JP2000346782A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

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JP2000346782A
JP2000346782A JP15724599A JP15724599A JP2000346782A JP 2000346782 A JP2000346782 A JP 2000346782A JP 15724599 A JP15724599 A JP 15724599A JP 15724599 A JP15724599 A JP 15724599A JP 2000346782 A JP2000346782 A JP 2000346782A
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Inventor
Hideo Nakajima
秀郎 中島
Original Assignee
Shimadzu Corp
株式会社島津製作所
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the action of excessive force to a sample and to enhance measuring accuracy in the observation of a surface shape and the measurement of adsorbing power by a scanning probe microscope. SOLUTION: A force curve measuring means 11 setting the compression and pulling limit values of the acting force applied across a cantilever 2 and a sample S to control the position of the sample so that measured acting force enters a range determined on the basis of the set limit value and measuring the acting force applied across the cantilever and the sample on the basis of the displacement of the cantilever is provided and the measurement of a surface shape using position data becoming a compression set limit value and the measurement of adsorbing power using position data becoming a pulling set limit value are performed while the cantilever is moved on the surface of the sample at every measuring point. A range measuring a force curve is designated based on the bending quantity of the cantilever and the acting force applied to the sample is restricted to the set limit value to prevent the action of excessive force.

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し、表面形状の観察、及び吸着力マッピング測定に関する。 The present invention relates to relates to a scanning probe microscope, observation of the surface shape, and a suction force mapping measurement.

【0002】 [0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡として、プローブと試料表面間に働く原子間力を用いた走査型原子間力顕微鏡(AFM)が知られている。 2. Description of the Related Art As a scanning probe microscope, a scanning atomic force microscope using an atomic force acting between the probe and the sample surface (AFM) is known. 走査型原子間力顕微鏡は、探針,探針を支持するカンチレバー,及びカンチレバーの曲がりを検出する変位測定系を備え、探針と試料との間の原子間力(引力または斥力)を検出して、試料表面の形状観察を行うものであり、生物,有機分子,絶縁体等の非導電物質の観察を行うことができる。 Scanning atomic force microscope comprises a probe, the cantilever supporting the probe, and a displacement measuring system for detecting the bending of the cantilever to detect the atomic force between the probe and the sample (attraction or repulsion) Te, which performs shape observation of the sample surface can be carried out biologically, organic molecules, the observation of the non-conductive material such as an insulating material. 走査型原子間力顕微鏡による観察では、コンタクトモード、コンタクトハイトモード、ノンコンタクトモード、ダイナミックモード等の各種の測定モードによって表面形状の測定に適用することができる。 The observation by the scanning atomic force microscope, a contact mode, the contact height mode, noncontact mode can be applied to the measurement of surface shape by various measurement modes of the dynamic mode or the like. コンタクトモードによる表面形状測定ではカンチレバーのたわみを検出し、ダイナミックモードによる表面形状測定ではカンチレバーの振幅を検出している。 The surface shape measurement by contact mode detects the deflection of the cantilever, a surface shape measurement by the dynamic mode and detects the amplitude of the cantilever.

【0003】また、走査型原子間力顕微鏡は上記の表面形状観察の他に、試料とカンチレバーとの間に働く作用力を測定するフォースカーブ測定機能を備えている。 [0003] The scanning type atomic force microscope in addition to the above surface shape observation, and a force curve measurement function for measuring an action force acting between the sample and the cantilever. フォースカーブ測定では、試料とカンチレバーとの距離を変化させ、試料とカンチレバーとの間に働く作用力を測定し、距離に対する作用力の変化を求める。 The force curve measured by varying the distance between the sample and the cantilever, measured acting force acting between the sample and the cantilever, determine the change in the acting force against distance. フォースカーブを測定することによって、試料の吸着力を測定することができる。 By measuring the force curve, it is possible to measure the adsorption force of the sample.

【0004】 [0004]

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡において、コンタクトモードやダイナミックモードによって表面形状測定する場合には、試料に対してnNオーダーの力でカンチレバーの探針を押し込むため、非常に柔らかな試料の場合にはこの探針の押圧力よって破壊されるおそれがある。 In THE INVENTION Problems to be Solved by the scanning probe microscope, when the surface shape measurement by a contact mode or dynamic mode, to force the probe of a cantilever with a force of nN order with respect to the sample, very soft in the case of sample may be destroyed by the pressing force of the probe. また、カンチレバーと試料とを相対的に移動させて走査すると、探針が試料に対して作用する力の方向は表面形状や走査方向等によって変化し、試料に対して必ずしも垂直方向とはならず、表面形状観察の測定条件が同一とならないという問題もある。 Also, when scanned by relatively moving the cantilever and the sample, the direction of the force probe acts on the sample varies depending on the surface shape and the scanning direction, etc., not necessarily perpendicular to the sample , there is a problem that the measurement conditions of the surface shape observation is not the same.

