悬臂的振动特性测定方法以及悬臂的振动特性测定装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及扫描型探针显微镜所具有的悬臂（cantilever)的振动特性的测定方 法W及测定装置。
【背景技术】
[0002] 扫描型探针显微镜使安装于悬臂前端的探针与试样表面接近或接触，测定试样的 表面形状。作为扫描型探针显微镜的测定模式已知有如下两种；（1)恒定地保持探针与试 样之间的原子间力来测定试样的表面形状的接触模式；(2)利用压电元件等使悬臂在谐振 频率附近进行受迫振动，当探针与试样接近时，利用两者之间的间歇性接触所产生的探针 的振幅的衰减来测定试样的形状的方法（W下，适当称为"动力模式值FM测定模式）"）（参 照专利文献1)。
[0003] 但是，各个悬臂在形状上存在微妙的差异，给作为其振动特性的谐振频率W及被 称为Q值的测定灵敏度带来影响的指标也因每个悬臂不同而相异。因此，当在DFM测定模 式或不接触测定模式下进行测定时，需要预先测定上述的谐振频率W及Q值，并根据该些 值来进行试样的测定。
[0004] 目前，如图5所示该样地测定谐振频率W及Q值。即，在悬臂从试样离开的状态 下恒定地保持激励强度，在包含谐振频率的频率范围内W规定的扫掠（sweep)速度进行激 振，并且测定振幅，测定图5所示的Q曲线（频率/振幅特性）C1。然后，可通过分析Q曲线 C1的波形来求出谐振频率nW及Q值。目P，Q曲线C1的峰值位置的频率n是谐振频率， WQ值=fl/Fw(Fw;Q曲线的半值幅度（FWHM))进行测定。此外，Q值是表示悬臂的粘性的 指标，在测定试样时根据悬臂的振动来检测速度信号，并与激振信号相加，由此能够控制Q 值，得到更高的分辨率。
[0005] 另外，关于谐振频率的测定，在短时间内产生往返的频率扫掠信号，对发送和返回 的各自振幅的最大值的频率进行测量，将其中间值检测为谐振频率，由此能够在极短时间 内高精度地测定谐振频率（参照专利文献2)。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[000引专利文献1 ;日本特开平7-174767号公报
[0009] 专利文献2 ;日本特开2012-202841号公报
【发明内容】
[0010] 发明所要解决的课题
[0011] 虽然取得对振动频率进行扫掠（已变化）时的振动振幅来测定图5所示的Q曲线， 但最优的扫掠速度（扫掠时间）根据Q值而不同。例如，在图5中，只要延缓扫掠速度就能 够得到正确的Q曲线C1，当扫掠速度过快时Q曲线变为C2，Q曲线的波形发生变化，无法得 到正确的Q值和谐振频率n。目P，为了求出Q值和谐振频率n需要测定Q曲线，但存在该 Q曲线的测定条件本身依赖于Q值该样的问题。此外，虽然谐振频率n是Q曲线的峰值，但 振幅的峰值依赖于扫掠速度在扫掠方向上产生偏差成为与本来值不同的值。
[0012] 因此，在现有技术中通过根据经验决定扫掠速度、变更几次扫掠速度反复测定、延 缓扫掠速度W长时间进行测定等来测定Q曲线。另外，因为不知道已得到的Q值是否是基 于最优的扫掠速度的正确的值，所W大多是在与最优测定条件的设定有偏差的设定下进行 测定的。
[0013] 该样，当要正确地求出Q值时测定Q曲线的时间变长，测定效率降低，当Q曲线的 测定时间短时Q值不正确，此外还存在甚至无法判定得到的Q值究竟是否是正确的值该样 的问题。
[0014] 本发明是为了解决上述课题而作出的，其目的是提供不依据Q曲线的测定条件就 能够高精度地测定扫描型探针显微镜的悬臂的振动特性即Q值的、悬臂的振动特性测定方 法W及振动特性测定装置。
[001引解决问题的手段
[0016] 为了达成上述的目的，本发明的悬臂的振动特性测定方法测定对扫描型探针显微 镜的悬臂施加谐振频率fUHz)的振动时的该悬臂的振动振幅V，求出上述振动振幅V成为 稳定振幅V0的0. 90W上时的时间化（秒），利用下式1来计算Q值；Q值=nX化（1)。
[0017] 根据该悬臂的振动特性测定方法，基于预先求出的谐振频率fl，不依据Q曲线的 测定条件就能够高精度地测定扫描型探针显微镜的悬臂的振动特性即Q值。
[0018] 上述稳定振幅V0可W是设对上述悬臂施加上述谐振频率fUHz)的振动经过时间 TA(秒）后的振动振幅为VA、经过时间TA/2 (秒）的振动振幅成为VAX0. 95时的振动振幅。
