JPH06103176B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
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- JPH06103176B2 JPH06103176B2 JP63088364A JP8836488A JPH06103176B2 JP H06103176 B2 JPH06103176 B2 JP H06103176B2 JP 63088364 A JP63088364 A JP 63088364A JP 8836488 A JP8836488 A JP 8836488A JP H06103176 B2 JPH06103176 B2 JP H06103176B2
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- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
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- G01Q10/065—Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
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- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
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- Y10S977/863—Atomic force probe
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、一般に原子間力顕微鏡に関するものであり、
より具体的には、原子間力顕微鏡の動作中に生じる力ま
たはたわみあるいはその両方を測定する手段に関する。
測定は水晶発振子に取り付けた尖ったチップによって行
なわれる。
より具体的には、原子間力顕微鏡の動作中に生じる力ま
たはたわみあるいはその両方を測定する手段に関する。
測定は水晶発振子に取り付けた尖ったチップによって行
なわれる。
B.従来技術およびその問題点 G.ビンニッヒ（Binning）が（欧州特許出願第86110276.
2号）で提案し、フィジカル・レビュー・レターズ（Phy
s.Rev.Letters）第56巻、第９号、1986年３月、930〜93
3頁に所載のG.ビンニッヒ、C.F.クェイト（Quate）、C
h.ゲルバ（Gerber）の論文に記載されている原子間力顕
微鏡は、ばね状片持ちばりに取り付けた鋭く尖ったチッ
プを用いて、検査しようとする表面のプロフィルを走査
する。そのときの距離でチップの頂点にある原子と表面
にある原子の間に引力または斥力が生じ、片持ちばりに
非常に小さなたわみが生じる。ビンニッヒの提案では、
トンネル顕微鏡によってこのたわみを測定する。つまり
導電性トンネル・チップを片持ちばりの背面からトンネ
ル距離内の所に配置し、トンネル電流の変動を利用して
たわみを決定する。片持ちばりの特性が既知の場合、原
子間力顕微鏡のチップと検査中の表面の間に生じる力が
決定できる。
2号）で提案し、フィジカル・レビュー・レターズ（Phy
s.Rev.Letters）第56巻、第９号、1986年３月、930〜93
3頁に所載のG.ビンニッヒ、C.F.クェイト（Quate）、C
h.ゲルバ（Gerber）の論文に記載されている原子間力顕
微鏡は、ばね状片持ちばりに取り付けた鋭く尖ったチッ
プを用いて、検査しようとする表面のプロフィルを走査
する。そのときの距離でチップの頂点にある原子と表面
にある原子の間に引力または斥力が生じ、片持ちばりに
非常に小さなたわみが生じる。ビンニッヒの提案では、
トンネル顕微鏡によってこのたわみを測定する。つまり
導電性トンネル・チップを片持ちばりの背面からトンネ
ル距離内の所に配置し、トンネル電流の変動を利用して
たわみを決定する。片持ちばりの特性が既知の場合、原
子間力顕微鏡のチップと検査中の表面の間に生じる力が
決定できる。
尖ったチップと表面の間に生じる力は、通常、ファン・
デル・ワールス力や共有結合力やイオン結合力や斥力型
核相互作用力として記述されている。（チップの頂点に
