JPH0915137A - Frictional force measuring apparatus and scanning frictional force microscope - Google Patents

Frictional force measuring apparatus and scanning frictional force microscope

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JPH0915137A
JPH0915137A JP7189789A JP18978995A JPH0915137A JP H0915137 A JPH0915137 A JP H0915137A JP 7189789 A JP7189789 A JP 7189789A JP 18978995 A JP18978995 A JP 18978995A JP H0915137 A JPH0915137 A JP H0915137A
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JP
Japan
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probe
sample
cantilever
frictional force
sample surface
Prior art date
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Application number
JP7189789A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Nakagiri
伸行 中桐
Hiroyuki Sugimura
博之 杉村
Takuma Yamamoto
琢磨 山本
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of JPH0915137A publication Critical patent/JPH0915137A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure various frictional forces acting between a probe and the surface of a sample without causing any damage on the surface of sample. SOLUTION: In a frictional force measuring apparatus and a scanning frictional force microscope, a probe 3 provided on a cantilever 1 is brought into contact with a sample surface 11 at a predetermined contact pressure and separated therefrom. When the probe 3 is touching the sample surface 11, the probe 3 and sample 11 are displaced or oscillated laterally along the sample surface. Displacement of the cantilever 1 caused by the interaction of the probe 3 and sample 11 is measured and a signal indicative of the frictional force between the probe and sample is generated therefrom. Subsequently, the probe is shifted sequentially to a plurality of measuring points on the sample surface and the frictional force is determined at each measuring point and the distribution thereof is imaged as required. A laser light source 21 for irradiating the surface ∥of cantilever 1 with a light beam and a quadripartite light receiving element 13 for receiving the reflected light are also provided.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦力測定装置お
よび走査型摩擦力顕微鏡に関し、特にカンチレバーに設
けられた探針を試料に対し適切に移動走査することによ
り最大静止摩擦力を含めて種々の摩擦力を計測可能にす
る技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a frictional force measuring device and a scanning frictional force microscope, and particularly to various types including maximum static frictional force by appropriately moving and scanning a probe provided on a cantilever with respect to a sample. It relates to a technology that enables measurement of frictional force.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、探針と試料表面との間の摩擦
力を試料表面上の各点において計測し、摩擦力の分布を
2次元画像化する摩擦力顕微鏡が知られている。摩擦力
顕微鏡は、原子間力顕微鏡において、カンチレバーの先
端付近に設けられた探針と試料表面との間に生じる摩擦
力によって引き起こされるカンチレバーのねじれの量を
計測することによって摩擦力の計測を行なうことができ
る。すなわち、探針を試料表面に一定の接触圧で接触さ
せたまま探針と試料面とを相対的に移動させる。この移
動の際のカンチレバーのねじれの量から摩擦力が計測で
きる。また、この場合カンチレバーのたわみも同時に計
測され原子間力顕微鏡として試料の表面形状に対応する
2次元画像データも得られる。このような従来の摩擦力
顕微鏡では、探針は常に試料表面に接触しており、接触
したまま探針をラスター走査する。したがって、従来の
摩擦力顕微鏡では動摩擦力を計測している。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a friction force microscope which measures a frictional force between a probe and a sample surface at each point on the sample surface and forms a two-dimensional image of the distribution of the frictional force. The frictional force microscope measures the frictional force by measuring the amount of torsion of the cantilever caused by the frictional force generated between the sample surface and the probe provided near the tip of the cantilever in the atomic force microscope. be able to. That is, the probe and the sample surface are moved relative to each other while the probe is in contact with the sample surface with a constant contact pressure. The frictional force can be measured from the amount of torsion of the cantilever during this movement. Further, in this case, the deflection of the cantilever is also measured at the same time, and two-dimensional image data corresponding to the surface shape of the sample can be obtained as an atomic force microscope. In such a conventional friction force microscope, the probe is always in contact with the sample surface, and the probe is raster-scanned while being in contact with the sample surface. Therefore, the conventional friction force microscope measures the dynamic friction force.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来の摩擦力顕微鏡で
は、上述のように、探針と試料表面との間の摩擦力を計
測するために一定の力をプローブと試料表面との間にか
ける必要がある。この力は、通常の原子間力顕微鏡で使
用される力より大きい。このため、プローブを試料表面
に対して走査したとき、試料表面に例えば引っかき傷が
できるなど、試料表面が損傷を受ける場合があった。あ
るいは、プローブの走査によって、試料表面に付着した
分子などがはがれ、または分子や粒子が掃き出されるな
どの不都合が生じていた。
In the conventional friction force microscope, as described above, a constant force is applied between the probe and the sample surface in order to measure the frictional force between the probe and the sample surface. There is a need. This force is greater than the force used in conventional atomic force microscopes. Therefore, when the probe is scanned with respect to the sample surface, the sample surface may be damaged, for example, scratched on the sample surface. Alternatively, the scanning of the probe causes inconveniences such as peeling of molecules and the like adhering to the sample surface or sweeping out of molecules and particles.

【0004】したがって、本発明の目的は、上記従来例
の問題点に鑑み、試料表面の損傷を除去または低減しな
がら摩擦力の計測を行なうことができる摩擦力測定装置
および走査型摩擦力顕微鏡を提供することにある。
Therefore, in view of the above-mentioned problems of the conventional example, an object of the present invention is to provide a frictional force measuring device and a scanning frictional force microscope capable of measuring the frictional force while removing or reducing the damage on the sample surface. To provide.

【0005】本発明の他の目的は、試料表面の損傷を除
去または低減しながら、最大静止摩擦力を含めて種々の
態樣で摩擦力を計測できる摩擦力測定装置および走査型
摩擦力顕微鏡を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a frictional force measuring device and a scanning frictional force microscope capable of measuring the frictional force in various states including the maximum static frictional force while removing or reducing the damage on the sample surface. To provide.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明によれば、摩擦力測定装置において、カンチレバ
ーに設けられた探針を試料面に所定の接触圧で接触およ
び離脱を行なわせるとともに前記探針が試料面に少なく
とも接触している間に前記探針と試料とを相対的に試料
面に沿って変位あるいは振動させる駆動機構と、前記探
針と試料との相互作用により生み出されるカンチレバー
の変位を計測する変位計測手段と、前記変位計測手段の
出力から前記探針と試料との摩擦力を示す信号を生成す
る信号処理手段とを設けた構成とする。
To achieve the above object, according to the present invention, in a frictional force measuring device, a probe provided on a cantilever is brought into contact with and released from a sample surface at a predetermined contact pressure. A drive mechanism that relatively displaces or vibrates the probe and the sample along the sample surface while the probe is at least in contact with the sample surface, and a cantilever created by the interaction between the probe and the sample. And a signal processing means for generating a signal indicating the frictional force between the probe and the sample from the output of the displacement measuring means.

