査型プローブ顕微鏡では測定の目的に合わせて、通常、1次の共振周波数が概ね数kHzから1MHz程度のカンチレバーが選択して使用される。また、1次以外の高次の振動モードでも使用される場合がある。そのため、カンチレバー4の動作周波数や振動モードに合わせて圧電素子15と保持ブロック14の形状や材質、圧電素子15の電極パターンやポーリングの向きを適宜変更し、使用するカンチレバーごとに最適な共振周波数と振動モードを有する圧電素子15と保持ブロック14の組合せを基板16ごと交換することで、カンチレバー種類ごとの動作時の振動モードに対応させることが可能となる。   In this embodiment, the structure including the piezoelectric element 15 and the holding block 14 is fixed to the substrate 16, and the substrate 16 can be attached to and detached from the base portion 17 of the cantilever holder 6. In a scanning probe microscope, a cantilever having a primary resonance frequency of about several kHz to 1 MHz is generally selected and used in accordance with the purpose of measurement. Also, it may be used in higher-order vibration modes other than the primary. Therefore, the shape and material of the piezoelectric element 15 and the holding block 14, the electrode pattern of the piezoelectric element 15 and the poling direction are appropriately changed according to the operating frequency and vibration mode of the cantilever 4, and the optimum resonance frequency for each cantilever to be used. By exchanging the combination of the piezoelectric element 15 having the vibration mode and the holding block 14 together with the substrate 16, it becomes possible to correspond to the vibration mode during operation for each type of cantilever.

(第二実施形態)
図3は第一実施形態と同じくカンチレバー2を1次の共振周波数近傍で加振させながら測定を行う場合の圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体とカンチレバー4の振動モードを示す概観図である。走査型プローブ顕微鏡の本体の構造や測定原理は第一実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。
(Second embodiment)
FIG. 3 is a schematic diagram showing the vibration mode of the structure including the piezoelectric element 15 and the holding block 14 and the cantilever 4 when measurement is performed while vibrating the cantilever 2 near the primary resonance frequency, as in the first embodiment. is there. Since the structure and measurement principle of the main body of the scanning probe microscope are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

本実施形態では圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体を共振させたときに、図3の2点破線で示したように、圧電素子15が基板16へ接着された部分を固定端として保持ブロック14の先端がカンチレバー4の長手方向の軸線と保持ブロック14の長手方向(圧電素子15の厚み方向)を含む面内で曲げ変形を行う振動モード(図3の保持ブロック14上に示した矢印の方向)で振動するようにした。このとき圧電素子15に印加する交流電圧の周波数が、カンチレバー4の長手方向の軸線が曲げ振動を行う1次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。   In this embodiment, when the structure composed of the piezoelectric element 15 and the holding block 14 is resonated, the portion where the piezoelectric element 15 is bonded to the substrate 16 is held as a fixed end, as shown by a two-dot broken line in FIG. The vibration mode in which the tip of the block 14 is bent and deformed in a plane including the longitudinal axis of the cantilever 4 and the longitudinal direction of the holding block 14 (thickness direction of the piezoelectric element 15) (the arrow shown on the holding block 14 in FIG. 3) In the direction of). At this time, the frequency of the alternating voltage applied to the piezoelectric element 15 was made to coincide with the operating frequency on the primary resonance spectrum in which the longitudinal axis of the cantilever 4 performs bending vibration.

本実施形態では圧電素子15を厚み方向にポーリングして、厚み方向に対向する2面に電極を設けて電圧を印加し、保持ブロック14自体が曲げ変形で共振するように圧電素子15と保持ブロック14の形状を設計した。   In the present embodiment, the piezoelectric element 15 is polled in the thickness direction, electrodes are provided on two surfaces facing the thickness direction, a voltage is applied, and the piezoelectric element 15 and the holding block resonate due to bending deformation. Fourteen shapes were designed.