ある）単一原子を表面へ原子間隔まで近接させるのに要
するエネルギーは、Ｅ０＝0.01ないし10eV＝10−22ない
し10−18ジュールの範囲にある。対応する距離は、Ｘ０
＝10ないし1000pm（ピコメートル）＝0.01ないし1nmと
いうサブナノメートルの範囲にある。したがって、当該
の力、すなわちポテンシャル関数の１次導関数は、Ｋ０
＝10pNないし10nNの範囲にある。その結果得られる原子
的「ばね定数」、すなわちポテンシャル関数の２次導関
数は、Ｃ０＝100ないし0.01N/mの範囲にある。これらの
データは、表面の研究および弾性定数の値など他の多く
の出所から導き出すことができる。
デル・ワールス力や共有結合力やイオン結合力や斥力型
核相互作用力として記述されている。（チップの頂点に
ある）単一原子を表面へ原子間隔まで近接させるのに要
するエネルギーは、Ｅ０＝0.01ないし10eV＝10−22ない
し10−18ジュールの範囲にある。対応する距離は、Ｘ０
＝10ないし1000pm（ピコメートル）＝0.01ないし1nmと
いうサブナノメートルの範囲にある。したがって、当該
の力、すなわちポテンシャル関数の１次導関数は、Ｋ０
＝10pNないし10nNの範囲にある。その結果得られる原子
的「ばね定数」、すなわちポテンシャル関数の２次導関
数は、Ｃ０＝100ないし0.01N/mの範囲にある。これらの
データは、表面の研究および弾性定数の値など他の多く
の出所から導き出すことができる。
本発明の一目的は、原子間力顕微鏡として使用できる
が、検出のために片持ちばりもトンネリングも用いない
力測定測装置を記述することにある。
が、検出のために片持ちばりもトンネリングも用いない
力測定測装置を記述することにある。
C.問題点を解決するための手段 したがって、本発明は、検査しようとする表面と相互作
用を行なう尖ったチップ、および上記チップを上記表面
へ10分の１ナノメートル程度の動作距離以内まで近付け
て上記チップをマトリックス方式で上記表面上で走査す
る手段からなる原子間力顕微鏡を提案する。この原子間
力顕微鏡は、上記チップが電位の印加を可能にする一対
の電極を両面に備えた発振本体の表面のうちの１つに取
り付けられ、動作中に上記チップが上記表面から離れて
いるとき上記本体がその共振振動数で発振するように励
起され、上記チップが上記表面から上記動作距離に維持
されている状態で、上記本体が上記共振振動数から特徴
的な形でずれた振動数で発振し、上記ずれが基準信号と
比較され、その結果得られた信号がフィードバック・ル
ープを通過してチップを上記表面に近付ける上記手段を
制御させることを特徴とする。
用を行なう尖ったチップ、および上記チップを上記表面
へ10分の１ナノメートル程度の動作距離以内まで近付け
て上記チップをマトリックス方式で上記表面上で走査す
る手段からなる原子間力顕微鏡を提案する。この原子間
力顕微鏡は、上記チップが電位の印加を可能にする一対
の電極を両面に備えた発振本体の表面のうちの１つに取
り付けられ、動作中に上記チップが上記表面から離れて
いるとき上記本体がその共振振動数で発振するように励
起され、上記チップが上記表面から上記動作距離に維持
されている状態で、上記本体が上記共振振動数から特徴
的な形でずれた振動数で発振し、上記ずれが基準信号と
比較され、その結果得られた信号がフィードバック・ル
ープを通過してチップを上記表面に近付ける上記手段を
制御させることを特徴とする。
第１図を参照して説明すると、この原子間力顕微鏡は、
通常のxyz駆動装置（４）によってxyz方向に並進可能な
結晶発振子（２）の上端に取り付けられた尖ったチップ
（１）を含んでいる。上記結晶（２）の両面に被覆され
た一対の電極（5,6）に電位を印加すると、この結晶
（２）がその共振振動数で発振する。チップ（１）が検
査しようとするサンプル表面に近づくにつれて、チップ
はサンプル表面との相互的な原子間力を受けて、結晶の
発振振動数がその本来の振動数からずれる。
通常のxyz駆動装置（４）によってxyz方向に並進可能な
結晶発振子（２）の上端に取り付けられた尖ったチップ
（１）を含んでいる。上記結晶（２）の両面に被覆され
た一対の電極（5,6）に電位を印加すると、この結晶
（２）がその共振振動数で発振する。チップ（１）が検
査しようとするサンプル表面に近づくにつれて、チップ
はサンプル表面との相互的な原子間力を受けて、結晶の
