[發明專利]懸臂的振動特性測定方法

有效

• 申請號: 201210080424.4
• 申請日: 2012-03-23
• 公開（公告）號: CN102692523A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 繁野雅次;鹿倉良晃
• 申請（專利權）人: 精工電子納米科技有限公司
• 主分類號: G01Q40/00
• 分類號: G01Q40/00;G01M7/02
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李輝;馬建軍

技術領域

本發明涉及使其在懸臂諧振頻率附近振動來使用的探頭顯微鏡，特別涉及對懸臂的振動特性進行測定的情況。

背景技術

近年來，由于使用半導體工藝等的超精密技術的進步，具有板簧特性的懸臂被用于各種裝置和傳感器等，用于形狀觀察、質量、粘彈性、磁力等的各種測定。在掃描型探頭顯微鏡(SPM：Scanning?Probe?Microscope)中，具有在單臂狀態下被支承的懸臂，利用該懸臂前端的探針(探頭)對試樣表面進行掃描，測定作用于探針-試樣間的隧道電流、原子間作用力、磁力、粘彈性等作為懸臂的撓曲量(位移)，由此，能夠計測試樣表面的形狀和物性等并進行圖像化，在寬領域中加以利用。

人們提出了許多如下的使用諧振模式(DFM)的測定方法：使該掃描型探頭顯微鏡中的懸臂在懸臂的諧振頻率附近振動，檢測其振幅、相位、頻率的變化等，由此，高精度地檢測弱力和相互作用。

這里，關于頻率/振幅特性(Q曲線)測定，針對要使用的懸臂，在考慮到其響應性的時間內，對包含諧振頻率的范圍進行施振頻率的掃描，進行頻率/振幅特性(Q曲線)測定，檢測諧振頻率。在長時間進行掃描的情況下，最大振幅的頻率與諧振頻率一致，因此，能夠檢測振幅最大值的頻率作為諧振頻率(例如參照專利文獻1)。下面，示出此前的一般的頻率/振幅特性測定的例子。

圖7是示出大氣中的此前的一般的頻率/振幅特性測定的順序的圖。針對在大氣中以諧振頻率為30kHz、Q值為100左右的設計值制作的一般的懸臂，(i)最初，在頻率范圍20～40kHz內以掃描時間2sec進行測定后，(ii)以最大振幅為中心，在頻率范圍4kHz內以掃描時間2sec進行測定，(iii)最后，為了進一步提高精度，在頻率范圍1kHz內以掃描時間2sec進行測定，(iv)檢測其最大振幅的頻率，由此測定諧振頻率(參照圖9)。該情況下，合計需要6sec的掃描時間。

圖8是示出真空中的此前的一般的頻率/振幅特性測定的順序的圖。針對在真空中制作的諧振頻率為300kHz的設計值、Q值預計在30000左右的一般的懸臂，(i)最初，在頻率范圍200～400kHz內以掃描時間60sec進行頻率/振幅特性測定后，(ii)以上次的最大振幅為中心，在頻率范圍40kHz內以掃描時間60sec進行測定，(iii)以上次的最大振幅為中心，在頻率范圍4kHz內以掃描時間60sec進行測定，(iv)以上次的最大振幅為中心，在頻率范圍400Hz內以掃描時間60sec進行測定，(v)以上次的最大振幅為中心，在頻率范圍40Hz內以掃描時間60sec進行測定，(vi)檢測其最大振幅的頻率，由此測定諧振頻率。該情況下，合計需要300sec的掃描時間。在真空中的情況下Q值變大，因此，需要大氣中的數十～數百倍的掃描時間。

【專利文獻1】日本特開平07-174767號公報

在諧振時的Q值較大的情況下，為了檢測準確的諧振頻率，必須延長掃描的時間而成為穩定的振動狀態。在懸臂的諧振頻率和Q值不明的情況下，無法適當估計進行掃描的時間和頻率范圍，因此，需要在慢慢對寬頻率范圍進行掃描的條件下進行頻率/振幅特性測定。即使在大氣中的懸臂的諧振頻率和Q值的設計值明確的情況下，在溶液中使用時諧振頻率和Q值也明顯不同，難以推測。并且，雖然真空中的諧振頻率是接近大氣中的值，但是，Q值存在成為數十倍～數百倍的傾向，為了進行測定而需要較長時間。并且，也難以進行其推測。

并且，在短時間的掃描中，由于產生響應延遲，因此，諧振頻率的檢測產生誤差，在Q值較大的狀態(真空中或輕氣體中的環境等)下，該誤差存在進一步擴大的傾向。

已知在真空中使用SPM，不會產生空氣引起的粘性阻力，與大氣中的情況相比，成為數十倍～數百倍左右的Q值。由此，作為進行掃描的時間，真空中的頻率/振幅特性測定需要大氣中的數十倍～數百倍左右，需要更長的時間。

因此，在對具有未知振動特性的懸臂進行此前的頻率/振幅特性測定的情況下，需要選擇考慮安全而進行花費長時間的測定，還是在短時間內進行測定而進行測定精度低的測定，出現無法在短時間內實施高精度測定的狀況。

并且，作為其他問題，即使是長時間的測定，也大多在懸臂的一次諧振頻率附近產生多個峰值，有時無法選擇真的諧振頻率。

并且，為了使懸臂振動，在對施振頻率進行掃描而使施振器振動的情況下，以機械的方式與施振器連接的周邊部(懸臂架、斜面塊等)也振動，有時產生次生振動。次生振動也對懸臂的振動造成影響，在懸臂的諧振頻率以外產生振幅的峰值，有時引起懸臂的諧振頻率檢測錯誤。

發明內容