[发明专利]悬臂的振动特性测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及使其在悬臂谐振频率附近振动来使用的探头显微镜，特别涉及对悬臂的振动特性进行测定的情况。

背景技术

近年来，由于使用半导体工艺等的超精密技术的进步，具有板簧特性的悬臂被用于各种装置和传感器等，用于形状观察、质量、粘弹性、磁力等的各种测定。在扫描型探头显微镜(SPM：Scanning Probe Microscope)中，具有在单臂状态下被支承的悬臂，利用该悬臂前端的探针(探头)对试样表面进行扫描，测定作用于探针-试样间的隧道电流、原子间作用力、磁力、粘弹性等作为悬臂的挠曲量(位移)，由此，能够计测试样表面的形状和物性等并进行图像化，在宽领域中加以利用。

人们提出了许多如下的使用谐振模式(DFM)的测定方法：使该扫描型探头显微镜中的悬臂在悬臂的谐振频率附近振动，检测其振幅、相位、频率的变化等，由此，高精度地检测弱力和相互作用。

这里，关于频率/振幅特性(Q曲线)测定，针对要使用的悬臂，在考虑到其响应性的时间内，对包含谐振频率的范围进行施振频率的扫描，进行频率/振幅特性(Q曲线)测定，检测谐振频率。在长时间进行扫描的情况下，最大振幅的频率与谐振频率一致，因此，能够检测振幅最大值的频率作为谐振频率(例如参照专利文献1)。下面，示出此前的一般的频率/振幅特性测定的例子。

图7是示出大气中的此前的一般的频率/振幅特性测定的顺序的图。针对在大气中以谐振频率为30kHz、Q值为100左右的设计值制作的一般的悬臂，(i)最初，在频率范围20～40kHz内以扫描时间2sec进行测定后，(ii)以最大振幅为中心，在频率范围4kHz内以扫描时间2sec进行测定，(iii)最后，为了进一步提高精度，在频率范围1kHz内以扫描时间2sec进行测定，(iv)检测其最大振幅的频率，由此测定谐振频率(参照图9)。该情况下，合计需要6sec的扫描时间。

图8是示出真空中的此前的一般的频率/振幅特性测定的顺序的图。针对在真空中制作的谐振频率为300kHz的设计值、Q值预计在30000左右的一般的悬臂，(i)最初，在频率范围200～400kHz内以扫描时间60sec进行频率/振幅特性测定后，(ii)以上次的最大振幅为中心，在频率范围40kHz内以扫描时间60sec进行测定，(iii)以上次的最大振幅为中心，在频率范围4kHz内以扫描时间60sec进行测定，(iv)以上次的最大振幅为中心，在频率范围400Hz内以扫描时间60sec进行测定，(v)以上次的最大振幅为中心，在频率范围40Hz内以扫描时间60sec进行测定，(vi)检测其最大振幅的频率，由此测定谐振频率。该情况下，合计需要300sec的扫描时间。在真空中的情况下Q值变大，因此，需要大气中的数十～数百倍的扫描时间。

【专利文献1】日本特开平07-174767号公报

在谐振时的Q值较大的情况下，为了检测准确的谐振频率，必须延长扫描的时间而成为稳定的振动状态。在悬臂的谐振频率和Q值不明的情况下，无法适当估计进行扫描的时间和频率范围，因此，需要在慢慢对宽频率范围进行扫描的条件下进行频率/振幅特性测定。即使在大气中的悬臂的谐振频率和Q值的设计值明确的情况下，在溶液中使用时谐振频率和Q值也明显不同，难以推测。并且，虽然真空中的谐振频率是接近大气中的值，但是，Q值存在成为数十倍～数百倍的倾向，为了进行测定而需要较长时间。并且，也难以进行其推测。

并且，在短时间的扫描中，由于产生响应延迟，因此，谐振频率的检测产生误差，在Q值较大的状态(真空中或轻气体中的环境等)下，该误差存在进一步扩大的倾向。

已知在真空中使用SPM，不会产生空气引起的粘性阻力，与大气中的情况相比，成为数十倍～数百倍左右的Q值。由此，作为进行扫描的时间，真空中的频率/振幅特性测定需要大气中的数十倍～数百倍左右，需要更长的时间。

因此，在对具有未知振动特性的悬臂进行此前的频率/振幅特性测定的情况下，需要选择考虑安全而进行花费长时间的测定，还是在短时间内进行测定而进行测定精度低的测定，出现无法在短时间内实施高精度测定的状况。

并且，作为其他问题，即使是长时间的测定，也大多在悬臂的一次谐振频率附近产生多个峰值，有时无法选择真的谐振频率。

并且，为了使悬臂振动，在对施振频率进行扫描而使施振器振动的情况下，以机械的方式与施振器连接的周边部(悬臂架、斜面块等)也振动，有时产生次生振动。次生振动也对悬臂的振动造成影响，在悬臂的谐振频率以外产生振幅的峰值，有时引起悬臂的谐振频率检测错误。

发明内容