JPH09292400A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
- Publication number
- JPH09292400A JPH09292400A JP10890096A JP10890096A JPH09292400A JP H09292400 A JPH09292400 A JP H09292400A JP 10890096 A JP10890096 A JP 10890096A JP 10890096 A JP10890096 A JP 10890096A JP H09292400 A JPH09292400 A JP H09292400A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 垂直成分と水平成分を含む力勾配が検出で
き、走査時のチップと試料との接触を回避できるように
する。 【解決手段】 先端にチップ９が装着されたカンチレバ
ー２を固有の振動数またはその付近の周波数で振動さ
せ、チップ９と試料１０の面との間で検出される原子間
力に基づき試料表面の画像観察を行う原子間力顕微鏡
で、カンチレバー２を試料１０の面に対して一定の角度
θだけ傾けた方向に振動させる。
き、走査時のチップと試料との接触を回避できるように
する。 【解決手段】 先端にチップ９が装着されたカンチレバ
ー２を固有の振動数またはその付近の周波数で振動さ
せ、チップ９と試料１０の面との間で検出される原子間
力に基づき試料表面の画像観察を行う原子間力顕微鏡
で、カンチレバー２を試料１０の面に対して一定の角度
θだけ傾けた方向に振動させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、先端にチップが装
着されたカンチレバーを固有の振動数またはその付近の
周波数で振動させ、チップと試料面との間で検出される
原子間力に基づき試料表面の画像観察を行う原子間力顕
微鏡に関する。
着されたカンチレバーを固有の振動数またはその付近の
周波数で振動させ、チップと試料面との間で検出される
原子間力に基づき試料表面の画像観察を行う原子間力顕
微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の原子間力顕微鏡の検出部の
動作を説明するための図であり、１は光源、２はカンチ
レバー、３は光センサー、８は加振用ピエゾ、９はチッ
プ、１０は試料、１１はピエゾスキャナを示す。
動作を説明するための図であり、１は光源、２はカンチ
レバー、３は光センサー、８は加振用ピエゾ、９はチッ
プ、１０は試料、１１はピエゾスキャナを示す。
【０００３】原子間力顕微鏡（ノンコンタクトＡＦＭ）
における力勾配の検出方法には、大気圧で一般に用いら
れているスロープ検出法と真空で用いられているＦＭ検
出法とがある。従来の原子間力顕微鏡では、どちらの検
出法においても図３（Ａ）の正面図、図３（Ｂ）の側面
図のｄに示すように試料１０の表面に対してほぼ垂直方
向にカンチレバー２の固有振動数又はその付近の周波数
でカンチレバー２を振動させて、カンチレバー２の先端
のチップ９と試料１０との間に働く力の力勾配をカンチ
レバー２の固有振動数の変化として検出している。
における力勾配の検出方法には、大気圧で一般に用いら
れているスロープ検出法と真空で用いられているＦＭ検
出法とがある。従来の原子間力顕微鏡では、どちらの検
出法においても図３（Ａ）の正面図、図３（Ｂ）の側面
図のｄに示すように試料１０の表面に対してほぼ垂直方
向にカンチレバー２の固有振動数又はその付近の周波数
でカンチレバー２を振動させて、カンチレバー２の先端
のチップ９と試料１０との間に働く力の力勾配をカンチ
レバー２の固有振動数の変化として検出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の原子間
力顕微鏡では、上記のようにカンチレバー２を試料１０
の表面に対して垂直方向に振動させているので、検出で
きる力勾配は垂直成分に限られる。そのため試料１０の
表面の凸凹が激しい場合には、ピエゾスキャナ１１によ
る試料１０のスキャンによって水平方向の力が増大し、
チップ９が試料１０の表面に接触する頻度が増える。
力顕微鏡では、上記のようにカンチレバー２を試料１０
の表面に対して垂直方向に振動させているので、検出で
きる力勾配は垂直成分に限られる。そのため試料１０の
表面の凸凹が激しい場合には、ピエゾスキャナ１１によ
る試料１０のスキャンによって水平方向の力が増大し、
チップ９が試料１０の表面に接触する頻度が増える。
【０００５】特にＵＨＶでの原子像観察においては、チ
ップ９と試料１０との間の接触が、チップ９の先端の変
化やチップ先端原子と試料１０の強い吸着（結合）によ
るカンチレバー２の振動の停止などを引き起こし、画像
観察を不安定にさせる。
ップ９と試料１０との間の接触が、チップ９の先端の変
化やチップ先端原子と試料１０の強い吸着（結合）によ
るカンチレバー２の振動の停止などを引き起こし、画像
観察を不安定にさせる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、垂直成分と水平成分を含む力勾配
