JPH10267950A

JPH10267950A - 横励振摩擦力顕微鏡

Info

Publication number: JPH10267950A
Application number: JP8725797A
Authority: JP
Inventors: Akira Yagi; 明八木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】試料と探針の間に与える横振動の振幅が、試料
の重さに影響されない横励振摩擦力顕微鏡が得られる。【解決手段】試料１０２は三次元微動機構であるスキャ
ナー１０４の上に載置される。カンチレバーホルダー３
００はカンチレバーユニット１０８をＹ方向に振動可能
に支持する。カンチレバーユニット１０８は、基盤１１
０と、これに固定されたカンチレバー１１２、その先端
に形成された探針１１４を有している。対物レンズ１１
６は、ビームスプリッター１１８を介して、ＺＰセンサ
ー２００と光学的に結合している。カンチレバー１１２
の変位信号とねじれ信号を算出する演算器１２０、スキ
ャナーのＺ方向の変位を制御するサーボ回路１２２、Ｘ
Ｙ走査のためにスキャナーを駆動するＸＹ走査回路１２
４、正弦波を出力する励振器１２６、ねじれ信号と正弦
波を比較する振幅検出器１２８が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は走査型プローブ顕
微鏡とくに横励振摩擦力顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、走査型トンネ
ル顕微鏡や原子間力顕微鏡など、探針（プローブ）を用
いて試料表面の情報を得る装置の総称であり、その一つ
に、探針先端と試料表面の相互間に作用する力に基づい
て試料表面の情報を得る走査型力顕微鏡がある。走査型
力顕微鏡は、一般に、柔軟なカンチレバーの自由端に支
持された鋭く尖った探針（プローブ）を持ち、この探針
を試料表面に近づけ、探針先端と試料表面の原子間に発
生する相互作用力をカンチレバーの変形として捕らえつ
つ、探針を試料表面に亘りＸＹ走査し、探針の位置の情
報とそのときのカンチレバーの変形の情報に基づいて、
試料表面の種々の情報を得る。

【０００３】さらに、走査型力顕微鏡の一つに横励振摩
擦力顕微鏡（ＬＭＦＦＭ：LateralModulation Friction
Force Microscope）がある。この装置は原子間力顕微
鏡を更に発展させたもので、ＸＹ走査の際に試料をＹ方
向に振動させ、この振動により生じるカンチレバーのね
じれの振幅と位相を調べることにより、試料表面の凹凸
像の他に、試料と探針の間に働く摩擦力、試料の弾性率
や粘性が測定できる。

【０００４】一例として、工業技術院機械技術研究所の
山中氏らにより提案されている横励振摩擦力顕微鏡を図
７に示す。試料１２はスキャナー１４の上に載置され
る。スキャナー１４の上方にはカンチレバーユニット１
６が配置される。カンチレバーユニット１６は、基盤１
８とカンチレバー２０とその先端に形成された探針２２
を有している。また、カンチレバー２０の変位とねじれ
を検出する光てこ式の光センサーが設けられている。こ
の光センサーは半導体レーザー２４と集光レンズ２６と
四分割フォトダイオード２８により構成されている。さ
らに、四分割フォトダイオード２８の出力からカンチレ
バー２０の変位信号とねじれ信号を算出する演算器３
０、変位信号に基づいてスキャナー１４のＺ方向の位置
を制御するサーボ回路３２、ＸＹ走査のためにスキャナ
ー１４を駆動する走査回路３４、探針２２と試料１２の
間にＹ方向の振動を与えるための正弦波を出力する励振
器３６、走査回路３４の出力するＹ信号に励振器３６の
出力する正弦波を重畳する加算器３８、演算器３０の出
力するねじれ信号と励振器３６の出力する正弦波を比較
する振幅検出器４０が設けられている。

