WO2023112589A1 - 防振除振機構付きａｆｍホルダー - Google Patents

防振除振機構付きａｆｍホルダー Download PDF

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WO2023112589A1
WO2023112589A1 PCT/JP2022/042658 JP2022042658W WO2023112589A1 WO 2023112589 A1 WO2023112589 A1 WO 2023112589A1 JP 2022042658 W JP2022042658 W JP 2022042658W WO 2023112589 A1 WO2023112589 A1 WO 2023112589A1
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vibration
hollow pipe
afm
probe
holder
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PCT/JP2022/042658
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English (en)
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Inventor
健 三浦
Original Assignee
株式会社ユニソク
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • 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
    • G01Q70/02—Probe holders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • 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
    • G01Q70/02—Probe holders
    • G01Q70/04—Probe holders with compensation for temperature or vibration induced errors

Definitions

  • the present invention relates to an AFM holder with a vibration isolation mechanism used in an AFM (Atomic Force Microscope) atomic force microscope.
  • SPM Sccanning Probe Microscope
  • SPM scanning Probe Microscope scanning probe microscope is a device that can observe the surface of a sample with a resolution of nanometer order or less.
  • Force Microscope KFM (Kelvin Force Microscope) Surface Potential Microscope, UHV (Ultra High Vacuum) - STM Ultra High Vacuum Scanning Tunneling Microscope, UHV (Ultra High Vacuum) - AFM Ultra High Vacuum Atomic Force Microscope, SNOM (Scanning Near -field optical microscope) scanning near-field optical microscope and the like.
  • AFM AFM atomic force microscope
  • a vibrating reed with a probe attached to the tip is brought close to the sample surface while vibrating at the resonance frequency, and the probe and the sample surface contact each other.
  • the interaction force is detected as a frequency shift of the vibrating probe, and the sample surface shape is measured by scanning in the horizontal direction while feedback-controlling the distance between the probe and the sample surface so that the frequency shift is constant.
  • a frequency shift image is measured by horizontal scanning with the probe fixed between samples.
  • the piezoelectric element or the like is provided on the AFM head side, which is below the lower attachment/detachment surface of the AFM holder that supports the vibrating piece, and the entire AFM holder is excited. I was letting However, if the entire AFM holder is excited, the number of parts to be excited increases, so multiple vibration modes are likely to occur. The number of parts to be used increases, and the number of vibration modes increases accordingly. Even if the Q value is increased by anti-vibration isolation in an attempt to suppress the influence of these vibration modes, vibration cannot be transmitted and excitation cannot be performed.
  • Patent Document 1 discloses an atomic force microscope that excites a vibrating bar without exciting the entire AFM holder in order to eliminate noise such as vibration characteristics of the AFM holder itself.
  • the atomic force microscope described in Patent Document 1 has a structure that does not vibrate the AFM holder by providing a rubber O-ring with a different acoustic impedance from the glass plate as a vibration insulating material on the glass plate that transmits vibration.
  • the rubber O-ring converts the vibrational energy into thermal energy through internal friction while having a large contact area along the circumference. As a result, sufficient anti-vibration effect cannot be obtained, and the Q value cannot be increased. Furthermore, rubber and resin wear and deteriorate with use, causing vibration noise.
  • An object of the present invention is to provide an AFM holder with an anti-vibration mechanism that increases frequency stability and is free from wear and the like.
  • An AFM holder with a vibration isolation mechanism has a sensor mechanism and a vibration isolation mechanism.
  • the vibration isolation mechanism comprises a plate fixed on the front side so as to be adjacent to the sensor mechanism, and a hollow columnar shape fixed on the back side of the plate at one point on the circumference in a vertical cross-sectional view. and a pipe.
  • the sensor mechanism has a vibrating bar having a probe at its free end, and the hollow pipe is fixed to the plate with the axial direction of the hollow pipe being substantially perpendicular to the longitudinal direction of the vibrating bar. It is characterized by
  • the vibration mechanism is a crystal oscillator
  • the hollow pipe is fixed to the plate material with the axial direction of the hollow pipe being substantially perpendicular to the longitudinal direction of the crystal oscillator when viewed from the top. do.
  • the natural frequency of the bending vibration of the plate material in the longitudinal direction of the vibrating piece or the natural frequency of the bending vibration of the plate material in the longitudinal direction of the crystal oscillator when viewed from the top and the natural frequency of the bending vibration of the hollow pipe in the circumferential direction are different from each other.
  • the plate material is characterized by containing diamond.
  • the sensor mechanism is characterized by comprising a sensor base that includes a diamond adjacent to the vibrating mechanism.
  • a sensor mechanism and an anti-vibration mechanism are provided, and the sensor mechanism includes a probe brought close to the sample surface and a vibration mechanism for exciting the probe.
  • the vibration mechanism includes a plate fixed on the front side so as to be adjacent to the sensor mechanism, and a cylindrical hollow pipe fixed on the back side of the plate at one point on the circumference in a vertical cross-sectional view. Bending vibration and longitudinal vibration can be isolated and vibration-isolated, Q value can be increased, and AFM observation can be performed while maintaining frequency stability.
  • the hollow pipe is fixed to the plate with the axial direction of the hollow pipe being substantially perpendicular to the longitudinal direction of the vibrating element.
  • the hollow pipe can be fixed so as to be in point contact with respect to the vibrating direction of the vibrating bars, and the effects of vibration isolation and vibration isolation can be enhanced.
  • the probe is attached to the crystal oscillator, which has a sufficiently large spring constant, the probe is prevented from coming into contact with the sample surface due to the atomic force. Since it is fixed to the plate in a direction that is substantially perpendicular to the direction of the crystal oscillator, the hollow pipe can be fixed so as to make point contact with the vibration direction of the crystal unit, and the effect of vibration isolation and vibration isolation is enhanced. be able to.
  • the natural frequency of the bending vibration of the plate material in the longitudinal direction of the vibrating piece or the natural frequency of the bending vibration of the plate material in the longitudinal direction of the crystal unit when viewed from the top and the natural frequency of the bending vibration of the hollow pipe in the circumferential direction Since the numbers and are different from each other, it is possible to suppress the propagation of bending vibration.
  • the sensor mechanism since the sensor mechanism has a sensor base containing diamond adjacent to the vibration mechanism, it is possible to effectively isolate bending vibration.
  • FIG. 1 is a schematic side view of an AFM holder with an anti-vibration mechanism according to a first embodiment of the present invention, in which the vibration mechanism is an excitation piezo and the vibrating piece is a TF-type crystal oscillator;
  • FIG. 1A is a schematic side view of an AFM holder with an anti-vibration mechanism according to a first embodiment of the present invention, in which the vibration mechanism is an excitation piezo and the vibrating bars are single-split tuning-fork crystal oscillators;
  • FIG. (b) is a schematic side view of the AFM holder with vibration isolation mechanism according to the first embodiment of the present invention, in which the vibration mechanism is an excitation piezo, and the vibration piece is a semi-electrode crystal resonator.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing an AFM holder with a vibration isolation mechanism according to a second embodiment of the present invention in which the vibration mechanism is an excitation piezo and the vibration piece is a cantilever optical lever system.
  • FIG. 10 is a schematic side view showing an AFM holder with a vibration isolating mechanism according to a third embodiment of the present invention, in which the vibration mechanism is an LER type crystal oscillator;
  • (a) It is a schematic perspective view showing the upper surface and the vibration direction of the LER crystal oscillator.
  • FIG. 1 A schematic diagram showing the longitudinal direction of the upper surface, the axial direction of the hollow pipe, and the vibration direction.
  • (a) is a schematic perspective view showing the top surface and the vibration direction of a TF crystal resonator.
  • FIG. 1 A schematic diagram showing the longitudinal direction of the upper surface, the axial direction of the hollow pipe, and the vibration direction.
  • (a) is a schematic vertical side view showing an AFM holder with an anti-vibration mechanism according to a third embodiment of the present invention in which the vibration mechanism is a TF-type crystal resonator.
  • (b) A schematic side view showing an AFM holder with an anti-vibration mechanism according to a third embodiment of the present invention in which the vibration mechanism is a one-sided tuning fork crystal oscillator.