このように保持ブロック14を曲げモードで共振させて先端を円弧運動させると、カンチレバー4の長手方向の軸線に曲げ変形を与える方向に大きな回転モーメントを与えることができ、カンチレバー4を効率的に加振させることが可能となり、第一実施形態と同様の効果が得られる。   Thus, when the holding block 14 is resonated in the bending mode and the tip is moved in a circular arc, a large rotational moment can be applied in the direction of bending deformation to the longitudinal axis of the cantilever 4, and the cantilever 4 can be efficiently applied. Therefore, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

(第三実施形態)
図4はカンチレバー4をねじれモードで振動させながら走査型プローブ顕微鏡の測定を行う場合の圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体とカンチレバー4の振動モードを示す概観図である。図4は図1において、保持ブロック14に搭載されたカンチレバー4を長手方向の軸線と直交する探針3の正面側からみた図面である。走査型プローブ顕微鏡の本体の構造は第一実施形態と同じであるため詳細な説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a schematic view showing the vibration mode of the cantilever 4 and the structure composed of the piezoelectric element 15 and the holding block 14 when the scanning probe microscope is measured while vibrating the cantilever 4 in the torsion mode. FIG. 4 is a view of the cantilever 4 mounted on the holding block 14 as viewed from the front side of the probe 3 perpendicular to the longitudinal axis in FIG. Since the structure of the main body of the scanning probe microscope is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

本実施形態では、圧電素子15と保持ブロック14からなる構造体が共振状態の場合に、図4の2点破線で示したように、圧電素子15が基板16へ接着された部分を固定端として保持ブロック14の先端がカンチレバー4の長手方向の軸線と探針3の先端を含む面に直交する面内で曲げ変形を行う振動モードで振動するようにした(図4の保持ブロック14上に示した矢印の方向)。このとき圧電素子15に印加する交流電圧の周波数が、カンチレバー4が長手方向の軸線まわりにねじれモードで振動するような共振スペクトル上での動作周波数と一致するようにした。   In the present embodiment, when the structure including the piezoelectric element 15 and the holding block 14 is in a resonance state, a portion where the piezoelectric element 15 is bonded to the substrate 16 is used as a fixed end as shown by a two-dot broken line in FIG. The tip of the holding block 14 vibrates in a vibration mode in which bending deformation is performed in a plane orthogonal to the plane including the longitudinal axis of the cantilever 4 and the tip of the probe 3 (shown on the holding block 14 in FIG. 4). Arrow direction). At this time, the frequency of the AC voltage applied to the piezoelectric element 15 was made to coincide with the operating frequency on the resonance spectrum where the cantilever 4 vibrates in the torsion mode around the longitudinal axis.

本実施形態では圧電素子15を厚み方向にポーリングして、厚み方向に対向する2面に電極を設けて電圧を印加し、保持ブロック14自体が曲げ変形で共振するように圧電素子15と保持ブロック14の形状を設計した。   In the present embodiment, the piezoelectric element 15 is polled in the thickness direction, electrodes are provided on two surfaces facing the thickness direction, a voltage is applied, and the piezoelectric element 15 and the holding block resonate due to bending deformation. Fourteen shapes were designed.

このように保持ブロック14を曲げモードで共振させて先端を円弧運動させると、カンチレバー4にねじり振動を与える方向に大きな回転モーメントを与えることができ、カンチレバーを効率的に加振させることが可能となる。   Thus, when the holding block 14 is resonated in the bending mode and the tip is moved in a circular arc, a large rotational moment can be applied in a direction in which torsional vibration is applied to the cantilever 4, and the cantilever can be vibrated efficiently. Become.

このようにカンチレバー4がねじれモードで振動するような周波数で加振させながらサンプルと探針を近づけて行くと探針とサンプル間の距離に応じてねじれ量が変化する。あらかじめ設定されたねじれ量になるように垂直方向微動機構24で距離制御することで、探針3とサンプル8間の距離を一定に制御することが可能となる。   When the sample and the probe are brought close to each other while the cantilever 4 is vibrated at such a frequency as to vibrate in the torsion mode, the amount of twist changes according to the distance between the probe and the sample. The distance between the probe 3 and the sample 8 can be controlled to be constant by controlling the distance with the vertical fine movement mechanism 24 so that the twist amount is set in advance.

(第四実施形態)
図5に本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダの圧電素子30と保持ブロック31からなる構造体の概観図を示す。この実施形態もカンチレバー4を1次の共振周波数近傍で曲げ変形を行う振動モードで加振させながら測定が行われる。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 shows a schematic view of a structure including the piezoelectric element 30 and the holding block 31 of the cantilever holder of the scanning probe microscope according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment as well, measurement is performed while vibrating the cantilever 4 in a vibration mode in which bending deformation is performed near the primary resonance frequency.

