JPH0868801A - 力顕微鏡の力検出機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 力顕微鏡の力検出機構において、構造を簡素
とし、検出誤差を小さくし、高感度かつ高精度の検出を
行い、安価に製作できるようにする。 【構成】 力の作用を受けるプローブ１７を一端に設け
たカンチレバー２０を備え、プローブの位置変化に伴う
カンチレバーの変位に基づいて力を検出する力顕微鏡に
適用される力検出機構１９であって、カンチレバーは捩
じれ変形部を２４介して本体部２２に設けられ、捩じれ
変形部に歪みゲージ２７を取り付けるように構成した。
基板部材を用いることにより本体部と捩じれ変形部とカ
ンチレバーを一体的に形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力顕微鏡の力検出機構に
関し、特に、原子間力や磁気力等の微弱な力を利用して
微細な対象物の形状等を観察する力顕微鏡に利用される
力検出機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】力顕微鏡とは、原子レベルの微細な測定
対象物から作用する微弱な力を検出し、測定対象物の表
面形状等を計測する顕微鏡である。この力顕微鏡の一般
的な構造としては、先部の自由端にプローブ（探針とも
いう）を有するカンチレバーを備え、プローブが測定対
象物に原子レベルの距離で接近したとき、プローブが測
定対象物の表面に存在する原子から例えば原子間力や磁
気力の作用を受け、プローブが原子間力等に応じてその
位置を変化させることによりカンチレバーがその弾性に
基づいて変位するように構成される。カンチレバーの変
位は、例えばトンネル顕微鏡を利用した変位計または光
学式の変位計を用いて検出される。

【０００３】従来の力顕微鏡の技術文献として、原子間
力顕微鏡およびこれに利用されるカンチレバーの構造を
示した特開平４−７２５０４号公報がある。この文献に
開示された原子間力顕微鏡では、本体部に対して連続し
て一体的にレバー本体が形成され、レバー本体の先端に
プローブが設けられ、かつレバー本体と本体部の間の部
分に圧電素子を設けている。レバー本体は一般に薄い金
属箔で形成される。プローブが原子間力の作用を受けて
その位置が変更し、本体部に対してカンチレバーが揺動
すると、変形部の変形で圧電素子に歪みが生じ、圧電素
子から出力される信号によってレバー本体で生じた変位
を検出することができる。この検出動作とプローブの位
置のサーボ制御を組合せることにより、測定対象物の表
面形状が測定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の原子間
力顕微鏡では、測定感度を高めるためにカンチレバーの
弾性定数を低く設定しなければならなかった。弾性定数
を低くするためには、カンチレバーをできるだけ薄くし
なければならない。この結果、本来の検出部の変位以外
でも反りに起因して変位が生じるために、検出誤差が大
きくなるという問題があった。

【０００５】本発明の目的は、上記の問題に鑑み、簡素
な構造で、検出誤差が小さく、高感度かつ高精度の検出
を行うことができ、特別に高価な検出機構を使用する必
要がなく、安価に製作できる力顕微鏡の力検出機構を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の本発明に係る力顕
微鏡の力検出機構は、上記の目的を達成するため、力の
作用を受けるプローブを一端に設けたカンチレバーを備
え、プローブの位置変化に伴うカンチレバーの変位に基
づいて力を検出する力顕微鏡に適用される力検出機構で
あり、カンチレバーは捩じれ変形部を介して本体部に設
けられ、捩じれ変形部に歪み検出手段を取り付けるよう
に構成した。

【０００７】第２の本発明は、第１の発明において、基
板部材を用いることにより本体部と捩じれ変形部とカン
チレバーを一体的に形成した。

【０００８】第３の本発明は、第１または第２の発明に
おいて、歪み検出手段に半導体歪みゲージを使用した。

【０００９】

【作用】第１の本発明では、力顕微鏡の力検出機構にお
けるカンチレバーに変位が生じると、カンチレバーの変
位に対応する変化が捩じれ変形部に優先的に生じるよう
にした。歪み検出手段は捩じれ変形部に生じた捩じれ変
形量に比例する信号を出力し、この出力信号によってプ
ローブに作用する力を高い感度でかつ高い精度で検出す
る。

