JPH0472504A - Cantilever and inter-atom force microscope using it - Google Patents
Cantilever and inter-atom force microscope using itInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［発明の目的］
（産業上の利用分野）
本発明は、カンチレバー及びこのカンチレバーを用いた
原子開力顕微鏡に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a cantilever and an atomic open force microscope using this cantilever.
（従来の技術）
原子開力顕微鏡は、カンチレバーを試料に対してオング
ストロームオーダまで接近させたとき、試料とカンチレ
バー先端との間に生しる原子間力によるカンチレバー先
端の変位を検出して試料の表面形状を測定するものであ
る。この場合、カンチレバーは薄い金属箔から形成され
、その先端にチップが配設されるとともに終端側か原子
開力顕微鏡本体に固定されている。そして、このカンチ
レバー先端の変位検出は、トンネル顕微鏡又は光学式の
変位計が用いられている。(Prior art) An atomic force microscope detects the displacement of the cantilever tip due to the atomic force generated between the sample and the cantilever tip when the cantilever is brought close to the sample on the order of angstroms. It measures the surface shape. In this case, the cantilever is formed from a thin metal foil, has a tip disposed at its tip, and is fixed to the atomic force microscope body at its terminal end. A tunnel microscope or an optical displacement meter is used to detect the displacement of the cantilever tip.
しかしなから、トンネル顕微鏡によりカンチレバー先端
の変位を検出する場合は、トンネル顕微鏡の探針をカン
チレバー先端の上部にくるように正確にアライメントし
なければならない。例えば、探針とカンチレバー先端と
は１０〜１００ミクロン角という非常に狭い範囲の中ヘ
アライメントしなければならず、アライメントが非常に
難しい。そのうえ、このカンチレバーは消耗品のため交
換を必要とし、アライメントは１回で済まず、カンチレ
バーの交換のたびに行わなければならない。又、光学式
の変位計の場合もカンチレバーの先端に対するアライメ
ントが非常に困難である。However, when detecting the displacement of the cantilever tip using a tunneling microscope, the probe of the tunneling microscope must be accurately aligned so that it is above the cantilever tip. For example, the probe and the tip of the cantilever must be aligned within a very narrow range of 10 to 100 microns, making alignment very difficult. Moreover, this cantilever is a consumable item and needs to be replaced, and alignment must be performed every time the cantilever is replaced, rather than just once. Also, in the case of an optical displacement meter, alignment with respect to the tip of the cantilever is very difficult.
（発明か解決しようとする課題）
以上のようにトンネル顕微鏡又は光学式の変位計のいず
れを用いてもカンチレバーの先端に対するアライメント
か非常に困難である。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, alignment with respect to the tip of the cantilever is extremely difficult regardless of whether a tunneling microscope or an optical displacement meter is used.
そこで本発明は、アライメントを必要としないカンチレ
バーを提供することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a cantilever that does not require alignment.
又、本発明は、アライメントを必要としないカンチレバ
ーを適用した原子開力顕微鏡を提供することを目的とす
る。Another object of the present invention is to provide an atomic force microscope using cantilevers that does not require alignment.
［発明の構成］
（課題を解決するための手段）
本発明は、先端にチップを設けたレバー本体に圧電素子
を設けて上記目的を達成しようとするカンチレバーであ
る。[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The present invention is a cantilever that attempts to achieve the above object by providing a piezoelectric element in a lever body having a tip at its tip.
又、本発明は、先端にチップを設けたレノ＼−本体に圧
電素子を設けたカンチレバーと、圧電素子に所定電圧を
印加する電圧印加手段と、圧電素子に流れる電流を検出
し、この電流からカンチレノく−の変位を求める変位算
出手段とを備えて上記目的を達成しようとする原子開力
顕微鏡である。The present invention also provides a cantilever with a tip at its tip and a piezoelectric element on its main body, voltage applying means for applying a predetermined voltage to the piezoelectric element, and detecting the current flowing through the piezoelectric element, and detecting the current flowing through the piezoelectric element. This is an atomic open force microscope that attempts to achieve the above object by being equipped with a displacement calculation means for determining the displacement of a cantilever.
（作用）
このような手段を備えたことにより、先端にチップを設
けたレバー本体の変位に応じて圧電素子の抵抗値か変化
する。(Function) By providing such a means, the resistance value of the piezoelectric element changes in accordance with the displacement of the lever body having a tip at its tip.