が検出でき、走査時のチップと試料との接触を回避でき
るようにするものである。
決するものであって、垂直成分と水平成分を含む力勾配
が検出でき、走査時のチップと試料との接触を回避でき
るようにするものである。
【０００７】そのために本発明は、先端にチップが装着
されたカンチレバーを固有の振動数またはその付近の周
波数で振動させ、チップと試料面との間で検出される原
子間力に基づき試料表面の原子像観察を行う原子間力顕
微鏡において、カンチレバーを試料面に対して一定の角
度傾けた方向に振動させるようにしたことを特徴とする
ものである。
されたカンチレバーを固有の振動数またはその付近の周
波数で振動させ、チップと試料面との間で検出される原
子間力に基づき試料表面の原子像観察を行う原子間力顕
微鏡において、カンチレバーを試料面に対して一定の角
度傾けた方向に振動させるようにしたことを特徴とする
ものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る原子間力顕
微鏡の検出部の実施の形態を示す図、図２はＦＭ検出法
を用いたノンコンタクトＡＦＭの信号処理回路の構成例
を示すブロック図であり、１は光源、２はカンチレバ
ー、３は光センサー、４は前置増幅器、５は移相器、６
は波形整形器、７はアッテネータ、８は加振用ピエゾ、
９はチップ、１０は試料、１１はピエゾスキャナ、１２
はＦＭ変調器、１３は誤差増幅器、１４はフィルター、
１５はＺピエゾ駆動回路を示す。
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る原子間力顕
微鏡の検出部の実施の形態を示す図、図２はＦＭ検出法
を用いたノンコンタクトＡＦＭの信号処理回路の構成例
を示すブロック図であり、１は光源、２はカンチレバ
ー、３は光センサー、４は前置増幅器、５は移相器、６
は波形整形器、７はアッテネータ、８は加振用ピエゾ、
９はチップ、１０は試料、１１はピエゾスキャナ、１２
はＦＭ変調器、１３は誤差増幅器、１４はフィルター、
１５はＺピエゾ駆動回路を示す。
【０００９】図１において、チップ９は、カンチレバー
２の先端に装着したものであり、加振用ピエゾ８は、こ
のカンチレバー２を試料１０の面に対して一定の角度
θ、例えば４５°傾けた方向ｄに固有の振動数またはそ
の付近の周波数で振動させるものである。カンチレバー
２を例えば４５°傾けて振動させると、力勾配（Ｆ’）
には垂直成分（Ｆ’V ）と水平成分（Ｆ’H ）が含ま
れ、水平方向の力勾配も検出可能となる。この場合、図
１ではカンチレバー２をスキャン方向に傾けて振動させ
るようにしているが、逆に傾けるようにしてもよい。ま
た、スキャン方向を逆にしても振動の方向とスキャン方
向との関係が同じになるように傾きの切り換えをできる
ようにしてもよい。
２の先端に装着したものであり、加振用ピエゾ８は、こ
のカンチレバー２を試料１０の面に対して一定の角度
θ、例えば４５°傾けた方向ｄに固有の振動数またはそ
の付近の周波数で振動させるものである。カンチレバー
２を例えば４５°傾けて振動させると、力勾配（Ｆ’）
には垂直成分（Ｆ’V ）と水平成分（Ｆ’H ）が含ま
れ、水平方向の力勾配も検出可能となる。この場合、図
１ではカンチレバー２をスキャン方向に傾けて振動させ
るようにしているが、逆に傾けるようにしてもよい。ま
た、スキャン方向を逆にしても振動の方向とスキャン方
向との関係が同じになるように傾きの切り換えをできる
ようにしてもよい。
【００１０】次に、上記構成を採用しＦＭ検出法を用い
たノンコンタクトＡＦＭの信号処理回路の構成例につい
て説明する。ＦＭ検出法を用いたノンコンタクトＡＦＭ
の信号処理回路では、図２に示すように、レーザー光源
のような光源１からカンチレバー２の背面にフォーカス
させた光を照射し、その反対光のずれ（偏向角）を２分
割（又は４分割）フォトダイオードのような光センサー
３で電気的な信号として検出する。この方式は光てこ方
式であり、カンチレバー２と試料１０との間の原子間力
によりカンチレバー２が撓むことによる反射角の変化を
カンチレバー２から離れた位置に置かれた光センサー３
上での照射位置の変化として検出することにより、カン
チレバー２の撓み量を検出する方法である。
たノンコンタクトＡＦＭの信号処理回路の構成例につい
て説明する。ＦＭ検出法を用いたノンコンタクトＡＦＭ
の信号処理回路では、図２に示すように、レーザー光源
のような光源１からカンチレバー２の背面にフォーカス
させた光を照射し、その反対光のずれ（偏向角）を２分
割（又は４分割）フォトダイオードのような光センサー
３で電気的な信号として検出する。この方式は光てこ方
式であり、カンチレバー２と試料１０との間の原子間力
によりカンチレバー２が撓むことによる反射角の変化を
カンチレバー２から離れた位置に置かれた光センサー３
上での照射位置の変化として検出することにより、カン
チレバー２の撓み量を検出する方法である。
【００１１】カンチレバー２の固有振動数による振動
（撓みの変化）は、光センサー３で電気的な信号に変換
