JPS63309803A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
- Publication number
- JPS63309803A JPS63309803A JP63088364A JP8836488A JPS63309803A JP S63309803 A JPS63309803 A JP S63309803A JP 63088364 A JP63088364 A JP 63088364A JP 8836488 A JP8836488 A JP 8836488A JP S63309803 A JPS63309803 A JP S63309803A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tip
- atomic force
- distance
- crystal oscillator
- vibrating body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 41
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 230000010360 secondary oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
- G01Q10/065—Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/045—Self-actuating probes, i.e. wherein the actuating means for driving are part of the probe itself, e.g. piezoelectric means on a cantilever probe
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/32—AC mode
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/85—Scanning probe control process
- Y10S977/851—Particular movement or positioning of scanning tip
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/863—Atomic force probe
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
Ａ、産業上の利用分野
本発明は、一般に原子間力顕微鏡に関するものであり、
より具体的には、原子間力顕微鏡の動作中に生じる力ま
たはたわみあるいはその両方を測定する手段に関する。
より具体的には、原子間力顕微鏡の動作中に生じる力ま
たはたわみあるいはその両方を測定する手段に関する。
測定は水晶発振子に取り付けた尖ったチップによって行
なわれる。
なわれる。
Ｂ、従来技術およびその問題点
Ｇ、ビンニッヒ（Ｂｉｎｎｉｎｇ）が（欧州特許出願箱
８Ｅ３１１０２７６．２号）で提案し、フィジカル・レ
ビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、 Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ ）第５６巻、第９号、１９８６年３月、９３０〜９
３３頁に所載のＧ、ビンニッヒ、Ｃ，Ｆ、クエイ） （
Ｑｕａｔｅ） 、Ｃｈ 、ゲルバ（Ｇｅｒｂｅｒ）の論
文に記載されている原子間力顕微鏡は、ばね状片持ちぼ
りに取り付けた鋭く尖ったチップを用いて、検査しよう
とする表面のプロフィルを走査する。そのときの距離で
チップの頂点にある原子と表面にある原子の間に引力ま
たは斥力が生じ、片持ちぼりに非常に小さなたわみが生
じる。ビンニッヒの提案では、トンネル顕微鏡によって
このたわみを測定する。つまり導電性トンネル・チップ
を片持ちばりの背面からトンネル距離内の所に配置し、
トンネル電流の変動を利用してたわみを決定する。
８Ｅ３１１０２７６．２号）で提案し、フィジカル・レ
ビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、 Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ ）第５６巻、第９号、１９８６年３月、９３０〜９
３３頁に所載のＧ、ビンニッヒ、Ｃ，Ｆ、クエイ） （
Ｑｕａｔｅ） 、Ｃｈ 、ゲルバ（Ｇｅｒｂｅｒ）の論
文に記載されている原子間力顕微鏡は、ばね状片持ちぼ
りに取り付けた鋭く尖ったチップを用いて、検査しよう
とする表面のプロフィルを走査する。そのときの距離で
チップの頂点にある原子と表面にある原子の間に引力ま
たは斥力が生じ、片持ちぼりに非常に小さなたわみが生
じる。ビンニッヒの提案では、トンネル顕微鏡によって
このたわみを測定する。つまり導電性トンネル・チップ
を片持ちばりの背面からトンネル距離内の所に配置し、
トンネル電流の変動を利用してたわみを決定する。
片持ちばりの特性が既知の場合、原子間力顕微鏡のチッ
プと検査中の表面の間に生じる力が決定できる。
プと検査中の表面の間に生じる力が決定できる。
尖ったチップと表面の間に生じる力は、通常、ファン・
デル・ワールスカや共有結合力やイオン結合力や斥力型
抜相互作用力として記述されている。（チップの頂点に
ある）単一原子を表面へ原子間隔まで近接させるのに要
するエネルギーは、Ｅｏ＝０．０１ないし１０ ｅＶ＝
１０−２２ないしＩ Ｑ−１８ジユールの範囲にある
。対応する距離は、ｘ、＝ １０ないし１０１００Ｏｐ
ピコメートル）＝０．０１ないしｌｎｍというサブナノ
メートルの範囲にある。したがって、当該の力、すなわ
ちポテンシャル関数の１次導関数は、Ｋｏ＝１０ｐＮな
いし１０ｎＨの範囲にある。その結果得られる原子的「
ばね定数」、すなわちポテンシャル関数の２次導関数は
、ｃｏ＝１００ないし０．０１Ｎ／ｍの範囲にある。こ
れらのデータは、表面の研究および弾性定数の値など他
の多くの出所から導き出すことができる。
デル・ワールスカや共有結合力やイオン結合力や斥力型
