JPH06180222A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

原子間力顕微鏡

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JPH06180222A
JPH06180222A JP4333055A JP33305592A JPH06180222A JP H06180222 A JPH06180222 A JP H06180222A JP 4333055 A JP4333055 A JP 4333055A JP 33305592 A JP33305592 A JP 33305592A JP H06180222 A JPH06180222 A JP H06180222A
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JP
Japan
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cantilever
fine movement
movement element
free end
probe
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Withdrawn
Application number
JP4333055A
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English (en)
Inventor
Hideki Nagaoka
秀樹 長岡
Takao Okada
孝夫 岡田
Seizo Morita
清三 森田
Yasuhiro Sugawara
康弘 菅原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02Monitoring the movement or position of the probe by optical means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料の大きさに制限がなく、スキャナーへの負
荷も小さく、変位検出系の調整も容易な原子間力顕微鏡
を提供する。 【構成】チューブスキャナー12と外側微動素子16の
下端は共に連結部材14に取り付けられている。外側微
動素子16と内側微動素子20の上端は共に連結部材1
8に取り付けられている。内側微動素子20の下端には
センサー取付台22が取り付けられている。円筒部材2
4には、ステージホルダー26がネジにより連結されて
いる。ステージホルダー26と円筒部材24の内側に
は、カンチレバーステージ28とOリング30とが収容
されている。カンチレバーステージ28の下端にはカン
チレバーホルダー32がネジにより取り付けられてお
り、これにカンチレバー34が取り付けられる。光ファ
イバー36は、カンチレバーホルダー32の貫通穴に挿
入され、センサー取付台22に固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は原子間力顕微鏡に関す
る。
【0002】
【従来の技術】絶縁性試料の表面形状を原子オーダーで
観察できる装置に原子間力顕微鏡(Atomic Force Micros
cope(AFM))がある。このAFMは、走査型トンネル顕微
鏡(STM)の発明者であるビニッヒらにより提案され
た装置で、その詳細が「G.binnig, C.F.Quate, "Atomic
Force Microscope", Physical Review Letters, Vol.5
6, 930(1986)」に記載されている。鋭く尖った探針を試
料表面に近づけていくと、探針先端の原子と試料表面の
原子との間にファン=デル=ワールス(van der Waals)
相互作用による原子間距離の−7乗に比例した引力が働
く。さらに探針を試料表面に近づけ、探針先端の原子と
試料表面の原子との間隔が原子の結合距離程度になる
と、パウリ(Pauli) の排他律による斥力が両者の間に働
く。これらの引力と斥力は総称して原子間力と一般に呼
ばれて、その大きさは非常に小さく10-7〜10-12 [N] 程
度である。原子間力顕微鏡は、この原子間力を利用して
試料表面の凹凸を調べる装置で、以下にその概要を述べ
る。原子間力顕微鏡では、柔軟なカンチレバーの自由端
に支持した探針を、探針先端と試料表面の原子間に発生
する原子間力によりカンチレバーがある程度変位するま
で試料に近づける。この状態から、探針または試料を動
かし、探針を試料表面に沿ってラスター走査する。その
間、試料表面の凹凸に対応した探針試料間距離の変化に
より生じるカンチレバーの自由端の変位を常時検出し、
この変位が常に初期値となるように圧電素子等の微動素
子を用いて探針試料間距離を制御する。従って、探針先
端は試料表面の凹凸を反映した軌跡を描く。この軌跡を
試料表面上における位置情報と合わせて処理して、試料
の表面形状を示す画像を得ている。
【0003】カンチレバーの自由端の変位を検出する手
法としては、トンネル電流を利用するもの、光てこ法を
用いるもの、光干渉法を用いるもの等がある。トンネル
電流を利用する手法では、導電性の探針をカンチレバー
の自由端背面(探針の反対側の面)に近づけて配置し、
探針とカンチレバーの間にバイアス電圧を印加し、両者
間に流れるトンネル電流の変化としてカンチレバーの自
由端の変位を検出する。光てこ法では、カンチレバーの
自由端背面に所定の角度で光ビームを照射し、その反射
ビームをPSDで受け、カンチレバーの自由端の変位に
よる反射角の変化を反射ビームのPSDへの入射位置の
変化として検出し、カンチレバーの自由端の変位を求め
ている。光干渉法では、コヒーレント光を参照光と検出
光とに分け、検出光をカンチレバーの自由端背面に照射
し、その反射光を参照光と干渉させ、その干渉出力の変
化からカンチレバーの自由端の変位を求めている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】試料を移動させてラス
ター走査を行なう場合、必然的に試料の大きさが制限さ
れてしまう。また、試料が重い場合にはスキャナーへの
負荷が大きくなるために共振周波数が低下してしまう。
【0005】一方、カンチレバーを移動させてラスター
走査を行なう場合、上述した変位検出系も一緒に移動さ
せる構成では、スキャナーに支持されるユニットが重く
大きくなり、スキャナーへの負荷が大きくなってしま
う。また、変位検出系はカンチレバーを交換する度に光
学調整を行なう必要があり、しかもその調整も困難であ
る。本発明は、試料の大きさの制限がなく、スキャナー
への負荷も小さく、変位検出系の調整も容易な原子間力
顕微鏡を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の原子間力顕微鏡
は、自由端が少なくとも試料表面に沿って移動可能なチ
