WO2004061427A1 - マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置 - Google Patents

マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置 Download PDF

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WO2004061427A1
WO2004061427A1 PCT/JP2003/016677 JP0316677W WO2004061427A1 WO 2004061427 A1 WO2004061427 A1 WO 2004061427A1 JP 0316677 W JP0316677 W JP 0316677W WO 2004061427 A1 WO2004061427 A1 WO 2004061427A1
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measuring
vibration
frequency
excitation
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Hideki Kawakatsu
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Japan Science And Technology Agency
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    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/06—Probe tip arrays

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for measuring a vibration frequency of a multi-cantilever, and more particularly to a vibration measurement, a scanning probe microscope, and a mass / material detector.
  • Non-Patent Document 8 discloses an example in which displacements of about 5 to 10 cantilevers are sequentially read out by using a plurality of optical lever mechanisms arranged in time series.
  • Laser Doppler meters are widely used for vibration measurement of vibrating samples.
  • the present inventor has already proposed Japanese Patent Application No. 2001-184604 as a method for sensing a force, a field, and a substance by using this laser Doppler meter for vibration measurement of a cantilever.
  • Optical excitation is a method of exciting vibration that has existed for more than 10 years. Research results are disclosed in Non-Patent Documents 9 to 17 below.
  • PCT / JP 02/05835 as a method of combining a laser Doppler meter and optical excitation to sense a force, a field, and a substance.
  • Non-Patent Document 1 Mi cr oe 1 ectr ome chanicalseanningr ob eins t rument sf or ar ra ay ar ch itec tur es, Scott A. Mi 11 er, K imbe rly L. Turner, and oe l C . MacDona ld, Rev i ew of Scientific Instrument s 68 (1997) 4 1 55-4162.
  • Non-Patent Document 2 2D AFM cant il eve r ar r ays afirststet owar ds a Ter ab itst or age dev ice, M. Lutwyche, C. An dr ⁇ o1i, G. Binnig, J. B rugger, U. Dr echs ler.W. Haeber 1 e, H. Rohrer, H. Rothu zen, P. Ve ttiger, G. Yara 1 iog 1 u and CF Quat e: Sens. & Ac tuat. A 73 (1999) 89.
  • Non-Patent Document 3 U ltr ah igh dens i ty, hi gh-dat e—r at e NEMS—based AFM dat ast or ag es ys tem, P. Vetti ger, J. Brugger, M. De spont: U. Dr e chs ler, U. Dur ig, W. Haeber 1 e, M. L ut wyche, H. Ro thu i zen, R. S tutz, R. W i dm rand rand G. B nn ig: Mi cr o. Eng. 46 (1999) 1 1.
  • Non-Patent Document 6 VLS I-NEMS chipforp a la 11 e 1 AFM datastor age, M. Despont, J. Burgger, U. Drechs 1 er, U. Duerig, W. Haeber 1 e, M. Lu twyc he, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmder, G. Binnig, H. Rohrer and P. Vettiger: S ens . & Ac tuat. A 80 (2000) 100.
  • Non-Patent Document 7 An artifi c i a l no s e b a s e d o n a mi c r ome chan i c a l c an t i l eve r a r r ay,
  • Non-Patent Document 8 Sequential ositi on readoutfrom ar rasof micr ome chan icalc an til eve rs en sors, HP Lang, R. Berger, C. Andreo 1 i, J. Brugger, M De sp on t, P. Vettiger, Ch. Gerber, JK G imzewski, JP Rams eyer, E. Meer and H. — J. Gun t he rodt: Ap p
  • Non-Patent Document 9 DW S at che l 1, JC Gre enwood: "Ather rma lly— excitedsi 1 ic on acceler ometer,” Sens. Act., 17 (1 989) 24 1 -24 5.
  • Non-Patent Document 10 MB 0 thman and A. Br unn sch weller, "Electrot her rma llyexcitedsilic on be am mechanicalres ona tors," Elect. Lett., 2 (1 987) 728-730.
  • Non-Patent Document 11 TSJ Lamme rink, M. El wens poek, and J.H.J.F 1 uitman, "Frequency De p endenc eof therma l exc it at i on of mi crome chan icalical onat or s, "Sens.Act.A, 25-27 (1991) 685-689.
  • Non-Patent Document 12 H. Yu, Y. Wang, C. Ding, Y. Wang, and Y. Xu, "The char acter isticsofpoint—he at ing exc it at at on insilic on mi cro— me chan icalres onat or s, "Sens. Act t., A 77 (1999) 187-190.
  • Non-Patent Document 13 J. Funk, J. Bu e h 1 er, J. G. Korvink, and H. Balte s, "The rmome chan i c alm
  • Non-Patent Document 14 GC Rat cliff, DA Erie, and R. Supperfine, "Pho to therma lmodu 1 ationf or oscill at ing mode at omi cf or ce mi crosc opy insol ut ion, Appl. Phys. Lett., 72 (1998) 19 1 1-1913.
  • Non-Patent Document 15 N. Ume da, S. Ishi zak i, and H. Uwai, 'Scanning at tractive ve or cemicrosc op e usng pho to therma lvibration, " J. Vac. Sc i. Techno 1., B 9 (199 1) 1 3 18-
  • Non-Patent Document 16 M. Zalal utd i nov, A. Zehnder, A. Olkhovets, S. Turner, L. Sekaric, B. I 1 ic, D. Czap lewsk i, J M. Parp ia, and HG C raighead, "Aut op ar ame tric op ticaldrivef or mi crome chan icaloscill at or s, App 1. Ph s. Lett., 79 (2001) 695-697.
  • Non-Patent Document 17 Y.-C.Shen, A. Lomono sov, A. F rass, and P. He ss, "Exc it at i on of higherer harmon icsin tr ans i ent l as er gratings by an ab l at i ve mechan i sm," App l. P hy s. Le t t., 73 (1998) 1640-1642.