され、カンチレバー２の固有振動数付近に設定されたバ
ンドパスフィルターを含む前置増幅器４、移相器５、波
形整形器６、アッテネータ（Ａｍｐ．ＡＤＪ）７を経て
加振用ピエゾ８に入力され、カンチレバー２の固有振動
数で正帰還発振する。この正帰還ループにおいて、移相
器６では、発振系が最大の正帰還になるように位相が調
整され、アッテネータ７では、カンチレバー２の振動振
幅が適当な大きさになるように加振用ピエゾ８に印加す
る電圧振幅が参照波の抵抗分割等により設定される。以
上の発振系により、カンチレバー２の加振振幅を一定に
保持した状態で、カンチレバー２の固有振動数で発振す
る。
（撓みの変化）は、光センサー３で電気的な信号に変換
され、カンチレバー２の固有振動数付近に設定されたバ
ンドパスフィルターを含む前置増幅器４、移相器５、波
形整形器６、アッテネータ（Ａｍｐ．ＡＤＪ）７を経て
加振用ピエゾ８に入力され、カンチレバー２の固有振動
数で正帰還発振する。この正帰還ループにおいて、移相
器６では、発振系が最大の正帰還になるように位相が調
整され、アッテネータ７では、カンチレバー２の振動振
幅が適当な大きさになるように加振用ピエゾ８に印加す
る電圧振幅が参照波の抵抗分割等により設定される。以
上の発振系により、カンチレバー２の加振振幅を一定に
保持した状態で、カンチレバー２の固有振動数で発振す
る。
【００１２】発振の振動数の検出では、波形整形器６の
出力からＦＭ復調器１２により周波数の変化に対応した
電圧に変換される。この出力を誤差増幅器１３におい
て、基準電圧により設定された一定電圧すなわち固有振
動数のずれを一定に保つようにフィルター１４及びＺピ
エゾ駆動回路１５を介してピエゾスキャナ１１のＺ方向
の変化にフィードバックされる。フィルター１４は、フ
ィードバック回路を安定に動作させるためのものであ
る。
出力からＦＭ復調器１２により周波数の変化に対応した
電圧に変換される。この出力を誤差増幅器１３におい
て、基準電圧により設定された一定電圧すなわち固有振
動数のずれを一定に保つようにフィルター１４及びＺピ
エゾ駆動回路１５を介してピエゾスキャナ１１のＺ方向
の変化にフィードバックされる。フィルター１４は、フ
ィードバック回路を安定に動作させるためのものであ
る。
【００１３】このようなチップ９と試料１０との間の力
勾配の検出系において、従来は図３に示すようにカンチ
レバー２を試料１０に対して垂直に振動させていた。本
発明では、これを図１に示すように一定角度θ、例えば
４５°傾ける。このことにより検出される力勾配
（Ｆ’）には垂直成分（Ｆ’V ）と水平成分（Ｆ’H ）
が含まれるので、従来方式では検出できなかった水平方
向の力勾配も検出可能となる。特に、ピエゾスキャナ１
１で図１に示す方向に試料１０を走査し、カンチレバー
２の振動方向を傾けた場合が効果的である。
勾配の検出系において、従来は図３に示すようにカンチ
レバー２を試料１０に対して垂直に振動させていた。本
発明では、これを図１に示すように一定角度θ、例えば
４５°傾ける。このことにより検出される力勾配
（Ｆ’）には垂直成分（Ｆ’V ）と水平成分（Ｆ’H ）
が含まれるので、従来方式では検出できなかった水平方
向の力勾配も検出可能となる。特に、ピエゾスキャナ１
１で図１に示す方向に試料１０を走査し、カンチレバー
２の振動方向を傾けた場合が効果的である。
【００１４】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、カンチレバー２の変位検出に光てこ
方式を採用しているが、光干渉、静電容量方式等の他の
方式でもよいし、力勾配の検出は他の方式でもよい。ま
た、カンチレバーを傾ける角度は４５°が望ましいがそ
の付近の角度でもよい。ただし、通常のカンチレバー
は、根元を固定するため先端部より試料から離す必要が
あり約１５°傾いているがこの角度では不十分である。
この傾きがあまり大きくなっても小さくなっても、垂直
成分か水平成分のいずれかで検出感度が悪くなってしま
う。さらに、本説明では、カンチレバーの長手方向を軸
に４５°回転させているが、特に傾ける方向は限定され
ない。また、通常のカンチレバーを用いているが、傾け
た状態でチップ先端が試料と垂直になるようなカンチレ
バーを用いてもよい。むしろこのようなカンチレバーを
用いた方が分解能的に有利である。
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、カンチレバー２の変位検出に光てこ
方式を採用しているが、光干渉、静電容量方式等の他の
方式でもよいし、力勾配の検出は他の方式でもよい。ま
た、カンチレバーを傾ける角度は４５°が望ましいがそ
の付近の角度でもよい。ただし、通常のカンチレバー
は、根元を固定するため先端部より試料から離す必要が
あり約１５°傾いているがこの角度では不十分である。
この傾きがあまり大きくなっても小さくなっても、垂直
成分か水平成分のいずれかで検出感度が悪くなってしま
う。さらに、本説明では、カンチレバーの長手方向を軸
に４５°回転させているが、特に傾ける方向は限定され
ない。また、通常のカンチレバーを用いているが、傾け
