JPH0642953A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
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- JPH0642953A JPH0642953A JP4198593A JP19859392A JPH0642953A JP H0642953 A JPH0642953 A JP H0642953A JP 4198593 A JP4198593 A JP 4198593A JP 19859392 A JP19859392 A JP 19859392A JP H0642953 A JPH0642953 A JP H0642953A
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- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
- G01Q10/065—Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
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- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/85—Scanning probe control process
- Y10S977/851—Particular movement or positioning of scanning tip
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/852—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe for detection of specific nanostructure sample or nanostructure-related property
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 カンチレバーの探針と試料間に発生する摩擦
力の影響をなくし、表面形状を安定に精度良く測定する
ための原子間力顕微鏡を提供すること。 【構成】 カンチレバー６の探針１２のＸ方向への移動
時にＺ方向圧電体３を用いて、探針１２と試料５を引き
離しておき、移動後に、再び接触させ、カンチレバー６
の変位量を検出する。
力の影響をなくし、表面形状を安定に精度良く測定する
ための原子間力顕微鏡を提供すること。 【構成】 カンチレバー６の探針１２のＸ方向への移動
時にＺ方向圧電体３を用いて、探針１２と試料５を引き
離しておき、移動後に、再び接触させ、カンチレバー６
の変位量を検出する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、原子間力を利用した原
子間力顕微鏡（以後ＡＦＭと記す）に関するものであ
る。
子間力顕微鏡（以後ＡＦＭと記す）に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体表面を原子オーダで観察でき
る装置としてＡＦＭが開発されている。ＡＦＭの原理を
図５により説明する。ＡＦＭでは微小な力を検出するた
めに、探針１２を有する長さ１００μｍから２００μｍ
程度のカンチレバー６が用いられる。試料２１を探針１
２に近づけると、探針１２と試料２１間に働く原子間力
によりカンチレバー６にたわみが生じる。このたわみ量
を一定に保つように制御信号発生回路１４を通して、圧
電体駆動装置１１によりＺ方向圧電体３を制御しながら
試料表面を走査する。走査は圧電体駆動装置１１とＸ、
Ｙ方向圧電体１、２により行われる。従って、このよう
なフィードバックにおける制御量が試料２１表面の凹凸
に相当するので、この制御量をコンピュータ１０等によ
り画像化することでＡＦＭ画像が得られる。あるいは、
前記制御を行わずに、カンチレバー６のたわみ量を画像
化することでもＡＦＭ画像が得られる。カンチレバー６
のたわみ量は、変位測定部２２により測定される。変位
測定部２２には、光てこ、レーザー干渉、トンネル電流
などの方式が用いられている。ＡＦＭの分解能は探針１
２の先端曲率半径に依存し、曲率半径が小さいほど分解
能は上がる。現在のところ、数１００Åの曲率の探針が
作製され、マイカ等の原子像が観察されている。一方、
ＡＦＭの用途としては、試料２１表面の原子レベルでの
観察と同時に、ナノメータあるいはミクロンオーダでの
凹凸の大きな試料観察がある。このような試料観察の場
合、特にグレーティング等の深い溝形状を有する試料で
は、探針１２の先端曲率が小さいのと同時に、溝部の底
まで届くような、高アスペクト比の探針１２が必要とな
り、その点で針状結晶を利用した探針が有望である。
る装置としてＡＦＭが開発されている。ＡＦＭの原理を
図５により説明する。ＡＦＭでは微小な力を検出するた
めに、探針１２を有する長さ１００μｍから２００μｍ
程度のカンチレバー６が用いられる。試料２１を探針１
２に近づけると、探針１２と試料２１間に働く原子間力
によりカンチレバー６にたわみが生じる。このたわみ量
を一定に保つように制御信号発生回路１４を通して、圧
電体駆動装置１１によりＺ方向圧電体３を制御しながら
試料表面を走査する。走査は圧電体駆動装置１１とＸ、
Ｙ方向圧電体１、２により行われる。従って、このよう
なフィードバックにおける制御量が試料２１表面の凹凸
に相当するので、この制御量をコンピュータ１０等によ
り画像化することでＡＦＭ画像が得られる。あるいは、
前記制御を行わずに、カンチレバー６のたわみ量を画像
化することでもＡＦＭ画像が得られる。カンチレバー６
のたわみ量は、変位測定部２２により測定される。変位
測定部２２には、光てこ、レーザー干渉、トンネル電流
などの方式が用いられている。ＡＦＭの分解能は探針１
２の先端曲率半径に依存し、曲率半径が小さいほど分解
能は上がる。現在のところ、数１００Åの曲率の探針が