本実施形態では、平板状の圧電素子30を基板34に固定し、平板状の保持ブロック31の末端を接着し先端にカンチレバーのベース部5を保持する平面部33を設け、カンチレバーのベース部5を平面部33に載せて板バネ32で押えた構成である。   In the present embodiment, the flat piezoelectric element 30 is fixed to the substrate 34, the end of the flat holding block 31 is bonded, and the flat portion 33 for holding the base portion 5 of the cantilever is provided at the tip, and the base portion 5 of the cantilever is provided. Is placed on the flat surface portion 33 and pressed by the leaf spring 32.

本実施形態では図5の2点破線で示したように、保持ブロック31が圧電素子30への接着部分を固定端として、カンチレバー4が長手方向の軸線に曲げ変形を行う面内で、共振動作時に曲げ変形を行う振動モードで振動するようにした(図5の保持ブロック31上に記載した矢印の向き)。このときの圧電素子30に印加される周波数が、カンチレバー4の1次の共振スペクトル上の動作周波数と一致するようにした。   In the present embodiment, as shown by a two-dot broken line in FIG. 5, the holding block 31 has a bonded portion to the piezoelectric element 30 as a fixed end, and the cantilever 4 is in a resonance operation in a plane in which the cantilever 4 is bent and deformed along the longitudinal axis. It was made to vibrate in a vibration mode in which bending deformation was sometimes performed (the direction of the arrow described on the holding block 31 in FIG. 5). The frequency applied to the piezoelectric element 30 at this time was made to coincide with the operating frequency on the primary resonance spectrum of the cantilever 4.

本実施形態の場合にもカンチレバー4を曲げ変形させる方向に回転モーメントを与えることができ、カンチレバー4を効率的に加振させることが可能となる。   Also in the case of this embodiment, a rotational moment can be given in the direction in which the cantilever 4 is bent and deformed, and the cantilever 4 can be vibrated efficiently.

(第五実施形態)
図6は本発明の第五実施形態の液中で測定を行うための走査型プローブ顕微鏡の概観図である。本実施形態で図1に示した部分と同じ部分は同一の符号を付け詳細な説明は省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a schematic view of a scanning probe microscope for performing measurement in the liquid according to the fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, the same parts as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態ではカンチレバーホルダ40のベース部40に平面部を有する突起43が設けられたガラス板42が取り付けられている。ガラス板42には加振機構として作用する圧電素子15が接着固定されており圧電素子15にはカンチレバーのベース部5を載せる傾斜平面部13が設けられた保持ブロック14が固定されている。カンチレバー2はベース部5が保持ブロック14の傾斜平面部13に載せられて板バネ18により交換可能に取り付けられている。   In this embodiment, a glass plate 42 provided with a projection 43 having a flat surface portion is attached to the base portion 40 of the cantilever holder 40. A piezoelectric element 15 acting as a vibration mechanism is bonded and fixed to the glass plate 42, and a holding block 14 provided with an inclined flat surface portion 13 on which the base portion 5 of the cantilever is mounted is fixed to the piezoelectric element 15. The cantilever 2 has a base portion 5 mounted on the inclined flat surface portion 13 of the holding block 14 and is exchangeably attached by a leaf spring 18.

一方、三軸微動機構上9のサンプルホルダ10には液中セル44が載せられており、液中セル44の底面部にサンプル8を固定し液中セル44内部に溶液45を入れることでサンプル8が溶液に浸された状態である。探針3とサンプル8を近付けていくと、液面がガラス板42の突起部43の平面と接する。このときカンチレバー2と保持ブロック14の先端部の一部も溶液内部に浸される。カンチレバーホルダ40の上部に配置された変位検出機構7からのレーザ光23はガラス板42を通り溶液45内部に進入してカンチレバー4の背面で反射し再び溶液45からガラス板42を通り大気中に配置されたフォトディテクタ21に到達しカンチレバー4のたわみ量やねじれ量の検出が行われる。   On the other hand, the submerged cell 44 is placed on the sample holder 10 on the triaxial fine movement mechanism 9. The sample 8 is fixed to the bottom surface of the submerged cell 44 and the solution 45 is put inside the submerged cell 44. 8 is a state immersed in the solution. As the probe 3 and the sample 8 are brought closer, the liquid level comes into contact with the flat surface of the projection 43 of the glass plate 42. At this time, the cantilever 2 and part of the tip of the holding block 14 are also immersed in the solution. The laser beam 23 from the displacement detection mechanism 7 disposed on the upper part of the cantilever holder 40 passes through the glass plate 42 and enters the solution 45, is reflected on the back surface of the cantilever 4, and again passes from the solution 45 through the glass plate 42 into the atmosphere. It reaches the arranged photodetector 21 and detects the amount of deflection and the amount of twist of the cantilever 4.