【０００５】スキャナー１４には、走査回路３４の出力
するＸ走査のためのＸ信号と、走査回路の出力するＹ走
査のための信号に励振器３６の正弦波が重畳されたＹ信
号が供給される。この結果、スキャナー１４はＹ方向に
所定の振幅で振動し、探針２２はその振動する試料１２
の表面をラスター走査することになる。演算器３０は、
四分割フォトダイオード２８の各受光部の出力ａ、ｂ、
ｃ、ｄから、変位信号ＡＦＭ＝ａ＋ｂ−ｃ−ｄとねじれ
信号ＬＦＭ＝ａ−ｂ−ｃ＋ｄを出力する。サーボ回路３
２は、変位信号ＡＦＭを一定の値に保つようにスキャナ
ー１４を制御するＺ信号を出力する。これは、試料表面
の凹凸を反映しており、これは凹凸信号として処理され
る。振幅検出器４０は、励振器３６の出力する正弦波
と、演算器３０の出力するねじれ信号ＬＦＭを比較し、
試料表面の局所的な弾性率、粘性、摩擦力を反映してい
る振幅信号を出力する。凹凸信号と振幅信号を、走査回
路３４の出力する走査信号に同期させて処理することに
より、試料表面の凹凸や弾性率の分布などの情報が得ら
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上に述べた横励振摩擦
力顕微鏡では、ＸＹ走査の際に試料をＹ方向に振動させ
ており、その振動の振幅は励振器の出力の周波数と試料
の重さにより決まる。このため、試料の重さが変われ
ば、これに伴なって試料とスキャナーからなる系のＹ方
向の共振周波数も変わるので、同じＹ信号を印加してい
ても、Ｙ方向の振動の振幅は異なったものとなってしま
う。本発明は、試料と探針の間に与える横向きの振動の
振幅が、試料の重さに影響されることのない横励振摩擦
力顕微鏡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】本発明の横励振摩擦力顕
微鏡は、自由端に探針を持つカンチレバーと、カンチレ
バーを試料表面に平行に振動させる励振手段と、試料を
移動させて探針を試料表面に亘り走査する走査手段と、
カンチレバーの自由端の変位とねじれを調べる検知手段
とを有している。

【０００８】本発明では、試料を移動させることで探針
の走査が行なわれ、カンチレバーを振動させることで、
探針と試料の間に、試料表面に平行な相対的な振動が与
えられる。従って、探針の振幅は、試料の重さには影響
されない。

【０００９】

【発明の実施の形態】この発明の第一の実施の形態につ
いて図１ないし図３を用いて説明する。試料１０２は、
三次元微動機構であるスキャナー１０４の上に載置され
る。スキャナー１０４の上方には、カンチレバーユニッ
ト１０８がカンチレバーホルダー３００により支持され
る。カンチレバーホルダー３００はカンチレバーユニッ
ト１０８をＹ方向に振動させる機能を有している。カン
チレバーホルダー３００の具体的な構造については後に
詳しく述べる。カンチレバーユニット１０８は、基盤１
１０、これに固定された短冊状のカンチレバー１１２、
カンチレバー１１２の先端部に形成された探針１１４を
有している。基盤１１０は例えば長さ４ｍｍ、幅２ｍ
ｍ、厚さ０．５ｍｍの大きさのガラスやシリコンウェハ
ーからなる。カンチレバー１１２は例えば長さ２００μ
ｍ、幅２０μｍ、厚さ１μｍの大きさに形成され、探針
１１４はシリコンプロセス等により例えば長さ１０μｍ
に形成される。カンチレバーユニット１０８は基盤１１
０をカンチレバーホルダー３００に接着あるいは板バネ
などを用いて弾性的に固定することにより取り付けられ
る。

【００１０】探針１１４の上方には対物レンズ１１６が
あり、対物レンズ１１６はその上方のビームスプリッタ
ー１１８を介して、カンチレバー１１２の変位とねじれ
を検知するためのＺＰセンサー２００と光学的に結合し
ている。ビームスプリッター１１８の上方には、図には
示さないが、対物レンズ１１６と協同する観察光学系が
配置される。

【００１１】カンチレバーホルダー３００は、探針１１
４の位置を調整するため、ＺＰセンサー２００と同じ構
造体に固定された調整ジグ（図示せず）に取り付けられ
る。また、スキャナー１０４は、探針１１４と試料１０
２の間の距離を調整するため、Ｚ方向粗動ステージ（図
示せず）に搭載される。