  • (a) is a schematic side view showing an AFM holder with an anti-vibration mechanism according to a third embodiment of the present invention, in which the vibration mechanism is a shear force type crystal resonator.
  • (b) A schematic side view showing an AFM holder with a vibration isolation mechanism according to a third embodiment of the present invention, in which the vibration mechanism is a semi-electrode crystal oscillator.
  • (a) It is a schematic perspective view showing the AFM holder with a vibration isolation mechanism according to the first embodiment of the present invention when the sensor base is used in an upright position.
  • (b) A schematic perspective view showing an AFM holder with a vibration isolation mechanism according to a third embodiment of the present invention when the sensor base is used in an upright position.
  • AFM holders 100, 200, and 300 with anti-vibration mechanisms will be described in detail below with reference to the drawings.
  • vibration isolation means to confine the vibration generated in the system within the system, and vibration isolation means to prevent external force such as vibration from outside the system from being transmitted to the system.
  • one system is formed by the sensor mechanisms 2a, 2b, 2c and the anti-vibration mechanisms 3a, 3b, 3c.
  • FIG. 1 is a schematic side view showing an AFM holder 100 with a vibration isolation mechanism according to a first embodiment of the invention.
  • the AFM holder 100 with anti-vibration mechanism has a sensor mechanism 2a and an anti-vibration mechanism 3a.
  • a probe 5 a TF-type crystal oscillator 6a as a vibrating piece 6, a detection electrode 7, and a sensor base 8.
  • a pipe 10 a pipe 10;
  • an external holder base portion H is provided at the lower portion of the hollow pipe 10 .
  • they are fixed with an epoxy resin, an adhesive, or the like so as to form layers in sequence. For convenience of explanation, each component in the drawing is drawn larger than the actual scale.
  • the AFM holder 100 with vibration isolating mechanism mechanically moves the probe 5 via the TF type crystal oscillator 6a which is the vibrating piece 6 using the exciting piezo 4a which is the vibrating mechanism 4. It is (indirectly) excited.
  • the sensor mechanism 2a is a mechanism for sensing changes in the vibration of the probe 5 and recognizing the state of the sample surface.
  • an excitation piezo 4a which is a vibration mechanism 4 provided below the probe 5
  • mechanically excites the probe 5 via a TF-type crystal oscillator 6a which is a vibrating piece 6.
  • a probe 5 is provided so as to be close to the sample surface S at the free end of the TF crystal oscillator 6a.
  • a sensor base 8 is provided next to the vibrating mechanism 4 to support the TF type crystal resonator 6a.
  • the probe 5 is formed in the shape of a polygonal pyramid or a cone, and is provided at the free end portion F of the leg 11 of the TF crystal oscillator 6a so that the tip thereof is close to the surface S of the sample.
  • an attractive force or a repulsive force is generated between the probe 5 and the sample surface S due to Van der Waals force, covalent bond force, and the like. Then, changes occur in the vibration frequency and amplitude of the probe 5, and an AFM image is created from the vibration information.
  • the vibrating bar 6 is a TF (Tuning Fork) type crystal vibrator 6a having two legs 11, and is fixed to the sensor base 8 so as to fall sideways.
  • a probe 5 is provided at the free end F. It has the role of transmitting the vibration propagated from the excitation piezo 4a to the probe 5 and the role of detecting the interaction force acting on the probe 5 and the sample surface S as a frequency shift of the vibrating vibrating bar 6 .
  • the vibrating piece 6 may be a split tuning fork crystal oscillator 6b having one leg 11, as shown in FIG. 2(a).
  • the split tuning fork type crystal oscillator 6b has the probe 5 attached to one leg 11 and the other leg 11 is cut off.
  • the vibrating bar 6 may be a semi-electrode crystal vibrator 6c having two bases of the legs 11, but having the electrode circuit C only on one of the legs 11. .
  • the vibration mechanism 4 is an excitation piezo 4a, which is fixed to the sensor base 8 by a material that can be peeled off with an organic solvent such as epoxy resin or instant adhesive, or by a replaceable method using a screw or spring retainer. It is Vibration of the excitation piezo 4a mechanically excites the probe 5 at the resonance frequency via the sensor base 8 and the vibrating bar 6 .
  • the detection electrode 7 and the excitation electrode are not close to each other. (capacitance current) can be prevented from flowing. Further, by sandwiching the excitation piezo 4a between GND electrodes (not shown) and electrostatically shielding, it is possible to further prevent crosstalk (capacitive current) from flowing. By preventing the flow of crosstalk (capacitive current), no signal noise is generated, and the accuracy of AFM observation can be improved.
  • the excitation piezo 4a is stacked in two layers. Since the two-layered structure allows double excitation, the detection signal with respect to the excitation voltage is doubled. Therefore, the two-layer configuration can substantially halve crosstalk. However, if necessary, the number of laminations may be one or three or more, and the number of laminations is not limited.
  • the excitation piezo 4a is made of lead zirconate titanate (PZT).
  • the excitation piezo 4a may be made of lead titanate, lead metaniobate, bismuth titanate, or crystal, and is not limited as long as it is a piezoelectric element.
  • the detection electrode 7 detects force by utilizing the change in resonance frequency when force acts between the probe 5 and the sample surface when the probe 5 is brought close to the sample surface.
  • the detected signal current is sent to an FM demodulator (not shown) to detect the frequency and estimate the force from the measured frequency shift.
  • An AFM image is obtained by two-dimensionally manipulating the sample surface while feedback-controlling the distance between the probe 5 and the sample surface so that the frequency shift is constant.
  • the detection electrode 7 is connected to an amplifier 13 .
  • Amplifier 13 is either a charge amplifier or a current amplifier.
  • the sensor base 8 is adjacent to the excitation piezo 4a, which is the vibration mechanism 4, and is a stand for supporting the TF crystal oscillator 6a that functions as a sensor.
  • Diamond which has a high specific rigidity, is preferably used for the sensor base 8 .
  • Other materials such as sintered diamond, alumina, ceramics and carbon fiber plastic (CFRP), epoxy glass, quartz plate, etc. are not limited as long as they have high specific rigidity, and can be changed as appropriate according to the application. is.
  • the vibration isolation mechanisms 3 a , 3 b , 3 c each have a plate member 9 and a hollow pipe 10 .
  • the plate member 9 and the hollow pipe 10 are fixed with an epoxy resin or an adhesive, and are provided between the sensor base 8 and the holder base portion H.
  • the vibration isolating mechanisms 3a, 3b, 3c bring the upper sensor mechanisms 2a, 2b, 2c and the holder base portion H closer to a physically separated state in the figure, and reduce the propagation constant of vibration as much as possible. It has a role to make small.
  • the plate member 9 isolates bending vibration
  • the hollow pipe 10 isolates parallel vertical vibration.
  • the vibration isolating mechanisms 3a, 3b, and 3c have a vibration isolating effect of confining the vibration propagated from the sensor mechanisms 2a, 2b, and 2c within the system, and also have a vibration isolating effect below the holder base portion H, which is outside the system (not shown). It has the effect of isolating vibration by suppressing the propagation of changes due to mechanical vibration mode changes and strains generated from the head portion and the like into the system.
  • the vibration isolation mechanisms 3a, 3b, and 3c have effects of vibration isolation and vibration isolation, so that the Q value in the system can be increased. By increasing the Q value, the overall stability of AFM observation can be obtained.
  • an important effect is that it is not affected by the holder attachment/detachment surface (not shown) located below the holder base portion H of the vibration isolation mechanisms 3a, 3b, and 3c.
  • the mounting/removing surface of the holder must have a structure with low rigidity, and is easily affected by changes in vibration mode and distortion on the AFM head side. If a very slight change in the contact area of the attachment/detachment surface and the mechanical constant affected by this is propagated to the sensor mechanisms 2a, 2b, and 2c, the frequency shift will fluctuate or be modulated. Then, since AFM observation is performed with frequency shift, it is affected not only by the atomic force but also by mechanical changes on the head side.
  • vibration isolation mechanisms 3a, 3b, and 3c By using the vibration isolation mechanisms 3a, 3b, and 3c, even if there is a structure with weak rigidity such as the holder attachment/removal surface, a state in which they are physically separated can be realized, and the influence thereof can be detected by the sensor mechanisms 2a, 2b, and 2c. erroneous detection is eliminated.