作製され、マイカ等の原子像が観察されている。一方、
ＡＦＭの用途としては、試料２１表面の原子レベルでの
観察と同時に、ナノメータあるいはミクロンオーダでの
凹凸の大きな試料観察がある。このような試料観察の場
合、特にグレーティング等の深い溝形状を有する試料で
は、探針１２の先端曲率が小さいのと同時に、溝部の底
まで届くような、高アスペクト比の探針１２が必要とな
り、その点で針状結晶を利用した探針が有望である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、試料２１表
面を探針１２で走査した場合、試料２１表面の凹凸によ
る原子間力のカンチレバー６の変位以外に、試料２１表
面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバー６の変位や
カンチレバー６ねじれによる変位などが発生し、これら
がノイズとなり精度良く表面形状を測定できないことが
ある。一例として、試料としてマイカを用いた場合、最
初にカンチレバー６の受ける力の大きさを１×１０ー8Ｎ
の斥力に設定し、各点でのカンチレバー６のたわみ量を
画像化した場合、得られたＡＦＭ像には、対称性の良い
原子像が現れるが、同様の操作を１×１０-7Ｎの斥力で
行ったところ、得られたＡＦＭ像の原子レベルの凹凸に
は、非対称性が現れてくる。
面を探針１２で走査した場合、試料２１表面の凹凸によ
る原子間力のカンチレバー６の変位以外に、試料２１表
面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバー６の変位や
カンチレバー６ねじれによる変位などが発生し、これら
がノイズとなり精度良く表面形状を測定できないことが
ある。一例として、試料としてマイカを用いた場合、最
初にカンチレバー６の受ける力の大きさを１×１０ー8Ｎ
の斥力に設定し、各点でのカンチレバー６のたわみ量を
画像化した場合、得られたＡＦＭ像には、対称性の良い
原子像が現れるが、同様の操作を１×１０-7Ｎの斥力で
行ったところ、得られたＡＦＭ像の原子レベルの凹凸に
は、非対称性が現れてくる。
【０００４】また、高アスペクト比の探針１２を用いて
測定する場合、溝部の壁面が垂直に近いような形状の試
料２１では、探針１２の側面が走査中に溝部の壁面に衝
突する。この状態ではカンチレバー６のたわみはほとん
ど生じることがなく、試料と探針間の距離はそのままの
状態で走査が続けられる。その結果、正確なＡＦＭ像が
得られないばかりでなく、探針１２やカンチレバー６が
破壊されることもある。
測定する場合、溝部の壁面が垂直に近いような形状の試
料２１では、探針１２の側面が走査中に溝部の壁面に衝
突する。この状態ではカンチレバー６のたわみはほとん
ど生じることがなく、試料と探針間の距離はそのままの
状態で走査が続けられる。その結果、正確なＡＦＭ像が
得られないばかりでなく、探針１２やカンチレバー６が
破壊されることもある。
【０００５】さらには、生体試料２１などの基板への固
定が難しい試料では、探針１２を走査することにより、
試料２１が基板上を引きずられて正確な測定が困難とな
る。
定が難しい試料では、探針１２を走査することにより、
試料２１が基板上を引きずられて正確な測定が困難とな
る。
【０００６】本発明は、このような従来のＡＦＭの課題
を考慮し、垂直に近い側面形状を有する試料でも、高ア
スペクト比の探針が衝突することなく精度良く観察で
き、また、基板に固定できないような試料でも、探針走
査により試料を引きずることなく観察可能なＡＦＭを提
供することを目的とする。
を考慮し、垂直に近い側面形状を有する試料でも、高ア
スペクト比の探針が衝突することなく精度良く観察で
き、また、基板に固定できないような試料でも、探針走
査により試料を引きずることなく観察可能なＡＦＭを提
供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のＡＦＭは、試料
表面の各点での力によるカンチレバーの変位量を画像化
し、前記試料表面の１点から別の点への移動前に、試料
と探針を相対的に引き離し、移動後に前記引き離し距離
とほぼ等しい距離だけ相対的に接近させる操作を繰り返
す手段を備えた装置である。
表面の各点での力によるカンチレバーの変位量を画像化
し、前記試料表面の１点から別の点への移動前に、試料
と探針を相対的に引き離し、移動後に前記引き離し距離
とほぼ等しい距離だけ相対的に接近させる操作を繰り返
す手段を備えた装置である。
【０００８】また、本発明のＡＦＭは、試料表面の各点
での力によるカンチレバーの変位量を決められた値にな
るように制御しながら、前記制御量を画像化し、前記試
料表面の１点から別の点への移動前に、試料と探針を相
対的に引き離し、移動後に前記引き離し距離とほぼ等し
い距離だけ相対的に接近させる操作を繰り返す手段を備
えた装置である。
での力によるカンチレバーの変位量を決められた値にな
るように制御しながら、前記制御量を画像化し、前記試
料表面の１点から別の点への移動前に、試料と探針を相
対的に引き離し、移動後に前記引き離し距離とほぼ等し
い距離だけ相対的に接近させる操作を繰り返す手段を備
えた装置である。
【０００９】
【作用】本発明のＡＦＭによれば、探針が試料表面から
力を受けた状態で試料表面上を移動するのではなく、あ
たかも、杖を用いて道路の表面形状を調べるように、離
しながら、移動後に、試料と探針間の力を測定するため
に、試料表面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバー
の変位やカンチレバーのねじれによる変位などのノイズ
成分を除去することができる。
力を受けた状態で試料表面上を移動するのではなく、あ
たかも、杖を用いて道路の表面形状を調べるように、離
しながら、移動後に、試料と探針間の力を測定するため
に、試料表面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバー
の変位やカンチレバーのねじれによる変位などのノイズ