【0005】また、走査型プローブ顕微鏡によってフォースカーブを測定する場合には、カンチレバーあるいは試料の位置を制御する機構によって、カンチレバーが試料から最も離れた位置と最も接近した位置、あるいは試料がカンチレバーから最も離れた位置と最も接近した位置を指定し、これらの設定位置の範囲内で試料とカンチレバーとの距離を変化させている。 [0005] When measuring the force curve with a scanning probe microscope, the mechanism for controlling the position of the cantilever or the sample, the cantilever is closest and farthest from the sample position or sample the most from the cantilever Specifies the closest position as distant, and by changing the distance between the sample and the cantilever within these set position. 従来の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーの位置あるいは試料の位置を指定することによって、フォースカーブの測定範囲を定めているため、指定位置からの位置ずれによってカンチレバーや試料が破損するおそれがある。 In the conventional scanning probe microscope, by specifying the location or position of the sample of the cantilever, since that defines the measurement range of the force curve, there is a possibility that the cantilever or the sample may be damaged by the positional deviation from the specified position.

【0006】図5はカンチレバーと試料との位置関係を説明するための概略断面図である。 [0006] FIG. 5 is a schematic sectional view for explaining the positional relationship between the cantilever and the sample. カンチレバー2と試料Sとの間の距離を縮めると、図5(a)に示すように、カンチレバー2の探針20は試料Sと点Paで接触する。 When reducing the distance between the cantilever 2 and the sample S, as shown in FIG. 5 (a), the probe 20 of the cantilever 2 is in contact with the sample S and the point Pa. カンチレバー2と試料Sとの間の距離が変動すると、図5(b)あるいは図5(c)に示すように、試料Sやカンチレバー2に破損が生じる場合がある。 The distance between the cantilever 2 and the sample S is changed, as shown in FIG. 5 (b) or FIG. 5 (c), the sometimes damage to the sample S and the cantilever 2 occurs. 図5 Figure 5
(b)では、カンチレバー2と試料Sとが接近しすぎるため、接触点Pbにおいて試料Sやカンチレバー2に過大な圧縮力が作用する。 (B), the order cantilever 2 and the sample S are too close, excessive compressive force acts on the sample S and the cantilever 2 at the contact point Pb. また、カンチレバー2と試料S In addition, the cantilever 2 and the sample S
が接触した後に両者が離れる場合には、試料Sの表面に存在する液体Lによるメニスカスフォース(凝着力)によって、図5(c)に示すように試料Sに引っ張り力が作用する。 There when both leaves after contact, depending on the meniscus force with the liquid L on the surface of the sample S (adhesion force), a tensile force to the sample S as shown in FIG. 5 (c) is applied.

【0007】図6のフォースカーブ測定における位置と作用力との関係を示す図において、最接近位置Zu及び最離隔位置Zlのように位置を指定することによって測定範囲を定めている。 [0007] In view showing the relationship between the position and the action force in the force curve measured in FIG. 6, it defines the measurement range by specifying the position as closest position Zu and most distant position Zl. そのため、温度ドリフト等による位置ずれによって、Zu(最接近位置)を越える場合には最大圧縮限界Fuを越えた作用力が印加され、また、 Therefore, the positional deviation due to temperature drift or the like, the applied force exceeding the maximum compression limit Fu is applied when exceeding Zu (closest position), and
Zl(最離隔位置)を越える場合には最大引っ張り限界Fuを越えた作用力が印加されることになる。 So that the acting force exceeds the maximum tensile limit Fu is applied when exceeding zl (most distant position). したがって、従来の位置指定による場合では、不要な作用力が加わるおそれがる。 Therefore, in the case of conventional anchoring, possibility of unwanted acting force exerted want.

