JP2000230933A - Probe microscope and surface property analyzing method using the same - Google Patents

Probe microscope and surface property analyzing method using the same

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JP2000230933A
JP2000230933A JP11033747A JP3374799A JP2000230933A JP 2000230933 A JP2000230933 A JP 2000230933A JP 11033747 A JP11033747 A JP 11033747A JP 3374799 A JP3374799 A JP 3374799A JP 2000230933 A JP2000230933 A JP 2000230933A
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JP
Japan
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probe
sample
detection data
fitting function
distance
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Japanese (ja)
Inventor
Katsumi Sugizaki
克己 杉崎
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus or method for extremely reducing the data size in obtaining a focus curve and capable of obtaining even data incapable of being obtained heretofore. SOLUTION: The probe microscope detects the mutual action force acting across a probe and a sample while changing the distance between the probe and the sample, to obtain detection data showing the magnitude of the mutual action force to the distance between the probe and the sample to obtain the surface properties of the sample. In this case, the probe microscope has a fitting function lead-out means for leading out a fitting function of the distance between the probe and the sample and the magnitude of mutual action force obtained on the basis of detection data and at least partially approximate to the detection data, a calculation means for calculating the difference between the fitting function and detection data at every distance between the probe and the sample, and a memory part for storing the calculated fitting function and the difference calculated by the calculation means.

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】本発明はプローブ顕微鏡を用
い、フォースカーブによって試料の表面性状を検出する
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for detecting a surface property of a sample by a force microscope using a probe microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、急速に進歩している走査型プロー
ブ顕微鏡(Scanning Probe Microscope;SPM)は、
表面の様々な物理特性を原子レベルで観測できる顕微鏡
として非常に注目を集めている。走査型プローブ顕微鏡
でも、走査型力顕微鏡(Scanning Force Microscope)
は、現在派生している様々な走査型プローブ顕微鏡の基
礎をなす最も基本的な走査型プローブ顕微鏡である。こ
の走査型プローブ顕微鏡の測定手法の一つにフォースカ
ーブを利用したフォースカーブマッピングという手法が
ある。この手法はプローブを備えたカンチレバーを、被
測定物の表面に対して近づけたり離したりしたときに得
られるカンチレバーの撓みの変化を記録してフォースカ
ーブを取得する。そして、得られたフォースカーブを解
析することで、試料表面と探針との間隔に対して、どの
程度の相互作用力が作用しているかを調べることが出来
る。
2. Description of the Related Art In recent years, a scanning probe microscope (SPM), which is rapidly progressing,
It has attracted much attention as a microscope that can observe various physical properties of the surface at the atomic level. Scanning force microscope (Scanning Force Microscope)
Is the most basic scanning probe microscope that underlies the various scanning probe microscopes currently derived. One of the measuring techniques of the scanning probe microscope is a technique called force curve mapping using a force curve. In this method, a force curve is obtained by recording a change in the bending of the cantilever obtained when the cantilever provided with the probe is moved toward or away from the surface of the object to be measured. By analyzing the obtained force curve, it is possible to check how much interaction force is acting on the distance between the sample surface and the probe.

【0003】特に、このフォースカーブを使って、探針
が試料に接触する前後、つまり探針先端が試料から離れ
た状態での探針と試料間との長距離の相互作用力を求め
る研究が活発に行われている。これらの相互作用力の例
としては、液体中での疎水相互作用や、電気二重層力な
どの力であり、これらの相互作用は、生体分子同士の相
互作用として研究が盛んである。また、分子間の結合力
をも測定できる。
In particular, research has been conducted to determine the long-range interaction force between the probe and the sample using the force curve before and after the probe contacts the sample, that is, with the tip of the probe away from the sample. It is being actively conducted. Examples of these interaction forces include hydrophobic interaction in a liquid and forces such as electric double layer force, and these interactions have been actively studied as interactions between biomolecules. In addition, the bonding force between molecules can be measured.

【0004】この様にフォースカーブは試料表面の様々
な情報を含んでおり、フォースカーブを解析することに
より、様々な表面の物理化学的特性を評価することがで
きる。なお、実際には、カンチレバーを使用表面に対し
て平行にスキャンしながら、128×128の格子点の
位置で次々とフォースカーブを取得し、得られた全ての
フォースカーブを解析して、様々な試料表面の情報を抽
出し、それの情報をマッピングすることで、試料の表面
の様々な物理化学的な性質の分布画像を得ることができ
る。
[0004] As described above, the force curve contains various information on the sample surface, and by analyzing the force curve, it is possible to evaluate the physicochemical properties of various surfaces. In fact, while scanning the cantilever in parallel with the surface to be used, force curves are obtained one after another at 128 × 128 grid points, and all the obtained force curves are analyzed to obtain various force curves. By extracting information on the sample surface and mapping the information, distribution images of various physicochemical properties of the sample surface can be obtained.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フォー
スカーブマッピングの手法は、情報量が多いという反
面、データ量が非常に大きく、その取り扱いは煩雑であ
る。この様な状況で更に、データのSN比を向上させた
り、又はデータの品質を向上させるためにフォースカー
ブデータのダイナミックレンジを広げたりフォースカー
ブのサンプリング数を増加させたりすると、そのデータ
サイズは膨大なものとなってしまい、コンピュータに負
荷がかかってしまうという問題があった。
However, while the force curve mapping method has a large amount of information, it has a very large amount of data and its handling is complicated. In such a situation, if the SN ratio of the data is further improved, or the dynamic range of the force curve data is expanded or the number of samplings of the force curve is increased in order to improve the data quality, the data size becomes enormous. And the computer is overloaded.

