JPH07174767A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JPH07174767A JPH07174767A JP31945493A JP31945493A JPH07174767A JP H07174767 A JPH07174767 A JP H07174767A JP 31945493 A JP31945493 A JP 31945493A JP 31945493 A JP31945493 A JP 31945493A JP H07174767 A JPH07174767 A JP H07174767A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】水中においてＡＣモードのＡＦＭ測定を行なえ
る走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】試料３２は水３０を入れた液体セル２８の底部
に配置される。カンチレバー２４は自由端の探針２６が
試料表面に正対するように配置される。カンチレバー２
４は変位測定器１２の対物レンズ１４の軸方向に移動可
能に支持されている。対物レンズ１４の周囲には、発振
器２０から供給される信号に従って集束性の超音波を射
出するリング状のトランスデューサー１８が設けられて
いる。対物レンズ１４とトランスデューサー１８は測定
光と超音波が同一点に集束するように配置されている。
液体セル２８は、走査回路３６の信号を受けてｘｙ走査
を行なうとともにサーボ回路３８の信号を受けてｚサー
ボ制御を行なう三次元アクチュエーター３４に固定され
ている。
る走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】試料３２は水３０を入れた液体セル２８の底部
に配置される。カンチレバー２４は自由端の探針２６が
試料表面に正対するように配置される。カンチレバー２
４は変位測定器１２の対物レンズ１４の軸方向に移動可
能に支持されている。対物レンズ１４の周囲には、発振
器２０から供給される信号に従って集束性の超音波を射
出するリング状のトランスデューサー１８が設けられて
いる。対物レンズ１４とトランスデューサー１８は測定
光と超音波が同一点に集束するように配置されている。
液体セル２８は、走査回路３６の信号を受けてｘｙ走査
を行なうとともにサーボ回路３８の信号を受けてｚサー
ボ制御を行なう三次元アクチュエーター３４に固定され
ている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料表面に沿って探針
を走査して試料の微視的な表面情報を得る走査型プロー
ブ顕微鏡に関する。
を走査して試料の微視的な表面情報を得る走査型プロー
ブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡としては、走査型
トンネル顕微鏡（STM: Scanning Tunneling Microscop
e）や原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscop
e）がよく知られている。
トンネル顕微鏡（STM: Scanning Tunneling Microscop
e）や原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscop
e）がよく知られている。
【０００３】走査型プローブ顕微鏡では、探針は圧電体
などの微動素子を用いて試料表面（ｘｙ面）に沿って走
査（例えばラスター走査）される。走査の間、探針試料
間距離Ｓは、探針または試料を圧電体などの微動素子で
試料表面に垂直な方向（ｚ方向）に０．１ｎｍ以下の精
度で移動させることにより、検出される物理・科学的な
試料と探針の間の相互作用を一定に保つように制御され
る。この結果、探針先端は、試料表面から一定の距離だ
け離れた試料表面の形状を反映した曲面上を移動する。
したがって、探針先端のｘｙ面上における位置とｚ方向
の位置を同時に記録することにより、試料表面の微細な
凹凸が得られる。
などの微動素子を用いて試料表面（ｘｙ面）に沿って走
査（例えばラスター走査）される。走査の間、探針試料
間距離Ｓは、探針または試料を圧電体などの微動素子で
試料表面に垂直な方向（ｚ方向）に０．１ｎｍ以下の精
度で移動させることにより、検出される物理・科学的な
試料と探針の間の相互作用を一定に保つように制御され
る。この結果、探針先端は、試料表面から一定の距離だ
け離れた試料表面の形状を反映した曲面上を移動する。