発振振動数がその本来の振動数からずれる。
このずれをフィードバック・ループ中で使って、チップ
（１）のｚ方向で検査中の表面からの距離を制御し、表
面上でチップ（１）が行なう各走査の輪郭イメージをプ
ロットする。つまり、チップに付与された共振振動数ω
０ ２＝C/m（C:水晶発振器の振動に付随するばね定数、
m:質量）とすると、チップとサンプル表面の距離が原子
レベルにまで近づいたときに、チップを水晶発振器によ
って振動させるとその振動数が原子間距離ｒに依存する
原子間力の作用によって共振振動数から変化する。この
ときの振動数をωとすると で表すことができる。つまり、右辺に示されるかっこの
分だけ共振振動数からのシフトが生じるのである。以
下、この式の導出過程について説明を加える。一次元に
おけるニュートンの運動方程式は で与えられる。ここで、Ｆは質量ｍの物体に働く力であ
る。
（１）のｚ方向で検査中の表面からの距離を制御し、表
面上でチップ（１）が行なう各走査の輪郭イメージをプ
ロットする。つまり、チップに付与された共振振動数ω
０ ２＝C/m（C:水晶発振器の振動に付随するばね定数、
m:質量）とすると、チップとサンプル表面の距離が原子
レベルにまで近づいたときに、チップを水晶発振器によ
って振動させるとその振動数が原子間距離ｒに依存する
原子間力の作用によって共振振動数から変化する。この
ときの振動数をωとすると で表すことができる。つまり、右辺に示されるかっこの
分だけ共振振動数からのシフトが生じるのである。以
下、この式の導出過程について説明を加える。一次元に
おけるニュートンの運動方程式は で与えられる。ここで、Ｆは質量ｍの物体に働く力であ
る。
また、系のエネルギーＵ０＝（1/2）Cr２＋Ｕ１…
（２） で与えられる。
（２） で与えられる。
ここで、Ｕ１＝原子間の相互ポテンシャルである。
Ｆ＝dU/drであるから、（２）式をｒで微分して、２次
より高次の項を無視すると、 を得る。
より高次の項を無視すると、 を得る。
また、（１）式に（３）式を代入して、 ω02＝C/mを用いてｍを消去すると、 一方、原子間力が作用していない場合は （４）式と（５）式は結局原子間力が作用している場合
と作用していない場合の違いを表しているから、原子間
ポテンシャル存在下での周波数ωは で表すことができる。本願発明はこの振動数のシフトを
測定することによってサンプルとチップとの距離を検出
するものである。
と作用していない場合の違いを表しているから、原子間
ポテンシャル存在下での周波数ωは で表すことができる。本願発明はこの振動数のシフトを
測定することによってサンプルとチップとの距離を検出
するものである。
D.実施例 第１図には、小さなＹカット水晶発振子２の振動面の一
方に装着された尖ったチップ１を含む原子間力測定装置
が示されている。水晶発振子２は、チップがサンプルか
ら十分に離れた位置にあるとき、その共振振動数で発振
するように励起させることができる。チップ１をサンプ
ル表面に充分近づけると、チップ１の頂点にある原子と
１個以上の表面原子の間で働く原子間力が共振振動数を
検出可能なだけシフトさせ、かつ励起振動数の高調波を
発生させる。その結果得られる感度は、欧州特許出願第
86110267.2号の原子間力顕微鏡の感度に匹敵することを
示すことができる。水晶発振子２が基板３に装着され、
基板３は通常のxyz駆動装置４に固定されている。水晶
発振子２の高さ、幅、長さの寸法は、全て約0.1mmが好
ましい。この水晶発振子は、通常のエッチング法と研摩
法（リソグラフィ）で製造することができる。検査しよ
うとするサンプル（図示せず）は、当技術で周知の粗並
進装置を用いてチップ１に接近させることができる。
方に装着された尖ったチップ１を含む原子間力測定装置
が示されている。水晶発振子２は、チップがサンプルか
ら十分に離れた位置にあるとき、その共振振動数で発振
するように励起させることができる。チップ１をサンプ
ル表面に充分近づけると、チップ１の頂点にある原子と
１個以上の表面原子の間で働く原子間力が共振振動数を
検出可能なだけシフトさせ、かつ励起振動数の高調波を
発生させる。その結果得られる感度は、欧州特許出願第
86110267.2号の原子間力顕微鏡の感度に匹敵することを
示すことができる。水晶発振子２が基板３に装着され、
基板３は通常のxyz駆動装置４に固定されている。水晶
発振子２の高さ、幅、長さの寸法は、全て約0.1mmが好