成分を除去することができる。
【００１０】また、高アスペクト比の探針を用いて、溝
部等の壁面が垂直に近いような形状の試料を観察する際
にも、離すので、探針の側面が走査中に壁面に衝突する
ことなく、表面形状を観察することが可能となる。
部等の壁面が垂直に近いような形状の試料を観察する際
にも、離すので、探針の側面が走査中に壁面に衝突する
ことなく、表面形状を観察することが可能となる。
【００１１】さらに、離すので、基板に固定しにくい生
体試料等も走査中に引きずることなく、正確な観察が可
能となる。
体試料等も走査中に引きずることなく、正確な観察が可
能となる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 （実施例１）図１は、本発明のＡＦＭの第１実施例を示
す概略図である。試料５は試料台４の上に載せられ、そ
の試料台４を通じて、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向の圧電体１、
２、３で形成されたトライポッド型の微動機構により移
動させられる。試料５の水平面内の走査は、圧電体駆動
装置１１により発生した電圧をＸ、およびＹ方向の圧電
体１、２に印加することにより行う。試料５と探針１２
間に働く力、すなわちカンチレバー６の変位は出力５ｍ
Ｗの半導体レーザー７から出射されたレーザー光をレン
ズ８によりカンチレバー６上に集光し、その反射光を２
分割フォトダイオード９により検出する光てこ方法によ
り検出する。以下にマイカのへき開面を観察したときの
具体的な制御方法について説明する。
て説明する。 （実施例１）図１は、本発明のＡＦＭの第１実施例を示
す概略図である。試料５は試料台４の上に載せられ、そ
の試料台４を通じて、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向の圧電体１、
２、３で形成されたトライポッド型の微動機構により移
動させられる。試料５の水平面内の走査は、圧電体駆動
装置１１により発生した電圧をＸ、およびＹ方向の圧電
体１、２に印加することにより行う。試料５と探針１２
間に働く力、すなわちカンチレバー６の変位は出力５ｍ
Ｗの半導体レーザー７から出射されたレーザー光をレン
ズ８によりカンチレバー６上に集光し、その反射光を２
分割フォトダイオード９により検出する光てこ方法によ
り検出する。以下にマイカのへき開面を観察したときの
具体的な制御方法について説明する。
【００１３】試料台４の上に、試料としてマイカ５を試
料５の中央部分が探針１２の下に位置するように設置し
た。この試料５の測定の際は、最初にカンチレバー６が
受ける力の大きさを１×１０ー7Ｎの斥力に設定した。設
定後の操作における、Ｘ、Ｚ方向圧電体１、３に印加す
る電圧のタイミングを示した電圧波形図を図２に示す。
カンチレバー６の変位量を光てこで検出した後、Ｚ方向
圧電体３にステップ電圧Ｖzを印加し、探針１２を試料
５から１ｎｍ引き離した。その後、圧電体駆動装置１１
をもちいて、Ｘ方向の圧電体１により試料５を２Å移動
させた。その後、Ｚ方向の圧電体３に印加している電圧
を徐々に減少させ、１ｎｍだけ探針を試料５に近ずけ、
カンチレバー６の変位量をコンピュータ１０に記憶させ
た。このカンチレバー６の変位量が試料５表面の各点に
おける凹凸情報となる。各点間の移動時間は０．２ｍ秒
に設定した。また、探針１２と試料５を引き離している
時間は０．１ｍ秒に設定した。この様な測定を２５６回
Ｘ方向へ繰り返し１ライン分の走査を終了した。次にＹ
方向の圧電体２により試料５を２Å移動させ、同様の操
作によりさらに１ラインの走査を行った。２５６回の走
査の後、２５６×２５６個の試料５表面の凹凸情報が得
られた。この情報を画像化したＡＦＭ像では、対称性の
ある、正確な原子像が得られた。
料５の中央部分が探針１２の下に位置するように設置し
た。この試料５の測定の際は、最初にカンチレバー６が
受ける力の大きさを１×１０ー7Ｎの斥力に設定した。設
定後の操作における、Ｘ、Ｚ方向圧電体１、３に印加す
る電圧のタイミングを示した電圧波形図を図２に示す。
カンチレバー６の変位量を光てこで検出した後、Ｚ方向
圧電体３にステップ電圧Ｖzを印加し、探針１２を試料
５から１ｎｍ引き離した。その後、圧電体駆動装置１１
をもちいて、Ｘ方向の圧電体１により試料５を２Å移動
させた。その後、Ｚ方向の圧電体３に印加している電圧
を徐々に減少させ、１ｎｍだけ探針を試料５に近ずけ、
カンチレバー６の変位量をコンピュータ１０に記憶させ
た。このカンチレバー６の変位量が試料５表面の各点に
おける凹凸情報となる。各点間の移動時間は０．２ｍ秒
に設定した。また、探針１２と試料５を引き離している
時間は０．１ｍ秒に設定した。この様な測定を２５６回
Ｘ方向へ繰り返し１ライン分の走査を終了した。次にＹ
方向の圧電体２により試料５を２Å移動させ、同様の操
作によりさらに１ラインの走査を行った。２５６回の走
査の後、２５６×２５６個の試料５表面の凹凸情報が得
られた。この情報を画像化したＡＦＭ像では、対称性の
ある、正確な原子像が得られた。
【００１４】ＡＦＭを本実施例のように操作することに
より、従来のようにカンチレバーが一定の斥力を受けた
まま試料表面を連続的に走査した場合に比べて、ノイズ
レベルが低く、１×１０-7Ｎ以上の強い斥力下での測定
でも、高分解能な画像が得られた。この原因の１つとし
て試料表面をＸ方向に走査したときに生ずる、カンチレ
バーのねじれ成分によるノイズが皆無になったことが考
えられる。
より、従来のようにカンチレバーが一定の斥力を受けた
まま試料表面を連続的に走査した場合に比べて、ノイズ
レベルが低く、１×１０-7Ｎ以上の強い斥力下での測定
でも、高分解能な画像が得られた。この原因の１つとし
て試料表面をＸ方向に走査したときに生ずる、カンチレ
バーのねじれ成分によるノイズが皆無になったことが考
えられる。
【００１５】なお、前記実施例では凹凸情報の測定を各
点につき１回行ったが、各点における測定を複数回繰り
