WO2011016256A1 - カンチレバー励振装置及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

カンチレバー励振装置及び走査型プローブ顕微鏡 Download PDF

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WO2011016256A1
WO2011016256A1 PCT/JP2010/004973 JP2010004973W WO2011016256A1 WO 2011016256 A1 WO2011016256 A1 WO 2011016256A1 JP 2010004973 W JP2010004973 W JP 2010004973W WO 2011016256 A1 WO2011016256 A1 WO 2011016256A1
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cantilever
piezoelectric vibrator
holder
acoustic impedance
excitation device
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PCT/JP2010/004973
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French (fr)
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雅 淺川
剛士 福間
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国立大学法人 金沢大学
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    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • G01Q30/08Means for establishing or regulating a desired environmental condition within a sample chamber
    • G01Q30/12Fluid environment
    • G01Q30/14Liquid environment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32AC mode
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/42Piezoelectric device making

Definitions

  • the present invention relates to a cantilever excitation device that excites vibration of a cantilever using a piezoelectric vibrator.
  • SPM scanning probe microscope
  • AFM atomic force microscope
  • the AFM detects the interaction force acting between the probe and the sample by bringing the sharply pointed probe closer to the sample.
  • a force sensor for detecting the interaction force a cantilever that is a cantilever having a probe at the tip is used.
  • the AFM feedback-controls the distance between the probe and the sample so as to keep the interaction force constant, and further scans the probe (or sample) in the horizontal direction while maintaining the feedback control. As a result, the probe (or sample) moves up and down so as to trace the unevenness of the sample. Then, by recording the trajectory of scanning, an uneven image on the sample surface can be obtained.
  • Dynamic mode AFM is known as one of general AFMs.
  • the cantilever In the dynamic mode AFM, the cantilever is vibrated with a minute amplitude, and the probe-sample interaction force is detected as a change in the frequency, phase, and amplitude of the cantilever vibration.
  • the dynamic mode AFM is used not only in a vacuum and in the atmosphere, but also in a liquid environment.
  • the acoustic excitation method is used as a method for exciting the cantilever in the dynamic mode AFM.
  • the acoustic excitation method is disclosed in Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Non-Patent Document 3, for example.
  • the acoustic wave generated by the piezoelectric vibrator is transmitted to the cantilever to excite the cantilever.
  • the acoustic excitation method is widely used because of its relatively simple configuration. However, problems remain in the acoustic excitation method, such as stability in liquid environments and quantitativeness. The acoustic excitation method and its problems will be described below.
  • the acoustic excitation method generates an acoustic wave by applying an AC potential to the piezoelectric vibrator, and efficiently propagates the acoustic wave to the cantilever through the medium to excite the cantilever vibration.
  • an acoustic wave propagates using a cantilever holder or the like as a medium, mechanical resonance in the holder structure is excited.
  • this structural resonance is propagated in the solution in addition to the holder structure and is transmitted to the cantilever. Therefore, there is a problem that the response characteristic of the phase and amplitude of the cantilever vibration with respect to the cantilever excitation signal, that is, the frequency response characteristic becomes complicated.
  • the Q value of cantilever resonance is significantly lower in liquid than in vacuum or air. For this reason, the influence of structural resonance becomes large, which causes a decrease in the stability and reliability of dynamic mode AFM measurement.
  • Non-patent Documents 4 and 5 a magnetic excitation method
  • Non-patent Document 6 a photothermal excitation method
  • the cantilever is magnetically coated or magnetic beads are attached.
  • the photothermal excitation method a gold thin film is provided on a cantilever and irradiated with infrared light or ultraviolet light.
  • the direct drive method requires a process of coating a thin film of magnetic material or metal on the back of the cantilever.
  • an increase in contamination due to elution of the back coating material becomes a problem.
  • a magnetic coil or a laser modulation device is required. For this reason, the apparatus configuration is complicated and the versatility is low. Because of this background, the use of the direct drive method is limited after all.
  • the acoustic excitation method does not require cantilever modification, and can be realized with only a small piezoelectric vibrator and wiring for applying a potential. Therefore, the acoustic excitation method is widely used in the field of AFM. Therefore, it is desirable to use the acoustic excitation method when using the dynamic mode AFM in a submerged environment.
  • the frequency response characteristic of the cantilever becomes complicated due to the structural resonance of the cantilever holder caused by the propagation of acoustic waves.
  • the background art has been described with respect to the dynamic mode AFM, in particular, the dynamic mode AFM used in a submerged environment.
  • the same matter can be a problem in any case where the cantilever is excited in a liquid or the like. That is, the same problem may arise in the cantilever excitation device of arbitrary uses.
  • the present invention has been made under the above background, and an object of the present invention is to provide a cantilever excitation device that can prevent the frequency response characteristics of the cantilever from becoming complicated with a simple configuration.
  • One aspect of the present invention is a cantilever excitation device that excites vibration of a cantilever, comprising a cantilever, a cantilever holder that holds the cantilever, and a piezoelectric vibrator that is attached to the cantilever holder, and the cantilever holder includes: A first part that has an acoustic impedance different from that of the piezoelectric vibrator and transmits vibration of the piezoelectric vibrator by elastic deformation, and a material boundary that has an acoustic impedance different from that of the first part and blocks propagation of acoustic waves And a second part formed between the first part and the first part and the second part between the piezoelectric vibrator and the cantilever.
  • a device configured not to transmit acoustic vibration of a piezoelectric vibration element to a support portion that supports a piezoelectric vibrator and a cantilever, or a holder that holds a cantilever
  • a device configured not to transmit the acoustic vibration of the piezoelectric vibrator, but all of these prior arts excite the cantilever by acoustic vibration, whereas the present invention
  • the invention is based on a technical idea completely different from these prior arts in that the cantilever is not transmitted to the cantilever and the cantilever is excited by elastic deformation.
  • the acoustic impedance of the first part may be less than or equal to half of the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator, and the acoustic impedance of the second part may be twice or more than the acoustic impedance of the first part.
  • the elastic modulus of the first part may be 1/10 or less of the elastic modulus of the second part.
  • the first portion may be interposed between the piezoelectric vibrator and the second portion, and the second portion may be interposed between the first portion and the cantilever.
  • the first part may be a holder main part having an elastic hinge
  • the second part may be an attachment member for attaching the cantilever to the holder main part
  • the piezoelectric vibrator and the attachment member may be It may be attached to one and the other of the elastic hinges, respectively.
  • the cantilever holder may have an optical window member that transmits measurement light of the displacement of the cantilever, and the optical window member may have an acoustic impedance different from that of the holder main part, and between the holder main part and A material boundary that blocks acoustic wave propagation may be formed.
  • the entire circumference of the piezoelectric vibrator may be surrounded by at least one member having an acoustic impedance different from that of the piezoelectric vibrator.
  • the cantilever excitation device may be configured such that the cantilever and a portion of the cantilever holder that holds the cantilever may be immersed in a liquid, and a portion of the cantilever holder to which the piezoelectric vibrator is attached is It may be used in a state separated from the liquid.
  • Another aspect of the present invention is a cantilever excitation method for exciting the vibration of the cantilever by transmitting the vibration of the piezoelectric vibrator to the cantilever, having an acoustic impedance different from that of the piezoelectric vibrator, A first portion for transmitting vibrations by elastic deformation; and a second portion having an acoustic impedance different from that of the first portion and forming a material boundary between the first portion and blocking propagation of acoustic waves.
  • a cantilever holder is provided, the piezoelectric vibrator and the cantilever are arranged so that the first part and the second part are interposed between the piezoelectric element and the cantilever, and an excitation voltage signal is applied to the piezoelectric vibrator.
  • the acoustic vibration of the piezoelectric vibrator is limited by the material boundary, and the vibration of the piezoelectric vibrator is suppressed by the elastic deformation of the first portion. Tell the lever to excite the cantilever.
  • Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a cantilever excitation device that transmits vibration of a piezoelectric vibrator to a cantilever to excite the vibration of the cantilever, wherein the first part and the second part are used as components of the cantilever holder.
  • the first part is a component having an acoustic impedance different from that of the piezoelectric vibrator, and transmitting vibrations of the piezoelectric vibrator by elastic deformation, and the second part is different from the first part.
  • the piezoelectric vibrator, the cantilever, the first portion, and the second portion are disposed so as to be interposed therebetween.
  • the present invention can provide a cantilever excitation device that can prevent the frequency response characteristics of the cantilever from becoming complicated with a simple configuration.
  • (B) It is a reference figure for comparison, Comprising: It is a figure which shows the mode of the generation
  • the cantilever excitation device is applied to the dynamic mode AFM.
  • the dynamic mode AFM is used in the liquid.
  • the present invention is not limited to the dynamic mode AFM, and may be applied to other apparatuses.
  • the holder member for fixing the piezoelectric vibrator is made of a material that is greatly different in acoustic impedance from the piezoelectric vibrator. By selecting such a material, generation of acoustic waves is suppressed. Furthermore, the present invention limits the excitation and propagation of unnecessary structural resonances of the cantilever holder by forming a material boundary where the acoustic impedance greatly changes around the piezoelectric vibrator and blocking the propagation path of the acoustic wave. Therefore, the influence of structural resonance can be suppressed and the cantilever frequency response characteristics can be prevented from becoming complicated.
  • the present invention excites the cantilever using elastic deformation instead of acoustic waves.
  • the present invention selects a material having a relatively low elastic modulus for the holder member and provides an elastic hinge structure in a portion where the piezoelectric vibrator is installed.
  • the cantilever can be vibrated using the displacement of the elastic hinge, and the cantilever can be excited while suppressing the influence of structural resonance in the holder.
  • the apparatus of the present invention is realized by a configuration in which a voltage signal is applied to the piezoelectric vibrator held by the holder member. Therefore, the device structure may be as simple as the acoustic excitation method.
  • the present invention can remarkably improve the quantitativeness and stability of submerged dynamic mode AFM and force curve measurement even with a cantilever excitation method using a simple device configuration using a piezoelectric vibrator.
  • the present acoustic excitation method Comparing the present acoustic excitation method with the present embodiment, they are common in that they have a simple configuration using a piezoelectric vibrator. However, unlike the conventional acoustic excitation method that actively propagates acoustic waves, the present invention suppresses the generation and propagation of acoustic waves, and instead excites the cantilever by elastic displacement. From this point of view, the method of the present invention can be called “flexure drive mechanism”.
  • FIGS. 1B and 1C are cross-sectional views taken along line AA and line BB in FIG. 1A.
  • the cantilever excitation device 1 is composed of a circular cantilever holder 3, and a piezoelectric vibrator 5 and a cantilever 7 attached to the upper and lower portions of the cantilever holder 3, respectively.
  • the cantilever holder 3 includes a holder main part 11, an attachment piece 13 for attaching the cantilever 7 to the holder main part 11, and an optical window member 15.
  • the holder main part 11 corresponds to the first part of the present invention
  • the mounting piece 13 corresponds to the second part of the present invention, and also corresponds to the mounting member.
  • the holder main part 11 is formed with an elastic hinge 25 to increase elastic deformation.
