JPH03500213A - 共鳴音響発振素子の近接場中の対象物を検査する音響走査顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 共鳴音響発振素子の近接基中の 対象物を検査する音響走査顕微鏡 この発明は対象物の音響近接基の相互作用を利用した音響走査顕微鏡に関する。

この場合、用語「近接基」を用いて、ビーム源の大きさと対象物までの距離がほ ぼ等しく、利用しているビームの波長より非常に短いことを説明する。近接基の 配置では、分解能が利用しているビームの波長によって古典的に制限さるのでな く、より小さい（でき、ビーム源の大きさと距離によって定まると言う重要な特 徴がある。このことは、例えばヨーロッパ特許第０１１２４０１号明細書の光学 的近接走査顕微鏡によって公知である。

古典的な分解能の限界以下になり、分解能が音波の波長の約十分の−になる音響 走査顕微鏡はＪ、　Ｋ。

Ｚｉｅｎｉｕｋ、　Ａ、　Ｌａｔｕｓｚｅｋ、　ＩＲＥεＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓ　Ｓｙ＊ｐｏ−ｓｉｕｍ　１９８６．９．１０３５−１０３９から公知である 。

約３　ＭＨｚの超音波は対象物を透過し、液体の結合媒体を通過して対象物上に 狭い間隔に保持しである音波導体に入射し、この導体から検出器である変換器に 導入される。音波導体の円錐台形状に特徴があり、約２０　ｔｔ■直径の前記導 体の小さい上面は使用する音波の波長（約０．５　ｍｍ）より充分短く、対象物 に対向している。小さい上面の大きさは、到達分解能を決める。

米国特許第４６４６５７３号明細書から、この様な顕微鏡も公知である。

この様式の透過装置は、基本的に狭く限定された対象物に対してのみ適する。

音響レンズの代わりにこの種の円錐台を有する反射装置は基本的には可能である 。しかし、大きな出力損失、パルス駆動の必要性及び種々の反射光による相当な 乱れが生じる。このことは何れも古典的な音響顕微鏡の場合、既に弱い形で問題 を提起されている（Ａ、　Ｔｈａｅ７．　Ｍ、　Ｈｏｐｐｅ、　Ｗ、　Ｊ、　Ｐ ａｔｚｅｌｔ、　Ｌｅｉｔｚ？１ｉｔｔ、　Ｍｉｓｓ、　Ｔｅｃｈｎ、　９１１ １　（１９８２）、　６１−６７）。

ヨーロッパ特許第０２２３９１８号明細書から、力顕微鏡が公知である。原子の 電子雲が先端と対象物で重なり、原子間力が生じるまで、先端を対象物に近づけ て、この顕微鏡が対象物の位相形態的な画像を与える。この間隔はｌｎ−以下に なる。先端は梁状羽根毛に装着してあり、力はその先端を観測する走査トンネル 顕微鏡に及ぼす先端の偏向の影響によって検証される。この場合、梁状羽根を２ 　ＫＨｚの固有周波数と、１　ｒｕｍより小さい振幅で２方向に振動させること が提唱されている。従って、誤差の影響を低減する搬送周波数の方法が導入され ている。この方顕微鏡では、対象物と検出系とを超高真空（即ち、約ＩＰ’　Ｐ ａ）中に導入すると、上記搬送周波数の方法が特に有利である。

予備公開されていない西独特許第３７２３９３３号明細書から、１マイクロ平方 メーターの程度の接触面で、しかも１ミリニユートンより小さい程度の接触力用 の接触検出器は公知である。この検出器では、プローブが測定面に接近した場合 、振幅が例えば１デシベル低下すると、鋭利なプローブを備えた棒状共鳴体が励 起されて長手方向の機械的な固有振動となり、接触信号が生じる０周波数の変化 も検出することができる。表面を走査することができ、その場合、振幅を一定に 制御できる。共鳴体の振動を励起し、しかも検証するため分離した電極対が装備 しである。同調の外れは、硬度検査の時に行われるように、結合媒体なしに直接 機械的な接触によって行われる。音響場、特に近接基の特性は考慮されていない 。

この発明の課題は、分解能を従来技術に比べて、完全に、しかも音波の波長に比 べて著しく上昇し、サブミクロン領域になる音響走査顕微鏡を提供することにあ る。この顕微鏡は対象物の透過特性や反射特性に無関係であって、液体状の接触 媒体なしで済ませる必要がある。

上記のｉ１題は、請求の範囲第１項の特徴構成を有する音響走査顕微鏡によって 解決されている。請求の範囲の従属項２〜１５の要旨が有利な構成である。

この発明によれば、種々の物理的な波、即ち光を含めた１を磁波のビーム源に対 する公知の近接場は、音響場の場合でも同じように生じることが見出されている 。相違点は、種々の多重極が関与している点にある。即ち、音響的な単極が音波 を発するが、電磁波に対しては少なくとも双極が必要となる。

