JPH10267950A - Lateral-excitation frictional-force microscope - Google Patents

Lateral-excitation frictional-force microscope

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JPH10267950A
JPH10267950A JP8725797A JP8725797A JPH10267950A JP H10267950 A JPH10267950 A JP H10267950A JP 8725797 A JP8725797 A JP 8725797A JP 8725797 A JP8725797 A JP 8725797A JP H10267950 A JPH10267950 A JP H10267950A
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JP
Japan
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cantilever
sample
probe
signal
scanner
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Withdrawn
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JP8725797A
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Japanese (ja)
Inventor
Akira Yagi
明 八木
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH10267950A publication Critical patent/JPH10267950A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a lateral-excitation frictional-force microscope in which the amplitude of a lateral vibration given across a sample and a probe is not affected by the weight of the sample. SOLUTION: A sample 102 is placed on a scanner 104 as a three-dimensional fine movement mechanism. A cantilever holder 300 supports a cantilever unit 108 so as to be capable of being vibrated to the Y-direction. The cantilever unit 108 is provided with a base 110, with a cantilever 112 which is fixed to the base and with a probe 114 which is formed at its tip. An objective lens 116 is coupled optically to a ZP sensor 200 via a beam splitter 118. A computing unit 120 which computes the displacement signal and the twist signal of the cantilever 112, a servo circuit 122 which computes the displacement in the Z- direction of the scanner, an X-Y scanning circuit 124 which drives the scanner for an X-Y scanning operation, an exciter 126 which outputs sine waves and an amplitude detector 128 which compares the twist signal with the sine waves are installed.

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】この発明は走査型プローブ顕
微鏡とくに横励振摩擦力顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope, and more particularly to a transversely excited friction microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、走査型トンネ
ル顕微鏡や原子間力顕微鏡など、探針(プローブ)を用
いて試料表面の情報を得る装置の総称であり、その一つ
に、探針先端と試料表面の相互間に作用する力に基づい
て試料表面の情報を得る走査型力顕微鏡がある。走査型
力顕微鏡は、一般に、柔軟なカンチレバーの自由端に支
持された鋭く尖った探針(プローブ)を持ち、この探針
を試料表面に近づけ、探針先端と試料表面の原子間に発
生する相互作用力をカンチレバーの変形として捕らえつ
つ、探針を試料表面に亘りXY走査し、探針の位置の情
報とそのときのカンチレバーの変形の情報に基づいて、
試料表面の種々の情報を得る。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope is a general term for a device for obtaining information on a sample surface using a probe, such as a scanning tunneling microscope and an atomic force microscope. There is a scanning force microscope that obtains information on a sample surface based on a force acting between the sample and the sample surface. Scanning force microscopes generally have a sharp pointed probe (probe) supported by the free end of a flexible cantilever, which is brought close to the sample surface and is generated between the probe tip and the atoms on the sample surface. While capturing the interaction force as deformation of the cantilever, the probe is scanned XY across the surface of the sample, and based on information on the position of the probe and information on the deformation of the cantilever at that time,
Obtain various information on the sample surface.

【0003】さらに、走査型力顕微鏡の一つに横励振摩
擦力顕微鏡(LMFFM:LateralModulation Friction
Force Microscope)がある。この装置は原子間力顕微
鏡を更に発展させたもので、XY走査の際に試料をY方
向に振動させ、この振動により生じるカンチレバーのね
じれの振幅と位相を調べることにより、試料表面の凹凸
像の他に、試料と探針の間に働く摩擦力、試料の弾性率
や粘性が測定できる。
Further, as one of the scanning force microscopes, a lateral excitation friction force microscope (LMFFM: Lateral Modulation Friction) is used.
Force Microscope). This device is a further development of the atomic force microscope, in which the sample is vibrated in the Y direction during XY scanning, and the amplitude and phase of the torsion of the cantilever caused by this vibration are examined to obtain an uneven image of the sample surface. In addition, the frictional force acting between the sample and the probe, and the elastic modulus and viscosity of the sample can be measured.

