JPH0868802A - Conductive cantilever and holder of compound microscope - Google Patents
Conductive cantilever and holder of compound microscopeInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は複合顕微鏡のセンサ部と
して利用される導電性のカンチレバ−、ホルダ−に関す
る。ここで複合顕微鏡というのは、次の3種類の顕微鏡
を合体したものである。走査型トンネル顕微鏡(ST
M)、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型静電容量顕微
鏡(SCaM)の3種類である。これら3つの顕微鏡の
機能を結合し、1台の顕微鏡により、試料のさまざまな
性質、特性を調べる事ができるようにしたものである。
しかし本発明で直接に関係するのは、原子間力顕微鏡と
静電容量顕微鏡の二つである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a conductive cantilever and holder used as a sensor section of a compound microscope. Here, the compound microscope is a combination of the following three types of microscopes. Scanning tunneling microscope (ST
M), atomic force microscope (AFM), and scanning capacitance microscope (SCaM). By combining the functions of these three microscopes, it is possible to investigate various properties and characteristics of a sample with one microscope.
However, the atomic force microscope and the capacitance microscope are directly related to the present invention.
【0002】走査型トンネル顕微鏡は、尖った探針を試
料に数nmの程度に近づけ、試料と探針の間に電圧を印
加し、試料と探針の間に流れるトンネル電流を測定し、
試料表面の微細な形状や、電子状態を観測する。電流を
一定値に保持するようにすれば、試料表面の凹凸の状態
を原子レベルで観察する事ができる。検出部は、探針で
ある。鋭く短い金属の針である。たわむ事はない。探針
は圧電素子に取り付けられており、上下(Z方向)、水
平方向(XY)に動く事ができる。試料と探針の間隔
は,0.5nm〜1.5nmの程度である。トンネル電
流は数nAの程度である。試料を相対移動させて、試料
表面の形状を調べるので走査型というのである。A scanning tunneling microscope has a sharp probe brought close to a sample by a few nm, a voltage is applied between the sample and the probe, and a tunnel current flowing between the sample and the probe is measured.
Observe the fine shape and electronic state of the sample surface. By keeping the current at a constant value, it is possible to observe the state of irregularities on the sample surface at the atomic level. The detection unit is a probe. A sharp, short metal needle. There is no deflection. The probe is attached to the piezoelectric element, and can move vertically (Z direction) and horizontally (XY). The distance between the sample and the probe is about 0.5 nm to 1.5 nm. The tunnel current is of the order of a few nA. This is a scanning type because the shape of the sample surface is examined by moving the sample relatively.
【0003】走査型静電容量顕微鏡は、導電性の探針を
試料に接近させ、探針と試料表面の電荷との間で形成さ
れる静電容量を測定し、試料表面の静電容量分布を検出
するものである。これもセンサ部は、金属の短い探針で
ある。撓む必要はない。試料面に垂直に電流を流す事が
できるから、探針の他の部分と、試料の間に生ずる静電
容量は小さくする事ができる。原理図を図2に示す。A scanning electrostatic capacitance microscope measures the electrostatic capacitance formed between a conductive probe and a charge on the surface of a sample by bringing a conductive probe close to the sample to obtain a capacitance distribution on the surface of the sample. Is to detect. Also in this case, the sensor unit is a short probe made of metal. No need to bend. Since a current can be passed perpendicularly to the surface of the sample, the capacitance generated between the sample and other parts of the probe can be reduced. The principle diagram is shown in FIG.
【0004】原子間力顕微鏡は、絶縁性の撓み易い部材
を試料に接近させ、この部材と試料原子の間に働く原子
間力による部材の撓みを、光学的或いは静電的に検出す
るものである。片持ちばりであり、よく撓むので、この
部材をカンチレバーと呼ぶ。カンチレバーは絶縁性で撓
み易いのが条件である。Si3 N4 、Si02 、Si等
のヤング率の低い材料の薄膜を用いる。カンチレバー
は、板バネとも、バネともいう人がいる。探針を試料表
面に接近させると、試料原子とカンチレバーの先に力が
生じるのでこの力を測定する。電気的な機構を用いない
ので、カンチレバーは絶縁性でよいのである。カンチレ
バーの撓みは、レ−ザ光を当てて反射する光の変位を受
光素子によって検出して求める。原理図を図1に示す。The atomic force microscope is designed to bring an insulative and flexible member close to a sample and optically or electrostatically detect the member deflection due to the atomic force acting between the member and the sample atom. is there. This member is called a cantilever because it is a cantilever and bends well. The cantilever must be insulative and flexible. A thin film made of a material having a low Young's modulus such as Si 3 N 4 , SiO 2 or Si is used. Some people call cantilevers either leaf springs or springs. When the probe is brought close to the sample surface, a force is generated at the tip of the sample atom and the cantilever, and this force is measured. Since no electrical mechanism is used, the cantilever may be insulating. The deflection of the cantilever is obtained by detecting the displacement of light reflected by the laser light by a light receiving element. The principle diagram is shown in FIG.