それ故、光学走査顕微鏡で知られている分解能に関する利点は、種々の波長を考 慮すると、音響走査顕微鏡に持ち込める。

共鳴音響発振素子は、例えば時計産業で小型化された振動用水晶として作製され ている。この発振器の応用から、励起して振動状態を測定する方法も公知である 。

この発明によれば、上記の共鳴音響発振素子と対象物との間の近接場の効果を走 査顕微鏡に利用している。

公知の高分解能音響走査顕微鏡（Ｊ、　Ｋ、　Ｚｉｅｎｉｕｋ＋Ａ、　Ｌａｔｕ ｓｚｅｋ又は米国特許第４６４６５７３号明細書）に比べて、この発明の利点は 、対象物によって影響される僅かなビーム強度を検出する必要があり、このビー ム強度を大きな送信ビーム強度の強力な影響に対して識別する必要のある、独立 した受信装置を持ち込まない点にある。この発明では、送信器は対象物によって 直接影響を受け、対象物を撫でる送信した音波の受信−行われない０発振素子の 共鳴励起は連続動作中に行われる。この発振器は音響近接基の領域で検査すべき 対象物の上部に導入される。

この発明を図面に示した実施例に基づきより詳しく説明する。

第１図、対象物に平行に移動する共振素子として同調フォーク水晶を備えた音響 走査顕微鏡の模式図。

第２図、第１図に相当するが、振動方向が対象物にである模式図。

第３図、電極配置の実施例も含めて示した、角がプローブ先端として作用し、対 象物に斜めに振動する同調フォーク発振素子を備えた配置図。

第４図、一端がプローブ先端として形成された棒状振動子を有する音響走査顕微 鏡の模式図。

第５図、近接場領域にある対象物までの距離に依存する同調フォーク発振器の周 波数ずれの実験的に測定されたグラフ、この場合、効果の気体圧力依存性が重要 である。

第１図には、成る構造を有する対象物１が示しである。この対象物１の表面に平 行に、適当な間隔で端部３と４及び励起用の二つの電極５と６を備えた同調フォ ーク２が模式的に示しである。同調フォーク２の端部３と４は同調フォーク２の 共鳴周波数で対象物１の表面に平行に往復する。

同調フォーク２は、例えば圧電石英で構成されていて、励起と測定は両方の電極 ５と６による圧電効果で行われる。更に、これ等の電極には電子回路７が配設し である。この電子回路は電子的な正帰還によって同調フォーク２を励起して固有 な共鳴状態にし、この同調フォーク２の減衰も測定する。

同調フォーク２の一方の端部３には、プローブとして微細な先端８がある。この 先端は対象物１０近くで狭い間隔９まで達している。他方の端部４には、同調フ ォーク２の共鳴特性を安定化するバランス重量１０が装備しである。

ホルダー１１を介して、先端８を有する同調フォーク２が三次元位置決め装Ｒ１ ２に装着されている。

このことは、先端８を対象物１の測定間隔に設定し、格子状の運動によってこの 対象物を走査することを可能にしている０位置決め装置１２を適切に構成するこ とは、走査顕微鏡で、特に走査トンネル顕微鏡でも知られている。更に、粗調整 駆動と密調整駆動とに区分された圧電駆動動作が、音響走査顕微鏡の分解能に適 合させた精度で行われる。

第２図には、対象物１に対して垂直な振動方向の構成用の同じ構成要素の配置が 示しである。更に、同調フォーク２のみが対象物１に垂直な平面内で回転し、端 部３の先端８の配置も同じように回転している。

第３図では、同調フォーク２及び振動方向も対象物１の表面に対して斜めに傾け である。端部３の同調フォーク２０角は直接先端８ａとして利用でき、余分な部 分がないことも示しである。必要な場合には、組み込こまれている先端８ａを形 成するため、同調フォーク２の成形を最適にできる。

第１図から第３図の配置に対しては、例えばＥＴＡ社Ｓ、　Ａ、　Ｃｌ−２５４ ０Ｇｒｅｎｃｈｅｎの水晶発振素子ＤＳ−２６に使用されているような同調フォ ークが適している。

これ等の同調フォークでは、両方の電極が、第３図に模式的に示すように、多数 の部分面５ａ、５ｂ。

５ｃ；６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに配分してあり、同調フォークの両方のアームに 配分しである。従って、第１図の単純な原理配置の場合よりも、電気的な振動と 機械的な音響振動との間のより有効な結合が得られる。共鳴周波数は、３２　ｋ ｌｌｚになり、空気中の音波の波長は１ｃｍである。端部３，４の典型的な寸法 は、約０．１　ａｍである。振動の振幅は端部３，４で１μ■より小さい。