したがって、探針先端のｘｙ面上における位置とｚ方向
の位置を同時に記録することにより、試料表面の微細な
凹凸が得られる。
【０００４】ＡＦＭでは、特開昭６２−１３０３０２号
公報等に記載されているように、カンチレバーのたわみ
量あるいはカンチレバーの振動振幅を調べることで探針
先端の原子と試料表面の原子の間に働く微小な力または
その距離微分に該当する信号を求め、この力または信号
を一定に保つように探針と試料の位置関係を制御するこ
とにより、試料の表面形状を原子レベルの分解能で得て
いる。
公報等に記載されているように、カンチレバーのたわみ
量あるいはカンチレバーの振動振幅を調べることで探針
先端の原子と試料表面の原子の間に働く微小な力または
その距離微分に該当する信号を求め、この力または信号
を一定に保つように探針と試料の位置関係を制御するこ
とにより、試料の表面形状を原子レベルの分解能で得て
いる。
【０００５】ことにカンチレバーの振動特性から試料探
針間に働く相互作用を検出する方式はＡＣモードのＡＦ
Ｍと呼ばれ、例えば「J. Appl. Phys. Vol.61, p4723
(1987) 」に開示されているように、試料と探針の間の
力勾配を検出しているため試料と探針の間に働く力を通
常のモードに比べて弱く保つことができる利点がある。
針間に働く相互作用を検出する方式はＡＣモードのＡＦ
Ｍと呼ばれ、例えば「J. Appl. Phys. Vol.61, p4723
(1987) 」に開示されているように、試料と探針の間の
力勾配を検出しているため試料と探針の間に働く力を通
常のモードに比べて弱く保つことができる利点がある。
【０００６】ＡＦＭにおいて、試料と探針が空気中にあ
る場合、試料表面に水分等の吸着層が存在し、この吸着
層がＡＦＭ測定の探針先端に働く力の制御の邪魔になる
という問題がある。これに対して Hansma らは、「App
l. Phys. Lett. Vol.54, p2651 (1989)」において、Ａ
ＦＭの探針を水中に持ち込むことにより吸着層の影響を
取り除いている。
る場合、試料表面に水分等の吸着層が存在し、この吸着
層がＡＦＭ測定の探針先端に働く力の制御の邪魔になる
という問題がある。これに対して Hansma らは、「App
l. Phys. Lett. Vol.54, p2651 (1989)」において、Ａ
ＦＭの探針を水中に持ち込むことにより吸着層の影響を
取り除いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ＡＣモードのＡＦＭ
は、カンチレバーを機械的に振動させるため、アクチュ
エーターを用いている。カンチレバー支持部の振動がカ
ンチレバーの共振点と一致する場合、振幅測定のノイズ
になるという問題がある。
は、カンチレバーを機械的に振動させるため、アクチュ
エーターを用いている。カンチレバー支持部の振動がカ
ンチレバーの共振点と一致する場合、振幅測定のノイズ
になるという問題がある。
【０００８】また、試料表面の水分等の吸着層の影響を
除くため、このＡＣモードのＡＦＭを用いて水中で測定
を行なうことが考えられるが、液体の減衰が大きく、振
動が探針まで伝わらない。つまり、従来のＡＣモードの
ＡＦＭでは、測定を水中で行なうことができない。本発
明は、ＡＣモードのＡＦＭ測定を水中で行なえる走査型
プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
除くため、このＡＣモードのＡＦＭを用いて水中で測定
を行なうことが考えられるが、液体の減衰が大きく、振
動が探針まで伝わらない。つまり、従来のＡＣモードの
ＡＦＭでは、測定を水中で行なうことができない。本発
明は、ＡＣモードのＡＦＭ測定を水中で行なえる走査型
プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、液体を入れる液体セルで、その底面に液体に
沈めて試料が配置される液体セルと、自由端に探針を有
するカンチレバーで、探針が試料表面に僅かに離れて正
対するように液体中に配置されるカンチレバーと、集束
性の測定光をカンチレバー自由端に焦点を合わせて照射
してその変位を測定する変位測定手段と、測定光の焦点
と同じ位置に集束する超音波をカンチレバー自由端に照
射してこれを振動させる超音波照射手段と、カンチレバ
ー自由端の変位に基づいてその振幅を求める振幅算出手
段と、試料の表面に沿って探針を走査する走査手段と、
カンチレバー自由端の振幅に基づいて探針先端と試料表
面の間隔を制御するサーボ手段と、走査手段とサーボ手