【0006】また、他にこれまでの計測手法よりも、も
っと取得出来る情報が多い計測手法が求められている。
本発明は、この様な問題を解決するために、フォースカ
ーブを取得するに当たって、データサイズが非常に小さ
くなるような装置又は方法を提供することを目的とす
る。また更に、今まで取得できなかった情報も取得でき
る装置又は方法を提供することを目的とする。
[0006] In addition, there is a demand for a measurement method that can obtain more information than conventional measurement methods.
An object of the present invention is to provide an apparatus or a method for obtaining a force curve in which the data size is extremely small in order to solve such a problem. Still another object of the present invention is to provide an apparatus or a method capable of acquiring information that could not be acquired until now.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、プローブと試料との距離を変えながらプ
ローブと試料との間に働く相互作用力を検出して、プロ
ーブと試料との距離に対する相互作用力の大きさを示す
検出データを取得し、試料の表面性状を得ることのでき
るプローブ顕微鏡において、検出データを元に得られ、
検出データと少なくとも一部が近似した関数であって、
プローブ−試料間の距離と相互作用力の大きさとの関数
であるフィッティング関数を導出するフィッティング関
数導出手段と、フィッティング関数と検出データとの差
を各々のプローブと試料との距離毎に算出する算出手段
と、算出されたフィッティング関数と、算出手段で算出
された差を記憶する記憶部とを有した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention detects the interaction force acting between the probe and the sample while changing the distance between the probe and the sample, and detects the interaction force between the probe and the sample. Acquisition of detection data indicating the magnitude of the interaction force with respect to the distance, in a probe microscope that can obtain the surface properties of the sample, obtained based on the detection data,
A function at least partially approximated to the detection data,
Fitting function deriving means for deriving a fitting function that is a function of the distance between the probe and the sample and the magnitude of the interaction force, and calculation for calculating the difference between the fitting function and the detection data for each distance between each probe and the sample And a storage unit for storing the calculated fitting function and the difference calculated by the calculating unit.

【0008】この様に測定で得られた検出データからフ
ィッティング関数を求め、そのフィッティング関数とフ
ィッティング関数と検出データとの差を記憶すること
で、今までよりもデータ量を小さくすることが出来る。
また、更に本発明におけるフィッティング関数導出手段
は、検出データのうち、プローブが試料と接触している
状態で得られた検出データとプローブが試料と接触して
いない状態で得られた検出データとを分離するデータ分
離手段を更に有し、データ分離手段で分離されたプロー
ブが試料と接触していない状態での検出データを元にフ
ィッティング関数を導出することとした。この様に接触
した時に得られたデータと接触していないときに得られ
たデータを分離し、非接触時に得られる検出データから
フィッティング関数を得ることによって、長距離相互作
用力が得られる。また、接触したときのデータと接触し
ていないときのデータとは、それぞれ異なる情報を含ん
でいるので、その情報を抽出するためにも接触時に得ら
れたデータと非接触時に得られたデータを分離すること
は必要となる。
[0008] By obtaining a fitting function from the detection data obtained by the measurement in this way and storing the fitting function and the difference between the fitting function and the detection data, the data amount can be made smaller than before.
Further, the fitting function deriving means according to the present invention, among the detection data, the detection data obtained when the probe is in contact with the sample and the detection data obtained when the probe is not in contact with the sample. The apparatus further includes data separation means for separation, and a fitting function is derived based on detection data in a state where the probe separated by the data separation means is not in contact with the sample. By separating the data obtained when the contact is made and the data obtained when the contact is not made, and obtaining a fitting function from the detection data obtained when the contact is not made, a long-range interaction force can be obtained. In addition, since the data at the time of contact and the data at the time of non-contact each contain different information, in order to extract the information, the data obtained at the time of contact and the data obtained at the time of non-contact are also extracted. Separation is necessary.

【0009】また更に、フィッティング関数導出手段で
得られたフィッティング関数からプローブと前記試料と
の相互作用力を検出する検出手段を備えて、そのフィッ
ティング関数からある種のプローブと試料との相互作用
力を得ることが出来る。また、データ分離手段について
は、検出データにあるノイズの大きさによって、プロー
ブが前記試料と接触している状態で得られた検出データ
と、プローブが試料と接触していない状態で得られた検
出データとを分離することとした。
Further, the apparatus further comprises detecting means for detecting an interaction force between the probe and the sample from the fitting function obtained by the fitting function deriving means, and an interaction force between a certain probe and the sample based on the fitting function. Can be obtained. Further, the data separation means may be configured such that the detection data obtained when the probe is in contact with the sample and the detection data obtained when the probe is not in contact with the sample depend on the magnitude of the noise in the detection data. Separated from data.

【0010】また、他にもデータ分離手段としては、検
出データを元に得られるプローブと試料との距離に対す
る相互作用力の大きさを示す関数について、プローブと
試料との距離で微分した微分関数を取得し、微分関数の
ピーク値が現れるプローブと試料との距離の値の前後
で、プローブが試料と接触している状態で得られた検出
データと、プローブが試料と接触していない状態で得ら
れた検出データとに分離することでも良い。
Another data separation means is a differential function obtained by differentiating the function indicating the magnitude of the interaction force with respect to the distance between the probe and the sample obtained based on the detection data by the distance between the probe and the sample. And the detection data obtained when the probe is in contact with the sample, before and after the value of the distance between the probe and the sample where the peak value of the differential function appears, and when the probe is not in contact with the sample. It may be separated from the obtained detection data.

【0011】また、フィッティング関数については、異
なる次数を持つ項を有し、項のうち−2次の項に与えら
れた係数でもって、電気的又は磁気的な情報を取得する
こととした。また他に、指数係数に与えられた値によっ
て、電気二重層相互作用力を取得することができる。ま
た、算出手段で算出された差を二乗平均して温度データ
を取得する温度データ取得部を更に備え、温度データを
得ることもできる。
Further, the fitting function has terms having different orders, and electrical or magnetic information is obtained by using a coefficient given to a -2 order term among the terms. In addition, the electric double layer interaction force can be obtained from the value given to the exponential coefficient. In addition, a temperature data acquisition unit for acquiring the temperature data by averaging the differences calculated by the calculation means may be further provided to obtain the temperature data.

