JPH1138022A - Optical cantilever and manufacture thereof - Google Patents

Optical cantilever and manufacture thereof

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JPH1138022A
JPH1138022A JP19421197A JP19421197A JPH1138022A JP H1138022 A JPH1138022 A JP H1138022A JP 19421197 A JP19421197 A JP 19421197A JP 19421197 A JP19421197 A JP 19421197A JP H1138022 A JPH1138022 A JP H1138022A
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JP
Japan
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cantilever
film
etching
base end
transparent substrate
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JP19421197A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Nishioka
康 西岡
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Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical cantilever which can be easily installed in a scanning probe microscope or the like and make an optical displacement detection easy, and provide the manufacturing method thereof. SOLUTION: This optical cantilever is obtained by successively forming an a-Si film 20 and metal film 30 for a cantilever on a transparent substrate 1, selectively etching the metal film 30 to form a cantilever by pattern forming 3 having a base end part 3a where the length and breadth are larger than breadth of a lever part 3b, and etching the a-Si film 20 by RIE using CF4 and O2 gases to leave a support 2 just under a base end part 3a and remove a part just under a lever part 3b.

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
顕微鏡等に用いられる光カンチレバーとその製造方法に
関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an optical cantilever used for a scanning probe microscope and the like, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子
間力顕微鏡(AFM)に代表される走査型プローブ顕微
鏡(SPM)では、試料表面を走査する触針付きのカン
チレバーが用いられる。カンチレバーは、マイクロマシ
ン技術により作られる。その一つの方法として例えば、
単結晶シリコン基板を用いてこの上に薄膜を堆積し、こ
の薄膜を選択エッチングしてカンチレバーのパターンを
形成した後、不要な基板部分をエッチング除去する方法
がある(例えば、特開平6−1232621号公報参
照)。基板として用いたシリコンをワイヤ放電加工によ
り加工する方法も提案されている。
2. Description of the Related Art In a scanning probe microscope (SPM) represented by a scanning tunneling microscope (STM) and an atomic force microscope (AFM), a cantilever with a stylus for scanning a sample surface is used. The cantilever is made by micromachine technology. As one of the methods,
There is a method in which a thin film is deposited thereon using a single crystal silicon substrate, and the thin film is selectively etched to form a cantilever pattern, and then unnecessary portions of the substrate are removed by etching (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-1232621). Gazette). A method of processing silicon used as a substrate by wire electric discharge machining has also been proposed.

【0003】図6は、この様な方法で作られるカンチレ
バー61を示す。カンチレバー61の基端部にはシリコ
ン基板62が台座として残される。カンチレバー61の
先端(自由端)には、触針63が取り付けられる。図6
に示すカンチレバーは、AFM等の変位検出部に適当な
治具を用いて取り付けられるが、全体が小さいために、
取り付け精度を出すことが難しい。そこで、図7に示す
ように、カンチレバー61の直下の基板62を全て除去
することなく、そのまま取り付け用の治具として残すよ
うな加工を行うことが望まれる。
FIG. 6 shows a cantilever 61 manufactured by such a method. At the base end of the cantilever 61, a silicon substrate 62 is left as a pedestal. A stylus 63 is attached to the tip (free end) of the cantilever 61. FIG.
The cantilever shown in (1) is attached to a displacement detection unit such as an AFM using an appropriate jig.
It is difficult to achieve mounting accuracy. Therefore, as shown in FIG. 7, it is desired to perform a process of removing the substrate 62 immediately below the cantilever 61 and leaving it as a mounting jig as it is.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図7の
構造は、レーザ光ビームやLED光ビームを用いて変位
検出を行う光カンチレバーとしては不都合がある。なぜ
なら、基板62の裏面側からレーザ光ビームを照射して
カンチレバー61の変位を検出することができないから
である。この図7の構造を用いて、光学的にカンチレバ
ーの変位を検出しようとすると、斜め方向から光ビーム
照射を行うといった工夫が必要になる(例えば、特開平
9−5023号公報参照)。
However, the structure shown in FIG. 7 is inconvenient as an optical cantilever that performs displacement detection using a laser light beam or an LED light beam. This is because the displacement of the cantilever 61 cannot be detected by irradiating a laser beam from the back side of the substrate 62. In order to optically detect the displacement of the cantilever using the structure shown in FIG. 7, it is necessary to devise a device such as irradiating a light beam from an oblique direction (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-5023).