【0008】上記したように、従来の走査型プローブ顕微鏡では、表面形状観察及び吸着力測定において、試料に過剰な力が加わるという問題点がある。 [0008] As described above, in the conventional scanning probe microscope, the surface shape observation and adsorption force measurement, there is a problem that an excessive force is applied to the sample. また、フォースカーブ測定によって吸着力を測定する場合には、カンチレバーが試料から離れる直前の作用力を測定している。 When measuring the adsorption force by the force curve measured is measured acting force immediately before the cantilever away from the sample. 図6において、引っ張り力に耐えられなくなって探針が試料から離れる直前のFp を吸着力としており、このときのカンチレバーのたわみをフォトディテクターで検出している。 6, the Fp immediately before leaving the probe no longer withstand the pulling force from the sample has a suction force, and detects the deflection of the cantilever at this time is a photodetector. しかしながら、P点は作用力の変化点であって急激な変化であるため、フォトディテクターによる測定では高い分解能を望めないという問題がある。 However, since the point P is a rapid change to a change point of the action force, there is a problem that can not be expected a high resolution as measured by the photodetector.

【0009】そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、走査型プローブ顕微鏡による表面形状観察及び吸着力測定において、試料に対する過剰な力の作用を防止すると共に、測定精度を高めることを目的とする。 [0009] Therefore, the present invention is to solve the conventional problems described above, the surface shape observation and suction force measured by the scanning probe microscope, thereby preventing the action of excessive force to the sample, to enhance the measurement accuracy for the purpose.

【0010】 [0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いた表面形状観察及び吸着力測定において行なうフォースカーブ測定において、フォースカーブを測定する範囲を、カンチレバーの位置あるいは試料の位置を指定することに代えて、カンチレバーと試料との間に働く作用力を指定する。 Means for Solving the Problems The present invention provides a force curve measurements made at the surface shape observation and adsorption forces measured using a scanning probe microscope, the range of measuring the force curve, the position or location of a sample of the cantilever instead of specifying specifies the acting force acting between the cantilever and the sample. これによって、試料に加わる作用力を設定した限界値内に制限して過剰な力が作用するのを防止する。 Thus, excessive force is limited to the limit value set the acting force exerted on the sample is prevented from acting. また、各測定点ごとで測定を行うことによって、試料に対する作用力を垂直方向として同一の測定条件での測定を行うことによって測定精度を高める。 Also, by making measurements at each measurement point, increase measurement accuracy by performing measurement at the same measurement conditions acting force on the sample as the vertical direction.

【0011】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと試料との間に働く作用力の圧縮及び引っ張りの限界値を設定し、測定される作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置制御を行い、カンチレバーの変位に基づいてカンチレバーと試料との間に働く作用力を測定するフォースカーブ測定手段を備え、圧縮設定限界値となる位置データを用いた表面形状測定と、引っ張り設定限界値となる位置データを用いた吸着力測定とを、カンチレバーを試料表面上で各測定点ごとに移動させながら行う構成とする。 [0011] Scanning probe microscope of the present invention sets a limit value of the compression and tension of the acting force acting between the cantilever and the sample, so that the acting force to be measured is in the range defined by the set limit values to perform position control of the cantilever or the sample surface shape measurement using the position data to be force curve with the measuring means, the compression set limits for measuring the acting force acting between the cantilever and the sample on the basis of the displacement of the cantilever When, a suction force measurement using the position data to be tension set limits, the configuration in which while the cantilever is moved for each measurement point on the sample surface.

【0012】本発明の走査型プローブ顕微鏡のフォースカーブ測定手段は、カンチレバーと試料との間に働く作用力の上限と下限を圧縮設定限界値及び引っ張り設定限界値として設定し、該作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置制御を行う。 [0012] Force curve measurement means of a scanning probe microscope of the present invention configured as compression set limits and tensile set limits upper and lower limits of the working force acting between the cantilever and the sample, the acting force is set controlling the position of the cantilever or the sample to be within a range defined by the limit values. なお、作用力とカンチレバーのたわみは比例するため、作用力に代えてカンチレバーのたわみ量で設定及び測定を行うことができる。 Note that deflection of the acting force and the cantilever for proportional, it can be set and measured by the amount of deflection of the cantilever instead of the acting force.

【0013】本発明は、フォースカーブ測定手段において、圧縮設定限界値となる位置データから表面形状に係わるデータを測定し、引っ張り設定限界値となる位置データから吸着力に係わるデータを測定する。 The present invention, in the force curve measuring means, the data relating the position data to be compressed set limits the surface shape is measured, and measuring data related to the suction force from the position data as the tensile set limit value. 取得した表面形状データ及び吸着力データを、試料表面の複数測定点で求めることによって、表面形状及び吸着力マッピングを得ることができる。 The obtained surface shape data and the suction force data, by obtaining a plurality measurement point on the sample surface, it is possible to obtain a surface shape and suction force mapping. 本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、フォースカーブの測定中にカンチレバーと試料との間に働く作用力を制限し、設定された限界値の範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置を制御することによって、試料あるいはカンチレバーに破損を与えることなく表面形状及び吸着力マッピングを得ることができる。 According to the scanning probe microscope of the present invention, limiting the action force acting between the cantilever and the sample during the measurement of the force curve, controls the cantilever or position of the sample so as to be in the range of the set limits by, it is possible to obtain the surface shape and the suction force mapping without giving damage to the sample or the cantilever.