ましい。この水晶発振子は、通常のエッチング法と研摩
法（リソグラフィ）で製造することができる。検査しよ
うとするサンプル（図示せず）は、当技術で周知の粗並
進装置を用いてチップ１に接近させることができる。
水晶発振子２の両面にそれぞれ被覆された電極５および
６に電圧を印加すると、水晶発振子はｘ方向のせん断運
動を行なう。この運動に付随する弾性力は（静的）ばね
定数Ｃｅによって特徴付けることができる。
６に電圧を印加すると、水晶発振子はｘ方向のせん断運
動を行なう。この運動に付随する弾性力は（静的）ばね
定数Ｃｅによって特徴付けることができる。
ただし、ｃ66＝４×1010N/m2は水晶発振子の特定カット
の弾性率であり、V.E.ボトム（Bottom）著「水晶発振子
ユニット設計（Quartz Crystal Unit Design）」に基づ
く。ｗ＝ｌ＝ｈ＝0.1mmである。水晶発振子２の交流で
励振させると、サンプル表面に垂直なチップの発振運動
が生じる。Ｙカット水晶発振子の共振（チップと表面の
相互作用なし）は、 で起こる。ｈ＝0.1mmとすると、基本振動数はν１＝20M
Hzとなる。
の弾性率であり、V.E.ボトム（Bottom）著「水晶発振子
ユニット設計（Quartz Crystal Unit Design）」に基づ
く。ｗ＝ｌ＝ｈ＝0.1mmである。水晶発振子２の交流で
励振させると、サンプル表面に垂直なチップの発振運動
が生じる。Ｙカット水晶発振子の共振（チップと表面の
相互作用なし）は、 で起こる。ｈ＝0.1mmとすると、基本振動数はν１＝20M
Hzとなる。
第１図の水晶発振器の等価回路が、第２図に示されてい
る。Ｃ５は、不可避の漂遊容量であり、水晶発振子自体
に関連する静電容量Ｃｑに比べて大きい。ＬｑおよびＲ
ｑは、それぞれ水晶発振子のインダクタンスと抵抗であ
る。水晶発振器は、第２図に示したタイプの回路に組み
込むと、その直列共振振動数ν１で励起される。
る。Ｃ５は、不可避の漂遊容量であり、水晶発振子自体
に関連する静電容量Ｃｑに比べて大きい。ＬｑおよびＲ
ｑは、それぞれ水晶発振子のインダクタンスと抵抗であ
る。水晶発振器は、第２図に示したタイプの回路に組み
込むと、その直列共振振動数ν１で励起される。
これは、水晶発振子だけの特性によって決まり、漂遊容
量Ｃ５にはよらない。
量Ｃ５にはよらない。
サンプル表面からの距離が約１ないし0.1nmの時、チッ
プ１はサンプルと検出可能な程度の相互作用を示し始め
る。原子ポテンシャルが、発振器の弾性ポテンシャルに
重なっている。上記弾性ポテンシャルは、ｘ方向に沿っ
たチップ１の偏位Ｓｘの偶関数である。原子ポテンシャ
ルは、変位原点に関して対称性を持たない。たとえば、
指数関数的に増加する斥力になることがある。
プ１はサンプルと検出可能な程度の相互作用を示し始め
る。原子ポテンシャルが、発振器の弾性ポテンシャルに
重なっている。上記弾性ポテンシャルは、ｘ方向に沿っ
たチップ１の偏位Ｓｘの偶関数である。原子ポテンシャ
ルは、変位原点に関して対称性を持たない。たとえば、
指数関数的に増加する斥力になることがある。
Ｅat＝Ｅ０ｅSx/xo Ｋat＝Ｅ０ｅSx/xo Ｃat＝Ｃ０ｅSx/xo ただし、Ｅatは原子ポテンシャル、 Ｋat＝dEat/dsxは原子間力、Ｃatは力の定数、xoは斥力
の特性距離である。原子間力Ｋatを級数展開すると、次
式が得られる。
の特性距離である。原子間力Ｋatを級数展開すると、次
式が得られる。
Ｋatは、弾性力に比べて小さく、摂動を生じるだけであ
る。べき級数は、次のような原子間力の効果を示す。
る。べき級数は、次のような原子間力の効果を示す。
Ｏ（ｘ０）：静的な力Ｋ０ 静的な変位Ｋ０/Cを生じ るが、小さすぎて検出できない。
０（Ｘ１）：ばね定数の再正規化 Ｃｅ→Ｃｅ＋Ｃ０ 原子間力Ｋatの級数展開からはこのように原子間力の作
用によってあたかもばね定数Ｃ０が変化したような取り
扱いとなる。しかし、これを振動数の変化に置き換える
と前述した振動数のシフトの式によって表される現象と
なる。
用によってあたかもばね定数Ｃ０が変化したような取り
扱いとなる。しかし、これを振動数の変化に置き換える
と前述した振動数のシフトの式によって表される現象と
なる。
０（Ｘ２）：第２調波発生源項 ただし、（１）および（２）は、それぞれ基本振動数お
よび第２調波振動数での振幅を示す。
よび第２調波振動数での振幅を示す。