  • the piezoelectric vibrator 5 is attached to one side of the elastic hinge 25, and the attachment piece 13 is attached to the opposite side.
  • the lever base portion 33 of the cantilever 7 is attached to the attachment piece 13.
  • the cantilever excitation device 1 is arranged so that the cantilever 7 is immersed in the solution. Since the piezoelectric vibrator 5 is located on the opposite side of the holder main part 11, contact with the solution can be avoided. Therefore, electrical insulation between the piezoelectric vibrator 5 and the solution can be maintained. Thereby, contamination of the solution due to elution of the insulating coating of the piezoelectric vibrator can be prevented.
  • the holder main part 11 is made of a material that is greatly different in acoustic impedance from the piezoelectric vibrator 5 and has a low elastic modulus.
  • the mounting piece 13 is made of a material that is greatly different from the holder main portion 11 in acoustic impedance.
  • the optical window member 15 secures a laser beam path for detecting the displacement of the cantilever 7 by the optical lever method.
  • the optical window member 15 is also made of a material whose acoustic impedance is significantly different from that of the holder main part 11 and effectively suppresses propagation of acoustic waves.
  • the outline of the cantilever excitation device 1 has been described above. Next, the detail of a structure of the cantilever excitation apparatus 1 is demonstrated.
  • FIG. 2 (a) to 2 (c) show the holder main part 11.
  • FIG. 2 (a) is a bottom view
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view along line CC in FIG. 2 (a)
  • FIG. 2 (c) is an arrow D in FIG. 2 (b). It is the side view seen from the direction.
  • the holder main part 11 has a cylindrical shape and is divided into an attachment region 21 and a window region 23.
  • the attachment region 21 is a region where the piezoelectric vibrator 5 and the cantilever 7 are attached
  • the window region 23 is a region where the optical window member 15 is attached.
  • the attachment region 21 and the window region 23 are divided by a straight line shifted from the center as shown in the figure.
  • a step is provided between the attachment region 21 and the window region 23, and the window region 23 is formed thicker than the attachment region 21.
  • the elastic hinge 25 is provided in the mounting area 21.
  • the elastic hinge 25 is a portion where the amount of elastic deformation is locally increased.
  • the elastic hinge 25 is a locally thin portion provided in the center of the attachment region 21, that is, the concave portions 27 and 29 are provided on both surfaces of the holder main portion 11. Part.
  • the piezoelectric vibrator 5 and the attachment piece 13 are attached to both sides of the elastic hinge 25.
  • the piezoelectric vibrator 5 is attached to one side of the elastic hinge 25.
  • the piezoelectric vibrator 5 is attached to the upper surface of the elastic hinge 25, that is, the bottom of the upper concave portion 27 in the attachment region 21 of the holder main portion 11.
  • the piezoelectric vibrator 5 is a piezo element and deforms according to an applied voltage. In the cantilever excitation device 1, an AC potential signal is applied and the piezoelectric vibrator 5 vibrates.
  • the piezoelectric vibrator 5 has a thin plate shape.
  • the attachment piece 13 is a member for attaching the cantilever 7 to the holder main part 11.
  • the attachment piece 13 is attached to one side of the elastic hinge 25, and the piezoelectric vibrator 5 is attached to the other side of the elastic hinge 25, whereby the attachment piece 13 and the piezoelectric vibrator 5 sandwich the elastic hinge 25.
  • the attachment piece 13 is attached to the lower surface of the elastic hinge 25, that is, the bottom of the lower concave portion 29 in the holder main portion 11.
  • the mounting piece 13 has a lever mounting surface 31 on the side opposite to the mounting surface to the holder main part 11.
  • the lever mounting surface 31 is inclined with respect to the lower surface of the holder, and the inclination angle is 13 degrees.
  • the cantilever 7 is attached to the lever attachment surface 31.
  • the cantilever 7 is made of silicon and includes a plate-like lever base portion 33 and a lever portion 35 protruding from the tip of the lever base portion 33.
  • the lever portion 35 has a probe (probe) at the tip.
  • the lever base 33, the lever 35 and the probe are an integral member. Since the lever attachment surface 31 of the attachment piece 13 is inclined, the cantilever 7 is attached obliquely so that the tip is lowered as shown in the figure. Further, the cantilever 7 is arranged so that the tip of the lever portion 35 protrudes to a position facing the optical window member 15 and faces the optical window member 15.
  • the cantilever 7 is disposed so as to be immersed in the solution.
  • the attachment region 21 to which the attachment piece 13 is attached in the holder main part 11 is formed thinner than the window region 23.
  • the amount of the solution is set so that the bottom surface of the optical window member 15 is in contact with the solution and the bottom surface of the attachment region 21 of the holder main part 11 is not immersed in the solution. it can.
  • attachment region 21 is further provided with attachment holes 37 on both sides of the elastic hinge 25.
  • the attachment hole 37 is used for fixing the cantilever excitation device 1 to an AFM or the like.
  • An optical window member 15 is provided in the window region 23.
  • the optical window member 15 is circular and is fitted into a circular through hole in the window region 23.
  • the optical window member 15 is transparent, and is glass in the present embodiment.
  • laser light is irradiated to the cantilever 7 through the optical window member 15, and reflected light is received by a sensor (not shown) through the optical window member 15.
  • the holder main part 11 is made of a material having a significantly different acoustic impedance and a lower elastic modulus than the piezoelectric vibrator 5.
  • the mounting piece 13 and the optical window member 15 are made of a material having a significantly different acoustic impedance than the holder main portion 11.
  • FIG. 3 illustrates suitable materials for the piezoelectric vibrator 5, the holder main part 11, the mounting piece 13, and the optical window member 15.
  • FIG 3 the Young's modulus E Y of each material, density, acoustic impedance Z a is shown.
  • the material of the piezoelectric vibrator 5 is lead zirconate titanate (PZT) as a general piezoelectric material, as shown at the top of FIG.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the material group A is a material suitable for the mounting piece 13 and the optical window member 15. Of these, stainless steel SUS304 and SUS316 are suitable for the mounting piece 13. BK7 is glass and is suitable for the optical window member 15.
  • the material group B is a material suitable for the holder main part 11, and in particular, a material having suitable acoustic impedance and elastic modulus and having chemical resistance.
  • a material suitable for the holder main part 11 and in particular, a material having suitable acoustic impedance and elastic modulus and having chemical resistance.
  • FIG. 3 three engineering plastics, namely PEEK (registered trademark) (polyetheretherketone), POM (polyoxymethylene, polyoxymethylene, Geracon (registered trademark)), PTFE (polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene, Teflon) is shown.
  • the acoustic impedance of the material group A (mounting piece 13 and optical window member 15) is 10 kg / m 2 s or more, and the acoustic impedance of the material group B (holder main part 11) is 5 kg / m 2 s. It is as follows.
  • the acoustic impedance of the holder main part 11 is less than or equal to half the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator 5, and the acoustic impedance of the mounting piece 13 and the optical window member 15 is at least twice the acoustic impedance of the holder main part 11. It can be said that there is.
  • the Young's modulus of the material group A is 100 GPa or more, and the Young's modulus of the material group B is 10 GPa or less. It can also be said that the elastic modulus of the holder main part 11 is 1/10 or less of the elastic modulus of the mounting piece 13.
  • the material of the holder main part 11 is PEEK (registered trademark)
  • the material of the mounting piece 13 is SUS316
  • the material of the optical window member 15 is BK7.
  • the diameter of the holder main part 11 is 10 mm.
  • the thickness of the attachment area 21 is 2.2 mm, and the thickness of the window area 23 is 3 mm.
  • the boundary line between the attachment region 21 and the window region 23 is offset by 1 mm from the center of the holder. Therefore, the length of the elastic hinge 25 in the radial direction is 4 mm.
  • the width of the elastic hinge 25 is 2 mm.
  • the depth of the recess 27 is 0.7 mm, the depth of the recess 29 is 0.5 mm, and the thickness of the elastic hinge 25 is 1 mm.
  • the diameter of the optical window member 15 is 5 mm, and the window center is shifted by 1.5 mm from the holder center.
  • the length of the mounting piece 13 is 3.5 mm, the width is 2 mm, and the thickness is 1.5 mm.
  • the inclination of the lever mounting surface 31 is 13 degrees as described above.
  • the diameter of the mounting holes 37 is 1.5 mm, and the pitch of the two mounting holes 37 is 5 mm.
  • the Young's modulus, size, and structure of the holder main part 11 are designed so that the resonance frequency of the elastic hinge 25 is close to or higher than the resonance frequency of the cantilever 7.
  • the resonance frequency of the cantilever 7 in the liquid is generally about 1 kHz to 1 MHz
  • the base material of the cantilever 7 is generally 1.6 mm wide, 3.4 mm long, and thick. It is about 0.3 mm.
  • the holder main portion 11 has a Young's modulus of 1 Gpa or more. Material is preferred.
  • the holder main part 11, the mounting piece 13, the optical window member 15, the piezoelectric vibrator 5, and the cantilever 7 which are components are prepared.
  • the piezoelectric vibrator 5, the cantilever 7, the holder main part 11, and the attachment piece 13 are arranged so that the holder main part 11 and the attachment piece 13 are interposed between the piezoelectric vibrator 5 and the cantilever 7.
  • the cantilever 7 is attached to the attachment piece 13
  • the attachment piece 13 is attached to the holder main portion 11
  • the piezoelectric vibrator 5 is also attached to the holder main portion 11.
  • the optical window member 15 is fitted into the through hole of the holder main portion 11.
  • the cantilever excitation device 1 is made.
  • the cantilever excitation device 1 is attached to the following AFM, for example.
  • the SPM is AFM, and in particular FM (Frequency Modulation) -AFM.
  • the FM-AFM performs self-excited oscillation of the cantilever at the resonance frequency, and performs feedback control in the Z direction (Z position control) so as to maintain the shift amount of the resonance frequency due to the interaction between the cantilever and the sample at a constant value.
  • FM-AFM has a high spatial resolution and can be used in a non-contact mode.
  • the AFM 51 includes a cantilever 53 and a sample holder 55.
  • a sample holder 55 is attached to the scanner device 56.
  • the cantilever 53 is held by a lever holder 57.
  • the cantilever 53 has a probe 59 and is arranged so as to be close to the sample on the sample holder 55.
  • the AFM 51 includes a displacement sensor 61 that detects the displacement of the cantilever 53 in the Z direction.
  • the lever drive control unit 63 controls the lever actuator 65 (piezoelectric element) based on the lever displacement to cause the cantilever 53 to self-oscillate.
  • the resonance frequency of the cantilever 53 is shifted according to the interaction between the probe 59 and the sample.
  • the resonance frequency shift detection circuit 67 detects the resonance frequency shift of the cantilever 53 based on the lever displacement.
  • the feedback circuit 69 generates a feedback signal corresponding to the difference between the detected value of the resonance frequency shift and the target value.
  • the scanning control unit 71 controls driving of the scanner device 56 in the Z-axis direction according to the feedback signal. Further, the scanning control unit 71 causes the scanner device 56 to perform scanning in the XY directions in accordance with XY scanning control data supplied from the computer 73.
