JP2001013155A - Measuring method for scanning probe microscope and device - Google Patents

Measuring method for scanning probe microscope and device

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JP2001013155A
JP2001013155A JP11188515A JP18851599A JP2001013155A JP 2001013155 A JP2001013155 A JP 2001013155A JP 11188515 A JP11188515 A JP 11188515A JP 18851599 A JP18851599 A JP 18851599A JP 2001013155 A JP2001013155 A JP 2001013155A
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sample
scanning probe
probe microscope
resonance frequency
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Japanese (ja)
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K Binihhi Gerudo
ゲルド・K・ビニッヒ
Heebere Walter
ヘーベレ ウォルター
Akihiko Honma
昭彦 本間
Akira Inoue
明 井上
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Seiko Instruments Inc
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32AC mode
    • G01Q60/34Tapping mode

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To scan a sample by a cantilever in a scanning probe microscope, and to accurately measure a sample surface at a high S/N ratio. SOLUTION: A multilayer piezoelectric element 22 is excited at a resonance frequency f0 of a cantilever 3 by a signal from an oscillator 9. In that state, a sample surface is scanned with bringing a probe 3a of the cantilever 3 in contact with a sample 12. An optical lever detection part 2 detects a position of the cantilever 3 at a nearly middle position of a lever body 3c. When the probe 3a comes into contact with the sample 12, the cantilever 3 vibrates at a large amplitude, while a Z-direction position of the cantilever 3 is feedback- controlled by use of a partial position having a largest amplitude detected by the optical lever detection part 2. As a result, a shape of the sample surface can be accurately measured at a high S/N ratio.

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】この発明は走査型プローブ顕
微鏡を用いた試料の表面形状の測定方法およびそのため
の装置に関し、特に試料を振動させて試料の表面形状を
測定するようにした走査型プローブ顕微鏡の測定方法お
よび装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for measuring the surface shape of a sample using a scanning probe microscope and a device therefor, and more particularly to a scanning probe microscope for measuring the surface shape of a sample by vibrating the sample. The present invention relates to a measuring method and an apparatus.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の表
面形状を測定するための従来の測定方法として、カンチ
レバーを共振振動させて試料表面を軽く叩き、該叩き具
合が一定になるようにサーボ系でカンチレバーのZ方向
の位置(試料とカンチレバーとの間の距離)をフィード
バック制御することにより、試料表面の形状データを得
るようにする測定方法が知られている。この方法は、一
般に、タッピングモード(tapping mode) と呼ばれてい
る。
2. Description of the Related Art As a conventional measuring method for measuring the surface shape of a sample using a scanning probe microscope, a servo system is used so that the cantilever is resonated and vibrated and the sample surface is lightly hit and the hitting condition is constant. A measurement method is known in which the position of the cantilever in the Z direction (distance between the sample and the cantilever) is feedback-controlled to obtain shape data of the sample surface. This method is generally called a tapping mode.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如く、タッピングモードにより試料表面の測定を行う場
合、カンチレバーが試料を軽く叩いている状態でカンチ
レバーを試料に近づけると、カンチレバーの自励振動が
抑制され、カンチレバーの振動振幅はカンチレバーが試
料に近づくほど小さくなってしまう。この結果、カンチ
レバーが試料に極めて近づいた状態での検出信号のS/
N比が著しく低下してしまい、カンチレバーのZ方向の
位置制御が不安定になり、測定を精度よく行うことがで
きなくなるという問題点を有している。
However, as described above, when measuring the sample surface in the tapping mode, if the cantilever is brought close to the sample while the cantilever is tapping the sample lightly, the self-excited oscillation of the cantilever is suppressed. Therefore, the vibration amplitude of the cantilever becomes smaller as the cantilever approaches the sample. As a result, the S / S of the detection signal when the cantilever was extremely close to the sample was obtained.
There is a problem that the N ratio is remarkably reduced, the position control of the cantilever in the Z direction becomes unstable, and measurement cannot be performed accurately.

【0004】本発明の目的は、したがって、従来技術に
おける上述の問題点を解決することができるようにし
た、走査型プローブ顕微鏡の測定方法および装置を提供
することにある。
An object of the present invention is to provide a measuring method and apparatus for a scanning probe microscope, which can solve the above-mentioned problems in the prior art.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、試料の表面にカンチレバーをあてて該試
料の表面の形状を測定する走査型プローブ顕微鏡の測定
方法において、カンチレバーの自由振動の共振周波数又
は、この近傍の実質的に共振周波数に等しい周波数で試
料を加振した状態で、カンチレバーを試料表面に軽く接
触しながら試料表面の形状を測定するようにしたもので
ある。
According to the present invention, there is provided a method for measuring the shape of a surface of a sample by placing the cantilever on the surface of the sample. In the state where the sample is vibrated at the resonance frequency of or at a frequency substantially equal to the resonance frequency in the vicinity of the resonance frequency, the shape of the sample surface is measured while lightly touching the cantilever to the sample surface.

【0006】試料の加振は、試料全体でもよいが、試料
の一部、すなわち試料のうちの測定部分のみに対する局
所的な加振であってもよい。
The vibration of the sample may be the whole sample, or may be local vibration of a part of the sample, that is, only a measurement portion of the sample.