【0014】また、各測定を、測定点ごとに行うことによって、カンチレバーによる試料の損傷を防止すると共に、作用力の作用方向を各測定で同一として測定精度を高めることができる。 Further, each measurement, by performing for each measurement point, thereby preventing damage to the sample by the cantilever, it is possible to improve the measurement accuracy of the direction of action of the applied force as the same for each measurement.

【0015】 [0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, will be described in detail with reference to the drawings embodiments of the present invention. 図1は本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成図であり、走査型原子間力顕微鏡を例とした図である。 Figure 1 is a block diagram of a scanning probe microscope of the present invention, a diagram as an example of a scanning atomic force microscope. 図1に示す走査型プローブ顕微鏡は、探針20,探針20を支持するカンチレバー2,カンチレバー2の曲がりを検出する変位測定系3, Scanning probe microscope shown in Figure 1, the probe 20, the cantilever 2 for supporting the probe 20, the displacement measuring system 3 for detecting a bending of the cantilever 2,
及び試料SをZ軸方向、及びX軸,Y軸方向に移動させる駆動系4を備え、探針20と試料Sとの間の原子間力(引力または斥力)を、カンチレバーのたわみ量で検出し、取得したたわみ量を用いて試料表面の形状観察及び吸着力マッピングを行う。 And sample S Z-axis direction, and the X-axis, a drive system 4 is moved in the Y-axis direction, atomic force between the probe 20 and the sample S (the attraction or repulsion), detected by the deflection amount of the cantilever and, performing shape observation and adsorption force mapping of the sample surface by using the obtained amount of deflection.

【0016】変位測定系3は、レーザー発振器31等の光源、ミラー32,33等の光学系、フォトダイオード34等の光検出器を備え、レーザー発振器31から発せられカンチレバー2で反射されたレーザー光をフォトダイオード34で検出することによって、カンチレバー2 The displacement measuring system 3, a laser oscillator 31 or the like of a light source, an optical system such as a mirror 32 and 33, includes a light detector such as a photodiode 34, the laser beam reflected by the cantilever 2 is emitted from the laser oscillator 31 by detecting the photodiode 34, the cantilever 2
の変位を測定する。 To measure the displacement. カンチレバー2の変位からフォースカーブを測定する。 To measure the force curve from the displacement of the cantilever 2. フォトダイオード34で検出された変位信号はA/D変換器35でデジタル信号に信号変換された後、測定手段1のフォースカーブ測定手段1に送られる。 The detected displacement signal by the photodiode 34 after being signal converted into a digital signal by the A / D converter 35 and sent to the force curve measuring means 1 of the measuring means 1.

【0017】測定手段1は、フォースカーブを測定するフォースカーブ測定手段11と、該フォースカーブ測定手段11で取得したデータに基づいて、表面形状を求める表面形状測定手段12及び吸着力を求める吸着力マッピング測定手段13を備える。 The measurement means 1, a force curve measuring means 11 for measuring the force curve, the suction force based on the data acquired in the force curve measuring means 11 obtains a surface shape measuring means 12 and the suction force determining the surface shape comprises mapping measurement means 13. フォースカーブ測定手段11はカンチレバー2の変位に対応した作用力を算出するとともに、駆動系4に対して制御信号を出力する。 Force curve measurement means 11 calculates a working force corresponding to the displacement of the cantilever 2, and outputs a control signal to the drive system 4. 駆動系4は、フォースカーブ測定手段1からのデジタルの制御信号をアナログ信号に変換するD/A変換器41 Drive system 4, D / A converter 41 for converting the digital control signal from the force curve measuring means 1 into an analog signal
と、該アナログ信号によってスキャナ43をZ軸方向に駆動するスキャナドライバ42とを備える。 When, and a scanner driver 42 for driving the scanner 43 in the Z-axis direction by the analog signal. なお、スキャナドライバ42は、図示しない制御装置から制御信号を受けてスキャナ43をX軸方向,Y軸方向に駆動し、 The scanner driver 42 drives the scanner 43 X-axis direction, the Y-axis direction in response to a control signal from a control unit (not shown),
試料Sを走査することができる。 It is possible to scan the sample S.