【0012】また、上記課題を解決するために本発明で
は、プローブと試料との距離を変えながらプローブと試
料との間に働く相互作用力を検出して、プローブと試料
との距離に対する相互作用力の大きさを示す検出データ
を取得し、試料の表面性状を得ることのできる表面性状
分析方法において、検出データに少なくとも近似した値
を有する関数であって、プローブと試料との距離と相互
作用力の大きさとの関数であるフィッティング関数を導
出し、フィッティング関数と検出データとの差を各々の
プローブと試料との距離毎に算出し、算出されたフィッ
ティング関数と、算出手段で算出された差を記憶し、フ
ィッティング関数又は算出手段で算出された差の少なく
ともどちらか一方を用いて、試料の表面性状を検出する
こととした。また、更に本発明ではプローブと試料との
距離を変えながら、プローブと試料との間に働く相互作
用力を検出し、プローブと試料との距離に対する相互作
用力の大きさを示す検出データを取得し、試料の表面性
状を得ることのできる表面性状分析方法において、検出
データのうち、プローブが試料と接触している状態で得
られた第1検出データとプローブが試料と接触していな
い状態で得られた第2検出データとを分離し、第2検出
データを元にフィッティング関数を導出し、フィッティ
ング関数からプローブと試料との相互作用力を検出する
こととした。そして、更にフィッティング関数と検出デ
ータとの差を取得し、その差の標準偏差を得て、試料表
面の温度を検出することとした。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention detects the interaction force acting between the probe and the sample while changing the distance between the probe and the sample, and detects the interaction force with respect to the distance between the probe and the sample. In a surface texture analysis method capable of acquiring detection data indicating the magnitude of force and obtaining the surface texture of a sample, a function having a value at least approximated to the detection data, the distance between the probe and the sample and the interaction A fitting function, which is a function of the magnitude of the force, is derived, and the difference between the fitting function and the detection data is calculated for each distance between each probe and the sample, and the calculated fitting function and the difference calculated by the calculating means are calculated. Is stored, and the surface property of the sample is detected using at least one of the fitting function and the difference calculated by the calculation means. Further, in the present invention, while changing the distance between the probe and the sample, the interaction force acting between the probe and the sample is detected, and detection data indicating the magnitude of the interaction force with respect to the distance between the probe and the sample is obtained. Then, in the surface texture analysis method capable of obtaining the surface texture of the sample, the first detection data obtained in a state where the probe is in contact with the sample and the first detection data obtained in a state where the probe is not in contact with the sample are included in the detection data. The obtained second detection data was separated, a fitting function was derived based on the second detection data, and the interaction force between the probe and the sample was detected from the fitting function. Then, the difference between the fitting function and the detection data is further obtained, and the standard deviation of the difference is obtained to detect the temperature of the sample surface.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】次に本発明を適用した実施の形態
を示して説明する。図1は、本発明の実施の形態である
走査型プローブ顕微鏡である。この走査型プローブ顕微
鏡では、コの字型の筐体1に備えられ試料2を移動させ
る試料移動手段3と、試料移動手段3に設けられ試料2
を固定するための試料台4と、試料2表面を走査し試料
表面との相互作用力を受ける探針5と、筐体1と探針5
との間に備えられフォースカーブを取得するときに探針
5の位置を試料表面に対して可変させる探針移動手段6
と、探針5で受けた試料2との相互作用力を光てこ法で
検出するための光源7と、同じく光てこ法で検出するた
めに設けられた探針から反射する光のスポット位置を検
出する検出部8と、試料移動手段3を駆動するための試
料移動手段駆動部9と、探針移動手段6を駆動するため
の探針移動手段駆動部10と、検出部8からの信号をデ
ジタル信号に変換するA/D変換部11と、走査型プロ
ーブ顕微鏡の制御、信号処理を司る中央演算処理部12
と、走査型プローブ顕微鏡で得られた情報を表示する表
示部13からなる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, an embodiment to which the present invention is applied will be described. FIG. 1 shows a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention. In this scanning probe microscope, a sample moving unit 3 provided in a U-shaped casing 1 for moving a sample 2 and a sample 2 provided in the sample moving unit 3 are provided.
, A probe 5 for scanning the surface of the sample 2 and receiving an interaction force with the sample surface, a housing 1 and the probe 5
Probe moving means 6 which is provided between the first and second members to change the position of the probe 5 with respect to the sample surface when acquiring a force curve.
And a light source 7 for detecting an interaction force with the sample 2 received by the probe 5 by an optical lever method, and a spot position of light reflected from a probe similarly provided for detecting by an optical lever method. A detection unit 8 for detecting, a sample movement unit drive unit 9 for driving the sample movement unit 3, a probe movement unit drive unit 10 for driving the probe movement unit 6, and a signal from the detection unit 8 A / D conversion unit 11 for converting into a digital signal, central processing unit 12 for controlling the scanning probe microscope and for signal processing
And a display unit 13 for displaying information obtained by the scanning probe microscope.

【0014】ところで、探針5は、片持ち梁構造を有し
たもので、一端に探針部51を備え、他端に探針移動手
段6に固定される支持部52を有している。そして、こ
の探針5の片持ち梁の部分に光源7の光を照射し、片持
ち梁で反射した光スポットを検出部8で受光している。
検出部8は、受光した光スポットの位置についての信号
を出力する。この信号は片持ち梁の傾きを示しているの
で、この検出部8からの信号を元に、探針5と試料2表
面との相互作用力を検出することができる。なお、この
検出部8にはポジション・センシティブ・ダイオードな
どが用いられる。
The probe 5 has a cantilever structure, and has a probe 51 at one end and a support 52 fixed to the probe moving means 6 at the other end. The cantilever of the probe 5 is irradiated with light from the light source 7, and the light spot reflected by the cantilever is received by the detector 8.
The detector 8 outputs a signal about the position of the received light spot. Since this signal indicates the inclination of the cantilever, the interaction force between the probe 5 and the surface of the sample 2 can be detected based on the signal from the detection unit 8. Note that a position-sensitive diode or the like is used for the detection unit 8.

