JPH0526662A - 走査型原子間力，磁気力顕微鏡及びその類似装置 - Google Patents
走査型原子間力，磁気力顕微鏡及びその類似装置Info
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- JPH0526662A JPH0526662A JP18651591A JP18651591A JPH0526662A JP H0526662 A JPH0526662 A JP H0526662A JP 18651591 A JP18651591 A JP 18651591A JP 18651591 A JP18651591 A JP 18651591A JP H0526662 A JPH0526662 A JP H0526662A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】試料とカンチレバーとの間に働く相互作用を利
用して試料の表面像を求める走査型原子間力，磁気力顕
微鏡及びその類似装置における微小力測定装置の構成及
び操作を容易なものとし，かつ測定誤差を小さくするこ
とを目的とする。 【構成】圧電体で形成したカンチレバー１が試料３に接
近すると相互作用によりカンチレバー１はたわむ。この
カンチレバー１のたわみ量を，圧電効果によって電極
４，５上に誘起される電圧を検出することで測定する。
カンチレバー１を試料３の面に沿って走査する。 【効果】カンチレバーのたわみを，カンチレバーに形成
した電極に誘起する電圧で測定するので，別個の検出系
を設ける必要がなくなり，装置が簡単になり，位置合わ
せなどの必要もなくなり，操作が容易となり，測定誤差
がない。カンチレバーを走査して精度の良い走査顕微鏡
像を得ることができる。
用して試料の表面像を求める走査型原子間力，磁気力顕
微鏡及びその類似装置における微小力測定装置の構成及
び操作を容易なものとし，かつ測定誤差を小さくするこ
とを目的とする。 【構成】圧電体で形成したカンチレバー１が試料３に接
近すると相互作用によりカンチレバー１はたわむ。この
カンチレバー１のたわみ量を，圧電効果によって電極
４，５上に誘起される電圧を検出することで測定する。
カンチレバー１を試料３の面に沿って走査する。 【効果】カンチレバーのたわみを，カンチレバーに形成
した電極に誘起する電圧で測定するので，別個の検出系
を設ける必要がなくなり，装置が簡単になり，位置合わ
せなどの必要もなくなり，操作が容易となり，測定誤差
がない。カンチレバーを走査して精度の良い走査顕微鏡
像を得ることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はカンチレバーと試料との
間に働く相互作用を利用して試料の表面像を求める走査
型原子間力顕微鏡，走査型磁気力顕微鏡及びその類似装
置に関する。
間に働く相互作用を利用して試料の表面像を求める走査
型原子間力顕微鏡，走査型磁気力顕微鏡及びその類似装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来，カンチレバーのたわみを測定する
例としては，カンチレバーの背面にＳＴＭ（scanning t
unnelling microscope）探針を配置しカンチレバーのた
わみを測定する例と，カンチレバーの背面に光を照射し
てその反射光から測定する例が知られている。ＳＴＭを
用いる例については，「特開昭６２−１３０３０２，サ
ンプル表面の像を形成する方法及び装置」において論じ
られている。カンチレバーの後ろ側にＳＴＭ探針が来る
ように配置しカンチレバーとＳＴＭ探針間に電圧をか
け，カンチレバーとＳＴＭ探針間に流れるトンネル電流
が一定になるように，即ち，ギャップが一定になるよう
に探針を制御してＳＴＭ探針の動きからカンチレバーの
たわみを測定していた。一方，光を用いる例について
は，「特願昭６２−１７０９４２，微小部力測定装置及
び形状測定装置」において論じられている。カンチレバ
ーの背面に光を照射し，その反射光の位置を検出する。
カンチレバーがたわむと，反射角が変化し反射光の検出
位置が変化することを利用したものである。従来から知
られている，上記２通りのカンチレバーの変位測定法で
は，カンチレバーと検出系であるＳＴＭ探針または光検
出系との相対的な位置が変化してしまうと，カンチレバ
ーの変位量が正確に計測できなくなるので，試料を走査
することが多かった。
例としては，カンチレバーの背面にＳＴＭ（scanning t
unnelling microscope）探針を配置しカンチレバーのた
わみを測定する例と，カンチレバーの背面に光を照射し
てその反射光から測定する例が知られている。ＳＴＭを
用いる例については，「特開昭６２−１３０３０２，サ
ンプル表面の像を形成する方法及び装置」において論じ
られている。カンチレバーの後ろ側にＳＴＭ探針が来る
ように配置しカンチレバーとＳＴＭ探針間に電圧をか
け，カンチレバーとＳＴＭ探針間に流れるトンネル電流