  • the lower part of the sensor base 8 or the lower part of the excitation piezo 4a may be used, and the position is not necessarily limited. not a thing It is important that the presence of the anti-vibration mechanisms 3a, 3b, and 3c separates the influence of the AFM head.
  • the plate member 9 is a plate with small dimensional change and deformation against bending and twisting forces and high rigidity, and is fixed to the excitation piezo 4a.
  • the plate material 9 is preferably made of diamond, which has a high specific rigidity.
  • Other materials such as sintered diamond, alumina, epoxy glass, ceramics, and carbon fiber plastic (CFRP) are not limited as long as they have a high specific rigidity.
  • the natural frequency of the bending vibration of the plate material 9 in the longitudinal direction of the vibrating bars 6 is different from the frequency of the vibrating bars 6 .
  • the natural frequency of bending vibration of the plate member 9 in the longitudinal direction of the TF-type crystal oscillator 6a differs from that of the vibrating TF-type crystal oscillator 6a by about 10 to 100 times.
  • the thickness of the plate member 9 is increased to suppress bending vibration, but it is preferable that the thickness be such that the center of gravity above the hollow pipe 10 is raised and does not sway from side to side during AFM observation.
  • the hollow pipe 10 is a hollow columnar tube made of stainless steel or the like, and is provided below the layer of the plate member 9 and above the layer of the holder base portion H. As shown in FIG. The hollow pipe 10 is fixed to the plate member 9 and the holder base portion H at one point on the circumference of the hollow pipe 10 in a vertical sectional view with an epoxy resin or an adhesive.
  • the cross-sectional shape of the hollow pipe 10 is hollow circular. Vibrations transmitted from the plate member 9 or the like are first transmitted as longitudinal waves, then converted to transverse waves, propagated along the circumference of the hollow pipe 10, and partially converted to longitudinal waves at the contact points with the holder base H and propagated. , and the rest circulate as transverse waves. In this way, the transformation between transverse and longitudinal waves is repeated over the circumference of the hollow pipe 10 . As a result, parallel vertical vibration transmitted from the plate member 9 or the holder base portion H can be damped and eliminated.
  • Vibrational energy is stored in the hollow pipe 10 instead of absorbing the vibrational energy as heat energy due to internal friction and attenuating the vibration as in the case of using an elastic member whose interior is filled with rubber or the like. Vibrational energy can be mechanically confined within the system without being converted into thermal energy or the like, and as a result, the Q value can be increased.
  • the hollow pipe 10 is fixed to the plate member 9 so that the axial direction of the hollow pipe 10 is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the TF crystal oscillator 6a.
  • the axial direction of the hollow pipe 10 is determined so that the vibration of the sensor mechanism 2a is substantially point-contacted on the generatrix L of the hollow pipe 10 in contact with the plate member 9. As shown in FIG.
  • the natural frequency of the bending vibration of the hollow pipe 10 in the circumferential direction is different from the natural frequency of the bending vibration of the plate member 9 in the longitudinal direction of the vibrating bars 6 .
  • the natural frequency of the bending vibration of the hollow pipe 10 in the circumferential direction differs from the natural frequency of the bending vibration of the plate member 9 in the longitudinal direction of the TF crystal oscillator 6a by about 10 to 100 times.
  • the hollow pipe 10 may be a comb-shaped hollow pipe 10a hollowed out in a comb shape, as shown in FIGS. 3(a) and 3(b).
  • the plurality of comb portions 10b are vertically fixed by the shaft portion 10c so as to face in the same direction. It is preferable to arrange the comb portion 10b in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the TF crystal oscillator 6a at the contact point between the comb portion 10b and the plate member 9 in order to enhance the effect of vibration isolation.
  • the number of hollow pipes 10 may be one or more depending on the application, as long as structural restrictions allow. Since it is fixed at one point of contact on the circumference, a plurality of hollow pipes 10 can support the plate member 9 stably. Further, if necessary, the cross-sectional shape of the hollow pipe 10 may be oval rather than circular.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing an AFM holder 200 with an anti-vibration mechanism according to the second embodiment.
  • the AFM holder 200 with anti-vibration mechanism creates an AFM image by using an optical lever method that detects the frequency shift of the cantilever beam 6d, which is the vibrating piece 6, with a laser beam.
  • the optical lever method is a method in which the tip of the cantilever beam 6d provided with the probe 5 is irradiated with a laser beam and the displacement of the reflected light is measured.
  • the resonance frequency of the cantilever beam 6d changes due to the physical force such as the atomic force acting between the probe 5 and the sample surface S.
  • AFM observation is performed by controlling the distance between the probe 5 and the sample surface S to be constant by measuring with reflected light.
  • the AFM holder 200 with a vibration isolation mechanism has a sensor mechanism 2b and a vibration isolation mechanism 3b, as in the first embodiment. 5, an excitation piezo 4a that is a vibration mechanism 4 that excites the probe 5, a cantilever beam 6d that is a vibrating piece 6 provided at the free end F of the probe 5, and a sensor base that supports the cantilever beam 6d. 8 and .
  • the excitation piezo 4a is used as the vibration mechanism 4 to mechanically excite the probe 5 at the resonance frequency via the sensor base 8 and the cantilever beam 6d.
  • the vibrating bar 6 is a cantilever beam 6d.
  • the cantilever beam 6d By using the cantilever beam 6d, it is possible to make the spring constant smaller than that of the legs 11 of the crystal oscillators 6a, 6b, and 6c and to make the resonance frequency larger than that of the legs 11 of the crystal oscillators 6a, 6b, and 6c depending on the application. , 6c, and the crystal oscillators 6a, 6b, 6c.
  • the sensor base 8 is preferably made of silica, a semiconductor substrate, or the like.
  • FIG. 5 is schematic side views showing an AFM holder 300 with a vibration isolation mechanism according to a third embodiment of the invention.
  • an AFM holder 300 with a vibration isolation mechanism according to the third embodiment has a sensor mechanism 2c and a vibration isolation mechanism 3c.
  • a LER (Length Extension) type crystal resonator 4b which is a vibration mechanism 4 having a
  • the vibration isolation mechanism 3 c includes a plate member 9 and a hollow pipe 10 .
  • a holder base portion H which is outside the system, is provided below the AFM holder 300 with vibration isolation mechanism.
  • the excitation piezo 4a is used to mechanically excite the probe 5, but in the third embodiment, the probe 5 is electrically (directly) excited. ).
  • the vibrating mechanism 4 is a LER crystal oscillator 4b.
  • the vibrating mechanism 4 may be a TF crystal oscillator 4c or a single tuning fork crystal oscillator 4d as shown in FIGS. 8(a) and 8(b) instead of the LER crystal oscillator 4b.
  • a shear force crystal oscillator 4e having a base 14 on a vertical TF crystal oscillator and a probe 5 on the base 14 may be used. As shown in FIG.
  • the vibration mechanism 4 preferably uses a semi-electrode crystal oscillator 4f or a crystal oscillator such as a double-ended tuning fork (DETF) crystal oscillator (not shown). Used. When using the LER type crystal oscillator 4b or the DETF type crystal oscillator, it is vertically placed and fixed to the sensor base 8, and the probe 5 faces upward.
  • a semi-electrode crystal oscillator 4f or a crystal oscillator such as a double-ended tuning fork (DETF) crystal oscillator (not shown).
  • DETF tuning fork
  • the vibration mechanism 4 is a shear force type crystal oscillator 4e, it is also fixed vertically with respect to the sensor mechanism 8, and the probe 5 faces upward. 14 may be obliquely attached to the TF type crystal unit in the direction of the depth tilt angle.
  • the LER crystal resonator 4b is provided with a detection electrode 7 and an excitation electrode 12.
  • the minute probe 5 fixed to the free end portion F of the LER crystal resonator 4b is electrically excited at the resonance frequency.
  • the AFM measurement method is to create an AFM image with an FM (Frequency Modulation)-AFM measurement system based on a frequency modulation method.
  • the detection electrode 7 detects force by utilizing the change in resonance frequency when force acts between the probe 5 and the sample surface S when the probe 5 is brought close to the sample surface S.