【0005】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、走査型プローブ顕微鏡等への取付が容易で且
つ、光学的な変位検出を容易にした光カンチレバーとそ
の製造方法を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an optical cantilever which can be easily attached to a scanning probe microscope or the like and which facilitates optical displacement detection, and a method of manufacturing the same. It is an object.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この発明に係る光カンチ
レバーは、透明基板上に支持体を介して基端部が支持さ
れ、前記透明基板に対して空隙を保持して対向するよう
に先端を自由端とするレバー部を有することを特徴とす
る。この発明に係る静電制御型光カンチレバーは、透明
基板上に透明電極膜及び誘電体膜がこの順に積層形成さ
れ、前記誘電体膜上に支持体を介して基端部が支持さ
れ、前記誘電体膜に対して空隙を保持して対向するよう
に先端を自由端とするレバー部を有することを特徴とす
る。
An optical cantilever according to the present invention has a base end supported on a transparent substrate via a support, and has a distal end which is opposed to the transparent substrate while holding a gap. It is characterized by having a lever part as a free end. In the electrostatic control type optical cantilever according to the present invention, a transparent electrode film and a dielectric film are laminated and formed in this order on a transparent substrate, and a base end portion is supported on the dielectric film via a support, and the dielectric It is characterized by having a lever portion having a free end at the tip so as to face the body membrane while holding a gap.

【0007】この発明に係る光カンチレバーの製造方法
は、透明基板上に、支持材料膜及びカンチレバー用の金
属膜を順次積層形成する工程と、前記金属膜を選択エッ
チングしてレバー部の幅に比べて縦横幅の大きい基端部
を持つカンチレバーをパターン形成する工程と、前記支
持材料膜を、サイドエッチングが生じるエッチング法で
エッチングすることにより前記基端部の直下にのみ支持
体として残して前記レバー部の直下部分を除去する工程
とを備えたことを特徴とする。
According to a method of manufacturing an optical cantilever according to the present invention, a supporting material film and a metal film for a cantilever are sequentially formed on a transparent substrate, and the metal film is selectively etched to reduce the width of the lever portion. Patterning a cantilever having a base end having a large vertical and horizontal width, and etching the support material film by an etching method that causes side etching to leave the support only under the base end as a support. Removing the portion immediately below the portion.

【0008】この発明に係る光カンチレバーの製造方法
はまた、透明基板上に、透明電極膜、誘電体膜、支持材
料膜及びカンチレバー用の金属膜を順次積層形成する工
程と、前記金属膜を選択エッチングしてレバー部の幅に
比べて縦横幅の大きい基端部を持つカンチレバーをパタ
ーン形成する工程と、前記支持材料膜を、サイドエッチ
ングが生じるエッチング法でエッチングすることにより
前記基端部の直下にのみ支持体として残して前記レバー
部の直下部分を除去する工程とを備えたことを特徴とす
る。この発明の製造方法において例えば、前記支持材料
膜をアモルファスシリコン膜、前記金属膜をNi膜とし
て、前記支持材料膜のエッチングをフッ素系ガスとO2
ガスのプラズマを用いたドライエッチングにより行う。
The method of manufacturing an optical cantilever according to the present invention further comprises the steps of sequentially forming a transparent electrode film, a dielectric film, a support material film and a metal film for the cantilever on a transparent substrate, and selecting the metal film. A step of patterning a cantilever having a base end portion having a larger vertical and horizontal width than the width of the lever portion by etching, and etching the support material film directly below the base end portion by etching with an etching method that causes side etching. And removing the portion directly below the lever portion while leaving the support portion only as a support. In the manufacturing method of the present invention, for example, the support material film is an amorphous silicon film, the metal film is a Ni film, and the support material film is etched with a fluorine-based gas and O 2.
It is performed by dry etching using gas plasma.