ューブスキャナーと、チューブスキャナーの内側に配置
され、一端がチューブスキャナーの自由端に連結され
た、伸縮可能な円筒形状の外側微動素子と、外側微動素
子の内側に配置され、一端が外側微動素子の他端に連結
された、伸縮可能な円筒形状の内側微動素子と、チュー
ブスキャナーの自由端に支持された、自由端に探針を備
えた柔軟なカンチレバーと、
【0007】内側微動素子の他端に取り付けられ、カン
チレバーの自由端に近づけて配置され、カンチレバーの
自由端までの距離が調整可能に支持されたセンサー部を
持つ、カンチレバーの自由端の変位を検出する検出系と
を備えている。
【0008】
【作用】本発明では、探針の走査はチューブスキャナー
によりカンチレバーを移動させて行なわれる。また、カ
ンチレバーに対するセンサー部の微妙な調整は外側微動
素子と内側微動素子を伸縮させて行なわれる。
【0009】チューブスキャナー、外側微動素子、内側
微動素子は例えば圧電体で構成される。このとき、チュ
ーブスキャナーの内側の電極と外側微動素子の外側の電
極、外側微動素子の内側の電極と内側微動素子の外側の
電極には、できるだけ近い電圧を印加するようにするこ
とが好ましい。つまり、高電位側または低電位側の電極
同士が対向するような関係で使用することが好ましい。
このようにすると、電極間でのショートが発生し難くな
り、電極間距離を狭く設計でき、スキャナーを小型に作
ることができる。
【0010】また、外側微動素子と内側微動素子は同じ
材料で作ることが好ましい。これらを同じ材料で作る
と、クリープ現象によるセンサー部の位置ずれが起きる
ようなことがなくなる。
【0011】
【実施例】次に図面を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明しよう。本実施例のスキャナー部は、図1に示
すように、円筒形状のチューブスキャナー12を有して
いる。チューブスキャナー12は、上端が図示していな
い取付機構に固定されていて、下端が自由端となってお
り、この自由端を少なくもその軸に直交する面方向に移
動できる構成になっている。チューブスキャナー12の
内側には円筒形状の外側微動素子16が配置されてい
る。この外側微動素子16とチューブスキャナー12の
下端は共に絶縁体で作られた円環状の連結部材14に取
り付けられている。外側微動素子16の内側には円筒形
状の内側微動素子20が配置されており、外側微動素子
16と内側微動素子20の上端は共に絶縁体で作られた
円環状の連結部材18に取り付けられている。また、内
側微動素子20の下端にはセンサー取付台22が取り付
けられている。外側微動素子16と内側微動素子20は
その軸方向に伸縮可能な構成になっている。チューブス
キャナー12、外側微動素子16、内側微動素子20
は、例えば円筒状の圧電体の外周面と内周面に適当に電
極を設けることにより作ることができる。このとき、チ
ューブスキャナー12の内側の電極と外側微動素子16
の外側の電極、外側微動素子16の内側の電極と内側微
動素子20の外側の電極には、近い電圧を印加するよう
にすることが好ましい。つまり、高電位側または低電位
側の電極同士が対向するように、各電極に印加する電圧
を選択することが好ましい。このような設定において
は、電極間でのショートが発生し難く、電極間距離を狭
くでき、従って最も外側にあるチューブスキャナー12
を小さく作ることができる。
【0012】連結部材14の下面には、外側にネジ山を
有する円筒部材24が取り付けられている。この円筒部
材24には、底面に円形の開口を持つステージホルダー
26がネジにより取り付けられている。ステージホルダ
ー26と円筒部材24の内側には、カンチレバーステー
ジ28とOリング30とが収容されている。カンチレバ
ーステージ28の下端にはカンチレバーホルダー32が
ネジにより取り付けられており、これにカンチレバー3
4が取り付けられる。センサー取付台22とカンチレバ
ーホルダー32の中心には貫通穴が設けてあり、図示し
ていない干渉計に連結された光ファイバー36が挿入さ
れる。光ファイバー36の途中には固定部材38が設け
てあり、これをセンサー取付台22の内部に収容した
後、ネジ40を用いて固定することにより、光ファイバ
ー36が固定される。カンチレバーホルダー32に設け
た貫通穴は、図2に示すように、光ファイバー36の挿
入が容易に行なえるように上端が円錐形状になっている
とともに、光ファイバー36の先端とカンチレバー34
のレバー部が平行になるように若干傾いている。
【0013】本実施例において、光ファイバー36の先
端からカンチレバー34のレバー部までの距離は、ステ
ージホルダー26の締め付けを強くしたり弱くしたりす
ることにより粗動調整することができる。また、外側微
動素子16と内側微動素子20を互いに逆相で伸縮させ
ることにより微動調整することができる。これらの調整
の間じゅうは、Oリング30が常に少しは潰れているよ
うに、カンチレバーホルダー26を円筒部材24に取り
付ける最初の段階である程度強く締め付けておくことが
好ましい。これにより、部材同士が隙間なく保持されて
いるため、高い剛性が得られ、振動等の外部の影響を受
け難くなる。また、チューブスキャナー12により移動
されるユニットが軽量に構成されるため、比較的高い走
査速度が得られるようになる。さらに、外側微動素子1
6と内側微動素子20は同じ材料で作ることが好まし
く、このように構成した場合には、熱ドリフトの影響が
軽減されると共に、クリープ現象による調整後の位置ず
れの発生も防止される。
【0014】本発明は、上述した実施例に何等限定され
るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において
種々多くの変形が可能である。実施例では、カンチレバ
ーの変位検出系に干渉計を使用したが、光ファイバーに
代えてトンネル電流を検出するプローブを配置すると共
に、プローブとカンチレバーの自由端との間にバイアス
電圧を印加し、トンネル電流を利用して変位を検出する
検出系を使用しても良い。
【0015】
【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーを移動さ
せて走査を行なうので試料の大きさが制限されない。ま
た、変位検出系のセンサー部のみがスキャナー内に設け
られるので負荷が少なく、高速での走査が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である原子間力顕微鏡のスキ
ャナー部の構成を示す断面図である。
【図2】図1中のカンチレバーホルダーを拡大して示す
部分断面図である。
【符号の説明】 12…チューブスキャナー、16…外側微動素子、20
…内側微動素子、34…カンチレバー、36…光ファイ
バー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅原 康弘 広島県東広島市西条町御園字77−1 ロー ズハイツA101

