JP2000121535A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

Info

Publication number
JP2000121535A
JP2000121535A JP10297840A JP29784098A JP2000121535A JP 2000121535 A JP2000121535 A JP 2000121535A JP 10297840 A JP10297840 A JP 10297840A JP 29784098 A JP29784098 A JP 29784098A JP 2000121535 A JP2000121535 A JP 2000121535A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe
sample
sample surface
vibration state
scanning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10297840A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsushi Nakano
勝志 中野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP10297840A priority Critical patent/JP2000121535A/en
Publication of JP2000121535A publication Critical patent/JP2000121535A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Micromachines (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent an overshooting by moving a probe in the direction of Z axis being vertical to the sample surface and in the direction of X axis being in parallel with the sample surface and adding damping elements to the operation of a control means for changing the traveling direction of the probe so that a vibration state is achieved by an excitation member. SOLUTION: The microscope is provided with piezoelectric drive members 17 and 18 for X and Y directions, a semiconductor laser 21, a four-division photo detector 22, and the like, thus detecting the displacement of a probe 11 by the lever method. In addition, the microscope is provided with an oscillation circuit 27, a digital signal processor(DSP) 28, a personal computer(PC) 29, and the like, thus controlling relative move ment with respect to the sample surface of the probe 11. The probe 11 is supported by a support 12, and the support 12 is subjected to twist vibration by a vibrator 14. When the tip part of the probe excessively approaches the sample surface or is excessively separated from the sample surface, the traveling direction of the probe 11 is changed by an angle servo and a damping element is added to the angle servo to prevent the overshooting of the probe 11 from being repeated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に関するものであり、さらに詳しくは、探針先端に
加わる力がどの方向から作用しているかを検出せず、そ
の力の変化のみの情報を使い、試料表面をトレースする
走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope, and more particularly, to information on only a change in force applied to a tip of a probe without detecting the direction in which the force is applied. The present invention relates to a scanning probe microscope that traces the surface of a sample by using a scanning probe microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、走査型プローブ顕微鏡が広く使わ
れている工業分野、例えば半導体分野においては、平坦
な形状だけでなく、試料表面の凸部又は凹部の垂直に近
い側面形状を測定する必要性が増大している。しかしな
がら、従来の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面の凸
部又は凹部の側面形状が垂直に近くなると、その観察が
困難であり、当該側面形状を精度良く観察することがで
きなかった。
2. Description of the Related Art In the industrial field where a scanning probe microscope is widely used in recent years, for example, in the field of semiconductors, it is necessary to measure not only a flat shape but also a side surface shape of a convex or concave portion of a sample surface which is almost vertical. Sex is increasing. However, in the conventional scanning probe microscope, when the side surface shape of the convex portion or the concave portion on the sample surface becomes nearly vertical, it is difficult to observe the side surface shape, and the side shape cannot be accurately observed.

【0003】その理由は、従来の走査型プローブ顕微鏡
では、探針を一定速度で試料表面と水平な方向(X方向
又はY方向)に走査しながら、探針と試料との間の相互
作用が一定になるように探針をZ方向に移動させてお
り、試料と探針との間の相対距離の変化を試料表面と垂
直な縦方向(Z方向)にのみフィードバックしていたた
めである。このようなフィードバック制御の結果、試料
表面の凸部又は凹部の急峻な側壁においてデータ数が少
なくならざるを得ない。また、探針が急峻な側壁を乗越
えるためには、縦方向(Z方向)に急激に探針を移動さ
せる必要が生じ、そのため、急峻な側壁の角部分で、探
針のフィードバックが不安定になって、試料表面を正確
にトレースすることができなかった。
The reason is that in the conventional scanning probe microscope, the interaction between the probe and the sample is made while scanning the probe at a constant speed in a direction (X direction or Y direction) parallel to the sample surface. This is because the probe is moved in the Z direction so as to be constant, and the change in the relative distance between the sample and the probe is fed back only in the vertical direction (Z direction) perpendicular to the sample surface. As a result of such feedback control, the number of data must be reduced on the steep side wall of the convex portion or concave portion on the sample surface. Further, in order for the probe to climb over the steep side wall, it is necessary to move the probe rapidly in the vertical direction (Z direction), and therefore, the feedback of the probe is unstable at the corner of the steep side wall. As a result, the sample surface could not be traced accurately.

【0004】この問題を解決するものとして、先端がフ
レアードになっているブーツ探針を使い、試料の側壁の
形状を観察する走査型プローブ顕微鏡についての報告が
されている(例えば、Yves Martin andH. Krmar Wickra
masinghe, Appl. Phys. Lett. 64 (19), 9 May 1994, "
Method forimaging sidewalls by atomic force micros
copy")。この報告では、ブーツ探針を縦と横方向に微
振動させ、それぞれの方向から探針に作用する力を測定
し、それぞれの値をそれぞれ縦と横方向にフィードバッ
クすることにより急峻な試料の表面をトレースしてい
る。
As a solution to this problem, there has been a report on a scanning probe microscope for observing the shape of the side wall of a sample using a boot probe having a flared tip (see, for example, Yves Martin and H. et al.). Krmar Wickra
masinghe, Appl. Phys. Lett. 64 (19), 9 May 1994, "
Method forimaging sidewalls by atomic force micros
copy "). In this report, the boot probe is vibrated in the vertical and horizontal directions, the force acting on the probe from each direction is measured, and the values are fed back in the vertical and horizontal directions, respectively. The surface of a simple sample is traced.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記、
先端がフレアードになっているブーツ探針を使い、試料
の側壁の形状を観察する方法は、探針を縦と横に微振動
させているため、装置の構成が複雑とならざるを得な
い。また探針に作用する力を縦方向、横方向に別々に検
出し、それをそれぞれ2つの方向にフィードバックして
いるので、フィードバック制御系も複雑になるという問
題点を有していた。
SUMMARY OF THE INVENTION
In the method of observing the shape of the side wall of the sample using a boot probe having a flared tip, the configuration of the apparatus must be complicated because the probe is vibrated vertically and horizontally. In addition, since the forces acting on the probe are separately detected in the vertical and horizontal directions and are fed back in two directions, the feedback control system is also complicated.

【0006】本発明者は、このような従来技術の有する
問題を解決し、探針を1つの方向にのみ微振動させるだ
けで、試料表面をトレースする方法。つまり、探針先端
に加わる力がどの方向から作用しているかを検出しなく
ともその力の変化のみの情報を使い、試料表面をトレー
スする方式の走査型プローブ顕微鏡を発明し、平成9年
特許願第363129号として特許出願した(先願発
明)。
The present inventor has solved the problem of the prior art and traced the sample surface by only slightly vibrating the probe in one direction. In other words, we invented a scanning probe microscope that traces the surface of a sample using information on only the change in the force without detecting from which direction the force applied to the tip of the probe is acting. A patent application was filed as Japanese Patent Application No. 363129 (prior application invention).

【0007】この発明は、試料表面からの相互作用力を
受けるプローブと、そのプローブと試料とを相対的に3
次元的に移動させる駆動手段と、プローブをねじれ方向
に励振させる励振手段と、プローブの振動状態を検出す
る検出手段と、検出手段で検出されたプローブの振動状
態が所定のプローブの振動状態となるようにプローブと
試料との相対的な移動方向を決定し、その移動方向に基
づいて駆動手段を制御する制御手段とを有している。
According to the present invention, a probe which receives an interaction force from a sample surface and the probe and the sample are relatively 3
Driving means for moving the probe in a three-dimensional manner, exciting means for exciting the probe in the torsion direction, detecting means for detecting the vibration state of the probe, and the vibration state of the probe detected by the detecting means becomes a predetermined vibration state of the probe. And a control means for determining the relative movement direction between the probe and the sample and controlling the driving means based on the movement direction.