返し、その平均値を用いて画像化することにより、より
ノイズレベルの低い画像が得られた。
点につき１回行ったが、各点における測定を複数回繰り
返し、その平均値を用いて画像化することにより、より
ノイズレベルの低い画像が得られた。
【００１６】またカンチレバーの変位測定手段として前
記実施例では光てこ法を用いたが、レーザー干渉法やト
ンネル電流法を用いても同様の結果が得られた。 （実施例２）次に、本発明の第２実施例におけるＡＦＭ
の概略図を図３に示す。カンチレバー６の変位は、光て
こ７、８、９により検出した。また、探針として酸化亜
鉛ウィスカ１３を使用した。このウィスカ１３は気相成
長法により作成したものであり、正四面体の体心から４
頂点に向かって延びたテトラポッド型の３次元構造の結
晶であるため、接着剤を用いて極めて容易にカンチレバ
ー６に取り付けることができた。このカンチレバー６を
用いて、ピッチ１μｍ、高さ０．５μｍのグレーティン
グを観察したときの制御方法について具体的に説明す
る。
記実施例では光てこ法を用いたが、レーザー干渉法やト
ンネル電流法を用いても同様の結果が得られた。 （実施例２）次に、本発明の第２実施例におけるＡＦＭ
の概略図を図３に示す。カンチレバー６の変位は、光て
こ７、８、９により検出した。また、探針として酸化亜
鉛ウィスカ１３を使用した。このウィスカ１３は気相成
長法により作成したものであり、正四面体の体心から４
頂点に向かって延びたテトラポッド型の３次元構造の結
晶であるため、接着剤を用いて極めて容易にカンチレバ
ー６に取り付けることができた。このカンチレバー６を
用いて、ピッチ１μｍ、高さ０．５μｍのグレーティン
グを観察したときの制御方法について具体的に説明す
る。
【００１７】試料台４の上に、グレーティング１５を中
央部分が探針１３の下に位置するように設置した。この
試料１５の測定の際には、斥力の大きさが、１×１０ー8
Ｎとなるように制御信号発生回路１４とＺ方向圧電体３
により、試料１５と探針１３間距離を制御した。その時
のＺ方向の圧電体３に印加されている制御電圧をコンピ
ュータ１０に記憶させた。この制御電圧値が基板表面の
各点における凹凸情報となる。つぎにコンピュータ１０
により発生させたステップ電圧を加算器１６を用いて制
御電圧に加算することにより、探針１３を試料表面から
１μｍ引き離した。その後、圧電体駆動装置１１をもち
いて、Ｘ方向の圧電体１により試料１５を２０ｎｍ移動
させた。その後、探針１３を試料１５に近づけるため
に、加算していた電圧を徐々に減少させ、１μｍ探針を
試料に近ずけた後に、再び１×１０-8Ｎの斥力になるよ
うに制御するための制御電圧をコンピュータ１０に記憶
させた。この測定では探針を試料から離している時間
を、０．１ｍ秒とし、制御信号発生回路１４の応答速度
を１ｍｓｅｃに設定した。また、各点間の移動時間は２
ｍ秒に設定した。したがって、引き離している間に、制
御信号発生回路１４による制御が追随することはない。
この様な測定を２５６回Ｘ方向へ繰り返し１ライン分の
走査を終了した。次にＹ方向の圧電体２により試料５を
２０ｎｍ移動させ、同様の操作によりさらに１ラインの
走査を行った。２５６回の走査の後、２５６×２５６個
の試料表面の凹凸情報が得られた。
央部分が探針１３の下に位置するように設置した。この
試料１５の測定の際には、斥力の大きさが、１×１０ー8
Ｎとなるように制御信号発生回路１４とＺ方向圧電体３
により、試料１５と探針１３間距離を制御した。その時
のＺ方向の圧電体３に印加されている制御電圧をコンピ
ュータ１０に記憶させた。この制御電圧値が基板表面の
各点における凹凸情報となる。つぎにコンピュータ１０
により発生させたステップ電圧を加算器１６を用いて制
御電圧に加算することにより、探針１３を試料表面から
１μｍ引き離した。その後、圧電体駆動装置１１をもち
いて、Ｘ方向の圧電体１により試料１５を２０ｎｍ移動
させた。その後、探針１３を試料１５に近づけるため
に、加算していた電圧を徐々に減少させ、１μｍ探針を
試料に近ずけた後に、再び１×１０-8Ｎの斥力になるよ
うに制御するための制御電圧をコンピュータ１０に記憶
させた。この測定では探針を試料から離している時間
を、０．１ｍ秒とし、制御信号発生回路１４の応答速度
を１ｍｓｅｃに設定した。また、各点間の移動時間は２
ｍ秒に設定した。したがって、引き離している間に、制
御信号発生回路１４による制御が追随することはない。
この様な測定を２５６回Ｘ方向へ繰り返し１ライン分の
走査を終了した。次にＹ方向の圧電体２により試料５を
２０ｎｍ移動させ、同様の操作によりさらに１ラインの
走査を行った。２５６回の走査の後、２５６×２５６個
の試料表面の凹凸情報が得られた。
【００１８】このカンチレバー６を用いて、試料１５表
面をカンチレバー６が一定の斥力を受けたまま連続的に
走査する従来の制御方法のＡＦＭで測定したところ安定
に測定ができず、時としてウィスカが破損することがあ
ったが、本実施例のＡＦＭでは、安定に、溝部の底まで
表面形状に忠実な像が得られた。
面をカンチレバー６が一定の斥力を受けたまま連続的に
走査する従来の制御方法のＡＦＭで測定したところ安定
に測定ができず、時としてウィスカが破損することがあ
ったが、本実施例のＡＦＭでは、安定に、溝部の底まで
表面形状に忠実な像が得られた。
【００１９】なお、本実施例では酸化亜鉛ウィスカを用
いた場合について説明したが、酸化錫、炭化珪素、アル
ミナ、金属あるいは有機物の針状結晶を用いても、本実
施例のＡＦＭを用いることにより、垂直な壁面を有する
溝部においても、表面形状に忠実なＡＦＭ像が安定に得
られた。 （実施例３）次に、本発明の第３実施例のＡＦＭを示す
概略図を図４に示す。本実施例では、走査用Ｘ，Ｙ方向
圧電体１、２と、探針に働く力を制御するための制御用
のＺ方向圧電体３で形成されたトライポッド型の微動機
構以外に、探針と試料を引き離すためのＺ方向圧電体１
７を、試料台１８との間に設置した。以下にガラス基板
上に分散したサルモネラ菌のべん毛を観察したときの制
御方法について具体的に説明する。