段の出力に基づいて、探針の振動特性の探針試料間距離
依存性や試料表面の三次元像を求め表示する演算表示手
段とを備えている。
顕微鏡は、液体を入れる液体セルで、その底面に液体に
沈めて試料が配置される液体セルと、自由端に探針を有
するカンチレバーで、探針が試料表面に僅かに離れて正
対するように液体中に配置されるカンチレバーと、集束
性の測定光をカンチレバー自由端に焦点を合わせて照射
してその変位を測定する変位測定手段と、測定光の焦点
と同じ位置に集束する超音波をカンチレバー自由端に照
射してこれを振動させる超音波照射手段と、カンチレバ
ー自由端の変位に基づいてその振幅を求める振幅算出手
段と、試料の表面に沿って探針を走査する走査手段と、
カンチレバー自由端の振幅に基づいて探針先端と試料表
面の間隔を制御するサーボ手段と、走査手段とサーボ手
段の出力に基づいて、探針の振動特性の探針試料間距離
依存性や試料表面の三次元像を求め表示する演算表示手
段とを備えている。
【００１０】
【作用】試料とカンチレバーは、液体中たとえば水中に
おいて、探針が試料表面に正対するように配置される。
変位測定手段は例えば臨界角法を用いた光学式変位セン
サーで構成される。超音波照射手段は、例えば超音波を
生成するトランスデューサーと、水中に配置した超音波
を集束させる音響レンズとを含み構成される。この部分
は集束性の超音波を射出するトランスデューサーを水中
に直接配置して構成してもよい。超音波は光学式変位セ
ンサーの射出光の焦点に集束される。この結果、そこに
配置されているカンチレバーが、トランスデューサーに
励振信号を供給する発振器と同じ周波数で振動する。励
振周波数はカンチレバーの共振周波数の若干上に設定し
ておく。振幅算出手段はカンチレバーの振幅を求めてこ
れを常時出力する。最初、探針と試料は離れて配置され
ており、カンチレバーを振動させたまま試料と探針を接
近させていくと、ファンデルワールス引力によりカンチ
レバーの共振点が低周波側にシフトし、カンチレバーの
振幅が減少する。走査手段が探針を試料表面に沿って走
査する間、サーボ手段はカンチレバーの振幅を一定に保
つように探針試料間距離を制御する。演算表示手段は、
走査手段とサーボ手段の出力に基づいて探針の振動特性
の探針試料間距離依存性や試料表面の三次元像を求め表
示する。
おいて、探針が試料表面に正対するように配置される。
変位測定手段は例えば臨界角法を用いた光学式変位セン
サーで構成される。超音波照射手段は、例えば超音波を
生成するトランスデューサーと、水中に配置した超音波
を集束させる音響レンズとを含み構成される。この部分
は集束性の超音波を射出するトランスデューサーを水中
に直接配置して構成してもよい。超音波は光学式変位セ
ンサーの射出光の焦点に集束される。この結果、そこに
配置されているカンチレバーが、トランスデューサーに
励振信号を供給する発振器と同じ周波数で振動する。励
振周波数はカンチレバーの共振周波数の若干上に設定し
ておく。振幅算出手段はカンチレバーの振幅を求めてこ
れを常時出力する。最初、探針と試料は離れて配置され
ており、カンチレバーを振動させたまま試料と探針を接
近させていくと、ファンデルワールス引力によりカンチ
レバーの共振点が低周波側にシフトし、カンチレバーの
振幅が減少する。走査手段が探針を試料表面に沿って走
査する間、サーボ手段はカンチレバーの振幅を一定に保
つように探針試料間距離を制御する。演算表示手段は、
走査手段とサーボ手段の出力に基づいて探針の振動特性
の探針試料間距離依存性や試料表面の三次元像を求め表
示する。
【００１１】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。本実施例の走査型プローブ顕微鏡の構成
を図１に示す。液体セル２８には水等の液体３０が入れ
られている。試料３２は、液体セル２８の底部に水に沈
めて配置される。カンチレバー２４は薄板状で、その自
由端の下面に探針２６を有し、反対側の上面は平坦に形
成されていて反射面となっている。このカンチレバー２
４は自由端の探針２６が試料表面に僅かな間隔をおいて
正対するように液体中に配置される。これにより、探針
先端と試料表面の間に働く吸着力が軽減されている。
がら説明する。本実施例の走査型プローブ顕微鏡の構成
を図１に示す。液体セル２８には水等の液体３０が入れ
られている。試料３２は、液体セル２８の底部に水に沈
めて配置される。カンチレバー２４は薄板状で、その自
由端の下面に探針２６を有し、反対側の上面は平坦に形
成されていて反射面となっている。このカンチレバー２