  • FIG. The current of the detection signal is sent to an FM demodulator (not shown) to detect the frequency, and the force is estimated from the measured frequency shift.
  • An AFM image is obtained by two-dimensionally manipulating the sample surface while feedback-controlling the distance between the probe 5 and the sample surface S so that the frequency shift is constant.
  • the vibration mechanism 4 is a vibrating body made of lead zirconate titanate (PZT), lead titanate, lead metaniobate, bismuth titanate, or the like. It may be a child, and it is not limited as long as it is a piezoelectric element.
  • PZT lead zirconate titanate
  • lead titanate lead metaniobate
  • bismuth titanate or the like. It may be a child, and it is not limited as long as it is a piezoelectric element.
  • the axial direction of the hollow pipe 10 is oriented so that the vibration of the foot 11 is substantially point-contacted on the generatrix L of the hollow pipe 10 in contact with the plate member 9 . That is, the hollow pipe 10 is fixed to the plate member 9 so that the axial direction of the hollow pipe 10 is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the TF type crystal oscillator 4c when viewed from above.
  • the vibration patterns of the LER crystal oscillator 4b and the TF crystal oscillator 4c are such that the probe 5 is perpendicular to the sample surface S. Or it vibrates to move horizontally.
  • the hollow pipe 10 is fixed to the plate member 9 so as to substantially make point contact on the generatrix L where the hollow pipe 10 contacts the plate member 9 against vibration in this direction. If the direction of the hollow pipe 10 were to be different by 90 degrees, it would substantially be in line contact with the vibration direction at the generatrix L, and the Q value would not increase.
  • the LER crystal oscillator 4b or the TF crystal oscillator 4c vibrates vertically or longitudinally on the upper surface A of the crystal oscillators 4b and 4c. Therefore, the hollow pipe 10 is fixed to the plate member 9 so that the axial direction of the hollow pipe 10 is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the upper surface A, that is, the direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the crystal unit when viewed from above.
  • the plate member 9 in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the crystal oscillators 4b and 4c in top view, the effect of vibration isolation and vibration isolation can be enhanced, and the Q value can be increased.
  • the natural frequency of the bending vibration of the plate material 9 in the longitudinal direction of the crystal oscillators 4b, 4c, 4d, 4e, and 4f is the same as the frequency of the vibrating crystal oscillators 4b, 4c, 4d, 4e, and 4f. is making a difference.
  • the natural frequency of the bending vibration of the plate member 9 in the longitudinal direction of the LER crystal oscillator 4b in top view is different from that of the vibrating LER crystal oscillator 4b by several to 100 times.
  • the plate material 9 can be Alternatively, bending vibration propagated from outside the system is damped and isolated.
  • the natural frequency of the bending vibration of the hollow pipe 10 in the circumferential direction is differentiated from the natural frequency of the bending vibration of the plate material 9 in the longitudinal direction of the crystal oscillators 4b, 4c, 4d, 4e, and 4f in top view. ing. Specifically, the natural frequency of the bending vibration of the hollow pipe 10 in the circumferential direction differs from the natural frequency of the bending vibration of the plate member 9 in the longitudinal direction of the LER crystal resonator 4b in the top view by about several to 100 times. .
  • the sensor base 8 may be used standing up against the excitation piezo 4a and the plate member 9.
  • FIG. 10(a) and 10(b) the sensor base 8 may be used standing up against the excitation piezo 4a and the plate member 9.
  • the AFM image is created by the FM-AFM measurement system, but in all the embodiments, the AFM image may be created by the AM-AFM measurement system such as AFM in liquid. good.
  • the probe 5 is perpendicular to the sample surface S.
  • the stylus 5 may be brought close, and the measurement environment, measurement method, and the like are not limited as long as the vibration isolation mechanisms 3a, 3b, and 3c are used.
  • the vibration isolating mechanisms 3a, 3b, and 3c have a two-stage structure composed of the plate member 9 and the hollow pipe 10. If so, the plate material 9 and the hollow pipe 10 may be fixed again to the lower part of the hollow pipe 10 to form a four-stage structure.