が一定になるように，即ち，ギャップが一定になるよう
に探針を制御してＳＴＭ探針の動きからカンチレバーの
たわみを測定していた。一方，光を用いる例について
は，「特願昭６２−１７０９４２，微小部力測定装置及
び形状測定装置」において論じられている。カンチレバ
ーの背面に光を照射し，その反射光の位置を検出する。
カンチレバーがたわむと，反射角が変化し反射光の検出
位置が変化することを利用したものである。従来から知
られている，上記２通りのカンチレバーの変位測定法で
は，カンチレバーと検出系であるＳＴＭ探針または光検
出系との相対的な位置が変化してしまうと，カンチレバ
ーの変位量が正確に計測できなくなるので，試料を走査
することが多かった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記ＳＴＭ探針を用い
る検出法では，カンチレバーの後ろ側にＳＴＭ探針及び
ＳＴＭユニットを配置し，さらにカンチレバーとＳＴＭ
探針の位置合わせをするための移動機構が必要であっ
た。そのため装置構成及び操作が複雑となっていた。ま
た，カンチレバーの背面も原子レベルで見れば必ず凹凸
が有り，カンチレバーとＳＴＭ探針の相対的位置を原子
レベルで一定に保つことは不可能であることから，カン
チレバーのたわみをＳＴＭ探針で測定する際に，カンチ
レバーの背面の凹凸が測定誤差として含まれている危惧
があった。一方，光を用いる例では，光源及び検出器を
カンチレバー後方に配置し，かつ光路を確保する必要が
あった。カンチレバー，光源および検出器の位置合わせ
のための移動機構と調整が必要であることは言うまでも
ない。
る検出法では，カンチレバーの後ろ側にＳＴＭ探針及び
ＳＴＭユニットを配置し，さらにカンチレバーとＳＴＭ
探針の位置合わせをするための移動機構が必要であっ
た。そのため装置構成及び操作が複雑となっていた。ま
た，カンチレバーの背面も原子レベルで見れば必ず凹凸
が有り，カンチレバーとＳＴＭ探針の相対的位置を原子
レベルで一定に保つことは不可能であることから，カン
チレバーのたわみをＳＴＭ探針で測定する際に，カンチ
レバーの背面の凹凸が測定誤差として含まれている危惧
があった。一方，光を用いる例では，光源及び検出器を
カンチレバー後方に配置し，かつ光路を確保する必要が
あった。カンチレバー，光源および検出器の位置合わせ
のための移動機構と調整が必要であることは言うまでも
ない。
【０００４】本発明の目的は，カンチレバーのたわみを
上記ＳＴＭユニットや光検出器を用いることなく検出す
ることにより，装置構成及び操作を容易なものとし，か
つ測定誤差を小さくすることのできるカンチレバー及び
それを用いた走査型原子間力，磁気力顕微鏡を提供する
ことにある。
上記ＳＴＭユニットや光検出器を用いることなく検出す
ることにより，装置構成及び操作を容易なものとし，か
つ測定誤差を小さくすることのできるカンチレバー及び
それを用いた走査型原子間力，磁気力顕微鏡を提供する
ことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，本発明では，カンチレバーを圧電体により形成し，
あるいはカンチレバーに一体的に圧電体を取り付け，こ
の圧電体の表面及び背面に形成されている電極間に，カ
ンチレバーのたわみにより誘起される電圧を測定するこ
とで，カンチレバーに働く微小力を検出する構成とす
る。
に，本発明では，カンチレバーを圧電体により形成し，
あるいはカンチレバーに一体的に圧電体を取り付け，こ
の圧電体の表面及び背面に形成されている電極間に，カ
ンチレバーのたわみにより誘起される電圧を測定するこ
とで，カンチレバーに働く微小力を検出する構成とす
る。
【０００６】
【作用】カンチレバーの変位をカンチレバー表面及び背
面に形成された電極間に誘起される電圧で測定するの
で，カンチレバーの変位を測定するためのＳＴＭユニッ
トや，光検出器などがいらなくなり，装置構成及び操作
が容易になる。さらに，カンチレバーのたわみをカンチ
レバー自身に起因する電圧で測定するので，測定誤差も
小さくなる。さらに，カンチレバー単体で測定できるの
で，従来は走査顕微鏡像を形成する際に，カンチレバー
と検出器との相対的な位置を一定に保つ必要性から試料
を走査していたが，本発明を用いれば，カンチレバーを
走査することによって精度良く像を得ることができる。
さらに，カンチレバーは試料に比べて軽くて小さいので
高速に走査できるようになる。
面に形成された電極間に誘起される電圧で測定するの
で，カンチレバーの変位を測定するためのＳＴＭユニッ
トや，光検出器などがいらなくなり，装置構成及び操作
が容易になる。さらに，カンチレバーのたわみをカンチ
レバー自身に起因する電圧で測定するので，測定誤差も
小さくなる。さらに，カンチレバー単体で測定できるの
で，従来は走査顕微鏡像を形成する際に，カンチレバー
と検出器との相対的な位置を一定に保つ必要性から試料
を走査していたが，本発明を用いれば，カンチレバーを
走査することによって精度良く像を得ることができる。