いた場合について説明したが、酸化錫、炭化珪素、アル
ミナ、金属あるいは有機物の針状結晶を用いても、本実
施例のＡＦＭを用いることにより、垂直な壁面を有する
溝部においても、表面形状に忠実なＡＦＭ像が安定に得
られた。 （実施例３）次に、本発明の第３実施例のＡＦＭを示す
概略図を図４に示す。本実施例では、走査用Ｘ，Ｙ方向
圧電体１、２と、探針に働く力を制御するための制御用
のＺ方向圧電体３で形成されたトライポッド型の微動機
構以外に、探針と試料を引き離すためのＺ方向圧電体１
７を、試料台１８との間に設置した。以下にガラス基板
上に分散したサルモネラ菌のべん毛を観察したときの制
御方法について具体的に説明する。
【００２０】試料台１８の上に、べん毛試料１９を中央
部分が探針１２の下に位置するように設置した。この試
料１９の測定は、カンチレバー６背後にガラス板２０を
設け、ガラス板２０と試料１９間に閉じ込めた水中で行
い、斥力が１×１０ー9Ｎとなるように制御信号発生回路
１４とＺ方向圧電体３により、試料１９と探針１２間距
離を制御した。その時のＺ方向の圧電体３に印加されて
いる制御電圧をコンピュータ１０に記憶させた。この制
御電圧値が基板表面の各点における凹凸情報となる。つ
ぎにコンピュータ１０により発生させたステップ電圧を
Ｚ方向圧電体１７に印加することにより、探針１２を試
料表面から５０ｎｍ引き離した。その後、圧電体駆動装
置１１をもちいて、Ｘ方向の圧電体１により試料１９を
３ｎｍ移動させた。その後、探針１２を試料１９に近づ
けるために、印加していた電圧を徐々に減少させ、５０
ｎｍ探針１２を試料１９に近ずけた後に、再び１×１０
-9Ｎの斥力になるように制御するための制御電圧をコン
ピュータ１０に記憶させた。この様な測定を２５６回Ｘ
方向へ繰り返し１ライン分の走査を終了した。次にＹ方
向の圧電体２により試料１９を３ｎｍ移動させ、同様の
操作によりさらに１ラインの走査を行った。２５６回の
走査の後、２５６×２５６個の試料表面の凹凸情報が得
られた。得られたＡＦＭ像には、直径が２０ｎｍ程度、
長さが１００ｎｍ以上のべん毛が数本観察された。
部分が探針１２の下に位置するように設置した。この試
料１９の測定は、カンチレバー６背後にガラス板２０を
設け、ガラス板２０と試料１９間に閉じ込めた水中で行
い、斥力が１×１０ー9Ｎとなるように制御信号発生回路
１４とＺ方向圧電体３により、試料１９と探針１２間距
離を制御した。その時のＺ方向の圧電体３に印加されて
いる制御電圧をコンピュータ１０に記憶させた。この制
御電圧値が基板表面の各点における凹凸情報となる。つ
ぎにコンピュータ１０により発生させたステップ電圧を
Ｚ方向圧電体１７に印加することにより、探針１２を試
料表面から５０ｎｍ引き離した。その後、圧電体駆動装
置１１をもちいて、Ｘ方向の圧電体１により試料１９を
３ｎｍ移動させた。その後、探針１２を試料１９に近づ
けるために、印加していた電圧を徐々に減少させ、５０
ｎｍ探針１２を試料１９に近ずけた後に、再び１×１０
-9Ｎの斥力になるように制御するための制御電圧をコン
ピュータ１０に記憶させた。この様な測定を２５６回Ｘ
方向へ繰り返し１ライン分の走査を終了した。次にＹ方
向の圧電体２により試料１９を３ｎｍ移動させ、同様の
操作によりさらに１ラインの走査を行った。２５６回の
走査の後、２５６×２５６個の試料表面の凹凸情報が得
られた。得られたＡＦＭ像には、直径が２０ｎｍ程度、
長さが１００ｎｍ以上のべん毛が数本観察された。
【００２１】本発明のＡＦＭでは、べん毛のように基板
に固定できないような試料でも、走査により探針が試料
を引きずることなく正確なＡＦＭ像が得られた。
に固定できないような試料でも、走査により探針が試料
を引きずることなく正確なＡＦＭ像が得られた。
【００２２】なお、本実施例では、探針１２と試料１９
を引き離すためのＺ方向圧電体１７を、前記圧電体１７
の共振周波数を上げるために、トライポッド型微動機構
と試料の間に設置したが、カンチレバー側に設置しても
同様の効果が得られた。
を引き離すためのＺ方向圧電体１７を、前記圧電体１７
の共振周波数を上げるために、トライポッド型微動機構
と試料の間に設置したが、カンチレバー側に設置しても
同様の効果が得られた。
【００２３】また、本発明は、上記実施例に限らず、試
料と探針が離れている時間が、カンチレバーの変位量を
決められた値に制御するための応答速度より、充分短い
ことが望ましい。
料と探針が離れている時間が、カンチレバーの変位量を
決められた値に制御するための応答速度より、充分短い
ことが望ましい。
【００２４】また、本発明は、上記実施例に限らず、試
料と探針を引き離す距離が、少なくとも走査範囲内での
試料の凹凸の高さより大きいことが望ましい。
料と探針を引き離す距離が、少なくとも走査範囲内での
試料の凹凸の高さより大きいことが望ましい。
【００２５】また、本発明の駆動・制御手段は、上記実
施例に限られず、他の微動機構であってもよいことはい
うまでもない。
施例に限られず、他の微動機構であってもよいことはい
うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、ノイズレベルが低く０．１ｎｍ以下の極めて
小さな凹凸等を安定に高精度に測定できる。
本発明は、ノイズレベルが低く０．１ｎｍ以下の極めて
小さな凹凸等を安定に高精度に測定できる。
【００２７】また、グレーティング等の深い溝形状や、
垂直に近い壁面を有する試料を測定する際、カンチレバ
ーや探針を破壊することなく、精度よく測定できる。
垂直に近い壁面を有する試料を測定する際、カンチレバ
ーや探針を破壊することなく、精度よく測定できる。
【００２８】また、生体試料等の基板に固定できない試
料も、探針で引きずることなく安定に測定でき、高分解
能で高精度なＡＦＭ像が得られるという長所を有する。
料も、探針で引きずることなく安定に測定でき、高分解
能で高精度なＡＦＭ像が得られるという長所を有する。
【図１】本発明にかかる第１実施例の原子間力顕微鏡の
概略斜視図である。
概略斜視図である。
