JPH0752102B2 - 微小部力測定方法及び装置 - Google Patents
微小部力測定方法及び装置Info
- Publication number
- JPH0752102B2 JPH0752102B2 JP62170942A JP17094287A JPH0752102B2 JP H0752102 B2 JPH0752102 B2 JP H0752102B2 JP 62170942 A JP62170942 A JP 62170942A JP 17094287 A JP17094287 A JP 17094287A JP H0752102 B2 JPH0752102 B2 JP H0752102B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- probe
- displacement
- sample
- force
- moving means
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- Expired - Lifetime
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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)
Description
本発明は微小領域の力を測定する微小部力測定装置に係
り、特に絶縁物表面の計測に好適な微小領域の力を測定
し、これに基づいて試料表面構造等を観察することので
きる微小部力測定装置に関する。
り、特に絶縁物表面の計測に好適な微小領域の力を測定
し、これに基づいて試料表面構造等を観察することので
きる微小部力測定装置に関する。
【従来の技術】 従来、微小領域の力検出については、フィジカル、レビ
ュー、レター56,（1986年）第930頁から第933頁（Phys.
Rev,Lett,56,（1986）pp930−933）において論じられて
いる。
ュー、レター56,（1986年）第930頁から第933頁（Phys.
Rev,Lett,56,（1986）pp930−933）において論じられて
いる。
上記従来技術は第２図に示すごとく、はり支持具５によ
り一端支点とされたはり（板材）２の先端に鋭利な探針
１を具備する。試料３の接近に伴なって、原子間力によ
りはり２が変位し、該変位を走査型トンネル顕微鏡（ST
M）のごとくトンネル電流を一定に流し、はり２と探針1
4との間隙を一定に保つことにより測定する。このよう
な非接触間隙測定方式を用いることで、力を変位に変換
し、変位を測定することによって微小領域の力検出が実
行されていた。 この技術は、変位測定のための安定性、即ち、はり２の
測定表面の表面粗さによる測定誤差の点について配慮が
されておらず、検出精度に問題があった。すなわち、従
来の第２図の技術では、はり２が変位することにより、
STM用探針14先端がはり２上で原子オーダで横にずれ
る。いいかえると、STM用探針14先端は、はり２の背面
上を面方向に動く。ところで、はり２の背面には通常、
原子オーダで見れば大きな起伏（数nm以上）が存在する
ことが避けえない。従って、STM用探針14は面方向に大
きな分解能を有するために、はり２背面の起伏を検出し
てしまい、はり２の変位検出に誤差が混入してしまう。 さらに、従来技術では力検出のための探針１の剛性につ
いて問題があった。
り一端支点とされたはり（板材）２の先端に鋭利な探針
１を具備する。試料３の接近に伴なって、原子間力によ
りはり２が変位し、該変位を走査型トンネル顕微鏡（ST
M）のごとくトンネル電流を一定に流し、はり２と探針1
4との間隙を一定に保つことにより測定する。このよう
な非接触間隙測定方式を用いることで、力を変位に変換
し、変位を測定することによって微小領域の力検出が実
行されていた。 この技術は、変位測定のための安定性、即ち、はり２の
測定表面の表面粗さによる測定誤差の点について配慮が
されておらず、検出精度に問題があった。すなわち、従
来の第２図の技術では、はり２が変位することにより、
STM用探針14先端がはり２上で原子オーダで横にずれ
る。いいかえると、STM用探針14先端は、はり２の背面
上を面方向に動く。ところで、はり２の背面には通常、
原子オーダで見れば大きな起伏（数nm以上）が存在する
ことが避けえない。従って、STM用探針14は面方向に大
きな分解能を有するために、はり２背面の起伏を検出し
てしまい、はり２の変位検出に誤差が混入してしまう。 さらに、従来技術では力検出のための探針１の剛性につ
いて問題があった。
上記目的は、はり部材と、はり部材に固定された探針
と、探針に対向して試料を配置する試料台と、探針と試
料の間隔を相対的に移動させる第１の移動手段と、探針
を試料表面に沿って２次元的に相対的に移動させる第２
の移動手段と、探針と試料との間に働く力によるはり部
材の変位を測定する光てこ式の光学変位測定手段とで達
成される 好ましい応用として、はり部材の変位を一定に保つよう
に第１の移動手段を制御しながら第２の移動手段を動作