  • a four-stage configuration it may be possible to further enhance the effect of damping bending vibration and parallel up-and-down vibration as compared with the two-stage configuration.
  • it is possible on account of the design it is possible to build up a structure of six or eight stages.
  • the present invention has the effect of vibration isolation and vibration isolation, can increase the Q value in the system and improve the frequency stability, and can be applied to AFM holders in general.

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Abstract

【課題】ＡＦＭホルダー全体を励振させずにセンサ機構のみを励振させるものであって、高い防振除振効果を得てＱ値を上げると同時に、周波数安定性を増し、さらに摩耗等の懸念がない防振除振機構付きＡＦＭホルダーを提供すること。 【解決手段】センサ機構２ａ，２ｂ，２ｃと、防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃと、を有し、センサ機構２ａ，２ｂ，２ｃは、試料表面Ｓに近接させる探針５と、探針５を励振させる振動機構４と、を具備し、防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃは、センサ機構２ａ，２ｂ，２ｃに隣接するように前面側において固定される板材９と、板材９の背面側において垂直断面視で円周上の一点で固定される円柱形状の中空パイプ１０と、を具備したこと。

Description

防振除振機構付きＡＦＭホルダー
　本発明は、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）原子間力顕微鏡で用いられる防振除振機構付きＡＦＭホルダーに関するものである。
　ＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）走査型プローブ顕微鏡は、ナノメータオーダー以下の分解能で試料表面を観察できる装置であり、具体的には、ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）走査型トンネル顕微鏡、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）原子間力顕微鏡、ＫＦＭ（Ｋｅｌｖｉｎ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）表面電位顕微鏡、ＵＨＶ（Ｕｌｔｒａ　Ｈｉｇｈ　Ｖａｃｕｕｍ）－ＳＴＭ超高真空走査型トンネル顕微鏡、ＵＨＶ（Ｕｌｔｒａ　Ｈｉｇｈ　Ｖａｃｕｕｍ）－ＡＦＭ超高真空原子間力顕微鏡、ＳＮＯＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）走査型近接場光学顕微鏡等が挙げられる。
　ＡＦＭ原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭという。）のＦＭ―ＡＦＭモードによる測定する際は、先端に探針の付いた振動片を共振周波数により振動させながら試料表面に近づけ、探針と試料表面に働く相互作用の力を、振動する探針の周波数シフトとして検出し、周波数シフトが一定になるように探針と試料表面の距離をフィードバック制御したまま水平方向に走査して試料表面の形状を測定したり、探針試料間を固定して水平走査して周波数シフト像を測定する。
　従来、探針を振動子や圧電素子等によって振動させるときは振動片を支持するＡＦＭホルダーの下部脱着面より更に下の、ＡＦＭヘッド側に圧電素子等が設けられており、ＡＦＭホルダー全体ごと励振させていた。しかし、ＡＦＭホルダー全体ごと励振させると、その場合は励振する部品が多くなるので、複数の振動モードが立ちやすくなり、また励振する重量が大きいのでその反動でヘッド側も励振することで、さらに励振する部品が多くなり、その分の振動モードが増える。これらの振動モードの影響を抑制しようとして防振除振でＱ値を上げたとしても振動が伝わらず励振ができなくなる。以上のようなトレードオフの関係があるので、ホルダーごと励振する場合には振動特性が不安定な状況を許容せざるを得なかった。また、従来、ＡＦＭホルダー上に圧電素子等を設けてセンサ機構のみを励振させる場合にも、効果的な防振除振機構が無いために、ホルダーの脱着面やＡＦＭヘッド側の状況が変わると振動特性が揺らいだり変調される不具合があった。
　そこで、特許文献１では、ＡＦＭホルダー自体の振動特性等のノイズを排除するために、ＡＦＭホルダー全体を励振させることなく振動片を励振させる原子間力顕微鏡が開示されている。
特開２００６―１５３５７４
　しかし、特許文献１に記載の原子間力顕微鏡は、振動を伝達するガラス板に、振動絶縁材としてガラス板と音響インピーダンスが異なるゴム製Оリングを設けることで、ＡＦＭホルダーを振動させない構造としているが、ゴム製Оリングは、円周沿いの大きい接触面積を伴いながら、内部摩擦により振動エネルギーを熱エネルギーに変換するため、系内から振動エネルギーを逃がしてしまい振動エネルギーを系内に閉じ込めることができず、結果的に十分な防振効果が得られず、Ｑ値を上げることができない。さらに、ゴムや樹脂は使用により摩耗や劣化するため、振動ノイズが生まれる原因となっていた。
　そこで、本発明は上記事情を鑑みたものであって、ＡＦＭホルダー全体を励振させずにセンサ機構のみを励振させるものであって、高い除振防振効果を得てＱ値を上げると同時に、周波数安定性を増し、さらに摩耗等の懸念がない防振除振機構付きＡＦＭホルダーを提供するものである。
　本発明に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダーは、センサ機構と、防振除振機構と、を有し、センサ機構は、試料表面に近接させる探針と、探針を励振させる振動機構と、を具備し、防振除振機構は、センサ機構に隣接するように前面側において固定される板材と、板材の背面側において垂直断面視で円周上の一点で固定される円柱形状の中空パイプと、を具備することを特徴とする。
　さらに、センサ機構は、自由端部に探針が設けられた振動片を具備し、中空パイプは、中空パイプの軸方向を振動片の長手方向と略直角となる方向にして、板材に固定されていることを特徴とする。
　さらに、振動機構は、水晶振動子であって、中空パイプは、中空パイプの軸方向を、水晶振動子の上面視長手方向と略直角となる方向にして板材に固定されていることを特徴とする。
　さらに、振動片の長手方向における前記板材の曲げ振動の固有振動数または水晶振動子の上面視長手方向における前記板材の曲げ振動の固有振動数と、中空パイプの円周方向の曲げ振動の固有振動数と、がそれぞれ異なることを特徴とする。
　さらに、板材は、ダイヤモンドを含むことを特徴とする。
　さらに、センサ機構は、振動機構に隣接してダイヤモンドが含まれたセンサベースを具備することを特徴とする。
　本発明によれば、センサ機構と、防振除振機構と、を有し、センサ機構は、試料表面に近接させる探針と、探針を励振させる振動機構と、を具備し、防振除振機構は、センサ機構に隣接するように前面側において固定される板材と、板材の背面側において垂直断面視で円周上の一点で固定される円柱形状の中空パイプと、を具備するので、曲げ振動や縦振動を防振及び除振でき、Ｑ値を上げ、周波数安定性を保持しながらＡＦＭ観察することができる。
　また、自由端部に探針が設けられた探針を具備し、中空パイプは、中空パイプの軸方向を振動片の長手方向と略直角となる方向にして、板材に固定されているので、振動片の振動方向に対して点接触となるように中空パイプを固定することができ、防振及び除振の効果を高めることができる。
　また、バネ定数が十分大きい水晶振動子に探針が設けれているため、探針が原子間力に負けて試料表面に接触することがなくなり、中空パイプは、水晶振動子の上面視長手方向と略直角となる方向にして、板材に固定されているので、水晶振動子の振動方向に対して点接触となるように中空パイプを固定することができ、防振及び除振の効果を高めることができる。
　また、振動片の長手方向における前記板材の曲げ振動の固有振動数または水晶振動子の上面視長手方向における前記板材の曲げ振動の固有振動数と、中空パイプの円周方向の曲げ振動の固有振動数と、がそれぞれ異なるので、曲げ振動の伝搬を抑制することができる。
　また、板材にダイヤモンドを含めることで、効果的に曲げ振動の防振除振をすることができる。
　また、センサ機構は、振動機構に隣接してダイヤモンドが含まれたセンサベースを具備するので、効果的に曲げ振動の防振除振をすることができる。