【００１０】第２の本発明では、所要の剛性を有する半
導体の基板を利用し、この基板に簡単な加工を施すだけ
で捩じれ変形部を備えるカンチレバーを本体部と共に一
体的に形成する。カンチレバー自体は、剛性を有する基
板で作られるので、反りが発生するのを避けることがで
きる。また基板の一部として作られる捩じれ変形部は、
加工によって、自由に必要な捩じれ変形特性を持たせる
ことができるので、所望の感度を有する力検出機構を実
現することができる。また、簡単な加工処理で捩じれ変
形部を有する力検出機構を安価に作製する。

【００１１】第３の本発明では、歪み検出手段を半導体
歪みゲージで作製することにより、半導体成膜技術を利
用して力検出機構を作ることが可能となる。半導体歪み
ゲージを利用することにより、捩じれ変形部に生じる歪
みの検出感度を高め、力の検出感度および検出精度を高
める。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明に係る力顕微鏡の全体的な装
置構成を示し、図２は力検出機構の要部を示す。

【００１３】図１において、測定対象である試料１１は
Ｚ軸方向に微細に伸縮するＺ微動装置１２の上に配置さ
れ、Ｚ微動装置１２はＸＹ走査装置１３の上に固定され
る。Ｚ微動装置１２は試料台であり、例えば積層構造を
有する圧電素子で作製される。Ｚ微動装置１２は、Ｚ方
向サーボ制御部１４から与えられる制御信号に基づいて
伸縮し、Ｚ軸方向に試料１１を微小に移動させる。また
ＸＹ走査装置１３は、ＸＹ方向走査制御部１５から与え
られる制御信号に基づいて試料１１をＸ軸方向とＹ軸方
向のいずれか一方または両方に微細に走査移動させる。
Ｚ方向サーボ制御部１４は、後述するごとく検出回路部
１６によって検出される信号が一定に保持されるように
試料１１の表面とプローブ１７の間の距離を一定に保持
するサーボ制御を行う。Ｚ微動装置１２の動作量に関す
る制御信号はＺ方向サーボ制御部１４から演算・制御部
１８に与えられる。また演算・制御部１８は、ＸＹ走査
装置１３の動作制御に関するデータを、ＸＹ方向走査制
御部１５に与える。

【００１４】試料１１の上側には力検出機構１９が配置
される。力検出機構１９は、先部の自由端に上記プロー
ブ１７を設けたカンチレバー２０を備える。針状のプロ
ーブ１７の先端は、試料１１の表面に対し原子レベルの
距離（オングストロームのオーダの距離）で接近してい
る。試料表面の原子は、プローブ１７に対して例えば原
子間力を作用する。プローブ１７は試料１１の表面から
の原子間力の作用を受け、この原子間力に応じてその位
置を変化する。プローブ１７の位置変化によってカンチ
レバー２０には変位が生じる。

【００１５】上記の構成において、ＸＹ走査装置１３は
フレーム２１の下部に固定され、力検出機構１９はフレ
ーム２１の上部に取り付けられる。

【００１６】図２に力検出機構１９の詳細な構造を示
す。力検出機構１９は、本体部を形作るほぼ矩形の基板
２２を備える。基板２２は薄板でかつ所要の強度（剛
性）を有する。基板２２には、１つの辺に沿ってこの辺
から外方へ突出する三角片状の上記カンチレバー２０が
形成される。カンチレバー２０の先部の自由端にはプロ
ーブ１７が設けられる。基板２２には、カンチレバー２
０が形成された辺に沿って長い矩形の孔２３が形成され
る。この結果、基板２２には細幅の捩じれ変形部２４が
２箇所形成され、カンチレバー２０は２箇所の捩じれ変
形部２４を介して基板２２に設けられる。本実施例で
は、本体部（基板２２）、カンチレバー２０、捩じれ変
形部２４は基板状部材によって一体的に形成され、かつ
薄板状の形態を有する。なお、別々に作ることも可能で
ある。