【図２】本発明にかかる第１実施例のＸ，Ｚ方向圧電体
への印加電圧のタイミングを示す電圧波形図である。
への印加電圧のタイミングを示す電圧波形図である。
【図３】本発明にかかる第２実施例の原子間力顕微鏡の
概略斜視図である。
概略斜視図である。
【図４】本発明にかかる第３実施例の原子間力顕微鏡の
概略斜視図である。
概略斜視図である。
【図５】従来の原子間力顕微鏡の概略斜視図である。
１ ： Ｘ方向圧電体 ２ ： Ｙ方向圧電体 ３ ： Ｚ方向圧電体 ４、１８ ： 試料台 ５ ： マイカ試料 ６ ： カンチレバー ７ ： 半導体レーザー ８ ： 集光レンズ ９ ： ２分割フォトダイオード １０ ： 制御コンピュータ １１ ： 圧電体駆動装置 １２ ： 探針 １３ ： 酸化亜鉛ウィスカ探針 １４ ： 制御信号発生回路 １５ ： グレーティング試料 １６ ： 加算器 １７ ： Ｚ方向圧電体 １９ ： べん毛試料 ２０ ： ガラス板 ２１ ： 試料 ２２ ： 変位測定部
Claims (7)
- 【請求項１】 試料表面の各点での力によるカンチレバ
ーの変位量を画像化する原子間力顕微鏡において、前記
試料表面の１点から別の点への移動前に、試料と前記カ
ンチレバーの探針を相対的に引き離し、移動後に前記引
き離し距離と実質上等しい距離だけ、前記試料と前記カ
ンチレバーの探針とを相対的に接近させる操作を繰り返
すための駆動・制御手段を備えたことを特徴とする原子
間力顕微鏡。 - 【請求項２】 駆動・制御手段は、少なくとも前記引き
離し、又は接近のため、圧電体利用するものであること
を特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項３】 試料表面の各点での力によるカンチレバ
ーの変位量を決められた値になるように制御しながら、
前記制御量を画像化する原子間力顕微鏡において、前記
試料表面の１点から別の点への移動前に、試料と前記カ
ンチレバーの探針を相対的に引き離し、移動後に前記引
き離し距離と実質上等しい距離だけ相対的に接近させる
操作を繰り返す駆動・制御手段を備えたことを特徴とす
る原子間力顕微鏡。 - 【請求項４】 少なくとも、前記試料表面の各点での力
によるカンチレバーの変位量が決められた値になるよう
な制御電圧を印加する圧電体を具備し、前記試料表面の
１点から別の点への移動前に、前記制御電圧に、前記試
料と探針を引き離すための電圧を加算し、移動後に前記
引き離し距離と実質上等しい距離だけ接近させる電圧を
加算する操作を繰り返すことを特徴とする請求項３記載
の原子間力顕微鏡。 - 【請求項５】 少なくとも前記試料表面の各点での力に
よるカンチレバーの変位量が決められた値になるような
制御電圧を印加する圧電体と、前記試料表面の１点から
別の点への移動前に、前記試料と探針を引き離し、移動
後に前記引き離し距離と実質上等しい距離だけ接近させ
るための電圧を印加する圧電体とを具備することを特徴
とする請求項３記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項６】 試料と探針が離れている時間が、カンチ
レバーの変位量を決められた値に制御するための応答速
度より、充分短いことを特徴とする請求項３〜５のいず
れかに記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項７】 試料と探針を引き離す距離が、少なくと
も走査範囲内での試料の凹凸の高さより大きいことを特
徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の原子間力顕微
鏡。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4198593A JPH0642953A (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 原子間力顕微鏡 |
| EP93101180A EP0584440B1 (en) | 1992-07-24 | 1993-01-27 | Method of measuring a surface profile using an atomic force microscope |
| DE69313563T DE69313563T2 (de) | 1992-07-24 | 1993-01-27 | Verfahren zum Vermessen eines Oberflächenprofils mit einem Atomkraftmikroskop |
| US08/393,029 US5497656A (en) | 1992-07-24 | 1995-02-23 | Method of measuring a surface profile using an atomic force microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4198593A JPH0642953A (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 原子間力顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0642953A true JPH0642953A (ja) | 1994-02-18 |
Family
ID=16393772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4198593A Pending JPH0642953A (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 原子間力顕微鏡 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5497656A (ja) |
| EP (1) | EP0584440B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0642953A (ja) |