振動機構が励振ピエゾであって、振動片がＴＦ型水晶振動子の本発明に係る第１実施形態の防振除振機構付きＡＦＭホルダーの概略側面図である。 （ａ）振動機構が励振ピエゾであって、振動片が片割れ音叉型水晶振動子の本発明に係る第１実施形態の防振除振機構付きＡＦＭホルダーの概略側面図である。（ｂ）振動機構が励振ピエゾであって、振動片が半電極型水晶振動子の本発明に係る第１実施形態の防振除振機構付きＡＦＭホルダーの概略側面図である。 （ａ）中空パイプの変形例である櫛形中空パイプを示す概略斜視図である。（ｂ）（ａ）の概略側面図である。 振動機構が励振ピエゾであって、振動片が片持ち梁の光てこ方式の本発明に係る第２実施形態の防振除振機構付きＡＦＭホルダーを示す概略斜視図である。 振動機構がＬＥＲ型水晶振動子の本発明の第３実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダーを示す概略側面図である。 （ａ）ＬＥＲ型水晶振動子の上面と振動方向を示す概略斜視図である。（ｂ）上面の長手方向、中空パイプの軸方向、及び振動方向を示す概略図である。 （ａ）ＴＦ型水晶振動子の上面と振動方向を示す概略斜視図である。（ｂ）上面の長手方向と中空パイプの軸方向、及び振動方向を示す概略図である。 （ａ）振動機構がＴＦ型水晶振動子の本発明の第３実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダーを示す概略垂直側面図である。（ｂ）振動機構が片割れ音叉型水晶振動子の本発明の第３実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダーを示す概略側面図である。 （ａ）振動機構がシアフォース型水晶振動子の本発明の第３実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダーを示す概略側面図である。（ｂ）振動機構が半電極型水晶振動子の本発明の第３実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダーを示す概略側面図である。 （ａ）センサベースを立てて用いた場合の本発明の第１実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダーを示す概略斜視図である。（ｂ）センサベースを立てて用いた場合の本発明の第３実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダーを示す概略斜視図である。
　以下、図面を参照して防振除振機構付きＡＦＭホルダー１００，２００，３００について詳細に説明する。
　本明細書において、防振とは、系内で生じる振動を系内に閉じ込めるようにすることをいい、除振とは、系外からの振動などの外力を系内に伝えないようにすることをいう。
　各実施形態において、センサ機構２ａ，２ｂ，２ｃと、防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃと、で一つの系が形成されている。
　［第１実施形態］
　図１は、本発明の第１実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダー１００を示す概略側面図である。図１に示すように、防振除振機構付きＡＦＭホルダー１００は、センサ機構２ａと、防振除振機構３ａと、を有しており、センサ機構２ａは、振動機構４である励振ピエゾ４ａと、探針５と、振動片６であるＴＦ型水晶振動子６ａと、検出用電極７と、センサベース８と、を具備しており、除振防振機構３ａは、板材９と、中空パイプ１０と、を具備している。また、中空パイプ１０の下部には、系外のホルダーベース部Ｈが設けれている。図１の概略側面図に示すように、それぞれが順に層状となるようにエポキシ樹脂や接着剤等で固定されている。説明の都合上、図中の各構成は実際の縮尺比よりも大きく描かれてある。
　第１実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダー１００は、振動機構４である励振ピエゾ４ａを用いて、振動片６であるＴＦ型水晶振動子６ａを介して、探針５を機械的（間接的）に励振させるものである。
　（センサ機構２ａについて）
　センサ機構２ａは、探針５の振動の変化を感知して、試料表面の状態を認知するための機構である。図１中において探針５の下部に設けられた振動機構４である励振ピエゾ４ａが、振動片６であるＴＦ型水晶振動子６ａを介して、探針５を機械的に励振させており、ＴＦ型水晶振動子６ａの自由端側の端部に探針５が試料表面Ｓに近接させるように設けられている。また、振動機構４の隣には、ＴＦ型水晶振動子６ａを支持するセンサベース８が設けられている。
　（探針５について）
　探針５は、多角錐状または円錐状に形成されており、先端が試料表面Ｓに近接するように、ＴＦ型水晶振動子６ａの足１１の自由端部Ｆに設けられている。探針５を試料表面Ｓに近接させると、探針５と試料表面Ｓとの間で、ファンデルワールス力や共有結合力等に起因して、引力または斥力が生じる。そして、探針５の振動周波数や振幅に変化が生じ、その振動情報からＡＦＭ像が作られる。
　（振動片６について）
　本実施形態において、振動片６は、２つの足１１を有するＴＦ（Ｔｕｎｉｎｇ　Ｆｏｒｋ）型水晶振動子６ａであって、センサベース８に横に倒れるようにして固定されており、足１１の一方の自由端部Ｆに探針５が設けられている。励振ピエゾ４ａから伝搬される振動を探針５に伝える役割と、探針５と試料表面Ｓに働く相互作用の力を、振動する振動片６の周波数シフトとして検出する役割と、を有する。
　振動片６は、他にも、図２（ａ）に示すように、１つの足１１を有する片割れ音叉型水晶振動子６ｂでもよい。片割れ音叉型水晶振動子６ｂは、一方の足１１に探針５が取り付けれており、他方の足１１が切断されている。振動片６を、ＴＦ型水晶振動子６ａの代わりに片割れ音叉型水晶振動子６ｂとすることで、他方の足１１からの検出したくない振動による検出信号の影響を受けることを防止することができる。また、余分な電極がないため、励振電圧からのクロストークの影響も減らすことができる。
　他にも、振動片６は、図２（ｂ）に示すように、足１１の母体は２つ有するが、一方の足１１にのみ電極回路Ｃを有した半電極型水晶振動子６ｃでもよい。
　（振動機構４について）
　本実施形態において、振動機構４は、励振ピエゾ４ａであって、センサベース８に、エポキシ樹脂、瞬間接着材などの有機溶剤で剥がせるもの、またはネジやバネ抑えにより交換可能な方法等により固定されている。励振ピエゾ４ａが振動することによりセンサベース８及び振動片６を介して探針５を共振周波数で機械的に励振させている。
　励振ピエゾ４ａを用いて機械的に探針５を励振させることで、検出用電極７と励振用電極とが近くにないため、検出用電極７と励振用電極とを近づけすぎることで生じるクロストーク（容量電流）が流れるのを防止することができる。また、励振ピエゾ４ａを図示していないＧＮＤ電極で挟んで静電シールドしていることでさらにクロストーク（容量電流）が流れるのを防止できる。クロストーク（容量電流）が流れるのを防止することで、信号ノイズが生まれなくなり、ＡＦＭ観察の精度を高めることができる。
　本実施形態においては、励振ピエゾ４ａは、２層に重ねられている。２層にすることで、２倍の励振をすることができるので、励振電圧に対する検出信号が２倍になる。したがって、２層の構成は、クロストークを実質的に半減させることができる。しかし、必要であれば、積層数は、１段でも３段以上あっても構わず、積層数は限定されない。
　励振ピエゾ４ａは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されている。他にも、励振ピエゾ４ａは、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、チタン酸ビスマス、または水晶で形成されていてもよく、圧電素子であれば限定されない。
　（検出用電極７について）
　検出用電極７は、試料表面に探針５を近づけた際、探針５と試料表面間に力が作用すると共振周波数が変化することを利用して力を検出する。検出信号の電流は、図示しないＦＭ復調器に送られ、周波数を検波し、測定された周波数のシフトから力を見積もる。ＡＦＭ像は周波数シフトが一定となるように探針５と試料表面間の距離をフィードバック制御しながら試料表面を二次元操作することで得られる。また、検出用電極７はアンプ１３に接続されている。アンプ１３は、チャージアンプまたは電流アンプのいずれかである。
　（センサベース８について）
　センサベース８は、振動機構４である励振ピエゾ４ａに隣接しており、センサとして機能するＴＦ型水晶振動子６ａを支持するための台である。センサベース８は、比剛性が高いダイヤモンドが好適に用いられる。他にも例えば、ダイヤモンド焼結体、アルミナ、セラミック及び炭素繊維プラスチック（ＣＦＲＰ）、エポキシガラス、石英板等、比剛性が高いものであれば素材は限定されず、実施用途に応じて適宜変更可能である。
　（防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃについて）
　防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃは、板材９と、中空パイプ１０と、を具備している。板材９と、中空パイプ１０と、はエポキシ樹脂や接着剤により固定されており、センサベース８とホルダーベース部Ｈと間に設けられている。防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃは、図中において上部のセンサ機構２ａ，２ｂ，２ｃ及びホルダーベース部Ｈの機構間を物理的に分離された状態に近づけ、振動の伝搬定数を限りなく小さくする役割を有する。具体的には、主に、板材９が曲げ振動を防振除振して、中空パイプ１０が平行な上下の縦振動を防振除振している。
　そして、防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃは、センサ機構２ａ，２ｂ，２ｃから伝搬される振動を系内に閉じ込める防振の効果と、系外であるホルダーベース部Ｈより下の図示しないヘッド部などから生じる機械的な振動モードの変化や歪による変化を系内に伝搬するのを抑制する除振の効果を有している。防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃは、防振及び除振の効果を有するため、系内のＱ値を上げることができる。Ｑ値を上げることで、ＡＦＭ観察の総合的な安定性が得られる。例えば、振動モードの突変による探針５のクラッシュを抑制したり、試料表面Ｓの汚染層や浮動粒子によって不安定化する挙動を抑制したり、ＡＦＭ観察のＳ／Ｎ比を向上させたり、ホルダー毎の個体差や歩留まりを減らす、といった安定性が得られる。また、ゴム等といった摩耗・劣化する懸念のある材料を用いていないため、部品の交換をする手間が減り、ＵＨＶや極低温の環境でも長年使用することができる。