【0007】上記構成に係わる摩擦力測定装置では、駆
動機構によって探針を所定の接触圧で試料面上の計測ポ
イントに接触させ、探針が試料面に接触している間に探
針と試料とを相対的に試料面に沿ってまたは横方向に変
位あるいは振動させる。この場合、カンチレバーの試料
面に垂直な方向(Z方向)、試料面に沿った横方向(X
−Y方向)の運動は、試料に対しカンチレバーを動か
す、カンチレバーと試料とを共に動かす、あるいは試料
側を動かす方法の3通りが可能であるが、いずれを使用
してもよい。探針を試料面に接触させた状態で探針と試
料面とを試料面に沿って相対的に動かすことにより、探
針と試料との相互作用、すなわち摩擦によりカンチレバ
ーのねじれが生じる。前記変位計測手段はこのようなね
じれによって生じるカンチレバーの変位を計測する。こ
の変位の大きさから前記信号処理手段が探針と試料との
摩擦力を示す信号を生成する。カンチレバーを横方向に
移動させたとき、探針の先端が試料面に対して静止した
状態でのカンチレバーの最大変位から最大静止摩擦力が
求められる。探針の先端が試料面に対して滑りを生じて
いる状態では探針と試料との動摩擦力が計測できる。
In the frictional force measuring device according to the above structure, the probe is brought into contact with the measurement point on the sample surface with a predetermined contact pressure by the drive mechanism, and the probe and the sample are contacted while the probe is in contact with the sample surface. And are relatively displaced or vibrated along the sample surface or in the lateral direction. In this case, the direction of the cantilever perpendicular to the sample surface (Z direction), the lateral direction along the sample surface (X
The movement in the (-Y direction) can be carried out in three ways: moving the cantilever with respect to the sample, moving the cantilever and the sample together, or moving the sample side, but any of them can be used. By moving the probe and the sample surface relative to each other along the sample surface while the probe is in contact with the sample surface, the interaction between the probe and the sample, that is, friction causes the torsion of the cantilever. The displacement measuring means measures the displacement of the cantilever caused by such a twist. From the magnitude of this displacement, the signal processing means generates a signal indicating the frictional force between the probe and the sample. When the cantilever is moved in the lateral direction, the maximum static friction force is obtained from the maximum displacement of the cantilever with the tip of the probe stationary with respect to the sample surface. When the tip of the probe slides on the sample surface, the dynamic frictional force between the probe and the sample can be measured.

【0008】この場合、前記探針を試料面上の複数の測
定点に順次相対的に移動させ、各測定点で探針を試料面
に対して接触および離脱させ、かつ少なくとも探針が試
料面に接触している間に探針と試料とを相対的に試料面
に沿って変位あるいは振動させることにより、試料面上
の複数の測定点での摩擦力の分布を求めることができ
る。
In this case, the probe is sequentially moved relative to a plurality of measurement points on the sample surface so that the probe comes into contact with and separates from the sample surface at each measurement point, and at least the probe is at the sample surface. By relatively displacing or vibrating the probe and the sample along the sample surface while in contact with, the distribution of the frictional force at a plurality of measurement points on the sample surface can be obtained.

【0009】また、前記変位計測手段はカンチレバーの
ねじれ量および撓み量の計測を行なうものとすると好都
合である。この場合、カンチレバーのねじれ量にもとづ
き探針の試料面に対する接触圧を所定の値に維持しつ
つ、たわみ量から摩擦力を計測することができる。探針
が試料面に対して滑りを生じている状態でのたわみ量を
求めることにより動摩擦力の計測も可能である。
Further, it is convenient that the displacement measuring means measures the amount of twist and the amount of bending of the cantilever. In this case, the frictional force can be measured from the amount of deflection while maintaining the contact pressure of the probe against the sample surface at a predetermined value based on the amount of twist of the cantilever. The dynamic friction force can also be measured by determining the amount of deflection when the probe is slipping on the sample surface.

【0010】さらに、前記変位計測手段は、カンチレバ
ーに光ビームを照射する例えばレーザ光源のような光源
と、該光ビームのカンチレバーを介しての反射光を検出
する4分割センサとによって構成できる。4分割センサ
の各センサセクションから得られる受光強度に応じた信
号を互いに演算することによってカンチレバーのねじれ
量およびたわみ量が検出できる。なお、レーザ光源から
の光ビームを反射するためにカンチレバー表面は鏡面仕
上げとしておけばよく、あるいはミラーなどをカンチレ
バーに取り付けてもよい。
Further, the displacement measuring means can be constituted by a light source such as a laser light source for irradiating the cantilever with a light beam and a four-division sensor for detecting reflected light of the light beam via the cantilever. The amount of twist and the amount of flexure of the cantilever can be detected by mutually calculating the signals corresponding to the received light intensity obtained from each sensor section of the four-division sensor. The surface of the cantilever may be mirror-finished in order to reflect the light beam from the laser light source, or a mirror or the like may be attached to the cantilever.

【0011】さらに、探針と試料との間の静止摩擦力に
より生じるカンチレバーのねじれ量の最大値を求める手
段を設けることにより、最大静止摩擦力の計測を行なう
ことができる。このねじれ量の最大値を求める手段は、
例えば前記変位計測手段からの出力のピークレベルまた
はボトムレベルを保持するためのトップバリューホルダ
ーまたはボトムバリューホルダーなどで構成できる。
Further, the maximum static friction force can be measured by providing a means for obtaining the maximum value of the amount of torsion of the cantilever generated by the static friction force between the probe and the sample. The means for obtaining the maximum value of this twist amount is
For example, a top value holder or a bottom value holder for holding the peak level or the bottom level of the output from the displacement measuring means can be used.

【0012】また、本発明によれば、走査型摩擦力顕微
鏡が提供され、該顕微鏡は、カンチレバーに設けられた
探針を試料面に対し相対的に順次複数の測定点に移動さ
せ各測定点で探針を試料面に所定の接触圧で接触させ探
針が試料面に少なくとも接触している間に探針と試料を
相対的に試料面に沿って変位あるいは振動させる駆動機
構と、前記探針が試料面に接触している間に探針と試料
とを相対的に試料面に沿って変位あるいは振動させた時
に探針と試料との相互作用により生み出されるカンチレ
バーの変位を計測する変位計測手段と、前記変位計測手
段の出力から複数の測定点における探針と試料との摩擦
力を示す2次元画像データを生成する信号処理手段とを
備えている。
Further, according to the present invention, there is provided a scanning friction force microscope, which moves a probe provided on a cantilever sequentially to a plurality of measurement points relative to a sample surface. And a drive mechanism for contacting the probe with the sample surface at a predetermined contact pressure so that the probe and the sample are relatively displaced or vibrated along the sample surface while the probe is at least in contact with the sample surface. Displacement measurement that measures the displacement of the cantilever produced by the interaction between the probe and the sample when the probe and the sample are relatively displaced or vibrated along the sample surface while the needle is in contact with the sample surface. And a signal processing means for generating from the output of the displacement measuring means two-dimensional image data indicating the frictional force between the probe and the sample at a plurality of measurement points.