【0007】このように試料を加振すると、カンチレバ
ーの探針を試料に近づけていったとき、探針が試料に原
子間力で接触した状態となると、カンチレバーは加振さ
れた試料からの振動をうけてカンチレバーが加振され
る。この加振の周波数はカンチレバーの自由振動の共振
周波数と同一又は実質的に同一であるから、以後、カン
チレバーが試料に近づくにつれてカンチレバーの振動振
幅が徐々に大きくなる。
When the sample is vibrated in this way, when the tip of the cantilever approaches the sample when the probe comes into contact with the sample by atomic force, the cantilever vibrates from the vibrated sample. The cantilever is vibrated. Since the frequency of the vibration is the same or substantially the same as the resonance frequency of the free vibration of the cantilever, the vibration amplitude of the cantilever gradually increases as the cantilever approaches the sample.

【0008】この結果、探針を試料の表面に軽く接触さ
せてから測定のためのカンチレバーの走査を行った場
合、カンチレバーが試料に接触していてもカンチレバー
の振動振幅が大きく、検出信号のS/N比が改善され、
高精度の測定が可能となる。
As a result, when the cantilever is scanned for measurement after the probe is lightly brought into contact with the surface of the sample, the vibration amplitude of the cantilever is large even if the cantilever is in contact with the sample, and the detection signal S / N ratio is improved,
High-precision measurement is possible.

【0009】また、本発明によれば、試料の表面にカン
チレバーをあてて該試料の表面の形状を測定する走査型
プローブ顕微鏡において、前記試料をカンチレバーの自
由振動の共振周波数又は、この近傍の実質的に共振周波
数に等しい周波数で加振するための加振手段を備えた走
査型プローブ顕微鏡が提案される。
Further, according to the present invention, in a scanning probe microscope in which a cantilever is placed on a surface of a sample to measure the shape of the surface of the sample, the sample is provided with a resonance frequency of free vibration of the cantilever or a substantial frequency near the resonance frequency. There is proposed a scanning probe microscope provided with a vibration means for vibrating at a frequency substantially equal to the resonance frequency.

【0010】上記加振手段は、試料の全体を加振する構
成でもよいが、試料のうちの被測定部分のみを局所的に
加振する構成としてもよい。
The vibrating means may be configured to vibrate the entire sample, or may be configured to locally vibrate only a portion to be measured of the sample.

【0011】また、本発明によれば、試料の表面にカン
チレバーをあてて試料表面の形状を測定するようにした
走査型プローブ顕微鏡の測定方法において、前記カンチ
レバーによる前記試料の叩き具合が所定の状態になるよ
うサーボ系でカンチレバーのZ方向の位置をフィードバ
ック制御するため、前記カンチレバーの固定端と探針と
の間の位置で前記カンチレバーの位置を検出するように
した方法が提案される。
According to the present invention, in a measuring method of a scanning probe microscope in which a cantilever is applied to a surface of a sample to measure a shape of the surface of the sample, the degree of hitting of the sample by the cantilever is in a predetermined state. In order to perform feedback control of the position of the cantilever in the Z direction by a servo system, a method of detecting the position of the cantilever at a position between the fixed end of the cantilever and the probe is proposed.

【0012】カンチレバー上での位置検出のための位置
は、前記カンチレバーの固定端と探針との間の略中間位
置であることが好ましい。
It is preferable that the position for detecting the position on the cantilever is a substantially intermediate position between the fixed end of the cantilever and the probe.

【0013】カンチレバーの位置検出は、カンチレバー
上に歪ゲージ等のセンサを直接取り付けて行ってもよい
し、レーザ光のスポットをカンチレバー上の所定のいち
にあて、これにより生じる反射レーザ光を分割型フォト
ダイオードで受光して検出する構成でもよい。
The position detection of the cantilever may be performed by directly attaching a sensor such as a strain gauge on the cantilever, or a spot of the laser beam is applied to a predetermined spot on the cantilever, and the reflected laser beam generated thereby is divided by a split type. A configuration in which light is received by a photodiode and detected is also possible.

【0014】測定中、カンチレバーは固定端と探針とが
節となるように振動するので、その間の部分は振動の腹
となりそこでの振動振幅は大きくなる。したがって、上
記の方法によれば、検出感度を大きくすることができ
る。
During the measurement, the cantilever vibrates so that the fixed end and the probe become a node, and the portion between them becomes an antinode of vibration, and the vibration amplitude there increases. Therefore, according to the above method, the detection sensitivity can be increased.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態の一例を詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0016】図1は、本発明による走査型プローブ顕微
鏡の一実施形態の構成を示すブロック図である。この走
査型プローブ顕微鏡においては、図示されているよう
に、上端が固定されたピエゾスキャナ1の下端に、カン
チレバー3の変位検出部2(以下、光てこ検出部と呼
ぶ)が取り付けられている。該光てこ検出部2はレーザ
光を利用した公知の構成のものであり、光てこ検出部2
からの出力信号はRMS−DC回路(Root mean square
-DC 回路、すなわち、2乗平均平滑回路)4に入力さ
れ、ここで検波されてカンチレバー3の変位に応じたレ
ベルの直流信号に変換される。RMS−DC回路4から
の直流出力信号は比較器5に入力され、目標値設定部6
で設定された目標値と大小比較される。該比較器5での
大小比較の結果を示す出力は、比例積分(PI)制御部
7に入力される。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the scanning probe microscope according to the present invention. In this scanning probe microscope, as shown in the figure, a displacement detecting unit 2 (hereinafter, referred to as an optical lever detecting unit) of a cantilever 3 is attached to a lower end of a piezo scanner 1 having an upper end fixed. The optical lever detection unit 2 has a known configuration using a laser beam.
Output signal from the RMS-DC circuit (Root mean square)
-DC circuit, that is, a root-mean-square circuit 4, where it is detected and converted into a DC signal having a level corresponding to the displacement of the cantilever 3. The DC output signal from the RMS-DC circuit 4 is input to the comparator 5 and the target value setting unit 6
Is compared with the target value set in. An output indicating the result of the magnitude comparison in the comparator 5 is input to a proportional-integral (PI) control unit 7.