た状態でチップ先端が試料と垂直になるようなカンチレ
バーを用いてもよい。むしろこのようなカンチレバーを
用いた方が分解能的に有利である。
【００１５】また、カンチレバーに２又は３個の異なる
方向に振動するピエゾ素子を取り付け、それらのピエゾ
素子の振動の合成によりカンチレバーを試料面に対して
一定の角度傾けた方向に振動させるようにしてもよい。
方向に振動するピエゾ素子を取り付け、それらのピエゾ
素子の振動の合成によりカンチレバーを試料面に対して
一定の角度傾けた方向に振動させるようにしてもよい。
【００１６】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、試料面に対してカンチレバーが斜め方向、例
えば約４５°に振動するようにカンチレバー及びその変
位検出を傾けて配置するので、水平方向、垂直方向の合
成力勾配が検出できる。しかも、垂直成分（Ｆ’V ）と
水平成分（Ｆ’H ）を含んだ力勾配（Ｆ’）が検出でき
るため、走査時の試料とチップとの接触トラブルを回避
することができる。
によれば、試料面に対してカンチレバーが斜め方向、例
えば約４５°に振動するようにカンチレバー及びその変
位検出を傾けて配置するので、水平方向、垂直方向の合
成力勾配が検出できる。しかも、垂直成分（Ｆ’V ）と
水平成分（Ｆ’H ）を含んだ力勾配（Ｆ’）が検出でき
るため、走査時の試料とチップとの接触トラブルを回避
することができる。
【図１】 本発明に係る原子間力顕微鏡の検出部の実施
の形態を示す図である。
の形態を示す図である。
【図２】 ＦＭ検出法を用いたノンコンタクトＡＦＭの
信号処理回路の構成例を示すブロック図である。
信号処理回路の構成例を示すブロック図である。
【図３】 従来の原子間力顕微鏡の検出部の動作を説明
するための図である。
するための図である。
１…光源、２…カンチレバー、３…光センサー、４…前
置増幅器、５…移相器、６…波形整形器、７…アッテネ
ータ、８…加振用ピエゾ、９…チップ、１０…試料、１
１…ピエゾスキャナ、１２…ＦＭ変調器、１３…誤差増
幅器、１４…フィルター、１５…Ｚピエゾ駆動回路
置増幅器、５…移相器、６…波形整形器、７…アッテネ
ータ、８…加振用ピエゾ、９…チップ、１０…試料、１
１…ピエゾスキャナ、１２…ＦＭ変調器、１３…誤差増
幅器、１４…フィルター、１５…Ｚピエゾ駆動回路
Claims (1)
- 【請求項１】 先端にチップが装着されたカンチレバー
を固有の振動数またはその付近の周波数で振動させ、チ
ップと試料面との間で検出される原子間力に基づき試料
表面の原子像観察を行う原子間力顕微鏡において、カン
チレバーを試料面に対して一定の角度傾けた方向に振動
させるようにしたことを特徴とする原子間力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10890096A JPH09292400A (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 原子間力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10890096A JPH09292400A (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 原子間力顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09292400A true JPH09292400A (ja) | 1997-11-11 |
Family
ID=14496481
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10890096A Withdrawn JPH09292400A (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09292400A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006234507A (ja) * | 2005-02-23 | 2006-09-07 | Hitachi Constr Mach Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡とその測定方法 |
-
1996
- 1996-04-30 JP JP10890096A patent/JPH09292400A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006234507A (ja) * | 2005-02-23 | 2006-09-07 | Hitachi Constr Mach Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡とその測定方法 |
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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: 20030701 |