| DE (1) | DE69313563T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110553771A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-10 | 河南大学 | 基于fbg形状传感的仿生猫胡须柔性接触型车辆触障预警装置 |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3055598B2 (ja) * | 1994-09-16 | 2000-06-26 | 信越半導体株式会社 | シリコンウエーハの評価方法 |
| US6520005B2 (en) * | 1994-12-22 | 2003-02-18 | Kla-Tencor Corporation | System for sensing a sample |
| US5948972A (en) * | 1994-12-22 | 1999-09-07 | Kla-Tencor Corporation | Dual stage instrument for scanning a specimen |
| EP0759537A3 (en) * | 1995-08-18 | 1998-03-04 | Ronald C. Gamble | A scanning force microscope with optical device |
| DE19540062A1 (de) * | 1995-10-27 | 1997-04-30 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Abstandsmessung |
| US5866807A (en) * | 1997-02-04 | 1999-02-02 | Digital Instruments | Method and apparatus for measuring mechanical properties on a small scale |
| US6207575B1 (en) * | 1998-02-20 | 2001-03-27 | Advanced Micro Devices, Inc. | Local interconnect etch characterization using AFM |
| US6936484B2 (en) * | 1998-10-16 | 2005-08-30 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device |
| RU2145055C1 (ru) | 1999-02-08 | 2000-01-27 | Ао "Автэкс" | Способ сбора и обработки информации о поверхности образца |
| US6250143B1 (en) * | 1999-07-16 | 2001-06-26 | Agere Systems Guardian Corp. | Method of mapping a surface using a probe for stylus nanoprofilometry having a non-circular cross-section |
| US6642517B1 (en) | 2000-01-25 | 2003-11-04 | Veeco Instruments, Inc. | Method and apparatus for atomic force microscopy |
| DE10242749A1 (de) * | 2002-09-13 | 2004-04-08 | Bergische Universität Wuppertal | Dreidimensionales interferometrisches Positions-Messsystem |
| US7606403B2 (en) | 2002-10-17 | 2009-10-20 | Intel Corporation | Model-based fusion of scanning probe microscopic images for detection and identification of molecular structures |
| US7041963B2 (en) * | 2003-11-26 | 2006-05-09 | Massachusetts Institute Of Technology | Height calibration of scanning probe microscope actuators |
| EP1994360A4 (en) * | 2006-03-13 | 2012-03-14 | Asylum Research Corp | NANOPÉNÉTRATEUR |
| KR101440571B1 (ko) | 2012-07-05 | 2014-09-17 | 광주과학기술원 | 세포 이미징 방법 및 장치 |
| US10740948B2 (en) | 2016-01-12 | 2020-08-11 | Hanbat National University Industry-Academic Cooperation Foundation | Apparatus and method for generating three-dimensional image of polymer solute substance which exists in liquid solvent |
| US11415596B2 (en) * | 2018-01-29 | 2022-08-16 | Shimadzu Corporation | Scanning probe microscope and analysis method |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE33387E (en) * | 1985-11-26 | 1990-10-16 | International Business Machines Corporation | Atomic force microscope and method for imaging surfaces with atomic resolution |