【0008】そして、検出手段で検出されたプローブの
振動状態と、現在の位置に移動する前で検出したプロー
ブの振動状態とで違いが生じた場含、制御手段が、所定
の振動状態になるように、プローブと試料との相対的な
移動方向を決定する。そして、決定された移動方向にプ
ローブと試料とを相対的に移動させるように駆動手段を
制御する。
[0008] The control means is brought into a predetermined vibration state including a case where a difference occurs between the vibration state of the probe detected by the detection means and the vibration state of the probe detected before moving to the current position. Thus, the relative movement direction between the probe and the sample is determined. Then, the driving unit is controlled so as to relatively move the probe and the sample in the determined moving direction.

【0009】しかしながら、この先願発明には、以下の
ような問題点があった。すなわち、プローブで試料表面
をトレースする際、オーバーシュートを繰り返してしま
い、そのオーバーシュート量が小さな値に収束しなくな
る。この様子を図7(a)に示す。図7(a)におい
て、横軸は試料の表面に平行な方向(X軸方向)、縦軸
は、試料の表面に垂直な方向(Z軸方向)を示す。図
は、Z軸の位置に試料の側壁があり、探針部11bの先
端部が、試料側壁から1だけ離れた位置、すなわちX=
−1に沿って走行するように制御しようとしているもの
である。
[0009] However, the prior invention has the following problems. That is, when tracing the sample surface with the probe, overshoot is repeated, and the overshoot amount does not converge to a small value. This situation is shown in FIG. In FIG. 7A, the horizontal axis represents a direction parallel to the sample surface (X-axis direction), and the vertical axis represents a direction perpendicular to the sample surface (Z-axis direction). In the figure, the side wall of the sample is located at the position of the Z axis, and the tip of the probe 11b is located at a position separated from the side wall of the sample by one, that is,
-1 is to be controlled.

【0010】初期条件として、探針部11bが試料の水
平面に沿ってX軸方向に走行しているものとする。すな
わち、探針の出発点は座標(−1,0)の位置で、その
時の探針駆動ベクトルの向きは水平方向に試料の側壁の
向きを向いている。このときから探針部11bは試料側
壁に近づき始めるため、制御動作により、探針駆動ベク
トルは反時計周りに回転させられる。そしておよそ座標
(−1,0.4)の位置で目標値に再び近づき始め、その
後目標値をオーバーシュートし再びその向きを変え始め
る。図7(a)から明らかなように、探針部11bの軌
跡は目標値をオーバーシュートし続け、目標値に収束し
ない。しかし、このトレース方法でも、オーバーシュー
トを繰り返しながらも、プローブは試料表面をトレース
することはできていた。また、このオーバーシュート量
は、プローブの移動方向を決定した位置から、次に新し
い移動方向を決定する位置までの移動距離に比例するた
め、この移動距離を小さくすることにより、実用上は問
題ない程度にまで小さく抑えることができる。しかし、
この移動距離を小さく設定すると、走査速度が遅くなっ
てしまうという問題点が発生する。また、このオーバー
シュートを小さな値に収束させ、走査をより安定させた
いという要求もあった。
As an initial condition, it is assumed that the probe 11b is traveling in the X-axis direction along the horizontal plane of the sample. In other words, the starting point of the probe is at the position of the coordinates (-1, 0), and the direction of the probe drive vector at that time is oriented horizontally to the side wall of the sample. From this time, since the probe 11b starts approaching the sample side wall, the probe drive vector is rotated counterclockwise by the control operation. Then, it starts approaching the target value again at the position of the coordinates (-1, 0.4), and then overshoots the target value and starts changing its direction again. As is clear from FIG. 7A, the trajectory of the probe 11b continues to overshoot the target value and does not converge to the target value. However, even in this tracing method, the probe was able to trace the sample surface while repeating overshoot. Further, since this overshoot amount is proportional to the moving distance from the position where the moving direction of the probe is determined to the position where the next new moving direction is determined, there is no practical problem by reducing this moving distance. It can be suppressed to a small extent. But,
If the moving distance is set to be small, there is a problem that the scanning speed is reduced. There has also been a demand for converging the overshoot to a small value to make scanning more stable.

【0011】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、先願発明に係る走査型プローブ顕微
鏡であって、プローブのオーバーシュートがなく、かつ
試料表面への追従性が良好なものを提供することを課題
とする。
The present invention has been made in order to solve such problems, and is a scanning probe microscope according to the invention of the prior application, which has no overshoot of the probe and has good followability to the sample surface. It is an object to provide a reliable product.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第1の手段は、プローブと、プローブ又は試料を試料
表面と略垂直な第1の方向(Z軸方向)及び試料表面と
略平行な第2の方向(X軸方向)に移動させる駆動部
と、プローブを励振するための励振部材と、プローブの
振動状態を検出する検出手段と、検出手段で検出された
プローブの振動状態が所定の振動状態になるようにプロ
ーブ又は試料の移動方向を変え、移動方向にプローブ又
は試料を移動させるよう駆動部を制御する制御手段とを
備えた走査型プローブ顕微鏡において、制御手段の動作
に、ダンピング要素を加味したことを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡(請求項1)である。
A first means for solving the above-mentioned problems is that a probe and a probe or a sample are placed in a first direction (Z-axis direction) substantially perpendicular to the sample surface and substantially parallel to the sample surface. A driving unit for moving the probe in a suitable second direction (X-axis direction), an excitation member for exciting the probe, detection means for detecting the vibration state of the probe, and a vibration state of the probe detected by the detection means. The scanning direction of the probe or the sample to change the moving direction of the probe or the sample so that the vibration state of the probe or the sample is moved in the moving direction. A scanning probe microscope (Claim 1) characterized by adding elements.

【0013】ここに、ダンピング要素とは、探針駆動ベ
クトルの試料面に垂直な成分の絶対値を小さくするよう
に働く要素のことである。本手段においては、ダンピン
グ要素が付加されているために、探針の試料面に垂直な
方向への移動量が、ダンピング要素が付加されていない
場合より小さくなり、これによりオーバーシュートが防
止できる。ダンピング要素の出力の大きさは、制御ゲイ
ンとは独立に設定できるため、ダンピング要素の付加に
より応答性が大幅に低下しないようにすることができ
る。
Here, the damping element is an element that works to reduce the absolute value of the component of the probe drive vector perpendicular to the sample surface. In this means, since the damping element is added, the amount of movement of the probe in the direction perpendicular to the sample surface is smaller than in the case where the damping element is not added, thereby preventing overshoot. Since the magnitude of the output of the damping element can be set independently of the control gain, it is possible to prevent the response from being significantly reduced by the addition of the damping element.

【0014】前記課題を解決するための第2の手段は、
前記第1の手段であって、制御手段は、検出手段で検出
されたプローブの振動状態と所定の基準振動状態との差
に応じて、一次的にプローブの移動方向角度の変化量を
決定するものであり、ダンピング要素は、検出手段で検
出されたプローブの振動状態と前記所定の基準振動状態
との差に応じて、前記一次的に決定されたプローブ又は
試料の移動方向角度の変化量に加える回転角の絶対値を
決めるものであることを特徴とするもの(請求項2)で
ある。
[0014] A second means for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the first means, the control means determines a change amount of the probe moving direction angle temporarily according to a difference between the vibration state of the probe detected by the detection means and a predetermined reference vibration state. And a damping element, in accordance with the difference between the vibration state of the probe detected by the detection means and the predetermined reference vibration state, to the amount of change in the direction of movement of the probe or sample, which is temporarily determined. The present invention is characterized in that the absolute value of the rotation angle to be added is determined (claim 2).

