JP2003185555A - Frequency detecting method and scanning probe microscope using the same - Google Patents

Frequency detecting method and scanning probe microscope using the same

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JP2003185555A
JP2003185555A JP2001386391A JP2001386391A JP2003185555A JP 2003185555 A JP2003185555 A JP 2003185555A JP 2001386391 A JP2001386391 A JP 2001386391A JP 2001386391 A JP2001386391 A JP 2001386391A JP 2003185555 A JP2003185555 A JP 2003185555A
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JP
Japan
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signal
frequency
probe
phase
sample
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Withdrawn
Application number
JP2001386391A
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Japanese (ja)
Inventor
Shunichi Shito
俊一 紫藤
Takeaki Itsuji
健明 井辻
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To speed up a probe microscope for detecting changes of resonance frequencies caused by a force generated when a vibrating probe is brought close to the surface of a sample and stabilize it by reducing noise. <P>SOLUTION: No phase lock loop (PLL) is used for detecting frequencies. Changes of frequencies are directly computed from a phase difference signal detected by a phase comparator, and used to control the distance between the probe and the surface of the sample. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、カンチレバーなど
の機械共振部をもつプローブをその共振周波数で振動さ
せ、そのプローブと試料とが近接した際に生じる力をそ
の力がもたらす共振周波数の変化量を検出することによ
り試料表面の物理量を観察する走査形プローブ顕微鏡観
察装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention vibrates a probe having a mechanical resonance part such as a cantilever at its resonance frequency, and produces a force generated when the probe and a sample come close to each other. The present invention relates to a scanning probe microscope observing device for observing a physical quantity on the surface of a sample by detecting.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その時
に生じる物理現象(トンネル現象、原子間力等)を利用
して、物質表面及び表面近傍の電子構造を直接観察でき
る走査型プローブ顕微鏡(以下SPMと略す)が開発さ
れ、単結晶、非晶質を問わず様々な物理量の実空間像を
高い分解能で測定できるようになっている。
2. Description of the Related Art In recent years, a scanning probe which allows a probe and a sample to come close to each other and directly observes an electronic structure on the surface of a substance or in the vicinity of the surface by utilizing a physical phenomenon (tunnel phenomenon, atomic force, etc.) generated at that time. A microscope (hereinafter abbreviated as SPM) has been developed, and it has become possible to measure real space images of various physical quantities with high resolution regardless of single crystal or amorphous.

【0003】中でも走査型原子間力顕微鏡(以下AFM
と呼ぶ)はプローブ先端の原子と試料上の原子との間の
微弱な作用力(原子間力:Atomic Force)
を検出して試料表面の凹凸を測定するために、プローブ
や試料に導電性や磁性等の特殊な性質を必要とせず、絶
縁物とりわけ最近では有機物等の形状の測定等に効力を
発揮している。また、AFMには大きく分けて、原子間
力が斥力の状態で用いるものと引力の状態で用いるもの
と2種類があり、前者をコンタクトモードAFM、後者
をノンコンタクトモードAFMと言うことがある。
Among them, a scanning atomic force microscope (hereinafter referred to as AFM)
Is called a weak acting force (atomic force) between the atom at the probe tip and the atom on the sample.
In order to detect irregularities on the surface of the sample by detecting, it does not require special properties such as conductivity and magnetism in the probe and sample, and it is effective for measuring the shape of insulators, especially organic substances these days. There is. The AFM is roughly classified into two types, one used when the atomic force is repulsive and the other used when the atomic force is attractive, and the former may be called a contact mode AFM and the latter a non-contact mode AFM.