  • the scanner device 56 performs Z position control that keeps the distance between the probe 59 and the sample constant while performing XY scanning.
  • the output signal of the Z position control feedback circuit corresponds to the height of the sample in the Z direction.
  • the computer 73 generates an image of the sample surface based on the XY scanning control data and the output signal of the Z position control feedback circuit and displays the image on the monitor 75. A three-dimensional image is suitably generated and displayed.
  • the cantilever 53, the lever holder 57, and the lever actuator 65 correspond to the cantilever 7, the cantilever holder 3 and the piezoelectric vibrator 5 of the above-described embodiment, respectively, and constitute the cantilever excitation device 1 of the present invention.
  • the lever holder 57 includes the holder main portion, the mounting piece, and the optical window member as described above.
  • the displacement sensor 61 is an optical lever type and detects lever displacement through the optical window member.
  • the AFM 51 is preferably used in the liquid.
  • an excitation signal is applied to the piezoelectric vibrator 5.
  • the excitation signal is a voltage signal supplied from the AFM circuit and changes periodically.
  • the excitation signal is typically a sine wave (cosine wave).
  • the piezoelectric vibrator 5 vibrates, and this vibration is transmitted to the cantilever 7 through the cantilever holder 3.
  • generation and propagation of acoustic waves are suppressed, and instead, vibration is transmitted by elastic deformation, and the cantilever 7 vibrates.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining suppression of acoustic waves according to the present embodiment.
  • FIG. 5B is a reference diagram for comparison purposes, and shows the generation and propagation of acoustic waves when the material of the holder main part is the same stainless steel (SUS316) as the mounting piece.
  • the piezoelectric vibrator 5 with members having different acoustic impedances in this way, the generation of acoustic waves can be suppressed and the intensity of the generated acoustic waves can be greatly reduced.
  • this embodiment not only reduces the intensity of the generated acoustic wave, but also suppresses the propagation of the acoustic wave. This is achieved by the following material boundary.
  • the piece side boundary 81 is a boundary between the holder main part 11 and the mounting piece 13 and the window side boundary 83 is a boundary between the holder main part 11 and the optical window member 15.
  • the transmittance Te is about 0.31
  • the window side boundary 83 (between the holder main part 11 and the optical window member 15). ) Has a transmittance Te of about 0.71.
  • the transmittance is low at the piece side boundary 81 and the window side boundary 83, and the acoustic wave is reflected and attenuated at these boundaries.
  • the piece side boundary 81 and the window side boundary 83 are located between the piezoelectric vibrator 5 and the cantilever 7, function as a material boundary around the piezoelectric vibrator 5, and an acoustic wave from the piezoelectric vibrator 5 to the cantilever 7. Block the transmission path.
  • the material of the holder main part 11 is the same stainless steel as that of the mounting piece 13.
  • the acoustic impedance of the holder main part 11 is the same as that of the attachment piece 13, and is substantially the same as that of the piezoelectric vibrator 5, and is also close to the optical window member 15. Therefore, the generation of acoustic waves is not suppressed. Further, acoustic waves are not reflected even at the boundary existing around the piezoelectric vibrator, and the transmittance is increased. In contrast, in the present embodiment, the generation and propagation of acoustic waves are suppressed, and the influence of acoustic waves on cantilever vibration characteristics can be greatly reduced.
  • the material boundary does not cover the entire periphery of the piezoelectric vibrator 5.
  • the material boundary may be provided in a range where the influence of the acoustic wave can be sufficiently reduced and the effects of the present invention can be sufficiently obtained.
  • the material boundary may be provided all around the piezoelectric vibrator 5 within the scope of the present invention.
  • the entire circumference of the piezoelectric vibrator may be covered with a material such as plastic, and the entire circumference may be further covered with a material such as stainless steel.
  • cantilever excitation using elastic deformation As already described, in this embodiment, instead of suppressing the generation and propagation of acoustic waves, cantilever vibration is excited using elastic deformation of the elastic hinge.
  • the holder main portion 11 is provided with an elastic hinge 25 having a hinge structure.
  • the piezoelectric vibrator 5 is fixed to one side (upper surface) of the elastic hinge 25, and the attachment piece 13 is fixed to the opposite side (lower surface). With this configuration, the piezoelectric vibrator 5 efficiently induces deformation of the elastic hinge 25 and can directly vibrate the attachment piece 13 fixed on the opposite side.
  • FIG. 6 shows the result of calculation by the finite element method (FEM) using a two-dimensional model, which was conducted by the present inventor for examining the vibration amplitude due to elastic deformation.
  • the upper side is a calculation result of the cantilever excitation device of the present invention
  • the material of the holder main part 11 is engineering plastic (PEEK (registered trademark))
  • the material of the mounting piece 13 is stainless steel (SUS316).
  • the lower side shows the result of calculation for comparison, and both the material of the holder main part 11 and the mounting piece 13 are stainless steel (SUS316).
  • “Waterproof function” This embodiment is also advantageous from the viewpoint of waterproofing the piezoelectric vibrator 5, as will be described below.
  • the piezoelectric vibrator 5 is disposed on one side across the cantilever holder 3, the cantilever 7 is disposed on the opposite side, and the cantilever 7 is immersed in the liquid.
  • the optical window member 15 is also preferably provided. With such a configuration, contact between the piezoelectric vibrator 5 and the solution can be avoided, and electrical insulation between the piezoelectric vibrator 5 and the solution can be maintained.
  • the above-mentioned waterproof function is also related to suppression of the influence of acoustic waves and improvement of frequency response characteristics, which are the main advantages of the present invention. This point will be described with reference to a conventional acoustic excitation method.
  • the acoustic wave excites the structural resonance of the holder member between the piezoelectric vibrator and the cantilever, complicating the frequency response characteristics of the cantilever. If the piezoelectric vibrator and the cantilever are far from each other, there are many acoustic wave paths, which are complicated, and as a result, the frequency response characteristic of the cantilever becomes complicated. Thus, in order to improve the frequency response characteristics, it is conceivable to bring the piezoelectric vibrator and the cantilever closer. When the piezoelectric vibrator is arranged near the cantilever, the piezoelectric vibrator needs to be waterproofed. However, if a waterproof polymer is used as a general waterproofing means, the waterproof polymer swells, which causes a decrease in measurement accuracy.
  • the piezoelectric vibrator 5 and the cantilever 7 are located apart via the cantilever holder 3 (the holder main part 11 and the mounting piece 13), but the influence of acoustic waves is small. .
  • the present invention can obtain not only good resonance characteristics while preventing adverse effects of acoustic waves with a simple configuration, but also the advantage that the waterproof function of the piezoelectric vibrator 5 can be easily realized. .
  • the attachment region 21 of the holder main part 11 is formed thinner than the window region 23, and the cantilever is attached to the piezoelectric vibrator 5 via the attachment region 21 and the attachment piece 13 of the holder main part 11. 7 is attached.
  • the configuration in which the attachment region 21 of the holder main portion 11 does not contact the liquid surface is acting.
  • This is an essential configuration for preventing the piezoelectric vibrator 15 from contacting the solution. Absent.
  • the important thing is that the mounting piece 13 and the holder main part 11 are interposed between the piezoelectric vibrator 15 and the cantilever 7 immersed in the solution, thereby avoiding direct contact between the piezoelectric vibrator 5 and the liquid. That is.
  • FIG. 7 shows an amplitude / phase versus frequency curve of the cantilever 7 measured using the cantilever excitation device 1 of the present embodiment.
  • the cantilever 7 used was made of silicon, the resonance frequency was 148 kHz, and the Q value (Q-factor) was 7.6.
  • the two graphs (a) and (b) on the left are data for comparison, and are measurement results when stainless steel (SUS316) is used as the material of the holder main part 11.
  • the upper graph (a) is an amplitude-frequency curve, that is, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents amplitude.
  • the lower graph (b) is a phase-frequency curve, that is, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents phase.
  • the configuration (part shape, part material, etc.) other than the holder material was the same as that of the cantilever excitation device 1 of the present embodiment.
  • the upper left graph (a) shows the measurement results when the excitation signal voltage is 50 mV, 100 mV, and 150 mV. As shown in the figure, when stainless steel is used, an acoustic wave is generated and propagated to excite structural resonance in the cantilever holder 3, and as a result, many unnecessary vibration peaks are near the cantilever resonance frequency (148 kHz). Has occurred.
  • the phase-frequency curve of the measurement result is shown together with the curve calculated from the Q value of the cantilever 7. Since the measurement results were almost the same at the excitation signal voltages of 50 mV, 100 mV, and 150 mV, one measurement result is shown.
  • the cantilever excitation device 1 of the present embodiment is preferably applied to, for example, the above-described frequency modulation atomic force microscope (FM-AFM).
  • FM-AFM frequency modulation atomic force microscope
  • the FM-AFM controls the probe-sample distance using a phase slope near the resonance frequency. For this reason, disturbance of the phase-frequency curve becomes a factor that significantly lowers the quantitativeness and stability.
  • the two graphs (c) and (d) on the right are measurement results of lever excitation characteristics in the cantilever excitation device 1 according to the present invention, and the material of the holder main part 11 is engineering plastic (specifically, Is PEEK (registered trademark).
  • the upper graph (c) is the amplitude-frequency curve and the lower graph (d) is the phase-frequency curve.
  • phase-frequency curve also changes monotonously. Further, the phase delay is extremely small as compared with the case of using stainless steel. Since the phase-frequency curve changes monotonously near the resonance frequency, quantitative correction is possible after measurement.
  • the amplitude of the present invention is larger than that in the case of using stainless steel. That is, in the present invention, the amplitude value with respect to the excitation voltage is increased. This indicates that cantilever vibration is efficiently excited by elastic deformation of the elastic hinge structure.
  • the frequency response characteristics of the cantilever are considerably complicated as shown in the graphs (a) and (b) on the left side of FIG.
  • the acoustic excitation method drives the cantilever through a holder and can be said to be indirect driving. Indirect drive is simple in structure, but the structural resonance of the holder complicates the frequency response characteristics of the cantilever.
  • the present invention can avoid the complexity of the frequency response characteristic even though it is an indirect driving method with a simple structure.
  • the holder main part 11 and the attachment piece 13 are equivalent to the 1st part and 2nd part of this invention.
  • the first portion has an acoustic impedance different from that of the piezoelectric vibrator, and transmits the vibration of the piezoelectric vibrator by elastic deformation.
  • the second portion has an acoustic impedance different from that of the first portion, and forms a material boundary between the first portion and the propagation of acoustic waves.
  • the first part and the second part are interposed between the piezoelectric vibrator and the cantilever.
  • the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator and the first portion are different, the generation of acoustic waves is suppressed.
  • a material boundary where the acoustic impedance changes is formed between the first portion and the second portion, and the acoustic wave propagation path is blocked.
  • the first portion is elastically deformed to transmit the vibration of the piezoelectric vibrator.
  • the cantilever excitation device has a simple configuration using a piezoelectric vibrator as in the conventional acoustic excitation method.
  • the present invention suppresses the generation and propagation of acoustic waves.