４は自由端の探針２６が試料表面に僅かな間隔をおいて
正対するように液体中に配置される。これにより、探針
先端と試料表面の間に働く吸着力が軽減されている。
【００１２】カンチレバー２４の基端部は、変位測定器
１２に取り付けられたカンチレバー支持部２２に固定さ
れている。カンチレバー支持部２２は、変位測定器１２
の対物レンズ１４の軸方向にカンチレバー２４を移動さ
せる機能を有している。この機能により、カンチレバー
２４の反射面を変位測定器１２の焦点位置に合わせる調
整が行なわれる。
１２に取り付けられたカンチレバー支持部２２に固定さ
れている。カンチレバー支持部２２は、変位測定器１２
の対物レンズ１４の軸方向にカンチレバー２４を移動さ
せる機能を有している。この機能により、カンチレバー
２４の反射面を変位測定器１２の焦点位置に合わせる調
整が行なわれる。
【００１３】変位測定器１２は、例えば図２に示すよう
な臨界角方式の光学変位計測器である。この変位計測器
は、光源５２、その射出光を平行光に変えるコリメート
レンズ５４、この平行光を対象物６０（すなわちカンチ
レバー２４）に集光する対物レンズ５８、対象物６０に
向かう平行光と対象物６０からの戻り光とを分離するビ
ームスプリッター５６、戻り光に対して臨界角で配置さ
れたふたつのプリズム６２と６４、各プリズム６２と６
４で反射された光をそれぞれ受けるふたつの二分割フォ
トダイオード６６と６８を有している。
な臨界角方式の光学変位計測器である。この変位計測器
は、光源５２、その射出光を平行光に変えるコリメート
レンズ５４、この平行光を対象物６０（すなわちカンチ
レバー２４）に集光する対物レンズ５８、対象物６０に
向かう平行光と対象物６０からの戻り光とを分離するビ
ームスプリッター５６、戻り光に対して臨界角で配置さ
れたふたつのプリズム６２と６４、各プリズム６２と６
４で反射された光をそれぞれ受けるふたつの二分割フォ
トダイオード６６と６８を有している。
【００１４】この変位計測器は、焦点位置からの対象物
６０の光軸方向のずれ（変位）を求めるもので、その変
位信号は二分割フォトダイオード６６と６８の各受光部
の出力差で得られる。例えば二分割フォトダイオード６
６に注目すると、対象物６０が焦点に位置するとき、ふ
たつの受光部ＡとＢの出力は等しく、その差は０であ
る。対象物６０が焦点よりも遠くに位置するとき、焦点
からのずれに応じて、受光部Ａの出力は受光部Ｂの出力
よりも大きくなる。逆に対象物６０が焦点よりも近くに
位置するとき、焦点からのずれに応じて、受光部Ａの出
力は受光部Ｂの出力よりも小さくなる。したがって、受
光部Ａと受光部Ｂの差信号は、その正負が遠近に対応
し、その大きさが焦点からのずれ量に対応したものとな
る。同様に、二分割フォトダイオード６８の各受光部Ｃ
とＤの差信号も、対象物６０の焦点からのずれに応じた
信号となり、測定精度の向上のために用いられる。
６０の光軸方向のずれ（変位）を求めるもので、その変
位信号は二分割フォトダイオード６６と６８の各受光部
の出力差で得られる。例えば二分割フォトダイオード６
６に注目すると、対象物６０が焦点に位置するとき、ふ
たつの受光部ＡとＢの出力は等しく、その差は０であ
る。対象物６０が焦点よりも遠くに位置するとき、焦点
からのずれに応じて、受光部Ａの出力は受光部Ｂの出力
よりも大きくなる。逆に対象物６０が焦点よりも近くに
位置するとき、焦点からのずれに応じて、受光部Ａの出
力は受光部Ｂの出力よりも小さくなる。したがって、受
光部Ａと受光部Ｂの差信号は、その正負が遠近に対応
し、その大きさが焦点からのずれ量に対応したものとな
る。同様に、二分割フォトダイオード６８の各受光部Ｃ
とＤの差信号も、対象物６０の焦点からのずれに応じた
信号となり、測定精度の向上のために用いられる。
【００１５】再び図１を参照して分かるように、変位測
定器１２の対物レンズ１４は、液体セル２８に入れた液
体３０に浸して配置される。このため対物レンズ１４は
使用する液体の屈折率に合ったものが使用される。対物
レンズ１４の周囲には、リング状のトランスデューサー
１８が設けられている。トランスデューサー１８は発振
器２０から供給される信号に従って、一点に集束する超
音波を液体中に射出する。対物レンズ１４とトランスデ
ューサー１８は、その各々が射出する光と超音波が共に
同じ一点に集束するように配置されている。
定器１２の対物レンズ１４は、液体セル２８に入れた液
体３０に浸して配置される。このため対物レンズ１４は
使用する液体の屈折率に合ったものが使用される。対物
レンズ１４の周囲には、リング状のトランスデューサー