【0015】本手段においては、先願発明の説明で例と
して述べたように、制御手段は、検出手段で検出された
プローブの振動状態と所定の基準振動状態との差に応じ
て、一次的にプローブ又は試料の移動方向角度の変化量
を決定する(移動量は一定に保たれる)。そして、ダン
ピング要素は、検出手段で検出されたプローブの振動状
態と前記所定の基準振動状態との差に応じて、前記一時
的に決定されたプローブ又は試料の移動方向角度の変化
量に加える回転角の絶対値を決める。よって、検出手段
で検出されたプローブの振動状態と前記所定の基準振動
状態との差と、プローブ又は試料の移動方向を算出する
だけで、最終的な移動方向角度の偏向量を求めることが
でき、効率的に安定な制御を行うことができる。一時的
に決定されたプローブ又は試料の移動方向角度の変化量
に加える回転角の符号は、プローブ又は試料の移動方向
の、試料表面に垂直な方向成分を小さくするように決定
される。
In the present means, as described as an example in the description of the invention of the prior application, the control means performs the primary control in accordance with the difference between the vibration state of the probe detected by the detection means and the predetermined reference vibration state. Next, the amount of change in the moving direction angle of the probe or the sample is determined (the moving amount is kept constant). The damping element is configured to rotate the probe or the sample in the moving direction angle in accordance with a difference between the vibration state of the probe detected by the detection means and the predetermined reference vibration state. Determine the absolute value of the angle. Therefore, only by calculating the difference between the vibration state of the probe detected by the detection means and the predetermined reference vibration state and the moving direction of the probe or the sample, the final deflection amount of the moving direction angle can be obtained. Thus, stable control can be performed efficiently. The sign of the rotation angle to be added to the temporarily determined change amount of the probe or sample movement direction angle is determined so as to reduce the direction component of the probe or sample movement direction perpendicular to the sample surface.

【0016】前記課題を解決するための第3の手段は、
前記第2の手段であって、前記一次的に決定されたプロ
ーブ又は試料の移動方向角度の変化量に加える回転角の
絶対値は、プローブの振動状態と前記所定の基準振動状
態との差が小さくなるに従って大きくなるように決定さ
れることを特徴とするもの(請求項3)である。
A third means for solving the above-mentioned problem is as follows.
In the second means, the absolute value of the rotation angle to be added to the amount of change in the direction of movement of the probe or sample is determined temporarily, the difference between the vibration state of the probe and the predetermined reference vibration state The present invention is characterized in that it is determined so as to increase as the value decreases.

【0017】本手段においては、プローブの振動状態と
前記所定の基準振動状態との差が小さくなるほど、すな
わち、プローブと試料の間隔が目標値に近くなるほどダ
ンピングの大きさが大きくなるので、効率的にプローブ
と試料の相対位置を目標値に近づけることができる。
In this means, as the difference between the vibration state of the probe and the predetermined reference vibration state becomes smaller, that is, as the distance between the probe and the sample becomes closer to the target value, the magnitude of the damping becomes larger. Thus, the relative position between the probe and the sample can be made closer to the target value.

【0018】前記謀題を解決するための第4の手段は、
第2の手段から第3の手段のいずれかであって、制御手
段で決められたプローブの試料に対する移動方向が試料
表面から遠ざかる方向となる場合には、ダンビング要素
は、前記移動方向の回転角を増大させることを特徴とす
るもの(請求項4)である。
A fourth means for solving the above-mentioned problem is as follows:
In any one of the second means to the third means, when the moving direction of the probe with respect to the sample determined by the control means is a direction away from the sample surface, the damping element has a rotation angle in the moving direction. Is increased (claim 4).

【0019】本手段においては、試料に対するプローブ
の移動方向が試料表面から遠ざかる方向である場合、更
にプローブの移動方向を変化を増大させることで、早め
にプローブを所定の振動状態にさせることができる。
In this means, when the moving direction of the probe with respect to the sample is a direction moving away from the sample surface, the probe can be brought into a predetermined vibration state earlier by further increasing the change in the moving direction of the probe. .

【0020】また、前記課題を解決するための第5の手
段は、第2の手段から第4の手段のうちいずれかの手段
であって、制御手段で決められたプローブの試料に対す
る移動方向が試料表面に近づく方向となる場合には、ダ
ンビング要素は、前記移動方向角度の変化量を低減させ
ることを特徴とするもの(請求項5)である。
A fifth means for solving the above-mentioned problems is any one of the second means to the fourth means, wherein the moving direction of the probe with respect to the sample determined by the control means is different from the second means. In the case of the direction approaching the sample surface, the damping element reduces the amount of change in the moving direction angle (claim 5).

【0021】本手段においては、制御手段で決められた
プローブの試料に対する移動方向が試料表面に近づく方
向となる場合には、プローブの移動方向の変化を低減さ
せることで、早めにプローブを所定の振動状態にさせる
ことができる。
In the present means, when the moving direction of the probe with respect to the sample determined by the control means becomes a direction approaching the sample surface, the change in the moving direction of the probe is reduced, so that the probe is quickly moved to a predetermined position. It can be made to vibrate.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施
の形態の1例である走査型プローブ顕微鏡の概要図であ
る。プローブ11は支持体12に支持されており、その
支持体12は、クリップ13により、クリップ13と対
向する面に設けられた2つの振動子14,14’(1
4’は図示していない)に押し当てられて支持され、ク
リップ13は、Z方向用圧電駆動部材15の自由端側に
保持されている。Z方向用圧電駆動部材15の他端は、
ブロック16に固定されている。ブロック16は、X方
向用圧電駆動部材17、Y方向用圧電駆動部材18の一
端によって支持され、X方向用圧電駆動部材17、Y方
向用圧電駆動部材18の他端は、それぞれフレーム19
に固定されていて、このフレーム19は3つのマイクロ
メータ20により支えられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a scanning probe microscope which is an example of an embodiment of the present invention. The probe 11 is supported by a support 12, and the support 12 is supported by a clip 13 on two vibrators 14 and 14 ′ (1) provided on a surface facing the clip 13.
4 ′ is not shown), and the clip 13 is held on the free end side of the Z-direction piezoelectric drive member 15. The other end of the Z-direction piezoelectric drive member 15 is
It is fixed to the block 16. The block 16 is supported by one ends of the X-direction piezoelectric driving member 17 and the Y-direction piezoelectric driving member 18, and the other ends of the X-direction piezoelectric driving member 17 and the Y-direction piezoelectric driving member 18 are respectively connected to a frame 19.
, The frame 19 is supported by three micrometers 20.

【0023】この走査型プローブ顕微鏡は、プローブ1
1の変位を光てこ法で検出する。そのために、ブロック
16に固定された発光部材である半導体レーザー21
と、プローブ11からの反射光の光スポットの位置を検
出する4分割フォトディテクター22が設けられてお
り、かつプローブ11の支持体12に、アームを介して
固定されたミラー23を備えている。プローブ11への
入射光、及びプローブ11からの反射光は、一旦、ミラ
ー23で反射される。
This scanning probe microscope has a probe 1
The displacement of 1 is detected by the optical lever method. Therefore, the semiconductor laser 21 which is a light emitting member fixed to the block 16 is used.
And a four-divided photodetector 22 for detecting the position of the light spot of the reflected light from the probe 11, and a mirror 23 fixed to the support 12 of the probe 11 via an arm. Light incident on the probe 11 and reflected light from the probe 11 are once reflected by the mirror 23.

【0024】また、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、前述した各要素の他に、信号処理回路24、
ロックインアンプ25、A/D変換器26、発振回路2
7、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)28、パー
ソナルコンピュータ(PC)29、CRT等の表示装置
30、D/A変換器31,32,33、駆動回路34を
備えている。
The scanning probe microscope according to the present embodiment has a signal processing circuit 24,
Lock-in amplifier 25, A / D converter 26, oscillation circuit 2
7, a digital signal processor (DSP) 28, a personal computer (PC) 29, a display device 30 such as a CRT, D / A converters 31, 32, 33, and a drive circuit 34.

【0025】発振回路27は、DSP28の制御下にお
いて、プローブ11のねじれ振動の共振周波数に近い周
波数の励振信号(正弦波信号)を振動子14,14’に
与えると共に、当該励振信号を参照信号としてロックイ
ンアンプ25に与える。ロックインアンプ25は、発振
回路27から振動子14,14’に与えられた励振信号
の周波数と同じ周波数成分の振幅に比例したレベルの信
号を出力する。この信号は、A/D変換器26によりA
/D変換されてDSP28に供給される。
Under the control of the DSP 28, the oscillating circuit 27 supplies an excitation signal (sine wave signal) having a frequency close to the resonance frequency of the torsional vibration of the probe 11 to the vibrators 14, 14 ', and transmits the excitation signal to a reference signal. To the lock-in amplifier 25. The lock-in amplifier 25 outputs a signal having a level proportional to the amplitude of the same frequency component as the frequency of the excitation signal given to the oscillators 14 and 14 ′ from the oscillation circuit 27. This signal is converted by the A / D converter 26 into A
/ D converted and supplied to the DSP 28.