[0019] 根据该悬臂的振动特性测定方法，可在比较短的测定时间内高精度地得到测定Q 值所需的稳定振幅V0。
[0020] 在扫掠对上述悬臂施加的频率来测定表示该悬臂的振动振幅的Q曲线的情况下， 当设扫掠开始频率与扫掠结束频率的差分的绝对值为FswOlz)、设此时的上述Q曲线的测 定时间为扫掠时间Tsw(秒）时，可通过下式2采用已算出的扫掠时间Tsw(秒）来测定上 述Q曲线：
[002UTsw(秒）=AXFswX(QA1)2 似[00巧（其中，A是正常数）。
[0023] 根据该悬臂的振动特性测定方法，采用由公式1得到的Q值来算出Q曲线测定中 的最优的扫掠时间，由此能够高效地测定正确的Q曲线。
[0024] 本发明的悬臂的振动特性测定装置，其包括；测定对扫描型探针显微镜的悬臂施 加谐振频率fUHz)的振动时的该悬臂的振动振幅V的单元，求出上述振动振幅V成为稳 定振幅V0的0. 90W上时的时间化（秒）的单元，利用下式1来计算Q值的单元；Q值二 nxiii(1)。
[002引发明效果
[0026] 根据本发明，不依据Q曲线的测定条件就能够在短时间内测定扫描型探针显微镜 的悬臂的振动特性即Q值。另外，通过在本发明中已测定的Q值来计算Q曲线测定中的最 优扫掠时间，能够实现可求出高精度下的Q值的Q曲线测定。
【附图说明】
[0027]图1是适合应用本发明的扫描型探针显微镜的框图。
[002引图2是示出基于本发明实施方式的Q值的测定方法的图。
[0029] 图3是示出计算Q值的子程序的流程的图。
[0030] 图4是示出测定Q曲线的主程序的流程的图。
[0031] 图5是示出现有的谐振频率W及Q值的测定方法的图。
[00对符号说明
[003引 1 悬臂
[0034] 200 扫描型探针显微镜
[003引 C1、C2Q曲线
【具体实施方式】
[0036] W下，参照附图来说明本发明的实施方式。
[0037]图1是本适合应用发明的扫描型探针显微镜200的框图。此外，图1 (a)是扫描型 探针显微镜200的整体图，图1化）是悬臂1附近的部分放大图。
[003引在图1(a)中，扫描型探针显微镜200具备在前端具有探针99的悬臂1、赋予悬臂1振动的悬臂激振部3、用于驱动悬臂激振部3的激振电源21、控制单元（探针显微镜控制 器24、计算机40)等。
[0039] 计算机40具有用于控制扫描型探针显微镜200的动作的控制基板、CPU(中央控 制处理装置）、ROM、RAM、硬盘等存储单元、接口、操作部等。
[0040] 探针显微镜控制器24具有后述的Z控制电路20、频率振动特性检测机构7、粗动 机构12、在粗动机构12的上方安装的圆筒型的致动器（扫描仪（scanner)) 11、与致动器11 的上方连接的工作台10、激振电源21、X、Y、Z输出放大器22、粗动控制电路23。探针显微 镜控制器24与计算机40连接，可进行数据的高速通信。计算机40控制探针显微镜控制器 24内的电路的动作条件，取入已测定的数据进行控制，来实现悬臂1的Q值W及谐振频率的 测定、Q曲线测定（频率振动特性）、表面形状测定、表面物性测定、力曲线（forcecurve) 测定等。
[0041] 粗动机构12使致动器11及其上方的工作台10概括地进行3维移动，利用粗动控 制电路23来控制动作。
[0042] 致动器11使工作台10 (W及试样300)3维地进行移动（微动），其具备分别在 xy(试样300的平面）方向上扫描工作台10的两个（双轴的）压电元件11a、1化和在Z(高 度）方向上扫描工作台10的压电元件11c。压电元件是当施加电场时结晶发生形变并且当 W外力使结晶强制性形变时产生电场的元件，关于压电元件一般可使用作为陶瓷的一种的 PZT(错铁酸铅），但不仅限于此。
[00创压电元件11a~11c与X、Y、Z输出放大器22连接，对X、Y、Z输出放大器22输出 规定的控制信号（电压），来分别向xy方向驱动压电元件11a、11b，并向Z方向驱动压电元 件1化。
[0044] 在工作台10上载置试样300,试样300与探针99进行相对配置。
[0045] 悬臂1与悬臂顶端部8的侧面相接，构成悬臂弹黃的构造。利用悬臂顶端部压板9 在斜面块2上压紧悬臂顶端部8,并在激振器3上固定斜面块