【0009】この発明による光カンチレバーは、透明基
板上にマイクロマシン技術で一体に作られるため、カン
チレバーの変位(位置)を光学的に検出する場合に光ビ
ームを基板を透過して送受することができる。しかも、
透明基板は切り離されることなく、そのまま支持治具と
して用いられ、AFM等への取付も容易になる。
Since the optical cantilever according to the present invention is integrally formed on a transparent substrate by a micromachine technique, a light beam can be transmitted and received through the substrate when optically detecting the displacement (position) of the cantilever. . Moreover,
The transparent substrate is used as it is as a support jig without being separated, and attachment to an AFM or the like becomes easy.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図1(a)(b)は、この発明の
一実施例による光カンチレバーの平面図と断面図であ
る。このカンチレバー3は、ガラス,石英等の透明基板
1上にアモルファスシリコン(以下、a−Siという)
等の支持体2を介して基端部3aが支持され、透明基板
1に対して空隙を保持して対向するように先端を自由端
とするレバー部3bを有する。基端部3a及びレバー部
3bは、後述するように基板1上に形成した金属膜をパ
ターン形成して得られたものである。レバー部3bの先
端には、触針4が取り付けられる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B are a plan view and a sectional view of an optical cantilever according to an embodiment of the present invention. This cantilever 3 is made of amorphous silicon (hereinafter a-Si) on a transparent substrate 1 such as glass or quartz.
The base end 3a is supported via a support 2 such as the above, and has a lever 3b having a free end at the tip so as to be opposed to the transparent substrate 1 while holding a gap. The base portion 3a and the lever portion 3b are obtained by pattern-forming a metal film formed on the substrate 1 as described later. The stylus 4 is attached to the tip of the lever 3b.

【0011】図2(a)〜(c)は、この実施例のカン
チレバーの製造工程を示している。図2(a)に示すよ
うに、透明基板1上に先ず、a−Si膜20及びNi等
の金属膜30を順次堆積形成する。次に、図2(b)に
示すように、金属膜30をウェットエッチングにより選
択エッチングして、図1に示したように、レバー部3b
の幅W3に比べて縦横幅W1,W2の大きい基端部3a
を持つカンチレバーをパターン形成する。
FIGS. 2A to 2C show the steps of manufacturing the cantilever of this embodiment. As shown in FIG. 2A, first, an a-Si film 20 and a metal film 30 such as Ni are sequentially deposited and formed on the transparent substrate 1. Next, as shown in FIG. 2B, the metal film 30 is selectively etched by wet etching, and as shown in FIG.
Base end 3a having a larger width W1 and W2 than width W3
A cantilever having a pattern is formed.

【0012】その後、金属膜30をエッチングする事な
く、a−Si膜20に対してはサイドエッチングが生じ
るようなエッチング法でエッチングすることにより、図
2(c)に示すように、a−Si膜20を、基端部3a
の直下にのみ支持体2として残してレバー部3bの直下
部分を除去する。具体的には、フッ素系ガス例えば、C
4,C38等のガスとO2ガスの混合ガスプラズマを用
いたドライエッチング法(RIE法)を用いる。このガ
ス系では、金属膜30がNiであるとすると金属膜エッ
チングは殆ど生じず、幅の狭いレバー部3bの直下のa
−Si膜20をアンダーカットにより除去することがで
きる。
Thereafter, the a-Si film 20 is etched by an etching method that causes side etching without etching the metal film 30, thereby forming the a-Si film 20 as shown in FIG. The membrane 20 is attached to the proximal end 3a.
The portion immediately below the lever portion 3b is removed while leaving the support 2 just below. Specifically, a fluorine-based gas such as C
A dry etching method (RIE method) using a mixed gas plasma of a gas such as F 4 , C 3 F 8 and an O 2 gas is used. In this gas system, if the metal film 30 is made of Ni, etching of the metal film hardly occurs, and a is located immediately below the narrow lever portion 3b.
-Si film 20 can be removed by undercut.