【００１７】また基板２２の表面には２つの電極２５，
２６が設けられる。これらの電極２５，２６の間を接続
するように、カンチレバー２０が形成された辺に沿って
上記の捩じれ変形部２４に対応する基板表面上に歪みゲ
ージ２７が形成される。

【００１８】電極２５，２６には、図示しない歪み検出
回路が接続される。歪み検出回路は、例えば良く知られ
たホイートストンブリッジ回路を利用して構成される。
ホイートストンブリッジ回路では、一般的に平衡状態を
設定するためのブリッジ回路を形成する４つの抵抗要素
を含むが、そのうちの１つの抵抗要素に上記歪みゲージ
２７を使用し、他の３つの抵抗要素に固定値の抵抗を使
用する。歪み検出回路のホイートストンブリッジ回路に
は所要の電圧が印加された状態にあり、歪み検出回路か
ら歪みゲージ２７に対しては電極２５，２６を経由して
電流が流される。歪みゲージ２７が捩じれ変形部２４で
生じた捩じれ変形に伴う歪みを検出したとき、その抵抗
値が変化するので、ホイートストンブリッジ回路の平衡
状態が崩れ、歪み量に比例した出力電圧が歪み検出回路
から出力される。従って、歪み検出回路の出力電圧に基
づいて、カンチレバー２０の変位量（プローブ１７の位
置の変化量）、すなわちプローブ１７に作用した力を検
出することができる。

【００１９】上記の基板２２、捩じれ変形部２４、カン
チレバー２０、プローブ１７は半導体成膜プロセスで作
製される。材質としては、例えば窒化ケイ素薄膜が使用
される。また基板２２の上に形成される電極２５，２６
や歪みゲージ２７も同様に半導体製作プロセスによって
作製される。

【００２０】上記の歪み検出回路は、図１に示した前述
の検出回路部１６に含まれる。歪み検出回路から出力さ
れた信号は、Ｚ方向サーボ制御部１４に入力される。Ｚ
方向サーボ制御部１４は、歪み検出回路で得られた検出
信号を参照して、例えば検出信号が一定になるように、
すなわち試料１１とプローブ１７の距離が一定になるよ
うに、試料１１のＺ軸方向の位置をサーボ制御する。演
算・制御部１８は、Ｚ方向サーボ制御部１４とＸＹ方向
走査制御部１５の動作制御量に関するデータを用いて試
料１１の測定面の凹凸形状を演算し、表示装置１８の画
面に試料１１の測定面の凹凸形状を描く。

【００２１】力検出機構１９の検出動作を説明する。プ
ローブ１７の先端が試料１１の表面に原子レベルの距離
で接近すると、プローブ１７は試料表面の原子から原子
間力の作用を受ける。原子間力の作用を受けると、プロ
ーブ１７はこれに応じてその位置を変化させ、その結
果、カンチレバー２０は矢印Ａに示すいずれか一方の方
向へ変位する。カンチレバー２０の変位はその基端部を
中心として生じ、カンチレバー自体は所要の強度を有す
るので、反りがほとんど生ぜず、両側の２箇所の捩じれ
変形部２４でその軸回りにカンチレバー２０の変位に対
応する捩じれ変形（矢印Ｂ）が生じる。捩じれ変形部２
４で捩じれ変形が生じると、歪みゲージ２７で捩じれ変
形に伴う歪みが検出され、その抵抗値が変化する。その
結果、前述の通り歪み検出回路から、カンチレバー２０
の変位（プローブ１７の位置変化）に対応する出力電圧
を得ることができる。