【0004】一例として、工業技術院機械技術研究所の
山中氏らにより提案されている横励振摩擦力顕微鏡を図
7に示す。試料12はスキャナー14の上に載置され
る。スキャナー14の上方にはカンチレバーユニット1
6が配置される。カンチレバーユニット16は、基盤1
8とカンチレバー20とその先端に形成された探針22
を有している。また、カンチレバー20の変位とねじれ
を検出する光てこ式の光センサーが設けられている。こ
の光センサーは半導体レーザー24と集光レンズ26と
四分割フォトダイオード28により構成されている。さ
らに、四分割フォトダイオード28の出力からカンチレ
バー20の変位信号とねじれ信号を算出する演算器3
0、変位信号に基づいてスキャナー14のZ方向の位置
を制御するサーボ回路32、XY走査のためにスキャナ
ー14を駆動する走査回路34、探針22と試料12の
間にY方向の振動を与えるための正弦波を出力する励振
器36、走査回路34の出力するY信号に励振器36の
出力する正弦波を重畳する加算器38、演算器30の出
力するねじれ信号と励振器36の出力する正弦波を比較
する振幅検出器40が設けられている。
[0004] As an example, FIG. 7 shows a transversely excited friction force microscope proposed by Mr. Yamanaka et al. Of the Institute of Mechanical Engineering, the Institute of Industrial Science and Technology. The sample 12 is placed on a scanner 14. Above the scanner 14, the cantilever unit 1
6 are arranged. The cantilever unit 16 includes the base 1
8, cantilever 20, and probe 22 formed at the tip
have. Further, an optical lever-type optical sensor for detecting displacement and torsion of the cantilever 20 is provided. This optical sensor includes a semiconductor laser 24, a condenser lens 26, and a four-division photodiode 28. Further, a calculator 3 for calculating a displacement signal and a torsion signal of the cantilever 20 from the output of the four-division photodiode 28.
0, a servo circuit 32 for controlling the position of the scanner 14 in the Z direction based on the displacement signal, a scanning circuit 34 for driving the scanner 14 for XY scanning, and applying a vibration in the Y direction between the probe 22 and the sample 12. Exciter 36 that outputs a sine wave for output, adder 38 that superimposes a sine wave output from exciter 36 on the Y signal output from scanning circuit 34, a torsional signal output from calculator 30 and an output from exciter 36 An amplitude detector 40 for comparing sine waves is provided.

【0005】スキャナー14には、走査回路34の出力
するX走査のためのX信号と、走査回路の出力するY走
査のための信号に励振器36の正弦波が重畳されたY信
号が供給される。この結果、スキャナー14はY方向に
所定の振幅で振動し、探針22はその振動する試料12
の表面をラスター走査することになる。演算器30は、
四分割フォトダイオード28の各受光部の出力a、b、
c、dから、変位信号AFM=a+b−c−dとねじれ
信号LFM=a−b−c+dを出力する。サーボ回路3
2は、変位信号AFMを一定の値に保つようにスキャナ
ー14を制御するZ信号を出力する。これは、試料表面
の凹凸を反映しており、これは凹凸信号として処理され
る。振幅検出器40は、励振器36の出力する正弦波
と、演算器30の出力するねじれ信号LFMを比較し、
試料表面の局所的な弾性率、粘性、摩擦力を反映してい
る振幅信号を出力する。凹凸信号と振幅信号を、走査回
路34の出力する走査信号に同期させて処理することに
より、試料表面の凹凸や弾性率の分布などの情報が得ら
れる。
The scanner 14 is supplied with an X signal for X scanning output from the scanning circuit 34 and a Y signal in which a sine wave of the exciter 36 is superimposed on a signal for Y scanning output from the scanning circuit. You. As a result, the scanner 14 vibrates at a predetermined amplitude in the Y direction, and the probe 22
Is raster-scanned. The arithmetic unit 30
The outputs a, b,
From c and d, a displacement signal AFM = a + b−c−d and a torsion signal LFM = a−b−c + d are output. Servo circuit 3
2 outputs a Z signal for controlling the scanner 14 so as to keep the displacement signal AFM at a constant value. This reflects the unevenness of the sample surface, which is processed as an unevenness signal. The amplitude detector 40 compares the sine wave output from the exciter 36 with the torsion signal LFM output from the arithmetic unit 30,
An amplitude signal that reflects the local elastic modulus, viscosity, and frictional force of the sample surface is output. By processing the concavo-convex signal and the amplitude signal in synchronization with the scanning signal output from the scanning circuit 34, information such as the concavity and convexity of the sample surface and the distribution of the elastic modulus can be obtained.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上に述べた横励振摩擦
力顕微鏡では、XY走査の際に試料をY方向に振動させ
ており、その振動の振幅は励振器の出力の周波数と試料
の重さにより決まる。このため、試料の重さが変われ
ば、これに伴なって試料とスキャナーからなる系のY方
向の共振周波数も変わるので、同じY信号を印加してい
ても、Y方向の振動の振幅は異なったものとなってしま
う。本発明は、試料と探針の間に与える横向きの振動の
振幅が、試料の重さに影響されることのない横励振摩擦
力顕微鏡を提供することを目的とする。
In the above-described transversely excited friction force microscope, the sample is vibrated in the Y direction during the XY scanning, and the amplitude of the vibration depends on the frequency of the output of the exciter and the weight of the sample. Determined by For this reason, if the weight of the sample changes, the resonance frequency in the Y direction of the system consisting of the sample and the scanner changes accordingly, so that the amplitude of the vibration in the Y direction differs even when the same Y signal is applied. It will be. An object of the present invention is to provide a laterally-excited friction force microscope in which the amplitude of lateral vibration applied between a sample and a probe is not affected by the weight of the sample.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の横励振摩擦力顕
微鏡は、自由端に探針を持つカンチレバーと、カンチレ
バーを試料表面に平行に振動させる励振手段と、試料を
移動させて探針を試料表面に亘り走査する走査手段と、
カンチレバーの自由端の変位とねじれを調べる検知手段
とを有している。
SUMMARY OF THE INVENTION A transverse excitation friction force microscope according to the present invention comprises a cantilever having a probe at a free end, excitation means for vibrating the cantilever in parallel with the sample surface, and moving the sample to move the probe. Scanning means for scanning over the sample surface;
It has a detecting means for examining the displacement and torsion of the free end of the cantilever.