  • the present invention limits excitation and propagation of structural resonance caused by acoustic waves, suppresses the influence of structural resonance, and prevents the cantilever frequency response characteristics from becoming complicated.
  • the present invention utilizes elastic deformation to transmit the vibration of the piezoelectric vibrator and excite the cantilever. In this way, it is possible to provide a cantilever excitation device that can suppress the complexity of frequency response characteristics with a simple configuration.
  • the acoustic impedance of the first part is less than or equal to half the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator, and the second part ( The acoustic impedance of the mounting piece 13) may be more than twice the acoustic impedance of the first part.
  • the material boundary can be formed so as to effectively block the propagation path of the acoustic wave.
  • the elastic modulus of the first part may be 1/10 or less of the elastic modulus of the second part.
  • the first part is the holder main part 11, and the second part is the attachment piece 13 (attachment member) for attaching the cantilever 7 to the holder main part 11.
  • An elastic hinge 25 is provided, and the piezoelectric vibrator 5 and the attachment piece 13 are attached to one and the other of the elastic hinge 25, respectively. With such a configuration, the vibration of the piezoelectric vibrator 5 can be effectively transmitted to the cantilever 7 using the elastic hinge 25.
  • the elastic hinge is not limited to the configuration of FIG.
  • the elastic hinge has a structure that increases the elastic deformation of the hinge region (at least a partial region of the member) more than the periphery of the hinge region.
  • an elastic hinge is formed by a locally thin portion.
  • Various elastic hinges may be applied to the present invention.
  • two thin portions may be provided on both sides of the attachment positions of the piezoelectric vibrator 5 and the attachment piece 13.
  • the two thin portions and the portion sandwiched between them function as an elastic hinge.
  • the member in the hinge region may be different from the member in the surrounding portion.
  • a plate-like member is attached to the opening of the holder main part.
  • the elastic modulus of the plate-like member may be smaller than the surrounding holder main part.
  • a piezoelectric vibrator and a mounting member may be fixed on both sides of the plate-like member.
  • the cantilever holder is composed of the holder main part and the mounting piece, that is, composed of one first part and one second part.
  • the cantilever holder may comprise a plurality of first portions.
  • the cantilever holder may include a plurality of second portions.
  • a plurality of first portions and a plurality of second portions may be alternately stacked.
  • the cantilever holder 3 may include the optical window member 15 that transmits the measurement light of the displacement of the cantilever 7, and the optical window member 15 is different from the holder main part 11.
  • a material boundary having acoustic impedance and blocking propagation of acoustic waves may be formed between the holder main portion 11 and the holder main portion 11.
  • the optical window member 15 also contributes to blocking the propagation path of the acoustic wave and contributes to reducing the influence of structural resonance. Therefore, even in the configuration in which the optical window member is provided, it is possible to effectively prevent the frequency response characteristics of the cantilever from becoming complicated.
  • a part of the piezoelectric vibrator 5 is exposed and is not in contact with the holder main part 11. Further, the material boundary is not formed around the entire periphery of the piezoelectric vibrator 5.
  • the entire circumference of the piezoelectric vibrator 5 may be surrounded by at least one member having an acoustic impedance different from that of the piezoelectric vibrator 5 within the scope of the present invention.
  • the periphery may be surrounded by members having different acoustic impedances. With such a configuration, it is possible to more reliably suppress the influence of acoustic waves and effectively prevent complication of the frequency response characteristics of the cantilever.
  • one embodiment of the present invention is a scanning probe microscope including the cantilever excitation device 1 described above. With this configuration, the frequency response characteristics of the cantilever can be prevented from being complicated, and measurement can be performed using good characteristics.
  • the present invention is particularly suitable for the dynamic mode AFM in liquid, and the frequency response characteristics are not complicated, so that the quantitativeness and stability of the force curve measurement can be remarkably improved, and the stability and reliability of the measurement can be improved.
  • the present invention may be applied to other than the submerged dynamic mode AFM as far as possible.
  • the present invention may be applied to a SNOM (scanning near-field optical microscope).
  • SNOM applies the principle of AFM and can also be called a kind of AFM.
  • Another aspect of the present invention is a cantilever excitation method that excites the vibration of the cantilever by transmitting the vibration of the piezoelectric vibrator to the cantilever as described above.
  • Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a cantilever excitation device as described above.
  • the cantilever excitation device has an effect of improving the frequency response characteristics of the cantilever, and is suitably used for a submerged dynamic mode AFM or the like.

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Abstract

 簡単な構成でもって、共振特性の複雑化を防ぐことができるカンチレバー励振装置を提供する。カンチレバー励振装置(1)は、カンチレバー(7)と、カンチレバー(7)を保持するカンチレバーホルダー(3)と、カンチレバーホルダー(3)に取り付けられる圧電振動子(5)とを備える。カンチレバーホルダー(3)が、圧電振動子(5)と異なる音響インピーダンスを有し、圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達するホルダー主部(11)(第1部分)と、第1部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を第1部分との間に形成する取付ピース(13)(第2部分)とを有する。圧電振動子(5)とカンチレバー(7)の間に第1部分及び第2部分が介在している。