【００２２】前述の実施例によれば、カンチレバー２０
で生じる変位を、カンチレバー２０と一体になった捩じ
れ変形部２４に取り付けた歪みゲージ２７のみで抽出す
るようにし、かつカンチレバー２０では反りがほとんど
生じないため、捩じれ変形部２４はカンチレバー２０の
変位に対して正確にかつ敏感に反応して捩じれ変形を生
じ、高感度かつ高精度にカンチレバー２０の変位を検出
することができる。また力検出機構１９を構成するため
の歪みゲージ２７や歪み検出回路等は、比較的に安価に
作製でき、複雑で高価な変位計を別途に用意する必要は
ない。

【００２３】上記実施例において捩じれ変形部２４の幅
や厚みは、プローブ１７の位置が変化したときに捩じれ
変形部２４で生じる捩じれ変形がカンチレバー２０の反
り変形に対して支配的要素になるように選択される。こ
れによって、前述の通り、力の検出誤差を少なくするこ
とができる。

【００２４】上記実施例では、図２に示すように基板２
２の上面のみに電極２５，２６と歪みゲージ２７を設け
るようにしたが、基板２２の下面にも電極と歪みゲージ
を設けるようにしてもよい。このような構造にすると、
上面と下面の各歪みゲージで捩じれ変形量を計測できる
ので、実質的に２倍の感度で計測を行うことができ、計
測感度および計測精度をさらに高めることができる。

【００２５】また上記実施例では、歪みを検出する手段
として半導体の歪みゲージ２７を利用したが、これに限
定されず、例えば表面弾性波素子を利用し、歪み量（捩
じれ変形量）を信号遅延量に変換して検出することもで
きる。またＺ微動装置１２やＸＹ走査装置１３を、試料
側ではなく、力検出機構側に設けてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、力の作用を受けるプローブを一端に設けかつプロ
ーブの位置変化に対応して変位を生じるカンチレバー
を、捩じれ変形部を介して本体部に設け、捩じれ変形部
に歪みゲージ等の歪み検出手段を取り付けるようにし、
カンチレバーには所要の剛性を持たせかつ捩じれ変形部
に変位を検出するための十分の捩じれ変形特性を持たせ
るようにしたため、カンチレバーで望ましくない反りが
生ぜず、検出誤差が小さく、高感度かつ高精度の変位検
出（力検出）を行うことができる。また半導体製造プロ
セスを利用して、カンチレバーと本体部を一体的に作
り、カンチレバーの基部に形成された捩じれ変形部に直
接に歪み検出手段を設けるようにしたため、構造的に簡
素であり、特別に高価な検出機構を用意する必要がな
く、安価に製作できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る力検出機構が適用される力顕微鏡
の全体構成を示す図である。

【図２】力検出機構の要部を示す外観斜視図である。

【符号の説明】

１１ 試料 １２ Ｚ微動装置 １３ ＸＹ走査装置 １７ プローブ １９ 力検出機構 ２０ カンチレバー ２２ 基板（本体部） ２３ 孔 ２４ 捩じれ変形部 ２５，２６ 電極 ２７ 歪みゲージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｌ 1/22 Ｍ Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｚ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力の作用を受けるプローブを一端に設け
   たカンチレバーを備え、前記プローブの位置変化に伴う
   前記カンチレバーの変位に基づいて前記力を検出する力
   顕微鏡において、 前記カンチレバーは捩じれ変形部を介して本体部に設け
   られ、前記捩じれ変形部に歪み検出手段を取り付けたこ
   とを特徴とする力顕微鏡の力検出機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の力顕微鏡の力検出機構に
   おいて、前記本体部と前記捩じれ変形部と前記カンチレ
   バーを基板部材で一体的に形成したことを特徴とする力
   顕微鏡の力検出機構。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の力顕微鏡の力検
   出機構において、前記歪み検出手段は半導体歪みゲージ
   であることを特徴とする力顕微鏡の力検出機構。