【0017】また、該比例積分制御部7の出力信号は、
増幅器8に送られる。増幅器8の出力は、前記ピエゾス
キャナ1のZ方向、すなわちピエゾスキャナ1の軸方向
駆動電極1aに印加される。また、XY走査信号発生部
10の走査信号出力は、それぞれ、X,Y方向駆動電極
1b,1cに印加される。なお、前記比較器5、目標値
設定部6、およびPI制御部7は、カンチレバー3の探
針3aと試料12との間の距離を目標値設定部6により
設定された値に制御するためのZサーボ系11を構成し
ている。したがって、該比例積分制御部7の出力信号は
試料12の表面の形状を表すこととなり、画像信号aと
して図示されていない画像表示装置に送られる。
The output signal of the proportional-integral control unit 7 is
The signal is sent to the amplifier 8. The output of the amplifier 8 is applied to the Z-direction of the piezo scanner 1, that is, to the axial drive electrode 1a of the piezo scanner 1. The scanning signal output of the XY scanning signal generator 10 is applied to the X and Y direction driving electrodes 1b and 1c, respectively. The comparator 5, the target value setting unit 6, and the PI control unit 7 control the distance between the probe 3a of the cantilever 3 and the sample 12 to a value set by the target value setting unit 6. The Z servo system 11 is configured. Therefore, the output signal of the proportional-integral control unit 7 represents the shape of the surface of the sample 12, and is sent as an image signal a to an image display device (not shown).

【0018】符号9で示されるのは、1〜400kHz
の電圧信号を出力することができる発振器であり、発振
器9からの出力信号は、多層ピエゾ22に印加されてい
る。多層ピエゾ22は、周知のように、同極性のピエゾ
板を複数枚同じ向きに積層したものであり、多層ピエゾ
22は固定台23上に設けられ、多層ピエゾ22上に試
料12が置かれている。多層ピエゾ22に発振器9から
の出力信号が印加されると一枚々々の変位量が加算され
て大きく変位できる。以上の構成により、発振器9から
の出力信号の周波数と同じ振動数で試料12を多層ピエ
ゾ22によって強制的に振動させることができる。
Reference numeral 9 denotes 1 to 400 kHz
, And an output signal from the oscillator 9 is applied to the multilayer piezo 22. As is well known, the multi-layer piezo 22 is formed by stacking a plurality of piezo plates having the same polarity in the same direction. The multi-layer piezo 22 is provided on a fixed base 23, and the sample 12 is placed on the multi-layer piezo 22. I have. When the output signal from the oscillator 9 is applied to the multilayer piezo 22, the displacement amounts of the individual piezos are added and a large displacement can be obtained. With the above configuration, the sample 12 can be forcibly vibrated by the multilayer piezo 22 at the same frequency as the frequency of the output signal from the oscillator 9.

【0019】図1に示した走査型プローブ顕微鏡にあっ
ては、発振器9と多層ピエゾ22とによって構成される
加振装置は、試料12を、カンチレバー3の自由振動の
共振周波数f0 と同一の周波数で振動させることができ
るように構成されている。すなわち、発振器9からの出
力電圧の周波数をf0 とすることにより多層ビエゾ22
が周波数f0 で振動し、これにより試料12が周波数f
0 で全体的に加振される。
In the scanning probe microscope shown in FIG. 1, the vibrating device constituted by the oscillator 9 and the multi-layer piezo 22 converts the sample 12 into the same frequency as the resonance frequency f0 of the free vibration of the cantilever 3. It is constituted so that it can be vibrated. That is, by setting the frequency of the output voltage from the oscillator 9 to f0,
Vibrates at the frequency f0, which causes the sample 12 to
Excited entirely at 0.

【0020】次に、図1に示した走査型プローブ顕微鏡
の動作を、図1及び図2を参照して具体的に説明する。
ここで、図2は前記カンチレバー3の先端に設けられた
探針3aと試料12との間の距離d(横軸)と、前記R
MS−DC回路の出力信号のレベル(縦軸)との関係を
示している。
Next, the operation of the scanning probe microscope shown in FIG. 1 will be specifically described with reference to FIGS.
Here, FIG. 2 shows the distance d (horizontal axis) between the probe 3a provided at the tip of the cantilever 3 and the sample 12, and the R
The relation with the level (vertical axis) of the output signal of the MS-DC circuit is shown.

【0021】まず、探針3aと試料12との間の距離d
を両者が接触することない所定の距離だけ離した状態で
発振器9を作動させ、該発振器9の出力信号を多層ピエ
ゾ22に印加することにより、試料12を上下(Z)方
向に加振する。このとき、試料12の振動数がカンチレ
バー3の自由振動の共振周波数f0 となるように、発振
器9の周波数が調節される。
First, the distance d between the probe 3a and the sample 12
The sample 12 is vibrated in the vertical (Z) direction by operating the oscillator 9 in a state where the two are separated from each other by a predetermined distance so that they do not come into contact with each other, and applying the output signal of the oscillator 9 to the multilayer piezo 22. At this time, the frequency of the oscillator 9 is adjusted so that the frequency of the sample 12 becomes the resonance frequency f0 of the free vibration of the cantilever 3.