１８が設けられている。トランスデューサー１８は発振
器２０から供給される信号に従って、一点に集束する超
音波を液体中に射出する。対物レンズ１４とトランスデ
ューサー１８は、その各々が射出する光と超音波が共に
同じ一点に集束するように配置されている。
【００１６】液体セル２８は三次元アクチュエーター３
４に固定されている。三次元アクチュエーター３４は、
走査回路３６から供給される走査信号Ｖx とＶy に応じ
て試料３２をその表面に平行な方向（ｘｙ方向）に移動
させ、サーボ回路３８から供給されるサーボ信号Ｖz に
応じて試料３２を表面に垂直な方向（ｚ方向）に移動さ
せる。
４に固定されている。三次元アクチュエーター３４は、
走査回路３６から供給される走査信号Ｖx とＶy に応じ
て試料３２をその表面に平行な方向（ｘｙ方向）に移動
させ、サーボ回路３８から供給されるサーボ信号Ｖz に
応じて試料３２を表面に垂直な方向（ｚ方向）に移動さ
せる。
【００１７】振幅算出器１６は、変位測定器１２の出力
する変位信号Ｚに従ってカンチレバー２４の自由端の振
幅を算出し、振幅信号ΔＺをサーボ回路３８に供給す
る。測定コントローラー４０は、記憶演算表示装置４２
により動作制御され、発振器２０、変位検出手段１２、
サーボ回路３８、走査回路３６の測定手順の制御と各出
力信号の測定を行なう。
する変位信号Ｚに従ってカンチレバー２４の自由端の振
幅を算出し、振幅信号ΔＺをサーボ回路３８に供給す
る。測定コントローラー４０は、記憶演算表示装置４２
により動作制御され、発振器２０、変位検出手段１２、
サーボ回路３８、走査回路３６の測定手順の制御と各出
力信号の測定を行なう。
【００１８】記憶演算表示装置４２は測定シーケンスの
状態モニターと測定情報の記憶および表示を行なう。続
いて、測定の手順について説明する。
状態モニターと測定情報の記憶および表示を行なう。続
いて、測定の手順について説明する。
【００１９】変位測定器１２とトランスデューサー１８
の焦点は一致しており、この焦点面にカンチレバー２４
の反射面が来るようにカンチレバー支持部２２によって
カンチレバー２４のｚ方向位置を調整する。カンチレバ
ー２４の反射面に超音波を照射すると、カンチレバー２
４は発振器２０の出力する励振信号と同じ周波数で振動
する。変位測定器１２はカンチレバー２４の反射面の変
位を求め、変位信号Ｚを振幅算出器１６に出力する。
の焦点は一致しており、この焦点面にカンチレバー２４
の反射面が来るようにカンチレバー支持部２２によって
カンチレバー２４のｚ方向位置を調整する。カンチレバ
ー２４の反射面に超音波を照射すると、カンチレバー２
４は発振器２０の出力する励振信号と同じ周波数で振動
する。変位測定器１２はカンチレバー２４の反射面の変
位を求め、変位信号Ｚを振幅算出器１６に出力する。
【００２０】試料３２からカンチレバー２４が離れてい
る状態で励振強度を一定に保ちながら、励振信号の周波
数をカンチレバー２４の共振点付近で走査する。励振信
号の周波数に対して振動振幅を測定すると図３（ａ）に
示す曲線が得られる。この依存性曲線のピーク位置の周
波数ｆ１がカンチレバーの共振周波数である。そこで励
振周波数をカンチレバー２４の共振周波数の若干上の周
波数ｆ２に設定し、約１ｎｍ程度の振幅Ｖ１になるよう
にカンチレバー２４を励振する。このとき、粗動機構
（図示せず）により試料３２を探針２６に近づけると、
ファンデルワールス引力によりカンチレバーの共振特性
は図３（ｂ）に示すようになり、カンチレバーの共振点
は低周波側にシフトしてｆ３になる。その結果、励振周
波数ｆ２でのカンチレバー２４の振動振幅は減少してＶ
２になる。この共振点のシフト量はカンチレバー２４に
働く力の勾配に比例し、この振動振幅を一定に保つこと
により、探針先端は試料表面から受ける引力の勾配が一
定になる高さをトレースすることになる。これは試料表
面の凹凸にほぼ一致する。
る状態で励振強度を一定に保ちながら、励振信号の周波
数をカンチレバー２４の共振点付近で走査する。励振信
号の周波数に対して振動振幅を測定すると図３（ａ）に
示す曲線が得られる。この依存性曲線のピーク位置の周
波数ｆ１がカンチレバーの共振周波数である。そこで励
振周波数をカンチレバー２４の共振周波数の若干上の周
波数ｆ２に設定し、約１ｎｍ程度の振幅Ｖ１になるよう
にカンチレバー２４を励振する。このとき、粗動機構
（図示せず）により試料３２を探針２６に近づけると、
ファンデルワールス引力によりカンチレバーの共振特性
は図３（ｂ）に示すようになり、カンチレバーの共振点
は低周波側にシフトしてｆ３になる。その結果、励振周