溶液中に浸した状態で、圧電素子15で保持ブロック14を加振した場合の共振周波数は大気中で加振したときに比べて、低周波数側にシフトする。またカンチレバーの共振周波数も低周波側にシフトする。本実施形態では、図2〜図4に示した場合と同様に保持ブロック14と圧電素子15からなる構造体が共振動作を行う場合に、伸縮動作または曲げ動作の振動モードで振動させて、カンチレバー4を長手方向の軸線を曲げ変形させるか、軸線まわりにねじれ運動の共振モードで動作させるようにした。このとき保持ブロック14と圧電素子15からなる構造体がよう液中において、カンチレバーの溶液中での動作周波数と同じ周波数で、共振状態となるように形状を変更した。   When the holding block 14 is vibrated with the piezoelectric element 15 in a state immersed in the solution, the resonance frequency shifts to a lower frequency side than when it is vibrated in the atmosphere. The resonance frequency of the cantilever is also shifted to the low frequency side. In the present embodiment, as in the case shown in FIGS. 2 to 4, when the structure including the holding block 14 and the piezoelectric element 15 performs a resonance operation, the cantilever is vibrated in the vibration mode of the expansion / contraction operation or the bending operation. 4 is operated by bending the longitudinal axis or in a resonance mode of torsional motion around the axis. At this time, the shape of the structure including the holding block 14 and the piezoelectric element 15 was changed so as to be in a resonance state at the same frequency as the operating frequency of the cantilever in the solution.

また、ガラス板42をカンチレバーホルダ40のベース部41から脱着可能としカンチレバー2の種類に合わせて最適な保持ブロック14と圧電素子15の組合せを選択可能にした。   Further, the glass plate 42 can be detached from the base portion 41 of the cantilever holder 40, and the optimum combination of the holding block 14 and the piezoelectric element 15 can be selected in accordance with the type of the cantilever 2.

このように構成することで溶液中においてもカンチレバー4を効率よく加振することが可能となる。   With this configuration, the cantilever 4 can be efficiently vibrated even in the solution.

以上本発明の実施形態を述べたが、本発明はこれに限定するものではない。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this.

カンチレバーの振動モードは上記の1次の曲げ振動やねじれ振動に限定されず任意の共振モードが適用できる。   The vibration mode of the cantilever is not limited to the above-described primary bending vibration or torsional vibration, and any resonance mode can be applied.

また、通常カンチレバーは、共振周波数近傍で加振されるが、カンチレバーを非共振状態で加振する場合でも、カンチレバーの動作周波数と、共振状態の振動モードで振動するときの保持ブロックを含むカンチレバーホルダの構造体の周波数とが、一致していれば本発明に含まれる。   In addition, the normal cantilever is vibrated in the vicinity of the resonance frequency. Even when the cantilever is vibrated in a non-resonant state, the cantilever holder includes a holding block that vibrates in the vibration mode of the cantilever and the resonance mode. If the frequency of the structure matches, it is included in the present invention.

また、上記実施形態では振幅の変化量をパラメータとして距離制御を行うようにしたが加振を行う交流信号と変位検出機構で検出されるカンチレバーの振動の位相差や、共振周波数の変化により距離制御を行ってもよい。   In the above embodiment, the distance control is performed using the amplitude change amount as a parameter. However, the distance control is performed based on the AC signal for excitation and the phase difference between the cantilever vibration detected by the displacement detection mechanism and the change in the resonance frequency. May be performed.