共振素子の良さくＱ値）はｓｏ、ｏｏｏより大きい。

励起させ、しかも周波数又は振幅、及び減衰を測定する回路７はこの様な共振器 にとって公知であり、市販されている。

第３図の装置では、先端８ａを特別に切り出してなく、間隔９が０．１　ｔａｇ の程度である場合、同調フォーク２の共鳴周波数は、通常の大気圧で間隔９が０ ．１　ｓｒｓの変化をすると通常２　Ｈｚはど変化する。

このことを第５図に基づきより詳しく説明する。この場合、２方向間隔分解能は 波長の一万分の−に達する。

第１図又は第２図の配置では、走査トンネル顕微鏡用の先端で通常採用されてい るように、約５０　ｎｍの先端曲率を存する先端８に仕上げた場合、約１０Ｏｎ −の間隔の範囲にわたって約５　ｎｍの間隔の分解能に達する０間隔９がほぼ先 端曲率に一致すると、横分解能も約５０　ｎｍに達する。

周波数のずれの外に、共鳴共振器の振幅変化も近接した対象物１による同調フォ ーク２の減衰に対する目安として良好に評価できる。減衰の目安は位置決め装置 １２のデータから既知である先端８の位置に付属させてあり、走査によって処理 して顕微鏡像にされる。

走査トンネル顕微鏡の場合と同じ様に、対象物１を走査する場合、走査する期間 中振動振幅又は共鳴周波数を一定に維持するように、対象物１と先端８との間の 間隔９を制御すると有利である。走査点に応じた制御信号は対象物ｌの表面の輪 郭を与える。

二の場合、高さの外に対象物１の局所的な弾性特性も原理的に与える。

他の走査顕微鏡と同じように、音響近接走査顕微鏡も対象物１０局所表面に影響 を与える可能性をもたらす、特に、局所的な音響表面波を発生させることができ る。

微細な先端８を有する構成の場合には、同調フォーク２の両端部３．４での振動 振幅は作業間隔９や分解能よりもはるかに大きい。

先端８が端部３から同調フォーク２のベースに向けて移動すると、先端の振動振 幅を減少させることができる。そうすると、近接場による同調フォーク２への影 響も減少する。

しかしながら、振動励起を電子制御することによって、この振幅を１０　ｎ−の 範囲以下に低減させることができる。同調フォーク２を高調波周波数で励起して も、小さい振幅が得られる。

好みに応じて、間隔の高分解能に対して第１図による平行振動方向か、あるいは 高い横分解能に対して第２図による垂直振動方向を選択できる。第２図の配置で は、振幅が約１μ−の場合、先端８と対象物ｌの間の平均間隔９は先端８の曲率 半径より大きい、それ故、近接場の効果は同調フォーク２の振動が対象物１の方 向に最大変位の９０％以上に達する区間で大体作用を及ぼす、しかし、反転箇所 で必要な先端８と対象物１間の最小間隔（例えば、５０　ｎｍ）は、間隔の到達 分解能（例えば、５　ｎａ＋　）よりも必ず大きい。

それ故、ヨーロッパ特許第０２２３９１８号明細書の力顕微鏡とは幾分異なり、 先端８と対象物１に損傷を与える恐れは少ない、前記力顕微鏡では、先端の動作 間隔と間隔分解能は共に大体０．１　ｎｍである。

第４図には、この発明で採用する共鳴音響発振素子が同調フォーク２でなくてよ いことを模式図にして示しである。

発振器の箇所には、真中に挟み込んだ圧電水晶棒１３がある０両端部１４と１５ は、棒１３の長手方向に交互に振動する。励起には、電極５ａ、５ｂと６ａ、６ ｂが使用される。対象物１に間隔９で対向している端部１４は先端にして形成さ れている。他の配置は第１図〜第３図に相当する。適当な振動水晶棒１３は例え ばＥＴＡ社Ｓ、　Ａ、　Ｃｌ−２５４０Ｇｒｅｎｃｈｅｎの水晶結晶発振素子Ｃ Ｘ−ＭＶ中に含まれている。この典型的な共鳴周波数は１闘２で、空気中の音波 の波長は約０．３３　ｍｍである。この様な水晶発振素子は、Ｒ，Ｊ、　Ｄｉｎ ｇｅｒ、　Ｐｒｏｃ、　３５ｔｈ　Ａｎｎ、　Ｆｒｅｑ、　ＣｏｎｔｒｏｌＳｙ ｍｐｏａｉｕｍ＋υＳＡＩＥＲＡＤＣＯＭ、　Ｆｔ、　Ｉ’１ｏｎｓ＋ｏｕｔｈ 、　ＮＪ、　Ｍａｙ１９８１、　ｐ、１４４〜にも記載されている。