Description

カンチレバー励振装置及び走査型プローブ顕微鏡 関連する出願
 本出願では、2009年8月6日に日本国に出願された特許出願番号2009-183723の利益を主張し、当該出願の内容は引用することによりここに組み込まれているものとする。
 本発明は、圧電振動子を用いてカンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置に関する。
 従来、走査型プローブ顕微鏡(SPM)が微小な試料の観察に用いられている。SPMとしては、原子間力顕微鏡(AFM)が知られている。
 AFMは、鋭くとがった探針を試料に対して近づけて、探針と試料の間に働く相互作用力を検出する。相互作用力を検出する力センサーとしては、探針を先端にもつ片持ち梁であるカンチレバーが用いられる。AFMは、相互作用力を一定に保つように探針-試料間の距離をフィードバック制御し、さらに、フィードバック制御を維持した状態で探針(または試料)を水平方向に走査する。これにより、探針(または試料)は、試料の凹凸をなぞるように上下する。そして、走査の軌跡を記録することにより、試料表面の凹凸像が得られる。
 一般的なAFMの一つとしてダイナミックモードAFMが知られている。ダイナミックモードAFMは、カンチレバーを微小振幅で振動させ、探針-試料間相互作用力をカンチレバー振動の周波数・位相・振幅の変化として検出する。ダイナミックモードAFMは、真空中、大気中だけでなく、液中環境で利用される。
 ダイナミックモードAFMにおけるカンチレバーの励振手法としては、音響励振法が用いられる。音響励振法は、例えば、非特許文献1、非特許文献2及び非特許文献3に開示されている。
 音響励振法は、圧電振動子で発生させた音響波をカンチレバーに伝えてカンチレバーを励振する。音響励振法は、構成が比較的簡単であるために広範に用いられる。しかし、音響励振法には、液中環境での安定性や定量性などに問題が残されている。以下、音響励振法とその問題点について説明する。
 音響励振法は、圧電振動子に交流電位を印加することで音響波を発生させ、その音響波を媒質を介してカンチレバーへ効率的に伝搬して、カンチレバー振動を励起する。音響励振法では、カンチレバーホルダーなどを媒質として音響波が伝搬するため、ホルダー構造中の機械共振が励起される。液中ダイナミックモードAFMでは、この構造共振がホルダー構造中に加えて溶液中を伝搬してカンチレバーに伝わる。そのため、カンチレバー励振信号に対するカンチレバー振動の位相や振幅の応答特性、すなわち、周波数応答特性が複雑化するという問題がある。
 さらに、真空中や大気中に比べ、液中では、カンチレバーの共振のQ値が著しく低い。そのため、構造共振の影響が大きくなり、このことが、ダイナミックモードAFM計測の安定性や信頼性を低下させる原因となる。
 上記の問題を解決するために、カンチレバーを直接駆動することが考えられる。直接駆動法としては、磁気励振法(非特許文献4、非特許文献5)や光熱励振法(非特許文献6)が提案されている。磁気励振法では、カンチレバーに磁気コーティングが施され、又は磁気ビーズが付着される。光熱励振法では、カンチレバーに金薄膜が設けられ、赤外光又は紫外光が照射される。
 しかし、直接駆動法では磁性体や金属の薄膜をカンチレバーの背面へコーティングするプロセスが必要となる。液中AFMの場合には、それらの背面コート材料が溶出することによるコンタミネーションの増加が問題となる。また、背面へのコーティングのプロセスにおいて、探針の形成されている表側へのコート材料の回り込みを避けることは困難であり、探針の先鋭性低下が問題となる。さらにカンチレバー振動の駆動力を得るために、磁気コイル又はレーザー変調装置などが必要である。そのため、装置構成が複雑となり、汎用性が低い。このような背景のため、結局のところ、直接駆動法の用途は限られている。
 一方、音響励振法は、カンチレバー修飾を必要とせず、また、小さな圧電振動子と電位印加のための配線のみで実現できる。そのため、音響励振法はAFMの分野において広範に利用されている。そこで、液中環境でダイナミックモードAFMを使用する際にも、音響励振法を使うことが望まれる。しかしながら、既に説明したように、液中環境では、音響波の伝播により生じるカンチレバーホルダーの構造共振の影響でカンチレバーの周波数応答特性が複雑化するという問題がある。
 そこで、音響励振法と同レベルに簡単な構成でもって、周波数応答特性の複雑化を抑制できるカンチレバー励振手法の開発が強く望まれる。このようなカンチレバー励振手法が提供されれば、簡単な構成でもって、液中ダイナミックモードAFMの安定性・信頼性を大幅に向上させることができると考えられる。
 上記の説明では、ダイナミックモードAFMに関し、特に、液中環境で使用されるダイナミックモードAFMを取り上げて、背景技術を説明した。しかし、カンチレバーを液中などで励振する任意の場合に、同様の事項が問題になり得る。すなわち、任意の用途のカンチレバー励振装置において同様の問題が生じ得る。
特開平7-159422号公報 特開2006-153574号公報
C. Carrasco et al., "Cutting down the forest of peaks in acoustic dynamic atomic force microscopy in liquid" , Review of Scientific Instruments 79, American Institute of Physics, 2008, p. 126106-1-2 J. Kokavecz et al., "Investigation of fluid cell resonances in intermittent contact mode atomic force microscopy", Applied Physics Letters 91, American Institute of Physics, 2007, p. 023113-1-3 T. E. Schaffer et al., "Studies of vibrating atomic force microscope cantilevers in liquid", J. Appl. Phys., American Institute of Physics, 1 October 1996, Vol. 80, No. 7, pp. 3622-3627 Wenhai Han et al., "A magnetically driven oscillating probe microscope for operation in liquids", Appl. Phys. Lett., American Institute of Physics, 23 December 1996, Vol. 69, No. 26, pp. 4111-4113 S. P. Jarvis et al., "A novel force microscope and point contact probe", Rev. Sci. Instrum., American Institute of Physics, December 1993, Vol. 64, No. 12, pp. 3515-3520 N. Umeda et al., "Scanning attractive force microscope using photothermal vibration", J. Vac. Sci. Technol. B, American Vacuum Society, March/April 1991, Vol. 9, No. 2, pp. 1318-1322
 本発明は、上記背景の下でなされたものであり、その目的は、簡単な構成でもって、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を防ぐことができるカンチレバー励振装置を提供することにある。
 本発明の一態様は、カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置であって、カンチレバーと、前記カンチレバーを保持するカンチレバーホルダーと、前記カンチレバーホルダーに取り付けられる圧電振動子とを備え、前記カンチレバーホルダーが、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する第1部分と、前記第1部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第1部分との間に形成する第2部分とを有し、前記圧電振動子と前記カンチレバーの間に前記第1部分及び前記第2部分が介在している。
 なお、本願発明に関連する先行技術として、圧電振動子およびカンチレバーを支持する支持部に圧電振動素子の音響振動を伝えないように構成された装置(特許文献1)や、カンチレバーを保持するホルダーに圧電振動子の音響振動を伝えないように構成された装置(特許文献2)があるが、これらの先行技術はいずれも音響振動によってカンチレバーを励振させるのに対して、本願発明は、音響振動はカンチレバーに伝えないようにするとともに、弾性変形でカンチレバーを励振させるという点で、これらの先行技術とはまったく異なる技術思想に基づく発明である。
 前記第1部分の音響インピーダンスが、前記圧電振動子の音響インピーダンスの2分の1以下でよく、前記第2部分の音響インピーダンスが、前記第1部分の音響インピーダンスの2倍以上でよい。前記第1部分の弾性率が前記第2部分の弾性率の10分の1以下でよい。
 前記圧電振動子と前記第2部分との間に前記第1部分が介在し、前記第1部分と前記カンチレバーとの間に前記第2部分が介在してよい。
 前記第1部分が、弾性ヒンジを有するホルダー主部であってよく、前記第2部分が、前記ホルダー主部に前記カンチレバーを取り付ける取付部材であってよく、前記圧電振動子及び前記取付部材が前記弾性ヒンジの一方及び他方にそれぞれ取り付けられていてよい。
 前記カンチレバーホルダーが、前記カンチレバーの変位の測定光を透過させる光学窓部材を有してよく、前記光学窓部材が前記ホルダー主部と異なる音響インピーダンスを有してよく、前記ホルダー主部との間に音響波の伝播を遮断する材料境界を形成してよい。
 前記圧電振動子の全周が、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有する少なくとも一の部材で取り囲まれてよい。
 本発明の別の態様は、上述したカンチレバー励振装置を備えた走査型プローブ顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡において、前記カンチレバー励振装置が、前記カンチレバー及び前記カンチレバーを保持する前記カンチレバーホルダーの部分が液体に浸されていてよく、かつ、前記圧電振動子が取り付けられる前記カンチレバーホルダーの部分が液体から分離した状態で用いられてよい。
 本発明の別の態様は、圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達して前記カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振方法であって、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する第1部分と、前記第1部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第1部分との間に形成する第2部分とを備えるカンチレバーホルダーを設け、前記第1部分及び前記第2部分が前記圧電素子及び前記カンチレバーの間に介在するように、前記圧電振動子と前記カンチレバーを配置し、前記圧電振動子に励振電圧信号を印加し、前記材料境界によって前記圧電振動子の音響波の伝播を制限しつつ、前記第1部分の弾性変形により前記圧電振動子の振動を前記カンチレバーに伝えて前記カンチレバーを励振する。
 本発明の別の態様は、圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達して前記カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置の製造方法であって、カンチレバーホルダーの構成部品として第1部分及び第2部分を用意し、前記第1部分は、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達するための部品であり、前記第2部分は、前記第1部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第1部分との間に形成するための部品であり、前記第1部分及び前記第2部分が前記圧電素子及び前記カンチレバーの間に介在するように、前記圧電振動子、前記カンチレバー、前記第1部分及び前記第2部分を配置する。
 本発明は、簡単な構成でもって、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を防ぐことができるカンチレバー励振装置を提供することができる。
 以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発明の範囲を制限することは意図していない。
(a)実施の形態におけるカンチレバー励振装置の底面図、(b)実施の形態におけるカンチレバー励振装置の断面図、(c)実施の形態におけるカンチレバー励振装置の断面図である。 (a)ホルダー主部の底面図、(b)ホルダー主部の断面図、(c)ホルダー主部の側面図である。 部品材料のヤング率、密度及び音響インピーダンスを示す図である。 カンチレバー励振装置が備えられる走査型プローブ顕微鏡の例を示す図である。 (a)本発明のカンチレバー励振装置における音響波の発生及び伝播の抑制を説明する図である。(b)比較用の参考図であって、ホルダー主部の材料がステンレスである場合の音響波の発生及び伝播の様子を示す図である。 カンチレバー励振装置におけるカンチレバーホルダー断面の振動振幅分布の計算結果を示す図である。 カンチレバーの周波数応答特性を示す図である。