さらに，カンチレバーは試料に比べて軽くて小さいので
高速に走査できるようになる。
【０００７】
【実施例】以下，本発明の走査型原子間力顕微鏡の一実
施例を図１により説明する。図中，１は圧電体から成る
カンチレバーであって，その先端に探針２が形成されて
いる。探針２は試料３に対向している。カンチレバー１
は２μｍ程度と非常に薄く形成されているので，探針２
を試料３の表面に近づけると，探針２と試料３の表面と
の間に働く微弱な相互作用によって，カンチレバー１の
先端部はたわむ。４，５はカンチレバー１の表面と背面
とに取付けられた電極であって，カンチレバー１がたわ
むことによって誘起される電圧９（Ｖ）を検出する。こ
の誘起される電圧９はカンチレバー１のたわみ量の大き
さに依存しており，この電圧９によりカンチレバーのた
わみ量を知ることができる。この電極上に誘起された電
圧９は電圧検出器１０により検出され，あらかじめ設定
された目標電圧１１と比較器１２において比較される。
検出された電圧９と目標電圧１１が同じになるように，
制御回路１３から圧電素子６に制御電圧１４（Ｖz）が
印加される。なお，７，８は走査用の圧電素子であっ
て，圧電素子６，７，８からなるスキャナーの先端にカ
ンチレバー１の後端部が固定保持されており，この７，
８を用いてカンチレバー１を試料面（ＸＹ面）に沿って
走査することによって走査顕微鏡像を得ることができ
る。このようにカンチレバーのたわみをカンチレバー自
身に誘起される電圧で測定するので，別にカンチレバー
のたわみを検出するための検出系を必要としない。さら
に，カンチレバーに誘起される電圧は，カンチレバーの
たわみ量と一義的な対応関係にあるので，従来のように
カンチレバーと検出系との間で発生していた誤差もなく
測定できる。さらに，従来はカンチレバーと，カンチレ
バーのたわみを検出する系との相対的な位置を一定に保
つ必要が有ったので，試料を走査することが多かった
が，本発明ではその必要がないので，カンチレバーを走
査することによって走査顕微鏡像を得ることができる。
このことにより，次のような効果も得られる。即ち，カ
ンチレバーは試料よりも小さく，軽いので，走査が容易
になり，高速走査することも可能になる。さらに，試料
を走査する場合には観察する場所によってスキャナーの
支点，即ち，回転中心からの距離が異なるので，同じよ
うにスキャナーを走査しても実際の測定点におけるたわ
み量が異なるという問題があった。しかし，カンチレバ
ーを走査することにより，試料の観察場所に依存したそ
のような誤差は現れない。本発明を用いればカンチレバ
ーのたわみの検出を誤差なく検出できるので，試料を走
査することによっても従来より少ない誤差で走査顕微鏡
像を得ることができるが，上述の理由からカンチレバー
を走査する方が望ましい。ここではトライポッド型のス
キャナーを用いてカンチレバーの走査及び制御を行う例
について説明したが，円筒型のスキャナー等を用いて行
っても同様の効果が得られる。
施例を図１により説明する。図中，１は圧電体から成る
カンチレバーであって，その先端に探針２が形成されて
いる。探針２は試料３に対向している。カンチレバー１
は２μｍ程度と非常に薄く形成されているので，探針２
を試料３の表面に近づけると，探針２と試料３の表面と
の間に働く微弱な相互作用によって，カンチレバー１の
先端部はたわむ。４，５はカンチレバー１の表面と背面
とに取付けられた電極であって，カンチレバー１がたわ
むことによって誘起される電圧９（Ｖ）を検出する。こ
の誘起される電圧９はカンチレバー１のたわみ量の大き
さに依存しており，この電圧９によりカンチレバーのた
わみ量を知ることができる。この電極上に誘起された電
圧９は電圧検出器１０により検出され，あらかじめ設定
された目標電圧１１と比較器１２において比較される。
検出された電圧９と目標電圧１１が同じになるように，
制御回路１３から圧電素子６に制御電圧１４（Ｖz）が
印加される。なお，７，８は走査用の圧電素子であっ
て，圧電素子６，７，８からなるスキャナーの先端にカ
ンチレバー１の後端部が固定保持されており，この７，
８を用いてカンチレバー１を試料面（ＸＹ面）に沿って
走査することによって走査顕微鏡像を得ることができ
る。このようにカンチレバーのたわみをカンチレバー自
身に誘起される電圧で測定するので，別にカンチレバー
のたわみを検出するための検出系を必要としない。さら
に，カンチレバーに誘起される電圧は，カンチレバーの
たわみ量と一義的な対応関係にあるので，従来のように
カンチレバーと検出系との間で発生していた誤差もなく
測定できる。さらに，従来はカンチレバーと，カンチレ
バーのたわみを検出する系との相対的な位置を一定に保
つ必要が有ったので，試料を走査することが多かった
が，本発明ではその必要がないので，カンチレバーを走
査することによって走査顕微鏡像を得ることができる。
このことにより，次のような効果も得られる。即ち，カ
ンチレバーは試料よりも小さく，軽いので，走査が容易