【0022】このようにして、多層ピエゾ22により試
料12を上下(Z)方向に加振すると、試料12は所定
の一定振幅をもって全体が強制的に振動された加振状態
になる。このとき、探針3aは試料12から大きく離れ
ており、試料12の振幅は前記探針3aと試料間の距離
dより小さいので、探針3aが試料面に接触することは
なく、RMS−DC回路の出力信号値は0である。
As described above, when the sample 12 is vibrated in the vertical (Z) direction by the multilayer piezo 22, the whole of the sample 12 is forcibly vibrated with a predetermined constant amplitude. At this time, since the probe 3a is far away from the sample 12, and the amplitude of the sample 12 is smaller than the distance d between the probe 3a and the sample, the probe 3a does not contact the sample surface, and the RMS-DC The output signal value of the circuit is zero.

【0023】その後、Zサーボ系11が動作し、ピエゾ
スキャナ1のZ方向駆動電極1aに段々大きな電圧が印
加されるようになり、前記光てこ検出部2が下降し、探
針3aと試料12との間の距離dが段々小さくなる。そ
して、ついには、探針3aが振動している試料12の表
面に接触する。そうすると、カンチレバー3は試料12
の振動を受け、試料12と同じ振動周波、すなわちカン
チレバー3自身の共振周波数f0 で振動し始める。
Thereafter, the Z-servo system 11 is operated, and a gradually larger voltage is applied to the Z-direction drive electrode 1a of the piezo scanner 1, so that the optical lever detecting unit 2 is lowered, and the probe 3a and the sample 12 are moved. Is gradually reduced. Finally, the probe tip 3a comes into contact with the vibrating surface of the sample 12. Then, the cantilever 3 becomes the sample 12
Vibrates at the same vibration frequency as the sample 12, that is, the resonance frequency f0 of the cantilever 3 itself.

【0024】探針3aが試料12に接触することにより
生じる変位は、光てこ検出部2で光学的に検出され、こ
れにより、図2に示されるようにカンチレバー3が試料
12に接触(d=d1 )後、カンチレバー3をさらに試
料12に近づけるに従ってカンチレバー3の振動振幅が
増大する。本実施形態では、該目標値が図2のΔAに設
定されているので、試料12の強制振動の最大ストロー
クの時点で探針3aがその表面位置(d=d1 )から
(d1 −d0 )入った所でZ粗動を終了する。その後、
XY走査信号発生部10を動作させてカンチレバー3を
試料12表面上で走査させ、試料12の観察を開始す
る。この結果、(d=d0 )の状態で測定を行った場
合、カンチレバー3の振動振幅が大きくなり、光てこ検
出部2からの検出信号のS/N比を大きくし、精度のよ
い測定が可能となる。
The displacement caused by the contact of the probe 3a with the sample 12 is optically detected by the optical lever detector 2, whereby the cantilever 3 contacts the sample 12 as shown in FIG. After d1), the vibration amplitude of the cantilever 3 increases as the cantilever 3 is brought closer to the sample 12. In the present embodiment, since the target value is set to ΔA in FIG. 2, the probe 3a enters (d1 -d0) from its surface position (d = d1) at the maximum stroke of the forced vibration of the sample 12. At this point, the Z coarse movement ends. afterwards,
The XY scanning signal generator 10 is operated to scan the cantilever 3 on the surface of the sample 12, and observation of the sample 12 is started. As a result, when the measurement is performed in the state of (d = d0), the vibration amplitude of the cantilever 3 increases, the S / N ratio of the detection signal from the optical lever detection unit 2 increases, and accurate measurement is possible. Becomes

【0025】このように、カンチレバー3は試料12の
振動を受けて自己の共振周波数f0で振動するので、探
針3aと試料12との距離が縮まるにつれてカンチレバ
ー3の振動振幅はより一層大きくなる傾向を有する。こ
の場合、図3に示すように、カンチレバー3の探針3a
とその基部(固定部)3bとは振動の節となり、カンチ
レバー3のレバー本体3cの中間部分が振動の腹となっ
て大きく振動することになる。光てこ検出部2で、レバ
ー本体3の中間部分の振動振幅が最も大きいところにレ
ーザ光があてられ、これにより生じた反射レーザ光が電
気信号に変えられ、RMS−DC回路4で直流信号に変
えられて、比較器5で目標値と比較される。このよう
に、カンチレバー3の振動振幅の最も大きいところを利
用して位置検出を行うことにより、検出信号の大きいと
ころを利用して位置検出を行うことにより、検出信号の
S/N比を高くすることができるので、より一層高精度
の測定を可能とする。
As described above, since the cantilever 3 vibrates at its own resonance frequency f0 in response to the vibration of the sample 12, the vibration amplitude of the cantilever 3 tends to further increase as the distance between the probe 3a and the sample 12 decreases. Having. In this case, as shown in FIG. 3, the probe 3a of the cantilever 3
The base (fixed portion) 3b and the base (fixed portion) 3b serve as nodes of vibration, and the middle part of the lever body 3c of the cantilever 3 becomes a vibration antinode and vibrates greatly. In the optical lever detection unit 2, a laser beam is applied to a position where the vibration amplitude of the intermediate portion of the lever body 3 is the largest, and the reflected laser light generated thereby is converted into an electric signal, and the RMS-DC circuit 4 converts the reflected laser light into a DC signal. It is changed and compared with the target value in the comparator 5. As described above, the position detection is performed by using the portion where the vibration amplitude of the cantilever 3 is largest, and the S / N ratio of the detection signal is increased by performing the position detection by using the portion where the detection signal is large. Therefore, more accurate measurement can be performed.