測定環境も大気や溶液に限定されず真空中などにも適用できる。   The measurement environment is not limited to the atmosphere or the solution, and can be applied in a vacuum.

上記実施形態ではサンプル側に三軸微動機構を取り付けたがカンチレバー側に取り付けてもよいし、サンプルとカンチレバー側に分割して取り付けてもよい。   In the above embodiment, the triaxial fine movement mechanism is attached to the sample side, but it may be attached to the cantilever side, or may be divided and attached to the sample and the cantilever side.

また変位検出機構は光てこ方式に限定されず、例えばカンチレバーに抵抗体を設けて抵抗値で検出する方式でもよい。   Further, the displacement detection mechanism is not limited to the optical lever system, and for example, a system in which a resistor is provided on a cantilever and a resistance value is detected may be used.

加振機構に用いられるアクチュエータも保持ブロックを含む構造体が共振状態の振動モードで振動すれば、圧電素子以外にも任意のものが使用でき、例えば磁気力、電磁力、光、熱などをエネルギ源とする加振機構も利用できる。   If the structure including the holding block vibrates in the vibration mode in the resonance state, any actuator other than the piezoelectric element can be used as the actuator used in the vibration mechanism. For example, magnetic force, electromagnetic force, light, heat, etc. can be used as energy. An excitation mechanism as a source can also be used.

保持ブロックと圧電素子などの加振機構は必ずしも直接接着させる必要はなく、両者を離して取り付けてもよい。また加振機構をカンチレバーホルダの外部に設けて保持ブロックを振動させるようにしてもよい。   The holding mechanism and the vibration mechanism such as the piezoelectric element do not necessarily have to be directly bonded, and they may be attached separately. In addition, an excitation mechanism may be provided outside the cantilever holder to vibrate the holding block.

また、本発明はサンプルの凹凸を測定する原子間力顕微鏡に限定されず、電気特性や磁気特性、光学特性、機械的特性などを測定するさまざまな振動方式を使用した走査型プローブ顕微鏡に適用することができる。   Further, the present invention is not limited to an atomic force microscope that measures unevenness of a sample, but is applied to a scanning probe microscope that uses various vibration methods for measuring electrical characteristics, magnetic characteristics, optical characteristics, mechanical characteristics, and the like. be able to.

1 走査型プローブ顕微鏡
2 カンチレバー
3 探針
4 カンチレバー
5 カンチレバーのベース部
6、40 カンチレバーホルダ
7 変位検出機構
8 サンプル
9 三軸微動機構
10 サンプルホルダ
11 粗動機構
12 筐体
14、31 保持ブロック
15、30 圧電素子(加振機構)
16、34 基板
17、41 カンチレバーホルダのベース部
18、32 板バネ
19 半導体レーザ
20 ビームスプリッタ
21 フォトディテクタ
24 垂直方向微動機構
25 水平方向微動機構
42 ガラス板
44 液中セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Scanning probe microscope 2 Cantilever 3 Probe 4 Cantilever 5 Cantilever base 6 and 40 Cantilever holder 7 Displacement detection mechanism 8 Sample 9 Triaxial fine movement mechanism 10 Sample holder 11 Coarse movement mechanism 12 Case
14, 31 Holding block 15, 30 Piezoelectric element (vibration mechanism)
16, 34 Substrate 17, 41 Base part 18, 32 of cantilever holder Leaf spring 19 Semiconductor laser 20 Beam splitter 21 Photo detector 24 Vertical fine adjustment mechanism 25 Horizontal fine adjustment mechanism 42 Glass plate 44 Submerged cell

Claims (7)