次に、共振振動数のシフトによる原子間力の検出に話を
移す。水晶発振子は、第３図の通常の回路と共に原子間
相互作用のために共振振動数が変化する発振器を形成す
る。続いて起こる振動数シフトは、市販の電子式計数装
置で容易に検出できる。第４図は、水晶発振子２とそれ
自体のドライバ回路７、すなわち第３図に示した回路
の、加算回路８への接続を示す概略回路図である。加算
回路８のもう一方の入力は、基準振動数発生装置９に接
続されている。加算回路８の出力は計数回路10に接続さ
れている。計数回路10は、水晶発振子２が検査しようと
する表面12に近づくに応じて、力によって誘発される水
晶発振子２の共振振動数の変動を表わすアナログ出力信
号を発生するように設計されている。計数装置10の出力
信号は、またxyz駆動装置４の動き、従ってチップ１の
動きを制御する制御装置にも供給される。
移す。水晶発振子は、第３図の通常の回路と共に原子間
相互作用のために共振振動数が変化する発振器を形成す
る。続いて起こる振動数シフトは、市販の電子式計数装
置で容易に検出できる。第４図は、水晶発振子２とそれ
自体のドライバ回路７、すなわち第３図に示した回路
の、加算回路８への接続を示す概略回路図である。加算
回路８のもう一方の入力は、基準振動数発生装置９に接
続されている。加算回路８の出力は計数回路10に接続さ
れている。計数回路10は、水晶発振子２が検査しようと
する表面12に近づくに応じて、力によって誘発される水
晶発振子２の共振振動数の変動を表わすアナログ出力信
号を発生するように設計されている。計数装置10の出力
信号は、またxyz駆動装置４の動き、従ってチップ１の
動きを制御する制御装置にも供給される。
解像力が２×10−９で積分時間が１秒の「逆計数」法を
用いる計数装置の場合、結果として得られる力の感度Km
inは、 である。Ｘ０＝0.1nmの場合、Kmin＝２×10−12Ｎとな
る。これは、非常に弱い原子間相互作用でも検出するの
に十分である。計数装置の出力信号を使って、第２図の
回路図に基づき平均のチップ位置を制御することができ
る。
用いる計数装置の場合、結果として得られる力の感度Km
inは、 である。Ｘ０＝0.1nmの場合、Kmin＝２×10−12Ｎとな
る。これは、非常に弱い原子間相互作用でも検出するの
に十分である。計数装置の出力信号を使って、第２図の
回路図に基づき平均のチップ位置を制御することができ
る。
観測時間ｔｇは、Ｋat＝Kminの場合、１秒である。雑音
レベルより高いとき、ｔｇは1/Katに比例する。従っ
て、100ないし1000pNの範囲にあるやや強い相互作用
は、１ないし10ミリ秒以内に検出することができる。
レベルより高いとき、ｔｇは1/Katに比例する。従っ
て、100ないし1000pNの範囲にあるやや強い相互作用
は、１ないし10ミリ秒以内に検出することができる。
振動数シフトの絶対値は、ν１もＣｅも共に1/h単位で
表わされるので、共振振動数とは独立である。結果とし
て生じるシフトΔνは、次のようになる。
表わされるので、共振振動数とは独立である。結果とし
て生じるシフトΔνは、次のようになる。
ただし、ｗ＝ｌ＝0.1mmの場合。
したがって、Ｃ０＝0.01ないし100N/mのときは、Δν＝
0.05ないし500Hzとなる。
0.05ないし500Hzとなる。
もう一つの原子間検出法は、第２調波発生によるもので
ある。上記展開におけるＯ（ｘ２）の項は、励起振動数
の２倍で力の項Ｋ（２）を生じる。この力が、水晶発振
子２の２次発振を引き起し、この発振が電極４および５
で第２調波電圧信号を生じる。この信号は、原子間力の
距離に関する２次導関数に比例する。この信号を大きく
するには第２調波が水晶発振子２の基本共振を励起すよ
うに、ν＝ν１/2と選ぶ。振幅は、Ｓｘ （２）＝Ｋ
（２）Q/Cｅとなる。ただしＱは水晶発振子２のＱで、
通常10５程度である。この値が大きいので、Ｓｘ （２）
は、通常、Ｓｘ （１）よりも２桁だけ小さい。当該の誘
導電荷は10−16クーロン程度であって、10メガヘルツで
10ナノアンペアの電流を生じる。
ある。上記展開におけるＯ（ｘ２）の項は、励起振動数
の２倍で力の項Ｋ（２）を生じる。この力が、水晶発振
子２の２次発振を引き起し、この発振が電極４および５
で第２調波電圧信号を生じる。この信号は、原子間力の
距離に関する２次導関数に比例する。この信号を大きく