 以下に本発明の詳細な説明を述べる。ただし、以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の特許請求の範囲により規定される。
 以下、本発明の実施の形態のカンチレバー励振装置について、図面を用いて説明する。本実施の形態では、カンチレバー励振装置が、ダイナミックモードAFMに適用される。特に、本実施の形態では、ダイナミックモードAFMが液中で使用される。ただし、本発明はダイナミックモードAFMに限定されず、その他の装置に適用されてよい。
 本発明では、圧電振動子を固定するホルダー部材が、圧電振動子と音響インピーダンスが大きく異なる材料で作られる。このような材料を選択することで、音響波の発生を抑制する。更に、本発明は、圧電振動子の周囲に音響インピーダンスが大きく変わる材料境界を形成し、音響波の伝搬経路を遮断することで、カンチレバーホルダーの不要な構造共振の励起ならびに伝搬を制限する。したがって、構造共振の影響を抑え、カンチレバー周波数応答特性が複雑化するのを防ぐことができる。
 本発明は、音響波の代わりに弾性変形を利用してカンチレバーを励振する。弾性変形を効率的に利用するために、本発明は、ホルダー部材に弾性率の比較的低い材料を選択し、また、圧電振動子を設置する部分に弾性ヒンジ構造を設ける。その結果、弾性ヒンジの変位を利用してカンチレバーを振動させることができ、ホルダー内の構造共振の影響を抑えながらカンチレバーを励振可能である。
 本発明の装置は、ホルダー部材に保持された圧電振動子に電圧信号を印加する構成により実現される。したがって、装置構造は音響励振法と同様に簡単でよい。本発明は、圧電振動子を用いた簡便な装置構成によるカンチレバー励振法であっても、液中ダイナミックモードAFMおよびフォースカーブ測定の定量性、安定性を著しく向上できる。
 従来の音響励振法と本実施の形態を比較すると、それらは圧電振動子を用いた簡便な構成という点で共通している。しかし、従来の音響励振法が音響波を積極的に伝播するのと異なり、本発明は、音響波の発生及び伝播を抑制し、代わりに弾性変位によってカンチレバーを励振する。このような観点で、本発明の手法は、「弾性駆動機構(flexure drive mechanism)」と呼ぶことができる。
 図1(a)~図1(c)は、本実施の形態のカンチレバー励振装置を示している。図1(a)は底面図であり、図1(b)、図1(c)は、図1(a)の線A-A、線B-Bに沿った断面図である。
 装置概要としては、カンチレバー励振装置1が、円形のカンチレバーホルダー3と、カンチレバーホルダー3の上部及び下部にそれぞれ取り付けられた圧電振動子5及びカンチレバー7で構成されている。カンチレバーホルダー3は、ホルダー主部11と、ホルダー主部11にカンチレバー7を取り付けるための取付ピース13と、光学窓部材15とで構成される。ホルダー主部11は本発明の第1部分に相当し、取付ピース13は本発明の第2部分に相当し、また、取付部材に相当する。
 ホルダー主部11には、弾性変形を増大するために弾性ヒンジ25が形成されている。弾性ヒンジ25の片側に圧電振動子5が取り付けられ、反対側に取付ピース13が取り付けられている。そして、取付ピース13に、カンチレバー7のレバーベース部33が取り付けられている。
 カンチレバー励振装置1は、カンチレバー7が溶液に浸るように配置される。圧電振動子5はホルダー主部11の反対側に位置しているので、溶液との接触を避けられる。したがって、圧電振動子5と溶液の電気的絶縁を保つことができる。これにより、圧電振動子の絶縁被覆の溶出による溶液の汚染を防ぐことができる。
 ホルダー主部11は、圧電振動子5と音響インピーダンスが大きく異なり、かつ弾性率が小さい材料でできている。また、取付ピース13は、ホルダー主部11と音響インピーダンスが大きく異なる材料でできている。これにより、後述にて詳細に説明するように、圧電振動子5からの音響波の発生及び伝播が効果的に抑制される。そして、本実施の形態では、音響波の代わりに弾性変位を利用してカンチレバー7が励振される。すなわち、圧電振動子5の振動が、弾性ヒンジ25の弾性変位によって、カンチレバー7へと伝達され、カンチレバー7が振動する。弾性変位による励振についても後述にて詳細に説明する。
 光学窓部材15は、カンチレバー7の変位を光てこ法で検出するためのレーザー光路を確保している。光学窓部材15もホルダー主部11と音響インピーダンスが大きく異なる材料でできており、音響波の伝播を効果的に抑制する。
 以上にカンチレバー励振装置1の概要を説明した。次に、カンチレバー励振装置1の構成の詳細を説明する。
 図2(a)~図2(c)は、ホルダー主部11を示している。図2(a)は底面図であり、図2(b)は図2(a)の線C-Cに沿った断面図であり、図2(c)は図2(b)の矢印Dの方向から見た側面図である。
 ホルダー主部11は、円柱形状を有しており、取付領域21と窓領域23に分けられる。取付領域21は、圧電振動子5及びカンチレバー7が取り付けられる領域であり、窓領域23は光学窓部材15が取り付けられる領域である。取付領域21と窓領域23は、図示のように中心からずれた直線で分けられる。取付領域21と窓領域23の間に段差が設けられており、窓領域23の方が取付領域21よりも厚く形成されている。
 取付領域21には弾性ヒンジ25が設けられている。弾性ヒンジ25とは、局部的に弾変形量が大きくなる部分である。本実施の形態では、図示のように、弾性ヒンジ25は、取付領域21の中央に設けられた局部的な薄肉部分であり、すなわち、ホルダー主部11の両面に凹部27、29が設けられた部分である。
 弾性ヒンジ25の両側には圧電振動子5及び取付ピース13が取り付けられている。圧電振動子5は、弾性ヒンジ25の片面に取り付けられる。図の例では、圧電振動子5が弾性ヒンジ25の上面、すなわち、ホルダー主部11の取付領域21における上側の凹部27の底に取り付けられている。圧電振動子5はピエゾ素子であり、印加される電圧に応じて変形する。カンチレバー励振装置1では、交流電位信号が印加されて、圧電振動子5が振動する。圧電振動子5は薄板形状を有している。
 取付ピース13は、カンチレバー7をホルダー主部11に取り付けるための部材である。取付ピース13は弾性ヒンジ25の一方側に取り付けられ、圧電振動子5は弾性ヒンジ25の他方側に取り付けられ、これにより取付ピース13と圧電振動子5が弾性ヒンジ25を挟んでいる。図の例では、取付ピース13が、弾性ヒンジ25の下面、すなわち、ホルダー主部11における下側の凹部29の底に取り付けられている。
 取付ピース13は、ホルダー主部11への被取付面と反対側に、レバー取付面31を有している。レバー取付面31は、ホルダー下面に対して傾斜しており、傾斜角は13度である。このレバー取付面31にカンチレバー7が取り付けられる。
 カンチレバー7は、シリコン製であり、板状のレバーベース部33と、レバーベース部33の先端から突き出すレバー部35とで構成され、レバー部35は先端にプローブ(探針)を有する。レバーベース部33、レバー部35及びプローブは一体の部材である。取付ピース13のレバー取付面31が傾斜しているので、図示のようにカンチレバー7は、先端が下がるように斜めに取り付けられる。また、カンチレバー7は、レバー部35の先端が光学窓部材15に面する位置まで突き出し、光学窓部材15に臨むように配置されている。
 上述のようにカンチレバー7は溶液に浸るように配置される。一方、図2(b)に示されるように、ホルダー主部11において取付ピース13が取り付けられる取り付け領域21は、窓領域23よりも薄く形成されている。この構成により、図1(b)に示されるように、光学窓部材15の底面が溶液に接するとともに、ホルダー主部11の取付領域21の底面は溶液に浸らないようにな溶液の量を設定できる。
 また、取付領域21には更に、弾性ヒンジ25の両側に取付孔37が設けられている。取付孔37は、カンチレバー励振装置1をAFM等に固定するために用いられる。
 窓領域23には光学窓部材15が設けられている。光学窓部材15は円形であり、窓領域23の円形の貫通孔に嵌め込まれている。光学窓部材15は透明であり、本実施の形態ではガラスである。カンチレバー7の変位を測定するために、レーザ光が光学窓部材15を通ってカンチレバー7に照射され、反射光が光学窓部材15を通ってセンサ(図示せず)に受光される。
 次に、カンチレバー励振装置1の各部品の適当な材料について説明する。既に述べたように、ホルダー主部11は、圧電振動子5と比べて音響インピーダンスが大きく異なり、かつ、弾性率が小さい材料から作られる。取付ピース13及び光学窓部材15は、ホルダー主部11と比べて音響インピーダンスが大きく異なる材料で作られる。
 図3は、圧電振動子5、ホルダー主部11、取付ピース13、光学窓部材15の適当な材料を例示している。図3には、各材料のヤング率E、密度、音響インピーダンスZが示されている。
 圧電振動子5の材料は、図3の最も上に示される通り、一般的な圧電材料としてのチタン酸ジルコン酸鉛(Lead zirconate titanate、PZT)である。
 材料群Aは、取付ピース13及び光学窓部材15に適した材料である。このうち、ステンレス鋼SUS304、SUS316は、取付ピース13に適している。BK7はガラスであり、光学窓部材15に適している。
 材料群Bは、ホルダー主部11に適した材料であり、特に、音響インピーダンスと弾性率が適当であり、化学的耐性も有する材料である。図3では、3種のエンジニアリングプラスチック、すなわち、PEEK(登録商標)(ポリエーテルエーテルケトン、polyetheretherketone)、POM(ポリオキシメチレン、polyoxymethylene、ジェラコン(登録商標))、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン、polytetrafluoroethylene、テフロン(登録商標))が示されている。
 図3より、材料群A(取付ピース13、光学窓部材15)の音響インピーダンスは、10kg/ms以上であり、材料群B(ホルダー主部11)の音響インピーダンスは、5kg/ms以下である。ホルダー主部11の音響インピーダンスが、圧電振動子5の音響インピーダンスの2分の1以下であり、取付ピース13、光学窓部材15の音響インピーダンスが、ホルダー主部11の音響インピーダンスの2倍以上であるということもできる。
 また、図3より、材料群Aのヤング率が100GPa以上であり、材料群Bのヤング率が10GPa以下である。ホルダー主部11の弾性率が取付ピース13の弾性率の10分の1以下であるということもできる。
 具体的に材料を選択する際に、溶液接触部分には化学耐性が必要であり、イオンが溶出するような材料は使用できない。また機械加工性も要求される。本実施の形態の例では、ホルダー主部11の材料が、PEEK(登録商標)であり、取付ピース13の材料がSUS316であり、光学窓部材15の材料がBK7である。これらは化学耐性、加工性の要求を好適に満たしている。
 次に、カンチレバー励振装置1のサイズについて説明する。本実施の形態の例では、図3に示すように、ホルダー主部11の直径は10mmである。取付領域21の厚さは2.2mmであり、窓領域23の厚さは3mmである。
 取付領域21と窓領域23の境界線は、ホルダー中心から1mmずれており、したがって、半径方向の弾性ヒンジ25の長さは、4mmである。弾性ヒンジ25の幅は、2mmである。凹部27の深さは0.7mmであり、凹部29の深さは0.5mmであり、弾性ヒンジ25の厚さは、1mmである。光学窓部材15の直径は5mmであり、窓中心はホルダー中心から1.5mmずれている。
 取付ピース13の長さは3.5mmであり、幅は2mmであり、厚さは1.5mmである。そして、レバー取付面31の傾斜は既に述べたように13度である。
 その他、取付孔37の直径は1.5mmであり、2つの取付孔37のピッチは5mmである。
 なお、ホルダー主部11のヤング率、サイズ、構造は、弾性ヒンジ25の共振周波数がカンチレバー7の共振周波数付近ないしはそれ以上の周波数になるように設計される。カンチレバー7の液中での共振周波数は、一般的には、1kHz~1MHz程度であり、カンチレバー7の母材のサイズは、一般的には、幅1.6mm、長さ3.4mm、厚さ0.3mm程度である。例えば、このサイズの母材を支持するのに適当な大きさで、かつこの範囲の周波数において変形可能な弾性ヒンジ25を実現するためには、ホルダー主部11としては1Gpa以上のヤング率をもつ材料が好適である。
 次に、カンチレバー励振装置1の製造方法の一例を説明する。まず、構成部品であるホルダー主部11、取付ピース13、光学窓部材15、圧電振動子5及びカンチレバー7を用意する。
 そして、ホルダー主部11及び取付ピース13が、圧電振動子5及びカンチレバー7の間に介在するように、圧電振動子5、カンチレバー7、ホルダー主部11及び取付ピース13を配置する。例えば、取付ピース13にカンチレバー7が取り付けられ、取付ピース13がホルダー主部11に取り付けられ、圧電振動子5もホルダー主部11に取り付けられる。また、光学窓部材15がホルダー主部11の貫通孔に嵌め込まれる。
 こうして、カンチレバー励振装置1が作られる。カンチレバー励振装置1は例えば下記のAFMに取り付けられる。
 次に、図4を参照し、本実施の形態のカンチレバー励振装置1が備えられる走査型プローブ顕微鏡(SPM)の例を説明する。この例では、SPMがAFMであり、特に、FM(Frequency Modulation)-AFMである。FM-AFMは、カンチレバーを共振周波数で自励発振させ、カンチレバーと試料の相互作用による共振周波数のシフト量を一定値に維持するようにZ方向のフィードバック制御(Z位置制御)を行う。FM-AFMは、空間分解能が高く、また、非接触モードでも使用できる。