【0008】本発明では、試料を移動させることで探針
の走査が行なわれ、カンチレバーを振動させることで、
探針と試料の間に、試料表面に平行な相対的な振動が与
えられる。従って、探針の振幅は、試料の重さには影響
されない。
In the present invention, the probe is scanned by moving the sample, and the cantilever is vibrated to
A relative vibration parallel to the sample surface is applied between the probe and the sample. Therefore, the amplitude of the probe is not affected by the weight of the sample.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】この発明の第一の実施の形態につ
いて図1ないし図3を用いて説明する。試料102は、
三次元微動機構であるスキャナー104の上に載置され
る。スキャナー104の上方には、カンチレバーユニッ
ト108がカンチレバーホルダー300により支持され
る。カンチレバーホルダー300はカンチレバーユニッ
ト108をY方向に振動させる機能を有している。カン
チレバーホルダー300の具体的な構造については後に
詳しく述べる。カンチレバーユニット108は、基盤1
10、これに固定された短冊状のカンチレバー112、
カンチレバー112の先端部に形成された探針114を
有している。基盤110は例えば長さ4mm、幅2m
m、厚さ0.5mmの大きさのガラスやシリコンウェハ
ーからなる。カンチレバー112は例えば長さ200μ
m、幅20μm、厚さ1μmの大きさに形成され、探針
114はシリコンプロセス等により例えば長さ10μm
に形成される。カンチレバーユニット108は基盤11
0をカンチレバーホルダー300に接着あるいは板バネ
などを用いて弾性的に固定することにより取り付けられ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Sample 102 is
It is placed on a scanner 104 which is a three-dimensional fine movement mechanism. Above the scanner 104, a cantilever unit 108 is supported by a cantilever holder 300. The cantilever holder 300 has a function of causing the cantilever unit 108 to vibrate in the Y direction. The specific structure of the cantilever holder 300 will be described later in detail. The cantilever unit 108 is the base 1
10, a strip-shaped cantilever 112 fixed to this,
The probe has a probe 114 formed at the tip of the cantilever 112. The base 110 has a length of 4 mm and a width of 2 m, for example.
m, made of glass or silicon wafer having a thickness of 0.5 mm. The cantilever 112 has a length of, for example, 200 μ.
m, a width of 20 μm, and a thickness of 1 μm. The probe 114 has a length of, for example, 10 μm by a silicon process or the like.
Formed. The cantilever unit 108 is the base 11
0 is elastically fixed to the cantilever holder 300 using an adhesive or a leaf spring.

【0010】探針114の上方には対物レンズ116が
あり、対物レンズ116はその上方のビームスプリッタ
ー118を介して、カンチレバー112の変位とねじれ
を検知するためのZPセンサー200と光学的に結合し
ている。ビームスプリッター118の上方には、図には
示さないが、対物レンズ116と協同する観察光学系が
配置される。
An objective lens 116 is provided above the probe 114. The objective lens 116 is optically coupled to a ZP sensor 200 for detecting the displacement and twist of the cantilever 112 via a beam splitter 118 above the objective lens 116. ing. Although not shown, an observation optical system cooperating with the objective lens 116 is arranged above the beam splitter 118.