【0013】このような走査型摩擦力顕微鏡において
は、前記駆動機構は、カンチレバーに設けられた探針を
試料面に所定の接触圧で接触および離脱を行なわせると
共に、探針が試料面に少なくとも接触している間に探針
と試料とを相対的に試料面に沿って変位あるいは振動さ
せる動作の他に、カンチレバーに設けられた探針を試料
面に対し順次相対的に複数の測定点に移動させる作用を
も有する。このような作用によって、試料面上の複数の
点において前記変位計測手段によってカンチレバーの変
位を計測し、複数の測定点における探針と試料との摩擦
力が求められる。そして、前記信号処理手段がこれら複
数の測定点における摩擦力を示す2次元画像データを生
成する。この2次元画像データは、例えばCRTディス
プレイのような表示装置によって画像として表示され、
あるいはプリンタに供給されて該画像データが印刷され
あるいは該画像データに対応する画像が印刷される。あ
るいは、該2次元画像データは磁気ディスク装置、光デ
ィスク装置などに供給されて記憶される。
In such a scanning friction force microscope, the drive mechanism causes the probe provided on the cantilever to come into contact with and separate from the sample surface at a predetermined contact pressure, and the probe at least contacts the sample surface. In addition to the operation of displacing or vibrating the probe and sample relatively along the sample surface while in contact, the probe provided on the cantilever is sequentially moved to multiple measurement points relative to the sample surface. It also has the function of moving. By such an action, the displacement measuring means measures the displacement of the cantilever at a plurality of points on the sample surface, and the frictional force between the probe and the sample at the plurality of measuring points is obtained. Then, the signal processing means generates two-dimensional image data showing the frictional force at the plurality of measurement points. This two-dimensional image data is displayed as an image by a display device such as a CRT display,
Alternatively, the image data is supplied to a printer to be printed, or an image corresponding to the image data is printed. Alternatively, the two-dimensional image data is supplied and stored in a magnetic disk device, an optical disk device, or the like.

【0014】さらに、上記走査型摩擦力顕微鏡は上記駆
動機構などの制御手順を変更するのみで容易に原子間力
顕微鏡として機能させることができる。例えば、上記駆
動機構によってカンチレバーに設けられた探針を試料面
上の複数の測定点に移動走査しながら、前記変位計測手
段によってカンチレバーのたわみによる変位を求める。
これによって、試料の表面形状に応じた2次元画像デー
タが得られ、原子間力顕微鏡として試料面の評価などを
行なうことが可能になる。
Further, the scanning friction force microscope can easily function as an atomic force microscope only by changing the control procedure of the driving mechanism and the like. For example, while the probe provided on the cantilever is moved and scanned by the drive mechanism to a plurality of measurement points on the sample surface, the displacement due to the deflection of the cantilever is obtained by the displacement measuring means.
As a result, two-dimensional image data corresponding to the surface shape of the sample can be obtained, and it becomes possible to evaluate the sample surface as an atomic force microscope.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】図1の(a)は、本発明に係わる
摩擦力測定装置および走査型摩擦力顕微鏡において使用
される探針付カンチレバーの外観を探針の先端部を上に
して示している。同図に示すように、細長い板状部材で
構成されたカンチレバー1の先端部には探針3が取り付
けられている。また、カンチレバーの後端は結合部材5
を介して図示しない固定部材などに固定されている。こ
のようなカンチレバーと探針とは例えば窒化シリコンな
どを使用してリソグラフィー技術により作製される。本
実施例ではカンチレバーの長さは約200ミクロンであ
り、探針の高さは約6ミクロンである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1A shows the external appearance of a cantilever with a probe used in a frictional force measuring device and a scanning frictional microscope according to the present invention, with the tip of the probe facing up. ing. As shown in the figure, a probe 3 is attached to the tip of a cantilever 1 formed of an elongated plate member. In addition, the rear end of the cantilever is the connecting member 5.
It is fixed to a fixing member or the like not shown via. Such a cantilever and a probe are produced by a lithography technique using, for example, silicon nitride. In this embodiment, the length of the cantilever is about 200 μm and the height of the probe is about 6 μm.

【0016】図1の(b)および(c)は、それぞれ、
カンチレバー1と探針3とを側面および正面から見た状
態を示し、これらの図ではカンチレバーにたわみがない
場合を示している。また、これらの図において矢印はカ
ンチレバーのねじれおよびたわみを計測するためのレー
ザ光線のような光ビームの経路を示している。7は入射
する光ビーム、9は反射される光ビームを示す。
1 (b) and 1 (c) respectively show
The state in which the cantilever 1 and the probe 3 are viewed from the side and the front is shown, and in these figures, the case where the cantilever is not bent is shown. Also, in these figures, the arrows indicate the path of a light beam such as a laser beam for measuring the twist and deflection of the cantilever. Reference numeral 7 indicates an incident light beam, and 9 indicates a reflected light beam.

【0017】図1の(d)はカンチレバー1がたわみを
生じた状態を示しており、反射した光ビーム9の反射方
向が点線で示されるたわみのない場合の方向からずれる
量によってたわみ量を検出できる。
FIG. 1 (d) shows a state in which the cantilever 1 is deflected, and the deflection amount is detected by the amount by which the reflected direction of the reflected light beam 9 is deviated from the direction shown in dotted line when there is no deflection. it can.

【0018】また、図1の(e)は、カンチレバー1が
ねじれを生じた状態を示しており、反射した光ビーム9
がカンチレバー正面から見て左右にずれることになり、
その光ビームのずれ量からカンチレバー1のねじれ量が
計測できる。
Further, FIG. 1E shows a state in which the cantilever 1 is twisted, and the reflected light beam 9
Will shift left and right when viewed from the front of the cantilever,
The amount of twist of the cantilever 1 can be measured from the amount of deviation of the light beam.