【0005】[0005]
【従来の技術】これら3つの顕微鏡は、別々の目的と構
造を持つものである。本発明者はこれらの三者を一体に
結合した複合顕微鏡を提案している。この場合、試料に
対向し試料の状態を検知するものは、探針とカンチレバ
ーの2種類がある。複合顕微鏡とするには、両者の性質
を兼ね備える必要がある。そこで本発明者は、カンチレ
バーの先に短い探針を取り付けた構造のものをセンサに
採用する事にした。原子間力顕微鏡は電気的な測定でな
く、部材の撓みを検出すれば良いのである。これは光学
的に検出する。ところが静電容量と、トンネル電流の場
合は、いずれも電気的な信号を必要とする。静電容量を
測定するには、高周波電圧を印加して探針、試料間の容
量を検出する。トンネル電流の場合は、探針と試料の間
に直流電圧を印加して僅かなトンネル電流を測定する。2. Description of the Related Art These three microscopes have different purposes and structures. The present inventor has proposed a compound microscope in which these three parts are combined together. In this case, there are two types of probe and cantilever that face the sample and detect the state of the sample. In order to make a compound microscope, it is necessary to combine both properties. Therefore, the present inventor has adopted a sensor having a structure in which a short probe is attached to the tip of the cantilever. The atomic force microscope does not have to be an electrical measurement, but can detect the deflection of a member. This is detected optically. However, both electrostatic capacitance and tunnel current require an electrical signal. To measure the capacitance, a high frequency voltage is applied to detect the capacitance between the probe and the sample. In the case of tunnel current, a small tunnel current is measured by applying a DC voltage between the probe and the sample.
【0006】印加する電圧の形態が違うので、同じ探針
を同時にふたつの目的に使うことができない。そこで、
切り替えスイッチを用いて、高周波電圧と、直流電圧を
択一的に印加するようにした。本発明者は、このように
3つの顕微鏡機能を合体することに鋭意努力した。もう
ひとつの問題は、板バネつまりカンチレバ−である。原
子間力顕微鏡に用いるカンチレバ−は絶縁体であり、ヤ
ング率の低い撓みやすい材料を選びやすい。しかしトン
ネル顕微鏡、静電容量顕微鏡とする場合は、カンチレバ
−の他に探針を設けるということができないので、カン
チレバ−の先に探針を付けることになる。Since the form of the applied voltage is different, the same probe cannot be used for two purposes at the same time. Therefore,
A high-frequency voltage and a DC voltage are selectively applied by using a changeover switch. The present inventor has made diligent efforts to combine the three microscope functions in this manner. Another problem is the leaf spring or cantilever. The cantilever used in the atomic force microscope is an insulator, and it is easy to select a flexible material having a low Young's modulus. However, in the case of a tunnel microscope or a capacitance microscope, it is not possible to provide a probe other than the cantilever, so the probe is attached to the tip of the cantilever.
【0007】探針からの電流を導くためにカンチレバ−
自体が導電性のものでなければならなくなる。従来のよ
うに絶縁物によりカンチレバ−を作るという訳にはゆか
ない。この問題は、原子間力顕微鏡と静電容量顕微鏡を
結合することによって生ずる問題である。トンネル顕微
鏡を欠いた2種類の複合顕微鏡において導電性のカンチ
レバ−が必要になる。A cantilever to guide the current from the probe.