【0013】レバー部3bの長さL1は、サブμm から
1mmの範囲で任意に選択でき、幅W3についても、サブ
μm から50μm 程度の範囲で選択できる。基端部3a
の幅W1,W2については、レバー部3bの幅W1に対
して、数倍程度以上あればよい。なお、レバー部3b
は、図示のように残留応力によって先端部が反った形に
なる。この反り量は、金属膜30の厚み、レバー部3b
の幅と長さにより決まり、これらにより反り量を最適設
計することができる。
The length L1 of the lever portion 3b can be arbitrarily selected in the range of sub-μm to 1 mm, and the width W3 can be selected in the range of sub-μm to approximately 50 μm. Base end 3a
The widths W1 and W2 may be about several times as large as the width W1 of the lever portion 3b. The lever 3b
As shown in the figure, the tip becomes warped due to residual stress. The amount of warpage depends on the thickness of the metal film 30 and the lever 3b.
Is determined by the width and the length, and the amount of warpage can be optimally designed by these.

【0014】図3は、この実施例によるカンチレバー3
をAFMに取り付けた状態を模式的に示す。X,Y,Z
の3次元駆動が行われるステージ31上に試料32が載
置され、カンチレバー3はこの試料32の表面を走査す
るようにAFM本体に取り付けられる。変位検出用光学
系33は、カンチレバー3の上方にLD,LED等の光
源とPD等の受光部を備えて構成される。
FIG. 3 shows a cantilever 3 according to this embodiment.
Is schematically shown attached to the AFM. X, Y, Z
The sample 32 is placed on the stage 31 where the three-dimensional driving is performed, and the cantilever 3 is attached to the AFM main body so as to scan the surface of the sample 32. The displacement detection optical system 33 includes a light source such as an LD and an LED and a light receiving unit such as a PD above the cantilever 3.

【0015】先の製造工程から明らかなようにこの実施
例では、カンチレバー3を支持する透明基板1がカンチ
レバー3の全体をカバーする大きさがあるから、これを
そのまま取り付け治具として用いて簡単にAFM本体に
取り付けることができる。また、図示のように、変位検
出用光学系33とカンチレバー3の間の送受光ビーム3
4は透明基板1を透過してやりとりすることができる。
As is apparent from the previous manufacturing process, in this embodiment, the transparent substrate 1 supporting the cantilever 3 has a size enough to cover the entire cantilever 3, so that the transparent substrate 1 can be used as it is as a mounting jig. Can be attached to the AFM body. Further, as shown in the figure, the transmission / reception light beam 3 between the displacement detection optical system 33 and the cantilever 3 is changed.
4 can be transmitted and received through the transparent substrate 1.

【0016】図4(a)(b)は、この発明を静電制御
型の光カンチレバー(静電アクチュエータ)に適用した
実施例の平面図と断面図であり、図5(a)〜(c)は
その製造工程断面図である。これらの図で、先の実施例
と対応する部分には先の実施例と同じ符号を付して詳細
な説明は省く。
FIGS. 4A and 4B are a plan view and a sectional view of an embodiment in which the present invention is applied to an optical cantilever (electrostatic actuator) of an electrostatic control type, and FIGS. ) Is a sectional view of the manufacturing process. In these figures, parts corresponding to those in the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as in the previous embodiment, and detailed description is omitted.