【0019】次に、図2を参照して、本発明に係わる摩
擦力測定装置および走査型摩擦力顕微鏡において摩擦力
を測定する方法を説明する。図2の(a)は、カンチレ
バーに付された探針を試料面に接触させた状態で横方向
に振動させた場合の探針と試料面との摩擦力の関係を示
す。また、図2の(b)は、図2(a)のグラフの各ポ
イントA〜Hにおけるカンチレバーの横方向の変位に対
する該カンチレバーのねじれの状態を示す。
Next, referring to FIG. 2, a method for measuring the frictional force in the frictional force measuring device and the scanning frictional force microscope according to the present invention will be described. FIG. 2A shows the relationship between the frictional force between the probe and the sample surface when the probe attached to the cantilever is laterally vibrated while being in contact with the sample surface. 2B shows the state of torsion of the cantilever with respect to the lateral displacement of the cantilever at points A to H in the graph of FIG.

【0020】まず、図2の(b)のAのように、探針が
試料表面に接触した初期状態では、摩擦力はゼロであ
り、かつカンチレバーの傾き、したがってねじれもゼロ
である。
First, as shown by A in FIG. 2B, in the initial state in which the probe is in contact with the sample surface, the frictional force is zero, and the cantilever tilts, and therefore the twist is also zero.

【0021】次に、Bに示すように、カンチレバーを横
方向に変位させると(試料を変位させてもよい)、探針
と試料面との間に摩擦力が生じ、カンチレバーにねじれ
が生じる。この状態では、探針と試料面との間には最大
静止摩擦力以下の静止摩擦力が働いており、したがって
探針と試料表面との間の滑りは生じない。
Next, as shown in B, when the cantilever is laterally displaced (the sample may be displaced), a frictional force is generated between the probe and the sample surface, and the cantilever is twisted. In this state, a static frictional force equal to or less than the maximum static frictional force is exerted between the probe and the sample surface, and therefore slippage between the probe and the sample surface does not occur.

【0022】カンチレバーをさらに同じ方向に横方向に
変位させると、Cに示すように、カンチレバーのねじれ
は最大に達する。この状態は探針と試料面間に最大静止
摩擦力が働いている状態である。
When the cantilever is further displaced laterally in the same direction, as shown in C, the torsion of the cantilever reaches the maximum. In this state, the maximum static frictional force acts between the probe and the sample surface.

【0023】さらにカンチレバーを同じ横方向に変位さ
せると、Dに示すようにカンチレバーのねじれは減少
し、探針と試料間に滑りが生じる。この状態では探針と
試料面間に動摩擦力が働いている状態である。
Further, when the cantilever is displaced in the same lateral direction, the torsion of the cantilever is reduced as shown in D, and slip occurs between the probe and the sample. In this state, a dynamic frictional force is acting between the probe and the sample surface.

【0024】次に、カンチレバーの横方向移動の方向を
逆転させると、カンチレバーのねじれは徐々に解消さ
れ、やがて、Eに示すようにゼロになり摩擦力がゼロの
状態となる。さらに逆方向にカンチレバーを変位させる
と、Fに示すようにカンチレバーに逆方向のねじれが生
じる。さらにカンチレバーを変位させるとGに示すよう
にカンチレバーのねじれは最大値に達する。この状態
は、探針と試料面とに最大静止摩擦力が作用している状
態である。
Next, when the direction of the lateral movement of the cantilever is reversed, the torsion of the cantilever is gradually eliminated, and eventually, as indicated by E, it becomes zero and the frictional force becomes zero. When the cantilever is further displaced in the opposite direction, the cantilever is twisted in the opposite direction as indicated by F. When the cantilever is further displaced, as shown in G, the torsion of the cantilever reaches the maximum value. In this state, the maximum static frictional force acts on the probe and the sample surface.

【0025】さらにカンチレバーの変化を大きくする
と、Hに示すように、カンチレバーのねじれは減少し、
探針と試料との間に滑りが生じ、動摩擦力が作用してい
る状態となる。
When the change of the cantilever is further increased, as shown in H, the torsion of the cantilever decreases,
A slip occurs between the probe and the sample, and a state in which a dynamic friction force is applied is reached.

【0026】Hの状態から再びカンチレバーの横方向の
移動方向を逆転させると、徐々にカンチレバーのねじれ
は減少し、やがてゼロとなる。このようなプロセスにお
いてカンチレバーのねじれの最大値を計測記録してお
く。なお、同じ測定点においてこのようなプロセスを何
回か繰り返してもよい。
When the lateral direction of movement of the cantilever is reversed again from the H state, the torsion of the cantilever gradually decreases and eventually becomes zero. In such a process, the maximum value of the cantilever twist is measured and recorded. Note that this process may be repeated several times at the same measurement point.

【0027】図3は、探針の横方向の変位幅と摩擦力と
の関係を示す。(a)に示すように、探針の変位幅が小
さい場合には、計測される静止摩擦力は最大静止摩擦力
に達しない場合が生じる。
FIG. 3 shows the relationship between the lateral displacement width of the probe and the frictional force. As shown in (a), when the displacement width of the probe is small, the measured static friction force may not reach the maximum static friction force.

【0028】これに対し、探針の変位幅が充分大きけれ
ば、(b)に示すように、探針と試料との間の摩擦力は
最大静止摩擦力に達し、その後滑り摩擦力が生じる状態
となる。また、探針の変位幅が大きすぎると、(c)に
示すように、探針と試料面との滑り幅が大きくなり、従
来の摩擦力顕微鏡と同様に、試料に損傷を及ぼす可能性
が高くなる。したがって、計測を必要とする摩擦力の種
類に応じて探針の変位幅を適切に制御する必要がある。
On the other hand, if the displacement width of the probe is sufficiently large, as shown in (b), the frictional force between the probe and the sample reaches the maximum static frictional force, and then the sliding frictional force is generated. Becomes In addition, if the displacement width of the probe is too large, the sliding width between the probe and the sample surface becomes large as shown in (c), and the sample may be damaged as in the conventional friction force microscope. Get higher Therefore, it is necessary to appropriately control the displacement width of the probe according to the type of frictional force that needs to be measured.

【0029】次に、図4を参照して光てこ法を使用した
摩擦力の計測につき説明する。図4は、探針3を備えた
カンチレバー1を該カンチレバーの先端正面側から見た
拡大図であり、11は試料面を示している。また、7
は、図示しないレーザ光源からカンチレバー1の上面に
投射される光ビームを示し、9はその反射光を示す。ま
た、13は反射光9を受ける受光素子を示している。
Next, the measurement of the frictional force using the optical lever method will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an enlarged view of the cantilever 1 provided with the probe 3 as seen from the front side of the tip of the cantilever, and 11 indicates the sample surface. Also, 7
Indicates a light beam projected onto the upper surface of the cantilever 1 from a laser light source (not shown), and 9 indicates its reflected light. Reference numeral 13 denotes a light receiving element that receives the reflected light 9.