させる制御装置を用いる。これにより、第２の移動手段
の動作に対する第１の移動手段の動作から試料表面構造
や表面近傍の微小力の分布を得ることができる。 さらには、はり部材を２点で支持する支持部を有し、２
点の支持部の間に前記探針を配置することが望ましい。
と、探針に対向して試料を配置する試料台と、探針と試
料の間隔を相対的に移動させる第１の移動手段と、探針
を試料表面に沿って２次元的に相対的に移動させる第２
の移動手段と、探針と試料との間に働く力によるはり部
材の変位を測定する光てこ式の光学変位測定手段とで達
成される 好ましい応用として、はり部材の変位を一定に保つよう
に第１の移動手段を制御しながら第２の移動手段を動作
させる制御装置を用いる。これにより、第２の移動手段
の動作に対する第１の移動手段の動作から試料表面構造
や表面近傍の微小力の分布を得ることができる。 さらには、はり部材を２点で支持する支持部を有し、２
点の支持部の間に前記探針を配置することが望ましい。
上述したように、従来技術では面方向に大きな分解能を
有するSTMの原理を利用して変位を測定しているため
に、はり２のたわみと共に発生する横方向のずれと、は
り２の背面の原子オーダの凸凹が測定値に影響する。 一方、本願発明で用いる光てこ式の光学変位測定手段
は、はり部材の微小な変位を非接触で高感度に測定する
ことを可能とする。しかも、はり部材裏面の比較的広い
範囲の変位を検出し、大面積で微小変位を測定できる非
接触変位測定手段であるために、はり２の変位測定での
表面凹凸による微小変位測定誤差を防止することがで
き、はりの測定表面の表面粗さによる測定誤差の問題を
回避できる。 また、光てこ式の光学変位測定手段によれば、カンチレ
バー及び試料が真空中でも、気体または液体中でも同様
に変位を測定できるという利点がある。これにより測定
の応用範囲が広がり、探針と試料間の力を調節したり、
化学的な観察と複合した測定も行なうことができる。 さらに、第２図のはり２の剛性を向上するため、少なく
ともはり２の両端を固定し、中央部に探針１を設置する
ことも望ましい。両端支持のはり２は、両端支持のため
探針軸方向に自由度を持ち、ねじれ等の運動を防止する
ことができる。このため、はり２の剛性が向上する。
有するSTMの原理を利用して変位を測定しているため
に、はり２のたわみと共に発生する横方向のずれと、は
り２の背面の原子オーダの凸凹が測定値に影響する。 一方、本願発明で用いる光てこ式の光学変位測定手段
は、はり部材の微小な変位を非接触で高感度に測定する
ことを可能とする。しかも、はり部材裏面の比較的広い
範囲の変位を検出し、大面積で微小変位を測定できる非
接触変位測定手段であるために、はり２の変位測定での
表面凹凸による微小変位測定誤差を防止することがで
き、はりの測定表面の表面粗さによる測定誤差の問題を
回避できる。 また、光てこ式の光学変位測定手段によれば、カンチレ
バー及び試料が真空中でも、気体または液体中でも同様
に変位を測定できるという利点がある。これにより測定
の応用範囲が広がり、探針と試料間の力を調節したり、
化学的な観察と複合した測定も行なうことができる。 さらに、第２図のはり２の剛性を向上するため、少なく
ともはり２の両端を固定し、中央部に探針１を設置する
ことも望ましい。両端支持のはり２は、両端支持のため
探針軸方向に自由度を持ち、ねじれ等の運動を防止する
ことができる。このため、はり２の剛性が向上する。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は微小領域の３次元形状測定器に本発明を応用した例
を示す。 第１図において、力の検出部ははり２の両端を支持具５
で支持し、その中央部にダイヤモンド製の先端が非常に
尖った探針１を設置し、はり２を介して探針１と反対側
に容量変位計のような非接触変位計４を設ける構造とし
た。 試料３は粗動機構11の上に設けた３次元微動機構上の試
料台６に搭載される。３次元微動機構はＸ軸,Y軸,Z軸ピ
エゾ素子7,8,9を台座10に図の様に設置してトライポッ
ト型の構成としている。さらに、力による変位を検出し
て、その力を一定、即ち、変位を一定にする様にＺ軸ピ
エゾ素子９を制御するとともに、２次元走査や探針１に
試料３を近づける粗動機構11を制御する制御装置12を有
する。表示装置13は試料の３次元構造を３次元表示す
る。 はり２を厚さ10μm,幅0.5cm,長さ5cmの銀等で構成する
と、約10-12N（ニュートン）の力で約１Åの変化が生じ
る。一方、非接触変位測定手段４には被測定部分が大面
積である容量変位計、光てこ式の光学変位測定器が使用
される。構成は、力によるはり２の弾性変位を測定する
ために、はり２を構成する板材に対して探針１と反対側
に非接触でかつ板材の大面積部分を被測定領域とする非
接触変位測定手段を配置する。大面積の変位検出部分を
持つ非接触変位測定器ははり２表面の凹凸や原子の配列
の影響を受けることなく測定することができる。また、
粗動機構11には尺取り虫機構やネジ式あるいは縮小変位
機構を使用したものを使用する。 上記の粗動機構11により探針１に試料３を近接し、数Å