【0004】コンタクトモードAFMは測定対象とプロ
ーブ先端との斥力を測定する。この場合の斥力はプロー
ブと測定対象表面との距離変化に対して非常に大きく変
化し、したがってその力を受けるプローブの撓みの変化
量が大きく感度が大きいために測定システムへの負荷が
小さくて済む。しかしながら、プローブと測定表面は非
常に接近しており、その力は測定表面やプローブに時と
して弾性変形以上の影響を与え、試料やプローブ先端に
損傷を与えることがある。前述の有機物、とりわけ生体
物質など柔らかい試料の測定に対してはその影響が大き
く、プローブが測定対象物を変形したり破壊したりする
ために精度良い観察ができない。
The contact mode AFM measures the repulsive force between the object to be measured and the tip of the probe. In this case, the repulsive force changes greatly with respect to the change in the distance between the probe and the surface to be measured, and therefore the amount of change in the deflection of the probe that receives the force is large and the sensitivity is large, so the load on the measurement system can be small. . However, the probe and the measurement surface are very close to each other, and the force sometimes exerts more than elastic deformation on the measurement surface and the probe, and may damage the sample or the probe tip. It has a great influence on the measurement of the above-mentioned organic matter, especially a soft sample such as a biological material, and the probe deforms or destroys the measurement object, so that accurate observation cannot be performed.

【0005】一方、ノンコンタクトモードAFMはプロ
ーブ先端と測定対象表面との間の原子間引力を測定する
が、その引力は、プローブ先端と測定対象表面との距離
がコンタクトモードより大きい状態から働くために、プ
ローブ先端と測定対象表面の両方に対する影響が非常に
小さい。したがって、コンタクトモードAFMは上記の
コンタクトモードAFMの欠点を持たないため、柔らか
い試料の測定には有用である。
On the other hand, the non-contact mode AFM measures the interatomic attractive force between the probe tip and the surface to be measured. The attractive force works because the distance between the probe tip and the surface to be measured is larger than in the contact mode. In addition, the influence on both the probe tip and the surface to be measured is very small. Therefore, the contact mode AFM does not have the above-mentioned drawbacks of the contact mode AFM, and is useful for measuring a soft sample.

【0006】しかしながら、ノンコンタクトモードの欠
点として、力の変化がプローブ先端と試料表面との間の
距離変化に対してあまり敏感でないことが挙げられる。
そのために一般的にはカンチレバー状のプローブを共振
周波数で微小振動させ、微小引力がプローブ先端と試料
表面の間に働いた場合の共振状態の変化、たとえば振
幅、周波数、位相などの変化をモニタすることにより間
接的に測定する。
However, a disadvantage of the non-contact mode is that the change in force is not very sensitive to the change in the distance between the probe tip and the sample surface.
Therefore, generally, a cantilever-shaped probe is slightly vibrated at the resonance frequency, and changes in the resonance state when a small attractive force acts between the probe tip and the sample surface, such as changes in amplitude, frequency, and phase, are monitored. By indirectly measuring.

【0007】中でも高感度で測定するために、カンチレ
バー状のプローブを共振周波数で励振し、その共振周波
数の変化や位相変化を検出する方法が採られる。実際に
は、オートゲインコントローラを用いたアンプ等により
共振周波数の変化に加振周波数を追従させることにより
絶えず共振周波数でプローブを加振する自励発振系を用
いる方法が一般的に行なわれている。
Among them, in order to measure with high sensitivity, a method of exciting a cantilever-shaped probe at a resonance frequency and detecting a change in the resonance frequency or a phase change is adopted. In practice, a method using a self-excited oscillation system that constantly excites the probe at the resonance frequency by making the excitation frequency follow the change of the resonance frequency with an amplifier using an auto gain controller is generally used. .