【0030】図4において、カンチレバーの横方向の変
位をΔx、カンチレバーのねじれ角をθ、探針先端から
カンチレバー1の表面までの高さをhとすると次の関係
が成立する。
In FIG. 4, when the lateral displacement of the cantilever is Δx, the torsion angle of the cantilever is θ, and the height from the tip of the probe to the surface of the cantilever 1 is h, the following relationship is established.

【数1】Δx/h=SIN(θ)[Formula 1] Δx / h = SIN (θ)

【0031】このとき、カンチレバー1による反射光9
の方向は2θだけ傾く。反射光9を受光する受光素子1
3とカンチレバーとの距離をLとすると、受光素子13
の受光面上での反射光9の変位Δaは次式で表わされ
る。
At this time, the reflected light 9 from the cantilever 1
Is inclined by 2θ. Light receiving element 1 for receiving the reflected light 9
Let L be the distance between 3 and the cantilever.
The displacement Δa of the reflected light 9 on the light receiving surface of is expressed by the following equation.

【数2】Δa/L=SIN(2θ)[Formula 2] Δa / L = SIN (2θ)

【0032】一方、探針3と試料11との摩擦力Fはカ
ンチレバー1のねじれに対するバネ定数kとねじれ角θ
とから次のように表わされる。
On the other hand, the frictional force F between the probe 3 and the sample 11 is the spring constant k and the torsion angle θ with respect to the torsion of the cantilever 1.
From and it is expressed as follows.

【数3】F=k・θ[Equation 3] F = k · θ

【0033】カンチレバーのねじれ角θが小さく、SI
N(θ)がほぼθに等しく、したがってSIN(2θ)
がほぼ2θに等しいという近似が成り立つ場合には、こ
れらの式から摩擦力Fは次のようになる。
The torsion angle θ of the cantilever is small and SI
N (θ) is approximately equal to θ, so SIN (2θ)
When the approximation holds that is approximately equal to 2θ, the frictional force F is as follows from these equations.

【数4】F=(k/2L)Δa(4) F = (k / 2L) Δa

【0034】したがって、摩擦力Fは受光素子13上で
の反射光9の変位Δaに対して比例関係を持つ。
Therefore, the frictional force F has a proportional relationship with the displacement Δa of the reflected light 9 on the light receiving element 13.

【0035】また、前記図1に示した光てこの配置で
は、たわみとねじれとによる反射光方位の変化方向が互
いに直交しており、受光素子13として4分割センサを
用いることにより、たわみ量およびねじれ量を独立に検
出することができる。
Further, in the arrangement of the optical lever shown in FIG. 1, the directions of change of the reflected light azimuth due to the bending and the twist are orthogonal to each other, and by using the four-division sensor as the light receiving element 13, the bending amount and The amount of twist can be detected independently.

【0036】すなわち、図5に示すように、4分割セン
サは、4個のフォトダイオードA,B,C,Dを縦横2
列に配置したものであり、カンチレバー1からの反射光
9の光ビームのスポット15の位置に応じて各フォトダ
イオードA〜Dの出力が変化する。フォトダイオード
A,B,C,Dの出力をそれぞれ同じ記号A,B,C,
Dで表わすと、カンチレバー1のたわみ量は次式で計算
できる。
That is, as shown in FIG. 5, the four-division sensor has four photodiodes A, B, C, and D arranged vertically and horizontally.
The outputs of the photodiodes A to D change according to the position of the spot 15 of the light beam of the reflected light 9 from the cantilever 1. The outputs of the photodiodes A, B, C, and D are the same symbols A, B, C, and
When expressed by D, the amount of deflection of the cantilever 1 can be calculated by the following equation.

【数5】(A+B)−(C+D)[Equation 5] (A + B)-(C + D)

【0037】また、カンチレバー1のねじれ量は次のよ
うにして計算できる。
The amount of twist of the cantilever 1 can be calculated as follows.

【数6】(A+C)−(B+D)[Equation 6] (A + C)-(B + D)

【0038】なお、本発明では、探針を試料表面に所定
圧力で接触させるための制御を行なうためにカンチレバ
ー1のたわみ量を利用し、摩擦力を測定するためにカン
チレバー1のねじれ量を利用している。
In the present invention, the deflection amount of the cantilever 1 is used to control the contact of the probe with the sample surface at a predetermined pressure, and the twist amount of the cantilever 1 is used to measure the frictional force. doing.

【0039】なお、上記構成では、探針が試料面に接触
しているときにカンチレバーを横方向に変位させている
が、探針に対する試料の横方向の変位は、探針が試料面
に接触していないときにも常に振動させておいてもよ
い。この場合、探針が試料に接触し、始めのうち接触圧
が低いときには、探針と試料との間に働く摩擦力も小さ
いため、探針と試料とは小さな最大静止摩擦力を簡単に
超えて滑り出す。さらに接触圧が増加されると、最大静
止摩擦力も増加し、滑る範囲が減少する。所定の接触圧
に達すると、最大静止摩擦力も最大になり、この値が記
録される。この測定モードでは高速度の画像取得が可能
となる。ただし、横振動の周波数は接触−離脱の周波数
よりも充分高く設定する必要がある。
In the above structure, the cantilever is displaced laterally when the probe is in contact with the sample surface. However, the lateral displacement of the sample with respect to the probe causes the probe to contact the sample surface. You may always vibrate when not doing. In this case, when the probe comes into contact with the sample and the contact pressure is low at the beginning, the frictional force acting between the probe and the sample is also small, so the probe and sample easily exceed the small maximum static friction force. Start sliding. When the contact pressure is further increased, the maximum static friction force is also increased and the sliding range is reduced. When a given contact pressure is reached, the maximum static friction force is also maximized and this value is recorded. This measurement mode enables high-speed image acquisition. However, the frequency of lateral vibration needs to be set sufficiently higher than the frequency of contact-release.