【0015】なお、検出部8から得られる信号はアナロ
グ信号なので、これをデジタル信号に変換するA/D変
換器11に検出部8からの信号を入力している。そし
て、デジタル信号に変換された中央演算処理部12に入
力される。また、試料移動手段3は、円筒形状を有した
圧電素子で構成されたチューブ・スキャナからなる。こ
の試料移動手段3は、試料移動手段駆動部9から得られ
る電圧によって、試料2を移動させることができる。な
お、試料移動手段駆動部9は中央演算処理部12から出
力された移動データに応じて、チューブスキャナを駆動
する電圧を発生させることができる。また、探針移動手
段6は、ブロック状の圧電素子からなっている。この移
動手段6は、探針移動手段駆動部10から供給される電
圧によって駆動する。なお、探針移動手段駆動部10
は、中央演算処理部12から出力された移動データに応
じて、探針移動手段6を駆動する電圧を発生させること
ができる。
Since the signal obtained from the detecting section 8 is an analog signal, the signal from the detecting section 8 is input to an A / D converter 11 for converting the signal into a digital signal. Then, the digital signal is input to the central processing unit 12 converted to a digital signal. Further, the sample moving means 3 comprises a tube scanner constituted by a piezoelectric element having a cylindrical shape. The sample moving means 3 can move the sample 2 by the voltage obtained from the sample moving means driving unit 9. In addition, the sample moving means driving unit 9 can generate a voltage for driving the tube scanner according to the moving data output from the central processing unit 12. The probe moving means 6 is formed of a block-shaped piezoelectric element. The moving unit 6 is driven by a voltage supplied from the probe moving unit driving unit 10. The probe moving means driving unit 10
Can generate a voltage for driving the probe moving means 6 according to the movement data output from the central processing unit 12.

【0016】また、表示手段13は、本実施の形態で
は、モニターを使用している。しかし、本発明はこれに
限られず、プリンターなど人間に情報を表示できるもの
であれば、どれでも構わない。次に、フォースカーブの
取得方法について、説明する。最初に、探針5の探針部
51が試料2の所望の測定点上に来るように、試料移動
手段3を駆動する。このとき、中央演算処理部12では
試料移動手段駆動部9に移動データを出力する。
The display means 13 uses a monitor in the present embodiment. However, the present invention is not limited to this, and any printer or other device capable of displaying information to humans may be used. Next, a method of acquiring a force curve will be described. First, the sample moving means 3 is driven so that the probe part 51 of the probe 5 is located on a desired measurement point of the sample 2. At this time, the central processing unit 12 outputs the movement data to the sample moving means driving unit 9.

【0017】そして、探針部51が所望の測定点上に来
たら、次に探針5が試料2に近づくように移動する。こ
のとき、中央演算処理部12では探針移動手段駆動部1
0に探針5の移動データを出力する。また、探針5が近
づくと同時に、A/D変換器11からの信号も同時に入
力し、探針5−試料2表面間の距離と、そのときの探針
5が受けた相互作用力とを中央演算処理部12内に設け
られたメモリーに逐次記憶してゆく。
Then, when the probe 51 comes to a desired measurement point, the probe 5 is moved next to approach the sample 2. At this time, the central processing unit 12 controls the probe moving means driving unit 1
The movement data of the probe 5 is output to 0. At the same time as the probe 5 approaches, the signal from the A / D converter 11 is also input, and the distance between the probe 5 and the surface of the sample 2 and the interaction force received by the probe 5 at that time are determined. The data is sequentially stored in a memory provided in the central processing unit 12.

【0018】次に、探針5が所望の位置まで試料2に近
接したら、探針5を試料2表面から遠ざかるように移動
させる。このときも先と同様に、中央演算処理部12は
探針移動手段駆動部にデータを出力し、かつ同時にA/
D変換器11からの信号を入力する。そして、探針5−
試料2表面間の距離と、そのときの探針5が受けた相互
作用力を逐次記憶してゆく。
Next, when the probe 5 approaches the sample 2 to a desired position, the probe 5 is moved away from the surface of the sample 2. At this time, similarly to the above, the central processing unit 12 outputs data to the probe moving means driving unit, and simultaneously outputs the A /
A signal from the D converter 11 is input. And the probe 5-
The distance between the surfaces of the sample 2 and the interaction force received by the probe 5 at that time are sequentially stored.

【0019】順次探針5が直上にくる試料2表面の位置
を変えながら、以上の動作を行い、フォースカーブマッ
ピングを行う。ところで、本発明の走査型プローブ顕微
鏡では、探針5−試料表面間の距離と探針5が受けた相
互作用力を逐次記憶してゆくため、一カ所での測定でも
大きな記憶容量を必要とする。そのため、一旦記憶され
たデータを次のように処理することとした。
The above operation is performed while sequentially changing the position of the surface of the sample 2 on which the probe 5 comes directly above, and the force curve mapping is performed. By the way, in the scanning probe microscope of the present invention, since the distance between the probe 5 and the sample surface and the interaction force received by the probe 5 are sequentially stored, a large storage capacity is required even in a single measurement. I do. Therefore, the data once stored is processed as follows.

【0020】次に、中央演算処理部12での処理方法
を、図2を用いて説明する。図2は、中央演算処理部1
2で行う得られたデータの処理手順を示すフローチャー
トである。一カ所の測定毎に、図2に示すフローチャー
トの処理を行う。まず、中央演算処理部12では、図示
されていないステップで試料移動手段駆動部9に測定す
る場所を示す信号を出力し、探針5が所望の試料2上の
位置に来るように試料2を移動させる。
Next, a processing method in the central processing unit 12 will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a central processing unit 1
6 is a flowchart showing a processing procedure of data obtained in step 2. The process of the flowchart shown in FIG. 2 is performed for each measurement at one location. First, the central processing unit 12 outputs a signal indicating a location to be measured to the sample moving means driving unit 9 in a step not shown, and moves the sample 2 so that the probe 5 comes to a desired position on the sample 2. Move.