【0017】この実施例では、透明基板1上には、IT
O,SnO2,ZnO2等の透明電極膜41及び、SiO
2,Si34等の誘電体膜42が順次形成され、この上
に先の実施例と同様に支持体2に支持されたカンチレバ
ー3が作られている。製造工程的には、透明電極膜4
1,誘電体膜42,a−Si膜20及び金属膜30をこ
の順に積層形成し(図5(a))、以下、先の実施例と
同様に金属膜30をパターニングしてカンチレバー3を
形成し(図5(b))、その後フッ素系ガスとO2ガス
を用いたプラズマによりa−Si膜20の不要部分をエ
ッチングする(図5(c))。
In this embodiment, the transparent substrate 1 has an IT
A transparent electrode film 41 of O, SnO 2 , ZnO 2 or the like;
2 , a dielectric film 42 of Si 3 N 4 or the like is sequentially formed, and a cantilever 3 supported by the support 2 is formed thereon similarly to the previous embodiment. In terms of the manufacturing process, the transparent electrode film 4
1, a dielectric film 42, an a-Si film 20, and a metal film 30 are laminated in this order (FIG. 5A), and thereafter, the metal film 30 is patterned to form the cantilever 3 as in the previous embodiment. Then, unnecessary portions of the a-Si film 20 are etched by plasma using a fluorine-based gas and an O 2 gas (FIG. 5C).

【0018】この実施例のカンチレバー3は、図4に示
すように透明電極膜41とカンチレバー基端部3aの間
に印加する電圧をオンオフし、或いは交流電圧を印加す
ることにより、静電力によってレバー部3bの動きを制
御することができる。なお誘電体膜42は、空気であっ
てもよい。この実施例によっても、先の実施例と同様の
効果が得られる。
As shown in FIG. 4, the cantilever 3 of this embodiment turns on / off a voltage applied between the transparent electrode film 41 and the cantilever base end 3a, or applies an AC voltage to the lever to generate the lever by electrostatic force. The movement of the part 3b can be controlled. Note that the dielectric film 42 may be air. According to this embodiment, the same effect as that of the previous embodiment can be obtained.

【0019】[0019]

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、光
カンチレバーは、透明基板上にマイクロマシン技術で一
体に作られ、カンチレバーの変位を光学的に検出する場
合に光ビームを基板を透過して送受することができる。
しかも、透明基板は切り離されることなく支持治具とし
て用いられ、AFM等への取付も容易になる。
As described above, according to the present invention, an optical cantilever is integrally formed on a transparent substrate by micromachining technology, and transmits a light beam through the substrate when optically detecting the displacement of the cantilever. Can be sent and received.
Moreover, the transparent substrate is used as a support jig without being separated, and can be easily attached to an AFM or the like.

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

【図1】 この発明の一実施例によるカンチレバーを示
す。
FIG. 1 shows a cantilever according to one embodiment of the present invention.

【図2】 同実施例のカンチレバーの製造工程を示す。FIG. 2 shows a manufacturing process of the cantilever of the embodiment.

【図3】 同実施例のカンチレバーのAFMへの取り付
け状態を示す。
FIG. 3 shows a state in which the cantilever of the embodiment is attached to an AFM.

【図4】 この発明の他の実施例によるカンチレバーを
示す。
FIG. 4 shows a cantilever according to another embodiment of the present invention.

【図5】 同実施例のカンチレバーの製造工程を示す。FIG. 5 shows a manufacturing process of the cantilever of the embodiment.

【図6】 従来のカンチレバーを示す。FIG. 6 shows a conventional cantilever.