【0011】カンチレバーホルダー300は、探針11
4の位置を調整するため、ZPセンサー200と同じ構
造体に固定された調整ジグ(図示せず)に取り付けられ
る。また、スキャナー104は、探針114と試料10
2の間の距離を調整するため、Z方向粗動ステージ(図
示せず)に搭載される。
The cantilever holder 300 holds the probe 11
In order to adjust the position of No. 4, it is attached to an adjusting jig (not shown) fixed to the same structure as the ZP sensor 200. Further, the scanner 104 includes the probe 114 and the sample 10.
2 is mounted on a Z-direction coarse movement stage (not shown) to adjust the distance between the two.

【0012】さらに、ZPセンサー200の出力からカ
ンチレバー112の変位信号とねじれ信号を算出する演
算器120、変位信号に基づいてスキャナーのZ方向の
変位を制御するサーボ回路122、XY走査のためにス
キャナーを駆動するXY走査回路124、探針114を
Y方向に振動させるための正弦波を出力する励振器12
6、演算器120の出力するねじれ信号と励振器126
の出力する正弦波を比較する振幅検出器128が設けら
れている。
Further, a calculator 120 for calculating a displacement signal and a torsion signal of the cantilever 112 from an output of the ZP sensor 200, a servo circuit 122 for controlling a displacement of the scanner in the Z direction based on the displacement signal, a scanner for XY scanning XY scanning circuit 124 for driving the probe, and an exciter 12 for outputting a sine wave for vibrating the probe 114 in the Y direction
6. The torsion signal output from the arithmetic unit 120 and the exciter 126
Is provided with an amplitude detector 128 for comparing the sine wave output from the.

【0013】ZPセンサー200は、図2に示すよう
に、半導体レーザー202、その射出光を平行光にする
コリメートレンズ204、この平行光を対物レンズ11
6に入射させるビームスプリッター206、カンチレバ
ー112からの反射光を異なる2方向へ分割するハーフ
ミラー208、このハーフミラー208で分割されたそ
れぞれの光を偏向する二つの臨界角プリズム400と2
10、それぞれの臨界角プリズム400と210で反射
された光を受光する二つの二分割フォトダイオード21
2と214で構成されている。半導体レーザー202か
ら射出した光は、コリメートレンズ204により平行光
となり、ビームスプリッター206で反射し、対物レン
ズ116によりカンチレバー112の面上に集光する。
対物レンズ116は、(A)に示すように、平行光が基
準位置にあるカンチレバー112の面上で焦点を結ぶよ
うに予め調整されている。カンチレバー112で反射し
た光は、対物レンズ116を通り、ビームスプリッター
206を透過し、ハーフミラー208で2方向へ分割さ
れ、臨界角プリズム400と210で反射した成分が二
分割受光素子212と214に入射する。カンチレバー
112(すなわち探針114)のZ方向の変位は、対物
レンズ116の焦点位置からのずれとして求まり、二分
割フォトダイオード212と214の各受光素子の出力
を図に示したようにA、B、C、Dとすると、その変位
信号AFMはAFM=A−B−C+Dの演算により求ま
る。また、カンチレバーがねじれると、(B)に示すよ
うに、二分割フォトダイオード212と214に対する
ビームの入射位置がずれるので、そのねじれ信号LFM
はLFM=A−B+C−Dの演算により求まる。本実施
例ではカンチレバー112の変位とねじれの検出にZP
センサー200を用いているが、従来例(図7)で説明
した光てこ方式の変位センサーを用いても一向に構わな
い。
As shown in FIG. 2, the ZP sensor 200 includes a semiconductor laser 202, a collimator lens 204 for converting the emitted light into parallel light,
6, a half mirror 208 for splitting the reflected light from the cantilever 112 into two different directions, and two critical angle prisms 400 and 2 for deflecting the light split by the half mirror 208.
10. Two split photodiodes 21 for receiving light reflected by the respective critical angle prisms 400 and 210
2 and 214. The light emitted from the semiconductor laser 202 becomes parallel light by the collimator lens 204, is reflected by the beam splitter 206, and is focused on the surface of the cantilever 112 by the objective lens 116.
The objective lens 116 is adjusted in advance so that the parallel light focuses on the surface of the cantilever 112 at the reference position, as shown in FIG. The light reflected by the cantilever 112 passes through the objective lens 116, passes through the beam splitter 206, is split into two directions by a half mirror 208, and the components reflected by the critical angle prisms 400 and 210 are split into two light receiving elements 212 and 214. Incident. The displacement of the cantilever 112 (that is, the probe 114) in the Z direction is obtained as a deviation from the focal position of the objective lens 116, and the outputs of the light receiving elements of the two-division photodiodes 212 and 214 are A and B as shown in the figure. , C, and D, the displacement signal AFM is obtained by the calculation of AFM = ABC-D. When the cantilever is twisted, the incident position of the beam on the two-part photodiodes 212 and 214 shifts as shown in FIG.
Is obtained by the calculation of LFM = AB + CD. In this embodiment, ZP is used to detect the displacement and torsion of the cantilever 112.
Although the sensor 200 is used, the optical lever type displacement sensor described in the conventional example (FIG. 7) may be used.