【0018】本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えるフォースカーブ測定手段11は、カンチレバー2と試料S The force curve measuring means 11 provided in the scanning probe microscope of the present invention, the cantilever 2 and the sample S
との間に働く作用力の限界値を設定し、測定される作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチレバー2あるいは試料Sの位置制御を行う。 Set the limit value of the working force, acting force to be measured to control the position of the cantilever 2 or the sample S to be within a range defined by the set limit values ​​acting between. なお、作用力の設定限界値としてカンチレバーのたわみ量を用いることができる。 Incidentally, it is possible to use the amount of deflection of the cantilever as the set limit value of the acting force. 以下では、たわみ量によって設定限界値を定める例を説明する。 In the following, an example for determining the set limit value by the amount of deflection.

【0019】図2は、カンチレバーに働くたわみ量ΔZ [0019] FIG. 2, the amount of deflection ΔZ to work on the cantilever
(作用力)の限界値及び位置制御の関係を説明するための図である。 It is a diagram for explaining the relationship between the limit value and the position control (acting force). 図2において縦軸はカンチレバーに働くたわみ量ΔZを示し、横軸は試料に対するカンチレバーの位置を示し、スキャナのZ軸方向の位置で示している。 The vertical axis in FIG. 2 shows the amount of deflection ΔZ acting on the cantilever, the horizontal axis represents the position of the cantilever relative to the sample, it is indicated by the position of the Z-axis direction of the scanner.
なお、図2において、Aで示される部分は、カンチレバーが試料に接近する際に、試料表面に存在する液体層によるメニスカスフォースによってカンチレバーが試料側に引きつけられた状態を示し、Bで示される部分は試料を圧縮したカンチレバーを戻す状態を示し、Cで示される部分はカンチレバーが試料から離れる際に試料表面に存在する液体層によるメニスカスフォースによってカンチレバーが試料側に引きつけられた状態を示している。 The portion in FIG. 2, the portion indicated by A, when the cantilever approaches the sample shows a state in which the cantilever by the meniscus force by the liquid layer present on the sample surface is attracted to the sample side, represented by B shows a state in which return the cantilever obtained by compressing the sample, the portion indicated by C shows the state in which the cantilever by the meniscus force is attracted to the sample side by the liquid layer present on the sample surface when the cantilever is away from the sample.

【0020】本発明では、カンチレバーに働くたわみ量に限界値を設定することによって、フォースカーブの測定範囲を定めている。 In the present invention, by setting the limit value to the amount of deflection which acts on the cantilever, it defines the measurement range of the force curve. 図2において、カンチレバーが試料を圧縮する方向に加わるたわみ量の限界値として上限値ΔZ(max)を定め、カンチレバーが試料を引っ張る方向に加わる作用力の限界値として下限値ΔZ(min) 2, determines the upper limit value [Delta] Z (max) as a limit value of the amount of deflection applied to the direction in which the cantilever is to compress the sample, the lower limit value as a limit value of the acting force exerted in the direction in which the cantilever pulls the sample [Delta] Z (min)
を定める。 The stipulated. この上限値ΔZ(max)び下限値ΔZ(min) The upper limit value [Delta] Z (max) Beauty lower limit [Delta] Z (min)
は、カンチレバーと試料との間に発生する作用力によってカンチレバーあるいは試料に損傷が生じない最大値、 The maximum value of damage to the cantilever or the sample is not caused by the action force generated between the cantilever and the sample,
あるいはその最大値に所定の安全率を乗じた値を用いることができる。 Or it may be a value obtained by multiplying a predetermined safety factor to the maximum value thereof. カンチレバーのたわみ量ΔZが、設定した上限値ΔZ(max)と下限値ΔZ(min)との間の範囲内となるように、試料及びカンチレバーの位置制御を行い、この位置制御によって、スキャナのZ方向の位置はZi(max)とZi(min)の範囲内を移動する。 Cantilever deflection amount [Delta] Z is, to be within a range between the upper limit value [Delta] Z set (max) and the lower limit value [Delta] Z (min), performs position control of the sample and the cantilever, this position control, scanner Z direction position is moving in the range of Zi (max) and Zi (min). これによって、カンチレバーと試料との間に働く作用力は、上限値ΔZ(max)と下限値Z(min)のたわみ量で表される作用力の間に制限される。 Thus, the action force acting between the cantilever and the sample is limited to between the working force, represented by the amount of deflection of the upper limit value [Delta] Z (max) and lower limit value Z (min).