するには第２調波が水晶発振子２の基本共振を励起すよ
うに、ν＝ν１/2と選ぶ。振幅は、Ｓｘ （２）＝Ｋ
（２）Q/Cｅとなる。ただしＱは水晶発振子２のＱで、
通常10５程度である。この値が大きいので、Ｓｘ （２）
は、通常、Ｓｘ （１）よりも２桁だけ小さい。当該の誘
導電荷は10−16クーロン程度であって、10メガヘルツで
10ナノアンペアの電流を生じる。
誘導電圧は、漂遊容量に依存する。Ｃ５＝4pfと仮定す
ると、Ｕ（２）＝0.1μｖになる。電力Ｕ（２）×Ｉ
（２）は、10−14Ｗになる。帯域幅100Hzの場合、当該
の熱雑音電力は10−18Ｗである。したがって、第２調波
信号も検出可能で、原子間力測定に利用できる。
ると、Ｕ（２）＝0.1μｖになる。電力Ｕ（２）×Ｉ
（２）は、10−14Ｗになる。帯域幅100Hzの場合、当該
の熱雑音電力は10−18Ｗである。したがって、第２調波
信号も検出可能で、原子間力測定に利用できる。
この例で水晶発振子２のＹカットを選んだのは、計算が
特に簡単なためにすぎず、熱安定性にとっては最適でな
い。ATカット、BTカット、SCカットでは、熱ドリフトが
かなり小さな発振器が可能になる。しかし、これらを装
着するのは、結晶底面が一般に節平面でないので、より
困難である。したがって、水晶発振子支持体は、より精
巧な設計が必要となる。
特に簡単なためにすぎず、熱安定性にとっては最適でな
い。ATカット、BTカット、SCカットでは、熱ドリフトが
かなり小さな発振器が可能になる。しかし、これらを装
着するのは、結晶底面が一般に節平面でないので、より
困難である。したがって、水晶発振子支持体は、より精
巧な設計が必要となる。
振動数シフトの決定に使用する電子式計数装置は、水晶
発振子２と並べて装着した外部基準発振器を用いるのが
好ましい。
発振子２と並べて装着した外部基準発振器を用いるのが
好ましい。
第１図では水晶発振子２の上端に装着されたチップ１を
示すが、このチップを水晶発振子２に組み込んで水晶発
振子の一体的部分とするのが有利となることもある。当
業者なら気付くように、水晶発振子２に通常のエッチン
グ操作を施して水晶発振子の一方の表面から突き出して
いるチップを作成することができる。
示すが、このチップを水晶発振子２に組み込んで水晶発
振子の一体的部分とするのが有利となることもある。当
業者なら気付くように、水晶発振子２に通常のエッチン
グ操作を施して水晶発振子の一方の表面から突き出して
いるチップを作成することができる。
応用分野によっては、水晶の代わりに他の圧電材料を用
いるのが有利なこともある。
いるのが有利なこともある。
E.効果 本発明によれば、サンプル表面との間で原子間力を発生
させるためのチップ部材を片持ちばりで支持し、かつ該
片持ちばりのたわみをトンネル電流の変化として検出す
る機構を使わなくても、これに変わる比較的簡単な機構
によって、サンプル表面の起伏に基づく原子間力の変化
を精度よく検出し、サンプル表面の像を形成することが
できる。
させるためのチップ部材を片持ちばりで支持し、かつ該
片持ちばりのたわみをトンネル電流の変化として検出す
る機構を使わなくても、これに変わる比較的簡単な機構
によって、サンプル表面の起伏に基づく原子間力の変化
を精度よく検出し、サンプル表面の像を形成することが
できる。
第１図は、水晶発振器の形をとる力測定装置の実施例を
示す図である。 第２図は、第１図の水晶発振器の等価回路図である。 第３図は、第１図の水晶発振器回路の回路図である。 第４図は、水晶発振器の制御回路の概略図である。 １……チップ、２……水晶発振子、３……基板、４……
xyz駆動装置、５、６……電極、７……ドライバ回路、
８……加算回路、９……基準振動数発生装置、10……計
数装置、11……制御装置12……サンプル表面。
示す図である。 第２図は、第１図の水晶発振器の等価回路図である。 第３図は、第１図の水晶発振器回路の回路図である。 第４図は、水晶発振器の制御回路の概略図である。 １……チップ、２……水晶発振子、３……基板、４……
xyz駆動装置、５、６……電極、７……ドライバ回路、
８……加算回路、９……基準振動数発生装置、10……計
数装置、11……制御装置12……サンプル表面。
Claims (4)
- 【請求項１】尖った先端部を有し、該先端部に位置する
原子と検査しようとするサンプルの表面上の原子との間
で原子間力を発生させるためのチップ部材と、 上記チップ部材の上記先端部と上記サンプル表面とを上