【0026】DSP28は、基本的には、発振回路27
を介して振動子14,14’の動作を制御し、また、A
/D変換器26からの振動の振幅の検出値に基づいて、
D/A変換器31、32、33及び駆動回路34を介し
てX、Y、Z方向用圧電駆動部材15、17、18にそ
れぞれ駆動信号を与え、プローブ11の試料表面に対す
る相対的な移動を制御する。DSP28は、この際に得
られた試料表面の形状を示すデータ(本実施の形態で
は、後述する順次得られた探針駆動ベクトル)をDSP
28内のメモリ(図示せず)に記憶する。DSP28の
前記メモリ内の前記データは、パーソナルコンピュータ
29に取り込まれ、表示装置30に画像表示される。
The DSP 28 basically includes an oscillation circuit 27
Control the operation of the vibrators 14 and 14 ′ through
Based on the detected value of the amplitude of the vibration from the / D converter 26,
A drive signal is given to each of the X, Y, and Z-direction piezoelectric drive members 15, 17, and 18 via the D / A converters 31, 32, and 33 and the drive circuit 34, and the relative movement of the probe 11 with respect to the sample surface is controlled. Control. The DSP 28 converts the data indicating the shape of the sample surface obtained at this time (in this embodiment, a sequentially obtained probe drive vector described later) into the DSP 28.
28 is stored in a memory (not shown). The data in the memory of the DSP 28 is taken into the personal computer 29 and displayed on the display device 30 as an image.

【0027】図2に、プローブ11とその加振部の詳細
図を示す。振動子14,14’とボール35は、クリッ
プ13の内側に固着されている。そして、プローブ11
の支持体12は、クリップ13の弾性力により挟持さ
れ、振動子14,14’及びボール16に押しつけられ
ている。すなわち、支持体12は、振動子14,14’
及びボール16との接触点により3点支持された構造と
なっている。
FIG. 2 shows a detailed view of the probe 11 and its vibrating section. The vibrators 14 and 14 ′ and the ball 35 are fixed inside the clip 13. And the probe 11
Is held by the elastic force of the clip 13 and pressed against the vibrators 14 and 14 ′ and the ball 16. That is, the support 12 is provided with the vibrators 14, 14 '.
And three points of contact with the ball 16.

【0028】振動子14,14’は、図の水平方向に交
互に伸縮する。すなわち、振動子14が伸びたとき振動
子14’は縮み、振動子14が縮んだとき振動子14’
は伸びる。これにより、支持体12は、ボール35との
接触点を中心としてねじり振動を受け、これがプローブ
11に伝達される。
The vibrators 14, 14 'expand and contract alternately in the horizontal direction in the figure. That is, when the vibrator 14 expands, the vibrator 14 'contracts, and when the vibrator 14 contracts, the vibrator 14'
Grows. As a result, the support 12 receives torsional vibration about the point of contact with the ball 35, and this is transmitted to the probe 11.

【0029】そして、プローブ11は、共振周波数とほ
ぼ同じ周波数で加振を受けるとねじれ共振の状態にな
り、軸11dを中心に周期的に左右に回転する。また、
プローブ11がねじれ共振にある状態で、探針部11b
の先端が、試料等からの相互作用による力を慣性モーメ
ントが急激に増大する。慣性モーメントが増大すると、
ねじれ方向の共振周波数が低くなるため、プローブ11
自体のねじれ共振状態から外れ、ミラー部11aが軸1
1dを中心に振られる角度範囲は小さくなる。なお、以
降、ミラー部11aの振られる角度量をねじれ方向の振
幅という。
When the probe 11 is excited at a frequency substantially equal to the resonance frequency, the probe 11 is in a torsional resonance state, and periodically rotates left and right about the axis 11d. Also,
When the probe 11 is in torsional resonance, the probe 11b
Causes the moment of inertia to increase sharply due to the interaction force from the sample or the like. When the moment of inertia increases,
Since the resonance frequency in the torsional direction is low, the probe 11
The mirror part 11a deviates from its own torsional resonance state,
The angle range swung around 1d becomes smaller. Hereinafter, the amount of angle of the mirror 11a to be swung is referred to as the amplitude in the torsion direction.

【0030】図3は本願発明の実施の形態である走査型
プローブ顕微鏡におけるプローブ11のねじれ方向の振
幅の大きさの状態とプローブの動きを模式的に表した図
である。プローブ11のねじれ方向の振幅の大きさは、
矢印の長さに応じて大きいことを意味している。この走
査型プローブ顕微鏡は、ねじれ方向の振幅に応じてフィ
ードバック制御を行い、試料の凸部42の形状に従って
プローブ11を移動する。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the state of the magnitude of the amplitude in the torsional direction of the probe 11 and the movement of the probe in the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention. The magnitude of the amplitude in the torsional direction of the probe 11 is
It means that it is large according to the length of the arrow. This scanning probe microscope performs feedback control according to the amplitude in the torsional direction, and moves the probe 11 according to the shape of the convex portion 42 of the sample.

【0031】このフィードバック制御は、図6に示すフ
ローチャートに従って、次のとおり行われる。なお、探
針駆動ベクトルというのは、1制御時間単位(S3〜S
6のステップを行う時間)に探針が動く量Vを示すベク
トルで、V(VX,VZ)で示される2次元ベクトルであ
る。
This feedback control is performed as follows in accordance with the flowchart shown in FIG. Note that the probe drive vector is one control time unit (S3 to S
A vector indicating the amount V of movement of the probe at the time of performing step 6), and is a two-dimensional vector indicated by V (V X , V Z ).

【0032】まず最初に、ステップS1として、試料の
水平部41から遠い位置でプローブ11にねじれ共振を
起こさせる。そして、ステップS2として、予め決めて
おいたねじれ方向の振幅になるまで、プローブ11の探
針部11b試料の水平部41に近接させる。このように
して、試料表面にプローブ11の近接が終了した時のプ
ローブ11のねじれ方向の振幅の大きさが、図3中の測
定開始時刻t=0が記載された位置にある矢印44の長
さで示されている。なお、この時刻t=0におけるプロ
ーブ11のねじれ方向の振幅の大きさを目標値として扱
う。
First, as step S1, torsional resonance is caused in the probe 11 at a position far from the horizontal portion 41 of the sample. Then, as step S2, the probe 11b of the probe 11 is brought close to the horizontal portion 41 of the sample until the amplitude in the torsional direction is determined in advance. In this manner, the magnitude of the amplitude of the probe 11 in the torsional direction when the approach of the probe 11 to the sample surface is completed is determined by the length of the arrow 44 at the position where the measurement start time t = 0 in FIG. Is indicated by The magnitude of the amplitude of the probe 11 in the torsional direction at the time t = 0 is treated as a target value.

【0033】そして、ステップS3として、最初は、予
め決まった探針移動ベクトル45でプローブ11を移動
させる。移動後の時刻t=1において、ステップS4と
して、目標値と現時点での振幅の大きさの偏差を算出
し、ステップS5として探針駆動ベルトルを決定する演
算処理を行う。しかし、この場合、プローブ11のねじ
れ振幅は時点t=0のときと変らないため、振幅の目標
値からの差はない。したがって前記ステップS4、S5
により求められた新たな探針駆動ベクトルは前記探針駆
動ベクトル45と同じになる。
Then, in step S3, the probe 11 is first moved at a predetermined probe movement vector 45. At time t = 1 after the movement, a deviation between the target value and the magnitude of the current amplitude is calculated as a step S4, and an arithmetic processing for determining the probe drive belt is performed as a step S5. However, in this case, since the torsional amplitude of the probe 11 is not different from that at the time point t = 0, there is no difference from the target value of the amplitude. Therefore, steps S4, S5
The new probe drive vector obtained by the above becomes the same as the probe drive vector 45.