波数ｆ２でのカンチレバー２４の振動振幅は減少してＶ
２になる。この共振点のシフト量はカンチレバー２４に
働く力の勾配に比例し、この振動振幅を一定に保つこと
により、探針先端は試料表面から受ける引力の勾配が一
定になる高さをトレースすることになる。これは試料表
面の凹凸にほぼ一致する。
【００２１】実際の測定は試料表面と探針先端が近接し
ていない状況から、カンチレバー２４の変位Ｚを変位測
定器１２で求め、振幅算出器１６で振幅信号ΔＺを得
る。ΔＺはサーボ回路３８に入力される。サーボ回路３
８は、動作状態において、ΔＺが設定値Ｖ２よりも大き
いときに試料３２を探針２６に近づけるサーボ信号Ｖｚ
を出力し、ΔＺが設定値Ｖ２よりも小さいときに試料３
２を探針２６から遠ざけるサーボ信号Ｖｚを出力する。
この動作は測定コントローラー４０の指示に従って任意
の電圧値Ｖｚを保持することも可能である。サーボ回路
３８の出力信号Ｖｚは三次元アクチュエーター３４に印
加される。試料３２が探針２６に近接していない状況で
は、測定コントローラー４０からの指示によりサーボ回
路３８の出力Ｖｚを微動範囲の中心にしておく。ここで
Ｚ方向の粗動機構（図示せず）を用いて試料３２を探針
２６に近づけて行くと、振動振幅ΔＺがＶ１から徐々に
小さくなりＶ２になる。測定コントローラー４０は振幅
算出器１６の出力信号ΔＺをモニターし、ΔＺがＶ２に
なったところでサーボ回路３８の動作を開始させる。サ
ーボ動作の状態で三次元アクチュエーター３４に走査信
号ＶｘとＶｙを印加する。これにより探針２６は引力勾
配が一定の下で試料３２の表面凹凸を反映する曲面上を
移動する。この時、サーボ回路３８の出力信号Ｖｚを走
査信号ＶｘとＶｙ（ｘｙ位置に対応している）と同期さ
せて測定コントローラー４０を通じて記憶演算表示装置
４２に書き込み、試料の凹凸像を記録表示する。
ていない状況から、カンチレバー２４の変位Ｚを変位測
定器１２で求め、振幅算出器１６で振幅信号ΔＺを得
る。ΔＺはサーボ回路３８に入力される。サーボ回路３
８は、動作状態において、ΔＺが設定値Ｖ２よりも大き
いときに試料３２を探針２６に近づけるサーボ信号Ｖｚ
を出力し、ΔＺが設定値Ｖ２よりも小さいときに試料３
２を探針２６から遠ざけるサーボ信号Ｖｚを出力する。
この動作は測定コントローラー４０の指示に従って任意
の電圧値Ｖｚを保持することも可能である。サーボ回路
３８の出力信号Ｖｚは三次元アクチュエーター３４に印
加される。試料３２が探針２６に近接していない状況で
は、測定コントローラー４０からの指示によりサーボ回
路３８の出力Ｖｚを微動範囲の中心にしておく。ここで
Ｚ方向の粗動機構（図示せず）を用いて試料３２を探針
２６に近づけて行くと、振動振幅ΔＺがＶ１から徐々に
小さくなりＶ２になる。測定コントローラー４０は振幅
算出器１６の出力信号ΔＺをモニターし、ΔＺがＶ２に
なったところでサーボ回路３８の動作を開始させる。サ
ーボ動作の状態で三次元アクチュエーター３４に走査信
号ＶｘとＶｙを印加する。これにより探針２６は引力勾
配が一定の下で試料３２の表面凹凸を反映する曲面上を
移動する。この時、サーボ回路３８の出力信号Ｖｚを走
査信号ＶｘとＶｙ（ｘｙ位置に対応している）と同期さ
せて測定コントローラー４０を通じて記憶演算表示装置
４２に書き込み、試料の凹凸像を記録表示する。
【００２２】ここでカンチレバー２４は共振特性Ｑ値が
最低でも５程度は必要であり、液体中の粘性抵抗の影響
を避けるために振動方向の断面積を小さくする必要があ
る。ここで変位検出のための反射面の面積は変位測定器
１２のビーム径より大きくなる。ここで臨界角プリズム
を用いた変位測定器１２において対物レンズ１４に５０
倍を用いた場合にはビーム径は５μｍ以下になる。これ
に比べて、光てこ方式を変位測定器１２に用いることも
可能であるが、通常の光てこ方式はビーム径が１５μｍ
程度であり、カンチレバー２４の振動断面積は大きくな
る。
最低でも５程度は必要であり、液体中の粘性抵抗の影響
を避けるために振動方向の断面積を小さくする必要があ
る。ここで変位検出のための反射面の面積は変位測定器
１２のビーム径より大きくなる。ここで臨界角プリズム
を用いた変位測定器１２において対物レンズ１４に５０
倍を用いた場合にはビーム径は５μｍ以下になる。これ
に比べて、光てこ方式を変位測定器１２に用いることも
可能であるが、通常の光てこ方式はビーム径が１５μｍ
程度であり、カンチレバー２４の振動断面積は大きくな
る。
【００２３】本発明は上に述べた実施例に何等限定され