  • Non-Patent Document 18 H. Kawakat su, S. Kawai, D. Say a, M. Nagashio, D. Kobayash i, H. To sh i yo sh i, and H. Fujita, "Towar ds At omic Force Microscopy up to 100 MHz, Rev iew of Scientific Inst rument s 73 (2002) 23 17.
  • conventional multi-cantilevers that have self-vibration and self-vibration detection functions can be considered as the number of cantilevers increases, the structure of the cantilever array becomes more complicated, and the performance of each cantilever decreases. There is a problem that it is difficult to make various modifications to the array. It is also expected that the Q value of the cantilever vibration will decrease.
  • the present invention provides a simple structure of the cantilever array by performing light or electric field excitation and light measurement, thereby eliminating the need to incorporate an element for excitation or detection into each cantilever.
  • Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for measuring the vibration frequency of a multi-force cantilever which can obtain a high Q value of a cantilever, a high frequency operation, and a variety of modification methods.
  • the natural frequency of the multi-cantilever the natural frequency
  • the method is characterized in that the natural vibrations of a plurality of different force cantilevers are sequentially excited by modulation excitation, and the vibrations are measured by a laser Doppler meter.
  • the natural vibrations of a plurality of force cantilevers are sequentially excited by modulation excitation, and the vibrations are measured by a homodyne interferometer. It is characterized by measuring.
  • the modulation excitation is a modulation light excitation.
  • the modulation excitation is a modulation electric field excitation.
  • the natural vibrations of a plurality of force sensors each having a different natural frequency are sequentially excited by constant light excitation, and the vibration is measured by a laser Doppler meter. It is characterized by measuring.
  • a multi-cantilever vibration frequency measuring device a plurality of force cantilevers having different natural frequencies, a means for sequentially exciting the natural vibration of the force cantilever by modulation excitation, and measuring the vibration And a laser doppler.
  • a device for measuring the vibration frequency of a multi-cantilever a plurality of cantilevers each having a different natural frequency, means for sequentially exciting the natural vibration of the cantilever by modulation excitation, and homodyne interference for measuring the vibration. And a total meter.
  • a device for measuring the vibration frequency of a multi-cantilever a plurality of cantilevers each having a different natural frequency, means for simultaneously exciting the natural vibration of the cantilever by constant optical excitation, and a laser Doppler for measuring the vibration It is characterized by having a total and a total.
  • a multi-cantilever vibration frequency measuring device a plurality of cantilevers each having a different natural frequency, It is characterized by comprising means for simultaneously exciting by vibration and a homodyne interferometer for measuring the vibration.
  • the force-driven levers are arrays arranged in a row. It is characterized by the following.
  • the cantilevers are radially arranged so that they can be irradiated by a common excitation spot. It is a featured aggregate.
  • the natural frequency of the cantilever is measured using the multi-cantilever vibration frequency measuring device described in (7), (8), (9), or (10). It features self-excitation and detects changes in the mass attached to the probe at the tip of the cantilever as changes in the self-excited oscillation frequency, and changes in the self-excited oscillation amplitude and phase.
  • FIG. 1 is a schematic diagram (part 1) of a multi-force anti-lever and a laser spot in a case where excitation by modulated light is performed according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram (part 2) of a multi-force anti-lever and a laser spot when exciting with modulated light according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a device for measuring a vibration frequency of a multi-force anti-lever in a case where excitation is performed by modulated light according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view of a device for measuring the vibration frequency of a multi-force anti-lever in the case of performing excitation with constant light, according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a third arrangement of the force Nchireba showing an embodiment of the present invention c
  • FIG. 6 is a view showing an arrangement structure of a force cantilever according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a multi-powered cantilever and a laser spot when exciting with modulated light according to a first embodiment of the present invention (part 1)
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the multi-cantilever and a laser spot.
  • Fig. (2) and Fig. 3 are schematic diagrams of the vibration frequency measuring device of the multi-cantilever.
  • 1 is a substrate
  • 2 to N are cantilevers
  • 11 is a cantilever bar array (here, a row)
  • 11 is a laser spot
  • 2 is a laser spot scanning direction in FIG. 3 is the scanning direction of the laser spot in FIG.
  • the laser spot scanning is performed from the lower side to the upper side in FIG. 1, and is performed in the horizontal direction in FIG. 2, and the laser spot 11 has light excitation and light detection functions. .
  • reference numeral 30 denotes a laser Doppler meter
  • 31 denotes a laser Doppler meter
  • 32 denotes a network analyzer to which the output from the laser Doppler meter 31 is connected
  • 33 denotes a network analyzer.
  • the modulated light source 34 is connected to the modulated light source, and 34 is the modulated light (excitation light) emitted from the modulated light source.
  • the measuring light 30 and the exciting light 34 are scanned on the cantilever 2 using a light guiding means (not shown), and the scanning is performed in a band covering the natural frequency of the cantilever 2 irradiated with the laser spot. Sweeps the frequency of the vibration generator excitation signal of the network analyzer 32.
  • the laser spot is scanned from one end to the other end of the row of cantilevers 2 to N by synchronizing the scanning of the laser spot with the frequency sweep, the natural frequency and amplitude of the force cantilever 11 in that row are measured. .
  • the frequency resolution and the time required for the sweep have an opposite relationship. If the observation is limited to the group of force chantiles that have changed and more detailed observations are made around the group, the device will be more convenient to use.
  • a cantilever array composed of 1000 ⁇ 1000 cantilevers will be described as an example.
  • the measurement light 30 of the laser Doppler meter 31 is simultaneously irradiated to N cantilevers in the rows of the cantilevers 2 to N.