又、上記手段を備えたことにより、先端にチップを設け
たレバー本体の圧電素子に電圧印加手段により所定電圧
が印加され、このとき圧電素子に流れる電流が変位算出
手段により検出されてこの電流からカンチレバーの変位
が求められる。Moreover, by providing the above means, a predetermined voltage is applied by the voltage applying means to the piezoelectric element of the lever body having a tip provided at the tip, and at this time, the current flowing through the piezoelectric element is detected by the displacement calculating means and is calculated from this current. The displacement of the cantilever is determined.
（実施例）
以下、本発明の第１実施例について第１図に示すカンチ
レバーの外観図を参照して説明する。(Example) Hereinafter, a first example of the present invention will be described with reference to an external view of a cantilever shown in FIG.
このカンチレバー１０はシリコンから成り三角型の形状
に突出したレバー本体１を有している。This cantilever 10 is made of silicon and has a lever body 1 that protrudes into a triangular shape.
このレバー本体１の先端にはチップ２が設けられている
。このチップ２は四角錐の形状となっており、その先端
が下方を向いている。又、レバー本体１の終端側は原子
開力顕微鏡本体側３に固定されている。このレバー本体
１の終端側には半導体ピエゾ抵抗４かボロン等を拡散し
て形成されている。この半導体ピエゾ抵抗４の形成位置
はレバー本体１のチップ２が設けられた面とは反対側の
面となっている。そして、この半導体ピエゾ抵抗４は外
力か加わって変位すると抵抗値が変化する作用を有して
いる。又、この半導体ピエゾ抵抗４はレバー本体１の先
端から終端への方向に往復して形成し、その両端に電極
５，６が形成されている。A tip 2 is provided at the tip of this lever body 1. This chip 2 has a square pyramid shape, and its tip faces downward. Further, the terminal end side of the lever body 1 is fixed to the atomic force microscope body side 3. A semiconductor piezoresistor 4 is formed by diffusing boron or the like on the terminal end side of the lever body 1. The semiconductor piezoresistor 4 is formed on the surface of the lever body 1 opposite to the surface on which the tip 2 is provided. This semiconductor piezoresistor 4 has the function of changing its resistance value when it is displaced by an external force. Further, this semiconductor piezoresistor 4 is formed so as to reciprocate from the tip to the end of the lever body 1, and electrodes 5 and 6 are formed at both ends thereof.
かかる構成ておいて、各電極５．６間に所定レヘルの電
圧が印加される。この状態にチップ２に対して試料か接
近すると、チップ２と試料との間に原子間力が生してレ
バー本体１は変位する。この変位に応して半導体ピエゾ
抵抗４は抵抗値が変化する。かくして、半導体ピエゾ抵
抗４に流れる電流値が抵抗値の応して変化する。従って
、この電流値変化は試料形状の変化を表しており、この
変化から試料の表面形状が求められる。With this configuration, a voltage of a predetermined level is applied between each electrode 5,6. When a sample approaches the tip 2 in this state, an atomic force is generated between the tip 2 and the sample and the lever body 1 is displaced. In response to this displacement, the resistance value of the semiconductor piezoresistor 4 changes. Thus, the value of the current flowing through the semiconductor piezoresistor 4 changes in accordance with the resistance value. Therefore, this change in current value represents a change in the shape of the sample, and the surface shape of the sample can be determined from this change.
このように上記第１実施例においては、先端にチップ２
を設けたレバー本体１に半導体ピエゾ抵抗４を形成した
ので、レバー本体１の変位をトンネル顕微鏡や光学式の
変位計を用いずに検出てきる。従って、レバー本体１を
交換してもアライメント作業は不要となる。In this way, in the first embodiment, there is a tip 2 at the tip.
Since the semiconductor piezoresistor 4 is formed on the lever body 1 provided with the lever body 1, the displacement of the lever body 1 can be detected without using a tunnel microscope or an optical displacement meter. Therefore, even if the lever body 1 is replaced, alignment work is not required.
次に本発明の第２実施例について第２図に示す原子開力
顕微鏡の構成図を参照して説明する。なお、第１図と同
一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する
。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the configuration diagram of an atomic force microscope shown in FIG. Note that the same parts as in FIG. 1 are given the same reference numerals, and detailed explanation thereof will be omitted.
原子開力顕微鏡本体２０の内部にはＸＹステージ２１が
設けられ、このＸＹステージ２１上にＺステージ２２が
設けられている。そして、このＺステージ２２上に試料
２３が載置されている。An XY stage 21 is provided inside the atomic force microscope main body 20, and a Z stage 22 is provided on this XY stage 21. A sample 23 is placed on this Z stage 22.
又、原子開力顕微鏡本体２０の上部にはレバー支持体２
４が設けられ、このレバー支持体２４にカンチレバー１
０か設けられている。In addition, a lever support 2 is provided on the upper part of the atomic force microscope main body 20.