になり，高速走査することも可能になる。さらに，試料
を走査する場合には観察する場所によってスキャナーの
支点，即ち，回転中心からの距離が異なるので，同じよ
うにスキャナーを走査しても実際の測定点におけるたわ
み量が異なるという問題があった。しかし，カンチレバ
ーを走査することにより，試料の観察場所に依存したそ
のような誤差は現れない。本発明を用いればカンチレバ
ーのたわみの検出を誤差なく検出できるので，試料を走
査することによっても従来より少ない誤差で走査顕微鏡
像を得ることができるが，上述の理由からカンチレバー
を走査する方が望ましい。ここではトライポッド型のス
キャナーを用いてカンチレバーの走査及び制御を行う例
について説明したが，円筒型のスキャナー等を用いて行
っても同様の効果が得られる。
【０００８】図２は，従来のカンチレバーのたわみを検
出する手段の主要部の斜視図である。例えば，カンチレ
バー２１のたわみは，カンチレバー２１とその背面に設
置されたＳＴＭ探針２２との間に流れるトンネル電流が
一定になるようにＳＴＭ探針の位置を制御し，ＳＴＭ探
針の動きからカンチレバーのたわみを検出していた。し
かし，この場合には次のような問題があった。カンチレ
バーのたわみをトンネル電流を介して検出しているが，
トンネル電流は必ずしも距離だけの関数ではないことか
ら測定誤差が含まれている可能性があった。さらに，カ
ンチレバー２１とＳＴＭ探針２２との相対的な位置を一
定に保つ必要があるが，その相対的な位置を一定に保ち
ながらカンチレバー２１とＳＴＭ探針２２を同時に走査
することは不可能であるので，カンチレバーとＳＴＭ探
針の相対的な位置のずれから来る測定誤差を少なくする
ために，走査顕微鏡像を得る際に試料を走査することが
多かった。また，試料を走査することとしても，装置の
わずかな熱膨張などを考えると原子レベルでカンチレバ
ーとＳＴＭ探針の相対的な位置を一定に保つ事は不可能
であり，そのような意味で必ず測定誤差が含まれること
になる。
出する手段の主要部の斜視図である。例えば，カンチレ
バー２１のたわみは，カンチレバー２１とその背面に設
置されたＳＴＭ探針２２との間に流れるトンネル電流が
一定になるようにＳＴＭ探針の位置を制御し，ＳＴＭ探
針の動きからカンチレバーのたわみを検出していた。し
かし，この場合には次のような問題があった。カンチレ
バーのたわみをトンネル電流を介して検出しているが，
トンネル電流は必ずしも距離だけの関数ではないことか
ら測定誤差が含まれている可能性があった。さらに，カ
ンチレバー２１とＳＴＭ探針２２との相対的な位置を一
定に保つ必要があるが，その相対的な位置を一定に保ち
ながらカンチレバー２１とＳＴＭ探針２２を同時に走査
することは不可能であるので，カンチレバーとＳＴＭ探
針の相対的な位置のずれから来る測定誤差を少なくする
ために，走査顕微鏡像を得る際に試料を走査することが
多かった。また，試料を走査することとしても，装置の
わずかな熱膨張などを考えると原子レベルでカンチレバ
ーとＳＴＭ探針の相対的な位置を一定に保つ事は不可能
であり，そのような意味で必ず測定誤差が含まれること
になる。
【０００９】また，図２で２３はカンチレバーの背面に
入射する光であり，反射光２４を検出してカンチレバー
のたわみを検出する。この場合も光源及び検出器とカン
チレバーの相対的な位置を一定に保つ必要があるが，原
子レベルでそれを行うことは不可能であり，誤差が必ず
含まれることになる。
入射する光であり，反射光２４を検出してカンチレバー
のたわみを検出する。この場合も光源及び検出器とカン
チレバーの相対的な位置を一定に保つ必要があるが，原
子レベルでそれを行うことは不可能であり，誤差が必ず
含まれることになる。
【００１０】図３は本発明で使用するカンチレバーの別
の実施例を示す図である。２１は薄膜のカンチレバーで
ある。カンチレバー２１に，圧電体２５及び電極２６，
２７からなる変位検出部が取付けられている。図では分
かりやすくするために，変位検出部がカンチレバーと比
較して同程度の大きさに書いてあるが，実際には，変位
検出部は，カンチレバー２１がたわむ際にそのたわみを
妨げない程度の大きさである必要がある。カンチレバー
２１がたわむとカンチレバー２１に取付けられた変位検
出部も同時にたわむ。すると，圧電体２５の表面に形成
された電極２６，２７に電圧が発生し，その電圧の大き
さから，圧電体２５のたわみ量が分かる。圧電体２５の
たわみ量とカンチレバー２１のたわみ量の大きさは，一
義的に結び付いているので，従来のようにカンチレバー
と検出系が離れていることから起こる前述したような測
定誤差が発生しない。図では短冊状のカンチレバーを用
いて説明したが，カンチレバーの形状の違いは問題では
なく，カンチレバーに圧電体からなる変位検出部を取付
けたことが本発明の特徴である。
の実施例を示す図である。２１は薄膜のカンチレバーで
ある。カンチレバー２１に，圧電体２５及び電極２６，
２７からなる変位検出部が取付けられている。図では分