【0034】そして、この探針駆動ベクトル45が新た
な探針駆動ベクトルとして前記ステップS6によりDS
P26内のメモリに記憶される。その後は、前記ステッ
プS3に戻り、再び探針駆動ベクトル56の指示する地
点に探針部11bを駆動する。
Then, the probe drive vector 45 is used as a new probe drive vector in step S6 to obtain DS.
It is stored in the memory in P26. Thereafter, the process returns to the step S3, and the probe 11b is driven to the point indicated by the probe drive vector 56 again.

【0035】そして、更に移動後の時刻時刻t=2にな
ると、プローブ11が試料の凸部42に近づくため、探
針部11bと試料の距離が短くなる。したがって、試料
側壁と探針部11bとの相互作用(例えば、この場合
は、ファンデルワールス力による作用)が働き、プロー
ブ11のねじれ方向の振幅が減少する。そして、先に説
明したとおり、ステップS4において、そのときのねじ
れ方向の振幅が目標値とどれだけ変化しているかが求め
られる。なお、目標振幅値ASと各時点におけるねじれ
方向の振幅Aとの偏差をΔA(A−AS)とすると、先
に説明したとおり、ステップS5においては、例えば下
記の式により、探針駆動ベクトルを回転させる方向を決
定する。 θ1=−Tan-1(G・ΔA) …(4)
When the time t = 2 after the movement, the probe 11 approaches the convex portion 42 of the sample, so that the distance between the probe 11b and the sample becomes shorter. Therefore, an interaction between the sample side wall and the probe portion 11b (for example, in this case, an effect by Van der Waals force) acts, and the amplitude of the probe 11 in the torsional direction decreases. Then, as described above, in step S4, it is determined how much the amplitude in the torsional direction at that time has changed from the target value. Incidentally, when the deviation between the twist direction of the amplitude A at each time point and the target amplitude value A S and .DELTA.A (A-A S), as described above, in step S5, for example, by the following equation, the probe-driving Determine the direction in which to rotate the vector. θ 1 = −Tan −1 (G · ΔA) (4)

【0036】ここでθ1は次のステップでの探針駆動ベ
クトルの向きを変える角度、Gはゲインである。次の時
刻t=3での探針駆動ベクトル56は、現時刻t=2の
探針駆動ベクトルを前記(4)式で求めたθ1だけ回転
させることにより求める。先願発明においては、現時点
t=nにおける探針駆動ベクトルをVn(VXn,VYn
とし、次の時点t=n+1における探針駆動ベクトルを
n+1(VX(n+1),VY (n+1))とすると、Vn+1は、次式
のθにθ1を代入して求められる。
Here, θ 1 is an angle for changing the direction of the probe drive vector in the next step, and G is a gain. The probe drive vector 56 at the next time t = 3 is obtained by rotating the probe drive vector at the current time t = 2 by θ 1 obtained by the above equation (4). In the invention of the prior application, the probe driving vector at the time t = n is represented by V n (V Xn , V Yn ).
Assuming that the probe driving vector at the next time point t = n + 1 is V n + 1 (V X (n + 1) , V Y (n + 1) ), V n + 1 becomes θ in the following equation. It can be obtained by substituting 1 .

【0037】[0037]

【数1】 (Equation 1)

【0038】このようにして求めた探針駆動ベクトル4
5は、時点t=nで求められた探針駆動ベクトル45に
対して当該サーボ角θだけ回転したものとなる。
The probe drive vector 4 thus obtained
5 is obtained by rotating the probe drive vector 45 obtained at the time t = n by the servo angle θ.

【0039】しかし、これだけの制御では、先にも説明
したように、プローブの移動がオーバーシュートを繰り
返してしまう。そのため、本発明においては、プローブ
の移動方向の決定時にダンピング動作を加えるようにし
ている。これについての実施の形態の例を以下に説明す
る。
However, with such a control, as described above, the movement of the probe repeatedly overshoots. Therefore, in the present invention, a damping operation is added when the moving direction of the probe is determined. An example of this embodiment will be described below.

【0040】図4(a)は、この制御方法における試料
表面トレース方式(角度サーボ)を4つのフェイズに分
けて考察したものである。図は、垂直な試料表面を、探
針部先端がトレースしている状態を示したものであり、
設定値とされた矢印は、探針先端部が移動すべき設定軌
跡(図7におけるX=−1の線)を示す。図においてフ
ェーズIとフェーズIIは、探針先端部が試料表面に近づ
きすぎている場合を示し、プローブの振幅が目標値より
小さかったり、振動の位相遅れが目標値より大きかった
りする場合である。フェーズIIIとフェーズIVは、これ
と逆に、探針先端部が試料表面から離れすぎている場合
を示し、プローブの振幅が目標値より大きかったり、振
動の位相遅れが目標値より小さかったりする場合であ
る。
FIG. 4A is a diagram in which the sample surface tracing method (angle servo) in this control method is considered in four phases. The figure shows a state where the tip of the probe traces the vertical sample surface,
The set value arrow indicates a set locus (X = -1 line in FIG. 7) to which the tip of the probe should move. In the figure, phase I and phase II show the case where the tip of the probe is too close to the sample surface, and the case where the amplitude of the probe is smaller than the target value or the phase delay of vibration is larger than the target value. Conversely, phase III and phase IV indicate cases where the tip of the probe is too far from the sample surface, where the probe amplitude is larger than the target value or the phase delay of vibration is smaller than the target value. It is.

【0041】また、フェーズIとフェーズIVは、探針駆
動ベクトルが試料表面方向を向いている場合、すなわち
探針が試料表面に近づきつつある場合、フェーズIIとフ
ェーズIIIは、探針駆動ベクトルが試料表面方向と逆方
向を向いている場合、すなわち探針が試料表面から遠ざ
かりつつある場合である。
In phase I and phase IV, when the probe drive vector is directed toward the sample surface, that is, when the probe is approaching the sample surface, the phase II and phase III indicate that the probe drive vector is This is the case where the probe faces in the opposite direction to the sample surface direction, that is, the case where the probe is moving away from the sample surface.

【0042】図4(b)には、前記4つのフェイズのそ
れぞれにおいて、プローブ移動方向が角度サーボにより
変化させられる方向と、プローブの移動方向が、プロー
ブのオーバーシュートの繰り返しを防ぐために角度サー
ボに加えられるダンピング要素により、変化させられる
方向を示してある。フェイズI、IIにおいては、角度サ
ーボの方向は反時計回りである。すなわち、探針駆動ベ
クトルを反時計回りに回転させるような制御が行われ
る。フェイズIII、IVにおいては、角度サーボの方向は
時計回りである。すなわち、探針駆動ベクトルを時計回
りに回転させるような制御が行われる。
FIG. 4B shows that, in each of the four phases, the direction in which the probe movement direction is changed by the angle servo and the direction in which the probe moves are changed to the angle servo in order to prevent repetitive overshoot of the probe. The direction which is changed by the added damping element is shown. In phases I and II, the direction of the angle servo is counterclockwise. That is, control is performed to rotate the probe drive vector counterclockwise. In phases III and IV, the direction of the angle servo is clockwise. That is, control is performed to rotate the probe drive vector clockwise.

【0043】これに対し、ダンピング要素は、フェーズ
IとフェーズIVにおいては、探針駆動ベクトルを反時計
回りに回転させるように、フェーズIIとフェーズIIIに
おいては、探針駆動ベクトルを時計回りに回転させるよ
うに付加される。しかも、このダンピング要素の大きさ
は目標値に近い領域において大きな値を取ると、より効
果的である。
On the other hand, the damping element rotates the probe drive vector clockwise in phases II and III so that the probe drive vector rotates counterclockwise in phase I and phase IV. It is added to make it. Moreover, it is more effective if the size of the damping element takes a large value in a region close to the target value.