【0040】図6は、以上のような摩擦力の計測方法を
使用した本発明に係わる走査型摩擦力顕微鏡の概略の構
成を示す。図6の装置は、前述のような探針3が付され
たカンチレバー1が結合部材5を介して図示しない固定
部材、例えば顕微鏡の基台、などに固定されている。ま
た、試料11を3次元で位置制御し、主として試料11
を探針3に対して摩擦力を発生させる横方向に振動させ
る圧電アクチュエータ19も使用される。また、圧電ア
クチュエータ19はX,Y軸走査、およびカンチレバー
1のたわみ量を一定とするためにZ軸方向の変位の制御
にも使用する。
FIG. 6 shows a schematic structure of a scanning frictional force microscope according to the present invention using the above-described frictional force measuring method. In the apparatus shown in FIG. 6, the cantilever 1 having the probe 3 as described above is fixed to a fixing member (not shown) such as a base of a microscope via a connecting member 5. The position of the sample 11 is controlled in three dimensions, and
A piezoelectric actuator 19 that vibrates in a lateral direction that generates a frictional force with respect to the probe 3 is also used. The piezoelectric actuator 19 is also used for scanning the X and Y axes and for controlling the displacement in the Z axis direction in order to keep the amount of deflection of the cantilever 1 constant.

【0041】また、前述のように光てこ法によってカン
チレバー1の変位を検知するために、カンチレバー1の
表面に光ビームを照射するレーザ光源21と、カンチレ
バー1からの該光ビームの反射光を受光する4分割受光
素子または4分割センサ13を備えている。4分割受光
素子13の出力にはたわみ成分演算回路23およびねじ
れ成分演算回路25が接続されている。
Further, as described above, in order to detect the displacement of the cantilever 1 by the optical lever method, the laser light source 21 for irradiating the surface of the cantilever 1 with a light beam and the reflected light of the light beam from the cantilever 1 are received. A four-division light receiving element or a four-division sensor 13 is provided. A deflection component calculation circuit 23 and a twist component calculation circuit 25 are connected to the output of the four-division light receiving element 13.

【0042】たわみ成分演算回路23は、4分割受光素
子13の出力から、例えば前述の数式5の演算により、
カンチレバー1のたわみに比例した出力信号を発生し、
演算増幅器27および制御装置29に供給する。ねじれ
成分演算回路25は、4分割受光素子13の出力から、
例えば前記数式6によって、カンチレバー1のねじれ成
分に比例した出力信号を発生し制御装置29に供給す
る。ねじれ成分演算回路25はまた、カンチレバー1の
ねじれに比例した電圧の最大値および最小値をそれぞれ
出力するトップバリューホルダーおよびボトムバリュー
ホルダー回路を備えている。これらトップバリューホル
ダーおよびボトムバリューホルダー回路は、例えば周知
のピークホールド回路などを使用して構成できる。
The flexure component calculation circuit 23 calculates the output of the four-division light-receiving element 13 from the output of the four-division light-receiving element 13 by, for example, the calculation of the above equation 5.
Generates an output signal proportional to the deflection of cantilever 1,
It is supplied to the operational amplifier 27 and the control device 29. The twist component calculation circuit 25 outputs the output of the four-division light receiving element 13
For example, according to the above formula 6, an output signal proportional to the twist component of the cantilever 1 is generated and supplied to the control device 29. The twist component calculation circuit 25 also includes a top value holder and a bottom value holder circuit that output the maximum value and the minimum value of the voltage proportional to the twist of the cantilever 1, respectively. These top value holder and bottom value holder circuits can be configured using, for example, a well-known peak hold circuit.

【0043】演算増幅器27には、制御装置29によっ
て制御される走査信号発生器31からの信号および制御
装置29によって制御される横変位用信号発生器33か
らの信号も与えられる。演算増幅器27はこれら各回路
23,31,33からの信号に基づき、圧電アクチュエ
ータ19を駆動するための制御信号を発生する。制御装
置29は、すべての制御およびデータの取得に係わる制
御を行ない、該制御装置29には取得したデータの表示
を行なうために表示装置37が接続されている。表示装
置37としては、例えばCRTディスプレイ装置、液晶
ディスプレイ装置、その他のものとされる。
The operational amplifier 27 is also supplied with a signal from the scanning signal generator 31 controlled by the controller 29 and a signal from the lateral displacement signal generator 33 controlled by the controller 29. The operational amplifier 27 generates a control signal for driving the piezoelectric actuator 19 based on the signals from these circuits 23, 31, 33. The control device 29 performs all controls and control related to acquisition of data, and a display device 37 is connected to the control device 29 for displaying the acquired data. The display device 37 is, for example, a CRT display device, a liquid crystal display device, or the like.

【0044】図6の走査型摩擦力顕微鏡においては、制
御装置29の制御の下に、走査信号発生回路31によっ
て発生された制御信号を演算増幅器27を介して圧電ア
クチュエータ19に供給することにより、試料11を探
針3に対して相対的に順次走査する。また、走査信号発
生回路31からの制御信号により圧電アクチュエータ1
9を駆動して試料11と探針3を各測定点で接触させか
つ離脱させる。この場合の探針3の試料11表面に対す
る接触圧は前記レーザ光源21、4分割受光素子13を
使用した光てこ法によって得られた信号からたわみ成分
演算回路23でたわみ量を検出し制御装置29にフィー
ドバックしてカンチレバー1のたわみ量が一定となるよ
う制御する。
In the scanning friction force microscope of FIG. 6, the control signal generated by the scanning signal generating circuit 31 is supplied to the piezoelectric actuator 19 through the operational amplifier 27 under the control of the control device 29. The sample 11 is sequentially scanned relative to the probe 3. In addition, the piezoelectric actuator 1 is controlled by the control signal from the scanning signal generation circuit 31.
9 is driven so that the sample 11 and the probe 3 are brought into contact with each other at each measurement point and separated from each other. In this case, the contact pressure of the probe 3 with respect to the surface of the sample 11 is detected by the deflection component calculation circuit 23 from the signal obtained by the optical lever method using the laser light source 21 and the four-division light receiving element 13, and the control device 29 is used. Is fed back to control the cantilever 1 so that the amount of deflection is constant.

【0045】また、各測定点で横変位用信号発生回路3
3によって発生した信号を演算増幅器27を介して圧電
アクチュエータ19に加えることにより、探針3と試料
11とを横方向に振動させる。この振動によって生じた
カンチレバー1のねじれ成分が4分割受光素子13から
ねじれ成分演算回路25によって検出され制御装置29
に入力される。この場合、ねじれ成分演算回路25はカ
ンチレバーのねじれの最大値に比例する電圧をも出力
し、これによって最大静止摩擦力を示す信号を得ること
ができる。
Further, at each measurement point, the lateral displacement signal generation circuit 3
By applying the signal generated by 3 to the piezoelectric actuator 19 via the operational amplifier 27, the probe 3 and the sample 11 are laterally vibrated. The twist component of the cantilever 1 generated by this vibration is detected by the twist component calculation circuit 25 from the four-division light receiving element 13 and is controlled by the control device 29.
Is input to In this case, the torsion component calculation circuit 25 also outputs a voltage proportional to the maximum value of the torsion of the cantilever, and thereby a signal indicating the maximum static friction force can be obtained.