【0021】そして、つぎに中央演算処理部12でステ
ップS001に示すフォースカーブの測定が行われる。
このフォースカーブの測定では、次の動作が行われる。
まず、最初に探針5を試料2表面に近接させる。このと
き、中央演算処理部12は探針移動手段駆動部10に駆
動信号を出力している。その間、中央演算処理部12で
はA/D変換器11から出力される探針5の変位に関す
る信号を入力し、試料2−探針5間の距離に対する相互
作用力の関係を記憶する。そして、探針5と試料2との
距離が所定の距離になったら、探針5を試料2表面から
遠ざける方向に移動させる。このとき、中央演算処理部
12も同様に探針移動手段駆動部10に駆動信号を出力
している。その間、中央演算処理部12ではA/D変換
器11から出力される探針5の変位に関する信号を入力
し、試料2−探針5間の距離に対する相互作用力の関係
を記憶する。
Next, the central processing unit 12 measures the force curve shown in step S001.
In the measurement of the force curve, the following operation is performed.
First, the probe 5 is brought close to the surface of the sample 2. At this time, the central processing unit 12 outputs a driving signal to the probe moving unit driving unit 10. In the meantime, the central processing unit 12 inputs a signal relating to the displacement of the probe 5 output from the A / D converter 11 and stores the relationship between the distance between the sample 2 and the probe 5 and the interaction force. When the distance between the probe 5 and the sample 2 reaches a predetermined distance, the probe 5 is moved in a direction away from the surface of the sample 2. At this time, the central processing unit 12 also outputs a driving signal to the probe moving unit driving unit 10 in the same manner. In the meantime, the central processing unit 12 inputs a signal relating to the displacement of the probe 5 output from the A / D converter 11 and stores the relationship between the distance between the sample 2 and the probe 5 and the interaction force.

【0022】この様にして取得されたフォースカーブは
図3(a)に太線で示した示すカーブとなる。なお、こ
の図では、縦軸に探針5の片持ち梁(カンチレバー)の
変位を示し、横軸に探針5と試料2表面との距離を示し
ている。なお、このカーブの変化の順番は、アルファベ
ット順となっている。また、このフォースカーブのデー
タは図4(a)に示された様な信号波形となる。この図
4は、それぞれの信号波形を示している。なお、縦軸は
信号の強弱、横軸は時間を示している。なおこの時間
は、フォースカーブを取得するのに探針の動かすタイミ
ングに沿って記載されている。そして、図中のアルファ
ベットは図3に記載のアルファベットと対応している。
The force curve obtained in this way is a curve shown by a thick line in FIG. In this figure, the vertical axis indicates the displacement of the cantilever (cantilever) of the probe 5, and the horizontal axis indicates the distance between the probe 5 and the surface of the sample 2. The order of the curve changes is in alphabetical order. The data of the force curve has a signal waveform as shown in FIG. FIG. 4 shows each signal waveform. The vertical axis indicates the strength of the signal, and the horizontal axis indicates the time. Note that this time is described along with the timing at which the probe is moved to obtain the force curve. And the alphabet in the figure corresponds to the alphabet described in FIG.

【0023】次に、ステップS002に移り、図3
(a)の太線で示したフォースカーブに対して平滑化処
理を行い、平滑化されたフォースカーブデータを作成
し、記憶する。平滑化されたフォースカーブの信号波形
は、図4(b)に示すとおりである。この様に短い周期
で凹凸を繰り返す部分は平滑化した。なお、長い周期で
発生する凹凸については平滑化しない。
Next, the process proceeds to step S002, and FIG.
A smoothing process is performed on the force curve indicated by the thick line in (a), and smoothed force curve data is created and stored. The signal waveform of the smoothed force curve is as shown in FIG. The portion where the irregularities are repeated in such a short cycle is smoothed. It should be noted that unevenness generated in a long cycle is not smoothed.

【0024】そして、平滑化されたフォースカーブデー
タが作成がされたら、ステップS003で、平滑化され
たフォースカーブデータと、もとのフォースカーブデー
タとの差を取得する。その差が得られたら、その差が平
均的に大きいところにあるデータを非接触領域のデータ
と認識し、小さいところにあるデータを接触領域のデー
タと認識する。
When the smoothed force curve data is created, in step S003, a difference between the smoothed force curve data and the original force curve data is obtained. When the difference is obtained, the data where the difference is large on average is recognized as the data of the non-contact area, and the data where the difference is small is recognized as the data of the contact area.

【0025】このステップでは、実際、中央演算処理部
12では次のような作業が行われる。まず、平滑化され
たフォースカーブデータともとのフォースカーブデータ
との差を得て、それをノイズ信号として取得する。その
ノイズ信号の波形は、図4(c)に示す。そして、その
ノイズ信号を自乗してノイズ信号の自乗した波形を得
る。その波形を図4(d)に得る。最後に、図4(d)
で得られた波形を平滑化して、ノイズ信号の自乗の平滑
化信号を得る(図4(e)に参照)。
In this step, the central processing unit 12 actually performs the following operations. First, a difference between the smoothed force curve data and the original force curve data is obtained, and the difference is obtained as a noise signal. The waveform of the noise signal is shown in FIG. Then, the noise signal is squared to obtain a squared waveform of the noise signal. The waveform is obtained in FIG. Finally, FIG.
Is smoothed to obtain a squared smoothed signal of the noise signal (see FIG. 4E).

【0026】その信号に対して、あるしきい値を設定
し、しきい値より高い信号のある領域を非接触領域、し
きい値より低い信号のある領域を接触領域として判定を
行っている。なお、図3を用いて接触領域と非接触領域
を説明すると、図3(a)では、A−B間は探針5が試
料2表面に近接してゆく領域あり、実際には探針部51
は試料2に接触していない領域である。そして、Fから
Gまでも探針5が試料2表面から遠ざかってゆく領域で
あり、実際には探針部51が試料2に接触していない領
域である。そして、BからDまでは探針部51が試料2
に接触して更に探針5全体が近接していく領域である。
A certain threshold value is set for the signal, and a region having a signal higher than the threshold value is determined as a non-contact region, and a region having a signal lower than the threshold value is determined as a contact region. The contact region and the non-contact region will be described with reference to FIG. 3. In FIG. 3A, there is a region between the points A and B where the probe 5 approaches the surface of the sample 2. 51
Is an area not in contact with the sample 2. The probe 5 also extends from F to G away from the surface of the sample 2, and is actually a region where the probe 51 does not contact the sample 2. Then, from B to D, the probe 51
And the area where the entire probe 5 comes closer.