  • the modulated light 34 for vibration excitation is applied to the force-tilever array 11
  • the vibration of the modulated light 34 whose frequency matches the natural frequency of the cantilever is excited.
  • the optical excitation signal using the output signal of the network analyzer 32 and connecting the output of the laser doppler 31 to the network analyzer 32
  • the natural frequency of a plurality of cantilevers 2 to N can be obtained.
  • N when N is increased, the number of cantilevers that can be measured by the network analyzer 32 increases without scanning the optical axis, while the SN ratio of the laser Doppler meter 31 decreases. Therefore, while increasing the effective measurement area of the cantilever, the maximum N value allowed from the viewpoint of the SN ratio is used. If N is less than the number of cantilevers in a row, the observation range is expanded by scanning with laser light. For each column, repeat the same frequency as the first column, f,, f 2 ,...,. . . It is possible to use
  • the frequency of the vibration generation excitation signal of the network analyzer 32 is set to a band sufficient to cover the natural frequency of the corresponding force sensor.
  • the scanning of the light spot on the cantilever array 11 and the frequency of the excitation signal for generating vibration of the network analyzer 32 are synchronized, and the natural frequency of the cantilever observed at a certain time of the laser spot is adjusted by the network analyzer 32. It is possible to exist within the observation frequency band.
  • the frequency characteristic of each cantilever is obtained. Can be measured. If the frequency or amplitude of a particular cantilever, such as a cantilever that typically has a natural frequency of f0 Hertz, changes, the observer knows that the cantilever has detected force, field, or material.
  • the measurement may be performed by a homodyne interferometer.
  • electric field excitation may be used instead of the above-described optical excitation.
  • the frequency of the electric field excitation is swept so as to include the natural frequency of the cantilever irradiated with the measurement light 30 of the laser Doppler meter.
  • the cantilever to be measured can be appropriately selected, and the cantilever of the entire cantilever array is sequentially measured. It becomes possible.
  • FIG. 4 is a schematic view of a device for measuring a vibration frequency of a multi-forced anti-lever in the case of performing excitation by constant light, according to a second embodiment of the present invention.
  • 41 is a constant light source
  • 42 is a condenser lens
  • 43 is a constant light (excitation light)
  • 51 is a substrate that transmits light
  • 52 is a cantilever
  • 53 is a substrate 51 and a cantilever.
  • the gap between levers 1 and 2 (cavity length d).
  • a cantilever array consisting of 1000 x 100 cantilevers This will be described using an example.
  • the cantilever 52 has a gap 53 between itself and the substrate 51 that transmits light, and the gap 53 is an integral multiple of 1/2 of the wavelength of the excitation light. As a result, when the constant light 43 is irradiated, the irradiated cantilever 52 starts self-excitation.
  • the measurement light 30 of a total of 31 laser Dopplers is simultaneously irradiated to N cantilevers in the row of force cantilever.
  • the cantilever array is irradiated with constant light 43 for vibration excitation, self-excitation of the cantilever 52 is excited.
  • the natural frequencies of a plurality of cantilevers 52 can be measured by the laser Doppler meter 31.
  • the value of N when N is increased, the number of cantilevers 52 that can be measured increases without scanning the optical axis, while the SN ratio of the laser Doppler meter 31 decreases. Therefore, the effective measurement area of the cantilever 52 is increased, and the maximum value of N allowed from the viewpoint of the SN ratio is used.
  • the observation range is expanded by scanning with a laser beam. For each column, repeat the same frequency as the first column, f! , f 2,..., f! . . . Can be used.
  • N 1, light excitation and detection are performed on only one cantilever at a certain time. At that time, set the sweep frequency to a band sufficient to cover the natural frequency of the cantilever.
  • the scanning of the light spot on the cantilever array and the band of the laser doppler 31 are synchronized, and the natural frequency of the force cantilever observing the laser spot at a certain time is within the observation frequency band of the laser Doppler meter 31.
  • the observer knows that the cantilever has detected a force, field, or material.
  • the measurement for each row of cantilevers has been described as an example. However, it is also possible to irradiate the entire surface of the cantilever array with the measurement light 30 of the laser Doppler meter 31 and perform measurement at once. Further, instead of the above-described measurement of the vibration by the laser Doppler meter, the measurement may be performed by a homodyne interferometer.
  • the cantilever to be measured can be appropriately selected, and the cantilever of the entire cantilever array can be sequentially measured. It becomes.
  • the cavity length d between the substrate and the cantilever must be prepared in advance to a size that allows excitation at a certain wavelength, but since there is no need for modulation, excitation is performed in accordance with the power cantilever being observed. There is no need to control the frequency.
  • the first embodiment is advantageous in terms of ease of application of the cantilever array
  • the second embodiment is advantageous in terms of ease of excitation, scanning, and sweeping.
  • the cantilever array in which the cantilevers are arranged in a row has been described, but may not be a cantilever arranged in a straight line as described below.
  • FIG. 5 is a view showing an arrangement structure of a power lever according to a third embodiment of the present invention.
  • the natural frequencies are different from each other (here, the length is different) from the island-shaped base 61.
  • the cantilever 62-N can be irradiated by the common laser (excitation) spot 71. It is an aggregate arranged in. In addition, it may be irregularly radially clustered.
  • FIG. 6 is a view showing an arrangement structure of a power lever according to a fourth embodiment of the present invention.
  • cantilevers 82 to N having different natural frequencies (here, different lengths) from the spiral base 81 are arranged radially so that they can be irradiated by a common laser spot 91. It is an aggregate. In addition, it may be irregularly radially clustered.
  • the vibration of the cantilever can be measured by a laser Doppler meter (not shown).
  • the frequency characteristics of many cantilevers can be measured by synchronizing the frequency sweep with a laser spot scan and a network analyzer.