It will have to be electrically conductive. It is not possible to make a cantilever with an insulator as in the past. This problem is caused by combining the atomic force microscope and the capacitance microscope. Conductive cantilevers are required in two types of compound microscopes that lack tunneling microscopes.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】導電性のカンチレバ−
というものはこれまでになかったものである。静電容量
顕微鏡を原子間力顕微鏡に結合するために必要性が発生
したのである。しかし単に絶縁体を金属にすればよいと
いうようなものでないことが分かってきた。カンチレバ
−は長い棒状の部材であるが、これを金属にすると、カ
ンチレバ−と試料の間にも静電容量C2 が発生する。探
針と試料の間の静電容量C1 の変化を正確に捕らえる必
要がある。試料と探針の距離が短く、試料の電荷分布状
態が変化した時に、大きく容量が変化するのは、探針・
試料間のC1 である。試料・カンチレバ−間の容量C2
は試料の電荷分布によってあまり変動しない。ところが
カンチレバ−と、試料の間に高周波を印加し容量測定す
る時に、容量の多くはC2 から来る。これは信号C1 に
対するノイズとなる。SUMMARY OF THE INVENTION Conductive cantilevers
That is something that has never existed before. The need arises to couple the capacitance microscope to the atomic force microscope. However, it has been found that it is not just that the insulator is made of metal. The cantilever is a long rod-shaped member, but if it is made of metal, a capacitance C 2 is generated between the cantilever and the sample. It is necessary to accurately capture the change in the capacitance C 1 between the probe and the sample. When the distance between the sample and the probe is short and the charge distribution state of the sample changes, the capacitance changes greatly.
C 1 between samples. Capacity C 2 between sample and cantilever
Does not fluctuate much depending on the charge distribution of the sample. However, when a high frequency is applied between the cantilever and the sample to measure the capacitance, most of the capacitance comes from C 2 . This becomes noise for the signal C 1 .
【0009】本発明者が作成した、原子間力静電容量顕
微鏡において、印加電圧を変えて半導体の空乏層の厚み
の電圧に対する変化を測定したが、−10V〜+10V
の印加電圧の範囲で容量の変化を観測することができな
かった。これはどうしてか?本発明者はカンチレバ−・
試料間の容量C2 が大きすぎて、探針・試料間の容量C
1 の変化を覆い隠しているのであろうと考える。印加す
る電圧が変動すると、空乏層が増えたり、減ったりす
る。空乏層が広がると、探針・試料間の容量C1が減る
はずである。しかしカンチレバ−・試料間の容量C2 が
大きいために、信号の変動が分からないのであると考え
る。In the atomic force capacitance microscope prepared by the present inventor, the applied voltage was changed to measure the change in the thickness of the depletion layer of the semiconductor with respect to the voltage.
It was not possible to observe the change in capacity within the range of applied voltage. Why is this? The inventor is a cantilever
The capacitance C 2 between the samples is too large, and the capacitance C between the probe and the sample is
I think it may be masking the change of 1 . When the applied voltage changes, the depletion layer increases or decreases. If the depletion layer expands, the capacitance C 1 between the probe and the sample should decrease. However, since the capacitance C 2 between the cantilever and the sample is large, it is considered that the fluctuation of the signal is unknown.
【0010】カンチレバ−・試料間の静電容量は、導電
性のカンチレバ−を採用することにより初めて発生した
ものである。カンチレバ−+探針により、原子間力顕微
鏡と、静電容量顕微鏡、トンネル顕微鏡のセンサとする
ところから、カンチレバ−を導電性にしなければならな
い。導電性のカンチレバ−はこれにより初めて登場した
訳である。従来、静電容量顕微鏡の場合は小さい探針の
みに高周波電圧を印加していたので、その他の部分と試
料の間の容量は問題にならなかった。しかしカンチレバ
−のように面積の広いものを探針の上に取り付けると、
カンチレバ−と試料間の静電容量が問題になる。The capacitance between the cantilever and the sample was generated for the first time by using a conductive cantilever. Since the cantilever + probe serves as a sensor for an atomic force microscope, a capacitance microscope, and a tunnel microscope, the cantilever must be made conductive. The conductive cantilever was first introduced by this. Conventionally, in the case of the capacitance microscope, the high frequency voltage was applied only to the small probe, so that the capacitance between other portions and the sample did not pose a problem. However, if you attach a large area such as a cantilever on the probe,
The capacitance between the cantilever and the sample becomes a problem.
【0011】それでは探針・試料間、カンチレバ−・試
料間の容量がどのぐらいであるのかを評価する。探針の
下方は半球状であると仮定する。そこで図3のように、
球体(導体球)と無限に広がる導体面(大地)との間の
容量を計算する。半球の場合電荷が分布するのは下半分
であるから、球が存在するとしても同じことである。図
3において、球の半径をr、球の下端と導体面の距離を
s、球の中心と導体面の距離をdとする(d=s+
r)。導体面をXZ面とする。これに直角の方向がY軸
である。球の中心の座標は(0,d,0)である。この
球に+Qの電荷があるとする。導体面を電位0にするた
めに、鏡像球を考える。(0,−d,0)の位置に−Q
の電荷の鏡像球がある。球を結ぶ線状の点P(0,y,
0)での電界強度Eは、(ε0 は真空の誘電率)Then, the capacities between the probe and the sample and between the cantilever and the sample are evaluated. The lower part of the probe is assumed to be hemispherical. So, as shown in Figure 3,
Calculate the capacitance between a sphere (conductor sphere) and an infinitely spread conductor surface (ground). In the case of a hemisphere, the charge is distributed in the lower half, so it is the same even if a sphere exists. In FIG. 3, the radius of the sphere is r, the distance between the lower end of the sphere and the conductor surface is s, and the distance between the center of the sphere and the conductor surface is d (d = s +
r). The conductor surface is the XZ surface. The direction perpendicular to this is the Y-axis. The coordinates of the center of the sphere are (0, d, 0). Suppose this sphere has + Q charge. Consider a mirror image sphere in order to set the potential of the conductor surface to zero. -Q at position (0, -d, 0)
There is a mirror image sphere of charge. A linear point P (0, y,
The electric field strength E at 0) is (ε 0 is the dielectric constant of vacuum)
【0012】 E=Q(4πε0 )-1{(d−y)-2+(d+y)-2} (1) である。これをyによって0〜sまで積分したものが電
圧Vである。E = Q (4πε 0 ) −1 {(d−y) −2 + (d + y) −2 } (1) The voltage V is obtained by integrating this from y to 0 to s.
【0013】 V=∫Edy=Q(2πε0 )-1{r(2s+r)}-1s(2) となる。コンデンサとしての容量C1 は、V = ∫Edy = Q (2πε 0 ) −1 {r (2s + r)} −1 s (2). The capacitance C 1 as a capacitor is
【0014】 C1 =(2πε0 ){r(2s+r)}s-1 (3) となる。これは探針と試料(導体面)との間の、静電容
量である。C 1 = (2πε 0 ) {r (2s + r)} s −1 (3) This is the capacitance between the probe and the sample (conductor surface).
【0015】一例を考える。探針の先が試料と距離s=
5nm離れており、探針の先端の曲率半径rが0.5μ
mであるとする。これを(3)に代入すると、C1 =
2.8fFである。きわめて小さい値である。次に図4
により、カンチレバ−と試料(導体面)との間の容量に
ついて考える。間隔d、面積Sの平行平板電極の容量
は、εS/dである。無限に広がる導体面の上に距離d
を隔てて存在する導体片(面積S)が、導体面との間に
作る容量は、同じようにεS/dである。カンチレバ−
の場合は傾斜しており、一方の端Aは試料に極めて接近
しており、他方の(ホルダ−に支持される部分)端Bは
試料から遠い。斜めの導体が電荷+Qを有する。試料面
をXZ面として鏡像を考える。鏡像は−Qの電荷を持
つ。Consider an example. The tip of the probe is a distance from the sample s =
5 nm apart, the radius of curvature r of the tip of the probe is 0.5 μ
Let m be. Substituting this into (3), C 1 =
It is 2.8 fF. It is a very small value. Next in FIG.
Consider the capacitance between the cantilever and the sample (conductor surface). The capacitance of the parallel plate electrodes having the distance d and the area S is εS / d. Distance d on infinitely spread conductor surface
Similarly, the capacitance formed between the conductor pieces (area S) existing apart from each other with the conductor surface is εS / d. Cantilever
In the case of, the one end A is extremely close to the sample, and the other end (portion supported by the holder) B is far from the sample. The diagonal conductor has a charge + Q. Consider a mirror image with the sample plane as the XZ plane. The mirror image has a charge of -Q.
【0016】実電極と鏡像電極の間に電気力線ができる
が、これは真っすぐではなくて円弧状に彎曲する。電極
(カンチレバ−)の導体面に一番近い端Aでの面との距
離をdとする。導体面(XZ面)に対する電極の傾き角
をΘとする。電極の端Aからの電極の任意の点Pまでの
距離をlとする。これと導体面との円弧電気力線の長さ
は(d+lΘ)によって与えられる。電界Eは電気力線
に沿って一様であると仮定して、E(d+lΘ)が定数
cになる。また電極近傍の閉空間にガウスの定理を適用
して、P点での表面電荷ηは、η=ε0 Eである。全電
荷Qはηをlにより0からLまで積分したものに電極幅
wを掛けたものである。A line of electric force is formed between the real electrode and the mirror image electrode, but this line is not straight but curved in an arc shape. The distance from the surface of the electrode (cantilever) at the end A closest to the conductor surface is d. The angle of inclination of the electrode with respect to the conductor plane (XZ plane) is Θ. The distance from the edge A of the electrode to an arbitrary point P of the electrode is l. The length of the arc line of electric force between this and the conductor surface is given by (d + lΘ). Assuming that the electric field E is uniform along the lines of electric force, E (d + lΘ) becomes a constant c. Applying Gauss's theorem to the closed space near the electrodes, the surface charge η at point P is η = ε 0 E. The total charge Q is obtained by integrating η from 0 to L by l and multiplying it by the electrode width w.
【0017】 Q=w∫ηdl=cε0 w∫(d+lΘ)-1dl=cε0 wΘ-1log{(d+ LΘ)/d}(4) c=QΘ/[wε0 log{(d+LΘ)/d}](5)Q = w∫ηdl = cε 0 w∫ (d + lΘ) −1 dl = cε 0 wΘ −1 log {(d + LΘ) / d} (4) c = QΘ / [wε 0 log {(d + LΘ) / d}] (5)
【0018】電圧Vは、電界EをY方向に積分したもの
である。 V=−∫Edy=QΘ/[wε0 log{(d+LΘ)/d}] (6)The voltage V is the electric field E integrated in the Y direction. V = −∫Edy = QΘ / [wε 0 log {(d + LΘ) / d}] (6)
【0019】静電容量Cは、 C2 =wε0 [log{(d+LΘ)/d}]/Θ (7) これはΘが0の極限でε0 wL/dになり前記のような
ε0 S/dに合致する。The capacitance C is, C 2 = wε 0 [log {(d + LΘ) / d}] / Θ (7) which is like the will epsilon 0 wL / d in the limit of theta is 0 epsilon 0 Matches S / d.
【0020】dはカンチレバ−と試料の距離であるが、
探針がほぼ試料に接触する程度に近いので、dは探針の
長さの程度である。一例を考える。カンチレバ−の長
さ、幅、傾き角、距離を次のように仮定する。L=2.
0mm、w=0.3mm、Θ=10°、d=5.0μ
m。するとC2 =64fFとなる。D is the distance between the cantilever and the sample,
Since the probe is almost in contact with the sample, d is the length of the probe. Consider an example. The length, width, tilt angle and distance of the cantilever are assumed as follows. L = 2.
0 mm, w = 0.3 mm, Θ = 10 °, d = 5.0 μ
m. Then, C 2 = 64 fF.
【0021】カンチレバ−の方が大きいので、カンチレ
バ−の静電容量が、探針の容量よりもずっと大きい。こ
のために、試料と探針の間の容量が、カンチレバ−と試
料の間の信号に埋もれてしまう。であるから、探針と試
料の間にバイアス電圧を加えて、探針と試料間の容量を
変化させても、これが容量の変化として検出できない。
さらに、カンチレバ−は撓むので、撓みにより試料との
間の容量が変動する。撓みによるカンチレバ−の容量の
変動に信号が埋まるので、信号の変化を正確に捕らえる
ことができない。このような導電性カンチレバ−やホル
ダ−の静電容量を小さくして、探針と試料間の容量の変
化を検知できるようにするのが本発明の目的である。Since the cantilever is larger, the capacitance of the cantilever is much larger than the capacitance of the probe. For this reason, the capacitance between the sample and the probe is buried in the signal between the cantilever and the sample. Therefore, even if a bias voltage is applied between the probe and the sample to change the capacitance between the probe and the sample, this cannot be detected as a change in the capacitance.
Furthermore, since the cantilever bends, the capacitance between the cantilever and the sample changes. Since the signal is buried in the change in the capacity of the cantilever due to the bending, it is impossible to accurately capture the change in the signal. It is an object of the present invention to reduce the capacitance of such a conductive cantilever or holder so that a change in capacitance between the probe and the sample can be detected.
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】本発明は、ホルダ−の金
属部分の面積を減少させることにより、ホルダ−による
容量を減少させる。このためには、絶縁性のホルダ−の
一部に金属線を形成して導電線として用いる。さらにカ
ンチレバ−自体の金属部の面積を減らし、カンチレバ−
の容量を減らす。細長い金属のカンチレバ−に長手方向
に長い穴を開けるようにする。或は、三角形のカンチレ
バ−を採用し中心部を除去した形態にする。ホルダ−や
カンチレバ−の金属部分の面積を減らすことにより浮遊
容量を減少させる。探針による容量が相対的に増加する
ので、試料と探針間の容量の変化を感知することができ
るようになる。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention reduces the capacity of the holder by reducing the area of the metal portion of the holder. For this purpose, a metal wire is formed on a part of the insulating holder and used as a conductive wire. Furthermore, the area of the metal part of the cantilever itself is reduced, and the cantilever
Reduce the capacity of. Make a long hole in the elongated metal cantilever. Alternatively, a triangular cantilever is used to remove the central portion. The stray capacitance is reduced by reducing the area of the metal part of the holder or cantilever. Since the capacity of the probe relatively increases, it becomes possible to detect a change in the capacity between the sample and the probe.
【0023】[0023]
【作用】ホルダ−やカンチレバ−による浮遊容量が減少
し、探針と試料間の容量が相対的に増加するので、S/
N比が増加する。静電容量顕微鏡として利用する場合、
試料表面の電荷分布、空乏層の厚みなどをより正確に求
めることができる。走査型トンネル顕微鏡、走査型静電
容量顕微鏡、原子間力顕微鏡の3様の機能を兼ね備える
複合顕微鏡としての機能を向上させることができる。The floating capacitance due to the holder and the cantilever is reduced, and the capacitance between the probe and the sample is relatively increased.
The N ratio increases. When used as a capacitance microscope,
The charge distribution on the sample surface, the thickness of the depletion layer, etc. can be obtained more accurately. It is possible to improve the function as a compound microscope having three functions such as a scanning tunneling microscope, a scanning capacitance microscope, and an atomic force microscope.
【0024】[0024]
【実施例】カンチレバ−の導電体の部分の面積を減らす
ことにより、浮遊容量を減少させるというのが本発明の
要旨である。このために、例えば次のような改良が可能
である。The gist of the present invention is to reduce the stray capacitance by reducing the area of the conductor portion of the cantilever. For this reason, for example, the following improvements are possible.
【0025】 穴の開いた金属製のカンチレバ−(長
手方向に細い穴を開ける。図5に示す。丸穴をいくつも
開ける。) 三角形のカンチレバ−であり、中心部分に広い穴の
ある金属カンチレバ−(図6に示す)。 絶縁体の薄膜の上に細い導電線を形成する(図7に
示す)。 カンチレバ−が支持されているホルダ−に細い金属
線を設けて、ホルダ−の容量を減少させたもの。A metal cantilever with a hole (a small hole is made in the longitudinal direction. As shown in FIG. 5. A number of round holes are made.) A triangular cantilever with a wide hole in the center. -(Shown in Figure 6). A thin conductive wire is formed on the thin film of the insulator (shown in FIG. 7). A holder in which the cantilever is supported is provided with a thin metal wire to reduce the capacity of the holder.
【0026】図5の例は、細長いカンチレバ−に縦方向
に溝を切ったことにより容量を減らすものである。短冊
状で先端部が尖っている。このカンチレバ−は金属箔を
切断したものである。前端の下面には探針(図示しな
い)が取り付けられる。後端はホルダ−2に固定され
る。ホルダ−の全体を金属にすると容量が増えるので、
絶縁体によりホルダ−を形成する。しかしそれだけでは
電気信号を伝えることができないので、ホルダ−2の上
面或いは下面に金属線をコ−トする。これは蒸着により
簡単に形成することができる。In the example of FIG. 5, the capacity is reduced by cutting a groove in the elongated cantilever in the longitudinal direction. It has a strip shape with a sharp tip. This cantilever is obtained by cutting a metal foil. A probe (not shown) is attached to the lower surface of the front end. The rear end is fixed to the holder-2. If the whole holder is made of metal, the capacity will increase,
A holder is formed of an insulator. However, an electric signal cannot be transmitted by itself, so a metal wire is coated on the upper surface or the lower surface of the holder-2. It can be easily formed by vapor deposition.
【0027】重要なことは、カンチレバ−1の長手方向
にストライプ状の穴(溝)4が形成されているというこ
とである。この縦溝のために、金属部分の面積が減る。
ためにカンチレバ−の試料との間の容量が減少する。原
子間力顕微鏡として利用するときは光をカンチレバ−に
当てて反射光のずれを観測する。この場合は、光が金属
箔カンチレバ−1の前端に当たるようにするので、溝の
存在が光の反射の障害にはならない。このような構造に
しても、カンチレバ−の剛性をある程度維持できなけれ
ばならない。この溝4は、エッチングにより形成するこ
とができる。溝4を切ることにより、カンチレバ−の容
量を1/3程度減らすことができる。What is important is that stripe-shaped holes (grooves) 4 are formed in the longitudinal direction of the cantilever-1. Due to this flute, the area of the metal part is reduced.
Therefore, the capacity between the cantilever and the sample is reduced. When it is used as an atomic force microscope, light is applied to a cantilever and the deviation of reflected light is observed. In this case, since the light strikes the front end of the metal foil cantilever-1, the existence of the groove does not hinder the reflection of the light. Even with such a structure, the rigidity of the cantilever must be maintained to some extent. The groove 4 can be formed by etching. By cutting the groove 4, the capacity of the cantilever can be reduced by about 1/3.
【0028】図6の例は、金属を三角形状に切り、中を
切り除いたものである。例えばプレス裁断のような方法
により三角形状の穴を開ける。カンチレバ−6は三角枠
形状をなす。内部は穴7になっている。これの端部が絶
縁物のホルダ−8の前端に固着される。ホルダ−8には
細い金属線コ−ト9がある。電流は、金属線コ−ト9、
カンチレバ−6を伝って流れることができる。原子間力
顕微鏡とする時は、光10をカンチレバ−6の前端部に
当てるので、穴7のために光が反射しないということは
ない。In the example of FIG. 6, the metal is cut into a triangular shape and the inside is removed. For example, a triangular hole is formed by a method such as press cutting. The cantilever 6 has a triangular frame shape. Inside is a hole 7. The end of this is fixed to the front end of the insulator holder-8. The holder 8 has a thin metal wire coat 9. Current is the metal wire coat 9,
Can flow along the cantilever-6. When the atomic force microscope is used, the light 10 is applied to the front end of the cantilever 6, so that the light is not reflected due to the hole 7.
【0029】図7の例は、絶縁体のカンチレバ−11の
一部に金属線12を長手方向にコ−トしたものである。
ホルダ−13には、一部に金属線が被覆されている。カ
ンチレバ−の前端は、全体が金属膜15によって覆われ
る。金属線14から、カンチレバ−の金属線12、前端
金属膜15に電流が流れる。探針16は先端の金属膜の
下に固着される。In the example of FIG. 7, a metal wire 12 is coated in a longitudinal direction on a part of an insulator cantilever 11.
The holder 13 is partially covered with a metal wire. The front end of the cantilever is entirely covered with the metal film 15. A current flows from the metal wire 14 to the cantilever metal wire 12 and the front end metal film 15. The probe 16 is fixed below the metal film at the tip.
【0030】[0030]
【発明の効果】本発明は、ホルダ−とカンチレバ−の金
属の部分の面積を狭くすることにより、試料とカンチレ
バ−、ホルダ−の間の静電容量を減らすことができる。
ために探針と試料間の静電容量変化が相対的に検知しや
すくなる。従って静電容量顕微鏡として用いる場合にS
/N比が高まる。According to the present invention, the capacitance between the sample, the cantilever and the holder can be reduced by narrowing the area of the metal portion of the holder and the cantilever.
Therefore, it is relatively easy to detect the capacitance change between the probe and the sample. Therefore, when used as a capacitance microscope, S
/ N ratio increases.
【0031】全体を金属で作ったカンチレバ−、ホルダ
−を用い、Siを試料として、直流電圧を−10V〜+
10Vの範囲で印加し、試料と探針間の容量変化を測定
した。しかしバイアスが−10V〜+10Vの範囲で、
容量変化を検知することができなかった。Siの場合、
高密度に不純物をド−プすると、空乏層は数十μmの厚
みを持ち、低濃度にド−プすると、空乏層は数百μmの
厚みを持つ筈である。電圧によりこれが変化し、容量変
化を引き起こす筈である。しかし出力は無変化であっ
た。図5のカンチレバ−を用いると、同じ−10V〜+
10Vのバイアス変化に対して、容量の変化を検出する
ことができた。Using a cantilever and a holder made entirely of metal, using a sample of Si, a DC voltage of -10 V to +
The voltage was applied in the range of 10 V and the capacitance change between the sample and the probe was measured. However, when the bias is in the range of -10V to + 10V,
The capacity change could not be detected. For Si,
If the impurities are heavily doped, the depletion layer should have a thickness of several tens of μm, and if the impurities are doped at a low concentration, the depletion layer should have a thickness of several hundreds of μm. This should change with the voltage and cause a change in capacitance. However, the output remained unchanged. Using the cantilever of FIG. 5, the same -10V to +
A change in capacitance could be detected with respect to a change in bias of 10V.
【図1】原子間力顕微鏡の測定原理図。FIG. 1 is a diagram showing the measurement principle of an atomic force microscope.
【図2】静電容量顕微鏡の測定原理図。FIG. 2 is a measurement principle diagram of a capacitance microscope.
【図3】平面導体に対向する球が持つ容量を計算するた
めの説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram for calculating a capacity of a sphere facing a plane conductor.
【図4】平面導体に対向する長方形板が持つ容量を計算
するための説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram for calculating a capacity of a rectangular plate facing a plane conductor.
【図5】本発明の実施例に係り、カンチレバ−の長手方
向にストライプ穴を穿って面積を減らしたものを示す斜
視図。FIG. 5 is a perspective view showing an embodiment of the present invention in which the area is reduced by forming a stripe hole in the longitudinal direction of the cantilever.
【図6】本発明の実施例に係り、三角形のカンチレバ−
の内部を三角形に切って面積を減らしたものを示す斜視
図。FIG. 6 is a diagram showing a triangular cantilever according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing what is cut into a triangle to reduce the area.
【図7】本発明の実施例に係り、絶縁物の薄膜上に金属
線を形成したものを示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing a metal wire formed on a thin film of an insulating material according to the embodiment of the present invention.
1 短冊型のカンチレバ− 2 絶縁性のホルダ− 3 金属線コ−ト 4 ストライプ状の穴 5 原子間力顕微鏡として使う場合に光の当たる場所 6 三角形状のカンチレバ− 7 三角形状の穴 8 絶縁物のホルダ− 9 金属線コ−ト 10 光の当たる場所 11 絶縁性のカンチレバ− 12 金属線 13 絶縁物のホルダ− 14 金属コ−ト 15 金属膜 16 探針 1 Strip-shaped cantilever 2 Insulating holder 3 Metal wire coat 4 Striped hole 5 Light spot when used as an atomic force microscope 6 Triangular cantilever 7 Triangular hole 8 Insulator Holder 9 Metal wire coat 10 Light exposure place 11 Insulating cantilever 12 Metal wire 13 Insulator holder 14 Metal coat 15 Metal film 16 Probe
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01J 37/28 Z ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication H01J 37/28 Z
Claims (3)
間力顕微鏡の機能を合体した複合顕微鏡の、試料に対向
し試料原子との間に働く原子間力によって撓む導電性の
カンチレバ−を支持するホルダ−であって、絶縁物でで
きており、細い金属線がコ−トされ、金属線の先端がカ
ンチレバ−に接続されていることを特徴とする複合顕微
鏡の導電性カンチレバ−とホルダ−。1. A composite cantilever which combines the functions of at least a scanning capacitance microscope and an atomic force microscope and supports a conductive cantilever which is opposed to a sample and is bent by an atomic force acting between the sample atoms. A conductive cantilever and a holder for a compound microscope, characterized in that it is made of an insulating material, a thin metal wire is coated, and the tip of the metal wire is connected to a cantilever. .
直角方向に穴を穿孔してあることを特徴とする複合顕微
鏡の導電性カンチレバ−とホルダ−。2. A conductive cantilever and a holder for a compound microscope, wherein the cantilever is made of metal and has holes perforated in a direction perpendicular to its surface.
絶縁物の表面に金属線が形成され、金属線が前記ホルダ
−の金属線に接続されていることを特徴とする複合顕微
鏡の導電性カンチレバ−とホルダ−。3. The cantilever is made of an insulating material,
A conductive cantilever and a holder for a compound microscope, wherein a metal wire is formed on a surface of an insulator, and the metal wire is connected to the metal wire of the holder.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23048794A JPH0868802A (en) | 1994-08-30 | 1994-08-30 | Conductive cantilever and holder of compound microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23048794A JPH0868802A (en) | 1994-08-30 | 1994-08-30 | Conductive cantilever and holder of compound microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0868802A true JPH0868802A (en) | 1996-03-12 |
Family
ID=16908558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23048794A Pending JPH0868802A (en) | 1994-08-30 | 1994-08-30 | Conductive cantilever and holder of compound microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0868802A (en) |
-
1994
- 1994-08-30 JP JP23048794A patent/JPH0868802A/en active Pending
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