【0026】図1に示した走査型プローブ顕微鏡では、
上記のように、試料12を発振器9の信号出力により多
層ピエゾ22を用いて強制振動させ、このとき、発振器
9の信号出力の周波数をカンチレバー3の自由振動の共
振周波数f0 と同じにし、これにより、図2に示される
ようにカンチレバー3が試料12に接触後、カンチレバ
ー3をさらに試料12に近づけた場合もカンチレバー3
の振動振幅が小さくならず、むしろ増大するようにした
ものである。この結果、光てこ検出部2からの検出信号
のS/N比を大きくし、精度のよい測定が可能となる。
ここで、カンチレバー3の共振周波数f0 は前記Zサー
ボ系の動作帯域より充分に大きくしておく必要がある。
In the scanning probe microscope shown in FIG.
As described above, the sample 12 is forcibly vibrated by the signal output of the oscillator 9 by using the multilayer piezo 22. At this time, the frequency of the signal output of the oscillator 9 is made the same as the resonance frequency f0 of the free vibration of the cantilever 3, thereby After the cantilever 3 comes into contact with the sample 12 as shown in FIG.
Is not reduced but rather increased. As a result, the S / N ratio of the detection signal from the optical lever detection unit 2 is increased, and accurate measurement can be performed.
Here, the resonance frequency f0 of the cantilever 3 needs to be sufficiently higher than the operation band of the Z servo system.

【0027】具体的には、カンチレバー3の共振周波数
f0 は通常100〜300kHzであるので、Zサーボ
系の動作帯域fservo を1kHz程度とするのが好まし
い。
More specifically, since the resonance frequency f0 of the cantilever 3 is usually 100 to 300 kHz, it is preferable that the operating band fservo of the Z servo system be about 1 kHz.

【0028】本実施の形態によれば、Z粗動により探針
3aが試料12の表面に所定の接触圧で接触した時点で
初期調整を終了し、その後、試料12をカンチレバー3
の共振周波数f0 で試料12の表面の観察を始めるよう
にしたので、カンチレバー3の針先で試料12の表面を
叩きながら測定を行う場合、カンチレバー3の振動振幅
は、カンチレバー3を試料12に近付けるにしたがって
増大する傾向となる(図2参照)。このため、検出感度
を大きくすることが可能である。また、探針3aが試料
12に極めて接近した場合の振動振幅が最大となるの
で、探針3aが試料12に極めて接近した場合の検出信
号のS/N比が向上し、検出特性が安定するので、安定
した試料表面の検出データを得ることができるようにな
る。
According to the present embodiment, the initial adjustment is finished when the probe 3a comes into contact with the surface of the sample 12 at a predetermined contact pressure due to the Z coarse movement, and thereafter, the sample 12 is moved to the cantilever 3 position.
Since the observation of the surface of the sample 12 is started at the resonance frequency f0, when the measurement is performed while hitting the surface of the sample 12 with the tip of the cantilever 3, the vibration amplitude of the cantilever 3 makes the cantilever 3 approach the sample 12. (See FIG. 2). Therefore, it is possible to increase the detection sensitivity. Further, since the vibration amplitude when the probe 3a comes very close to the sample 12 becomes maximum, the S / N ratio of the detection signal when the probe 3a comes very close to the sample 12 is improved, and the detection characteristics are stabilized. Therefore, stable detection data on the sample surface can be obtained.

【0029】上記では、カンチレバー3の共振周波数f
0 と同じ周波数で試料12を加振する場合の実施の形態
について説明した。しかし、試料12の加振周波数は共
振周波数f0 と同一でなければならない訳ではなく、実
質的に同一と見做せる周波数であればよい。ここで、実
質的同一とは、図2に示すような特性が得られる範囲内
であるような共振周波数f0 を中心とした周波数範囲を
言う。
In the above, the resonance frequency f of the cantilever 3
The embodiment in which the sample 12 is vibrated at the same frequency as 0 has been described. However, the excitation frequency of the sample 12 does not have to be the same as the resonance frequency f0, but may be any frequency that can be considered substantially the same. Here, "substantially the same" refers to a frequency range centered on the resonance frequency f0 within a range where the characteristics shown in FIG. 2 can be obtained.

【0030】また、試料12は全体的に加振する必要は
なく、試料12の測定領域が加振されていれば充分であ
る。
It is not necessary to vibrate the sample 12 as a whole, but it is sufficient if the measurement area of the sample 12 is vibrated.

【0031】したがって、図1に示した多層ピエゾ22
に代えて、図4に示されるように、より小型の多層ピエ
ゾ24を用い、試料12のうちの所要の一部のみを加振
する構成とすることができる。
Therefore, the multilayer piezo 22 shown in FIG.
Instead, as shown in FIG. 4, a configuration in which only a required part of the sample 12 is excited by using a smaller multilayer piezo 24 can be adopted.