　また、加えて重要な効果は、防振除振機構３a，３ｂ，３ｃ下部のホルダーベース部Ｈより下にある図示しないホルダー脱着面の影響を受けないという事である。一般的にホルダー脱着面は剛性が弱い構造にならざるを得ず、ＡＦＭヘッド側の振動モードの変化や歪の影響を受けやすい。その影響を受けた脱着面の接触面積や機械定数の極僅かな変化がセンサ機構２ａ，２ｂ，２ｃに伝搬すると、周波数シフトが揺らいだり変調される事になる。そうすると、周波数シフトでＡＦＭ観察を行っているため、原子間力だけではなくヘッド側の機械的な変化の影響を受ける事になる。防振除振機構３a，３ｂ，３ｃを用いることで、ホルダー脱着面という剛性の弱い構造があっても物理的に分離 されたような状態を実現し、その影響をセンサ機構２a，２ｂ，２ｃで誤検知する事がなくなる。
　なお、センサ機構２ａ，２ｂ，２ｃの交換位置やホルダー脱着面に関しては、実用上は、センサベース８下部であっても良いし、励振ピエゾ４ａの下部であっても良く、必ずしも位置を限定するものではない。防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃがある事で、ＡＦＭヘッド側の影響を分離しているという事が重要である。
　（板材９について）
　板材９は、曲げやねじりの力に対する寸法変化、変形が小さく剛性が高い板であり、励振ピエゾ４ａに固定されている。本実施形態では、板材９は、センサベース８と同じように、比剛性が高いダイヤモンドが好適に用いられる。他にも例えば、ダイヤモンド焼結体、アルミナ、エポキシガラス、セラミック及び炭素繊維プラスチック（ＣＦＲＰ）等、比剛性が高いものであれば素材は限定されない。
　振動片６の長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数は、振動する振動片６との振動数とで格差を設けている。具体的には、ＴＦ型水晶振動子６ａの長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数は振動するＴＦ型水晶振動子６ａとの振動数の１０倍から１００倍程度異なる。ＴＦ型水晶振動子６ａの曲げ振動の固有振動数と、ＴＦ型水晶振動子６ａの長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数と、で格差をつけることで、板材９は、系内または系外から伝搬される曲げ振動を防振及び除振している。
　板材９の厚さは、厚くして曲げ振動を抑制することが好ましいが、ＡＦＭ観察時に、中空パイプ１０から上の重心が高くなって左右に揺れない厚さにするのが好ましい。
　（中空パイプ１０について）
　中空パイプ１０は、ステンレス等で形成された中空状で円柱形状のチューブであり、板材９の層の下部であってホルダーベース部Ｈの層の上部に設けられている。中空パイプ１０は、垂直断面視で中空パイプ１０の円周上の一点で板材９及びホルダーベース部Ｈにエポキシ樹脂や接着剤で固定されている。
　図１に示すように、中空パイプ１０の断面形状は中空円形である。板材９等から伝わる振動がまず縦波として伝わった後、横波に変換されて中空パイプ１０の円周に沿って伝搬し、そしてホルダーベースＨとの接点で一部が縦波に変換されて伝わり、残りが横波のまま循環する。このように、横波と縦波との変換が中空パイプ１０の円周上で何回転もされる。これにより板材９またはホルダーベース部Ｈから伝わる平行な上下の縦振動を防振及び除振することができる。ゴムなどの内部が充填された弾性部材を用いた場合のように、振動エネルギーが内部摩擦により熱エネルギーとなって吸収され振動が減衰するのではなく、振動エネルギーが中空パイプ１０に蓄えられることで熱エネルギー等に変換されずに、振動エネルギーを機械的に系内に閉じ込めることができ、結果的にＱ値を上げることができる。
　また、中空パイプ１０の軸方向は、ＴＦ型水晶振動子６ａの長手方向と略直角となるように、中空パイプ１０が板材９に固定されている。板材９と接する中空パイプ１０の母線Ｌ上において、センサ機構２ａの振動に対して実質的に点接触となるように、中空パイプ１０の軸方向は方向決めされている。中空パイプ１０の軸方向がＴＦ型水晶振動子６ａの長手方向と略直角となるように固定することで、中空パイプ１０の軸方向がＴＦ型水晶振動子６ａの長手方向と平行である場合、すなわち足１１の振動に対して中空パイプ１０の軸方向と同じである線接触の場合と比較して、Ｑ値をより高めることができる。
　また、中空パイプ１０の円周方向の曲げ振動の固有振動数は、振動片６の長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数とで格差を設けている。具体的には、中空パイプ１０の円周方向の曲げ振動の固有振動数は、ＴＦ型水晶振動子６ａの長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数の１０倍から１００倍程度異なる。ＴＦ型水晶振動子６ａの長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数と、板材９と隣接する中空パイプ１０の円周方向の曲げ振動の固有振動数と、で格差をつけることで、板材９から伝搬される曲げ振動をさらに中空パイプ１０が防振及び除振している。曲げ振動の固有振動数に格差をつけるほど、Ｑ値が向上することが定性的に示される。
　また、中空パイプ１０は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、櫛形状にくりぬかれた櫛形中空パイプ１０ａでも構わない。複数の櫛部１０ｂが同一方向を向くように、軸部１０ｃによって上下で固定されている。櫛部１０ｂと板材９との接点において、ＴＦ型水晶振動子６ａの長手方向に対して櫛部１０ｂが直角方向となるように配置されているものが、防振除振の効果を高めるのに好ましい。
　また、中空パイプ１０の数は、構造上の制約が許す限り、用途によって一つでも複数あっても構わない。円周上の一接点で固定されているため、中空パイプ１０は、複数個ある方が板材９を安定的に支持することができる。また必要であれば、中空パイプ１０の断面形状は円形ものでなくとも楕円形のものでもよい。
　［第２実施形態］
　図４は、第２実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダー２００を示す概略斜視図である。防振除振機構付きＡＦＭホルダー２００は、振動片６である片持ち梁６ｄの周波数シフトをレーザー光により検出する光てこ方式を用いてＡＦＭ像を作成している。
　光てこ方式は、探針５が設けられた片持ち梁６ｄの先端にレーザー光を照射し、その反射光の変位を測定する方式である。探針５を試料表面Ｓに近接させると、探針５と試料表面Ｓとの間に作用する原子間力等の物理的な力により片持ち梁６ｄの共振周波数が変化するので、この変化を反射光で測定することにより、探針５と試料表面Ｓの距離が一定になるように制御してＡＦＭ観察を行う。
　防振除振機構付きＡＦＭホルダー２００は、第１実施形態と同様に、センサ機構２ｂと、防振除振機構３ｂと、を有しており、センサ機構２ｂは、試料表面に近接させる探針５と、探針５を励振させる振動機構４である励振ピエゾ４ａと、自由端部Ｆに探針５設けられた振動片６である片持ち梁６ｄと、片持ち梁６ｄを支持するセンサベース８と、を具備している。
　（振動機構４について）
　本実施形態においても、振動機構４として励振ピエゾ４ａを用いて、センサベース８及び片持ち梁６ｄを介して探針５を共振周波数で機械的に励振させている。
　（振動片６について）
　本実施形態において、振動片６は、片持ち梁６ｄである。片持ち梁６ｄを用いることで、用途に応じて水晶振動子６ａ，６ｂ，６ｃの足１１よりもバネ定数を小さくしたり、共振周波数を大きくすることができ、検出に水晶振動子６ａ，６ｂ，６ｃ、や水晶振動子６ａ，６ｂ，６ｃに用いる配線を通す必要がなくなる。
　（センサベース８について）
　本実施形態において、センサベース８は、シリカ、または半導体基板等が好適に用いられる。
　［第３実施形態］
　図５，図８，図９は、本発明の第３実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダー３００を示す概略側面図である。図５に示すように、第３実施形態に係る防振除振機構付きＡＦＭホルダー３００は、センサ機構２ｃと、防振除振機構３ｃと、を有しており、センサ機構２ｃは、足１１ａを有した振動機構４であるＬＥＲ（Ｌｅｎｇｔｈ　Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）型水晶振動子４ｂと、探針５と、励振用電極１２と、検出用電極７と、センサベース８と、を具備しており、防振除振機構３ｃは、板材９と、中空パイプ１０と、を具備している。防振除振機構付きＡＦＭホルダー３００の下部には、系外であるホルダーベース部Ｈが設けれている。
　第１実施形態及び第２実施形態においては、励振ピエゾ４ａを用いて探針５を機械的に励振させていたものであるが、第３実施形態においては、探針５を電気的（直接的）に励振させるものである。
　（振動機構４について）
　図５に示すように、振動機構４は、ＬＥＲ型水晶振動子４ｂである。振動機構４は、ＬＥＲ型水晶振動子４ｂでなくとも、図８（ａ）（ｂ）に示すように、ＴＦ型水晶振動子４ｃ、片割れ音叉型水晶振動子４ｄでもよい。また、他にも、図９（ａ）に示すように縦置きのＴＦ型水晶振動子に基部１４を有し、基部１４に探針５を有したシアフォース型水晶振動子４ｅを用いてもよく、図９（ｂ）に示すように、振動機構４は、半電極型水晶振動子４ｆを用いたり、図示しないＤｏｕｂｌｅ―Ｅｎｄｅｄ　Ｔｕｎｉｎｇ　Ｆｏｒｋ（ＤＥＴＦ）型水晶振動子等の水晶振動子が好適に用いられる。ＬＥＲ型水晶振動子４ｂ、またはＤＥＴＦ型水晶振動子を用いる場合は、センサベース８に対して縦置きして固定されており、探針５が上方向を向いている。
　振動機構４がシアフォース型水晶振動子４ｅの場合も同様に、センサ機構８に対して縦置きして固定されており、探針５は上方向を向いているが、必要であれば、基部１４は、ＴＦ型水晶振動子に対して奥行あおり角方向に斜め付けされていてもよい。
　また、ＬＥＲ型水晶振動子４ｂは、検出用電極７と、励振用電極１２と、が設けられている。励振用電極１２に一定の電圧をかけることで、ＬＥＲ型水晶振動子４ｂの自由端部Ｆに固定された微小な探針５を共振周波数で電気的に励振させている。