【００１２】さらに、ＺＰセンサー２００の出力からカ
ンチレバー１１２の変位信号とねじれ信号を算出する演
算器１２０、変位信号に基づいてスキャナーのＺ方向の
変位を制御するサーボ回路１２２、ＸＹ走査のためにス
キャナーを駆動するＸＹ走査回路１２４、探針１１４を
Ｙ方向に振動させるための正弦波を出力する励振器１２
６、演算器１２０の出力するねじれ信号と励振器１２６
の出力する正弦波を比較する振幅検出器１２８が設けら
れている。

【００１３】ＺＰセンサー２００は、図２に示すよう
に、半導体レーザー２０２、その射出光を平行光にする
コリメートレンズ２０４、この平行光を対物レンズ１１
６に入射させるビームスプリッター２０６、カンチレバ
ー１１２からの反射光を異なる２方向へ分割するハーフ
ミラー２０８、このハーフミラー２０８で分割されたそ
れぞれの光を偏向する二つの臨界角プリズム４００と２
１０、それぞれの臨界角プリズム４００と２１０で反射
された光を受光する二つの二分割フォトダイオード２１
２と２１４で構成されている。半導体レーザー２０２か
ら射出した光は、コリメートレンズ２０４により平行光
となり、ビームスプリッター２０６で反射し、対物レン
ズ１１６によりカンチレバー１１２の面上に集光する。
対物レンズ１１６は、（Ａ）に示すように、平行光が基
準位置にあるカンチレバー１１２の面上で焦点を結ぶよ
うに予め調整されている。カンチレバー１１２で反射し
た光は、対物レンズ１１６を通り、ビームスプリッター
２０６を透過し、ハーフミラー２０８で２方向へ分割さ
れ、臨界角プリズム４００と２１０で反射した成分が二
分割受光素子２１２と２１４に入射する。カンチレバー
１１２（すなわち探針１１４）のＺ方向の変位は、対物
レンズ１１６の焦点位置からのずれとして求まり、二分
割フォトダイオード２１２と２１４の各受光素子の出力
を図に示したようにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、その変位
信号ＡＦＭはＡＦＭ＝Ａ−Ｂ−Ｃ＋Ｄの演算により求ま
る。また、カンチレバーがねじれると、（Ｂ）に示すよ
うに、二分割フォトダイオード２１２と２１４に対する
ビームの入射位置がずれるので、そのねじれ信号ＬＦＭ
はＬＦＭ＝Ａ−Ｂ＋Ｃ−Ｄの演算により求まる。本実施
例ではカンチレバー１１２の変位とねじれの検出にＺＰ
センサー２００を用いているが、従来例（図７）で説明
した光てこ方式の変位センサーを用いても一向に構わな
い。

【００１４】カンチレバーホルダー３００は、図３に示
すように、カンチレバーユニット１０８を装着する装着
部３０２、装置本体に取り付けられる取付部３０４、装
着部３０２と取付部３０４をつなぐ弾性変形部３０８を
有している。取付部３０４には装置本体に固定される固
定軸３０６が設けられている。弾性変形部３０８は、平
行バネを構成する互いに平行な二枚の側壁３１０を有し
ており、Ｘ方向とＺ方向には剛性が高く、Ｙ方向には振
動し易い構造になっている。その素材としては、弾性的
変形を行なう素材であれば何でもよい。それぞれの側壁
３１０の内側には圧電素子３１２が取り付けられてい
て、それぞれユニモルフ型のアクチュエーターを構成し
ている。二つの圧電素子３１２の分極方向は図示のよう
に同じ方向となっており、これはＹ方向に一致してい
る。二つの圧電素子３１２の側壁側の電極を接地してお
き、内側の電極に同じ正弦波を印加すると、二つの圧電
素子３１２は逆位相で伸縮動作を行ない、言い換えれば
一方が伸びると反対側が縮むため、装着部３０２はＹ方
向に振動する。この結果、そこに装着されたカンチレバ
ーユニット１０８がＹ方向に振動し、探針１１４がＹ方
向に励振される。