抜相互作用力として記述されている。（チップの頂点に
ある）単一原子を表面へ原子間隔まで近接させるのに要
するエネルギーは、Ｅｏ＝０．０１ないし１０ ｅＶ＝
１０−２２ないしＩ Ｑ−１８ジユールの範囲にある
。対応する距離は、ｘ、＝ １０ないし１０１００Ｏｐ
ピコメートル）＝０．０１ないしｌｎｍというサブナノ
メートルの範囲にある。したがって、当該の力、すなわ
ちポテンシャル関数の１次導関数は、Ｋｏ＝１０ｐＮな
いし１０ｎＨの範囲にある。その結果得られる原子的「
ばね定数」、すなわちポテンシャル関数の２次導関数は
、ｃｏ＝１００ないし０．０１Ｎ／ｍの範囲にある。こ
れらのデータは、表面の研究および弾性定数の値など他
の多くの出所から導き出すことができる。
本発明の一目的は、原子間力顕微鏡として使用できるが
、検出のために片持ちばりもトンネル電流も用いない力
測定装置を記述することにある。
、検出のために片持ちばりもトンネル電流も用いない力
測定装置を記述することにある。
Ｃ０問題点を解決するための手段
したがって、本発明は、検査しようとする表面と相互作
用を行なう尖ったチップ、および上記チップを上記表面
へ１０分の１ナノメートル程度の動作距離以内まで近付
けて上記チップをマトリックス方式で上記表面上で走査
する手段からなる原子間力顕微鏡を提案する。この原子
間力顕微鏡は、上記チップが電位の印加を可能にする一
対の電極を両面に備えた発振本体の表面のうちの１つに
取り付けられ、動作中に上記チップが上記表面から離れ
ているとき上記本体がその共振振動数で発振するように
励起され、上記チップが上記表面から上記動作距離に維
持されている状態で、上記本体が上記共振振動数から特
徴的な形でずれた振動数で発振し、上記ずれが基準信号
と比較され、その結果得られた信号がフィードバック・
ループを通過してチップを上記表面に近付ける上記手段
を制御させることを特徴とする。
用を行なう尖ったチップ、および上記チップを上記表面
へ１０分の１ナノメートル程度の動作距離以内まで近付
けて上記チップをマトリックス方式で上記表面上で走査
する手段からなる原子間力顕微鏡を提案する。この原子
間力顕微鏡は、上記チップが電位の印加を可能にする一
対の電極を両面に備えた発振本体の表面のうちの１つに
取り付けられ、動作中に上記チップが上記表面から離れ
ているとき上記本体がその共振振動数で発振するように
励起され、上記チップが上記表面から上記動作距離に維
持されている状態で、上記本体が上記共振振動数から特
徴的な形でずれた振動数で発振し、上記ずれが基準信号
と比較され、その結果得られた信号がフィードバック・
ループを通過してチップを上記表面に近付ける上記手段
を制御させることを特徴とする。
第１図を参照して説明すると、この原子間力顕微鏡は、
通常のｘｙｚ駆動装置（４）によってＸｙｚ方向に並進
可能な結晶発振子（２）の上端に取り付けられた尖った
チップ（１）を含んでいる。
通常のｘｙｚ駆動装置（４）によってＸｙｚ方向に並進
可能な結晶発振子（２）の上端に取り付けられた尖った
チップ（１）を含んでいる。
上記結晶（２）の両面に被覆された一対の電極（５，６
）に電位を印加すると、この結晶（２）がその共振振動
数で発振する。チップ（１）が検査しようとする表面に
近づくにつれて、結晶の発振振動数がその本来の振動数
からずれる。このずれをフィードバック・ループ中で使
って、チップ（１）の２方向で検査中の表面からの距離
を制御し、表面上でチップ（１）が行なう各走査の輪郭
イメージをプロットすることができる。
）に電位を印加すると、この結晶（２）がその共振振動
数で発振する。チップ（１）が検査しようとする表面に
近づくにつれて、結晶の発振振動数がその本来の振動数
からずれる。このずれをフィードバック・ループ中で使
って、チップ（１）の２方向で検査中の表面からの距離
を制御し、表面上でチップ（１）が行なう各走査の輪郭
イメージをプロットすることができる。
Ｄ、実施例
第１図には、小さなＹカット水晶発振子２の振動面の一
方に装着された尖ったチップ１を含む原子間力測定装置
が示されている。水晶発振子２は、「孤立した」位置に
あるとき、その共振振動数で発振するように励起させる
ことができる。チップ１をサンプル表面に充分近づける
と、チップ１の頂点にある原子と１個以上の表面原子の
間で働く原子間力が共振振動数を検出可能なだけシフト
させ、かつ励起振動数の高調波を発生させる。その結果
得られる感度は、欧州特許出願第８６１１０２６７．２
号の原子間力顕微鏡の感度に匹敵することを示すことが
できる。水晶発振子２が基板３に装着され、基板３は通
常のｘｙｚ駆動装置４に固定されている。水晶発振子２
の高さ、幅、長さの寸法は、全て約０．１ｎｏｎが好ま
しい。この水晶発振子は、通常のエツチング法と研磨法
（リソグラフィ）で製造することができる。検査しよう
とするサンプル（図示せず）は、当技術で周知の粗並進
装置を用いてチップ１に接近させることができる。
方に装着された尖ったチップ１を含む原子間力測定装置
が示されている。水晶発振子２は、「孤立した」位置に
あるとき、その共振振動数で発振するように励起させる
ことができる。チップ１をサンプル表面に充分近づける
と、チップ１の頂点にある原子と１個以上の表面原子の
間で働く原子間力が共振振動数を検出可能なだけシフト
させ、かつ励起振動数の高調波を発生させる。その結果
得られる感度は、欧州特許出願第８６１１０２６７．２
号の原子間力顕微鏡の感度に匹敵することを示すことが
できる。水晶発振子２が基板３に装着され、基板３は通
常のｘｙｚ駆動装置４に固定されている。水晶発振子２
の高さ、幅、長さの寸法は、全て約０．１ｎｏｎが好ま
しい。この水晶発振子は、通常のエツチング法と研磨法
（リソグラフィ）で製造することができる。検査しよう
とするサンプル（図示せず）は、当技術で周知の粗並進
装置を用いてチップ１に接近させることができる。
水晶発振子２の両面にそれぞれ被覆された電極５および
６に電圧を印加すると、水晶発振子はＸ方向のせん新運
動を行なう。この運動に付随する弾性力は（静的）ばね
定数００によって特徴付けることができる。
６に電圧を印加すると、水晶発振子はＸ方向のせん新運
動を行なう。この運動に付随する弾性力は（静的）ばね
定数００によって特徴付けることができる。
６６ｗＱ