4 is provided, and the cantilever 1 is mounted on this lever support 24.
It is set to 0.
一方、制御回路２５、ＸＹラスタ走査信号発生回路２６
及びホストコンピュータ２７が設けられている。制御回
路２５は半導体ピエゾ抵抗４に所定電圧を印加するとと
もに、半導体ピエゾ抵抗４に流れる電流を検出し、この
電流から半導体ピエゾ抵抗４の抵抗値の変化量を一定と
するＺ方向移動制御信号をＺステージ２２に供給する機
能を有している。この場合、制御回路２５から出力され
たＺ方向移動制御信号はホストコンピュータ２７に送ら
れている。On the other hand, the control circuit 25 and the XY raster scanning signal generation circuit 26
and a host computer 27 are provided. The control circuit 25 applies a predetermined voltage to the semiconductor piezo resistor 4, detects the current flowing through the semiconductor piezo resistor 4, and generates a Z-direction movement control signal from this current to keep the amount of change in the resistance value of the semiconductor piezo resistor 4 constant. It has a function of supplying to the Z stage 22. In this case, the Z direction movement control signal output from the control circuit 25 is sent to the host computer 27.
このホストコンピュータ２７にはカラーＣＲＴデイスプ
レィ２８が接続されている。ホストコンピュータ２７は
制御回路２５からの２方向移動制御信号を受けて３次元
的なトポグラフィを求めてカラーＣＲＴデイスプレィ２
８に表示する機能を有している。又、ホストコンピュー
タ２７はＸＹクラスタ査信号発生回路２６に対して動作
指令を発する機能を有している。A color CRT display 28 is connected to the host computer 27. The host computer 27 receives the two-direction movement control signal from the control circuit 25, obtains a three-dimensional topography, and displays the color CRT display 2.
It has a function to display on 8. The host computer 27 also has a function of issuing operation commands to the XY cluster scanning signal generation circuit 26.
ＸＹクラスタ査信号発生回路２６はＸＹ子テーブル１を
移動させてカンチレバー１０のチップ２か試料２３に対
してラスク走査するＸＹクラスタ査信号を送出する機能
を有している。The XY cluster scan signal generation circuit 26 has a function of moving the XY child table 1 and sending out an XY cluster scan signal for rask scanning the tip 2 of the cantilever 10 or the sample 23.
次に上記の如く構成された顕微鏡の作用について説明す
る。Next, the operation of the microscope configured as described above will be explained.
試料２３がＺテーブル２２上に載置されると、制御回路
２５はＺテーブル２２に対して上昇のＺ方向移動制御信
号を送出する。これにより、２テーブル２２は上昇し、
試料２３とカンチレバー１０のチップ先端との間隔か縮
まる。When the sample 23 is placed on the Z table 22, the control circuit 25 sends an upward Z direction movement control signal to the Z table 22. As a result, the second table 22 rises,
The distance between the sample 23 and the tip end of the cantilever 10 is reduced.
又、制御回路２５はカンチレバー１０に形成された半導
体ピエゾ抵抗４に対して所定レベルの電圧を印加し、こ
れとともに半導体ピエゾ抵抗４に流れる電流を受ける。Further, the control circuit 25 applies a voltage at a predetermined level to the semiconductor piezoresistor 4 formed on the cantilever 10 and receives a current flowing through the semiconductor piezoresistor 4 at the same time.
この状態に試料２３とチップ２の先端との間隔が１〜１
００ｒｖｌこ接近すると、試料２３とチップ２の先端と
の間に原子間力が生じ、この原子間力に応じてレバー本
体１は変位する。この変位に応じて半導体ピエゾ抵抗４
の抵抗値は変化し、この抵抗値の変化に応じて半導体ピ
エゾ抵抗４に流れる電流値は変化する。この電流は制御
回路２５に送られており、この制御回路２５は受けた電
流から半導体ピエゾ抵抗４の抵抗値の変化量を一定とす
るＺ方向移動制御信号をＺステージ２２に供給する。こ
の２ステージ２２はＺ方向移動制御信号を受けて上下移
動する。ここで、Ｚステージ２２の上下移動は半導体ピ
エゾ抵抗４の抵抗値の変化量を一定とするので、試料２
３の表面形状と一致する。In this state, the distance between the sample 23 and the tip of the tip 2 is 1 to 1
When the tip approaches 00 rvl, an atomic force is generated between the sample 23 and the tip of the tip 2, and the lever body 1 is displaced in response to this atomic force. According to this displacement, the semiconductor piezoresistor 4
The resistance value changes, and the current value flowing through the semiconductor piezoresistor 4 changes in accordance with this change in resistance value. This current is sent to the control circuit 25, and the control circuit 25 supplies the Z-direction movement control signal to the Z stage 22 from the received current to keep the amount of change in the resistance value of the semiconductor piezoresistor 4 constant. These two stages 22 move up and down in response to a Z-direction movement control signal. Here, since the vertical movement of the Z stage 22 keeps the amount of change in the resistance value of the semiconductor piezoresistor 4 constant, the sample 2
It matches the surface shape of 3.