【0014】カンチレバーホルダー300は、図3に示
すように、カンチレバーユニット108を装着する装着
部302、装置本体に取り付けられる取付部304、装
着部302と取付部304をつなぐ弾性変形部308を
有している。取付部304には装置本体に固定される固
定軸306が設けられている。弾性変形部308は、平
行バネを構成する互いに平行な二枚の側壁310を有し
ており、X方向とZ方向には剛性が高く、Y方向には振
動し易い構造になっている。その素材としては、弾性的
変形を行なう素材であれば何でもよい。それぞれの側壁
310の内側には圧電素子312が取り付けられてい
て、それぞれユニモルフ型のアクチュエーターを構成し
ている。二つの圧電素子312の分極方向は図示のよう
に同じ方向となっており、これはY方向に一致してい
る。二つの圧電素子312の側壁側の電極を接地してお
き、内側の電極に同じ正弦波を印加すると、二つの圧電
素子312は逆位相で伸縮動作を行ない、言い換えれば
一方が伸びると反対側が縮むため、装着部302はY方
向に振動する。この結果、そこに装着されたカンチレバ
ーユニット108がY方向に振動し、探針114がY方
向に励振される。
As shown in FIG. 3, the cantilever holder 300 has a mounting portion 302 for mounting the cantilever unit 108, a mounting portion 304 for mounting on the apparatus main body, and an elastic deformation portion 308 connecting the mounting portion 302 and the mounting portion 304. ing. The mounting portion 304 is provided with a fixed shaft 306 fixed to the apparatus main body. The elastically deforming portion 308 has two parallel side walls 310 constituting a parallel spring, and has a high rigidity in the X and Z directions and a structure that easily vibrates in the Y direction. Any material may be used as long as it is elastically deformed. A piezoelectric element 312 is attached inside each side wall 310, and constitutes a unimorph type actuator. The polarization directions of the two piezoelectric elements 312 are the same as shown in the drawing, and coincide with the Y direction. When the electrodes on the side walls of the two piezoelectric elements 312 are grounded and the same sine wave is applied to the inner electrodes, the two piezoelectric elements 312 expand and contract in opposite phases. In other words, when one expands, the other side contracts. Therefore, the mounting portion 302 vibrates in the Y direction. As a result, the cantilever unit 108 mounted thereon vibrates in the Y direction, and the probe 114 is excited in the Y direction.

【0015】続いて、動作について説明する。図1から
分かるように、スキャナー104は、XY走査回路12
4から供給されるXY信号を受けて、試料102をXY
方向に移動させる。これと同時に、カンチレバーホルダ
ー300は、励振器126から供給される正弦波信号を
受けて、カンチレバーユニット108をY方向に所定の
周波数で振動させる。これにより探針114は、Y方向
に所定の振幅たとえば1nmないし1μmの振幅で振動
しながら、例えば100μm角の領域を512点128
ラインで覆うようにラスター走査される。
Next, the operation will be described. As can be seen from FIG. 1, the scanner 104 includes the XY scanning circuit 12.
4 receives the XY signal supplied from
Move in the direction. At the same time, the cantilever holder 300 receives the sine wave signal supplied from the exciter 126 and vibrates the cantilever unit 108 at a predetermined frequency in the Y direction. As a result, the probe 114 vibrates in the Y direction at a predetermined amplitude, for example, 1 nm to 1 μm, and moves the area of, for example,
Raster scanning is performed so as to cover the line.