  • time-series vibration characteristic reading by laser spot scanning and self-excitation by constant light. Since the frequency characteristics of the cantilever columns are measured simultaneously for each row of scanning, there is no need to perform complicated optical pattern recognition, etc., and when the scanning of light is completed in the row and column directions of the power lever, all forces are The measurement of the frequency and amplitude of the untilever is completed.
  • the present invention can be applied to the number of cantilevers of 100,000 or more.
  • the method and apparatus for measuring the vibration frequency of a multi-forced lever according to the present invention are suitable for vibration measurement of a multi-forced lever, a scanning probe microscope, and a mass / material detector.

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Abstract

光励振と光計測を行うことにより、個々のカンチレバーに励振や検出用の素子を組み込む必要がなく、カンチレバーアレーの構造を簡単なものにとどめ、カンチレバーの高いQ値や、高周波作動、修飾方法の多様性を得ることができるマルチカンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置を提供する。カンチレバー(2～n)の固有振動数がそれぞれ異なるカンチレバーアレー(11)を用い、その固有振動を変調光励振によって順次励振し、その振動をレーザドップラー計によって計測する。

Description

明 細 書 マルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置 技術分野
本発明は、 マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置に係り、 特に その振動計測、走査型プローブ顕微鏡、 質量'物質検出器に関するものである。 背景技術
従来は、 カンチレバーごとに配線を行い、 振動励振や、信号の取り出しを行つ たり、 カンチレバーごとに光学グレ一チングを組み込み、 それぞれの回折パター ンからの力ンチレバ一の変位や振動周波数を計測していた。
このような従来の方法を用いた先行技術としては、 下記の非特許文献 1〜 7が ある。
また、 時系列で複数個並んだ光てこ機構で 5本から 10本程度のカンチレバ一 の変位を順次読出した例としては、下記の非特許文献 8がある。
レーザドップラー計は、 振動する試料の振動計測に広く用いられている。 この レーザドップラー計をカンチレバーの振動計測に用いて、 力、 場、 物質をセンシ ングする方法として、 本発明者は既に特願 2001 - 184604を提案してい る。
また、光励振は 10数年来から存在する振動の励振方法であり、 下記の非特許 文献 9〜17に研究成果が開示されている。
さらに、 レーザドップラー計と光励振を組み合わせ、 力、 場、 物質のセンシン グを行う方法に関して、本発明者は、 PCT/JP 02 / 05835として提案 している。
〔非特許文献 1〕 Mi c r oe 1 e c t r ome chan i c a l s e a n n i n g r ob e i ns t rument s f or ar r ay a r ch i t e c tur e s, Sc o t t A. Mi 1 1 e r , K imbe r l y L . Turner, and oe l C . MacDona l d, Rev i ew o f Sc i ent i f i c I ns t rument s 68 (1997) 4 1 55 - 4162.
〔非特許文献 2〕 2D AFM c ant i l eve r ar r ays a f i r s t s t e t owar ds a Ter ab i t s t or ag e dev i c e, M. Lutwyche, C . An d r Θ o 1 i， G. B i n n i g, J. B r u g g e r , U. Dr echs l er. W. H a e b e r 1 e , H. R o h r e r , H. Ro thu i zen, P. Ve t t i ger, G. Y a r a 1 i o g 1 u and C. F. Quat e : Sens. & Ac tuat. A 73 ( 1999 ) 89.
〔非特許文献 3〕 U l t r ah i gh dens i ty, h i gh - dat e— r at e NEMS— bas ed AFM dat a s t or ag e s ys t em, P. Ve t t i ge r, J. B r u g g e r , M. De sp ont: U. Dr e chs l e r, U. Dur i g， W. H a e b e r 1 e , M. L u t wyche, H. Ro thu i zen, R. S tutz, R. W i dm Θ r a n d G. B i nn i g : Mi c r o. Eng. 46 ( 1999 ) 1 1.
〔非特許乂南犬 4〕 I nt egr at i on o f thr ough— waf e r i nt er c onne c t s wi th a two— d imens i o n a 1 c a n t i l eve r ar r ay, E . M. Chow, H. T. So h, H. C. Le e, J . D. Adams, S. C. Mi nne, G. Y a r a 1 i og l u, A. At a l ar, C. F. Quat e and T. W. Ke nny : Sens. & A c t u a t . A 83 ( 2000 ) 1 18.
〔非特許文南犬 5〕 Fabr i c at i on and char ac t er i z a t i on o f c ant i l ever s wi th i nt egr at e d shar t i s and p i ezoe l e c t r i c e 1 e m e n t s f or ac tuat i on and de t e c t i on f or p ar a l l e l AFM app l i c at i ons, P. — F. I n d e r mu h 1 e , G. Schurmann, G. —A. Rac i ne and N. F. de Ro o i j : Sens. & A c t u a t . A 60 ( 1997 ) 1 8 6. 〔非特許文献 6〕 VLS I - NEMS c h i p f o r p ar a 1 1 e 1 AFM d a t a s t o r ag e, M. De sp ont, J. Br ug g e r , U. Dr e c h s 1 e r, U. D u e r i g , W. H a e b e r 1 e , M. Lu twyc he, H. Ro t hu i z en, R. S tu t z, R. W i dm e r, G. B i nn i g, H. Rohr e r and P. Ve t t i g e r : S e ns. & Ac t u a t . A 80 ( 2000 ) 1 00.