【0046】制御装置29は、試料11の各測定ポイン
トで以上のような摩擦力、すなわち最大静止摩擦力およ
び動摩擦力、のうちのいずれかまたは全部を求め、内部
の記憶装置に格納する。そして、後にこの記憶装置から
読出したデータを表示装置37で画像として表示し、あ
るいは印刷を行なう。したがって、例えば試料11上の
各ポイント(X,Y)での最大静止摩擦力を画像化して
CRTディスプレイ上に表示することもできる。
The control device 29 obtains any or all of the above-mentioned frictional force at each measurement point of the sample 11, that is, the maximum static frictional force and the dynamic frictional force, and stores it in the internal storage device. Then, the data read out from the storage device later is displayed as an image on the display device 37 or is printed. Therefore, for example, the maximum static friction force at each point (X, Y) on the sample 11 can be imaged and displayed on the CRT display.

【0047】なお、図6の各回路は高速度の動作を行な
うためには、それぞれ専用の電子回路で構成するのがよ
いが、充分に高速度なマイクロコンピュータによって複
数のまたは全部の回路の動作を行なわせることも可能で
ある。このようなマイクロコンピュータなどのコンピュ
ータを使用した場合の利点は、走査手順や様々なパラメ
ータを比較的容易にプログラムで変更できることであ
る。また、ユーザインタフェースの工夫によりパラメー
タなどの選択を直観的で解りやすく行なうことができる
ようにすることもできる。
Each circuit in FIG. 6 is preferably composed of a dedicated electronic circuit in order to operate at a high speed, but a sufficiently high speed microcomputer operates a plurality of or all circuits. It is also possible to perform. An advantage of using a computer such as such a microcomputer is that the scanning procedure and various parameters can be changed by a program relatively easily. Further, it is possible to make the selection of parameters and the like intuitive and easy to understand by devising a user interface.

【0048】なお、図6の装置は、探針3を試料11の
面に一定の接触圧で接触させるよう制御する機能を有す
るため、このような制御を行なう圧電アクチュエータ1
9への制御信号は各測定点における試料表面の高さを表
わすデータとして使用することができ、いわゆる原子間
力顕微鏡として試料表面の形状に関するデータを得るこ
とも可能となる。
Since the apparatus of FIG. 6 has a function of controlling the probe 3 to contact the surface of the sample 11 with a constant contact pressure, the piezoelectric actuator 1 for performing such control.
The control signal to 9 can be used as data representing the height of the sample surface at each measurement point, and it is also possible to obtain data on the shape of the sample surface as a so-called atomic force microscope.

【0049】したがって、図6の顕微鏡では、試料11
の各測定点における最大静止摩擦力および動摩擦力を含
むデータおよび試料表面の高さを示すデータなどを同時
に得ることができ、これらのデータを各測定点ごとに制
御装置29に内蔵のあるいは外付けの記憶装置に記憶
し、後にこの記憶装置のデータを制御装置29あるいは
別のコンピュータで精密に分析しかつ画像化して表示す
ることも可能である。
Therefore, in the microscope of FIG.
It is possible to simultaneously obtain data including the maximum static frictional force and dynamic frictional force at each measurement point, data indicating the height of the sample surface, etc., and these data are stored in the control device 29 for each measurement point or externally attached. It is also possible to store the data in this memory device and to analyze the data in this memory device precisely by the controller 29 or another computer and display it in the form of an image.

【0050】[0050]

【実施例】図6の構成例において、カンチレバー1とし
ては、高さ6ミクロンの探針がついた長さ200ミクロ
ンのものを使用した。また、試料11としてはシリコン
上に有機シラン分子膜を局所的にライン上に形成したも
のを使用し、試料表面との相互作用を大きくするために
カンチレバーの探針3としても、試料と同じ分子である
有機シラン、例えばトリメチルクロロシランやオクタデ
シルトリクロロシランによって表面処理したものを用い
た。このような試料および探針を使用して、試料上の各
地点(X,Y)での最大静止摩擦力を計測し画像化して
CRTディスプレイ装置上に表示した。
EXAMPLE In the configuration example of FIG. 6, the cantilever 1 having a length of 200 μm with a probe having a height of 6 μm was used. Further, as the sample 11, an organic silane molecular film locally formed on a line on silicon is used, and the cantilever probe 3 has the same molecule as the sample in order to increase the interaction with the sample surface. Was used, which was surface-treated with an organic silane such as trimethylchlorosilane or octadecyltrichlorosilane. Using such a sample and a probe, the maximum static friction force at each point (X, Y) on the sample was measured, imaged and displayed on a CRT display device.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、試料面
に与える損傷を最小限に抑えながら、探針と試料間に与
えた接触圧に対する種々の摩擦力を短時間で精密に測定
することができる。特に、従来の摩擦力顕微鏡では計測
できなかった最大静止摩擦力を短時間で的確に検出する
ことが可能になり、試料の種々の摩擦力分布に関するデ
ータを求めることができ、試料のより的確な評価を行な
うことが可能になる。
As described above, according to the present invention, various frictional forces with respect to the contact pressure applied between the probe and the sample can be accurately measured in a short time while minimizing damage to the sample surface. can do. In particular, it becomes possible to accurately detect the maximum static friction force that could not be measured by the conventional friction force microscope in a short time, and it is possible to obtain data on various friction force distributions of the sample, and more accurate measurement of the sample is possible. It becomes possible to make an evaluation.

【0052】また、本発明に係わる走査型摩擦力顕微鏡
は、従来の摩擦力顕微鏡に対し少しの修正を加えるのみ
で実現することができ、装置のコストの上昇も最小限に
抑えられる。
Further, the scanning friction force microscope according to the present invention can be realized by making a slight modification to the conventional friction force microscope, and the increase in the cost of the apparatus can be minimized.

【0053】さらに、本発明に係わる走査型摩擦力顕微
鏡は、原子間力顕微鏡の機能を持たせることができるた
め、各測定点における摩擦力の測定と同時に試料表面の
高さに関するデータを同時に得ることができ、試料表面
の形状と摩擦力分布が得られ、例えば分子で修飾した表
面などを分析するナノメータ表面分析手段のような、極
めて高度な分析評価手段を提供することができる。
Further, since the scanning frictional force microscope according to the present invention can have the function of an atomic force microscope, the frictional force at each measurement point is measured and the data on the height of the sample surface are obtained at the same time. Thus, the shape and frictional force distribution of the sample surface can be obtained, and an extremely sophisticated analytical evaluation means such as a nanometer surface analysis means for analyzing a surface modified with a molecule can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係わる摩擦力測定装置および走査型摩
擦力顕微鏡に使用するカンチレバー付探針の構造および
動作を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the structure and operation of a probe with a cantilever used in a frictional force measuring device and a scanning frictional force microscope according to the present invention.