先端に探針を有し末端にベース部を有するカンチレバーの該ベース部を保持する保持ブロックを備えたカンチレバーホルダと、前記保持ブロックを振動させて前記カンチレバーを加振するための加振機構と、前記カンチレバーの変位を検出するための光てこ方式の変位検出機構を備えた走査型プローブ顕微鏡において、
走査型プローブ顕微鏡としての測定を行う際の前記カンチレバーの動作周波数を、当該カンチレバーの共振スペクトルにおける共振ピークからベースライン間の任意の周波数に設定する第一の周波数調整工程と、
前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体が共振状態の振動モードで振動するときの周波数と、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際のカンチレバーの動作周波数とを、一致するように調整する第二の周波数調整工程と、を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
A cantilever holder having a holding block for holding the base portion of the cantilever having a probe at the tip and a base portion at the end, and a vibration mechanism for vibrating the holding block to vibrate the cantilever; In a scanning probe microscope equipped with an optical lever type displacement detection mechanism for detecting the displacement of the cantilever,
A first frequency adjustment step of setting the operating frequency of the cantilever when performing measurement as a scanning probe microscope to an arbitrary frequency between the resonance peak and the baseline in the resonance spectrum of the cantilever;
A second frequency adjusting the frequency at which the structure of the cantilever holder including the holding block vibrates in a vibration mode in a resonance state and the operating frequency of the cantilever at the time of measurement with a scanning probe microscope are matched. And a frequency adjusting step. A method of exciting a cantilever for a scanning probe microscope.
前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線が曲げ変形する振動モードで測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーの構造体の共振状態での振動に係わる動作が、前記カンチレバーが曲げ変形を行う面内で並進動作または曲げ動作である請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。   When measurement is performed in a vibration mode in which the longitudinal axis of the cantilever is bent and deformed by the operating frequency, the operation related to vibration in the resonance state of the structure of the cantilever including the holding block is bent and deformed. The method for exciting a cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the method is a translation operation or a bending operation within a plane in which the scanning probe microscope is performed. 前記動作周波数により前記カンチレバーの長手方向の軸線のまわりにねじれモードで振動させて測定を行う場合に、前記保持ブロックを含む前記カンチレバーホルダの構造体の共振状態の振動に係わる動作が、カンチレバーの長手方向の軸線まわりに回転モーメントを与える動作である請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。   When measurement is performed by vibrating in the torsional mode around the longitudinal axis of the cantilever at the operating frequency, the operation related to the vibration in the resonance state of the structure of the cantilever holder including the holding block is the longitudinal direction of the cantilever. 2. The method for exciting a cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the rotating moment is applied around a direction axis. 前記カンチレバーと、前記保持ブロックの一部または全部を液中に浸して測定を行う場合に、前記第二の周波数調整工程が前記走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際の液中で実施するものである請求項1乃至3のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。   When the measurement is performed by immersing a part or all of the cantilever and the holding block in the liquid, the second frequency adjustment step is performed in the liquid when performing the measurement with the scanning probe microscope. The method for exciting a cantilever for a scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 3. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法において、
前記加振機構が圧電素子を含み、前記圧電素子が前記カンチレバーホルダに取り付けられ、前記第二の周波数調整工程が、前記圧電素子及び/又は前記保持ブロックの形状の調整によるものである走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーの加振方法。
The method for exciting a cantilever for a scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 4,
A scanning probe in which the excitation mechanism includes a piezoelectric element, the piezoelectric element is attached to the cantilever holder, and the second frequency adjustment step is performed by adjusting the shape of the piezoelectric element and / or the holding block. A method for exciting a cantilever for a microscope.
先端に探針を有し末端にベース部を有するカンチレバーと、該ベース部を保持するための保持ブロックを備えたカンチレバーホルダ構造体と、当該カンチレバーホルダ構造体を本体に固定するカンチレバーホルダベース部と、前記保持ブロックを振動させて前記カンチレバーを加振するための加振機構と、前記カンチレバーの変位を検出するための光てこ方式の変位検出機構を備え、  A cantilever having a probe at the tip and a base at the end, a cantilever holder structure having a holding block for holding the base, and a cantilever holder base that fixes the cantilever holder structure to the main body A vibrating mechanism for vibrating the holding block to vibrate the cantilever, and an optical lever type displacement detecting mechanism for detecting the displacement of the cantilever,
前記カンチレバーホルダ構造体が、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際の前記カンチレバーの動作周波数と同一の周波数を共振周波数として有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。  The scanning probe microscope characterized in that the cantilever holder structure has a resonance frequency equal to the operating frequency of the cantilever when the scanning probe microscope is measured.
請求項6に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーホルダ構造体が、前記カンチレバーホルダベース部から着脱可能な構造とした走査型プローブ顕微鏡。
The scanning probe microscope according to claim 6,
A scanning probe microscope in which the cantilever holder structure is detachable from the cantilever holder base.
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