【００１５】続いて、動作について説明する。図１から
分かるように、スキャナー１０４は、ＸＹ走査回路１２
４から供給されるＸＹ信号を受けて、試料１０２をＸＹ
方向に移動させる。これと同時に、カンチレバーホルダ
ー３００は、励振器１２６から供給される正弦波信号を
受けて、カンチレバーユニット１０８をＹ方向に所定の
周波数で振動させる。これにより探針１１４は、Ｙ方向
に所定の振幅たとえば１ｎｍないし１μｍの振幅で振動
しながら、例えば１００μｍ角の領域を５１２点１２８
ラインで覆うようにラスター走査される。

【００１６】カンチレバー１１２のＺ方向の変位を示す
変位信号ＡＦＭは、ＺＰセンサー２００の出力信号Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄに対して、演算器１２０において、ＡＦＭ＝
Ａ−Ｂ−Ｃ＋Ｄの演算を行なうことにより求まる。ま
た、カンチレバーのねじれを示すねじれ信号ＬＦＭは、
演算器１２０において、ＬＦＭ＝Ａ−Ｂ＋Ｃ−Ｄの演算
を行なうことにより求まる。また、光てこ方式の変位セ
ンサーを用いた場合の演算は、図７で説明したのと同様
であるため、ここでの説明は省略する。

【００１７】サーボ回路１２２は、変位信号ＡＦＭを一
定の値に保つようにスキャナー１０４のＺ方向の動きを
制御するＺ信号をスキャナー１０４に供給する。これに
より、カンチレバー１１２は予め定めた量だけ変位した
姿勢に常に維持される。サーボ回路１２２の出力するＺ
信号は、試料表面の凹凸を反映しており、これは凹凸信
号として、ＸＹ信号と共に、画像を構築する処理装置
（図示せず）に取り込まれる。

【００１８】振幅検出器１２８は、励振器１２６の出力
信号に同期して、振幅検出あるいは位相検出を行なう。
これにより振幅検出器１２８の出力信号Ｌｏｕｔは、試
料表面の探針１１４が接している部分の局所的な弾性率
や粘性、摩擦の特性を反映しており、前述の凹凸信号と
同様に、処理装置（図示せず）に取り込まれる。

【００１９】これまでに説明したように、本実施例で
は、カンチレバーホルダー３００はカンチレバーユニッ
ト１０８が取り付けられる装着部３０２を横方向に振動
させる機能を有しており、カンチレバーユニット１０８
をＹ方向に振動させることで、探針１１４と試料表面の
間に横向きの振動を与えている。振動する部材がカンチ
レバーユニット１０８であるため、試料１０２を交換し
ても共振特性は変わらない。つまり、振動の周波数は試
料１０２の重さには影響されない。

【００２０】また、カンチレバーユニット１０８は試料
に比べて小型であるため、振動の周波数を高く設定する
ことができるという利点もある。さらに、横振動を与え
るための信号とＹ走査のためのＹ信号とが完全に分離さ
れているので、検出される信号の精度が向上するという
利点もある。

【００２１】以下、カンチレバーホルダーのいくつかの
変形例について図４ないし図７を参照しながら説明す
る。図４ないし図７では、図３のカンチレバーホルダー
の部材と同じ部材は同じ参照符号で示してあり、それら
の部材の詳しい説明はここでは省く。

【００２２】第一変形例のカンチレバーホルダーを図４
に示す。このカンチレバーホルダーは、図３のカンチレ
バーホルダーの弾性変形部３０８の開口に粘性的な素材
３１４たとえばゴムや振動吸収性のゲル状素材を充填し
た構成となっている。このような粘性的な素材３１４
は、装着部のＹ方向の共振のＱ値が高くなりすぎて励振
の周波数近辺で振動させたときに振幅値の変動が大きく
なりすぎないように、Ｙ方向の共振のＱ値を低下させ
る。例えばＱ値が１００のものをＱ値が１０以下になる
ようにして励振周波数変動による影響を１／１０以下に
できる。