【0032】また、図1の実施の形態では、カンチレバ
ー3の位置をレーザ光を使用して光学的に検出する構成
に付いて説明したが、カンチレバー3の位置検出はこの
構成に限定されない。
Further, in the embodiment of FIG. 1, a configuration has been described in which the position of the cantilever 3 is optically detected using laser light. However, the position detection of the cantilever 3 is not limited to this configuration.

【0033】例えば、図5に示すように、カンチレバー
3のレバー本体3cに歪ゲージDGを取り付け、これに
よりレバー本体3cの歪み量を検出し、図2に示したd
の値を電気的に検出する、所謂自己検出型のカンチレバ
ーを用いることもできる。この場合においても、歪ゲー
ジDGの取り付け位置は、最も歪み量の大きい、レバー
本体3cの中央付近にするのが好ましい。
For example, as shown in FIG. 5, a strain gauge DG is attached to the lever body 3c of the cantilever 3, whereby the amount of distortion of the lever body 3c is detected, and d shown in FIG.
A so-called self-detection type cantilever that electrically detects the value of can also be used. Also in this case, it is preferable that the mounting position of the strain gauge DG is near the center of the lever main body 3c where the amount of distortion is the largest.

【0034】図6は、本発明による走査型プローブ顕微
鏡の他の実施の形態を示すブロック図である。図6に示
す走査型プローブ顕微鏡は、ボイスコイルモータを用い
た走査型プローブ顕微鏡30で実現した点に特徴があ
る。図6において、図1と同一の符号は、同一又は同等
物を示す。
FIG. 6 is a block diagram showing another embodiment of the scanning probe microscope according to the present invention. The scanning probe microscope shown in FIG. 6 is characterized by being realized by a scanning probe microscope 30 using a voice coil motor. 6, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or equivalent.

【0035】走査型プローブ顕微鏡30は、PI制御部
7からの出力に応答して電流源31からZ方向のボイス
コイルモータ32のコイル33に電流を流すと、可動子
34は図の下方向に駆動され、スピンドル35の端部の
光てこ検出部2に取り付けられたカンチレバー3はZ方
向に粗動する。そこで、本実施形態では、発振器9を動
作させ、試料12を多層ピエゾ22によって強制振動さ
せながらZサーボ系を動作させてZ粗動を行わせる。そ
して、該カンチレバー3の試料12に対する接触圧が図
2のΔAになった所で、Z粗動は終了する。このときの
試料12の振動周波数は、カンチレバー3の自由振動の
共振周波数f0 に設定される。
When the scanning probe microscope 30 applies a current from the current source 31 to the coil 33 of the voice coil motor 32 in the Z direction in response to the output from the PI control unit 7, the movable element 34 moves downward in the figure. When driven, the cantilever 3 attached to the optical lever detection unit 2 at the end of the spindle 35 roughly moves in the Z direction. Therefore, in the present embodiment, the oscillator 9 is operated, the Z servo system is operated while the sample 12 is forcibly vibrated by the multilayer piezo 22, and Z coarse movement is performed. Then, when the contact pressure of the cantilever 3 with respect to the sample 12 becomes ΔA in FIG. 2, the Z coarse movement ends. The vibration frequency of the sample 12 at this time is set to the resonance frequency f0 of the free vibration of the cantilever 3.

【0036】続いて、X方向のボイスコイルモータ40
および図示されていないY方向のボイスコイルモータ
に、XY走査信号が印加される。そうすると、光てこ検
出部2からは、従来のタッピングモードと同様の、試料
12の表面の形状データを得ることができるようにな
る。走査型プローブ顕微鏡30の構成によっても、図1
に示した実施形態と同様の効果を得ることができる。
Subsequently, the voice coil motor 40 in the X direction
An XY scanning signal is applied to a Y-direction voice coil motor (not shown). Then, the shape data of the surface of the sample 12 can be obtained from the optical lever detection unit 2 in the same manner as in the conventional tapping mode. Depending on the configuration of the scanning probe microscope 30, FIG.
The same effect as that of the embodiment shown in FIG.

【0037】以上説明した本発明の各実施形態は本発明
の一例であり、本発明はこれらの実施形態の構成に限定
されないことは勿論である。
The embodiments of the present invention described above are merely examples of the present invention, and the present invention is, of course, not limited to the configurations of these embodiments.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によれば、上述の如く、カンチレ
バーの自由振動の共振周波数で試料を振動させるので、
測定の感度を高めることができるほか、カンチレバーと
試料との接触、非接触により振動振幅を大幅に異ならせ
ることができるので、カンチレバーが試料に接触したか
否かの検出を極めて精度よく行うことができ、高性能化
に役立つ。また、試料をカンチレバーの自由振動の共振
周波数で振動させておいてこれにカンチレバーを接触さ
せるので、カンチレバーの振動振幅は、カンチレバーを
試料に近付けるにしたがって増大する傾向となる。この
ため、測定中もカンチレバーの振動振幅を大きく保つこ
とができ、検出感度を大きくすることが可能である。こ
のように、探針が試料に極めて接近した場合の振動振幅
が最大となる検出方法であるため、探針が試料に極めて
接近した場合の検出信号のS/N比が向上し、検出特性
が安定する。
According to the present invention, as described above, the sample is vibrated at the resonance frequency of the free oscillation of the cantilever.
In addition to increasing the sensitivity of the measurement, the vibration amplitude can be varied greatly depending on whether the cantilever and the sample are in contact or not, so that it is possible to detect whether the cantilever has contacted the sample with extremely high accuracy. Can be used to improve performance. Further, since the sample is vibrated at the resonance frequency of the free vibration of the cantilever and the cantilever is brought into contact with the sample, the vibration amplitude of the cantilever tends to increase as the cantilever approaches the sample. Therefore, the vibration amplitude of the cantilever can be kept large during the measurement, and the detection sensitivity can be increased. As described above, since the detection method maximizes the vibration amplitude when the probe comes very close to the sample, the S / N ratio of the detection signal when the probe comes very close to the sample is improved, and the detection characteristics are improved. Stabilize.