程度までに接近すると、双方の表面原子で最近接同士の
原子間に力が働き、はり２の変位が起り、非接触変位測
定手段で検出される。この変化を一定に保つ様に制御装
置12でＺ軸ピエゾ素子９を駆動し、探針１と試料３との
間隙を一定に保つ。この状態を保ちつつ、Ｘ軸,Y軸ピエ
ゾ素子7,8で２次元走査すると、試料３の表面形状に基
づいてＺ軸ピエゾ素子が変化して試料表面の３次元形状
が得られ、表示装置13に微細構造を表示することができ
る。実際の原子間力は10-9〜10-10Nと言われており、上
述のはり構造及び変位計で十分、表面の原子構造を観察
できる。 尚、本実施例は重力の影響を受けるような構成とした
が、90゜回転し重力の影響を受けない構成とすることも
できる。また、微小機構や粗動機構を試料側あるいは力
測定部に設置しても良い。探針１はダイヤモンド以外に
硬度の高いものが良く、先端を鋭く尖らせることが重要
であり、イオンエッチングや化学エッチングあるいは精
密加工技術によって製作されることが望ましい。さら
に、探針を絶縁物以外のものにすれば、走査型トンネル
顕微鏡としても利用できる。 本システムは計算機と結合してデータ処理を行なうこと
により、より良い像を得ることができる。
図は微小領域の３次元形状測定器に本発明を応用した例
を示す。 第１図において、力の検出部ははり２の両端を支持具５
で支持し、その中央部にダイヤモンド製の先端が非常に
尖った探針１を設置し、はり２を介して探針１と反対側
に容量変位計のような非接触変位計４を設ける構造とし
た。 試料３は粗動機構11の上に設けた３次元微動機構上の試
料台６に搭載される。３次元微動機構はＸ軸,Y軸,Z軸ピ
エゾ素子7,8,9を台座10に図の様に設置してトライポッ
ト型の構成としている。さらに、力による変位を検出し
て、その力を一定、即ち、変位を一定にする様にＺ軸ピ
エゾ素子９を制御するとともに、２次元走査や探針１に
試料３を近づける粗動機構11を制御する制御装置12を有
する。表示装置13は試料の３次元構造を３次元表示す
る。 はり２を厚さ10μm,幅0.5cm,長さ5cmの銀等で構成する
と、約10-12N（ニュートン）の力で約１Åの変化が生じ
る。一方、非接触変位測定手段４には被測定部分が大面
積である容量変位計、光てこ式の光学変位測定器が使用
される。構成は、力によるはり２の弾性変位を測定する
ために、はり２を構成する板材に対して探針１と反対側
に非接触でかつ板材の大面積部分を被測定領域とする非
接触変位測定手段を配置する。大面積の変位検出部分を
持つ非接触変位測定器ははり２表面の凹凸や原子の配列
の影響を受けることなく測定することができる。また、
粗動機構11には尺取り虫機構やネジ式あるいは縮小変位
機構を使用したものを使用する。 上記の粗動機構11により探針１に試料３を近接し、数Å
程度までに接近すると、双方の表面原子で最近接同士の
原子間に力が働き、はり２の変位が起り、非接触変位測
定手段で検出される。この変化を一定に保つ様に制御装
置12でＺ軸ピエゾ素子９を駆動し、探針１と試料３との
間隙を一定に保つ。この状態を保ちつつ、Ｘ軸,Y軸ピエ
ゾ素子7,8で２次元走査すると、試料３の表面形状に基
づいてＺ軸ピエゾ素子が変化して試料表面の３次元形状
が得られ、表示装置13に微細構造を表示することができ
る。実際の原子間力は10-9〜10-10Nと言われており、上
述のはり構造及び変位計で十分、表面の原子構造を観察
できる。 尚、本実施例は重力の影響を受けるような構成とした
が、90゜回転し重力の影響を受けない構成とすることも
できる。また、微小機構や粗動機構を試料側あるいは力
測定部に設置しても良い。探針１はダイヤモンド以外に
硬度の高いものが良く、先端を鋭く尖らせることが重要
であり、イオンエッチングや化学エッチングあるいは精
密加工技術によって製作されることが望ましい。さら
に、探針を絶縁物以外のものにすれば、走査型トンネル
顕微鏡としても利用できる。 本システムは計算機と結合してデータ処理を行なうこと
により、より良い像を得ることができる。
本発明によれば、測定面積の大きい非接触変位測定手段
を用いるため、はりの表面の凹凸の影響を除くことがで
きるので、高精度な微小部分の微小を検出することがで
きる。また、探針の機械的剛性が増加し、力の影響を正
確に変位に変換する。また、３次元形状測定器に応用す
ることにより、全ての材料が測定可能となる。また、上
記の非接触変位測定手段は通常、大気中で安定に動作す
るのでSTMのように真空中での動作の必要がなくなる。
を用いるため、はりの表面の凹凸の影響を除くことがで
きるので、高精度な微小部分の微小を検出することがで
きる。また、探針の機械的剛性が増加し、力の影響を正
確に変位に変換する。また、３次元形状測定器に応用す
ることにより、全ての材料が測定可能となる。また、上
記の非接触変位測定手段は通常、大気中で安定に動作す
るのでSTMのように真空中での動作の必要がなくなる。
第１図は本発明の一実施例の構成を示す要部構成図。第
２図は従来の力測定装置の原理的構成を示す要部構成
図。 １……探針、２……はり、３……試料、４……測定面積