【0021】次に、図3のブロック図を用いて測定手段の構成を説明する。 Next, the structure of the measuring unit will be described with reference to the block diagram of FIG. 図3において、測定手段1はフォースカーブ測定手段11と、表面形状測定手段12と、吸着力マッピング測定手段13と、記憶手段14とを備える。 3, comprises measuring means 1 and the force curve measuring means 11, a surface shape measuring means 12, a suction force mapping measurement unit 13, a storage unit 14. フォースカーブ測定手段11は、たわみ量(作用力)の制限及び該制限による位置制御に基づいてフォースカーブの測定範囲を定める機能を備える部分であり、 Force curve measurement means 11 is a portion having a function of determining the measuring range of the force curve based on the position control due to limitations and the restriction of the deflection amount (acting force),
限界値における位置を測定する構成として、比較手段1 A configuration to measure the position at the limit value, comparing means 1
1a及びスキャナ位置算出手段11bを備える。 It comprises 1a and scanner position calculating means 11b. 比較手段11aは、検出したたわみ量ΔZと限界値ΔZ(ma Comparing means 11a is detected deflection amount [Delta] Z and limit [Delta] Z (ma
x),ΔZ(min)とを比較し、スキャナ位置算出手段1 x), compares the ΔZ (min), the scanner position calculator 1
1bは、比較手段11aの比較結果に基づいて該限界値におけるスキャナ位置Zi(max),Zi(min)を算出する。 1b is a scanner located Zi in 該限 field value based on the comparison result of the comparing means 11a (max), calculates the Zi (min). なお、比較手段11a及びスキャナ位置算出手段11bで用いる設定値Zs(スキャナの初期位置)及び限界値ΔZ(max),ΔZ(min)は設定手段5から設定することができる。 The setting value Zs to be used in comparing means 11a and the scanner position calculating unit 11b (initial position of the scanner) and a limit value ΔZ (max), ΔZ (min) can be set from the setting means 5. また、フォースカーブ測定手段11 In addition, the force curve measurement means 11
は、たわみ量に対応するスキャナ位置Ziを算出し、該スキャナ位置Ziをドライバ側に(D/A変換器41, Calculates the scanner position Zi corresponding to deflection amount, the scanner position Zi in the driver side (D / A converter 41,
スキャナドライバ42)に送ってZ方向の制御を行う。 It controls the Z-direction is sent to the scanner driver 42).
スキャナ位置算出手段11bで算出したスキャナ位置Z Scanner position Z calculated by the scanner position calculating unit 11b
i(max),Zi(min)は記憶手段15に記憶する。 i (max), Zi (min) is stored in the storage unit 15.

【0022】表面形状測定手段12は、試料高さ算出手段12aにおいてスキャナ位置Zi(max)を用いて試料表面の高さデータDiを算出し、測定点のX,Y座標データと共に表面形状記憶手段12bに記憶する。 The surface shape measuring means 12, in sample height calculation means 12a using the scanner position Zi (max) to calculate the height data Di of the sample surface, X of the measurement point, the surface shape memory means together with the Y-coordinate data and stores it in the 12b. また、吸着力マッピング測定手段13は、吸着力算出手段13aにおいてスキャナ位置Zi(min)を用いて等しい吸着力を有する試料表面の高さデータdiを算出し、 Further, the suction force mapping measurement unit 13 calculates the height data di of the sample surface with a suction force equal using the scanner position Zi (min) in the adsorption force calculating unit 13a,
測定点のX,Y座標データと共に吸着力分布として吸着力分布記憶手段13bに記憶する。 X of measurement point, and stores the suction force distribution storage unit 13b as the suction force distribution with Y coordinate data. 表面形状記憶手段1 Surface shape storage section 1
2b及び吸着力分布記憶手段13bに格納するデータは、表示手段6において画像表示することができる。 2b and data to be stored in the suction force distribution storage unit 13b may be an image displayed on the display unit 6.

【0023】次に、図4のフローチャートを用いて測定手段が行う動作を説明する。 Next, the measuring means the operation will be described which performs with reference to the flowchart of FIG. はじめに、設定手段5からスキャナ動作開始位置Zs,たわみ量の上限値ΔZ(ma First, the scanner operation start position from the setting means 5 Zs, the amount of deflection of the upper limit value [Delta] Z (ma
x)及び下限値Z(min)を入力する。 Inputting a x) and the lower limit value Z (min). スキャナ動作開始位置Zsは、フォースカーブ測定におけるスキャナの最初の位置であり、通常、カンチレバーと試料とが十分に離隔した位置となるよう設定する。 The scanner operation start position Zs is the first position of the scanner in the force curve measured, usually set so that the cantilever and the sample is sufficiently spaced positions. なお、図2において、スキャナ位置Ziを示す座標は、図の左方向をZi In FIG. 2, coordinates indicating the scanner position Zi is the left direction in FIG Zi
が増加する方向としている。 There has been a direction to increase.