【0016】カンチレバー112のZ方向の変位を示す
変位信号AFMは、ZPセンサー200の出力信号A、
B、C、Dに対して、演算器120において、AFM=
A−B−C+Dの演算を行なうことにより求まる。ま
た、カンチレバーのねじれを示すねじれ信号LFMは、
演算器120において、LFM=A−B+C−Dの演算
を行なうことにより求まる。また、光てこ方式の変位セ
ンサーを用いた場合の演算は、図7で説明したのと同様
であるため、ここでの説明は省略する。
The displacement signal AFM indicating the displacement of the cantilever 112 in the Z direction is the output signal A of the ZP sensor 200,
For B, C, and D, AFM =
It is obtained by performing the operation of ABC + D. Also, the torsion signal LFM indicating the torsion of the cantilever is
It is obtained by performing an operation of LFM = AB + CD in arithmetic unit 120. Further, the calculation in the case of using the displacement sensor of the optical lever system is the same as that described with reference to FIG. 7, and thus the description is omitted here.

【0017】サーボ回路122は、変位信号AFMを一
定の値に保つようにスキャナー104のZ方向の動きを
制御するZ信号をスキャナー104に供給する。これに
より、カンチレバー112は予め定めた量だけ変位した
姿勢に常に維持される。サーボ回路122の出力するZ
信号は、試料表面の凹凸を反映しており、これは凹凸信
号として、XY信号と共に、画像を構築する処理装置
(図示せず)に取り込まれる。
The servo circuit 122 supplies the scanner 104 with a Z signal for controlling the movement of the scanner 104 in the Z direction so as to keep the displacement signal AFM at a constant value. As a result, the cantilever 112 is always maintained in a posture displaced by a predetermined amount. Z output from the servo circuit 122
The signal reflects the unevenness of the sample surface, which is taken as an unevenness signal together with the XY signal into a processing device (not shown) for constructing an image.

【0018】振幅検出器128は、励振器126の出力
信号に同期して、振幅検出あるいは位相検出を行なう。
これにより振幅検出器128の出力信号Loutは、試
料表面の探針114が接している部分の局所的な弾性率
や粘性、摩擦の特性を反映しており、前述の凹凸信号と
同様に、処理装置(図示せず)に取り込まれる。
The amplitude detector 128 performs amplitude detection or phase detection in synchronization with the output signal of the exciter 126.
As a result, the output signal Lout of the amplitude detector 128 reflects the local elastic modulus, viscosity, and friction characteristics of the portion of the sample surface where the probe 114 is in contact, and is processed in the same manner as the above-described uneven signal. It is taken into a device (not shown).

【0019】これまでに説明したように、本実施例で
は、カンチレバーホルダー300はカンチレバーユニッ
ト108が取り付けられる装着部302を横方向に振動
させる機能を有しており、カンチレバーユニット108
をY方向に振動させることで、探針114と試料表面の
間に横向きの振動を与えている。振動する部材がカンチ
レバーユニット108であるため、試料102を交換し
ても共振特性は変わらない。つまり、振動の周波数は試
料102の重さには影響されない。
As described above, in this embodiment, the cantilever holder 300 has a function of vibrating the mounting portion 302 to which the cantilever unit 108 is attached in the lateral direction.
Is vibrated in the Y direction, thereby giving a lateral vibration between the probe 114 and the sample surface. Since the vibrating member is the cantilever unit 108, the resonance characteristic does not change even if the sample 102 is replaced. That is, the frequency of the vibration is not affected by the weight of the sample 102.

【0020】また、カンチレバーユニット108は試料
に比べて小型であるため、振動の周波数を高く設定する
ことができるという利点もある。さらに、横振動を与え
るための信号とY走査のためのY信号とが完全に分離さ
れているので、検出される信号の精度が向上するという
利点もある。
Further, since the cantilever unit 108 is smaller than the sample, there is an advantage that the vibration frequency can be set higher. Further, since the signal for giving the lateral vibration and the Y signal for the Y scanning are completely separated, there is an advantage that the accuracy of the detected signal is improved.

【0021】以下、カンチレバーホルダーのいくつかの
変形例について図4ないし図7を参照しながら説明す
る。図4ないし図7では、図3のカンチレバーホルダー
の部材と同じ部材は同じ参照符号で示してあり、それら
の部材の詳しい説明はここでは省く。
Hereinafter, several modified examples of the cantilever holder will be described with reference to FIGS. 4 to 7, the same members as those of the cantilever holder in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and a detailed description of those members will be omitted here.