【図2】図1に示される探針付カンチレバーのねじれと
摩擦力との関係を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a relationship between twisting and frictional force of the cantilever with a probe shown in FIG.

【図3】カンチレバーの探針と試料との変位に対する摩
擦力の関係を示す説明的グラフである。
FIG. 3 is an explanatory graph showing the relationship between frictional force and displacement of a cantilever probe and a sample.

【図4】光てこ法の原理を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the principle of the optical lever method.

【図5】4分割受光素子によるカンチレバーの各変位の
検出方法を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a method of detecting each displacement of the cantilever by the four-division light receiving element.

【図6】本発明に係わる走査型摩擦力顕微鏡の概略の構
成を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a scanning frictional force microscope according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 カンチレバー 3 探針 5 取り付け部材 7 光ビーム 9 反射ビーム 11 試料 13 受光素子 15 光ビームスポット 19 チューブ型圧電アクチュエータ 21 レーザ光源 23 たわみ成分演算器 25 ねじれ成分演算器 27 演算増幅器 29 制御装置 31 走査信号発生器 33 横変位用信号発生器 37 表示装置 1 cantilever 3 probe 5 mounting member 7 light beam 9 reflected beam 11 sample 13 light receiving element 15 light beam spot 19 tube type piezoelectric actuator 21 laser light source 23 deflection component calculator 25 twist component calculator 27 operational amplifier 29 controller 31 scanning signal Generator 33 Lateral displacement signal generator 37 Display device

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カンチレバーに設けられた探針を、試料
面に所定の接触圧で接触および離脱を行なわせるととも
に、前記探針が試料面に少なくとも接触している間に前
記探針と試料とを相対的に試料面に沿って変位あるいは
振動させる駆動機構と、 前記探針と試料との相互作用により生み出されるカンチ
レバーの変位を計測する変位計測手段と、 前記変位計測手段の出力から前記探針と試料との摩擦力
を示す信号を生成する信号処理手段と、 を具備することを特徴とする摩擦力測定装置。
1. A probe provided on a cantilever is brought into and out of contact with a sample surface at a predetermined contact pressure, and the probe and the sample are contacted with each other while the probe is at least in contact with the sample surface. Drive mechanism for relatively displacing or vibrating the sample along the sample surface, displacement measuring means for measuring the displacement of the cantilever produced by the interaction between the probe and the sample, and the probe from the output of the displacement measuring means. And a signal processing means for generating a signal indicating a frictional force between the sample and the sample, and a frictional force measuring device.
【請求項2】 さらに、前記探針を試料面上の複数の測
定点に順次相対的に移動させ、各測定点で探針を試料面
に対して接触および離脱させ、かつ少なくとも探針が試
料面に接触している間に探針と試料とを相対的に試料面
に沿って変位あるいは振動させることにより、複数の測
定点での摩擦力の分布を求めることを特徴とする請求項
1に記載の摩擦力測定装置。
2. The probe is sequentially moved relative to a plurality of measurement points on the sample surface, and the probe is brought into contact with and separated from the sample surface at each measurement point, and at least the probe is a sample. The distribution of the frictional force at a plurality of measurement points is obtained by displacing or vibrating the probe and the sample relatively along the sample surface while in contact with the surface. The frictional force measuring device described.
【請求項3】 前記変位計測手段はカンチレバーのねじ
れ量および撓み量の計測が可能であることを特徴とする
請求項1または2に記載の摩擦力測定装置。
3. The frictional force measuring device according to claim 1, wherein the displacement measuring means is capable of measuring the amount of twist and the amount of bending of the cantilever.
【請求項4】 前記変位計測手段は、カンチレバーに光
ビームを照射する光源と、該光ビームのカンチレバーに
よる反射光を検出する4分割センサとを備え、該4分割
センサの各センサセクションの受光強度に基づきカンチ
レバーのねじれ量および撓み量を検出することを特徴と
する請求項3に記載の摩擦力測定装置。
4. The displacement measuring means includes a light source for irradiating a cantilever with a light beam, and a four-division sensor for detecting reflected light of the light beam by the cantilever, and a light-receiving intensity of each sensor section of the four-division sensor. The frictional force measuring device according to claim 3, wherein the amount of twist and the amount of flexure of the cantilever are detected based on the above.
【請求項5】 さらに、探針と試料との間の摩擦力によ
り生じるカンチレバーのねじれ量の最大値を求める手段
を備えることにより、最大静止摩擦力の計測をも可能に
したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記
載の摩擦力測定装置。
5. The maximum static friction force can also be measured by providing a means for obtaining the maximum value of the amount of torsion of the cantilever generated by the frictional force between the probe and the sample. The frictional force measuring device according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】 カンチレバーに設けられた探針を試料面
に対し相対的に順次複数の測定点に移動させ、各測定点
で探針を試料面に所定の接触圧で接触させ、探針が試料
面に少なくとも接触している間に探針と試料を相対的に
試料面に沿って変位あるいは振動させる駆動機構と、 前記探針が試料面に接触している間に探針と試料とを相
対的に試料面に沿って変位あるいは振動させた時に、探
針と試料との相互作用により生み出されるカンチレバー
の変位を計測する変位計測手段と、 前記変位計測手段の出力から複数の測定点における探針
と試料との摩擦力を示す2次元画像データを生成する信
号処理手段と、 を具備することを特徴とする走査型摩擦力顕微鏡。
6. The probe provided on the cantilever is sequentially moved to a plurality of measurement points relative to the sample surface, and the probe is brought into contact with the sample surface at a predetermined contact pressure at each measurement point. A drive mechanism that relatively displaces or vibrates the probe and the sample along the sample surface while at least in contact with the sample surface; and a probe and the sample while the probe is in contact with the sample surface. Displacement measuring means for measuring the displacement of the cantilever produced by the interaction between the probe and the sample when relatively displaced or vibrated along the sample surface, and the probe at a plurality of measurement points from the output of the displacement measuring means. A scanning friction force microscope comprising: a signal processing unit that generates two-dimensional image data indicating a frictional force between a needle and a sample.
【請求項7】 さらに、原子間力顕微鏡として機能する
請求項6に記載の走査型摩擦力顕微鏡。
7. The scanning friction force microscope according to claim 6, which further functions as an atomic force microscope.
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Cited By (5)

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