〔非特許文献 7〕 An ar t i f i c i a l no s e b a s e d o n a mi c r ome chan i c a l c an t i l eve r a r r ay,
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しかしながら、 上記した従来のマルチカンチレバーの検出方法のままでは、 力 ンチレバーの数が数百万や数億にまで増大した場合、 マルチ力ンチレバ一の振動 周波数の計測は困難になってしまう。
すなわち、 従来のマルチカンチレバーで、 自己振動、 自己振動検出機能を有す るものは、 カンチレバーの数が増大すると、 カンチレバーアレーの構造がより複 雑化し、 カンチレバー個々の性能が低下することや、 カンチレバーアレーに様々 な修飾を行うことが困難になるという問題を有する。 また、 カンチレバーの振動 の Q値が低下することが予想される。
そこで、 本発明は、 上記状況に鑑みて、光乃至電界励振と光計測を行うことに より、 個々のカンチレバーに励振や検出用の素子を組み込む必要がなく、 カンチ レバーアレーの構造を簡単なものにとどめ、 カンチレバーの高い Q値や、 高周波 作動、 修飾方法の多様性を得ることができるマルチ力ンチレバーの振動周波数の 計測方法及び装置を提供することを目的とする。
また、 多数のカンチレバーの励振数の計測を可能にすることにより、 複数の力 ンチレバ一で同一の物質の検出を行うことが可能となり、 より多くの物質の検出 が可能になる。
本発明は、 上記目的を達成するために、
〔1〕 マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、 固有振動数がそ れぞれ異なる複数の力ンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振し、 そ の振動をレーザドッブラー計によつて計測することを特徴とする。
〔2〕 マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、 固有振動数がそ れぞれ異なる複数の力ンチレバ一の固有振動を変調励振によつて順次励振し、 そ の振動をホモダイン干渉計によつて計測することを特徴とする。
〔 3〕 上記 〔 1〕 又は 〔 2〕 記載のマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方 法において、 前記変調励振は変調光励振であることを特徴とする。
〔 4〕 上記 〔 1〕 又は 〔 2〕 記載のマルチ力ンチレバ一の振動周波数の計測方 法において、 前記変調励振は変調電界励振であることを特徴とする。
〔5〕 マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、 固有振動数がそ れぞれ異なる複数の力ンチレバ一の固有振動を一定光励振によつて順次励振し、 その振動をレーザドップラー計によつて計測することを特徴とする。
〔6〕 マルチカンチレバーの振動周波数の計測方法において、 固有振動数がそ れぞれ異なる複数のカンチレバーの固有振動を一定光励振によって順次励振し、 その振動をホモダイン干渉計によつて計測することを特徴とする。
〔7〕 マルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、 固有振動数がそ れぞれ異なる複数の力ンチレバーと、 その力ンチレバーの固有振動を変調励振に よつて順次励振する手段と、 その振動を計測するレーザドッブラ一計とを具備す ることを特徴とする。
〔8〕 マルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、 固有振動数がそ れぞれ異なる複数のカンチレバーと、 そのカンチレバーの固有振動を変調励振に よって順次励振する手段と、 その振動を計測するホモダイン干渉計とを具備する ことを特徴とする。
〔9〕 マルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、 固有振動数がそ れぞれ異なる複数のカンチレバーと、 そのカンチレバーの固有振動を一定光励振 によって同時に励振する手段と、 その振動を計測するレーザドップラー計とを具 備することを特徴とする。
〔 1 0〕 マルチカンチレバーの振動周波数の計測装置において、 固有振動数が それぞれ異なる複数のカンチレバーと、 そのカンチレバーの固有振動を一定光励 振によって同時に励振する手段と、 その振動を計測するホモダイン干渉計とを具 備することを特徴とする。
〔 1 1〕 上記 〔 7〕 、 〔 8〕 、 〔 9〕又は 〔 1 0〕 記載のマルチ力ンチレバー の振動周波数の計測装置において、前記力ンチレバ一は列状に配置されたァレ一 であることを特徴とする。
〔 1 2〕 上記 〔7〕 、 〔 8〕 、 〔 9〕又は 〔 1 0〕 記載のマルチカンチレバー の振動周波数の計測装置において、前記カンチレバ一は共通の励振スポットによ つて照射可能な放射状に配置された集合体であることを特徴とする。
〔 1 3〕 走査型プローブ顕微鏡において、 上記 〔 7〕 、 〔 8〕 、 〔 9〕 又は 〔 1 0〕 記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置を用いて、 前記カン チレバーの固有振動数の自励を実現し、 それによりカンチレバー先端の探針と試 料の相互作用を、 自励振動周波数の変化や、 自励振動振幅、 位相の変化として検 出することを特徴とする。
〔 1 4〕 質量 ·物質検出器において、上記 〔 7〕 、 〔 8〕 、 〔 9〕 又は 〔 1 0〕 記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計測装置を用いて、前記カンチレ バーの固有振動数の自励を実現し、 それによりカンチレバー先端の探針に付着し た質量の変化を、 自励振動周波数の変化や、 自励振動振幅、 位相の変化として検 出することを特徴とする。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の第 1実施例を示す変調光による励振を行う場合のマルチ力 ンチレバーとレーザスポットの模式図 （その 1 ) である。