【0027】この図3(a)からもわかるように非接触
領域は元となるデータ自体非常にバラツキがある。本発
明の実施の形態である走査型プローブ顕微鏡は、このこ
とに着目して、平準化したフォースカーブとの差のデー
タが大きいところを非接触領域とし、差が小さいところ
を接触領域とした。次に、本発明の実施の形態である走
査型プローブ顕微鏡では、ステップS005で非接触領
域と認定された領域のデータを元にフィッティング関数
を作成する。このフィッティング関数は、複数の異なる
次数を持つ関数であり、それぞれの次数の係数について
適切なものを選んで、フィッティング関数を作成する。
As can be seen from FIG. 3 (a), the non-contact area has very uneven original data itself. Focusing on this, the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention sets a portion where the difference data from the leveled force curve is large as a non-contact region, and sets a portion where the difference is small as a contact region. Next, in the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention, a fitting function is created based on the data of the region that has been identified as the non-contact region in step S005. The fitting function is a function having a plurality of different orders, and an appropriate function is selected for each order coefficient to create a fitting function.

【0028】具体的には、各次数の係数は、対応する物
理化学的性質が反映されている。したがって、推定され
る長距離相互作用から、適当な次数を選択して、異なる
次数を持つ多項式を作成する。そして、その多項式を元
に最小自乗法を用いてフィッティングを行うことで、フ
ィッティング関数を得ることができる。このようにし
て、フィッティング関数を得たら、次にステップS00
7ではフィッティング関数とそれぞれのフォースカーブ
データとの差を算出する。
Specifically, the coefficient of each order reflects the corresponding physicochemical property. Therefore, an appropriate order is selected from the estimated long-range interaction to create a polynomial having a different order. Then, a fitting function can be obtained by performing fitting using the least square method based on the polynomial. After the fitting function is obtained in this way, next, in step S00
In step 7, the difference between the fitting function and each force curve data is calculated.

【0029】そして、本発明の実施の形態では、更に試
料2表面の温度に関する情報を得たいので、フォースカ
ーブデータとフィッティング関数との差の値の全てから
標準偏差を計算している。そして、温度情報を得るため
に更に、その標準偏差から温度パラメータをステップS
008で算出している。なお、この様な動作は、温度パ
ラメータを計算しない場合には特に必要ない。
In the embodiment of the present invention, since it is desired to further obtain information on the temperature of the surface of the sample 2, the standard deviation is calculated from all the differences between the force curve data and the fitting function. Then, in order to obtain temperature information, a temperature parameter is further determined from the standard deviation in step S.
008. Such an operation is not particularly necessary when the temperature parameter is not calculated.

【0030】そして、ステップS009では、得られた
フィッティング関数と、フィッティング関数からのずれ
量をフォースカーブとして格納し、更にフィッティング
関数を得ていない領域についてはステップS001で測
定されたフォースカーブを格納する。この様に本実施の
形態である走査型プローブ顕微鏡は、非接触領域のみフ
ィッティング関数と、フィッティング関数ともとのフォ
ースカーブデータとの差を算出し、それぞれを記憶し
た。
Then, in step S009, the obtained fitting function and the amount of deviation from the fitting function are stored as a force curve, and the force curve measured in step S001 is stored in a region where no fitting function has been obtained. . As described above, the scanning probe microscope according to the present embodiment calculates the difference between the fitting function only in the non-contact region and the force curve data of the fitting function and the original, and stores each of them.

【0031】そして、試料2の他の位置に探針5が来る
ように試料2を移動して、複数の位置でフォースカーブ
を取得することで、フォースカーブマッピングが得られ
る。この様に、フィッティング関数と、フィッティング
関数とフォースカーブデータとの差だけを記憶すること
により、今までは、全てのデータを所望のダイナミック
レンジで記憶する場合に必要だったビット数を低減させ
ることが出来た。
Then, by moving the sample 2 so that the probe 5 comes to another position of the sample 2 and acquiring force curves at a plurality of positions, force curve mapping can be obtained. In this way, by storing only the fitting function and the difference between the fitting function and the force curve data, it is possible to reduce the number of bits required until now when storing all data in a desired dynamic range. Was completed.

【0032】ちなみに、本実施の形態で示したようなフ
ォースカーブデータの場合、従来の走査型プローブ顕微
鏡では32ビットのデータ領域が必要だったが、本発明
の実施の形態における走査型プローブ顕微鏡では16ビ
ット以内に収まる。したがって、データ量を半分にする
ことができる。この様に本発明の実施の形態である走査
型プローブ顕微鏡の記憶容量の低減を図った。
Incidentally, in the case of the force curve data as shown in the present embodiment, a 32-bit data area was required in the conventional scanning probe microscope, but in the scanning probe microscope in the embodiment of the present invention. Fits within 16 bits. Therefore, the data amount can be halved. Thus, the storage capacity of the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention was reduced.

【0033】なお、本実施の形態では、非接触領域の
み、フォースカーブを得ている。これは、非接触領域で
は、探針5が試料に接触していないせいで、外乱の影響
を非常に受けやすく、振動しやすい。これがノイズの原
因と考えられている。この外乱の一つに熱振動が考えら
れる。この熱振動による影響を求めて、本実施の形態
は、温度に関するパラメータを求めている。
In this embodiment, a force curve is obtained only in the non-contact area. This is because in the non-contact area, the probe 5 is not in contact with the sample, so that it is very susceptible to disturbance and easily vibrates. This is considered to be the cause of the noise. Thermal vibration is considered as one of the disturbances. In the present embodiment, a parameter relating to temperature is obtained by obtaining the influence of the thermal vibration.

【0034】また、本発明の実施の形態である走査型プ
ローブ顕微鏡では、長距離相互作用力を検出するため
に、非接触領域で得られたフィッティング関数から、そ
れぞれの次数にある係数を取得して、長距離相互作用力
の相互作用を検出してる。なお、それぞれの次数に設け
られた係数は、次の意味がある。まず、指数項の値は電
気二重層相互作用力を抽出することができる。また、−
2次の係数は静電気的並びに磁気的な相互作用量を得る
ことができる。なお、本発明の実施の形態で用いられる
多項式は、式(1)で示すものを用いている。
In the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention, in order to detect a long-range interaction force, coefficients in respective orders are obtained from a fitting function obtained in a non-contact area. To detect the interaction of the long-range interaction force. The coefficients provided for the respective orders have the following meanings. First, the value of the exponential term can extract the electric double layer interaction force. Also,-
The second order coefficient can obtain the amount of electrostatic and magnetic interaction. It should be noted that the polynomial used in the embodiment of the present invention is represented by Expression (1).