一方、ホストコンピュータ２７はＸＹクラスタ査信号発
生回路２６に対して動作指令を発する。On the other hand, the host computer 27 issues an operation command to the XY cluster scan signal generation circuit 26.
二のＸＹクラスタ査信号発生回路２６はＸＹ子テーブル
１に対してＸＹクラスタ査信号を送出する。The second XY cluster scan signal generation circuit 26 sends an XY cluster scan signal to the XY child table 1.
これにより、カンチレバー１０のチップ２の先端は試料
２３に対してラスク走査する。As a result, the tip of the tip 2 of the cantilever 10 scans the sample 23 in a rasp manner.
又、制御回路２５から出力されるＺ方向移動制御信号は
ホストコンピュータ２７に送られる。かくして、ホスト
コンピュータ２７はＺ方向移動制御信号を受け、かつＸ
Ｙクラスタ査信号発生回路２６によりラスタ走査位置か
ら試料２３の表面形状の３次元的なトポグラフィを求め
てカラーＣＲＴデイスプレィ２８に表示する。Further, a Z-direction movement control signal output from the control circuit 25 is sent to the host computer 27. Thus, the host computer 27 receives the Z direction movement control signal and
The three-dimensional topography of the surface shape of the sample 23 is obtained from the raster scanning position by the Y cluster scanning signal generation circuit 26 and displayed on the color CRT display 28.
このように上記第２実施例においては、先端にチップ２
を設けたレバー本体１の半導体ピエゾ抵抗４に所定電圧
を印加して半導体ピエゾ抵抗４に流れる電流を検出し、
この電流から半導体ピエゾ抵抗４の抵抗値の変化量を一
定に制御し、このときの試料２３のＺ方向の移動から試
料２３の表面形状を求めるようにしたので、レバー本体
１の変位をトンネル顕微鏡や光学式の変位計を用いずに
検出できる。従って、レバー本体１を交換してもアライ
メント作業は一切不要となる。又、半導体ピエゾ抵抗４
はレバー本体１に形成されるので、原子開力顕微鏡自体
を小形化できる。In this way, in the second embodiment, there is a tip at the tip.
Applying a predetermined voltage to the semiconductor piezoresistor 4 of the lever body 1 provided with the voltage, detecting the current flowing through the semiconductor piezoresistor 4,
From this current, the amount of change in the resistance value of the semiconductor piezoresistor 4 is controlled to be constant, and the surface shape of the sample 23 is determined from the movement of the sample 23 in the Z direction at this time, so the displacement of the lever body 1 is measured using a tunneling microscope. It can be detected without using an optical displacement meter or an optical displacement meter. Therefore, even if the lever body 1 is replaced, no alignment work is required at all. In addition, semiconductor piezoresistor 4
is formed on the lever body 1, so the atomic force microscope itself can be made smaller.
なお、本発明は上記各実施例に限定されるものでなくそ
の主旨を逸脱しない範囲で変形してもよい。特に、圧電
素子はいくつかの変形例がある。Note that the present invention is not limited to the above embodiments, and may be modified without departing from the spirit thereof. In particular, there are several variations of piezoelectric elements.
これを第３図を用いて説明する。例えば、第３図（ａ）
の上記第１実施例に示した圧電素子に対して、第３図（
ｂ）に示すように長さを長く形成してもよい。又、第３
図（Ｃ）に示すように半導体ピエゾ抵抗による圧電素子
の半導体特性はＰ型／Ｎ型のどちらを使用してもよい。This will be explained using FIG. For example, Fig. 3(a)
In contrast to the piezoelectric element shown in the first embodiment, FIG.
The length may be increased as shown in b). Also, the third
As shown in Figure (C), the semiconductor characteristic of the piezoelectric element based on semiconductor piezoresistance may be either P type or N type.