【0039】また、振動している試料にカンチレバーの
探針を接触させ、これによりカンチレバーを振動させて
試料を走査し、試料の表面形状を測定する場合、カンチ
レバーのレバー本体の中間部における振動振幅を拾って
カンチレバーの位置を検出する方法によれば、検出信号
S/Nを大きくすることができるので、極めて高感度の
検出を行うことができ、精度の高い測定が可能となる。
When the probe of the cantilever is brought into contact with the vibrating sample to scan the sample by vibrating the cantilever and measure the surface shape of the sample, the vibration amplitude at the intermediate portion of the lever body of the cantilever is measured. According to the method of detecting the position of the cantilever by picking up the cantilever, the detection signal S / N can be increased, so that extremely high-sensitivity detection can be performed and highly accurate measurement can be performed.

【0040】[0040]

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

【図1】本発明による走査型プローブ顕微鏡の一実施形
態を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.

【図2】図1に示した走査型プローブ顕微鏡において、
探針−試料間距離とRMS−DC回路出力レベルとの間
の関係を示す図である。
FIG. 2 shows a scanning probe microscope shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a probe-sample distance and an RMS-DC circuit output level.

【図3】図1に示した走査型プローブ顕微鏡におけるカ
ンチレバーの位置検出方法を説明するための説明図であ
る。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a method of detecting the position of a cantilever in the scanning probe microscope shown in FIG.

【図4】図1の走査型プローブ顕微鏡における試料の他
の加振方法を説明するための説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining another method of exciting the sample in the scanning probe microscope of FIG. 1;

【図5】カンチレバーの他の位置検出方法を説明するた
めの説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for describing another position detection method of the cantilever.

【図6】本発明による走査型プローブ顕微鏡の他の実施
の形態を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing another embodiment of the scanning probe microscope according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 光てこ検出部 3 カンチレバー 3a 探針 3b 基部(固定部) 3c レバー本体 9 発振器 11 Zサーボ系 12 試料12 22 多層ピエゾ DG 歪ゲージ 2 Optical lever detection unit 3 Cantilever 3a Probe 3b Base (fixed part) 3c Lever body 9 Oscillator 11 Z servo system 12 Sample 12 22 Multilayer piezo DG Strain gauge

フロントページの続き (72)発明者 本間 昭彦 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 井上 明 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Fターム(参考) 2F069 AA60 AA66 CC06 DD30 GG01 GG06 GG07 GG62 HH05 JJ08 LL03 MM32 MM34 Continued on the front page (72) Inventor Akihiko Homma 1-8-8 Nakase, Mihama-ku, Chiba-shi, Chiba Inside Seiko Instruments Inc. (72) Inventor Akira Inoue 1-8-8 Nakase, Mihama-ku, Chiba-shi, Chiba Seiko Instruments Inc. In-house F term (reference) 2F069 AA60 AA66 CC06 DD30 GG01 GG06 GG07 GG62 HH05 JJ08 LL03 MM32 MM34