【0035】[0035]

【数1】 F=a1-kz+a2-2 なお、式(1)では、zは探針と試料との距離、a1
、kは電気二重層相互作用のパラメータを示す係数
で、特にkはデバイ長さと呼ばれるパラメータである。
a2 は電気的、或いは磁気的相互作用のパラメータを
示す係数である。そして、式(1)に示した係数を得
て、この係数の値をもとに長距離相互作用力を割り出し
ている。
F = a 1 e −kz + a 2 z −2 In Equation (1), z is the distance between the probe and the sample, and a1
, K is a coefficient indicating a parameter of the electric double layer interaction, and particularly, k is a parameter called Debye length.
a2 is a coefficient indicating a parameter of the electric or magnetic interaction. Then, the coefficient shown in Expression (1) is obtained, and the long-range interaction force is calculated based on the value of the coefficient.

【0036】なお、本実施の形態では、接触領域と非接
触領域とを分離するためにノイズ信号を用いたが、本発
明はこれに限られず、例えば得られたフォースカーブの
微分信号を得て、その微分信号が極大値を持ったところ
で、接触領域と非接触領域とを分離することも可能であ
る。図3(b)は、縦軸にフォースカーブ微分信号強度
を、横軸にカンチレバーと試料との距離を示したもので
ある。この様に、丁度、非接触領域と接触領域との境界
でスナップイン、スナップアウトが生じるのでこれを利
用して、接触領域と非接触領域を決定することも好まし
い。
In the present embodiment, the noise signal is used to separate the contact area and the non-contact area. However, the present invention is not limited to this. For example, a differential signal of the obtained force curve is obtained. When the differential signal has a maximum value, it is possible to separate the contact region from the non-contact region. In FIG. 3B, the vertical axis indicates the force curve differential signal intensity, and the horizontal axis indicates the distance between the cantilever and the sample. As described above, since snap-in and snap-out occur at the boundary between the non-contact area and the contact area, it is preferable to determine the contact area and the non-contact area by using the snap-in and snap-out.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上のとおり、本発明によるプローブ顕
微鏡を用いれば、ダイナミックレンジやSN比を低下さ
せずに、データ量が小さくなるためデータの保存が容易
になる。また、更にフォースカーブからフィッティング
関数を所望の次数を持つ多項式として得て、その多項式
の係数の値から長距離相互作用力を検出することが出
来、また、フィッティング関数ともとのフォースカーブ
のデータとの差から、温度パラメータを得ることができ
るようになる。この様に少ない容量のデータ量で様々な
情報が得られるようになった。
As described above, when the probe microscope according to the present invention is used, the data amount is reduced without lowering the dynamic range and the SN ratio, so that the data can be easily stored. Further, a fitting function is further obtained from the force curve as a polynomial having a desired order, and the long-range interaction force can be detected from the value of the coefficient of the polynomial, and the fitting function and the data of the original force curve can be obtained. From the difference, the temperature parameter can be obtained. Various information can be obtained with such a small amount of data.

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

【図1】:本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の概略構
成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning probe microscope according to the present invention.

【図2】:本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の中央演
算処理部で行われるフローチャートである。
FIG. 2 is a flowchart performed by a central processing unit of the scanning probe microscope according to the present invention.

【図3】:(a)はカンチレバーと試料との距離に対す
るカンチレバーの変位を示したフォースカーブの一例で
あり、(b)は(a)で得られたフォースカーブを微分
した信号の波形を示したものである。
FIG. 3: (a) is an example of a force curve showing displacement of the cantilever with respect to the distance between the cantilever and the sample, and (b) shows a waveform of a signal obtained by differentiating the force curve obtained in (a). It is a thing.

【図4】:本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡で得ら
れる信号波形を示したグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a signal waveform obtained by a scanning probe microscope according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 筐体 2 試料 3 試料移動手段 4 試料台 5 探針 51 探針部 52 支持部 6 探針駆動手段 7 光源 8 検出部 9 試料移動手段駆動部 10 探針移動手段駆動部 11 A/D変換器 12 中央演算処理部 13 表示手段 REFERENCE SIGNS LIST 1 housing 2 sample 3 sample moving means 4 sample table 5 probe 51 probe section 52 support section 6 probe driving means 7 light source 8 detecting section 9 sample moving means driving section 10 probe moving means driving section 11 A / D conversion Unit 12 central processing unit 13 display means