 図4において、AFM51は、カンチレバー53と試料ホルダ55を備える。試料ホルダ55がスキャナ装置56に取り付けられている。カンチレバー53はレバーホルダ57に保持されている。カンチレバー53は探針59を有しており、試料ホルダ55上の試料に近接するように配置される。
 AFM51は、カンチレバー53のZ方向の変位を検出する変位センサ61を備える。レバー駆動制御部63はレバー変位に基づいてレバーアクチュエータ65(圧電素子)を制御し、カンチレバー53を自励発振させる。カンチレバー53が自励発振した状態で探針59が試料に接近すると、探針59と試料の相互作用に応じてカンチレバー53の共振周波数がシフトする。共振周波数シフト検出回路67は、レバー変位に基づいてカンチレバー53の共振周波数シフトを検出する。フィードバック回路69は、共振周波数シフトの検出値と目標値の差分に応じたフィードバック信号を生成する。走査制御部71は、フィードバック信号に従ってスキャナ装置56のZ軸方向の駆動を制御する。また、走査制御部71は、コンピュータ73から供給されるXY走査の制御データに従ってスキャナ装置56にXY方向の走査を行わせる。
 このようにして、スキャナ装置56は、XY走査を行いながら、探針59と試料の距離を一定に保つZ位置制御を行う。Z位置制御のフィードバック回路の出力信号は、試料のZ方向の高さに対応する。コンピュータ73は、XY走査の制御データとZ位置制御のフィードバック回路の出力信号とに基づいて、試料表面の画像を生成してモニタ75に表示する。3次元画像が好適に生成され、表示される。
 図4においては、カンチレバー53、レバーホルダ57、レバーアクチュエータ65が、上述の本実施の形態のカンチレバー7、カンチレバーホルダー3及び圧電振動子5とそれぞれ対応し、本発明のカンチレバー励振装置1を構成する。図4に示されないが、レバーホルダ57は、上述のようにホルダ主部、取付ピース及び光学窓部材で構成される。変位センサ61は、光てこ式であり、光学窓部材を通してレバー変位を検出する。また、AFM51は液中にて好適に使用される。
 以上に本実施の形態のカンチレバー励振装置1が設けられるSPMの例を説明した。次に、カンチレバー励振装置1による励振動作を説明する。
 カンチレバー7を励振するために、圧電振動子5に励振信号が印加される。励振信号は、AFMの回路から供給される電圧信号であり、周期的に変化する。励振信号は典型的には正弦波(余弦波)である。
 励振信号が印加されると、圧電振動子5が振動し、この振動が、カンチレバーホルダー3を介してカンチレバー7へ伝達される。ここで、本実施の形態の特徴として、音響波の発生及び伝播が抑制され、その代わりに弾性変形によって振動が伝達されて、カンチレバー7が振動する。
 以下、音響波の発生及び伝播の抑制と、ホルダー弾性変形による励振について、それぞれ説明する。
「音響波の発生及び伝搬の抑制」
 圧電振動子5による音響波の発生および伝搬は、圧電振動子5とそれを固定する部材の音響インピーダンス(Z)の値が大きく異なるときに抑制される。本装置は、この特性を利用して音響波の発生および伝搬を抑え、音響波に起因した構造共振の影響を著しく低下させて、カンチレバー7の周波数応答特性の複雑化を防ぐ。
 図5(a)は、本実施の形態による音響波の抑制を説明するための図である。一方、図5(b)は、比較を目的とした参考図であり、ホルダー主部の材料が取付ピースと同じステンレス鋼(SUS316)である場合の音響波の発生と伝播を示している。
 図5(a)に示すように、本実施の形態では、圧電振動子5の材料がPZT(Z=33×10kg/ms)であり、ホルダー主部11の材料がエンジニアリングプラスチック(PEEK(登録商標)、Z=3.2×10kg/ms)である。したがって、圧電振動子5の音響インピーダンスよりもホルダー主部11の音響インピーダンスが1桁以上低い。このように音響インピーダンスが異なる部材で圧電振動子5を保持することにより、音響波の発生を抑えられ、発生する音響波の強さが大幅に小さくなる。
 更に、本実施の形態は、発生する音響波の強さを小さくするだけでなく、音響波の伝播を抑制する。これは下記の材料境界により実現される。
 図5(a)において、ピース側境界81は、ホルダー主部11と取付ピース13の間の境界であり、窓側境界83は、ホルダー主部11と光学窓部材15の間の境界である。前述したように、本実施の形態では、取付ピース13の材料がステンレス鋼(SUS316、Z=36×10kg/ms)であり、光学窓部材15の材料がガラス(BK7、Z=11×10kg/ms)である。したがって、ホルダー主部11の音響インピーダンスは、これらの取付ピース13、光学窓部材15の音響インピーダンスより大幅に小さい。
 音響インピーダンスのマッチングは、材料境界における音響波の透過率に影響する。音響インピーダンスがそれぞれZa1とZa2の値をもつ2種の材料が形成する境界を考える。このような材料境界に対して音響波が垂直に入射される場合、音響波のエネルギーの透過率は以下の式で表わされる。この式は、音響インピーダンスのミスマッチが大きくなれば、透過率が低下することを示している。
 Te=(4・Za1・Za2)/(Za1+Za2
 本実施の形態において、ピース側境界81(ホルダー主部11と取付ピース13の間)では、透過率Teが約0.31であり、窓側境界83(ホルダー主部11と光学窓部材15の間)では透過率Teが約0.71である。
 このように、ピース側境界81、窓側境界83では透過率が低く、音響波はこれら境界で反射、減衰する。これらピース側境界81、窓側境界83は、圧電振動子5とカンチレバー7の間に位置しており、圧電振動子5の周囲の材料境界として機能し、圧電振動子5からカンチレバー7への音響波の伝達経路を遮断する。
 図5(a)と図5(b)を比較する。図5(b)ではホルダー主部11の材料が取付ピース13と同じステンレス鋼である。この場合、ホルダー主部11の音響インピーダンスが、取付ピース13と同じであり、更に、圧電振動子5とほぼ同じであり、光学窓部材15とも近い。そのため、音響波の発生が抑制されない。また、圧電振動子の周囲に存在する境界においても音響波が反射されず、透過率が高くなる。これに対して、本実施の形態では、音響波の発生及び伝播が抑制され、カンチレバー振動特性への音響波の影響を大幅に低減できる。
 図5(a)から明らかなように、本実施の形態では、材料境界は、圧電振動子5の周囲の全部を覆ってはいない。このように、本発明の範囲内で、材料境界は、音響波の影響を十分に低減でき、本発明の効果を十分に得られる範囲に設けられてよい。ただし、本発明の範囲で、材料境界が、圧電振動子5の周囲の全部に設けられてもよい。例えば、圧電振動子の全周がプラスチック等の材料で覆われ、さらにその全周がステンレス等の材料で覆われてよい。
「弾性変形を利用したカンチレバー励振」
 既に述べたように、本実施の形態では、音響波の発生及び伝搬を抑える代わりに、弾性ヒンジの弾性変形を利用してカンチレバー振動を励起する。
 図1(c)に示したように、本実施の形態では、ホルダー主部11に、ヒンジ構造を有する弾性ヒンジ25が設けられている。弾性ヒンジ25の片側(上面)に圧電振動子5が固定され、反対側(下面)に取付ピース13が固定されている。この構成は、圧電振動子5は弾性ヒンジ25の変形を効率的に誘起し、反対側に固定された取付ピース13を直接振動させることができる。
 図6は、本発明者が弾性変形による振動振幅を調べるために行った、二次元モデルを用いた有限要素法(FEM)による計算の結果を示している。上側は、本発明のカンチレバー励振装置の計算結果であり、ホルダー主部11の材料がエンジニアリングプラスチック(PEEK(登録商標))であり、取付ピース13の材料がステンレス鋼(SUS316)である。下側は、比較のための計算の結果であり、ホルダー主部11及び取付ピース13の材料が共にステンレス鋼(SUS316)である。計算の条件としては、圧電振動子5へ印加される励振信号が、交流電位Vp-p=1(V)、加振周波数f=148kHzに設定された。
 上側の計算結果に示されるように、本実施の形態では、ホルダー主部11の弾性率が低いため(ヤング率E=3.5GPa)、変位振幅が大きくなった。弾性ヒンジ25の反対側(取付ピース側)の部分と、そこに取り付けられた取付ピース13の振幅が大きくなり、取付ピース13及びカンチレバー7を効率的に励振できることが明らかとなった。
 一方、下側の計算結果に示されるように、ホルダー主部11の材料をステンレス鋼に置き換えた場合、ステンレス鋼の弾性率が高いため(E=197GPa)、弾性変形が大幅に小さく、振幅もほぼ0であった。
「防水機能について」
 本実施の形態は、以下に説明するように、圧電振動子5の防水の観点でも有利である。本実施の形態では、カンチレバーホルダー3を挟んで片側に圧電振動子5が配置され、反対側にカンチレバー7が配置され、カンチレバー7が液中に浸される。更に、光学窓部材15も好適に設けられる。このような構成により、圧電振動子5と溶液との接触を避けることができ、圧電振動子5と溶液の電気的絶縁を保つことができる。
 圧電振動子5と液体の接触を避けるためには、防水ポリマーで圧電振動子5を覆うことも考えられる。しかし、防水ポリマーは溶液を吸収して膨潤し、探針の試料に対する相対位置を変動させるため、測定精度低下の要因になる。このような防水ポリマーを使わなくても圧電振動子5と溶液の接触を避けることができるので、本実施の形態は有利であり、測定精度を向上できる。
 上記の防水機能は、本発明の主要な利点である音響波の影響の抑制と周波数応答特性の向上にも関係している。この点について従来の音響励振法に言及しながら説明する。
 既に本発明の背景技術として説明したように、音響励振法では、音響波が、圧電振動子とカンチレバーの間のホルダー部材の構造共振を励起し、カンチレバーの周波数応答特性を複雑化する。圧電振動子とカンチレバーが遠いと、音響波の経路が多く、複雑であり、その結果、カンチレバーの周波数応答特性が複雑になる。そこで、周波数応答特性を改善するためには、圧電振動子とカンチレバーを近づけることが考えられる。カンチレバーの近くに圧電振動子を配置する場合には圧電振動子の防水が必要である。しかし、一般的な防水手段としての防水ポリマーを使うと、防水ポリマーが膨潤し、測定精度を低下させる要因になる。
 これに対して、本実施の形態では、圧電振動子5とカンチレバー7が、カンチレバーホルダー3(ホルダー主部11及び取付ピース13)を介して離れて位置しているが、音響波の影響が少ない。そして、このような構成により、圧電振動子5と液体の直接接触を避けることができている。このように、本発明は、簡単な構成で音響波の悪影響を防ぎつつ良好な共振特性を得られるだけでなく、更には圧電振動子5の防水機能を容易に実現できるという利点をも得られる。
 上述のように、ホルダー主部11の取付領域21が窓領域23よりも薄く形成されており、かつ、圧電振動子5には、ホルダー主部11の取付領域21及び取付ピース13を介してカンチレバー7が取付けられる。この構成により、カンチレバー7を溶液に浸すために、カンチレバー7が取り付けられる取付ピース13の一部も同時に溶液に浸したとしても、ホルダー主部11の取付領域21までも溶液に浸す必要はなく、従って、取付領域21に対して取付ピース13とは反対側に取り付けられた圧電振動子5が溶液に接触することを確実に防止できる。
 なお、本実施の形態ではホルダー主部11の取付領域21が液面に接触しない構成を作用しているが、このことは圧電振動子15が溶液に接触しないようにするための必須の構成ではない。重要なことは、圧電振動子15と、溶液に浸されるカンチレバー7との間に、取付ピース13およびホルダー主部11が介在することによって、圧電振動子5と液体の直接接触を回避しているということである。
「周波数応答特性」
 図7は、本実施の形態のカンチレバー励振装置1を用いて計測したカンチレバー7の振幅・位相対周波数曲線を示している。使用したカンチレバー7はシリコン製であり、共振周波数は148kHzであり、Q値(Q-factor)は7.6であった。
 図7において、左側の2つのグラフ(a)(b)は、比較のためのデータであり、ホルダー主部11の材料としてステンレス鋼(SUS316)が用いられたときの計測結果である。上側のグラフ(a)が、振幅-周波数曲線であり、すなわち、横軸が周波数、縦軸が振幅である。また、下側のグラフ(b)は、位相-周波数曲線であり、すなわち、横軸が周波数、縦軸が位相である。グラフ(a)(b)の測定において、ホルダー材料以外の構成(部品形状、部品材料等)は、本実施の形態のカンチレバー励振装置1と同様であった。
 左上のグラフ(a)は、励振信号電圧が50mV、100mV、150mVのときの測定結果を示している。図示のように、ステンレス鋼を用いた場合、音響波が発生及び伝搬することで、カンチレバーホルダー3中の構造共振を励起し、その結果、多数の不要な振動ピークがカンチレバー共振周波数(148kHz)付近に生じている。
 左下のグラフ(b)においては、測定結果の位相-周波数曲線が、カンチレバー7のQ値から計算された曲線と共に示されている。励振信号電圧が50mV、100mV、150mVで測定結果が概ね同じであったため、1つの測定結果が示されている。
 グラフ(b)に示されるように、計算された位相-周波数曲線においては、位相が共振周波数付近で一定のスロープに沿って変化する。しかし、実測結果の位相-周波数曲線では、共振周波数付近に大きな乱れが生じており、また位相遅れが大きくなっている。
 本実施の形態のカンチレバー励振装置1は、例えば前出の周波数変調原子間力顕微鏡(FM-AFM)に好適に適用される。FM-AFMは、共振周波数付近の位相スロープを用いて探針-試料間距離を制御する。そのため、位相-周波数曲線の乱れは、定量性や安定性を著しく低下させる要因となる。
 一方、図7において、右側の2つのグラフ(c)(d)は、本発明に係るカンチレバー励振装置1におけるレバー励振特性の測定結果であり、ホルダー主部11の材料がエンジニアリングプラスチック(具体的にはPEEK(登録商標))である。ここでも、上側のグラフ(c)が、振幅-周波数曲線であり、下側のグラフ(d)が位相-周波数曲線である。