【0044】本実施の形態においては、前述のステップ
S5において、このようなダンピング要素の大きさを決
定し、これを加味して探針駆動ベクトルを決定するが、
角度サーボによる探針駆動ベクトルの回転量とダンピン
グ要素の大きさの決定方法の例を図5により説明する。
図5において、横軸は、プローブの振幅Aと振幅の設定
値ASの差ΔA=A−ASを示し、縦軸は角度サーボによ
る探針駆動ベクトルの回転量θ1、ダンピング要素によ
る探針駆動ベクトルの回転量θdを示す。
In the present embodiment, in step S5 described above, the size of such a damping element is determined, and the probe drive vector is determined taking this into account.
An example of a method of determining the rotation amount of the probe drive vector and the size of the damping element by the angle servo will be described with reference to FIG.
5, the horizontal axis represents the difference .DELTA.A = A-A S of amplitude A and the amplitude of the set value A S of the probe, the vertical axis rotation amount theta 1 of the probe drive vector by the angle servo probe by the damping element indicating the amount of rotation theta d of the needle drive vector.

【0045】図5においては、角度サーボによる探針駆
動ベクトルの回転量θ1は、前記(4)式により決定さ
れるものとし、ゲインGが1としたものを示している。
が用いられる(前提としているプローブの動きは、試料
面を移動方向の右側に見て移動するものである。)。
In FIG. 5, the rotation amount θ 1 of the probe drive vector by the angle servo is determined by the above equation (4), and the gain G is set to 1.
(The presumed movement of the probe is to move the sample surface when looking to the right in the moving direction.)

【0046】また、ダンピング要素による探針駆動ベク
トルの回転量θdとして、 θd=±Tan-11/ΔA …(6) が用いられている。ただし、符号は、フェーズI、IVに
おいては+、フェーズII、IIIにおいては−である。
Further, as the rotation amount θ d of the probe driving vector due to the damping element, θ d = ± Tan −1 1 / ΔA (6) is used. However, the sign is + in phases I and IV, and-in phases II and III.

【0047】なお、符号は、プローブの振幅が設定値か
ら離れて行く方向に探針駆動ベクトルが設定されている
場合には、角度サーボによる探針駆動ベクトルの回転量
θ1と同符号になるように設定され、それ以外は異符号
になるように設定される。このようにすることで、角度
サーボで決められたプローブの移動方向が試料表面から
遠ざかる方向となる場合には、ダンビング要素は前記移
動方向の回転角を増大させ、また、角度サーボで決めら
れたプローブの移動方向が試料表面に近づく方向となる
場含には、ダンビング要素は、前記移動方向角度の変化
量を低減させるように働く。したがって、プローブの振
幅がより早く設定値になるような、プローブと試料表面
間の距離を保ちながら、プローブを走査することができ
る。
When the probe drive vector is set in a direction in which the probe amplitude moves away from the set value, the sign is the same as the rotation amount θ 1 of the probe drive vector by the angle servo. Are set so as to be different from each other. In this way, when the moving direction of the probe determined by the angle servo is a direction away from the sample surface, the damping element increases the rotation angle in the moving direction, and is determined by the angle servo. When the moving direction of the probe is a direction approaching the sample surface, the damping element functions to reduce the amount of change in the moving direction angle. Therefore, the probe can be scanned while maintaining the distance between the probe and the sample surface such that the amplitude of the probe becomes the set value earlier.

【0048】フェーズI、IIにおいては、角度サーボに
よる探針駆動ベクトルの回転量θ1は、プラスとなり、
探針駆動ベクトルは反時計回りに回転させられる。フェ
ーズIII、IVにおいては、角度サーボによる探針駆動ベ
クトルの回転量θ1は、マイナスとなり、探針駆動ベク
トルは時計回りに回転させられる。いずれの場合も、Δ
Aの絶対値が大きくなるほどθ1の絶対値も増え、偏差
の増加に応じて探針駆動ベクトルの修正量も増加する。
しかし、探針駆動ベクトルの回転量θ1の絶対値は90
゜を超えることがないので、探針が後戻りすることがな
い。
In the phases I and II, the rotation amount θ 1 of the probe drive vector by the angle servo becomes plus,
The probe drive vector is rotated counterclockwise. Phase III, in the IV, the rotation amount theta 1 of the probe drive vector by the angle servo becomes negative, the probe drive vector is rotated clockwise. In each case, Δ
As the absolute value of A increases, the absolute value of θ 1 also increases, and the correction amount of the probe drive vector increases as the deviation increases.
However, the absolute value of the rotation amount θ 1 of the probe drive vector is 90
The probe does not go back because it does not exceed 戻 り.

【0049】(6)式におけるダンピング要素による探
針駆動ベクトルの回転量θdの符号は、フェーズI、IV
においてプラスとなり、探針駆動ベクトルは反時計回り
に回転させられる。また、フェーズII、IIIにおいてマ
イナスとなり、探針駆動ベクトルは時計回りに回転させ
られる。
In the equation (6), the sign of the rotation amount θ d of the probe driving vector by the damping element is the phase I, IV
And the probe drive vector is rotated counterclockwise. Further, the phase becomes negative in phases II and III, and the probe drive vector is rotated clockwise.

【0050】最終的な探針駆動ベクトルの回転量は、 θ=θ1+k・θd …(7) で与えられる。ここにkはゲインである。(7)式で与
えられたθを(5)式に代入することで、新たな探針駆
動ベクトルが決定される。また、(6)〜(7)式によ
ると、角度サーボによって決定された探針移動ベクトル
の回転量θは、フェーズIとフェーズIIIにおいては強
められ、フェーズIIとフェーズIVにおいては弱められて
いることが分かる。この関係を図4(b)に示す。
The final rotation amount of the probe drive vector is given by θ = θ 1 + k · θ d (7) Here, k is a gain. By substituting θ given by equation (7) into equation (5), a new probe drive vector is determined. According to the equations (6) and (7), the rotation amount θ of the probe movement vector determined by the angle servo is increased in the phases I and III, and is decreased in the phases II and IV. You can see that. This relationship is shown in FIG.

【0051】このような関数によりダンピングを与えた
場合の角度サーボの軌跡をシミュレーションした結果を
図7(b)に示す。図7(a)と比べ、明らかにサーボ
の安定性が向上している。
FIG. 7B shows the result of simulating the trajectory of the angle servo when damping is given by such a function. Compared with FIG. 7A, the stability of the servo is clearly improved.

【0052】なお、本走査型プローブ顕微鏡では、試料
表面の画像を出力するために、探針駆動ベクトルの回転
量θ1が求められた位置毎に、探針駆動ベクトルを記憶
している。そして、画像表示を行うときに、これら記憶
された探針駆動ベクトルをPC29に読み出して画像処
理を行う。その処理の結果が、表示装置30に表示され
る。
In this scanning probe microscope, in order to output an image of the sample surface, the probe drive vector is stored for each position where the rotation amount θ 1 of the probe drive vector is obtained. Then, when displaying an image, the stored probe drive vector is read out to the PC 29 to perform image processing. The result of the processing is displayed on the display device 30.

【0053】以上説明したように、本実施の形態では、
従来の走査型プローブ顕微鏡と異なり、試料と探針部1
1bとの間の相互作用の変化を試料表面と垂直な縦方向
(Z方向)にのみフィードバックするのではなく、XZ
平面と平行な面内における探針部11bの移動方向にフ
ィードバックしている。このため、試料表面の凸部又は
凹部の急峻な側壁においてもデータ数を多くすることが
できるとともに、急峻な側壁に対し探針部11bがそれ
を乗り越える場合であっても探針部11bのフィードバ
ック制御を安定させることができて、探針部11bが試
料表面を正確にトレースできることとなる。したがっ
て、試料表面の凸部又は凹部の側面等に関しても、高精
度な測定を行うことができる。
As described above, in the present embodiment,
Unlike the conventional scanning probe microscope, the sample and the probe 1
In addition to feeding back the change in the interaction with the sample 1b only in the vertical direction (Z direction) perpendicular to the sample surface, XZ
Feedback is provided in the direction of movement of the probe 11b in a plane parallel to the plane. Therefore, the number of data can be increased even on the steep side wall of the convex portion or the concave portion of the sample surface, and the feedback of the probe portion 11b even when the probe portion 11b gets over the steep side wall. Control can be stabilized, and the probe 11b can accurately trace the sample surface. Therefore, high-precision measurement can be performed on the side surface of the convex portion or the concave portion on the sample surface.