【0008】また、以上述べたような構成の場合には、
試料表面の物理情報は共振周波数や位相の変化として得
られる。すなわち、物理情報の検出には周波数変調(F
M)信号を検出する系が必要である。ラジオなどのFM
検波に於いては従来からいろいろな方法が採られてお
り、そのすべてについてノンコンタクトモードAFMの
周波数検出に使用できると考えられるが、主な方法とし
ては位相同期ループ(以下PLLと呼ぶ)によるものが
採用されている。
Further, in the case of the above-mentioned structure,
Physical information on the sample surface is obtained as changes in resonance frequency and phase. That is, frequency modulation (F
M) A system for detecting the signal is required. FM such as radio
Various methods have been conventionally used for detection, and all of them can be used for frequency detection of non-contact mode AFM, but the main method is to use a phase-locked loop (hereinafter referred to as PLL). Has been adopted.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、周
波数検出によるノンコンタクトモードAFMは周波数の
変化を検出することによりAFM信号とする。この周波
数変化を検出する場合には、基本周波数が安定であるこ
とにより高精度に検出できる。そのためプローブとして
用いているカンチレバーの共振周波数で振動させること
が一般的である。また、高速に検出する際にはこの基本
周波数が大きいことが必要である。すなわち、使用する
プローブはなるべく共振周波数の高いプローブを用い
る。AFMに用いるカンチレバー状のプローブの一般的
な共振周波数は数100Hzから数100kHz程度で
ある。
As described above, the non-contact mode AFM based on the frequency detection uses the AFM signal by detecting the change in the frequency. When this frequency change is detected, it can be detected with high accuracy because the fundamental frequency is stable. Therefore, it is common to vibrate at the resonance frequency of the cantilever used as a probe. In addition, it is necessary that this fundamental frequency is high for high-speed detection. That is, the probe used has a resonance frequency as high as possible. A typical resonance frequency of a cantilever-shaped probe used for AFM is about several 100 Hz to several 100 kHz.

【0010】一方プローブの周波数変化は、例えば30
0kHz程度の共振周波数を持つプローブを用いた場合
には〜100Hz程度の大きさであり、また測定分解能
としては少なくとも0.1Hz程度が必要とされるた
め、基本周波数に比べて非常に小さい。
On the other hand, the frequency change of the probe is, for example, 30
When a probe having a resonance frequency of about 0 kHz is used, the size is about 100 Hz, and at least about 0.1 Hz is required as the measurement resolution, which is extremely smaller than the fundamental frequency.