Ｃ、” −＃ ４ Ｘ １０６Ｎ／ｍ
ただし、ｃ６ｓ＝４Ｘ １０１ＯＮ／ｍ２は水晶発振子
の特定カットの弾性率であり、Ｖ、Ｅ、ボトム（Ｂｏｔ
ｔｏｍ ）著「水晶発振子ユーット設計（Ｑｕａｒｔｚ
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｕｎｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ） Ｊに基づ
＜ ｏ ｗ ＝ Ｑ ＝ ｈ ＝０．１ｍｍである。水
晶発振子２を交流で励振させると、サンプル表面に垂直
なチップの発振運動が生じる。Ｙカット水晶発振子の共
振（チップと表面の相互作用なし）は、 で起こる。ｈ＝０．１ｍｍとすると、基本振動数はｖ
１＝ ２０ Ｍ Ｈｚとなる。
の特定カットの弾性率であり、Ｖ、Ｅ、ボトム（Ｂｏｔ
ｔｏｍ ）著「水晶発振子ユーット設計（Ｑｕａｒｔｚ
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｕｎｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ） Ｊに基づ
＜ ｏ ｗ ＝ Ｑ ＝ ｈ ＝０．１ｍｍである。水
晶発振子２を交流で励振させると、サンプル表面に垂直
なチップの発振運動が生じる。Ｙカット水晶発振子の共
振（チップと表面の相互作用なし）は、 で起こる。ｈ＝０．１ｍｍとすると、基本振動数はｖ
１＝ ２０ Ｍ Ｈｚとなる。
第１図の水晶発振器の等価回路が、第２図に示されてい
る。Ｃｓは、不可避の漂遊容量であり、水晶発振子自体
に関連する静電容量Ｃｑに比べて大きい。Ｌ９およびＲ
ｑは、それぞれ水晶発振子のインダクタンスと抵抗であ
る。水晶発振器は、第２図に示したタイプの回路に組み
込むと、その直列共振振動数ν１で励起される。
る。Ｃｓは、不可避の漂遊容量であり、水晶発振子自体
に関連する静電容量Ｃｑに比べて大きい。Ｌ９およびＲ
ｑは、それぞれ水晶発振子のインダクタンスと抵抗であ
る。水晶発振器は、第２図に示したタイプの回路に組み
込むと、その直列共振振動数ν１で励起される。
これは、水晶発振子だけの特性によって決まり、漂遊容
量Ｃ３にはよらない。
量Ｃ３にはよらない。
サンプル表面からの距離が約１ないし０．１ｍｍの時、
チップ１はサンプルと検出可能な程度の相互作用を示し
始める。原子ポテンシャルが、発振器の弾性ポテンシャ
ルに重なっている。上記弾性ポテンシャルは、Ｘ方向に
沿ったチップ１の偏位Ｓｘの偶関数である。原子ポテン
シャルは、変位原点に関して対称性を持たない。たとえ
ば、指数関数的に増加する斥力になることがある。
チップ１はサンプルと検出可能な程度の相互作用を示し
始める。原子ポテンシャルが、発振器の弾性ポテンシャ
ルに重なっている。上記弾性ポテンシャルは、Ｘ方向に
沿ったチップ１の偏位Ｓｘの偶関数である。原子ポテン
シャルは、変位原点に関して対称性を持たない。たとえ
ば、指数関数的に増加する斥力になることがある。
Ｅａｔ＝ＥｏｅＳＸ／ＸＯ
Ｋ ａ ｔ ” Ｋ ｏ ｅ ”””
Ｃａｔ＝ＣｏｅＳｘ／ＸＯ
ただし、Ｅａｔは原子ポテンシャル、
Ｋ ａ ｔ ” ｄＥａ ＋ ／ ｄｓｘは原子間力、
Ｃ０は力の定数、×。
Ｃ０は力の定数、×。
は斥力の特性距離である。原子間力Ｋ ａ ｔを級数展
開すると、次式が得られる。
開すると、次式が得られる。
Ｋａｔは、弾性力に比べて小さく、摂動を生じるだけで
ある。べき級数は、次のような原子間力の効果を示す。
ある。べき級数は、次のような原子間力の効果を示す。
０（ＸＯ）：静的な力Ｋ。
静的な変位Ｋ。／Ｃを生じ
るが、小さすぎて検出で
一〇−
きない。
０ （ｘ’） ：ばね定数の再正規化
Ｃ，，→Ｃ，＋ＣＯ
共振振動数をシフトさせる。
０（Ｘ２）：第２調波発生源項
ただし、（１）および（２）は、それぞれ基本振動数お
よび第２調波振動数での振幅を示す。
よび第２調波振動数での振幅を示す。
次に、共振振動数のシフトによる原子間力の検出に話を
移す。水晶発振子は、第３図の通常の回路と共に原子間
相互作用のために共振振動数が変化する発振器を形成す
る。続いて起こる振動数シフトは、市販の電子式計数装
置で容易に検出できる。第４図は、水晶発振子２とそれ
自体のドライバ回路７、すなわち第３図に示した回路の
、加算回路８への接続を示す概略回路図である。加算回
路８のもう一方の入力は、基準振動数発生装置９に接続
されている。加算回路８の出力は計数回路１０に接続さ
れている。計数回路１０は、水晶発振子２が検査しよう
とする表面１２に近づくに応じて、力によって誘発され
る水晶発振子２の共振振動数の変動を表わすアナログ出
方信号を発生するように設計されている。計数装置１０
の出方信号は、またｘｙｚ駆動装置４の動き、従ってチ
ップ１の動きを制御する制御装置にも供給される。
移す。水晶発振子は、第３図の通常の回路と共に原子間
相互作用のために共振振動数が変化する発振器を形成す
る。続いて起こる振動数シフトは、市販の電子式計数装
置で容易に検出できる。第４図は、水晶発振子２とそれ
自体のドライバ回路７、すなわち第３図に示した回路の
、加算回路８への接続を示す概略回路図である。加算回
路８のもう一方の入力は、基準振動数発生装置９に接続
されている。加算回路８の出力は計数回路１０に接続さ
れている。計数回路１０は、水晶発振子２が検査しよう
とする表面１２に近づくに応じて、力によって誘発され
る水晶発振子２の共振振動数の変動を表わすアナログ出
方信号を発生するように設計されている。計数装置１０
の出方信号は、またｘｙｚ駆動装置４の動き、従ってチ
ップ１の動きを制御する制御装置にも供給される。
解像力が２Ｘ１０−９で積分時間が１秒の「逆計数ｊ法
を用いる計数装置の場合、結果として得られる力の感度
Ｋｍｉｎは、 である。ｘｏ＝Ｏ，ｌｎｍの場合、Ｋｍｉｎ：２ Ｘ
１０−１２Ｎとなる。これは、非常に弱い原子間相互作
用でも検出するのに十分である。計数装置の出力信号を
使って、第２図の回路図に基づき平均のチップ位置を制
御することができる。
を用いる計数装置の場合、結果として得られる力の感度
Ｋｍｉｎは、 である。ｘｏ＝Ｏ，ｌｎｍの場合、Ｋｍｉｎ：２ Ｘ
１０−１２Ｎとなる。これは、非常に弱い原子間相互作
用でも検出するのに十分である。計数装置の出力信号を
使って、第２図の回路図に基づき平均のチップ位置を制