かりやすくするために，変位検出部がカンチレバーと比
較して同程度の大きさに書いてあるが，実際には，変位
検出部は，カンチレバー２１がたわむ際にそのたわみを
妨げない程度の大きさである必要がある。カンチレバー
２１がたわむとカンチレバー２１に取付けられた変位検
出部も同時にたわむ。すると，圧電体２５の表面に形成
された電極２６，２７に電圧が発生し，その電圧の大き
さから，圧電体２５のたわみ量が分かる。圧電体２５の
たわみ量とカンチレバー２１のたわみ量の大きさは，一
義的に結び付いているので，従来のようにカンチレバー
と検出系が離れていることから起こる前述したような測
定誤差が発生しない。図では短冊状のカンチレバーを用
いて説明したが，カンチレバーの形状の違いは問題では
なく，カンチレバーに圧電体からなる変位検出部を取付
けたことが本発明の特徴である。
【００１１】一方，圧電素子は静的な圧力で発生する電
圧に対して徐々にその電圧が減衰すると言う性質を持っ
ているので探針，試料間隔を交番変動させる方法が有効
となる。図４は，カンチレバーを交番変動させる場合の
本発明走査型原子間力顕微鏡の実施例を示す図である。
圧電体２５及び電極２６，２７からなる変位検出部が取
付けられたカンチレバー２１の後端部はカンチレバー２
１をＺ方向に交番変動させるための圧電素子２８に取付
けられている。カンチレバー２１を試料３の表面に相互
作用が働く程度にまで近づけ，圧電素子２８によりカン
チレバーを交番変動させる。その際の変動は，カンチレ
バーと試料表面との間で相互作用が働く領域内で行うこ
とが大切である。相互作用の大きさは，距離に対して線
形ではないので，圧電素子２８による交番変動量が同じ
でも交番変動を行う位置，即ち，カンチレバー２１と試
料３の間隔によって，交番変動によるカンチレバー２１
のたわみ量，即ち，変位検出部に誘起される電圧９の変
動値δＶ（ω）９′も変化する。例えば，この変動値δ
Ｖ（ω）９′が一定になるように圧電素子６を用いてＺ
方向の制御を行い，圧電素子７，８を用いてカンチレバ
ー２１を試料３の面に沿って走査すれば，表面の微細構
造像が得られることになる。なお，交番変動は，交流発
信回路２９により，圧電素子２８に交番変動用電圧３
１，Ｖｋ（ω）を印加することにより行う。交番変動に
より変位検出部に誘起される電圧δＶ（ω）は，電圧検
出器１０で電圧Ｖ＋δＶ（ω）として検出されたのち，
この電圧を回路３０において発信回路２９の周波数ωで
同期検波することにより取り出される。制御回路１３
で，δＶ（ω）９′が一定になるようにカンチレバー２
１の位置を制御するわけである。交番変動の周期を圧電
素子に発生した電圧が減衰していく周期よりも充分はや
くすれば，δＶ（ω）９′にはそのような減衰の影響は
現れないので，検出感度は高くなり，より微小な力を検
出する場合極めて有効になる。図４では，カンチレバー
を交番変動させるために別個の圧電素子を用いたが，Ｚ
方向制御用の圧電素子６に交番変動用の電圧Ｖｋ（ω）
を制御用電圧１４（Ｖz）に加えて印加しても良い。ま
た，本実施例では，カンチレバーを変動させたが，試料
を変動させても良い。要は，カンチレバーと試料間の距
離を，圧電素子に誘起された電圧が減衰してしまう影響
を無視できる速さ以上で，交番変動させることである。
圧に対して徐々にその電圧が減衰すると言う性質を持っ
ているので探針，試料間隔を交番変動させる方法が有効
となる。図４は，カンチレバーを交番変動させる場合の
本発明走査型原子間力顕微鏡の実施例を示す図である。
圧電体２５及び電極２６，２７からなる変位検出部が取
付けられたカンチレバー２１の後端部はカンチレバー２
１をＺ方向に交番変動させるための圧電素子２８に取付
けられている。カンチレバー２１を試料３の表面に相互
作用が働く程度にまで近づけ，圧電素子２８によりカン
チレバーを交番変動させる。その際の変動は，カンチレ
バーと試料表面との間で相互作用が働く領域内で行うこ
とが大切である。相互作用の大きさは，距離に対して線
形ではないので，圧電素子２８による交番変動量が同じ
でも交番変動を行う位置，即ち，カンチレバー２１と試
料３の間隔によって，交番変動によるカンチレバー２１
のたわみ量，即ち，変位検出部に誘起される電圧９の変
動値δＶ（ω）９′も変化する。例えば，この変動値δ
Ｖ（ω）９′が一定になるように圧電素子６を用いてＺ
方向の制御を行い，圧電素子７，８を用いてカンチレバ
ー２１を試料３の面に沿って走査すれば，表面の微細構
造像が得られることになる。なお，交番変動は，交流発
信回路２９により，圧電素子２８に交番変動用電圧３
１，Ｖｋ（ω）を印加することにより行う。交番変動に
より変位検出部に誘起される電圧δＶ（ω）は，電圧検
出器１０で電圧Ｖ＋δＶ（ω）として検出されたのち，
この電圧を回路３０において発信回路２９の周波数ωで
同期検波することにより取り出される。制御回路１３
で，δＶ（ω）９′が一定になるようにカンチレバー２
１の位置を制御するわけである。交番変動の周期を圧電
素子に発生した電圧が減衰していく周期よりも充分はや