機能様式は、その他の点で第１図〜第３図の例の場合と同じである。

第１〜４図にも図示した上記水晶発振素子には、逆位相の振動を励起する一対の アームないしは棒振動子で構成されると言う特異な特性がある。この水晶発振素 子は、アームないしは棒振動子の一方が対象物１と相互作用するように、音響近 接走査顕微鏡中に配設される。この結果、著しい相互作用が生じない程大きい対 象物１までの間隔では、発振素子の振動がホルダー１１（第１図）に伝達されな い。

何故なら、ホルダー１１への固定は振動の節点で行われるからである。しかしな がら、対象物１との相互作用によって発振素子の対が一方の側で負荷を受けると 、ホルダー１１への振動の伝達が生じる。この振動の伝達はホルダー１１中で減 衰する。このことは測定感度を向上させることになる。何故なら、減衰の変化は これ等の条件下で棒又はアームの振動子が対象物１との相互作用によってのみ生 じる減衰の変化より著しく大きいからである。

第５図には、空気中での同調フォーク２と対象物１との間の間隔９（Δｄ）に対 する共鳴音響発振素子の共鳴周波数の周波数のずれを表すグラフが示しである。

特殊な先端８のない第３図の同調フォーク２が、第２図の相当して、対象物１で ある湾曲した金属表面に垂直に振動する配置を用いて、測定値を得た。

Δｄ−０μ−の接触では、図示した相対間隔Δｄを校正していない。

特性曲線の圧力依存性は、結合媒体なしで有効になりえない効果である音響特性 を示している。１．５Ｐａの真空で既に、周波数は圧力４０　Ｐａ、１ｋＰａ及 び１００　ｋＰａ　（通常の圧力）のグラフに示した間隔の範囲にわたって最大 ０．０２　Ｈｚはど変わる０通常の圧力では、周波数変化がこの値の百倍に上昇 する。空気以外に、結合媒体として他の気体、例えばヘリュームも適する。音響 特性に応じて、周波数と間隔の特性曲線も変わる。

Ｆｉｇ、５ 国際調査報告 ｗ′Ｍｗ′４．．１１□　１１．　ＰｃＴ、ＤＥε９１００３９１国際調査報告 ０ε８９００３９１ ＳＡ　２９１９１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．共鳴音響発振素子の音響近接場中の対象物（１）を調べる音響走査顕微鏡に おいて、音響発振素子の減衰は対象物（１）と前記音響発振素子の相対位置に依 存して定まることを特徴とする音響走査顕微鏡。 ２．音響発振素子は、結合した音響発振素子の対で構成されていることを特徴と する請求の範囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 ３．音響発振素子は、同調フォーク（２）であること（第１，２，３図）を特徴 とする請求の範囲第２項に記載の音響走査顕微鏡。 ４．共鳴音響発振素子は、自由端（１４，１５）を有する真中を固定したアーム （１３）であること（第４図）を特徴とする請求の範囲第２項に記載の音響走査 顕微鏡。 ５．音響発振素子は、対象物（１）の表面に平行に振動すること（第１図）を特 徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 ６．音響発振素子は、対象物（１）の表面に垂直に振動すること（第２，４図） を特徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 ７．音響発振素子は、振動振幅の大きい発振素子の所定の狭い領域が対象物（１ ）に最も近接し、プローブ先端（８ａ，１４）として作用するように成形されて 対象物に対して配設してあること（第３，４図）を特徴とする請求の範囲第１項 に記載の音響走査顕微鏡。 ８．音響発振素子と対象物（１）の間には、結合媒体である気体が満たしてある ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 ９．固有共鳴振動している音響発振素子の周波数変化は、この発振素子の減衰に 対する目安として測定されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走 査顕微鏡。 １０．固有共鳴振動している音響発振素子の振幅変化は、この発振素子の減衰に 対する目安として測定されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走 査顕微鏡。 １１．対象物（１）を走査する場合、音響発振素子と対象物（１）の間の間隔（ ９）は、音響発振素子の減衰を一定の尺度に補償するように調節されることを特 徴とする請求の範囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 １２．音響発振素子は、千より大きい共鳴品質を有することを特徴とする請求の 範囲第１項に記載の音響走査顕微鏡。 １３．音響発振素子は、圧雪材料で構成されていることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の音響走査顕微鏡。 １４．音響発振素子（２，１３）は、構造を付与した二つの電極（５，６）を有 し、音響発振素子（２，１３）の励起を電子的な正帰還によって固有共鳴で動作 させる電子回路（７）に接続していることを特徴とする請求の範囲第１３項に記 載の音響走査顕微鏡。 １５．音響発振素子は相互に逆位相振動する発振素子を結合させた対で構成され 、この対は発生する振動の節点で保持され、対象物（１）と相互さようが生じな い限り、保持部に振動を伝達しないことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の 音響走査顕微鏡。