御することができる。
観測時間ｔ、は、Ｋａ＋ ＝ Ｋｍｉｎの場合、１秒で
ある。雑音レベルより高いとき、ｔ、は１／に、ｔに比
例する。従って、１ｏｏないし１０００ｐＮの範囲にあ
るやや強い相互作用は、１ないし１ｏミリ秒以内に検出
することができる。
ある。雑音レベルより高いとき、ｔ、は１／に、ｔに比
例する。従って、１ｏｏないし１０００ｐＮの範囲にあ
るやや強い相互作用は、１ないし１ｏミリ秒以内に検出
することができる。
振動数シフトの絶対値は、ν１もＣ，も共に１／ｈ単位
で表わされるので、共振振動数とは独立である。結果と
して生じるシフト△νは、次のようになる。
で表わされるので、共振振動数とは独立である。結果と
して生じるシフト△νは、次のようになる。
△ｖ＃２０００ ［ｍ Ｈｚコ Ｃｏ／ｃｓｓｗＱ
＝５［Ｈｚ／Ｎコ ただし、ｗ＝党＝０．１ｍｍの場合。
＝５［Ｈｚ／Ｎコ ただし、ｗ＝党＝０．１ｍｍの場合。
したがって、ｃｏ＝０．０１ないし１０ ＯＮ／ｍのと
きは、△ν＝０．０５ないし５００Ｈｚとなる。
きは、△ν＝０．０５ないし５００Ｈｚとなる。
もう一つの原子間力検出法は、第２調波発生によるもの
である。上記展開におけるＯ （ｘ２）の項は、励起振
動数の２倍で力の項Ｋ（２）を生じる。
である。上記展開におけるＯ （ｘ２）の項は、励起振
動数の２倍で力の項Ｋ（２）を生じる。
この力が、水晶発振子２の２次発振を引き起し、この発
振が電極４および５で第２調波電圧信号を生じる。この
信号は、原子間力の距離に関する２次導関数に比例する
。この信号を大きくするには第２調波が水晶発振子２の
基本共振を励起すように、シ＝シ＋／２と選ぶ。振幅は
、５ｘ（２） ： Ｋ （２＞Ｑ／Ｃ，となる。ただし
Ｑは水晶発振子２のので、通常１０５程度である。この
値が大きいので、５ｘ（２）は、通常、５ｘ（１）より
も２桁だけ小さい。
振が電極４および５で第２調波電圧信号を生じる。この
信号は、原子間力の距離に関する２次導関数に比例する
。この信号を大きくするには第２調波が水晶発振子２の
基本共振を励起すように、シ＝シ＋／２と選ぶ。振幅は
、５ｘ（２） ： Ｋ （２＞Ｑ／Ｃ，となる。ただし
Ｑは水晶発振子２のので、通常１０５程度である。この
値が大きいので、５ｘ（２）は、通常、５ｘ（１）より
も２桁だけ小さい。
当該の誘導電荷はｌ Ｑ−ＩＳクーロン程度であって、
１０メガヘルツで１０ナノアンペアの電流を生じる。
１０メガヘルツで１０ナノアンペアの電流を生じる。
誘導電圧は、漂遊容量に依存する。Ｃｓ ＝ ４ ｐｆ
と仮定すると Ｕ （２） ：＝ ｏ 、 １μＶに
なる。電力’［Ｊ ＋２） Ｘ Ｉ（２） ハ、ｌｏ−
ｌ４ｗになる。帯域幅１゜ＯＨｚの場合、当該の熱雑音
電力は１０−１８Ｗである。したがって、第２調波信号
も検出可能で、原子間力測定に利用できる。
と仮定すると Ｕ （２） ：＝ ｏ 、 １μＶに
なる。電力’［Ｊ ＋２） Ｘ Ｉ（２） ハ、ｌｏ−
ｌ４ｗになる。帯域幅１゜ＯＨｚの場合、当該の熱雑音
電力は１０−１８Ｗである。したがって、第２調波信号
も検出可能で、原子間力測定に利用できる。
この例で水晶発振子２のＹカットを選んだのは、計算が
特に簡単なためにすぎず、熱安定性にとっては最適でな
い。ＡＴカット、ＢＴカット、ｓｃカットでは、熱ドリ
フトががなり小さな発振器が可能になる。しがし、これ
らを装着するのは、結晶底面が一般に節平面でないので
、より困難である。したがって、水晶発振子支持体は、
より精巧な設計が必要となる。
特に簡単なためにすぎず、熱安定性にとっては最適でな
い。ＡＴカット、ＢＴカット、ｓｃカットでは、熱ドリ
フトががなり小さな発振器が可能になる。しがし、これ
らを装着するのは、結晶底面が一般に節平面でないので
、より困難である。したがって、水晶発振子支持体は、
より精巧な設計が必要となる。
振動数シフトの決定に使用する電子式計数装置は、水晶
発振子２と並べて装着した外部基準発振器を用いるのが
好ましい。
発振子２と並べて装着した外部基準発振器を用いるのが
好ましい。
第１図では水晶発振子２の上端に装着されたチップ１を
示すが、このチップを水晶発振子２に組み込んで水晶発
振子の一体的部分とするのが有利となることもある。当
業者なら気付（ように、水晶発振子２に通常のエツチン
グ操作を施して水晶発振子の一方の表面から突き出して
いるチップを作成することができる。
示すが、このチップを水晶発振子２に組み込んで水晶発
振子の一体的部分とするのが有利となることもある。当
業者なら気付（ように、水晶発振子２に通常のエツチン
グ操作を施して水晶発振子の一方の表面から突き出して
いるチップを作成することができる。
応用分野によっては、水晶の代わりに他の圧電材料を用
いるのが有利なこともある。
いるのが有利なこともある。
Ｅ、効果
本発明によれば、サンプル表面との間で原子間力を発生
させるためのチップ部材を片持ちぼりで支持し、かつ該
片持ちばりのたわみをトンネル電流の変化さして検出す
る機構を使わなくても、これに変わる比較的簡単な機構
によって、サンプル表面の起伏に基づく原子間力の変化
を精度よく検出し、サンプル表面の像を形成することが
できる。
させるためのチップ部材を片持ちぼりで支持し、かつ該
片持ちばりのたわみをトンネル電流の変化さして検出す
る機構を使わなくても、これに変わる比較的簡単な機構
によって、サンプル表面の起伏に基づく原子間力の変化
を精度よく検出し、サンプル表面の像を形成することが
できる。
第１図は、水晶発振器の形をとる力測定装置の実施例を
示す図である。 第２図は、第１図の水晶発振器の等価回路図である。 第３図は、第１図の水晶発振器回路の回路図である。 第４図は、水晶発振器の制御回路の概略図である。 １・・・・チップ、２・・・・水晶発振子、３・・・・
基板４・・・・ｘｙｚ駆動装置、５．６・・・・電極、
７・・・・ドライバ回路、８・・・・加算回路、９・・
・・基準振動数発生装置、１０・・・・計数装置、１１
・・・・制御装置１２・・・・サンプル表面。 出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人 弁理士 頓 宮 孝 −（外１名） ＝１５−
示す図である。 第２図は、第１図の水晶発振器の等価回路図である。 第３図は、第１図の水晶発振器回路の回路図である。 第４図は、水晶発振器の制御回路の概略図である。 １・・・・チップ、２・・・・水晶発振子、３・・・・