記原子間力が発生可能な距離に近づけた状態で、上記チ
ップ部材で上記サンプル表面の走査を行うための手段
と、 上記先端部を突出させた状態で上記チップ部材を支持す
る振動体と、 上記振動体に設けられた対をなす電極と、 上記電極間に電圧を印加して上記振動体を励起し、上記
チップ部材の上記先端部と上記サンプル表面との間に原
子間力が発生しない程度に離れた位置においては上記振
動体を一定の振動数で振動させる手段と、 上記チップ部材の上記先端部と上記サンプル表面との間
に原子間力が発生する位置における上記振動体の上記一
定の振動数からのシフトを検出する手段と、 上記一定の振動数からのシフトを上記チップ部材の上記
先端部と上記サンプル表面の距離を示す情報として利用
して、上記サンプル表面の像を形成する手段と、 を含む原子間力顕微鏡。 - 【請求項２】尖った先端部を有し、該先端部に位置する
原子と検査しようとするサンプルの表面上の原子との間
で原子間力を発生させるためのチップ部材と、 上記チップ部材の上記先端部と上記サンプル表面とを上
記原子間力が発生可能な距離に近づけた状態で、上記チ
ップ部材で上記サンプル表面の走査を行うための手段
と、 上記先端部を突出させた状態で上記チップ部材を支持す
る振動体と、 上記振動体に設けられた対をなす電極と、 上記電極間に電圧を印加して上記振動体を励起し、上記
チップ部材の上記先端部と上記サンプル表面との間に原
子間力が発生しない程度に離れた位置においては上記振
動体を一定の振動数で振動させる手段と、 上記チップ部材の上記先端部と上記サンプル表面との間
に原子間力が発生する位置で上記振動体が振動するとき
に発生する上記振動体の二次発振に起因する高長波電圧
信号を検出する手段と、 上記検出された高長波電圧信号を上記チップ部材の上記
先端部と上記サンプル表面の距離を示す情報として利用
して、上記サンプル表面の像を形成する手段と、 を含む原子間力顕微鏡。 - 【請求項３】尖った先端部を有し、該先端部に位置する
原子と検査しようとするサンプルの表面上の原子との間
で原子間力を発生させるためのチップ部材と、上記チッ
プ部材の上記先端部と上記サンプル表面とを上記原子間
力が発生可能な距離に近づけた状態で上記チップ部材で
上記サンプル表面の走査を行うための手段と、上記チッ
プ部材を上記サンプル表面に対して垂直な方向に振動さ
せる手段と、を備えた原子間力顕微鏡において上記チッ
プ部材の上記先端部によって上記サンプル表面を走査す
る方法であって、 上記振動させる手段によって上記チップ部材を一定の振
動数で振動させつつ上記チップ部材と上記サンプル表面
との距離を原子間力の作用する程度にまで接近させて、
上記原子間力を受けることによって生じる上記一定の振
動数からの変化分を検出して上記距離を測定しつつ、上
記走査手段によって上記サンプル表面をマトリクス状に
走査する方法。 - 【請求項４】尖った先端部を有し、該先端部に位置する
原子と検査しようとするサンプルの表面上の原子との間
で原子間力を発生させるためのチップ部材と、上記チッ
プ部材の上記先端部と上記サンプル表面とを上記原子間
力が発生可能な距離に近づけた状態で上記チップ部材で
上記サンプル表面の走査を行うための手段と、上記チッ
プ部材を上記サンプル表面と垂直な方向に振動させる手
段と、を備えた原子間力顕微鏡において上記チップ部材
の上記先端部によって上記サンプル表面を走査する方法
であって、 上記振動させる手段によって上記チップ部材を一定の振
動数で振動させつつ上記チップ部材と上記サンプル表面
との距離を原子間力の作用する程度にまで接近させて、
上記原子間力を受けることによって生じる二次発振に起
因する高長波電圧信号を検出して上記距離を測定しつ
つ、上記走査手段によって上記サンプル表面をマトリク
ス状に走査する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP87106899.5 | 1987-05-12 | ||
| EP87106899A EP0290647B1 (en) | 1987-05-12 | 1987-05-12 | Oscillating quartz atomic force microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63309803A JPS63309803A (ja) | 1988-12-16 |