くすれば，δＶ（ω）９′にはそのような減衰の影響は
現れないので，検出感度は高くなり，より微小な力を検
出する場合極めて有効になる。図４では，カンチレバー
を交番変動させるために別個の圧電素子を用いたが，Ｚ
方向制御用の圧電素子６に交番変動用の電圧Ｖｋ（ω）
を制御用電圧１４（Ｖz）に加えて印加しても良い。ま
た，本実施例では，カンチレバーを変動させたが，試料
を変動させても良い。要は，カンチレバーと試料間の距
離を，圧電素子に誘起された電圧が減衰してしまう影響
を無視できる速さ以上で，交番変動させることである。
【００１２】以上のように本実施例によれば，装置構成
が簡単になり，さらにカンチレバーと検出系との位置あ
わせが必要ではなくなるので，操作も容易になる。さら
に装置構成が簡単であることから，走査型電子顕微鏡な
ど他の装置との複合化も容易になる。
が簡単になり，さらにカンチレバーと検出系との位置あ
わせが必要ではなくなるので，操作も容易になる。さら
に装置構成が簡単であることから，走査型電子顕微鏡な
ど他の装置との複合化も容易になる。
【００１３】以上，走査型原子間力顕微鏡の実施例を述
べてきたが，この場合の試料３としては，金属材料，半
導体材料，誘電体材料その他の化学的合成材料など全て
の固体材料を用いることができ，もちろん，非磁性材
料，磁性材料のいずれに対しても適用でき，それぞれの
表面像を求めることができる。
べてきたが，この場合の試料３としては，金属材料，半
導体材料，誘電体材料その他の化学的合成材料など全て
の固体材料を用いることができ，もちろん，非磁性材
料，磁性材料のいずれに対しても適用でき，それぞれの
表面像を求めることができる。
【００１４】一方，試料３が磁性体である場合は，カン
チレバーの先端部に磁性体を設けることで，試料とカン
チレバーとの間に働く微小な磁気力を，前述の図１，図
４と同様な装置構成で測定して試料の表面像を得る走査
型磁気力顕微鏡となる。磁気力は原子間力よりも，より
遠隔作用として働くので，例えば，情報記録用の磁気テ
ープなどの表面像を，走査型原子間力顕微鏡と走査型磁
気力顕微鏡の両者を併用して測定するようにすれば，極
めて有用な表面解析データが入手できることになる。こ
の場合に用いるカンチレバーとしては，例えば，図１の
実施例に対応するものとして，薄厚の圧電体の表面と背
面に薄膜電極を形成し，かつ，この圧電体の先端部に磁
性体を設けるか，あるいは先端部に設ける探針２を磁性
体としたものをカンチレバーとし，また，図４の実施例
に対応するものとして，薄厚の圧電体の表面と背面に薄
膜電極を形成したものを薄厚の短冊片の一方の側面に一
体的に固着し，かつ，この短冊片の先端部に磁性体を設
けるか，あるいは先端部に設ける探針２を磁性体とした
ものをカンチレバーとすれば良い。
チレバーの先端部に磁性体を設けることで，試料とカン
チレバーとの間に働く微小な磁気力を，前述の図１，図
４と同様な装置構成で測定して試料の表面像を得る走査
型磁気力顕微鏡となる。磁気力は原子間力よりも，より
遠隔作用として働くので，例えば，情報記録用の磁気テ
ープなどの表面像を，走査型原子間力顕微鏡と走査型磁
気力顕微鏡の両者を併用して測定するようにすれば，極
めて有用な表面解析データが入手できることになる。こ
の場合に用いるカンチレバーとしては，例えば，図１の
実施例に対応するものとして，薄厚の圧電体の表面と背
面に薄膜電極を形成し，かつ，この圧電体の先端部に磁
性体を設けるか，あるいは先端部に設ける探針２を磁性
体としたものをカンチレバーとし，また，図４の実施例
に対応するものとして，薄厚の圧電体の表面と背面に薄
膜電極を形成したものを薄厚の短冊片の一方の側面に一
体的に固着し，かつ，この短冊片の先端部に磁性体を設
けるか，あるいは先端部に設ける探針２を磁性体とした
ものをカンチレバーとすれば良い。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば，従来のようなカンチレ
バーのたわみを検出するための検出系が不要となるので
装置構成が簡単になり，位置合わせなどの必要もなくな
るので操作が容易になる。また，カンチレバーのたわみ
を，カンチレバー自身に誘起される電圧で測定するので
測定誤差がない。さらに本発明によればカンチレバーを
走査することによってもカンチレバーのたわみを誤差な
く検出できるので，試料を走査するよりも，正確かつ高
速に走査できる。さらに装置構成が簡単なことから他の
装置との複合が容易になる。
バーのたわみを検出するための検出系が不要となるので
装置構成が簡単になり，位置合わせなどの必要もなくな
るので操作が容易になる。また，カンチレバーのたわみ
を，カンチレバー自身に誘起される電圧で測定するので
測定誤差がない。さらに本発明によればカンチレバーを
走査することによってもカンチレバーのたわみを誤差な
く検出できるので，試料を走査するよりも，正確かつ高
速に走査できる。さらに装置構成が簡単なことから他の
装置との複合が容易になる。