基板４・・・・ｘｙｚ駆動装置、５．６・・・・電極、
７・・・・ドライバ回路、８・・・・加算回路、９・・
・・基準振動数発生装置、１０・・・・計数装置、１１
・・・・制御装置１２・・・・サンプル表面。 出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人 弁理士 頓 宮 孝 −（外１名） ＝１５−
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 尖った先端部を有し、該先端部に位置する原子と検査し
ようとするサンプルの表面上の原子との間で原子間力を
発生させるためのチップ部材と、上記チップ部材先端部
と上記サンプル表面とを上記原子間力が発生可能な距離
（以下、動作距離と言う）以内に近づけた状態で、上記
チップ部材で上記サンプル表面の走査を行なうための手
段を備えた原子間力顕微鏡において、 上記先端部を突出させた状態で上記チップ部材を支持す
る振動体と、 上記振動体に設けられた対をなす電極と、 上記チップ部材先端部と上記サンプル表面の間の距離が
上記動作距離より十分大きい場合に上記振動体を共振振
動数で振動させるべく、上記電極間に電圧を印加して上
記振動体を励起する手段と、上記チップ部材先端部が上
記サンプル表面から上記動作距離以内にある場合に上記
原子間力が発生することに基づいて起こる、上記励起さ
れた振動体の振動数の上記共振振動数からのシフトを検
出する手段と、 上記検出された振動数のシフトを上記チップ部材先端部
と上記サンプル表面の距離を示す情報として利用して、
上記サンプルの表面の像を形成する手段 を具備することを特徴とする原子間力顕微鏡。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP87106899.5 | 1987-05-12 | ||
| EP87106899A EP0290647B1 (en) | 1987-05-12 | 1987-05-12 | Oscillating quartz atomic force microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63309803A true JPS63309803A (ja) | 1988-12-16 |
| JPH06103176B2 JPH06103176B2 (ja) | 1994-12-14 |
Family
ID=8196982
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63088364A Expired - Fee Related JPH06103176B2 (ja) | 1987-05-12 | 1988-04-12 | 原子間力顕微鏡 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4851671A (ja) |
| EP (1) | EP0290647B1 (ja) |
| JP (1) | JPH06103176B2 (ja) |
| CA (1) | CA1330452C (ja) |
| DE (1) | DE3771711D1 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0348111A (ja) * | 1989-03-29 | 1991-03-01 | Canon Inc | エッジ検出装置 |
| JPH06194154A (ja) * | 1992-09-22 | 1994-07-15 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 接触フォース原子フォース顕微鏡による２次元輪郭描写の方法と装置 |
| EP0791802A1 (en) | 1996-02-20 | 1997-08-27 | Seiko Instruments Inc. | Scanning type near field interatomic force microscope |
| JP2010526284A (ja) * | 2007-05-02 | 2010-07-29 | サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィク | 原子間力顕微鏡法のためのプローブ |
Families Citing this family (37)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2756254B2 (ja) * | 1988-03-25 | 1998-05-25 | キヤノン株式会社 | 記録装置及び再生装置 |
| US5079958A (en) * | 1989-03-17 | 1992-01-14 | Olympus Optical Co., Ltd. | Sensor having a cantilever |
| US5019707A (en) * | 1989-03-23 | 1991-05-28 | International Business Machines Corporation | High speed waveform sampling with a tunneling microscope |
| US5304924A (en) * | 1989-03-29 | 1994-04-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Edge detector |
| GB8910566D0 (en) * | 1989-05-08 | 1989-06-21 | Amersham Int Plc | Imaging apparatus and method |
| JP2686645B2 (ja) * | 1989-05-08 | 1997-12-08 | キヤノン株式会社 | 走査型トンネル電流検出装置 |
| US5144833A (en) * | 1990-09-27 | 1992-09-08 | International Business Machines Corporation | Atomic force microscopy |