【0022】第一変形例のカンチレバーホルダーを図4
に示す。このカンチレバーホルダーは、図3のカンチレ
バーホルダーの弾性変形部308の開口に粘性的な素材
314たとえばゴムや振動吸収性のゲル状素材を充填し
た構成となっている。このような粘性的な素材314
は、装着部のY方向の共振のQ値が高くなりすぎて励振
の周波数近辺で振動させたときに振幅値の変動が大きく
なりすぎないように、Y方向の共振のQ値を低下させ
る。例えばQ値が100のものをQ値が10以下になる
ようにして励振周波数変動による影響を1/10以下に
できる。
FIG. 4 shows the cantilever holder of the first modification.
Shown in This cantilever holder has a configuration in which the opening of the elastically deformable portion 308 of the cantilever holder in FIG. 3 is filled with a viscous material 314, for example, rubber or a gel material having vibration absorption. Such a viscous material 314
Reduces the Q value of the resonance in the Y-direction so that the Q value of the resonance in the Y-direction of the mounting portion becomes too high and the amplitude value fluctuates too much when vibrating near the excitation frequency. For example, the influence of the excitation frequency fluctuation can be reduced to 1/10 or less by making the Q value of 100 to be 10 or less.

【0023】第二変形例のカンチレバーホルダーを図5
に示す。このカンチレバーホルダーは、図3のカンチレ
バーホルダーにおいて平行バネを構成している二枚の側
壁を、一枚の板バネ316に変更し、その両面に圧電素
子312を設けた構成となっている。つまり、本変形例
の弾性変形部308’はバイモルフ型のアクチュエータ
ーとなっている。本変形例のカンチレバーホルダーで
は、図3のカンチレバーホルダーを作製する際に弾性変
形部を平行バネ状の形成するために必要であった穴開け
加工が不要となり、製造コストが低くなるという利点が
ある。
FIG. 5 shows a cantilever holder according to a second modification.
Shown in This cantilever holder has a configuration in which two side walls constituting a parallel spring in the cantilever holder of FIG. 3 are changed to a single leaf spring 316, and piezoelectric elements 312 are provided on both surfaces thereof. That is, the elastic deformation portion 308 'of this modification is a bimorph-type actuator. In the cantilever holder of the present modification, there is an advantage that the drilling required for forming the elastically deformable portion in the form of a parallel spring when the cantilever holder of FIG. 3 is manufactured is unnecessary, and the manufacturing cost is reduced. .

【0024】第三変形例のカンチレバーホルダーを図6
に示す。このカンチレバーホルダーは、液浸での試料観
察に対応するもので、取付部304’がL字形状となっ
ていて、水槽の横壁に対する逃げが設けられている。ま
た、水中への漏れ電流が発生しないように、弾性変形部
308の開口には防水用の充填材320が充填されてい
るとともに、励振信号を供給するための導線322も被
覆されている。本変形例のカンチレバーホルダーを使用
することで、液浸での試料観察が行なえる。
FIG. 6 shows a cantilever holder according to a third modification.
Shown in This cantilever holder corresponds to a sample observation by liquid immersion, and has an L-shaped mounting portion 304 ', and is provided with a relief to a lateral wall of a water tank. The opening of the elastically deformable portion 308 is filled with a waterproofing filler 320 so as to prevent leakage current from flowing into the water, and also covered with a conductive wire 322 for supplying an excitation signal. By using the cantilever holder of this modification, sample observation by liquid immersion can be performed.

【0025】以上、図面を参考にしながら本発明の具体
的な例について説明したが、本発明は上述の実施例に限
るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内に種々
多くの変形や変更が可能である。
The specific examples of the present invention have been described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes may be made without departing from the gist of the invention. Is possible.

【0026】なお、本発明は以下のように表現すること
ができる。 1.自由端に探針を持つカンチレバーと、カンチレバー
を試料表面に平行に振動させる励振手段と、試料を移動
させて探針を試料表面に亘り走査する走査手段と、カン
チレバーの自由端の変位とねじれを調べる検知手段とを
有している横励振摩擦力顕微鏡。
The present invention can be expressed as follows. 1. A cantilever having a probe at its free end, excitation means for vibrating the cantilever parallel to the sample surface, scanning means for moving the sample and scanning the probe over the sample surface, and displacement and torsion of the free end of the cantilever. A laterally-excited friction force microscope having detection means for examining.