【0011】例えば従来は、位相同期ループ(PLL)
による周波数検出方法を用いていたが、それによると、
内部に使用されている電圧制御発振器の周波数安定度、
すなわちその発振器に入力される制御信号のS/Nなど
の影響が無視できず、安定した高感度の周波数測定が出
来なかった。すなわち特開2001−33465号公報
に開示されている様に水晶発振子などを用いた安定性の
比較的高い発振器を用いた場合でも、発振源は安定であ
るがこれを電圧制御発振器として用いているため、制御
電圧のノイズが、観察信号ばかりでなくフィードバック
系にも混入することになる。このノイズを抑えるために
は制御信号帯域を落とす必要があるが、実際は、PLL
の位相同期ループがフィードバック系(プローブ先端と
試料表面との間の距離制御)に内包されるため2重フィ
ードバックのように構成され、全体の測定速度を上げよ
うとした場合、2つのフィードバック系の帯域が接近
し、干渉を起こし、制御が不安定になってしまう問題が
あった。
For example, conventionally, a phase locked loop (PLL) is used.
It used the frequency detection method according to
Frequency stability of the voltage controlled oscillator used internally,
That is, the influence of S / N of the control signal input to the oscillator cannot be ignored, and stable high-sensitivity frequency measurement cannot be performed. That is, even when using an oscillator having a relatively high stability using a crystal oscillator or the like as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-33465, the oscillation source is stable, but it is used as a voltage controlled oscillator. Therefore, the noise of the control voltage is mixed in not only the observation signal but also the feedback system. In order to suppress this noise, it is necessary to drop the control signal band, but in reality, the PLL
Since the phase-locked loop of is included in the feedback system (control of the distance between the probe tip and the sample surface), it is configured like double feedback, and when trying to increase the overall measurement speed, There was a problem that bands approached, interference was caused, and control became unstable.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
する為、以下の手段を用いて、従来からのPLL回路を
用いることなく高感度・高精度な周波数測定が可能なノ
ンコンタクトモードAFMを構築する、カンチレバー形
状を持つAFMプローブ、測定試料をAFMプローブに
対向して保持するための試料保持手段、該レバープロー
ブを該測定試料表面に平行に相対走査するための2次元
走査手段、該レバープローブに振動を加えるための加振
手段、該レバープローブの先端変位を検出する変位検出
手段、該変位検出器からの信号の周波数を測定する周波
数測定手段、該周波数測定手段は周波数加算手段、加算
周波数信号発生手段、参照信号発生手段、参照信号と検
出信号の位相差を検出する位相比較手段、位相比較手段
からの位相比較信号から周波数を算出する位相信号処理
手段を有する、該周波数測定手段により測定された信号
と予め設定された周波数との差を算出するエラー信号生
成手段、該エラー信号生成手段からのエラー信号より該
プローブ先端と試料表面との間を制御する距離制御手
段、該距離制御手段はエラー信号生成手段からのエラー
信号より制御量を算出する制御量算出手段、プローブ先
端と試料表面との間の距離を変位させる駆動手段、該制
御量算出手段より出力された制御量を該駆動手段の駆動
信号に変換するアンプ手段からなる。
In order to solve the above problems, the present invention uses the following means to provide a non-contact mode AFM capable of highly sensitive and highly accurate frequency measurement without using a conventional PLL circuit. A cantilever-shaped AFM probe, sample holding means for holding a measurement sample facing the AFM probe, two-dimensional scanning means for relatively scanning the lever probe parallel to the measurement sample surface, Vibrating means for applying vibration to the lever probe, displacement detecting means for detecting the tip displacement of the lever probe, frequency measuring means for measuring the frequency of the signal from the displacement detector, the frequency measuring means is frequency adding means, Addition frequency signal generation means, reference signal generation means, phase comparison means for detecting the phase difference between the reference signal and the detection signal, phase comparison signal from the phase comparison means Error signal generating means for calculating a difference between a signal measured by the frequency measuring means and a preset frequency, and a probe based on the error signal from the error signal generating means. Distance control means for controlling the distance between the tip and the sample surface, the distance control means is a control amount calculating means for calculating a control amount from the error signal from the error signal generating means, and the distance between the probe tip and the sample surface is displaced. And driving means, and amplifier means for converting the control amount output from the control amount calculating means into a drive signal for the driving means.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図1を用いて本発明の実施の形態
を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0014】XYZステージ124は、プローブ101
の先端と試料102表面との距離を設定し、かつプロー
ブ101を試料102表面に平行に相対的に2次元走査
させる。この際、プローブ101と試料102表面との
距離が所定の距離の時にプローブ101先端と試料10
2表面との間に物理的な力が生じ、カンチレバー形状の
プローブ101は撓みを生じる。この撓みは、レーザー
104から照射されるレーザー光線のプローブ101の
先端に当たり生じる反射光の角度を変える。この角度の
変化は4分割フォトダイオード105により検出され
る。すなわちプローブ101先端と試料102表面との
間に働く力の大きさがプローブ101の撓み量として検
出され、その撓み量は角度の変化に変換され、さらに角
度の変化は4分割フォトダイオード上のレーザースポッ
トの位置を変化させ、その位置の変化は電流出力となっ
て次段のプリアンプ106に入力される。プリアンプ1
06では電流値を電圧に変換し4分割フォトダイオード
105の各フォトダイオードからの出力を演算し、AF
M信号(レバー撓み量)を生成する。生成されたAFM
信号はオートゲインコントロールアンプ107に入力さ
れ一定の振幅に整形される。
The XYZ stage 124 includes the probe 101.
The distance between the tip of the probe and the surface of the sample 102 is set, and the probe 101 is relatively two-dimensionally scanned in parallel with the surface of the sample 102. At this time, when the distance between the probe 101 and the surface of the sample 102 is a predetermined distance, the tip of the probe 101 and the sample 10
A physical force is generated between the two surfaces, and the cantilever-shaped probe 101 bends. This bending changes the angle of the reflected light generated when the laser beam emitted from the laser 104 hits the tip of the probe 101. This change in angle is detected by the four-division photodiode 105. That is, the magnitude of the force acting between the tip of the probe 101 and the surface of the sample 102 is detected as the amount of bending of the probe 101, and the amount of bending is converted into a change in angle. The position of the spot is changed, and the change in the position becomes a current output and is input to the preamplifier 106 at the next stage. Preamplifier 1
At 06, the current value is converted into a voltage, the output from each photodiode of the four-division photodiode 105 is calculated, and AF is performed.
An M signal (lever flexure amount) is generated. AFM generated
The signal is input to the auto gain control amplifier 107 and shaped into a constant amplitude.