| DE4035075A1 (de) * | 1990-11-05 | 1992-05-07 | Jenoptik Jena Gmbh | Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberflaeche eines messobjektes |
| DE4035084A1 (de) * | 1990-11-05 | 1992-05-07 | Jenoptik Jena Gmbh | Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberflaeche eines messobjektes |
| DE4035076A1 (de) * | 1990-11-05 | 1992-05-07 | Jenoptik Jena Gmbh | Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberflaeche eines messobjektes |
| US5298975A (en) * | 1991-09-27 | 1994-03-29 | International Business Machines Corporation | Combined scanning force microscope and optical metrology tool |
| US5254854A (en) * | 1991-11-04 | 1993-10-19 | At&T Bell Laboratories | Scanning microscope comprising force-sensing means and position-sensitive photodetector |
| DE69309318T2 (de) * | 1992-01-10 | 1997-10-30 | Hitachi Ltd | Verfahren und Vorrichtung zum Beobachten einer Fläche |
| JPH05196559A (ja) * | 1992-01-21 | 1993-08-06 | Tadahiro Omi | 測定される変位の量を較正する標準試料の製法及び標準試料並びに測定装置及び較正方法 |
| US5267471A (en) * | 1992-04-30 | 1993-12-07 | Ibm Corporation | Double cantilever sensor for atomic force microscope |
| US5262643A (en) * | 1992-06-12 | 1993-11-16 | International Business Machines Corp. | Automatic tip approach method and apparatus for scanning probe microscope |
| USRE36488E (en) * | 1992-08-07 | 2000-01-11 | Veeco Instruments Inc. | Tapping atomic force microscope with phase or frequency detection |
| US5321977A (en) * | 1992-12-31 | 1994-06-21 | International Business Machines Corporation | Integrated tip strain sensor for use in combination with a single axis atomic force microscope |
| US5681987A (en) * | 1993-04-28 | 1997-10-28 | Topometrix Corporation | Resonance contact scanning force microscope |
| US5481908A (en) * | 1993-04-28 | 1996-01-09 | Topometrix Corporation | Resonance contact scanning force microscope |
| US6006594A (en) * | 1994-05-11 | 1999-12-28 | Dr. Khaled Und Dr. Miles Haines Gesellschaft Burgerlichen Rechts | Scanning probe microscope head with signal processing circuit |
| GB2289759B (en) * | 1994-05-11 | 1996-05-22 | Khaled Karrau | Coupled oscillator scanning imager |
| JP3402512B2 (ja) * | 1994-05-23 | 2003-05-06 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| DE69522934T2 (de) * | 1995-02-07 | 2002-04-04 | Ibm | Messung der AFM Hebelarmauslenkung mit Hochfrequenzstrahlung und Dotierungsprofilometer |
| DE19513529A1 (de) * | 1995-04-10 | 1996-10-17 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Anordnung zur Erfassung der Topographie einer Oberfläche |
| US5574278A (en) * | 1995-05-23 | 1996-11-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Atomic force microscope using piezoelectric detection |