【0054】また、前記実施の形態では、ダンピングを
統一した扱いをするために全てのフェーズにおいてダン
ピングを与えたが、ダンピングをフェイズII、フェイズ
IVのみに与えても良い。ダンピングの関数は、いろいろ
なものが使用できるが、本実施の形態のように、目標値
と実際値の変化が小さいとき大きな値を取る関数を用い
ることが好ましい。
In the above-described embodiment, damping is given in all phases in order to treat dumping in a unified manner.
You may give only to IV. Although various functions can be used for the damping function, it is preferable to use a function that takes a large value when the change between the target value and the actual value is small as in this embodiment.

【0055】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもので
はない。例えば、アークタンジェントにより角度の補正
量θを求めると、θが±90゜以下となり、探針が逆戻
りしないという利点があるが、観察対象の表面が非常に
急峻な凹凸をもつ場合、補正量θを±180゜にまで広
げた方がより試料表面を正確にトレースできる場合、前
記アークタンジェントを使って求めたθに所定数、この
場合1から2の数を掛けると、得られる補正量θは±1
80゜以内となる。さらに、前述したゲインG、G
dは、単純に偏差に係数を掛ける比例制御であったが、
ここに周波数成分を考慮した微分項や積分項を付け足し
て、PID制御等としてもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. For example, when the correction amount θ of the angle is obtained by the arc tangent, the angle θ becomes ± 90 ° or less, and there is an advantage that the probe does not return. However, when the surface of the observation target has very sharp irregularities, the correction amount θ If the specimen surface can be traced more accurately by extending the angle to ± 180 °, the obtained correction amount θ can be obtained by multiplying θ obtained by using the arc tangent by a predetermined number, in this case, a number from 1 to 2. ± 1
It is within 80 degrees. Further, the gains G, G
d is a proportional control that simply multiplies the deviation by a coefficient,
Here, a PID control or the like may be performed by adding a differential term or an integral term in consideration of a frequency component.

【0056】また、前述した実施の形態ではアークタン
ジェントを使って補正量θを求めたが、偏差にある値を
掛けた値をそのまま補正量θとしてもよい。この場合、
アークタンジェントを計算する時間が必要なくなり、よ
り高速に探針にフィードバックをかけることができる。
ただし、偏差が大きいと、補正量θが90゜以上とな
り、探針が逆戻りしてしまったり、180゜以上とな
り、フィードバックが意味を成さなくなってしまう場合
が起こり得る。この場合、補正量に上下限値を設け、補
正量がその範囲に収まるようにするとよい。
In the above-described embodiment, the correction amount θ is obtained using the arc tangent. However, a value obtained by multiplying the deviation by a certain value may be used as the correction amount θ. in this case,
The time for calculating the arc tangent is not required, and the tip can be fed back faster.
However, if the deviation is large, the correction amount θ becomes 90 ° or more, and the probe may return or become 180 ° or more, and the feedback may not be meaningful. In this case, upper and lower limit values may be provided for the correction amount so that the correction amount falls within the range.

【0057】また、この実施の形態では、プローブの振
動状態を表す量としてプローブの振幅を用いているが、
検出手段で検出されたプローブ振動の位相と励振部材の
振動の位相の位相差を用いてもよい。その場合も、制御
方式は、上述の実施の形態で示したものとほとんど同じ
方式のものを使用することができる。
Further, in this embodiment, the amplitude of the probe is used as a quantity representing the vibration state of the probe.
A phase difference between the phase of the probe vibration detected by the detection means and the phase of the vibration of the excitation member may be used. Also in this case, a control method that is almost the same as that described in the above embodiment can be used.

【0058】以上の説明においては、プローブを移動さ
せる方式の走査型プローブ顕微鏡を例として説明した
が、試料を移動させる方式の走査型プローブ顕微鏡にお
いても、同様の方式をとることができ、当業者は、以上
説明された事項を試料移動型の走査型プローブ顕微鏡に
応用するのにどのような変形を行えばよいかを極めて容
易に理解することができるものである。
In the above description, the scanning probe microscope in which the probe is moved has been described as an example. However, the same method can be applied to the scanning probe microscope in which the sample is moved. Can very easily understand what modifications should be made to apply the items described above to a sample moving scanning probe microscope.

【0059】なお、前述した実施の形態は本発明を原子
間力顕微鏡に適用した例であったが、本発明は、走査型
電気容量顕微鏡、走査型静電気力顕微鏡、走査型磁気力
顕微鏡及び走査型トンネル顕微鏡などの他の種々の走査
型プローブ顕微鏡用についても適用することができる。
Although the above-described embodiment is an example in which the present invention is applied to an atomic force microscope, the present invention relates to a scanning capacitance microscope, a scanning electrostatic force microscope, a scanning magnetic force microscope, and a scanning magnetic force microscope. The present invention can also be applied to various other types of scanning probe microscopes such as a tunneling microscope.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち、請
求項1に係る発明によれば、ダンピング要素が付加され
ているために、探針の試料面に垂直な方向への移動量
が、ダンピング要素が付加されていない場合より小さく
なり、これによりオーバーシュートが防止できる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, since the damping element is added, the amount of movement of the probe in the direction perpendicular to the sample surface is reduced. , It is smaller than when no damping element is added, thereby preventing overshoot.

【0061】請求項2に係る発明によれば、検出手段で
検出されたプローブの振動状態と前記所定の基準振動状
態との差と、プローブの移動方向を算出するだけで、最
終的な移動方向角度の変更量を求めることができ、効率
的に安定な制御を行うことができる。
According to the second aspect of the present invention, only by calculating the difference between the vibration state of the probe detected by the detecting means and the predetermined reference vibration state and the moving direction of the probe, the final moving direction can be calculated. The change amount of the angle can be obtained, and stable control can be performed efficiently.

【0062】請求項3に係る発明によれば、プローブの
位置が目標値に近くなるほどダンピングの大きさが大き
くなるので、効率的にプローブ位置を目標値に近づける
ことができる。
According to the third aspect of the present invention, since the magnitude of the damping increases as the position of the probe approaches the target value, the probe position can be efficiently brought closer to the target value.

【0063】請求項4に係る発明においては、試料に対
するプローブの移動方向が試料表面から遠ざかる方向で
ある場合、更にプローブの移動方向を変化を増大させる
ことで、早めにプローブを所定の振動状態にさせること
かできる。
In the invention according to claim 4, when the moving direction of the probe with respect to the sample is a direction moving away from the surface of the sample, the change in the moving direction of the probe is further increased so that the probe is quickly brought into a predetermined vibration state. Can be done.

【0064】請求項5に係る発明においては、制御手段
で決められたプローブの試料に対する移動方向が試料表
面に近づく方向となる場合には、プローブの移動方向の
変化を低減させることで、早めにプローブを所定の振動
状態にさせることができる。
In the invention according to claim 5, when the moving direction of the probe with respect to the sample determined by the control means is a direction approaching the sample surface, the change in the moving direction of the probe is reduced, so that the probe is moved earlier. The probe can be brought into a predetermined vibration state.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態の一例である走査型プロー
ブ顕微鏡の構成を示す概要図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a scanning probe microscope as an example of an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す走査型プローブ顕微鏡におけるプロ
ーブと加振部の詳細構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of a probe and a vibration unit in the scanning probe microscope shown in FIG.

【図3】本願発明の実施の形態である走査型プローブ顕
微鏡におけるプローブのねじれ方向の振幅の大きさの状
態とプローブの動きを模式的に表した図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the state of the magnitude of the amplitude of the probe in the torsional direction and the movement of the probe in the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention.

【図4】探針が試料表面をトレースする状態のフェーズ
と、各フェーズにおける角度サーボ及びダンピングの出
力方向を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing phases in which a probe traces a sample surface, and output directions of angular servo and damping in each phase.

【図5】角度サーボ出力と、ダンピング量の計算結果の
例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an angle servo output and a calculation result of a damping amount.

【図6】先願発明と本願発明の実施の形態である走査型
プローブ顕微鏡におけるデジタルシグナルプロセッサ
(DSP)の制御動作を示す概略フローチャートであ
る。
FIG. 6 is a schematic flowchart showing a control operation of a digital signal processor (DSP) in the scanning probe microscope according to the embodiments of the present invention.