第 2図は、 本発明の第 1実施例を示す変調光による励振を行う場合のマルチ力 ンチレバーとレーザスポットの模式図 （その 2 ) である。
第 3図は、 本発明の第 1実施例を示す変調光による励振を行う場合のマルチ力 ンチレバーの振動周波数の計測装置の模式図である。
第 4図は、 本発明の第 2実施例を示す一定光による励振を行う場合のマルチ力 ンチレバーの振動周波数の計測装置の模式図である。
第 5図は、 本発明の第 3実施例を示す力ンチレバーの配置構造を示す図である c 第 6図は、本発明の第 4実施例を示す力ンチレバーの配置構造を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
第 1図は本発明の第 1実施例を示す変調光による励振を行う場合のマルチ力ン チレバーとレーザースポットの模式図 （その 1 ) 、 第 2図はそのマルチカンチレ バ一とレーザ一スポットの模式図 （その 2 ) 、 第 3図はそのマルチカンチレバ一 の振動周波数の計測装置の模式図である。
第 1図〜第 2図において、 1は基板、 2〜Nはカンチレバー、 1 1はカンチレ バーアレー （ここでは一列） 、 1 1はレーザスポット、 2は第 1図におけるレ —ザスポット走査方向、 2 3は第 2図におけるレーザスポット走査方向である。 このように、 レーザスポット走査は、 第 1図においては、 下方から上方へと行 われ、 第 2図においては、 フ]平方向に行い、 このレーザスポット 1 1は光励振と 光検出機能を有する。
第 3図において、 3 0はレーザドップラ一計の計測光、 3 1はレーザドップラ 一計、 3 2はレーザドップラー計 3 1からの出力が接続されるネットワークアナ ライザ、 3 3はネットワークアナライザ 3 2に接続される変調光光源、 3 4はそ の変調光光源から照射される変調光（励振光） である。
ここで、導光手段 （図示なし） を用いて計測光 3 0と励振光 3 4を、 カンチレ バー 2上に走査し、 レーザスポッ卜が照射されているカンチレバー 2の固有振動 数をカバーする帯域でネットワークアナライザ 3 2の振動発生用励振信号の周波 数を掃引する。 レーザスポットの走査と周波数掃引を同期させることにより、 レ —ザスポットをカンチレバー 2〜Nの列の一端から一端まで走査すると、 その列 内の力ンチレバ一 1の固有振動数や振幅が計測される。 周波数分解能と掃引に要 する時間は相反する関係にある。 変化がみられた力ンチレバー群に観察を限定し、 その周辺でより細かい観測を行うと使い勝手の良い装置となる。
変調光励振は、 レーザスポット走査と、励振光変調周波数をカンチレバーの位 置と周波数に合わせる必要がある。 その一方、 基板とカンチレバーの間のキヤビ ティを必要としない。 例えば、 1 0 0 0 X 1 0 0 0個のカンチレバーからなるカンチレバーアレーを 例に挙げて説明する。
カンチレバーの 1列の固有振動数を f i , f 2 , …， f 1 ()。。とする。 個々の固 有振動数は < f 2 < f 3 く… < 。。。を満たすものとする。
そこで、 レーザドップラー計 3 1の計測光 3 0を、 カンチレバー 2〜Nの列の うち、 N個のカンチレバーに同時に照射する。 振動励振のための変調光 3 4を力 ンチレバ一アレー 1 1に照射すると、 変調光 3 4の周波数と、 カンチレバーの固 有振動数が一致したものの振動が励起される。 ネットワークアナライザ 3 2の出 力信号を用いて光励振信号を駆動し、 レーザドッブラ一計 3 1の出力を前記ネッ トワークアナライザ 3 2に接続することにより、 複数のカンチレバ一 2〜Nの固 有振動数が、 複数のピークとしてネットワークアナライザ 3 2により計測可能と なる。
Nの値については、 Nを増やすと光軸を走査せずに、 ネットワークアナライザ 3 2により計測可能なカンチレバーの数が増大する一方、 レーザドップラー計 3 1の S N比が低下する。 そのため、 カンチレバーの有効計測面積を増大させると ともに、 S N比の観点から許される最大の Nの値を用いる。 Nが列に含まれる力 ンチレバーの数を下回る場合は、 レーザ光の走査により、 観察範囲を拡大する。 列ごとには、 第 1列と同一の周波数の繰り返し、 f , , f 2 , …， 。。。を用い ることが可能である。
極端な例として、 N = 1とする場合は、 光励振と検出を、 ある時刻においては、 一本のカンチレバーに対してのみ行う。 その際、 ネットワークアナライザ 3 2の 振動発生励振信号の周波数を、 該当する力ンチレバ一の固有振動数をカバーする に足りる帯域に設定する。 カンチレバーアレー 1 1に対する光スポットの走査と、 ネッ トワークアナライザ 3 2の振動発生用励振信号の周波数を同期させ、 レーザ スポットがある時刻に観察しているカンチレバーの固有振動数をネットワークァ ナライザ 3 2の観測周波数帯域内に存在させることが可能である。
これにより、 例えば 1 0 0 0本のカンチレバーの列上をレーザスポッ 卜で走査 し、 走査と同期してネットワークアナライザ 3 2の振動発生用励振信号の周波数 を掃弓 Iすると、 各カンチレバ一の周波数特性を計測することが可能となる。 特定のカンチレバ一、例えば、 通常 f 0ヘルツの固有振動数を有するカンチレ バーの周波数や振幅が変化した場合、 そのカンチレバーが力、場、 物質を検出し たことが観測者に分かる。
1 < N< 1 0程度とすることで、光学検出の S N比と、 周波数掃引とカンチレ バ一上のレーザスポット走査の同期に対するトレランスを両立させることが可能 となる。
以上では、 カンチレバーの列ごとの計測を例として挙げたが、 カンチレバ一ァ レ一 1 1の面全体にレーザドップラー計 3 1の計測光 3 0を照射し、 一括で計測 することも可能になる。
また、 上記したレーザドップラー計による振動の計測に代えて、 ホモダイン干 渉計によつて計測するようにしてもよい。
なお、 上記した光励振に代えて、 電界励振を用いるようにしてもよい。 その場 合、 各カンチレバーと基板や試料の間の静電容量を用いる。 この場合、 レーザド ップラ一計の計測光 3 0が照射されているカンチレバーの固有振動数を含むよう に電界励振の周波数を掃引する。
以上の説明のように、 力ンチレバ一の固有振動数に変ィ匕を持たせることにより、 計測対象とするカンチレバ一を適宜選択可能とし、 かつ、 カンチレバーアレー全 体のカンチレバーを順次計測対象とすることが可能となる。