| DE19520457C2 (de) * | 1995-06-03 | 1997-07-31 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Meßfühler einer Sonde zur Messung der Topographie einer Probenoberfläche |
| US5874668A (en) * | 1995-10-24 | 1999-02-23 | Arch Development Corporation | Atomic force microscope for biological specimens |
| JP3370527B2 (ja) * | 1996-03-08 | 2003-01-27 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 原子間力顕微鏡用プローブとその製造方法および原子間力顕微鏡 |
| JP3249419B2 (ja) | 1997-03-12 | 2002-01-21 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型近接場光学顕微鏡 |
| JP3511361B2 (ja) * | 1997-08-04 | 2004-03-29 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査プローブ顕微鏡 |
| US6079254A (en) * | 1998-05-04 | 2000-06-27 | International Business Machines Corporation | Scanning force microscope with automatic surface engagement and improved amplitude demodulation |
| JP3387846B2 (ja) * | 1999-03-04 | 2003-03-17 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP4044241B2 (ja) * | 1999-05-24 | 2008-02-06 | 日本分光株式会社 | プローブ顕微鏡 |
| US6845655B2 (en) * | 2003-03-17 | 2005-01-25 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Heterodyne feedback system for scanning force microscopy and the like |
| US7055378B2 (en) | 2003-08-11 | 2006-06-06 | Veeco Instruments, Inc. | System for wide frequency dynamic nanomechanical analysis |
| EP1978348A4 (en) * | 2005-12-19 | 2012-11-28 | Univ Kanazawa Nat Univ Corp | SCANNING PROBE MICROSCOPE |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH643397A5 (de) * | 1979-09-20 | 1984-05-30 | Ibm | Raster-tunnelmikroskop. |
| US4550257A (en) * | 1984-06-29 | 1985-10-29 | International Business Machines Corporation | Narrow line width pattern fabrication |
| US4618767A (en) * | 1985-03-22 | 1986-10-21 | International Business Machines Corporation | Low-energy scanning transmission electron microscope |
| FR2588657B1 (fr) * | 1985-10-10 | 1988-08-12 | Asulab Sa | Capteur de force comprenant un resonateur dont la frequence varie en fonction de la force appliquee |
| US4724318A (en) * | 1985-11-26 | 1988-02-09 | International Business Machines Corporation | Atomic force microscope and method for imaging surfaces with atomic resolution |
-
1987
- 1987-05-12 EP EP87106899A patent/EP0290647B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-05-12 DE DE8787106899T patent/DE3771711D1/de not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-03-07 US US07/164,941 patent/US4851671A/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-04-12 JP JP63088364A patent/JPH06103176B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1988-04-29 CA CA000565615A patent/CA1330452C/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0348111A (ja) * | 1989-03-29 | 1991-03-01 | Canon Inc | エッジ検出装置 |