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料の表面にカンチレバーをあてて該試
料の表面の形状を測定する走査型プローブ顕微鏡の測定
方法において、 カンチレバーの自由振動の共振周波数又は、この近傍の
実質的に前記共振周波数に等しい周波数で試料を加振し
た状態で、カンチレバーを前記試料の表面に軽く接触し
ながら前記試料の表面の形状を測定するようにしたこと
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
1. A method for measuring the shape of a surface of a sample by applying a cantilever to the surface of the sample, the method comprising: measuring a resonance frequency of free vibration of the cantilever or substantially the resonance frequency in the vicinity thereof. A measurement method for a scanning probe microscope, wherein the shape of the surface of the sample is measured while lightly contacting the cantilever with the surface of the sample while the sample is vibrated at the same frequency.
【請求項2】 前記試料の全体を加振するようにした請
求項1記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
2. The method for measuring a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the entire sample is vibrated.
【請求項3】 前記試料の測定に必要な所要の部分のみ
加振するようにした請求項1記載の走査型プローブ顕微
鏡の測定方法。
3. The method for measuring a scanning probe microscope according to claim 1, wherein only a necessary portion required for measurement of said sample is vibrated.
【請求項4】 試料の表面にカンチレバーをあてて該試
料の表面の形状を測定する走査型プローブ顕微鏡におい
て、 前記試料をカンチレバーの自由振動の共振周波数又は、
この近傍の実質的に共振周波数に等しい前記周波数で加
振するための加振手段を備えたことを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡。
4. A scanning probe microscope in which a cantilever is placed on a surface of a sample to measure the shape of the surface of the sample, wherein the sample has a resonance frequency of free vibration of the cantilever or
A scanning probe microscope comprising a vibration means for vibrating at a frequency substantially equal to the resonance frequency in the vicinity of the vibration frequency.
【請求項5】 前記加振手段が前記試料の全体を加振す
るように構成されている請求項4記載の走査型プローブ
顕微鏡。
5. The scanning probe microscope according to claim 4, wherein said vibrating means is configured to vibrate the entire sample.
【請求項6】 前記加振手段が前記試料の測定に必要な
所要の部分のみを加振するように構成されている請求項
4記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. A scanning probe microscope according to claim 4, wherein said vibrating means is configured to vibrate only a required portion required for measuring said sample.
【請求項7】 試料の表面にカンチレバーをあてて該試
料の表面の形状を測定するようにした走査型プローブ顕
微鏡の測定方法において、 前記カンチレバーによる前記試料の叩き具合が所定の状
態になるようサーボ系で前記カンチレバーのZ方向の位
置をフィードバック制御するため、前記カンチレバーの
固定端と探針との間の位置で前記カンチレバーの位置を
検出するようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕
微鏡の測定方法。
7. A measuring method of a scanning probe microscope in which a cantilever is applied to a surface of a sample to measure a shape of the surface of the sample, wherein a servo is applied so that a degree of hitting of the sample by the cantilever is in a predetermined state. A feedback system for controlling the position of the cantilever in the Z direction by a system, wherein the position of the cantilever is detected at a position between a fixed end of the cantilever and a probe. Method.
【請求項8】 前記カンチレバーの位置検出を、レバー
本体の振動の腹の部分で行うようにした請求項7記載の
走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
8. The measuring method of a scanning probe microscope according to claim 7, wherein the position detection of the cantilever is performed at an antinode of vibration of the lever main body.
【請求項9】 前記レバー本体の中央部分で前記カンチ
レバーの位置検出を行うようにした請求項8記載の走査
型プローブ顕微鏡の測定方法。
9. The measuring method for a scanning probe microscope according to claim 8, wherein the position of said cantilever is detected at a central portion of said lever main body.
【請求項10】 前記カンチレバーの位置検出手段が、
光てこ検出手段である請求項7、8、又は9記載の走査
型プローブ顕微鏡の測定方法。
10. The position detecting means of the cantilever,
The measuring method of a scanning probe microscope according to claim 7, 8 or 9, which is an optical lever detecting means.
【請求項11】 前記カンチレバーの位置検出手段が、
前記カンチレバーに取り付けられた歪ゲージである請求
項7、8、又は9記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方
法。
11. The cantilever position detecting means,
The measuring method for a scanning probe microscope according to claim 7, 8 or 9, wherein the measuring method is a strain gauge attached to the cantilever.
【請求項12】 試料の表面にカンチレバーをあてて該
試料の表面の形状を測定する走査型プローブ顕微鏡の測
定方法において、 カンチレバーの自由振動の共振周波数又は、この近傍の
実質的に前記共振周波数に等しい周波数で試料を加振し
た状態で、カンチレバーを試料表面に軽く接触しながら
試料表面を走査し、前記カンチレバーによる前記試料の
叩き具合が所定の状態になるようサーボ系でカンチレバ
ーのZ方向の位置をフィードバック制御するため、前記
カンチレバーの固定端と探針との間の位置で前記カンチ
レバーの位置を検出するようにしたことを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡の測定方法。
12. A measuring method of a scanning probe microscope in which a cantilever is applied to a surface of a sample to measure the shape of the surface of the sample, wherein the resonance frequency of free vibration of the cantilever or the resonance frequency substantially in the vicinity of the resonance frequency. In a state where the sample is vibrated at the same frequency, the surface of the sample is scanned while lightly touching the cantilever with the surface of the sample, and the position of the cantilever in the Z direction is servo-controlled by the servo system so that the cantilever hits the sample in a predetermined state. Wherein the position of the cantilever is detected at a position between a fixed end of the cantilever and a probe in order to perform feedback control of the scanning probe microscope.
【請求項13】 試料の表面にカンチレバーをあてて該
試料の表面の形状を測定する走査型プローブ顕微鏡にお
いて、 前記試料をカンチレバーの自由振動の共振周波数又は、
この近傍の実質的に共振周波数に等しい前記周波数で加
振するための加振手段と、 前記カンチレバーによる前記試料の叩き具合が所定の状
態になるようサーボ系で前記カンチレバーのZ方向の位
置をフィードバック制御するため、前記カンチレバーの
固定端と探針との間の位置で前記カンチレバーの位置を
検出するための検出手段とを備えたことを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡。
13. A scanning probe microscope in which a cantilever is placed on a surface of a sample to measure the shape of the surface of the sample, wherein the sample is provided with a resonance frequency of free vibration of the cantilever or
Vibrating means for vibrating at the frequency substantially equal to the resonance frequency in the vicinity thereof, and feeding back the position of the cantilever in the Z direction by a servo system so that the degree of hitting of the sample by the cantilever is in a predetermined state. A scanning probe microscope, comprising: a detecting means for detecting a position of the cantilever at a position between a fixed end of the cantilever and a probe for control.
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JP2014528591A (en) * 2011-10-14 2014-10-27 エコール・ポリテクニーク・フェデラル・ドゥ・ローザンヌ (ウ・ペ・エフ・エル)Ecole Polytechnique Federalede Lausanne (Epfl) Nanoscale motion detector (MotionDetector)
CN110095637A (en) * 2019-05-08 2019-08-06 国家纳米科学中心 The test method of atomic force microscope and sample surfaces property

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