| JP2566794B2 (ja) * | 1987-10-15 | 1996-12-25 | セイコー電子工業株式会社 | 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 |
| JP2936545B2 (ja) * | 1988-06-24 | 1999-08-23 | 株式会社日立製作所 | 走査プローブ顕微鏡 |
| US4889988A (en) * | 1988-07-06 | 1989-12-26 | Digital Instruments, Inc. | Feedback control for scanning tunnel microscopes |
| US5266801A (en) * | 1989-06-05 | 1993-11-30 | Digital Instruments, Inc. | Jumping probe microscope |
| US4954704A (en) * | 1989-12-04 | 1990-09-04 | Digital Instruments, Inc. | Method to increase the speed of a scanning probe microscope |
| DE69127379T2 (de) * | 1990-01-11 | 1998-03-19 | Canon K.K., Tokio/Tokyo | Mikrosonde, Herstellungsverfahren zur Herstellung derselben und Informations-Eingabe- und/oder Ausgabe-Gerät welches dieselbe verwendet |
| US5144128A (en) * | 1990-02-05 | 1992-09-01 | Hitachi, Ltd. | Surface microscope and surface microscopy |
| US5289004A (en) * | 1990-03-27 | 1994-02-22 | Olympus Optical Co., Ltd. | Scanning probe microscope having cantilever and detecting sample characteristics by means of reflected sample examination light |
| US5245863A (en) * | 1990-07-11 | 1993-09-21 | Olympus Optical Co., Ltd. | Atomic probe microscope |
| JP3030574B2 (ja) * | 1990-08-16 | 2000-04-10 | キヤノン株式会社 | 微小変位型情報検知探針素子及びこれを用いた走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、情報処理装置 |
| JPH04161807A (ja) * | 1990-10-26 | 1992-06-05 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡 |
| US5336887A (en) * | 1991-11-15 | 1994-08-09 | Olympus Optical Co., Ltd. | Scanning probe microscope |
| US5267471A (en) * | 1992-04-30 | 1993-12-07 | Ibm Corporation | Double cantilever sensor for atomic force microscope |
| US5412980A (en) * | 1992-08-07 | 1995-05-09 | Digital Instruments, Inc. | Tapping atomic force microscope |
-
1992
- 1992-07-24 JP JP4198593A patent/JPH0642953A/ja active Pending
-
1993
- 1993-01-27 EP EP93101180A patent/EP0584440B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-01-27 DE DE69313563T patent/DE69313563T2/de not_active Expired - Fee Related
-
1995
- 1995-02-23 US US08/393,029 patent/US5497656A/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110553771A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-10 | 河南大学 | 基于fbg形状传感的仿生猫胡须柔性接触型车辆触障预警装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0584440B1 (en) | 1997-09-03 |
| EP0584440A1 (en) | 1994-03-02 |
| DE69313563T2 (de) | 1998-02-05 |
| DE69313563D1 (de) | 1997-10-09 |
| US5497656A (en) | 1996-03-12 |
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