【0015】一定振幅にされたAFM信号は位相シフタ
108及びミキサ110に出力される。
The AFM signal having a constant amplitude is output to the phase shifter 108 and the mixer 110.

【0016】位相シフタ108に入力された既定振幅の
信号は位相の調整が加えられドライバアンプ109を通
ってピエゾ加振器103に印加される。この加振器10
3上にはプローブ101が設置されているため加振器1
03によりプローブ101は加振される。初期状態では
プローブ101は熱振動などにより共振点に於いて微小
に振動を行なっているが、それを104〜106のAF
M信号検出系により検出するため、位相シフタ108を
調整することによってこのフィードバック系は自励発振
を始める。
The signal of the predetermined amplitude input to the phase shifter 108 is adjusted in phase and is applied to the piezoelectric vibrator 103 through the driver amplifier 109. This shaker 10
Since the probe 101 is installed on the 3
The probe 101 is vibrated by 03. In the initial state, the probe 101 vibrates slightly at the resonance point due to thermal vibration or the like.
Since this is detected by the M signal detection system, the feedback system starts self-oscillation by adjusting the phase shifter 108.

【0017】さて、一方ミキサ110に入力されたAF
M信号は水晶発振子1(114)を持つ局部発振器1
(113)から発振された既定周波数の信号とミキシン
グ(掛け算)されて出力される。その後バンドパスフィ
ルタ111によって所定帯域の信号のみを抽出し、次段
の位相比較器112に送る。
Now, the AF input to the mixer 110 on the other hand
M signal is a local oscillator 1 having a crystal oscillator 1 (114)
The signal having the predetermined frequency oscillated from (113) is mixed (multiplied) and output. After that, only a signal in a predetermined band is extracted by the bandpass filter 111 and sent to the phase comparator 112 in the next stage.

【0018】位相比較器112は、局部発振器1から発
振された信号の周波数が加算されたAFM信号と水晶発
振子2(116)を備えた局部発振器2(115)から
出力される参照信号との位相を比較して、位相差を示す
信号を出力する。その位相差信号は次段の位相信号処理
117に送られる。
The phase comparator 112 combines the AFM signal to which the frequency of the signal oscillated from the local oscillator 1 is added and the reference signal output from the local oscillator 2 (115) including the crystal oscillator 2 (116). The phases are compared and a signal indicating the phase difference is output. The phase difference signal is sent to the next phase signal processing 117.

【0019】従来からのノンコンタクトモードAFMの
FM信号検出系としてはPLL(位相同期ループ)を用
いることが多かった。これは図4に示したような構成で
ある。まずAFMの入力信号が位相比較器401に入力
される。位相比較器401は電圧制御発振器403から
出力されてくる参照信号と入力信号との位相差を検出し
出力する。その位相差信号はフィルタを通って電圧制御
発振器403の入力となる。すなわち、入力信号と参照
信号との位相差がずれた場合には電圧制御発振器にずれ
量に相当する制御電圧が送られ、参照信号の周波数を上
昇あるいは下降させる。このフィードバックにより電圧
制御発振器403の周波数および位相が入力信号とぴた
りと合うように制御される。AFM信号に相当する出力
信号は電圧制御発振器403の制御電圧である。
A PLL (Phase Locked Loop) is often used as the FM signal detection system of the conventional non-contact mode AFM. This is the configuration as shown in FIG. First, the input signal of the AFM is input to the phase comparator 401. The phase comparator 401 detects and outputs a phase difference between the reference signal output from the voltage controlled oscillator 403 and the input signal. The phase difference signal passes through the filter and becomes the input of the voltage controlled oscillator 403. That is, when the phase difference between the input signal and the reference signal is deviated, a control voltage corresponding to the deviation amount is sent to the voltage controlled oscillator to raise or lower the frequency of the reference signal. By this feedback, the frequency and phase of the voltage controlled oscillator 403 are controlled so that they match the input signal exactly. The output signal corresponding to the AFM signal is the control voltage of the voltage controlled oscillator 403.