さらに、半導体ピエゾ抵抗４の形成位置はレバー本体１
の変位により湾曲する箇所であれば良く、例えばレバー
本体１のチップ２の設けられた面側又はレバー本体１の
両面に形成しても良い。なお、半導体ピエゾ抵抗４をレ
バー本体１の両面に形成した場合は、ホイーストンブリ
ッジ回路を構成できて容易に半導体ピエゾ抵抗４の抵抗
値変化を検出できる。Furthermore, the formation position of the semiconductor piezoresistor 4 is the lever body 1.
It may be formed at any location as long as it curves due to the displacement of the lever body 1, and may be formed, for example, on the side of the lever body 1 where the tip 2 is provided, or on both sides of the lever body 1. Note that when the semiconductor piezoresistor 4 is formed on both sides of the lever body 1, a Wheatstone bridge circuit can be constructed and a change in the resistance value of the semiconductor piezoresistor 4 can be easily detected.
又、カンチレバーは、レバー本体１を金属箔、ガラス箔
又はシリコン上に酸化シリコン膜を形成して作成し、こ
のレバー本体１にアモルファスのシリコン、ゲルマニウ
ムを蒸着させて半導体ピエゾ抵抗を形成してもよい。Alternatively, the cantilever may be created by forming the lever body 1 by forming a silicon oxide film on metal foil, glass foil, or silicon, and forming a semiconductor piezoresistor by vapor depositing amorphous silicon or germanium on this lever body 1. good.
［発明の効果コ
以上詳記したように本発明によれば、アライメントを必
要としないカンチレバーを提供できる。[Effects of the Invention] As detailed above, according to the present invention, a cantilever that does not require alignment can be provided.
又、本発明によれば、アライメントを必要としないカン
チレバーを適用した原子開力顕微鏡を提供できる。Further, according to the present invention, it is possible to provide an atomic force microscope using a cantilever that does not require alignment.
第１図は本発明に係わるカンチレバーの実施例を示す構
成図、第２図は本発明に係わる原子開力顕微鏡の実施例
を示す構成図、第３図は圧電素子の変形例を示す図であ
る。
１・・・レバー本体、２・・・チップ、４・・・半導体
ピエゾ抵抗、５，６・・・電極、１０・・・カンチレバ
＝２０・・・原子開力顕微鏡本体、２１・・・ＸＹ子テ
ーブル２２・・・Ｚテーブル、２３・・・試料、２４・
・・レバー支持体、２５・・・制御回路、２６・・・Ｘ
Ｙラスタ走査信号発生回路、２７・・・ホストコンピュ
ータ、２８・・・カラーＣＲＴデイスプレィ。
出願人代理人 弁理士 鈴江武彦
（ａ）
（ｂ）
第 １ 図
（Ｃ）
第３図FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a cantilever according to the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of an atomic force microscope according to the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing a modified example of a piezoelectric element. be. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Lever body, 2... Chip, 4... Semiconductor piezoresistor, 5, 6... Electrode, 10... Cantilever = 20... Atomic force microscope main body, 21... XY Child table 22...Z table, 23...sample, 24...
...Lever support body, 25...Control circuit, 26...X
Y raster scanning signal generation circuit, 27... host computer, 28... color CRT display. Applicant's agent Patent attorney Takehiko Suzue (a) (b) Figure 1 (C) Figure 3
Claims (2)
けたことを特徴とするカンチレバー。(1) A cantilever characterized in that a piezoelectric element is provided on the lever body with a tip provided at the tip.
けたカンチレバーと、前記圧電素子に所定電圧を印加す
る電圧印加手段と、前記圧電素子に流れる電流を検出し
、この電流から前記カンチレバーの変位を求める変位算
出手段とを具備したことを特徴とする原子間力顕微鏡。(2) A cantilever with a piezoelectric element provided on the lever body with a tip provided, a voltage applying means for applying a predetermined voltage to the piezoelectric element, a current flowing through the piezoelectric element, and a current flowing through the piezoelectric element; An atomic force microscope characterized by comprising a displacement calculation means for determining displacement.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18400690A JPH0472504A (en) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | Cantilever and inter-atom force microscope using it |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP18400690A JPH0472504A (en) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | Cantilever and inter-atom force microscope using it |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0472504A true JPH0472504A (en) | 1992-03-06 |
Family
ID=16145679
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP18400690A Pending JPH0472504A (en) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | Cantilever and inter-atom force microscope using it |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0472504A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100396760B1 (en) * | 2001-04-20 | 2003-09-02 | 엘지전자 주식회사 | Cantilever for atomic force microscopy and manufacturing method thereof |
-
1990
- 1990-07-13 JP JP18400690A patent/JPH0472504A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100396760B1 (en) * | 2001-04-20 | 2003-09-02 | 엘지전자 주식회사 | Cantilever for atomic force microscopy and manufacturing method thereof |
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