るものではなく、本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。例えば、前述の実施例
ではカンチレバー２４の第一次の共振モードを励振して
測定したが、より高次の共振モードの周波数を用いるこ
とにより、トランスデューサー１８の焦点位置での振動
の集中する部位を小さくできる。
るものではなく、本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。例えば、前述の実施例
ではカンチレバー２４の第一次の共振モードを励振して
測定したが、より高次の共振モードの周波数を用いるこ
とにより、トランスデューサー１８の焦点位置での振動
の集中する部位を小さくできる。
【００２４】また、実施例中の振幅算出器１６は、信号
に含まれる特定周波数の振動振幅を測定するために用い
ており、この目的が達成されるものであれば、バンドパ
スフィルターと検波器あるいはロックインアンプ等の構
成を用いてもよい。
に含まれる特定周波数の振動振幅を測定するために用い
ており、この目的が達成されるものであれば、バンドパ
スフィルターと検波器あるいはロックインアンプ等の構
成を用いてもよい。
【００２５】変位測定器１２は、光てこ方式のようにカ
ンチレバー２４のたわみ角を測定する方法を用いても構
わない。また図４に示すように、前述の実施例の構成に
アナログスイッチ４４を付加して、変位測定器１２の出
力を直接サーボ回路３８に入力できるようにし、通常の
変位信号Ｚを元にして試料表面の凹凸をトレースさせる
動作もできるようにしてもよい。カンチレバーの励振特
性のサーボに関して、「J. Appl. Phys. 69, p668 (199
1)」に開示されているようなＦＭ方式を用いてもよい。
ンチレバー２４のたわみ角を測定する方法を用いても構
わない。また図４に示すように、前述の実施例の構成に
アナログスイッチ４４を付加して、変位測定器１２の出
力を直接サーボ回路３８に入力できるようにし、通常の
変位信号Ｚを元にして試料表面の凹凸をトレースさせる
動作もできるようにしてもよい。カンチレバーの励振特
性のサーボに関して、「J. Appl. Phys. 69, p668 (199
1)」に開示されているようなＦＭ方式を用いてもよい。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、液体中においてＡＣモ
ードのＡＦＭ測定を行なえる走査型プローブ顕微鏡が提
供される。試料表面に付着している吸着層の表面張力の
影響を受けていない力勾配が測定できるようになる。
ードのＡＦＭ測定を行なえる走査型プローブ顕微鏡が提
供される。試料表面に付着している吸着層の表面張力の
影響を受けていない力勾配が測定できるようになる。
【００２７】また、超音波を照射することでカンチレバ
ーを振動させており、これにより振動部位が限定でき、
カンチレバー以外は振動させないので、得られる信号は
ノイズの少ないものとなり、測定結果はより正確なもの
となる。
ーを振動させており、これにより振動部位が限定でき、
カンチレバー以外は振動させないので、得られる信号は
ノイズの少ないものとなり、測定結果はより正確なもの
となる。
【図１】本発明の実施例の走査型プローブ顕微鏡の構成
を示す。
を示す。
【図２】図１の変位測定器の一例である臨界角法を用い
た光学式変位計測器の構成を示す。
た光学式変位計測器の構成を示す。
【図３】振動周波数に対する振動振幅の特性を示す。
【図４】本発明の実施例の走査型プローブ顕微鏡の変形
例の構成を示す。
例の構成を示す。
１２…変位測定器、１６…振幅算出器、１８…トランス
デューサー、２４…カンチレバー、２６…探針、２８…
液体セル、３４…三次元アクチュエーター、３６…走査
回路、３８…サーボ回路。
デューサー、２４…カンチレバー、２６…探針、２８…
液体セル、３４…三次元アクチュエーター、３６…走査
回路、３８…サーボ回路。
Claims (1)
- 【請求項１】 液体を入れる液体セルで、その底面に液
体に沈めて試料が配置される液体セルと、 自由端に探針を有するカンチレバーで、探針が試料表面
に僅かに離れて正対するように液体中に配置されるカン
チレバーと、 集束性の測定光をカンチレバー自由端に焦点を合わせて
照射してその変位を測定する変位測定手段と、 測定光の焦点と同じ位置に集束する超音波をカンチレバ
ー自由端に照射してこれを振動させる超音波照射手段
と、 カンチレバー自由端の変位に基づいてその振幅を求める
振幅算出手段と、 試料の表面に沿って探針を走査する走査手段と、 カンチレバー自由端の振幅に基づいて探針先端と試料表