一定光励振は、 基板とのキヤビティ長をある波長で励振される寸法にあらかじ め作製する必要があるが、 変調を行う必要がないため、 観測中のカンチレバーに 合わせて励振周波数を制御する必要がない。
このように、 それぞれの利点を有する。
次に、 一定光による励振を行う場合について説明する。
第 4図は本発明の第 2実施例を示す一定光による励振を行う場合のマルチ力ン チレバーの振動周波数の計測装置の模式図である。
この図において、 4 1は一定光光源、 4 2は集光レンズ、 4 3は一定光 （励振 光） 、 5 1は光を透過する基板、 5 2はカンチレバー、 5 3は基板 5 1とカンチ レバ一 5 2間の空隙 （キヤビティ長 d ) である。
例えば、 1 0 0 0 X 1 0 0 0個のカンチレバ一からなるカンチレバーァレ一を 例に挙げて説明する。
ここで、 カンチレバ一 5 2は光を透過する基板 5 1との間に空隙 5 3を持ち、 その空隙 5 3は励振光の波長の 1 / 2の整数倍とする。 これにより、 一定光 4 3 を照射すると、 照射されたカンチレバー 5 2が自励を開始する。
カンチレバーの 1列の固有振動数を ， f 2 ， ···， f ,。。。とする。
そこで、 レーザドップラ一計 3 1の計測光 3 0を、 力ンチレバーの列のうち、 N個のカンチレバーに同時に照射する。 振動励振のための一定光 4 3をカンチレ バーアレーに照射すると、 カンチレバ一 5 2の自励が励起される。 複数のカンチ レバ一 5 2の固有振動数が、 レーザドップラー計 3 1により計測可能となる。 N の値については、 Nを増やすと光軸を走査せずに、計測可能なカンチレバー 5 2 の数が増大する一方、 レーザドップラー計 3 1の S N比が低下する。 そのため、 カンチレバー 5 2の有効計測面積を増大させるとともに、 S N比の観点から許さ れる最大の Nの値を用いる。 Nが列に含まれるカンチレバー 5 2の数を下回る場 合は、 レーザ光の走査により、 観察範囲を拡大する。 列ごとには、 第 1列と同一 の周波数の繰り返し、 f ！ , f 2 , …， f ！。。。を用いることが可能である。 極端な例として、 N = 1とする場合は、光励振と検出をある時刻においては、 一本のカンチレバーに対してのみ行う。 その際、 掃引周波数を、 該当するカンチ レバーの固有振動数をカバ一するに足りる帯域に設定する。 カンチレバ一アレー に対する光スポットの走査と、 レーザドッブラ一計 3 1の帯域を同期させ、 レ一 ザスポットがある時刻に観察している力ンチレバーの固有振動数をレーザドップ ラー計 3 1の観測周波数帯域内に存在させることが可能である。 これにより、 例 えば、 1 0 0 0本のカンチレバーの列上をレーザスポッ卜で走査し、 各カンチレ バーの周波数特性を計測することが可能となる。
特定のカンチレバー、 例えば f 0ヘルツの固有振動数を有するカンチレバ一の 周波数や振幅が変化した場合、 そのカンチレバーが力、 場、 物質を検出したこと が観測者に分かる。
以上では、 カンチレバーの列ごとの計測を例として挙げたが、 カンチレバーァ レーの面全体にレーザドップラー計 3 1の計測光 3 0を照射し、 一括で計測する ことも可能となる。 また、上記したレーザドップラー計による振動の計測に代えて、 ホモダイン干 渉計によつて計測するようにしてもよい。
以上の説明のように、 力ンチレバーの固有振動数に変化を持たせることにより、 計測対象とするカンチレバ一を適宜選択可能とし、 かつ、 カンチレバーアレー全 体のカンチレバーを順次計測対象とすることが可能となる。
特定のカンチレバーが変化を生じた場合、 そのカンチレバーに着目し、 その力 ンチレバ一の固有振動数近傍を高い周波数分解能で計測することにより、 より微 小な変化を観測することが可能となる。
一定光励振は、 基板とカンチレバーとの間のキャビティ長 dをある波長で励振 される寸法にあらかじめ作製する必要があるが、 変調を行う必要がないため、 観 測中の力ンチレバーに合わせて励振周波数を制御する必要がない。
そして、 カンチレバーアレーのフアプリケーションの容易さでは、第 1実施例 が有利であり、 励振、 走査、掃引の容易さでは、 第 2実施例が有利となる。
また、 上記実施例では、 カンチレバ一を列状に配置したカンチレバーアレーに ついて説明したが、 以下に説明するように直線状に配置されたカンチレバーでな くてもよい。
第 5図は本発明の第 3実施例を示す力ンチレバ一の配置構造を示す図である。 この図においては、 島状の基部 6 1から固有振動数がそれぞれ異なる （ここで は、長さが異なる） カンチレバ一 6 2〜Nが共通のレーザ一 （励振） スポット 7 1によって照射可能な放射状に配置された集合体となっている。 また、 不規則に 放射状に群生していてもよい。
このような場合には、 点線で示されるレーザスポット 7 1をあてることにより、 その振動をレーザドップラー計（図示なし） によって計測することができる。 第 6図は本発明の第 4実施例を示す力ンチレバ一の配置構造を示す図である。 この図においては、 渦巻き状の基部 8 1から固有振動数がそれぞれ異なる （こ こでは、 長さが異なる） カンチレバー 8 2〜Nが共通のレーザスポット 9 1によ つて照射可能な放射状に配置された集合体となっている。 また、 不規則に放射状 に群生していてもよい。
このような場合には、 点線で示されるレーザスポット 9 1をあてることにより、 そのカンチレバーの振動をレーザドップラー計 （図示なし） によって計測するこ とができる。
また、 第 5図、 第 6図の構造においても、変調電界励振と光検出を組み合わせ ることが可能である。 ，
なお、 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 以上、 詳細に説明したように、本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とができる。
(A) 多数のカンチレバーの周波数特性計測を、 レーザスポッ卜の走査と、 ネ ットワークアナライザ等により周波数掃引を同期させることによって可能とする。 もしくは、 レーザスポッ卜の走査による時系列の振動特性読み取りと、 一定光に よる自励発生を用いて可能とする。 1列の走査ごとにカンチレバーの列の周波数 特性が同時に計測されるため、 複雑な光学パターン認識等を行う必要がなく、 光 の走査が力ンチレバ一の行と列方向で完了すると、 すべての力ンチレバ一の周波 数や振幅の計測が終了する。