【図１】本発明の一実施例の主要部を示す図。
【図２】従来のカンチレバーの斜視図。
【図３】本発明におけるカンチレバーの他の実施例を示
す斜視図。
す斜視図。
【図４】カンチレバーを加振する場合の本発明の一実施
例の主要部を示す図。
例の主要部を示す図。
１，２１…カンチレバー
２…探針
３…試料
４，５…電極
６〜８…圧電素子
９…検出電圧
１０…電圧検出器
１１…目標電圧
１２…比較器
１３…制御回路
１４…制御電圧
２２…ＳＴＭ探針
２３…入射光
２４…反射光
２５，２８…圧電素子
２６，２７…電極
２９…交流発信回路
３０…同期検波回路
３１…交番変動用電圧
Claims (8)
- 【請求項１】試料とカンチレバーとの間に働く相互作用
を利用して試料の表面像を求める走査型原子間力顕微鏡
において，薄厚の圧電体の表面と背面に薄膜電極を形成
したものをカンチレバーとし，このカンチレバーのたわ
みにより上記両電極間に誘起する電圧を検出して，試料
とカンチレバーとの間に働く微小力を求めることを特徴
とする走査型原子間力顕微鏡。 - 【請求項２】試料とカンチレバーとの間に働く相互作用
を利用して試料の表面像を求める走査型原子間力顕微鏡
において，薄厚の圧電体の表面と背面に薄膜電極を形成
したものを薄厚の短冊片の一方の側面に一体的に固着し
てカンチレバーとし，このカンチレバーのたわみにより
上記両電極間に誘起する電圧を検出して，試料とカンチ
レバーとの間に働く微小力を求めることを特徴とする走
査型原子間力顕微鏡。 - 【請求項３】請求項１または２記載のカンチレバーを試
料面に沿って走査して走査顕微鏡像を求めることを特徴
とする走査型原子間力顕微鏡。 - 【請求項４】請求項１または２記載のカンチレバーの両
電極間に誘起する直流電圧値と設定された目標電圧値と
の差を求める比較器と，この差信号を用いて，試料とカ
ンチレバーとの間のギャップが一定値を保つようにカン
チレバーの支持端部を試料面に対して垂直方向に変位制
御する制御手段を備えたことを特徴とする走査型原子間
力顕微鏡。 - 【請求項５】請求項１または２記載のカンチレバーの支
持端部を試料面に対して垂直方向に交流加振する手段
と，前記両電極間に誘起する交流信号を検出する手段
と，この交流信号を上記交流加振の周波数で同期検波す
る手段と，この検波して取り出される交流信号が一定値
を保つようにカンチレバーの支持端部を試料面に対して
垂直方向に変位制御する制御手段とを備えたことを特徴
とする走査型原子間力顕微鏡。 - 【請求項６】磁性体から成る試料と，先端部が磁性体か
ら成るカンチレバーとの間に働く磁気相互作用を利用し
て試料の表面像を求める走査型磁気力顕微鏡において，
薄厚の圧電体の表面と背面に薄膜電極を形成し，かつ，
上記圧電体の先端部に磁性体を設けるかあるいは先端部
に設ける探針を磁性体としたものをカンチレバーとし，
このカンチレバーのたわみにより上記両電極間に誘起す
る電圧を検出して，試料とカンチレバーとの間に働く微
小力を求めることを特徴とする走査型磁気力顕微鏡。 - 【請求項７】磁性体から成る試料と，先端部が磁性体か
ら成るカンチレバーとの間に働く磁気相互作用を利用し
て試料の表面像を求める走査型磁気力顕微鏡において，
薄厚の圧電体の表面と背面に薄膜電極を形成したものを
薄厚の短冊片の一方の側面に一体的に固着し，かつ，上
記短冊片の先端部に磁性体を設けるかあるいは先端部に
設ける探針を磁性体としたものをカンチレバーとし，こ
のカンチレバーのたわみにより上記両電極間に誘起する
電圧を検出して，試料とカンチレバーとの間に働く微小
力を求めることを特徴とする走査型磁気力顕微鏡。 - 【請求項８】請求項６または７記載のカンチレバーを試
料面に沿って走査して走査顕微鏡像を求めることを特徴
とする走査型磁気力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18651591A JPH0526662A (ja) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | 走査型原子間力，磁気力顕微鏡及びその類似装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18651591A JPH0526662A (ja) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | 走査型原子間力，磁気力顕微鏡及びその類似装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0526662A true JPH0526662A (ja) | 1993-02-02 |
Family
ID=16189849