面の間隔を制御するサーボ手段と、 走査手段とサーボ手段の出力に基づいて、探針の振動特
性の探針試料間距離依存性や試料表面の三次元像を求め
表示する演算表示手段とを備えている走査型プローブ顕
微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31945493A JPH07174767A (ja) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31945493A JPH07174767A (ja) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07174767A true JPH07174767A (ja) | 1995-07-14 |
Family
ID=18110385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31945493A Withdrawn JPH07174767A (ja) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07174767A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0843175A1 (en) * | 1996-11-14 | 1998-05-20 | Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. | Scanning probe microscope and signal processing apparatus |
| KR100658989B1 (ko) * | 1998-06-19 | 2007-04-25 | 한라공조주식회사 | 압축기의전자클러치 |
| CN102692523A (zh) * | 2011-03-25 | 2012-09-26 | 精工电子纳米科技有限公司 | 悬臂的振动特性测定方法 |
| EP2927699A2 (en) | 2014-03-31 | 2015-10-07 | Hitachi High-Tech Science Corporation | Method for measuring vibration characteristic of cantilever |
-
1993
- 1993-12-20 JP JP31945493A patent/JPH07174767A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0843175A1 (en) * | 1996-11-14 | 1998-05-20 | Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. | Scanning probe microscope and signal processing apparatus |
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| CN102692523A (zh) * | 2011-03-25 | 2012-09-26 | 精工电子纳米科技有限公司 | 悬臂的振动特性测定方法 |
| JP2012202841A (ja) * | 2011-03-25 | 2012-10-22 | Sii Nanotechnology Inc | カンチレバーの振動特性測定方法 |
| US8615811B2 (en) | 2011-03-25 | 2013-12-24 | Sii Nanotechnology Inc. | Method of measuring vibration characteristics of cantilever |
| EP2927699A2 (en) | 2014-03-31 | 2015-10-07 | Hitachi High-Tech Science Corporation | Method for measuring vibration characteristic of cantilever |
| US9354248B2 (en) | 2014-03-31 | 2016-05-31 | Hitachi High-Tech Science Corporation | Method for measuring vibration characteristic of cantilever |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20010306 |