【0027】2.上記1項において、励振手段は、カン
チレバーを支持するカンチレバーホルダーで、固定的に
支持される取付部と、カンチレバーが装着される装着部
と、取付部に対して装着部を試料表面に平行な方向に移
動可能に支持する弾性的に変形する弾性変形部と、装着
部を振動させる振動発生手段とを有するカンチレバーホ
ルダーと、振動発生手段を駆動する正弦波信号を出力す
る励振器とを含んでいる、横励振摩擦力顕微鏡。
2. In the above item 1, the excitation means is a cantilever holder for supporting the cantilever, and a fixedly supported mounting portion, a mounting portion to which the cantilever is mounted, and a direction in which the mounting portion is parallel to the sample surface with respect to the mounting portion. A cantilever holder having a resiliently deformable elastically deformable portion for movably supporting the mounting portion, vibration generating means for vibrating the mounting portion, and an exciter for outputting a sine wave signal for driving the vibration generating means. , Horizontal excitation friction force microscope.

【0028】3.上記2項において、弾性変形部はその
法線が振動方向に一致する弾性的に変形する互いに平行
な二枚の板バネ材を有し、振動発生手段はそれぞれの板
バネ材の片側に設けられた互いに逆相で伸縮する二つの
圧電素子を有している、横励振摩擦力顕微鏡。
3. In the above item (2), the elastically deformable portion has two parallel leaf spring materials which are elastically deformed and whose normal line coincides with the vibration direction, and the vibration generating means is provided on one side of each leaf spring material. A transversely excited friction force microscope having two piezoelectric elements that expand and contract in opposite phases to each other.

【0029】4.上記2項において、弾性変形部はその
法線が振動方向に一致する弾性的に変形する一枚の板バ
ネ材を有し、振動発生手段は板バネ材の両側に設けられ
た互いに逆相で伸縮する二つの圧電素子を有している、
横励振摩擦力顕微鏡。
4. In the above item (2), the elastically deforming portion has one elastically deformable leaf spring material whose normal line coincides with the vibration direction, and the vibration generating means is provided in opposite phases provided on both sides of the leaf spring material. Having two expanding and contracting piezoelectric elements,
Lateral excitation friction force microscope.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明によれば、試料と探針の間に与え
る横振動が、試料の重さに影響されることのない横励振
摩擦力顕微鏡が得られる。
According to the present invention, it is possible to obtain a transversely excited friction force microscope in which the transverse vibration applied between the sample and the probe is not affected by the weight of the sample.

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

【図1】本発明の実施例の横励振摩擦力顕微鏡の構成を
示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a lateral excitation friction force microscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示したZPセンサーの構成を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a ZP sensor shown in FIG.

【図3】図1のカンチレバーホルダーの構成を示す図で
ある。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a cantilever holder of FIG. 1;

【図4】カンチレバーホルダーの第一変形例を示す図で
ある。
FIG. 4 is a view showing a first modification of the cantilever holder.

【図5】カンチレバーホルダーの第二変形例を示す図で
ある。
FIG. 5 is a view showing a second modified example of the cantilever holder.

【図6】カンチレバーホルダーの第三変形例を示す図で
ある。
FIG. 6 is a view showing a third modified example of the cantilever holder.

【図7】横励振摩擦力顕微鏡の従来例を示す図である。FIG. 7 is a view showing a conventional example of a transverse excitation friction force microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

102 試料 104 スキャナー 108 カンチレバーユニット 112 カンチレバー 114 探針 120 演算器 122 サーボ回路 124 XY走査回路 126 励振器 128 振幅検出器 200 ZPセンサー 300 カンチレバーホルダー 302 装着部 304 取付部 308 弾性変形部 312 圧電素子 Reference Signs List 102 sample 104 scanner 108 cantilever unit 112 cantilever 114 probe 120 computing unit 122 servo circuit 124 XY scanning circuit 126 exciter 128 amplitude detector 200 ZP sensor 300 cantilever holder 302 mounting part 304 mounting part 308 elastic deformation part 312 piezoelectric element

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】自由端に探針を持つカンチレバーと、 カンチレバーを試料表面に平行に振動させる励振手段
と、 試料を移動させて探針を試料表面に亘り走査する走査手
段と、 カンチレバーの自由端の変位とねじれを調べる検知手段
とを有している横励振摩擦力顕微鏡。
1. A cantilever having a probe at a free end, excitation means for vibrating the cantilever in parallel with a sample surface, scanning means for moving a sample and scanning the probe over the sample surface, and a free end of the cantilever A transversely-excited friction force microscope having detection means for examining the displacement and torsion of a force.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100420384B1 (en) * 2001-05-25 2004-03-04 학교법인연세대학교 Method for multi-digit data decoding using friction signal recording-playing media and media structure thereof
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