【００２３】第二変形例のカンチレバーホルダーを図５
に示す。このカンチレバーホルダーは、図３のカンチレ
バーホルダーにおいて平行バネを構成している二枚の側
壁を、一枚の板バネ３１６に変更し、その両面に圧電素
子３１２を設けた構成となっている。つまり、本変形例
の弾性変形部３０８’はバイモルフ型のアクチュエータ
ーとなっている。本変形例のカンチレバーホルダーで
は、図３のカンチレバーホルダーを作製する際に弾性変
形部を平行バネ状の形成するために必要であった穴開け
加工が不要となり、製造コストが低くなるという利点が
ある。

【００２４】第三変形例のカンチレバーホルダーを図６
に示す。このカンチレバーホルダーは、液浸での試料観
察に対応するもので、取付部３０４’がＬ字形状となっ
ていて、水槽の横壁に対する逃げが設けられている。ま
た、水中への漏れ電流が発生しないように、弾性変形部
３０８の開口には防水用の充填材３２０が充填されてい
るとともに、励振信号を供給するための導線３２２も被
覆されている。本変形例のカンチレバーホルダーを使用
することで、液浸での試料観察が行なえる。

【００２５】以上、図面を参考にしながら本発明の具体
的な例について説明したが、本発明は上述の実施例に限
るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内に種々
多くの変形や変更が可能である。

【００２６】なお、本発明は以下のように表現すること
ができる。１．自由端に探針を持つカンチレバーと、カンチレバー
を試料表面に平行に振動させる励振手段と、試料を移動
させて探針を試料表面に亘り走査する走査手段と、カン
チレバーの自由端の変位とねじれを調べる検知手段とを
有している横励振摩擦力顕微鏡。

【００２７】２．上記１項において、励振手段は、カン
チレバーを支持するカンチレバーホルダーで、固定的に
支持される取付部と、カンチレバーが装着される装着部
と、取付部に対して装着部を試料表面に平行な方向に移
動可能に支持する弾性的に変形する弾性変形部と、装着
部を振動させる振動発生手段とを有するカンチレバーホ
ルダーと、振動発生手段を駆動する正弦波信号を出力す
る励振器とを含んでいる、横励振摩擦力顕微鏡。

【００２８】３．上記２項において、弾性変形部はその
法線が振動方向に一致する弾性的に変形する互いに平行
な二枚の板バネ材を有し、振動発生手段はそれぞれの板
バネ材の片側に設けられた互いに逆相で伸縮する二つの
圧電素子を有している、横励振摩擦力顕微鏡。

【００２９】４．上記２項において、弾性変形部はその
法線が振動方向に一致する弾性的に変形する一枚の板バ
ネ材を有し、振動発生手段は板バネ材の両側に設けられ
た互いに逆相で伸縮する二つの圧電素子を有している、
横励振摩擦力顕微鏡。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、試料と探針の間に与え
る横振動が、試料の重さに影響されることのない横励振
摩擦力顕微鏡が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の横励振摩擦力顕微鏡の構成を
示す図である。

【図２】図１に示したＺＰセンサーの構成を示す図であ
る。

【図３】図１のカンチレバーホルダーの構成を示す図で
ある。

【図４】カンチレバーホルダーの第一変形例を示す図で
ある。

【図５】カンチレバーホルダーの第二変形例を示す図で
ある。

【図６】カンチレバーホルダーの第三変形例を示す図で
ある。

【図７】横励振摩擦力顕微鏡の従来例を示す図である。

【符号の説明】

１０２試料１０４スキャナー１０８カンチレバーユニット１１２カンチレバー１１４探針１２０演算器１２２サーボ回路１２４ＸＹ走査回路１２６励振器１２８振幅検出器２００ＺＰセンサー３００カンチレバーホルダー３０２装着部３０４取付部３０８弾性変形部３１２圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自由端に探針を持つカンチレバーと、カンチレバーを試料表面に平行に振動させる励振手段
と、試料を移動させて探針を試料表面に亘り走査する走査手
段と、カンチレバーの自由端の変位とねじれを調べる検知手段
とを有している横励振摩擦力顕微鏡。