【0020】もし図1に示すブロック図に図4に示す位
相同期ループを当てはめるとしたら、位相比較器112
からの位相差信号から局部発振器2(115)の発振周
波数をコントロールする必要がある。しかしながら、こ
のような制御を行なうと位相同期ループに伴う時定数
(周波数がロックするまでの時間)により検出速度が低
下する。この時定数は図4にしめすフィルタの値により
決まるが、電圧制御発振器403の出力周波数変動のノ
イズを小さくするためにはフィルタの時定数を大きくし
なければならないため、検出速度の向上とノイズ低減は
相反するものとなっている。
If the phase locked loop shown in FIG. 4 is applied to the block diagram shown in FIG. 1, the phase comparator 112 is used.
It is necessary to control the oscillation frequency of the local oscillator 2 (115) from the phase difference signal from. However, when such control is performed, the detection speed decreases due to the time constant (time until the frequency locks) associated with the phase locked loop. This time constant is determined by the value of the filter shown in FIG. 4, but in order to reduce the noise of the output frequency fluctuation of the voltage controlled oscillator 403, the time constant of the filter must be increased, so that the detection speed is improved and the noise is reduced. Are contradictory.

【0021】そこで本発明に於いては、位相同期ループ
を構成せずに位相ずれそのものを検出し、同期をかけな
い構成とした。位相比較器112は図3(a)に示す2
つの信号(測定信号、参照信号)の位相差を検出する。
この場合バンドパスフィルタ111を通ってきた測定信
号と局部発振器2(115)から送られてくる参照信号
は位相比較器112内で2値化され図3(a)に示すよ
うな矩形波列となる。位相比較器112は2信号の立ち
上がり部を検出し、図3(b)に示すような位相差を表
わすパルス幅をもった信号を算出する。次にこの位相差
信号は位相比較器112から次段の位相信号処理117
に送られる。
Therefore, in the present invention, the phase shift itself is detected without forming the phase locked loop, and the synchronization is not applied. The phase comparator 112 has a configuration shown in FIG.
Detects the phase difference between two signals (measurement signal and reference signal).
In this case, the measurement signal that has passed through the bandpass filter 111 and the reference signal that is sent from the local oscillator 2 (115) are binarized in the phase comparator 112 and converted into a rectangular wave train as shown in FIG. Become. The phase comparator 112 detects the rising portion of the two signals and calculates a signal having a pulse width representing the phase difference as shown in FIG. Next, this phase difference signal is output from the phase comparator 112 to the next phase signal processing 117.
Sent to.