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 探針を試料表面に沿って走査し、探針の
    受ける原子間力を利用して表面の形状を調べる原子間力
    顕微鏡において、 自由端が少なくとも試料表面に沿って移動可能なチュー
    ブスキャナーと、 チューブスキャナーの内側に配置され、一端がチューブ
    スキャナーの自由端に連結された、伸縮可能な円筒形状
    の外側微動素子と、 外側微動素子の内側に配置され、一端が外側微動素子の
    他端に連結された、伸縮可能な円筒形状の内側微動素子
    と、 チューブスキャナーの自由端に支持された、自由端に探
    針を備えた柔軟なカンチレバーと、 内側微動素子の他端に取り付けられ、カンチレバーの自
    由端に近づけて配置され、カンチレバーの自由端までの
    距離が調整可能に支持されたセンサー部を持つ、カンチ
    レバーの自由端の変位を検出する検出系とを有している
    ことを特徴とする原子間力顕微鏡。
JP4333055A 1992-12-14 1992-12-14 原子間力顕微鏡 Withdrawn JPH06180222A (ja)

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JP4333055A JPH06180222A (ja) 1992-12-14 1992-12-14 原子間力顕微鏡

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JP4333055A JPH06180222A (ja) 1992-12-14 1992-12-14 原子間力顕微鏡

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3736932A1 (de) * 1986-10-30 1988-05-11 Toshiba Kawasaki Kk Verfahren und anordnung fuer brillengestell-bildverarbeitung und -registrierung
WO1995013518A1 (de) * 1993-11-12 1995-05-18 Forschungszentrum Jülich GmbH Halterung für eine tastspitze eines rasterkraft- oder rastertunnelmikroskops

Cited By (3)

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DE3736932A1 (de) * 1986-10-30 1988-05-11 Toshiba Kawasaki Kk Verfahren und anordnung fuer brillengestell-bildverarbeitung und -registrierung
WO1995013518A1 (de) * 1993-11-12 1995-05-18 Forschungszentrum Jülich GmbH Halterung für eine tastspitze eines rasterkraft- oder rastertunnelmikroskops
US5701381A (en) * 1993-11-12 1997-12-23 Forschungszentrum Julich Gmbh Mounting arrangement for a probe tip of a scanning force or tunneling microscope

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