 本発明によれば、カンチレバー7の共振周波数と一致した単一ピークが観察されている。位相-周波数曲線も単調に変化する。また位相遅れも、ステンレス鋼を用いた場合と比較して極めて小さくなっている。位相-周波数曲線が共振周波数付近で単調に変化していることから、計測後に定量的な補正が可能である。
 また、振幅特性のグラフ(a)(c)を比較すると、ステンレス鋼を用いた場合と比較して、本発明の方が振幅が大きい。すなわち、本発明では、励振電圧に対する振幅の値が大きくなる。このことは、弾性ヒンジ構造の弾性変形によって、カンチレバー振動が効率的に励起されていることを示している。
 実際、現状の音響励振法では、図7の左側のグラフ(a)(b)に示されるようにカンチレバーの周波数応答特性がかなり複雑である。音響励振法は、ホルダーを介してカンチレバーを駆動しており、間接駆動といえる。間接駆動は構造が簡単であるが、ホルダーの構造共振が、カンチレバーの周波数応答特性を複雑化する。これに対して、本発明は、図7の右側のグラフ(c)(d)に示されるように、構造が簡単な間接駆動法でありながらも、周波数応答特性の複雑化を避けることができ、そして、磁気励振法や光熱励振法といった直接駆動法よりも簡便に実装および利用できるという極めて優れた効果が得られる。
 以上に本発明の好適な実施の形態について説明した。上記の実施の形態では、ホルダー主部11及び取付ピース13が、本発明の第1部分及び第2部分に相当する。本発明では、第1部分が、圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する。第2部分は、第1部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を第1部分との間に形成する。そして、これら第1部分及び第2部分が、圧電振動子とカンチレバーの間に介在している。
 このような構成により、圧電振動子と第1部分の音響インピーダンスが異なるので、音響波の発生が抑制される。また、第1部分と第2部分との間に、音響インピーダンスが変化する材料境界が形成され、音響波の伝播経路が遮断される。その一方、第1部分が、弾性変形することによって圧電振動子の振動を伝達する。
 上記発明では、カンチレバー励振装置が、従来の音響励振法と同様に圧電振動子を用いた簡単な構成を有する。しかし、従来の音響励振法が積極的に音響波を伝達するのと大きく異なり、本発明は音響波の発生及び伝播を抑える。これにより、本発明は、音響波に起因する構造共振の励起及び伝播を制限し、構造共振の影響を抑え、カンチレバー周波数応答特性の複雑化を防いでいる。音響波の代わりとして、本発明は、弾性変形を利用して圧電振動子の振動を伝達し、カンチレバーを励振する。このようにして、簡単な構成でもって、周波数応答特性の複雑化を抑えることができるカンチレバー励振装置を提供できる。
 また、図3を参照して説明したように、本発明では、第1部分(ホルダー主部11)の音響インピーダンスが、圧電振動子の音響インピーダンスの2分の1以下であり、第2部分(取付ピース13)の音響インピーダンスが、第1部分の音響インピーダンスの2倍以上でよい。このような音響インピーダンスの設定により、音響波の発生を効果的に抑制できる。また、音響波の伝播経路を効果的に遮断するように材料境界を形成できる。
 また、第1部分の弾性率が第2部分の弾性率の10分の1以下でよい。このような弾性率の設定により、圧電振動子の振動を効果的にカンチレバーに伝達できる。
 また、上述の実施の形態では、第1部分が、ホルダー主部11であり、第2部分が、ホルダー主部11にカンチレバー7を取り付ける取付ピース13(取付部材)であり、ホルダー主部11に弾性ヒンジ25が設けられ、圧電振動子5及び取付ピース13が弾性ヒンジ25の一方及び他方にそれぞれ取り付けられている。このような構成により、弾性ヒンジ25を利用して圧電振動子5の振動を効果的にカンチレバー7に伝達できる。
 本発明の範囲内で、弾性ヒンジは図1の構成に限定されない。弾性ヒンジは、ヒンジ領域(部材の少なくとも一部の領域)の弾性変形をヒンジ領域周囲よりも増大する構造を有する。典型的には、局所的な薄肉部によって弾性ヒンジが形成される。各種の弾性ヒンジが本発明に適用されてよい。
 ヒンジ構造の変形例としては、2つの薄肉部が、圧電振動子5及び取付ピース13の取付位置の両側に設けられてよい。この場合、2つの薄肉部とそれらにより挟まれた部分が、弾性ヒンジとして機能する。
 また、別の変形例では、ヒンジ領域の部材が、周囲部分の部材と異なってよい。例えば板状の部材がホルダー主部の開口などに取り付けられる。板状部材の弾性率が周囲のホルダー主部より小さくてよい。この板状部材の両側に圧電振動子と取付部材が固定されてよい。
 また、上述の実施の形態では、カンチレバーホルダーがホルダー主部と取付ピースで構成されており、つまり、1つの第1部分と1つの第2部分で構成されている。しかし、本発明の範囲内で、カンチレバーホルダーは、複数の第1部分を備えてよい。また、カンチレバーホルダーは、複数の第2部分を備えてよい。例えば、複数の第1部分及び複数の第2部分が交互に積層されてよい。
 また、上述の実施の形態で説明されたように、カンチレバーホルダー3が、カンチレバー7の変位の測定光を透過させる光学窓部材15を有してよく、光学窓部材15がホルダー主部11と異なる音響インピーダンスを有し、ホルダー主部11との間に音響波の伝播を遮断する材料境界を形成してよい。
 このような構成により、光学窓部材15も音響波の伝播経路の遮断に寄与し、構造共振の影響の低減に寄与する。したがって、光学窓部材を設けた構成においても、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を効果的に防ぐことができる。
 また、上述の実施の形態では、圧電振動子5の一部が露出しており、ホルダー主部11と接していない。また、材料境界も圧電振動子5の周囲の全体には形成されていない。しかし、本発明の範囲で、圧電振動子5の全周が、圧電振動子5と異なる音響インピーダンスを有する少なくとも一の部材で取り囲まれてよい。さらにその周囲が、異なる音響インピーダンスを有する部材で囲まれてよい。このような構成により、更に確実に音響波の影響を抑え、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を効果的に防ぐことができる。
 また、本発明の一態様は、上記のカンチレバー励振装置1を備えた走査型プローブ顕微鏡である。この構成により、カンチレバーの周波数応答特性の複雑化を防ぎ、良好な特性を用いて測定を行える。
 本発明は、特に、液中ダイナミックモードAFMに適しており、周波数応答特性が複雑でないので、フォースカーブ測定の定量性、安定性を著しく向上でき、測定の安定性及び信頼性を向上できる。
 また、本発明は、可能な範囲で液中ダイナミックモードAFM以外にも適用されてよい。例えば、本発明はSNOM(走査型近接場光学顕微鏡;scanning near-field optical microscope)に適用されてよい。SNOMはAFMの原理を応用しており、AFMの一種ということもできる。
 本発明の別の態様は、上述したように圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達してカンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振方法である。また、本発明の別の態様は、上述したようなカンチレバー励振装置の製造方法である。
 これら別の態様によっても本発明の利点が同様に得られる。また、本発明の各種の付加的構成は、上述のカンチレバー励振装置以外の各種態様にも適用されてよい。
 以上に本発明の好適な実施の形態を説明した。しかし、本発明は上述の実施の形態に限定されず、当業者が本発明の範囲内で上述の実施の形態を変形可能なことはもちろんである。
 以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明したが、本実施の形態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されている。
 以上のように、本発明にかかるカンチレバー励振装置は、カンチレバーの周波数応答特性を改善できるという効果を有し、液中ダイナミックモードAFMなどに好適に用いられる。
 1 カンチレバー励振装置
 3 カンチレバーホルダー
 5 圧電振動子
 7 カンチレバー
 11 ホルダー主部
 13 取付ピース
 15 光学窓部材
 21 取付領域
 23 窓領域
 25 弾性ヒンジ
 31 レバー取付面
 33 レバーベース部
 35 レバー部
 37 取付孔
 81 ピース側境界
 83 窓側境界

Claims (11)

  1.  カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置であって、
     カンチレバーと、
     前記カンチレバーを保持するカンチレバーホルダーと、
     前記カンチレバーホルダーに取り付けられる圧電振動子とを備え、
     前記カンチレバーホルダーが、
     前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する第1部分と、
     前記第1部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第1部分との間に形成する第2部分とを有し、
     前記圧電振動子と前記カンチレバーの間に前記第1部分及び前記第2部分が介在していることを特徴とするカンチレバー励振装置。
  2.  前記第1部分の音響インピーダンスが、前記圧電振動子の音響インピーダンスの2分の1以下であり、
     前記第2部分の音響インピーダンスが、前記第1部分の音響インピーダンスの2倍以上であることを特徴とする請求項1に記載のカンチレバー励振装置。
  3.  前記第1部分の弾性率が前記第2部分の弾性率の10分の1以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のカンチレバー励振装置。
  4.  前記圧電振動子と前記第2部分との間に前記第1部分が介在し、前記第1部分と前記カンチレバーとの間に前記第2部分が介在することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のカンチレバー励振装置。
  5.  前記第1部分が、弾性ヒンジを有するホルダー主部であり、
     前記第2部分が、前記ホルダー主部に前記カンチレバーを取り付ける取付部材であり、
     前記圧電振動子及び前記取付部材が前記弾性ヒンジの一方及び他方にそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項4に記載のカンチレバー励振装置。
  6.  前記カンチレバーホルダーが、前記カンチレバーの変位の測定光を透過させる光学窓部材を有し、前記光学窓部材が前記ホルダー主部と異なる音響インピーダンスを有し、前記ホルダー主部との間に音響波の伝播を遮断する材料境界を形成していることを特徴とする請求項5に記載のカンチレバー励振装置。
  7.  前記圧電振動子の全周を前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有する少なくとも一の部材で取り囲むことを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載のカンチレバー励振装置。
  8.  請求項1~7のいずれかに記載のカンチレバー励振装置を備えた走査型プローブ顕微鏡。
  9.  前記カンチレバー励振装置は、前記カンチレバー及び前記カンチレバーを保持する前記カンチレバーホルダーの部分が液体に浸され、かつ、前記圧電振動子が取り付けられる前記カンチレバーホルダーの部分が液体から分離した状態で用いられることを特徴とする請求項8に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  10.  圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達して前記カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振方法であって、
     前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達する第1部分と、前記第1部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第1部分との間に形成する第2部分とを備えるカンチレバーホルダーを設け、
     前記第1部分及び前記第2部分が前記圧電素子及び前記カンチレバーの間に介在するように、前記圧電振動子と前記カンチレバーを配置し、
     前記圧電振動子に励振電圧信号を印加し、
     前記材料境界によって前記圧電振動子の音響波の伝播を制限しつつ、前記第1部分の弾性変形により前記圧電振動子の振動を前記カンチレバーに伝えて前記カンチレバーを励振することを特徴とするカンチレバー励振方法。
  11.  圧電振動子の振動をカンチレバーに伝達して前記カンチレバーの振動を励起するカンチレバー励振装置の製造方法であって、
     カンチレバーホルダーの構成部品として第1部分及び第2部分を用意し、前記第1部分は、前記圧電振動子と異なる音響インピーダンスを有し、前記圧電振動子の振動を弾性変形によって伝達するための部品であり、前記第2部分は、前記第1部分と異なる音響インピーダンスを有し、音響波の伝播を遮断する材料境界を前記第1部分との間に形成するための部品であり、
     前記第1部分及び前記第2部分が前記圧電素子及び前記カンチレバーの間に介在するように、前記圧電振動子、前記カンチレバー、前記第1部分及び前記第2部分を配置することを特徴とするカンチレバー励振装置の製造方法。
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