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18651591A Pending JPH0526662A (ja) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | 走査型原子間力，磁気力顕微鏡及びその類似装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0526662A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0616192A1 (en) * | 1993-03-19 | 1994-09-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Scanning probe microscope and method for measuring surfaces by using this microscope |
| US5537863A (en) * | 1993-07-15 | 1996-07-23 | Nikon Corporation | Scanning probe microscope having a cantilever used therein |
| US5656769A (en) * | 1994-08-11 | 1997-08-12 | Nikon Corporation | Scanning probe microscope |
| EP1247063A1 (en) * | 1999-12-22 | 2002-10-09 | MFI Technologies Corporation | Scanning force microscope probe cantilever with reflective structure |
| KR100785007B1 (ko) * | 2005-02-05 | 2007-12-12 | 삼성전자주식회사 | 센싱 스위치 및 그를 이용한 검출방법 |
| JP2016099220A (ja) * | 2014-11-21 | 2016-05-30 | 株式会社島津製作所 | 走査型プローブ顕微鏡 |
-
1991
- 1991-07-25 JP JP18651591A patent/JPH0526662A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0616192A1 (en) * | 1993-03-19 | 1994-09-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Scanning probe microscope and method for measuring surfaces by using this microscope |
| US5468959A (en) * | 1993-03-19 | 1995-11-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Scanning probe microscope and method for measuring surfaces by using this microscope |
| US5537863A (en) * | 1993-07-15 | 1996-07-23 | Nikon Corporation | Scanning probe microscope having a cantilever used therein |
| US5656769A (en) * | 1994-08-11 | 1997-08-12 | Nikon Corporation | Scanning probe microscope |
| US6018991A (en) * | 1994-08-11 | 2000-02-01 | Nikon Corporation | Scanning probe microscope having cantilever attached to driving member |
| EP1247063A1 (en) * | 1999-12-22 | 2002-10-09 | MFI Technologies Corporation | Scanning force microscope probe cantilever with reflective structure |
| EP1247063A4 (en) * | 1999-12-22 | 2005-03-23 | Suss Microtec Test Sys Gmbh | GRID MICROSCOPE ARM WITH REFLECTIVE STRUCTURE |
| KR100785007B1 (ko) * | 2005-02-05 | 2007-12-12 | 삼성전자주식회사 | 센싱 스위치 및 그를 이용한 검출방법 |
| JP2016099220A (ja) * | 2014-11-21 | 2016-05-30 | 株式会社島津製作所 | 走査型プローブ顕微鏡 |
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