の大きい非接触変位測定手段、５……はり支持具、６…
…試料台、７……Ｘ軸ピエゾ素子、８……Ｙ軸ピエゾ素
子、９……Ｚ軸ピエゾ素子、10……台座、11……粗動機
構、12……制御回路、13……表示手段。
２図は従来の力測定装置の原理的構成を示す要部構成
図。 １……探針、２……はり、３……試料、４……測定面積
の大きい非接触変位測定手段、５……はり支持具、６…
…試料台、７……Ｘ軸ピエゾ素子、８……Ｙ軸ピエゾ素
子、９……Ｚ軸ピエゾ素子、10……台座、11……粗動機
構、12……制御回路、13……表示手段。
Claims (4)
- 【請求項１】板材と該板材の一方の面に設けられた探針
を用い、該探針に加わる力を上記板材の弾性変位として
検出する微小部力測定方法であって、上記板材の上記探
針と反対側の面の所定面積を被測定領域とし、光てこ式
の光学変位測定手段によって上記弾性変位を測定する微
小部力測定方法。 - 【請求項２】はり部材と、該はり部材に固定された探針
と、該探針に対向して試料を配置する試料台と、上記探
針と試料の間隔を相対的に移動させる第１の移動手段
と、上記探針を試料表面に沿って２次元的に相対的に移
動させる第２の移動手段と、上記探針と試料との間に働
く力による上記はり部材の変位を測定する光てこ式の光
学変位測定手段とを有する微小部力測定装置。 - 【請求項３】前記はり部材の変位を一定に保つように上
記第１の移動手段を制御しながら前記第２の移動手段を
動作させる制御装置を有し、前記第２の移動手段の動作
に対する前記第１の移動手段の動作から前記試料表面の
構造を観察する特許請求の範囲第２項記載の微小部力測
定装置。 - 【請求項４】前記はり部材を２点で支持する支持部を有
し、該２点の支持部の間に前記探針を配置する特許請求
の範囲第２項または第３項記載の微小部力測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62170942A JPH0752102B2 (ja) | 1987-07-10 | 1987-07-10 | 微小部力測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62170942A JPH0752102B2 (ja) | 1987-07-10 | 1987-07-10 | 微小部力測定方法及び装置 |
Related Child Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1841793A Division JPH0746051B2 (ja) | 1993-02-05 | 1993-02-05 | 微小部力測定装置 |
| JP5018418A Division JP2533728B2 (ja) | 1993-02-05 | 1993-02-05 | 測定装置及び測定方法 |
| JP8191803A Division JP2925114B2 (ja) | 1996-07-22 | 1996-07-22 | 測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6415602A JPS6415602A (en) | 1989-01-19 |
| JPH0752102B2 true JPH0752102B2 (ja) | 1995-06-05 |
Family
ID=15914224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62170942A Expired - Lifetime JPH0752102B2 (ja) | 1987-07-10 | 1987-07-10 | 微小部力測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0752102B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06103177B2 (ja) * | 1990-10-26 | 1994-12-14 | オリンパス光学工業株式会社 | 表面形状測定装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0223918B1 (en) * | 1985-11-26 | 1990-10-24 | International Business Machines Corporation | Method and atomic force microscope for imaging surfaces with atomic resolution |
-
1987
- 1987-07-10 JP JP62170942A patent/JPH0752102B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6415602A (en) | 1989-01-19 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080605 Year of fee payment: 13 |