【0024】上限値ΔZ(max)は、カンチレバーの圧縮時での最大のたわみ量であり、カンチレバーが試料を圧縮する方向に加わる作用力の限界値に対応している。 The upper limit value [Delta] Z (max) is the maximum amount of deflection at the time of the cantilever compression, it corresponds to the limit value of the acting force exerted in the direction in which the cantilever is to compress the sample.
また、下限値Z(min)は、カンチレバーの引っ張り時での最大のたわみ量であり、カンチレバーが試料を引っ張る方向に加わる作用力の限界値である。 The lower limit Z (min) is the largest amount of deflection when pulling the cantilever, which is the limit value of the acting force exerted in the direction in which the cantilever pulls the sample. 上限値ΔZ Upper limit value ΔZ
(max)及び下限値Z(min)は、カンチレバーと試料との間に発生する作用力によってカンチレバーあるいは試料に損傷が生じない最大値あるいはその最大値に所定の安全率を乗じた値に対応してものを用いる(ステップS (Max) and the lower limit value Z (min) corresponds to a value obtained by multiplying a predetermined safety factor to the maximum value or the maximum value thereof damage to the cantilever or the sample is not caused by the action force generated between the cantilever and the sample used as Te (step S
1)。 1).

【0025】スキャナをx,y方向の走査して測定点に移動し(ステップS2)、スキャナのZ軸を動作させてフォースカーブを測定するために、スキャナ位置Ziを初期位置Zsに設定する。 [0025] The scanner x, by scanning in the y direction to move to the measuring point (step S2), and by operating the Z-axis of the scanner to measure the force curve, it sets the scanner position Zi in the initial position Zs. また、スキャナのZ軸の最初の移動方向を設定する。 Also, setting the initial moving direction of the Z-axis of the scanner. ここでは、移動方向としてカンチレバーと試料とが接近し、圧縮力が発生する移動方向の極性Pを(+)とし、カンチレバーと試料とが離隔し、引っ張り力が発生する移動方向の極性Pを(−)として、初期の移動方向を(+)に設定する(ステップS Here, the cantilever and the sample approaches a moving direction, the polarity P of the moving direction of compressive force is generated as (+), spaced apart cantilever and the sample, the polarity P of the moving direction of the tensile force is generated ( -) as to set the initial moving direction (+) (step S
3)。 3).

【0026】スキャナ位置Ziを移動させながら、カンチレバーのたわみ量ΔZを測定し(ステップS4)、比較手段11aにおいて上限値ΔZ(max)と比較する。 [0026] while moving the scanner position Zi, measure the amount of deflection [Delta] Z of the cantilever (step S4), and compared with the upper limit value [Delta] Z (max) in the comparison unit 11a.
たわみ量ΔZが上限値ΔZ(max)となるまでスキャナ位置Ziを移動させ、たわみ量ΔZが上限値ΔZ(ma Deflection amount [Delta] Z moves the scanner position Zi until the upper limit value [Delta] Z (max), the deflection amount [Delta] Z is an upper limit value [Delta] Z (ma
x)となった時点でスキャナ位置Ziの移動を停止し(ステップS5)、このときのスキャナ位置Zi(ma To stop the movement of the scanner position Zi at the time when a x) (step S5), and the scanner position Zi (ma in this case
x)を記憶する(ステップS6)。 x) storing (step S6).