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プローブと試料との距離を変えながら前
記プローブと前記試料との間に働く相互作用力を検出し
て、前記プローブと前記試料との距離に対する前記相互
作用力の大きさを示す検出データを取得し、前記試料の
表面性状を得ることのできるプローブ顕微鏡において、 前記検出データを元に得られ、前記プローブ−前記試料
間の距離と前記相互作用力との関数であり、少なくとも
前記検出データの一部に対してフィッティングされた関
数であるフィッティング関数を導出するフィッティング
関数導出手段と、 前記フィッティング関数と前記検出データとの差を各々
の前記プローブと前記試料との距離毎に算出する算出手
段と、 算出された前記フィッティング関数と、前記算出手段で
算出された差を記憶する記憶部とを備えることを特徴と
するプローブ顕微鏡。
1. A method for detecting an interaction force acting between the probe and the sample while changing a distance between the probe and the sample, and indicating a magnitude of the interaction force with respect to a distance between the probe and the sample. In a probe microscope capable of obtaining detection data and obtaining the surface properties of the sample, obtained based on the detection data, and is a function of the distance between the probe and the sample and the interaction force, at least the A fitting function deriving unit that derives a fitting function that is a function fitted to a part of the detection data; and calculates a difference between the fitting function and the detection data for each distance between each probe and the sample. Calculating means; and a storage unit for storing the calculated fitting function and the difference calculated by the calculating means. A characteristic probe microscope.
【請求項2】 更に、前記検出データのうち、前記プロ
ーブが前記試料と接触している状態で得られた検出デー
タと前記プローブが前記試料と接触していない状態で得
られた検出データとを分離するデータ分離手段とを備
え、 前記データ分離手段で分離された検出データのうち、前
記プローブが前記試料と接触していない状態で得られた
検出データを元に、前記フィッティング関数を導出する
フィッティング関数導出手段とを備えることを特徴とす
る請求項1に記載のプローブ顕微鏡。
2. The method according to claim 1, further comprising, of the detection data, detection data obtained when the probe is in contact with the sample and detection data obtained when the probe is not in contact with the sample. And a data separation unit for separating, based on detection data obtained in a state where the probe is not in contact with the sample, among the detection data separated by the data separation unit, a fitting for deriving the fitting function. The probe microscope according to claim 1, further comprising function deriving means.
【請求項3】 前記データ分離手段は、前記検出データ
に含まれるノイズの大きさによって、前記プローブが前
記試料と接触している状態で得られた検出データと前記
プローブが前記試料と接触していない状態で得られた検
出データとを分離することを特徴とする請求項2に記載
のプローブ顕微鏡。
3. The method according to claim 2, wherein the data separating unit determines whether the probe is in contact with the sample and the detection data obtained in a state in which the probe is in contact with the sample, according to a magnitude of noise included in the detection data. The probe microscope according to claim 2, wherein the detection data is separated from detection data obtained in a state where no detection data is obtained.
【請求項4】 前記データ分離手段は、前記フィッティ
ング関数を前記プローブと前記試料との距離で微分した
微分関数を取得し、前記微分関数のピーク値が現れる前
記プローブと前記試料との距離の値の前後で、前記プロ
ーブが前記試料と接触している状態で得られた検出デー
タと、前記プローブが前記試料と接触していない状態で
得られた検出データとを分離する請求項2に記載のプロ
ーブ顕微鏡。
4. The data separating means obtains a differential function obtained by differentiating the fitting function by a distance between the probe and the sample, and obtains a value of a distance between the probe and the sample at which a peak value of the differential function appears. Before and after separating the detection data obtained in a state where the probe is in contact with the sample and the detection data obtained in a state where the probe is not in contact with the sample, according to claim 2, Probe microscope.
【請求項5】 前記フィッティング関数は、異なる次数
を持つ項を有し、前記項のうち−2次の項に与えられた
係数でもって、電気的又は磁気的な情報を取得すること
を特徴とする請求項2に記載のプローブ顕微鏡。
5. The fitting function has terms having different orders, and acquires electrical or magnetic information by using a coefficient given to a −2 order term among the terms. The probe microscope according to claim 2, wherein
【請求項6】 前記フィッティング関数は、指数を持つ
項を有し、前記項の指数係数に与えられた値によって、
電気二重層相互作用力を取得することを特徴とする請求
項2に記載のプローブ顕微鏡。
6. The fitting function has a term having an exponent, and according to a value given to an exponential coefficient of the term,
The probe microscope according to claim 2, wherein an electric double layer interaction force is obtained.
【請求項7】 更に、前記フィッティング関数と前記検
出データとの差を取得し、その差を二乗平均して温度デ
ータを取得する温度データ取得部を更に備えたことを特
徴とする請求項1記載のプローブ顕微鏡。
7. The apparatus according to claim 1, further comprising a temperature data acquisition unit that acquires a difference between the fitting function and the detection data, and acquires a temperature data by averaging the difference. Probe microscope.
【請求項8】 プローブと試料との距離を変えながら、
前記プローブと前記試料との間に働く相互作用力を検出
し、前記プローブと前記試料との距離に対する前記相互
作用力の大きさを示す検出データを取得し、前記試料の
表面性状を得ることのできる表面性状分析方法におい
て、 前記検出データの少なくとも一部に対してフィティング
された関数であって、前記プローブと前記試料との距離
と、前記相互作用力の大きさとの関数であるフィッティ
ング関数を導出し、 前記フィッティング関数と前記検出データとの差を各々
の前記プローブと前記試料との距離毎に算出し、 算出された前記フィッティング関数と、前記算出手段で
算出された差を記憶し、 前記フィッティング関数又は前記算出手段で算出された
差の少なくともどちらか一方を用いて、前記試料の表面
性状を検出することを特徴とする表面性状分析方法。
8. While changing the distance between the probe and the sample,
Detecting the interaction force acting between the probe and the sample, obtaining detection data indicating the magnitude of the interaction force with respect to the distance between the probe and the sample, and obtaining the surface properties of the sample. In a surface texture analysis method that can be performed, a fitting function that is a function fitted to at least a part of the detection data and is a function of a distance between the probe and the sample and a magnitude of the interaction force. Calculating a difference between the fitting function and the detection data for each distance between each of the probes and the sample; storing the calculated fitting function and a difference calculated by the calculating unit; Detecting a surface property of the sample by using at least one of a fitting function and a difference calculated by the calculation unit. Surface texture analysis method.
【請求項9】 プローブと試料との距離を変えながら、
前記プローブと前記試料との間に働く相互作用力を検出
し、前記プローブと前記試料との距離に対する前記相互
作用力の大きさを示す検出データを取得し、前記試料の
表面性状を得ることのできる表面性状分析方法において 前記検出データのうち、前記プローブが前記試料と接触
している状態で得られた第1検出データと前記プローブ
が前記試料と接触していない状態で得られた第2検出デ
ータとを分離し、 分離された前記第2の検出データを元にフィッティング
関数を導出し、 前記フィッティング関数から前記プローブと前記試料と
の相互作用力を検出することを特徴とする表面性状分析
方法。
9. While changing the distance between the probe and the sample,
Detecting the interaction force acting between the probe and the sample, obtaining detection data indicating the magnitude of the interaction force with respect to the distance between the probe and the sample, and obtaining the surface properties of the sample. In the surface texture analysis method which can be performed, among the detection data, first detection data obtained in a state where the probe is in contact with the sample and second detection data obtained in a state where the probe is not in contact with the sample Separating the data from the data, deriving a fitting function based on the separated second detection data, and detecting an interaction force between the probe and the sample from the fitting function. .
【請求項10】 請求項9記載の表面性状分析方法にお
いて、更に前記フィッティング関数と前記検出データと
の差を取得し、その差の標準偏差を得て、前記試料表面
の温度を検出することを特徴とする表面性状分析方法。
10. The surface texture analysis method according to claim 9, further comprising obtaining a difference between the fitting function and the detection data, obtaining a standard deviation of the difference, and detecting a temperature of the sample surface. Characteristic surface texture analysis method.
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