　本実施形態において、ＡＦＭの測定方法は、周波数変調法によるＦＭ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）－ＡＦＭ測定システムによりＡＦＭ像を作成している。検出用電極７は、試料表面Ｓに探針５を近づけた際、探針５と試料表面Ｓ間に力が作用すると共振周波数が変化することを利用して力を検出する。検出信号の電流を図示しないＦＭ復調器に送って周波数を検波し、測定された周波数のシフトから力を見積もる。ＡＦＭ像は周波数シフトが一定となるように探針５と試料表面Ｓ間の距離をフィードバック制御しながら試料表面を二次元操作することで得られる。
　また、振動機構４は、水晶振動子４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ以外にも、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、またはチタン酸ビスマス等で形成された振動子でもよく、圧電素子であれば限定されない。
　また、中空パイプ１０の軸方向は、板材９と接する中空パイプ１０の母線Ｌ上において、足１１の振動に対して実質的に点接触となるように、方向決めされている。即ち、中空パイプ１０の軸方向をＴＦ型水晶振動子４ｃの上面視長手方向と略直角となるように、中空パイプ１０が板材９に固定されている。
　例えば、図６（ａ）及び図７（ａ）の太矢印に示すように、ＬＥＲ型水晶振動子４ｂ，ＴＦ型水晶振動子４ｃ、の振動パターンは、試料表面Ｓに探針５が垂直方向または水平方向に動くように振動している。この方向の振動に対して中空パイプ１０が板材９と接触する母線Ｌ上において、実質的に点接触するように、中空パイプ１０が板材９に固定する。仮に、中空パイプ１０の方向が９０度異なった場合だと、振動方向に対して実質的に母線Ｌで線接触することになってしまい、Ｑ値が上がらない。
　図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、ＬＥＲ型水晶振動子４ｂまたはＴＦ型水晶振動子４ｃは、水晶振動子４ｂ，４ｃの上面Ａにおいて垂直方向または長手方向に振動する。したがって、中空パイプ１０の軸方向は、上面Ａの長手方向と略直角となる方向、すなわち水晶振動子の上面視長手方向と略直角となる方向にして、中空パイプ１０が板材９に固定されている。板材９を水晶振動子４ｂ，４ｃの上面視長手方向と略直角となる方向に固定することで、防振及び除振の効果を高め、Ｑ値を高めることができる。
　また、水晶振動子４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆの上面視長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数は、振動する水晶振動子４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆとの振動数とで格差を設けている。具体的には、ＬＥＲ型水晶振動子４ｂの上面視長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数は、振動するＬＥＲ型水晶振動子４ｂとの振動数の数倍から１００倍程度異なる。ＬＥＲ型水晶振動子４ｂの上面視長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数と、振動するＬＥＲ型水晶振動子４ｂの固有振動数と、で格差をつけることで、板材９は、系内または系外から伝搬される曲げ振動を防振及び除振している。
　また、中空パイプ１０の円周方向の曲げ振動の固有振動数は、水晶振動子４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆの上面視長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数とで格差を設けている。具体的には、中空パイプ１０の円周方向の曲げ振動の固有振動数は、ＬＥＲ型水晶振動子４ｂの上面視長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数の数倍から１００倍程度異なる。ＬＥＲ型水晶振動子４ｂの上面視長手方向における板材９の曲げ振動の固有振動数と、板材９と隣接する中空パイプ１０の円周方向の曲げ振動の固有振動数と、で格差をつけることで、板材９から伝搬される曲げ振動をさらに中空パイプ１０が防振及び除振している。曲げ振動の固有振動数に格差をつけるほど、Ｑ値が向上することが定性的に示される。
　［その他実施形態］
　また、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、センサベース８は、励振ピエゾ４ａや板材９に対して立てて用いてもよい。
　また、第１～第３実施形態では、ＦＭ－ＡＦＭ測定システムによりＡＦＭ像を作成しているが、全ての実施形態において、液中ＡＦＭ等でＡＭ－ＡＦＭ測定システムによりＡＦＭ像を作成してもよい。
　また、第１～第３実施形態では、探針５は、試料表面Ｓに対して垂直となっているが、光学的に探針５が見えるように、試料表面Ｓに対して斜め方向から探針５を近接させてもよく、防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃが用いられていれば、測定環境や測定方法等は限定されない。
　また、図面には示していないが、第１～３実施形態において、防振除振機構３ａ，３ｂ，３ｃは、板材９と、中空パイプ１０と、で２段の構成としていたが、必要であれば、中空パイプ１０の下部に再度、板材９と、中空パイプ１０と、を固定して４段の構成にしてもよい。４段の構成にすることで、２段のときと比較して曲げ振動及び平行な上下の振動の防振及び除振の効果をさらに高められる場合がある。設計の都合上可能であれば、さらに、積み上げて６段、８段の構成としてもよいことはもちろんである。
　本発明は、防振及び除振の効果があり、系内のＱ値を上げるとともに周波数安定性を高めることができ、ＡＦＭホルダー全般に適用可能である。
　　１００，２００，３００　防振除振機構付きＡＦＭホルダー
　　２ａ，２ｂ，２ｃ　　　　センサ機構
　　３ａ，３ｂ，３ｃ　　　　防振除振機構
　　４　　　　　　　　　　　振動機構
　　４ａ　　　　　　　　　　励振ピエゾ
　　４ｂ　　　　　　　　　　ＬＥＲ型水晶振動子
　　４ｃ　　　　　　　　　　ＴＦ型水晶振動子
　　４ｄ　　　　　　　　　　片割れ音叉型水晶振動子
　　４ｅ　　　　　　　　　　シアフォース型水晶振動子
　　４ｆ　　　　　　　　　　半電極型水晶振動子
　　５　　　　　　　　　　　探針
　　６　　　　　　　　　　　振動片
　　６ａ　　　　　　　　　　ＴＦ型水晶振動子
　　６ｂ　　　　　　　　　　片割れ音叉型水晶振動子
　　６ｃ　　　　　　　　　　半電極型水晶振動子
　　６ｄ　　　　　　　　　　片持ち梁
　　７　　　　　　　　　　　検出用電極
　　８　　　　　　　　　　　センサベース
　　９　　　　　　　　　　　板材
　　１０　　　　　　　　　　中空パイプ
　　１０ａ　　　　　　　　　櫛型中空パイプ
　　１０ｂ　　　　　　　　　櫛部
　　１０ｃ　　　　　　　　　軸部
　　１１　　　　　　　　　　足
　　１１ａ　　　　　　　　　足
　　１２　　　　　　　　　　励振用電極
　　１３　　　　　　　　　　アンプ
　　１４　　　　　　　　　　基部
　　Ｓ　　　　　　　　　　　試料表面
　　Ｆ　　　　　　　　　　　自由端部
　　Ｃ　　　　　　　　　　　電極回路
　　Ｈ　　　　　　　　　　　ホルダーベース部
　　Ｌ　　　　　　　　　　　母線
　　Ａ　　　　　　　　　　　上面

Claims (6)

  1. 　センサ機構と、防振除振機構と、を有し、
    　前記センサ機構は、試料表面に近接させる探針と、
    　前記探針を励振させる振動機構と、を具備し、
    　前記防振除振機構は、前記センサ機構に隣接するように前面側において固定される板材と、
    　前記板材の背面側において垂直断面視で円周上の一点で固定される円柱形状の中空パイプと、を具備することを特徴とする防振除振機構付きＡＦＭホルダー。
  2. 　前記センサ機構は、自由端部に前記探針が設けられた振動片を具備し、
    　前記中空パイプは、前記中空パイプの軸方向を前記振動片の長手方向と略直角となる方向にして、前記板材に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の防振除振機構付きＡＦＭホルダー。
  3. 　前記振動機構は、水晶振動子であって、
    　前記中空パイプは、前記中空パイプの軸方向を、前記水晶振動子の上面視長手方向と略直角となる方向にして前記板材に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の防振除振機構付きＡＦＭホルダー。
  4. 　前記振動片の長手方向における前記板材の曲げ振動の固有振動数または前記水晶振動子の上面視長手方向における前記板材の曲げ振動の固有振動数と、前記中空パイプの円周方向の曲げ振動の固有振動数と、がそれぞれ異なることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の防振除振機構付きＡＦＭホルダー。
  5. 　前記板材は、ダイヤモンドを含むことを特徴とする請求項１または請求項４のいずれか一項に記載の防振除振機構付きＡＦＭホルダー。
  6. 　前記センサ機構は、前記振動機構に隣接してダイヤモンドが含まれたセンサベースを具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の防振除振機構付きＡＦＭホルダー。
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JPS62130302A (ja) * 1985-11-26 1987-06-12 インタ−ナショナル　ビジネス　マシ−ンズ　コ−ポレ−ション サンプルの表面を検査する方法及び装置
JP2006184079A (ja) * 2004-12-27 2006-07-13 Tohoku Univ 原子間力顕微鏡

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS62130302A (ja) * 1985-11-26 1987-06-12 インタ−ナショナル　ビジネス　マシ−ンズ　コ−ポレ−ション サンプルの表面を検査する方法及び装置
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