【0027】次に、スキャナの移動方向極性を(−)とし、カンチレバーを試料から放す方向に移動させる(ステップS7)。 Next, the moving direction polarity of the scanner (-) and is moved in a direction to release the cantilever from the sample (step S7). スキャナ位置Ziを移動させながら、カンチレバーのたわみ量ΔZを測定し(ステップS8)、 While moving the scanner position Zi, measure the amount of deflection ΔZ of the cantilever (step S8), and
比較手段11aにおいて下限値ΔZ(min)と比較する。 Compared with the lower limit value [Delta] Z (min) in comparison means 11a. たわみ量ΔZが下限値ΔZ(min))となるまでスキャナ位置Ziを移動させ、たわみ量ΔZが下限値ΔZ Deflection amount [Delta] Z moves the scanner position Zi until the lower limit value ΔZ (min)), the deflection amount [Delta] Z is a lower limit value [Delta] Z
(min))となった時点でスキャナ位置Ziの移動を停止し(ステップS5)、このときのスキャナ位置Zi (Min)) and stops the movement of the scanner position Zi they become (step S5), and the scanner position Zi of the time
(min)を記憶する(ステップS10)。 (Min) storing (step S10). ステップS3 Step S3
からステップS10の工程を、測定点を移動させながら繰り返すことによって、試料表面の測定領域の表面形状及び吸着力分布を求めることができる。 From the process of step S10, by repeating while moving the measurement point, it can be obtained the surface shape and the adsorption force distribution of the measurement region of the sample surface.

【0028】 [0028]

【発明の効果】以上説明したように、走査型プローブ顕微鏡による表面形状観察及び吸着力測定において、試料に対する過剰な力の作用を防止すると共に、測定精度を高めることができる。 As described above, according to the present invention, the surface shape observation and suction force measured by the scanning probe microscope, thereby preventing the action of excessive force to the sample, it is possible to improve the measurement accuracy.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成図であり、走査型原子間力顕微鏡を例とした図である。 [1] is a configuration diagram of a scanning probe microscope of the present invention, a diagram as an example of a scanning atomic force microscope.

【図2】カンチレバーに働くたわみ量ΔZ(作用力)の限界値及び位置制御の関係を説明するための図である。 2 is a diagram for explaining a relationship between the limit value and the position control of the work to the cantilever deflection amount [Delta] Z (acting force).

【図3】本発明の測定手段の構成を説明するブロック図である。 3 is a block diagram illustrating the configuration of a measuring unit of the present invention.

【図4】本発明の測定手段が行う動作を説明するためのフローチャートである。 Is a flow chart for measuring means for describing the operation performed by the of the present invention; FIG.

【図5】カンチレバーと試料との位置関係を説明するための概略断面図である。 5 is a schematic sectional view for explaining the positional relationship between the cantilever and the sample.

【図6】フォースカーブ測定における位置と作用力との関係を示す図である。 6 is a diagram showing the relationship between the position and the working force in the force curve measured.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1…測定部、2…カンチレバー、3…変位検出系、4… 1 ... measurement unit, 2 ... cantilever, 3 ... displacement detection system, 4 ...
駆動系、5…設定手段、6…表示部、11…フォースカーブ測定手段、11a…比較手段、11b…スキャナ位置算出手段、12…表面形状測定手段、12a…試料高さ算出手段、12b…表面形状記憶手段、13…吸着力マッピング測定手段、13a…吸着力算出手段、13b Drive system, 5 ... setting unit, 6 ... display unit, 11 ... force curve measuring means 11a ... comparator, 11b ... scanner position calculating means, 12 ... surface shape measuring unit, 12a ... sample height calculation means, 12b ... surface shape memory means, 13 ... suction force mapping measurement unit, 13a ... suction force calculating means, 13b
…吸着力分布記憶手段、14…記憶手段、20…探針、 ... suction force distribution storage unit, 14 ... storage unit, 20 ... probe,
31…レーザー発振器、32,33…ミラー、34…フォトダイオード、35…A/D変換器、41…D/A変換器、42…スキャナドライバ、43…スキャナ、S… 31 ... laser oscillator, 32, 33 ... mirror, 34 ... photodiode, 35 ... A / D converter, 41 ... D / A converter, 42 ... scanner driver, 43 ... scanner, S ...
試料。 sample.

Claims (1)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 カンチレバーと試料との間に働く作用力の圧縮及び引っ張りの限界値を設定し、測定される作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置制御を行い、カンチレバーの変位に基づいてカンチレバーと試料との間に働く作用力を測定するフォースカーブ測定手段を備え、圧縮設定限界値となる位置データを用いた表面形状測定と、引っ張り設定限界値となる位置データを用いた吸着力測定とを、カンチレバーを試料表面上で各測定点ごとに移動させながら行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 [Claim 1] sets the limit value of the compression and tension of the acting force acting between the cantilever and the sample, the position control of the cantilever or the sample as acting force to be measured is in the range defined by the set limit values was carried out, with a force curve measurement means for measuring the acting force acting between the cantilever and the sample on the basis of the displacement of the cantilever, and the compression set limits a position data surface shape measurement using a tensile set limit value a suction force measurement using the position data comprising a scanning probe microscope cantilevers and performs while moving to each measurement point on the sample surface.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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