【図7】先願発明と本願発明におけるプローブの制御状
態のシミュレーション結果の例を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing an example of a simulation result of a control state of a probe according to the invention of the prior application and the invention of the present application.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…プローブ、12…支持体、13…クリップ、1
4,14’…振動子、15…Z方向用圧電駆動部材、1
6…ブロック、17…X方向用圧電駆動部材、18…Y
方向用圧電駆動部材、19…フレーム、20…マイクロ
メータ、21…半導体レーザー、22…4分割フォトデ
ィテクター、23…ミラー、24…信号処理回路、25
…ロックインアンプ、26…A/D変換器、27…発振
回路、28…デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、
29…パーソナルコンピュータ(PC)、30…表示装
置、31,32,33…D/A変換器、34…駆動回
路、35…ボール、41,43…試料の水平部、42…
試料の凸部、44…プローブの振幅(基準値)、45…
探針移動ベクトル
11 probe, 12 support, 13 clip, 1
4, 14 ': vibrator, 15: piezoelectric drive member for Z direction, 1
6 ... Block, 17 ... X direction piezoelectric drive member, 18 ... Y
Directional piezoelectric drive member, 19: frame, 20: micrometer, 21: semiconductor laser, 22: four-segment photodetector, 23: mirror, 24: signal processing circuit, 25
... lock-in amplifier, 26 ... A / D converter, 27 ... oscillation circuit, 28 ... digital signal processor (DSP),
29 personal computer (PC), 30 display device, 31, 32, 33 D / A converter, 34 drive circuit, 35 ball, 41, 43 sample horizontal part, 42
Convex part of the sample, 44... Probe amplitude (reference value), 45.
Tip movement vector

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プローブと、プローブ又は試料を試料表
面と略垂直な第1の方向(Z軸方向)及び試料表面と略
平行な第2の方向(X軸方向)に移動させる駆動部と、
プローブを励振するための励振部材と、プローブの振動
状態を検出する検出手段と、検出手段で検出されたプロ
ーブの振動状態が所定の振動状態になるようにプローブ
又は試料の移動方向を変え、移動方向にプローブ又は試
料を移動させるよう駆動部を制御する制御手段とを備え
た走査型プローブ顕微鏡において、制御手段の動作に、
ダンピング要素を加味したことを特徴とする走査型プロ
ーブ顕微鏡。
A probe, a drive unit for moving the probe or the sample in a first direction (Z-axis direction) substantially perpendicular to the sample surface and in a second direction (X-axis direction) substantially parallel to the sample surface;
An exciting member for exciting the probe, a detecting means for detecting a vibration state of the probe, and changing a moving direction of the probe or the sample so that the vibration state of the probe detected by the detecting means becomes a predetermined vibration state. In a scanning probe microscope equipped with control means for controlling the drive unit to move the probe or sample in the direction, the operation of the control means,
A scanning probe microscope characterized by adding a damping element.
【請求項2】 請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡
であって、制御手段は、検出手段で検出されたプローブ
の振動状態と所定の基準振動状態との差に応じて、プロ
ーブ又は試料の移動方向角度の変化量を決定するもので
あり、ダンピング要素は、検出手段で検出されたプロー
ブの振動状態と前記所定の基準振動状態との差に応じ
て、前記プローブ又は試料の移動方向角度の変化量に加
える回転角を決めるものであることを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡。
2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the control means controls the probe or the sample according to a difference between the vibration state of the probe detected by the detection means and a predetermined reference vibration state. The damping element determines the amount of change in the moving direction angle, and the damping element determines the moving direction angle of the probe or the sample in accordance with the difference between the vibration state of the probe detected by the detection means and the predetermined reference vibration state. A scanning probe microscope for determining a rotation angle to be added to a change amount.
【請求項3】 請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡
であって、前記プローブ又は試料の移動方向角度の変化
量に加える回転角の大きさは、プローブの振動状態と前
記所定の基準振動状態との差が小さくなるに従って大き
くなるように決定されることを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡。
3. The scanning probe microscope according to claim 2, wherein the magnitude of the rotation angle added to the amount of change in the movement direction angle of the probe or the sample is determined by a vibration state of the probe and the predetermined reference vibration state. A scanning probe microscope characterized in that the difference is determined so as to increase as the difference from the probe probe decreases.
【請求項4】 請求項2又は請求項3に記載の走査型プ
ローブ顕微鏡であって、前記制御手段で決められた前記
プローブの前記試料に対する移動方向が、前記試料表面
から遠ざかる方向となる場合には、前記ダンピング要素
は、前記移動方向角度の変化量を増加させることを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡。
4. The scanning probe microscope according to claim 2, wherein the moving direction of the probe with respect to the sample determined by the control means is a direction away from the sample surface. In the scanning probe microscope, the damping element increases a change amount of the moving direction angle.
【請求項5】 請求項2から請求項4のうちいずれか1
項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、前記制御手
段で決められた前記プローブの前記試料に対する移動方
向が前記試料表面に近づく方向となる場合には、前記ダ
ンピング要素は、前記移動方向角度の変化量を低減させ
ることを特徴とする定査型プローブ顕微鏡。
5. One of claims 2 to 4
In the scanning probe microscope according to the item, when the moving direction of the probe with respect to the sample determined by the control means is a direction approaching the sample surface, the damping element, the moving direction angle of the A fixed-displacement probe microscope characterized by reducing the amount of change.
JP10297840A 1998-10-20 1998-10-20 Scanning probe microscope Pending JP2000121535A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10297840A JP2000121535A (en) 1998-10-20 1998-10-20 Scanning probe microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10297840A JP2000121535A (en) 1998-10-20 1998-10-20 Scanning probe microscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2000121535A true JP2000121535A (en) 2000-04-28

Family

ID=17851841

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP10297840A Pending JP2000121535A (en) 1998-10-20 1998-10-20 Scanning probe microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2000121535A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007285975A (en) * 2006-04-19 2007-11-01 Research Institute Of Biomolecule Metrology Co Ltd Scanning probe microscope and substrate inspection method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007285975A (en) * 2006-04-19 2007-11-01 Research Institute Of Biomolecule Metrology Co Ltd Scanning probe microscope and substrate inspection method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2730673B2 (en) Method and apparatus for measuring physical properties using cantilever for introducing ultrasonic waves
CN100578679C (en) Probe position control system and method
US6666075B2 (en) System and method of multi-dimensional force sensing for scanning probe microscopy
JP2501282B2 (en) Surface profile inspection method and apparatus using atomic force scanning microscope
US6223591B1 (en) Probe needle arrangement and movement method for use in an atomic force microscope
Payton et al. Feedback-induced instability in tapping mode atomic force microscopy: theory and experiment
US8051493B2 (en) Probe microscopy and probe position monitoring apparatus
JP3515364B2 (en) Apparatus, method and recording medium for examining topographical characteristics of sample surface
WO2007072621A1 (en) Scanning probe microscope
JP2000121535A (en) Scanning probe microscope
US7975314B2 (en) Scanning probe microscope and active damping drive control device
US11549964B2 (en) Phase-shift-based amplitude detector for a high-speed atomic force microscope
JPH11174066A (en) Scanning type probe microscope
WO2021044934A1 (en) Scanning probe microscope and driving control device for scanning probe microscope
JPH10267950A (en) Lateral-excitation frictional-force microscope
JP2006329704A (en) Scanning probe microscope
JPH09264897A (en) Scanning probe microscope
JP3588701B2 (en) Scanning probe microscope and its measuring method
JPH0915137A (en) Frictional force measuring apparatus and scanning frictional force microscope
WO2022118728A1 (en) Atomic force microscope, control method, and program
JPH09119938A (en) Scanning probe microscope
JPH11264833A (en) Scanning type probe microscope and method for driving the probe
RU2193769C2 (en) Method measuring characteristics of surface magnetic field with use of scanning sounding microscope
JP2004109089A (en) Method and apparatus for controlling stylus type probe mechanism
JP3859275B2 (en) Scanning probe microscope