【図7】 基板を完全除去しないカンチレバーを示す。FIG. 7 shows a cantilever that does not completely remove the substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…透明基板、2…支持体、3…カンチレバー、3a…
基端部、3b…レバー部、4…触針、20…a−Si
膜、30…金属膜、41…透明電極膜、42…誘電体
膜。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transparent substrate, 2 ... Support body, 3 ... Cantilever, 3a ...
Base end, 3b Lever, 4 Stylus, 20 a-Si
Film, 30: metal film, 41: transparent electrode film, 42: dielectric film.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 透明基板上に支持体を介して基端部が支
持され、前記透明基板に対して空隙を保持して対向する
ように先端を自由端とするレバー部を有することを特徴
とする光カンチレバー。
1. A base part is supported on a transparent substrate via a support, and a lever part having a free end is provided so as to face the transparent substrate while holding a gap. Light cantilever.
【請求項2】 透明基板上に透明電極膜及び誘電体膜が
この順に積層形成され、前記誘電体膜上に支持体を介し
て基端部が支持され、前記誘電体膜に対して空隙を保持
して対向するように先端を自由端とするレバー部を有す
ることを特徴とする静電制御型光カンチレバー。
2. A transparent electrode film and a dielectric film are laminated on a transparent substrate in this order, a base end is supported on the dielectric film via a support, and a gap is formed with respect to the dielectric film. An electrostatic control type optical cantilever having a lever portion having a free end as a tip so as to be held and opposed.
【請求項3】 透明基板上に、支持材料膜及びカンチレ
バー用の金属膜を順次積層形成する工程と、 前記金属膜を選択エッチングしてレバー部の幅に比べて
縦横幅の大きい基端部を持つカンチレバーをパターン形
成する工程と、 前記支持材料膜を、サイドエッチングが生じるエッチン
グ法でエッチングすることにより前記基端部の直下にの
み支持体として残して前記レバー部の直下部分を除去す
る工程と、を備えたことを特徴とする光カンチレバーの
製造方法。
3. A step of sequentially forming a support material film and a metal film for a cantilever on a transparent substrate; and selectively etching the metal film to form a base end portion having a width and width larger than a width of a lever portion. A step of patterning a cantilever having, and a step of removing the portion directly below the lever portion, leaving the support material film as a support only directly below the base end portion by etching with an etching method that causes side etching. And a method for manufacturing an optical cantilever.
【請求項4】 透明基板上に、透明電極膜、誘電体膜、
支持材料膜及びカンチレバー用の金属膜を順次積層形成
する工程と、 前記金属膜を選択エッチングしてレバー部の幅に比べて
縦横幅の大きい基端部を持つカンチレバーをパターン形
成する工程と、 前記支持材料膜を、サイドエッチングが生じるエッチン
グ法でエッチングすることにより前記基端部の直下にの
み支持体として残して前記レバー部の直下部分を除去す
る工程と、を備えたことを特徴とする光カンチレバーの
製造方法。
4. A transparent electrode film, a dielectric film,
A step of sequentially forming a supporting material film and a metal film for a cantilever; and a step of selectively etching the metal film to pattern-form a cantilever having a base end portion having a larger vertical and horizontal width as compared to the width of the lever portion. Removing the portion immediately below the lever portion by etching the supporting material film by an etching method that causes side etching, leaving the supporting material only immediately below the base end portion. Manufacturing method of cantilever.
【請求項5】 前記支持材料膜をアモルファスシリコン
膜、前記金属膜をNi膜として、前記支持材料膜のエッ
チングをフッ素系ガスとO2ガスのプラズマを用いたド
ライエッチングにより行うことを特徴とする請求項3又
は4に記載の光カンチレバーの製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the supporting material film is an amorphous silicon film and the metal film is a Ni film, and the supporting material film is etched by dry etching using plasma of a fluorine-based gas and O 2 gas. A method for manufacturing an optical cantilever according to claim 3.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1351256A2 (en) 2002-03-29 2003-10-08 Xerox Corporation Scanning probe system with spring probe
JP2011252849A (en) * 2010-06-03 2011-12-15 Shimadzu Corp Excitation method for cantilever in atomic force microscope and atomic force microscope

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