| JPH06103176B2 true JPH06103176B2 (ja) | 1994-12-14 |
Family
ID=8196982
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63088364A Expired - Fee Related JPH06103176B2 (ja) | 1987-05-12 | 1988-04-12 | 原子間力顕微鏡 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4851671A (ja) |
| EP (1) | EP0290647B1 (ja) |
| JP (1) | JPH06103176B2 (ja) |
| CA (1) | CA1330452C (ja) |
| DE (1) | DE3771711D1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH11108940A (ja) * | 1997-08-04 | 1999-04-23 | Seiko Instruments Inc | 走査プローブ顕微鏡 |
| JP2000258330A (ja) * | 1999-03-04 | 2000-09-22 | Seiko Instruments Inc | 走査型プローブ顕微鏡 |
| WO2007072621A1 (ja) * | 2005-12-19 | 2007-06-28 | National University Corporation Kanazawa University | 走査型プローブ顕微鏡 |
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| JP2686645B2 (ja) * | 1989-05-08 | 1997-12-08 | キヤノン株式会社 | 走査型トンネル電流検出装置 |
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| DE4035075A1 (de) * | 1990-11-05 | 1992-05-07 | Jenoptik Jena Gmbh | Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberflaeche eines messobjektes |
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- 1987-05-12 EP EP87106899A patent/EP0290647B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-05-12 DE DE8787106899T patent/DE3771711D1/de not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-03-07 US US07/164,941 patent/US4851671A/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-04-12 JP JP63088364A patent/JPH06103176B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1988-04-29 CA CA000565615A patent/CA1330452C/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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|---|---|
| EP0290647A1 (en) | 1988-11-17 |
| DE3771711D1 (de) | 1991-08-29 |
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| CA1330452C (en) | 1994-06-28 |
| JPS63309803A (ja) | 1988-12-16 |
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