( B ) 数 1 0 0万やそれ以上のカンチレバー数にも適用することができる。
( C ) 幅が 1 0 nmオーダのカンチレバーの光励振、光検出が可能であるため、 より高周波での振動励振と検出、 より高感度の検出、 より高密度でのカンチレバ —の集積が可能である。
( D )光励振と光検出をともに光で行うことによる装置の機械部分の単純化、 小型化とそれに伴う信頼性の向上と装置の高清浄化が得られる。
( E )光励振と光検出をともに光で行うことにより、 カンチレバ一アレーの構 造を単純にとどめ、 高い振動 Q値、様々な修飾材料の選択、 高集積度が得られる。
( F ) 光励振と光検出をともに光で行うことにより、超高真空、 極低温等の特 殊環境において、 装置の単純化、 小型化と高清浄化を向上させることが可能であ る。
( G ) すべてのカンチレバーに対し、 一括で電界を変調する変調電界励振と光 検出を行うことにより、 超高真空、極低温等の特殊環境において、装置の単純化、 小型化と高清浄化を向上させることが可能である。 産業上の利用可能性
本発明のマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方法及び装置は、 マルチ力ン チレバーの振動計測、 走査型プローブ顕微鏡、 質量'物質検出器に適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 固有振動数がそれぞれ異なる複数の力ンチレバーの固有振動を変調励振に よつて順次励振し、 その振動をレーザドッブラ一計によつて計測することを特徴 とするマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方法。
2 . 固有振動数がそれぞれ異なる複数の力ンチレバ一の固有振動を変調励振に よつて順次励振し、 その振動をホモダイン干渉計によつて計測することを特徴と するマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方法。
3 . 請求項 1又は 1記載のマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方法におい て、前記変調励振は変調光励振であることを特徴とするマルチ力ンチレバ一の振 動周波数の計測方法。
4 . 請求項 1又は 2記載のマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方法におい て、前記変調励振は変調電界励振であることを特徴とするマルチ力ンチレバ一の 振動周波数の計測方法。
5 - 固有振動数がそれぞれ異なる複数の力ンチレバ一の固有振動を一定光励振 によつて順次励振し、 その振動をレーザドッブラ一計によつて計測することを特 徴とするマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方法。
6 . 固有振動数がそれぞれ異なる複数の力ンチレバーの固有振動を一定光励振 によって順次励振し、 その振動をホモダイン干渉計によって計測することを特徴 とするマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測方法。
7 .
( a ) 固有振動数がそれぞれ異なる複数の力ンチレバーと、
( b ) 該カンチレバーの固有振動を変調励振によって順次励振する手段と、
( c ) その振動を計測するレーザドッブラ一計とを具備することを特徴とするマ ルチカンチレバーの振動周波数の計測装置。
8 .
( a ) 固有振動数がそれぞれ異なる複数の力ンチレバーと、
( b ) 該カンチレバーの固有振動を変調励振によつて順次励振する手段と、
( c ) その振動を計測するホモダイン干渉計とを具備することを特徴とするマル チカンチレバーの振動周波数の計測装置。
9 .
( a ) 固有振動数がそれぞれ異なる複数の力ンチレバーと、
( b )該カンチレバーの固有振動を一定光励振によって同時に励振する手段と、
( c ) その振動を計測するレーザドッブラ一計とを具備することを特徴とするマ ルチカンチレバーの振動周波数の計測装置。
1 0 .
( a ) 固有振動数がそれぞれ異なる複数の力ンチレバ一と、
( b )該カンチレバーの固有振動を一定光励振によつて同時に励振する手段と、 ( c ) その振動を計測するホモダイン干渉計とを具備することを特徴とするマル チカンチレバ一の振動周波数の計測装置。
1 1 . 請求項 7、 8、 9又は 1 0記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計 測装置において、前記力ンチレバ一は列状に配置されたアレーであることを特徴 とするマルチ力ンチレバーの振動周波数の計測装置。
1 2 . 請求項 7、 8、 9又は 1 0記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計 測装置において、 前記カンチレバーは共通の励振スポッ卜によって照射可能な放 射状に配置された集合体であることを特徴とするマルチ力ンチレバーの振動周波 数の計測装置。
1 3 . 請求項 7、 8、 9又は 1 0記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計 測装置を用いて、 前記カンチレバーの固有振動数の自励を実現し、 それにより力 ンチレバー先端の探針と試料の相互作用を、 自励振動周波数の変化や、 自励振動 振幅、 位相の変化として検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1 4 . 請求項 7、 8、 9又は 1 0記載のマルチカンチレバーの振動周波数の計 測装置を用いて、前記カンチレバーの固有振動数の自励を実現し、 それにより力 ンチレバ一先端の探針に付着した質量の変化を、 自励振動周波数の変化や、 自励 振動振幅、 位相の変化として検出することを特徴とする質量 ·物質検出器。
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