| JPH06194154A (ja) * | 1992-09-22 | 1994-07-15 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 接触フォース原子フォース顕微鏡による２次元輪郭描写の方法と装置 |
| EP0791802A1 (en) | 1996-02-20 | 1997-08-27 | Seiko Instruments Inc. | Scanning type near field interatomic force microscope |
| JP2010526284A (ja) * | 2007-05-02 | 2010-07-29 | サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィク | 原子間力顕微鏡法のためのプローブ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA1330452C (en) | 1994-06-28 |
| EP0290647A1 (en) | 1988-11-17 |
| EP0290647B1 (en) | 1991-07-24 |
| US4851671A (en) | 1989-07-25 |
| JPH06103176B2 (ja) | 1994-12-14 |
| DE3771711D1 (de) | 1991-08-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPS63309803A (ja) | 原子間力顕微鏡 | |
| Giessibl | The qPlus sensor, a powerful core for the atomic force microscope | |
| US5267471A (en) | Double cantilever sensor for atomic force microscope | |
| Ruiter et al. | Dynamic behavior of tuning fork shear-force feedback | |
| US10215773B2 (en) | Material property measurements using multiple frequency atomic force microscopy | |
| US5003815A (en) | Atomic photo-absorption force microscope | |
| Erlandsson et al. | Atomic force microscopy using optical interferometry | |
| McClelland et al. | Atomic force microscopy: General principles and a new implementation | |
| US5641896A (en) | Coupled oscillator scanning imager | |
| Ruiter et al. | Tuning fork shear-force feedback | |
| US9097738B2 (en) | Band excitation method applicable to scanning probe microscopy | |
| EP0410131B1 (en) | Near-field lorentz force microscopy | |
| Karrai et al. | Piezo-electric tuning fork tip—sample distance control for near field optical microscopes | |
| EP0290648B1 (en) | Atomic force sensor head for investigating the topography of a surface | |
| Akiyama et al. | Symmetrically arranged quartz tuning fork with soft cantilever for intermittent contact mode atomic force microscopy | |
| JP2915554B2 (ja) | バリアハイト測定装置 | |
| US6823724B1 (en) | Method and apparatus for measuring values of physical property | |
| US6006594A (en) | Scanning probe microscope head with signal processing circuit | |
| EP2283486A2 (en) | Preamplifying cantilever and applications thereof | |
| Kirpal et al. | Biaxial atomically resolved force microscopy based on a qPlus sensor operated simultaneously in the first flexural and length extensional modes | |
| Decca et al. | Mechanical oscillator tip-to-sample separation control for near-field optical microscopy | |
| US10656175B2 (en) | Cantilever for atomic force microscopy | |
| WO2000046569A1 (en) | System and method of multi-dimensional force sensing for atomic force microscopy | |
| Kuroda et al. | Amplitude control in a van der Pol-type self-excited AFM microcantilever | |
| JP2005227139A (ja) | 原子間力顕微鏡用カンチレバー |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |