JP2535759B2 - Atomic force microscope and sample observation method in atomic force microscope - Google Patents
Atomic force microscope and sample observation method in atomic force microscopeInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、原子間力顕微鏡にお
いて試料とカンチレバーに相対的に横振動を励起するこ
とによって、摩擦係数の計測と映像化を行う技術に関す
るものである。このような技術は、材料組織観察、清浄
度管理、マイクロ素子評価、精密機器故障解析に利用し
得る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for measuring and visualizing a friction coefficient by exciting lateral vibration relative to a sample and a cantilever in an atomic force microscope. Such a technique can be used for material structure observation, cleanliness control, micro device evaluation, and precision equipment failure analysis.
【０００２】[0002]
【従来の技術】原子間力顕微鏡（Atomic Force Microsc
ope;AFM ）は試料表面と探針の間に作用する力により探
針を保持するカンチレバーに誘起される変位を用いて、
微小領域の凹凸の映像化を行う新しい顕微鏡である（Bi
nnig, Quate and Gerber, Phys. Rev. Lett. 12, 930,
1986. 参照）。Martinらはカンチレバーに縦振動を加え
て、共振周波数の変化から試料による引力を検出する方
法を開発した（Y.Martin, C. C. Williams, H. K. Wick
ramasinghe: J. Appl. Phys., 61 (1987)4723 参照）。
一方、Maivald ら、およびRadmacher らは振動型AFM を
開発し、試料を縦振動させた時のカンチレバー振動応答
から、粘弾性を計測した（P. Maivald, H.J. Butt, S.
A. C. Gould, C. B. Prater, B. Drake, J. A. Gurley,
V. B. Elings, and P. K. Hansma: Nanotechnology 2
(1991)103. 及びM.Radmacher, R.W. Tillmann, M. Fri
tz, and H. E. Gaub: Science, 257(1992)1900参照）。
これとは逆の過程すなわち探針に振動を与えて、試料の
振動を検出する方式は、高田によって提案されたトンネ
ル音響顕微鏡がある（K. Takata, T. Hasegawa, Sumio
Hosaka, Shigeyuki Hosoku, Tsutomu Komoda: Appl. Ph
ys. Lett. 55(1989)17参照）。これは、Cretinらによっ
て内部欠陥の映像化に利用された（B.Cretin and F. St
ahl Proc IEEE Ultrasonic Symposium, B5, 1992. 参
照）。2. Description of the Related Art Atomic Force Microsc
ope; AFM) uses the displacement induced in the cantilever holding the probe by the force acting between the sample surface and the probe,
It is a new microscope that visualizes the unevenness of a minute area (Bi
nnig, Quate and Gerber, Phys. Rev. Lett. 12, 930,
1986.). Martin et al. Developed a method of applying longitudinal vibration to a cantilever to detect the attractive force of a sample from the change in resonance frequency (Y.Martin, CC Williams, HK Wick
ramasinghe: J. Appl. Phys., 61 (1987) 4723).
On the other hand, Maivald et al. And Radmacher et al. Developed a vibrating AFM and measured viscoelasticity from the cantilever vibration response when a sample was longitudinally vibrated (P. Maivald, HJ Butt, S.
AC Gould, CB Prater, B. Drake, JA Gurley,
VB Elings, and PK Hansma: Nanotechnology 2
(1991) 103. and M. Radmacher, RW Tillmann, M. Fri.
tz, and HE Gaub: Science, 257 (1992) 1900).
The reverse process, that is, the method of applying vibration to the probe to detect the vibration of the sample, is the tunnel acoustic microscope proposed by Takada (K. Takata, T. Hasegawa, Sumio.
Hosaka, Shigeyuki Hosoku, Tsutomu Komoda: Appl. Ph
ys. Lett. 55 (1989) 17). This was used by Cretin et al. To image internal defects (B. Cretin and F. St.
ahl Proc IEEE Ultrasonic Symposium, B5, 1992.).
【０００３】一方、摩擦力顕微鏡（Friction Force Mic
roscope;以下FFM とする）は、試料表面と探針の摩擦力
によるカンチレバーの捩じれを測って、摩擦力による映
像化を行う原子間力顕微鏡である（C. M. Mate, G. M.
McClelland, R. Erlandssonand S. Chiang, Phys. Rev.
Lett. 59, 1942, 1987. 参照）。On the other hand, a friction force microscope (Friction Force Mic)
The roscope; hereinafter referred to as FFM) is an atomic force microscope (CM Mate, GM) that measures the torsion of the cantilever due to the frictional force between the sample surface and the probe and visualizes the frictional force.
McClelland, R. Erlandssonand S. Chiang, Phys. Rev.
Lett. 59, 1942, 1987.).
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、FFM では試料
の凹凸と摩擦力の分離が容易でないことが指摘されてい
る。この理由は、凹凸によってもカンチレバーの捩じれ
が生じるためである。最近、 O’shea等は試料に横振動
を加えて、静止摩擦力による捩じれ振動の振幅を測定し
た（S. J. O ′Shea and E. Welland, Appl. Phys. Let
t., 61, 2240, 1992. 参照）。しかし、ここではカンチ
レバーの振動の位相情報は利用されていない。また、こ
こでは１点での計測データのみで映像は示されていな
い。従って、従来のFFM と比べて摩擦力と凹凸の分離性
が優れた映像を実現する方法についても提示されていな
い。However, it has been pointed out that in FFM, it is not easy to separate the unevenness of the sample from the frictional force. The reason for this is that twisting of the cantilever also occurs due to unevenness. Recently, O'shea et al. Applied transverse vibration to a sample and measured the amplitude of torsional vibration due to static friction (SJ O'Shea and E. Welland, Appl. Phys. Let.
t., 61, 2240, 1992.). However, the phase information of the vibration of the cantilever is not used here. Further, here, the image is not shown only with the measurement data at one point. Therefore, no method has been presented for realizing an image in which the frictional force and the unevenness of the unevenness are superior to those of the conventional FFM.
【０００５】この発明は、上述したFFM の問題点を解決
し、試料の凹凸と摩擦力を良く分離できる原子間力顕微
鏡における測定技術を提供することを目的とするもので
ある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of FFM and to provide a measuring technique in an atomic force microscope capable of separating the unevenness and the frictional force of a sample well.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の原子間力顕微鏡は、原子間力顕微鏡において試
料とカンチレバーに支持されていて、前記試料に接触し
ている探針に相対的な横振動を作用させる振動装置を備
えることを特徴としている。また、この発明の原子間力
顕微鏡および原子間力顕微鏡における試料観察方法は、
原子間力顕微鏡において、カンチレバーに支持されてい
る探針を試料に接触させ、試料を横方向に振動させ、こ
の試料の横振動によって励起されるカンチレバーの曲
げ、または捩じれ振動の位相と振幅を同時に計測し、こ
の計測値を用いて振動振幅像および振動位相像を形成す
ることを特徴としている。To solve this problem, the atomic force microscope of the present invention is provided with an atomic force microscope which is supported by a sample and a cantilever, and which is positioned relative to a probe in contact with the sample. It is characterized in that it is provided with a vibrating device for exerting a transverse vibration. Further, the atomic force microscope of the present invention and the sample observation method with the atomic force microscope,
In an atomic force microscope, the probe supported by the cantilever is brought into contact with the sample, the sample is vibrated in the lateral direction, and the phase and amplitude of bending or torsional vibration of the cantilever excited by the lateral vibration of the sample are simultaneously measured. It is characterized in that measurement is performed and a vibration amplitude image and a vibration phase image are formed using the measured values.
【０００７】[0007]
【作用】試料を横方向に振動させると、カンチレバーの
曲げ変位及び捩れ角がその釣り合い位置を中心に振動す
る。捩じれ振動の振幅及び位相には勾配よりも摩擦力の
方がはるかに大きい影響を及ぼす。したがって、捩じれ
振動の振幅及び位相を測定し記録することによって、摩
擦力を強く反映する映像が得られる。When the sample is vibrated in the lateral direction, the bending displacement and the torsion angle of the cantilever vibrate around the balanced position. Friction forces have a much greater effect on the amplitude and phase of torsional vibrations than gradients. Therefore, by measuring and recording the amplitude and phase of the torsional vibration, an image that strongly reflects the frictional force can be obtained.
【０００８】[0008]
【実施例】以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面
について説明する。図２において１は原子間力顕微鏡で
ある。原子間力顕微鏡１は試料台２と試料台２を駆動す
る試料台駆動装置３と探針４とカンチレバー計測装置５
と制御装置６と及び表示装置７とを備えている。試料台
２はその表面に試料８を取り付けることができ、かつ試
料台２は試料台駆動装置３によって駆動される。探針４
は試料台２上の試料８に接近して位置し、カンチレバー
１１の先端に保持されている。カンチレバー計測装置５
はレーザー発生装置１２と光検出器１３とからなり、レ
ーザー発生装置１２はレーザービームをカンチレバー１
１に放射し、また光検出器１３はカンチレバー１１から
の反射光を検出してカンチレバー１１の位置及び姿勢を
計測する。光検出器１３としては上下左右４分割の位置
敏感光検出機（ＰＳＤ）を使用することができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the drawings showing an embodiment. In FIG. 2, 1 is an atomic force microscope. The atomic force microscope 1 includes a sample table 2, a sample table driving device 3 for driving the sample table 2, a probe 4, and a cantilever measuring device 5.
The control device 6 and the display device 7 are provided. The sample table 2 can have a sample 8 mounted on its surface, and the sample table 2 is driven by a sample table driving device 3. Probe 4
Is located close to the sample 8 on the sample table 2 and is held at the tip of the cantilever 11. Cantilever measuring device 5
Is composed of a laser generator 12 and a photodetector 13, and the laser generator 12 emits a laser beam to the cantilever 1.
1, and the photodetector 13 detects the reflected light from the cantilever 11 and measures the position and posture of the cantilever 11. As the photodetector 13, a position sensitive photodetector (PSD) which is divided into four parts in the vertical and horizontal directions can be used.
【０００９】制御装置６はロックイン増幅器１４、Ｚ軸
制御回路１５、ｙ走査信号発生器１６、交流信号発生器
１７、ｘ走査信号発生器１８、加算器２１を備えてい
る。ここではカンチレバー１１の長軸方向をｘ軸、短軸
方向をｙ軸、試料８の法線方向をｚ軸に取る。表示装置
７は振動振幅像表示装置２２、振動位相像表示装置２
３、凹凸像表示装置２４を備えている。ｚ軸制御回路１
５は光検出器１３からの信号を受けてカンチレバー１１
の位置及び姿勢に対応して制御信号を試料台駆動装置３
に出力し、試料台２のＺ軸方向（縦方向）の位置を制御
する。ｘ走査信号発生器１８及びｙ走査信号発生器１６
は、試料台駆動装置３をｘ方向、またはｙ方向に操作す
る信号を発生し、試料台駆動装置３に入力する。交流信
号発生器１７で発生された交流信号を加算器２１におい
てｙ走査信号発生器１６の信号に加算された後、試料台
駆動装置３に入力される。ロックイン増幅器１４は交流
信号発生器１７で発生された交流信号を参照信号として
入力し、光検出器１３の出力を増幅してその交流成分の
振幅と位相信号を出力する。表示装置７の振動振幅像表
示装置２２は、ロックイン増幅器１４からの振幅信号を
入力してカンチレバー１１の振動振幅像を表示し、また
凹凸像表示装置２４はｚ軸制御回路１５の出力から試料
８の表面の凹凸を可視化する。The controller 6 comprises a lock-in amplifier 14, a Z-axis control circuit 15, a y-scan signal generator 16, an AC signal generator 17, an x-scan signal generator 18, and an adder 21. Here, the major axis direction of the cantilever 11 is the x axis, the minor axis direction is the y axis, and the normal direction of the sample 8 is the z axis. The display device 7 includes a vibration amplitude image display device 22 and a vibration phase image display device 2.
3. It has an uneven image display device 24. z-axis control circuit 1
5 receives the signal from the photodetector 13 and the cantilever 11
Control signal corresponding to the position and orientation of the sample table driving device 3
To control the position of the sample table 2 in the Z-axis direction (longitudinal direction). x-scan signal generator 18 and y-scan signal generator 16
Generates a signal for operating the sample stage driving device 3 in the x direction or the y direction, and inputs the signal to the sample stage driving device 3. The AC signal generated by the AC signal generator 17 is added to the signal of the y-scanning signal generator 16 by the adder 21, and then input to the sample stage drive device 3. The lock-in amplifier 14 receives the AC signal generated by the AC signal generator 17 as a reference signal, amplifies the output of the photodetector 13, and outputs the amplitude and phase signals of the AC component. The vibration amplitude image display device 22 of the display device 7 inputs the amplitude signal from the lock-in amplifier 14 to display the vibration amplitude image of the cantilever 11, and the uneven image display device 24 displays the vibration amplitude image of the sample from the output of the z-axis control circuit 15. Visualize the unevenness of the surface of No. 8.
【００１０】このように構成された原子間力顕微鏡によ
る試料の観察作用は次の通りである。試料台２のｙ軸駆
動信号に、交流信号発生器１７で発生した交流信号を加
えて試料８を横振動させる。ついで、試料８の振動の結
果誘起されるカンチレバー１１の曲げ振動および捩じれ
振動を上下左右４分割の位置敏感光検出器（ＰＳＤ）等
を有する光検出器１３で検出し、ロックイン増幅器１４
を用いて捩じれ振動の振幅と位相を測定し、これをパー
ソナルコンピュータ等に記録し、映像を表示する。この
時、カンチレバーの曲げ変位信号の低周波数成分が一定
になるように試料台２のｚ位置をフィードバック制御す
る。このｚ位置制御信号から凹凸像を得てカンチレバー
１１の捩じれ振動の振幅および位相像と比較する。この
比較によって、摩擦力と凹凸の識別ができたかどうかを
検証する。The observation operation of the sample by the atomic force microscope constructed as above is as follows. The AC signal generated by the AC signal generator 17 is added to the y-axis drive signal of the sample table 2 to laterally vibrate the sample 8. Then, the bending vibration and the torsional vibration of the cantilever 11 induced as a result of the vibration of the sample 8 are detected by a photodetector 13 having a position sensitive photodetector (PSD) of four vertical and horizontal divisions, and a lock-in amplifier 14 is detected.
The amplitude and phase of the torsional vibration are measured by using, and this is recorded in a personal computer or the like, and an image is displayed. At this time, the z position of the sample stage 2 is feedback-controlled so that the low frequency component of the bending displacement signal of the cantilever becomes constant. An uneven image is obtained from this z position control signal and compared with the amplitude and phase image of the torsional vibration of the cantilever 11. By this comparison, it is verified whether the frictional force and the unevenness can be discriminated.
【００１１】凹凸のある試料８を本発明の方法で観察す
る場合について、図１を用いて説明する。試料８上の力
の作用点をＳ（ｙ´，ｚ´）、探針４上の力作用点をT
(y,z)とすると、これらの間に法線力ＦN と摩擦力ＦF
が作用する。この結果、カンチレバー中心軸上の点Ｃ
（ｙ0 ，ｚ0 ）には、上方向の曲げ変位Ｚ0 とカンチレ
バー軸の周りの捩じれ角φとが発生する。この捩じれは
試料８の勾配θと摩擦係数の２つの要因によって誘起さ
れる。ここで、カンチレバー１１の曲げ変位が一定にな
るように試料８の位置ｚ´をフィードバック制御する
と、捩じれ角も試料８の勾配θと摩擦係数に応じて一定
の値で釣り合う。この時の試料８の上下位置ｚ´を用い
ると試料８の高さの分布（凹凸）を表す映像が得られ
る。これが通常の原子間力顕微鏡が与える凹凸像であ
る。また、この状態で、試料８を横（ｙ）方向に走査し
て、勾配と摩擦係数の大きさに応じて変化するカンチレ
バー１１の捩じれの大きさを映像化に用いるのが、従来
のFFM である。The case of observing the sample 8 having irregularities by the method of the present invention will be described with reference to FIG. The action point of force on the sample 8 is S (y ', z'), and the action point of force on the probe 4 is T
If (y, z), normal force F N and friction force F F
Works. As a result, point C on the cantilever center axis
An upward bending displacement Z 0 and a twist angle φ around the cantilever axis occur at (y 0 , z 0 ). This twist is induced by two factors, the gradient θ of the sample 8 and the friction coefficient. Here, if the position z ′ of the sample 8 is feedback-controlled so that the bending displacement of the cantilever 11 becomes constant, the twist angle also balances with a constant value according to the gradient θ of the sample 8 and the friction coefficient. By using the vertical position z ′ of the sample 8 at this time, an image showing the height distribution (unevenness) of the sample 8 can be obtained. This is an uneven image given by a normal atomic force microscope. Further, in this state, the sample 8 is scanned in the lateral (y) direction, and the magnitude of the twist of the cantilever 11 that changes according to the magnitude of the gradient and the friction coefficient is used for visualization in the conventional FFM. is there.
【００１２】一方、試料８を横（ｙ）方向に振動させる
と、カンチレバーの曲げ変位および捩じれ角がその釣り
合い位置を中心に振動する。ここで重要な点は、摩擦力
の方向は振動の各瞬間における試料８と探針の相対速度
の向きに応じて反転することである。これに対して、勾
配による捩じれモーメントは、速度の向きによらない。
従って、摩擦力は振動の１周期の間に大きな変動をする
のに対して、勾配による捩じれモーメントは大きな変動
を示さない。この結果、捩じれ振動の振幅及び位相に
は、勾配よりも摩擦力のほうがはるかに大きな影響を及
ぼす。従って、捩じれ振動の振幅及び位相をロックイン
増幅器などの狭帯域増幅器により測定し記録すると、摩
擦力を強く反映する映像が得られる。On the other hand, when the sample 8 is vibrated in the lateral (y) direction, the bending displacement and the torsion angle of the cantilever vibrate around the balanced position. The important point here is that the direction of the frictional force is reversed depending on the direction of the relative velocity between the sample 8 and the probe at each moment of vibration. On the other hand, the torsional moment due to the gradient does not depend on the direction of velocity.
Therefore, the frictional force fluctuates greatly during one cycle of vibration, while the torsional moment due to the gradient does not fluctuate greatly. As a result, the frictional force has a much greater effect on the amplitude and phase of the torsional vibration than the gradient. Therefore, if the amplitude and phase of the torsional vibration are measured and recorded by a narrow band amplifier such as a lock-in amplifier, an image that strongly reflects the frictional force can be obtained.
【００１３】（実験例）映像化は走査周波数１ヘルツで
ｙ方向に走査して行った。カンチレバーはオリンパス光
学工業社製のバネ定数０．０２N/m 、共振周波数１３KH
z のものを用いた。試料にはガラス基板上の金の蒸着膜
を用いた。(Experimental example) Imaging was performed by scanning in the y direction at a scanning frequency of 1 hertz. The cantilever manufactured by Olympus Optical Co., Ltd. has a spring constant of 0.02 N / m and a resonance frequency of 13 KH.
I used z. A gold vapor deposition film on a glass substrate was used as a sample.
【００１４】図３（ａ）は、カンチレバーの曲げ変位が
一定になるように制御して得た凹凸像である。映像領域
は５００nm四方である。画像を斜めに横断する溝の他、
吸着物によると思われる凹凸が映像全体に分散してい
る。一方、図３（ｂ）は試料にｙ方向の横振動を加えた
場合のカンチレバーの捩じれ振動による映像で、（ａ）
と同じ場所の映像であるが、平坦な映像中にＡからＦま
での６箇所に顕著な振動の振幅の極小部が見えた。Ｂは
５〜６個の極小部が連結したものである。極小部での振
幅の大きさは平坦な正常領域の半分位であった。凹凸像
ではこの５つの場所が特に他と際だった相違を見せてい
ることはない。従って、この６つの場所の振幅極小は凹
凸によるものではなく、摩擦力が小さいためと推定でき
る。FIG. 3A is an uneven image obtained by controlling the bending displacement of the cantilever to be constant. The image area is 500 nm square. In addition to the groove that diagonally crosses the image,
The unevenness that seems to be due to the adsorbed material is dispersed throughout the image. On the other hand, FIG. 3B is an image of torsional vibration of the cantilever when lateral vibration in the y direction is applied to the sample.
Although the image was taken at the same place as the above, in the flat image, the minimal portions of the remarkable amplitude of vibration were seen at 6 points from A to F. B is a combination of 5 to 6 minimal portions. The amplitude of the local minimum was about half that of the flat normal region. In the topographical image, these five places do not show any marked differences from the others. Therefore, it can be inferred that the minimum amplitudes at these six locations are not due to unevenness, but the frictional force is small.
【００１５】さらに図３（ｃ）は、振動の位相像であ
る。振幅像は図３（ｂ）で極小を与えるＡからＦまでの
６箇所で逆に極大になった。これは振動の位相遅れが相
対的に小さいことを意味する。一般に本系のような線形
系の応答の位相遅れが小さい場合は、エネルギー損失が
小さいことに相当する。今のように横方向の相対運動の
場合には、エネルギー損失は摩擦によるので、位相遅れ
が小さいことは、摩擦力が小さいことを示している。こ
れは、振幅から得られる結論と一致し、この結論を確認
するのに役立つ。Further, FIG. 3 (c) is a phase image of vibration. On the contrary, the amplitude image has a maximum at six points A to F which give a minimum in FIG. This means that the phase delay of vibration is relatively small. Generally, when the phase delay of the response of a linear system such as this system is small, it corresponds to a small energy loss. In the case of relative movement in the lateral direction as in the present case, the energy loss is due to friction, and thus the small phase delay indicates that the frictional force is small. This is consistent with the conclusions drawn from the amplitude and helps confirm this conclusion.
【００１６】以上図３（ａ）から（ｃ）までの結果を総
合することによって、ＡからＦまでの６箇所は、凹凸に
際だった特徴があるのではなく、摩擦力が小さいことに
特徴がある場所であることが確認できた。By summing up the results shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c), the six points A to F are not characterized by unevenness but are characterized by a small frictional force. It was confirmed that there is a place.
【００１７】これに対して図３（ｄ）は従来の摩擦力顕
微鏡FFM で同じ場所を映像化したものである。この映像
の特徴は凹凸像図３（ａ）とは異なっていて、凹凸以外
の要因、すなわち摩擦力も寄与していることが窺われる
が、凹凸に妨害されて、明瞭に摩擦力によると判断でき
る場所はない。このことは、摩擦力を選択的に映像化す
る機能に関して、本発明のカンチレバーの捩じれ振動を
用いる方法が従来のFFM より著しく優れていることを示
している。On the other hand, FIG. 3 (d) shows an image of the same place with the conventional friction force microscope FFM. The characteristic of this image is different from that of the uneven image FIG. 3A, and it can be seen that a factor other than the unevenness, that is, frictional force also contributes, but it can be determined that the frictional force is clearly obstructed by the unevenness. There is no place. This indicates that the method using torsional vibration of the cantilever of the present invention is significantly superior to the conventional FFM in terms of the function of selectively visualizing frictional force.
【００１８】なお、この試料を有機溶媒で洗浄すると、
横振動振幅像の極小は消滅した。このことから、Ａから
Ｆまでの６箇所は表面に付着した汚れ（コンタミネーシ
ョン）であることが判明した。また、図４はカンチレバ
ーの振動の振幅及び位相の振動周波数依存性である。コ
ンタミネーション上では正常部分より常に振幅が小さか
った。位相は振幅ほど明瞭な差はないが、わずかに進ん
でいる。この傾向は周波数を変化させても顕著には変化
しなかった。この結果は、ここで観察したコンタミネー
ションの摩擦力の性質は周波数の影響を強くうける粘性
型ではなく、他のメカニズムによることを示唆する。When this sample is washed with an organic solvent,
The minimum of the transverse vibration amplitude image disappeared. From this, it was found that the 6 points from A to F were stains (contamination) attached to the surface. Further, FIG. 4 shows the vibration frequency dependence of the amplitude and phase of the vibration of the cantilever. On contamination, the amplitude was always smaller than in the normal part. The phase is not so clear as the amplitude, but it is slightly advanced. This tendency did not change significantly even if the frequency was changed. This result suggests that the frictional property of contamination observed here is not due to the viscous type, which is strongly influenced by frequency, but due to other mechanism.
【００１９】[0019]
【発明の効果】このように、この発明の原子間力顕微鏡
および原子間力顕微鏡における試料観察方法において
は、試料の凹凸と摩擦力を良く分離できる映像法を得る
ことができる。摩擦の原因には、モノレイヤーかそれ以
下の凹凸、表面に吸着している原子分子の粘弾性などが
関与する。このように多様な摩擦という現象を解析する
には、摩擦力の分布の映像化が重要な手掛かりとなる。
また、横振動の周波数を変えた場合の検出信号の振幅お
よび位相の変化から時間応答性も評価できる。As described above, in the atomic force microscope and the sample observing method in the atomic force microscope of the present invention, it is possible to obtain the imaging method which can well separate the unevenness and the frictional force of the sample. The cause of friction involves unevenness of a monolayer or less and viscoelasticity of atomic molecules adsorbed on the surface. Visualization of the distribution of frictional force is an important clue for analyzing such various phenomena of friction.
Also, the time response can be evaluated from the change in the amplitude and phase of the detection signal when the frequency of the lateral vibration is changed.
【００２０】この発明は、磁気記録機器、媒体の潤滑材
の摩擦特性、寿命の評価を始めとし表面のコンタミネー
ション検出と原因究明、潤滑不良の対策検討等、トライ
ボロジ的応用に有用である。特に、実施例で述べた微細
なコンタミネーションは、精密機器、半導体素子の表面
にあって悪影響を与えるため厳密な管理が必要である
が、これまで感度が良く簡便な検出法は無かった。この
ような応用には、この発明は特に効果を発揮する。The present invention is useful for tribological applications such as evaluation of frictional characteristics and life of a lubricant of a magnetic recording device and a medium, detection of surface contamination and investigation of causes, investigation of countermeasures against lubrication failure, and the like. In particular, the fine contamination described in the examples has a bad influence on the surfaces of precision instruments and semiconductor elements and thus requires strict control, but hitherto there has been no detection method that is sensitive and simple. The present invention is particularly effective for such applications.
【図１】カンチレバーの挙動を示す断面拡大説明図。FIG. 1 is an enlarged cross-sectional explanatory view showing the behavior of a cantilever.
【図２】原子間力顕微鏡を示す構成説明図。FIG. 2 is a structural explanatory view showing an atomic force microscope.
【図３】計測された凹凸の凹凸像、捩じれ振動の振幅
像、捩じれ振動の位相像及び摩擦力顕微鏡像を示す立体
図。FIG. 3 is a three-dimensional view showing a measured unevenness image of unevenness, an amplitude image of torsional vibration, a phase image of torsional vibration, and a friction force microscope image.
【図４】カンチレバーの捩じれ振動振幅及び位相の周波
数依存性を示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing frequency dependence of torsional vibration amplitude and phase of a cantilever.
１ 原子間力顕微鏡 ２ 試料台 ３ 試料台駆動装置 ４ 探針 ５ カンチレバー計測装置 ６ 制御装置 ７ 表示装置 ８ 試料 １１ カンチレバー １２ レーザー発生装置 １３ 光検出器（ＰＳＤ） １４ ロックイン増幅器 １５ ｚ軸制御回路 １６ ｙ走査信号発生器 １７ 交流信号発生器 １８ ｘ走査信号発生器 ２１ 加算器 ２２ 振動振幅像表示装置 ２３ 振動位相像表示装置 ２４ 凹凸像表示装置 1 atomic force microscope 2 sample stage 3 sample stage drive 4 probe 5 cantilever measuring device 6 controller 7 display 8 sample 11 cantilever 12 laser generator 13 photodetector (PSD) 14 lock-in amplifier 15 z-axis control circuit 16 y Scan signal generator 17 AC signal generator 18 x Scan signal generator 21 Adder 22 Vibration amplitude image display device 23 Vibration phase image display device 24 Concavo-convex image display device
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 治道 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業 技術院機械技術研究所内 (72)発明者 甲田 寿男 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業 技術院機械技術研究所内 (56)参考文献 特開 平４−162341（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−309803（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−259728（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−27118（ＪＰ，Ｂ２) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Harukado Sato Inventor, 1-2, Namiki, Tsukuba, Ibaraki Prefecture, Institute of Mechanical Engineering, Institute of Industrial Technology (72) Toshio Koda 1-2, Namiki, Tsukuba, Ibaraki (56) References JP-A-4-162341 (JP, A) JP-A-63-309803 (JP, A) JP-A-3-259728 (JP, A) JP-B 7-27118 (JP, B2)
Claims (2)
レバーに支持されていて前記試料に接触している探針に
相対的な横振動を作用させる振動装置を備えることを特
徴とする原子間力顕微鏡。1. An atomic force microscope, comprising an oscillating device that applies a relative lateral vibration to a probe supported by a sample and a cantilever and in contact with the sample. .
に支持されている探針を試料に接触させ試料を横方向に
振動させ、この試料の横振動によって励起されるカンチ
レバーの曲げまたは捩じれ振動の位相と振幅を同時に計
測し、この計測値を用いて振動振幅像および振動位相像
を形成することを特徴とする原子間力顕微鏡および原子
間力顕微鏡における試料観察方法。2. In an atomic force microscope, a probe supported by a cantilever is brought into contact with a sample to vibrate the sample laterally, and the phase of bending or torsional vibration of the cantilever excited by the lateral vibration of the sample is detected. An atomic force microscope and a sample observation method in an atomic force microscope characterized by simultaneously measuring amplitudes and using the measured values to form a vibration amplitude image and a vibration phase image.
Priority Applications (1)
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| JP5135342A JP2535759B2 (en) | 1993-05-13 | 1993-05-13 | Atomic force microscope and sample observation method in atomic force microscope |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP5135342A JP2535759B2 (en) | 1993-05-13 | 1993-05-13 | Atomic force microscope and sample observation method in atomic force microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06323834A JPH06323834A (en) | 1994-11-25 |
| JP2535759B2 true JP2535759B2 (en) | 1996-09-18 |
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ID=15149538
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP5135342A Expired - Lifetime JP2535759B2 (en) | 1993-05-13 | 1993-05-13 | Atomic force microscope and sample observation method in atomic force microscope |
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