【0022】位相信号処理117は図2に示すような構
成により周波数の差を出力している。図3(b)の信号
が入ってくると、積分回路201により積分されるが、
参照信号をタイミング信号として局部発振器2(11
5)からの信号を受け、参照信号の立ち上がりと同時に
積分をリセットするように動作する。その結果図3
(c)に示すような波高値の変化するのこぎり波状の波
形が出力される。その波形は次段のピークホールド回路
202に出力される。ピークホールド回路202は入力
されたのこぎり波のピーク部をタイミング信号を用いて
サンプリングしホールドするように構成されている。こ
れによりこのピークホールド回路202からは図3
(d)に示すような階段状の波形が出力される。この階
段状の波形の傾斜はすなわち入力信号と参照信号の周波
数差に比例しているため、以降のフィルタ203と微分
回路204によって傾きが求められる。フィルタ203
により図3(e)の様に段差のないなだらかな信号が形
成され、その後微分回路により(f)の様な周波数差信
号が出力される。
The phase signal processing 117 outputs the difference in frequency by the configuration shown in FIG. When the signal shown in FIG. 3B is input, it is integrated by the integrating circuit 201.
The local oscillator 2 (11
It receives the signal from 5) and operates to reset the integration at the same time as the rising of the reference signal. As a result, Fig. 3
A sawtooth waveform whose crest value changes as shown in (c) is output. The waveform is output to the peak hold circuit 202 at the next stage. The peak hold circuit 202 is configured to sample and hold the peak portion of the input sawtooth wave using a timing signal. As a result, the peak hold circuit 202 shown in FIG.
A stepwise waveform as shown in (d) is output. Since the slope of this step-like waveform is proportional to the frequency difference between the input signal and the reference signal, the slope is obtained by the filter 203 and the differentiating circuit 204 that follow. Filter 203
As a result, a gentle signal having no step is formed as shown in FIG. 3E, and then the frequency difference signal as shown in FIG. 3F is output by the differentiating circuit.

【0023】周波数差信号は位相信号処理117から出
力されると次段のエラー信号生成119により予め設定
されているリファレンス周波数と比較され、エラー信号
が生成される。ノンコンタクトAFMでは、プローブの
自由振動の共振周波数でプローブを加振し、プローブを
測定試料表面へ接近させプローブ先端と試料表面との間
に力が発生すると自由振動に拘束力が加わるために共振
周波数がプローブ先端と試料表面との距離に応じてシフ
トする。そこで力一定の状態で制御を掛けるには、この
シフト量を一定に保つように距離制御を行なう必要があ
る。このシフト量に当たる周波数をエラー信号生成11
9において予め設定しておく必要がある。周波数差信号
がこのシフト量よりも大きく、あるいは小さくなってい
るときにはエラー信号がエラー信号生成119から出力
され、その値が次段の制御量算出120に送られる。
When the frequency difference signal is output from the phase signal processing 117, it is compared with a preset reference frequency by the error signal generation 119 in the next stage to generate an error signal. In the non-contact AFM, when the probe is vibrated at the resonance frequency of the free vibration of the probe and the probe is brought close to the measurement sample surface and a force is generated between the probe tip and the sample surface, the binding force is added to the free vibration to cause resonance. The frequency shifts according to the distance between the probe tip and the sample surface. Therefore, in order to apply the control with the force kept constant, it is necessary to perform the distance control so as to keep the shift amount constant. The frequency corresponding to this shift amount is used to generate the error signal 11
It is necessary to set in advance in 9. When the frequency difference signal is larger or smaller than this shift amount, an error signal is output from the error signal generation 119, and the value is sent to the control amount calculation 120 of the next stage.

【0024】制御量算出120はエラー信号からステー
ジ124をプローブ・試料表面間方向に駆動するための
駆動信号を出力する。一般的にこれらのステージ124
はピエゾアクチュエータを用いた機構により構成されて
いるが、そのような場合にはPID制御による制御量算
出部とそれをピエゾ駆動用に積分する加算部よりなって
いることが多い。アンプ122は駆動信号をピエゾアク
チュエータ用に適正化するためのものである。
The control amount calculation 120 outputs a drive signal for driving the stage 124 in the direction between the probe and the sample surface from the error signal. Generally these stages 124
Is composed of a mechanism using a piezo actuator. In such a case, it is often composed of a control amount calculation section by PID control and an addition section for integrating it for piezo drive. The amplifier 122 is for optimizing the drive signal for the piezo actuator.

【0025】ステージ124は、上述のようにプローブ
・試料表面間方向に駆動するZ方向要素とそれに垂直な
方向、すなわち測定試料表面内方向であるXY方向に駆
動できる様に構成されておりそのための駆動信号生成機
構としてXY走査制御121とアンプ123とが用意さ
れている。
As described above, the stage 124 is constructed so that it can be driven in the Z-direction element which is driven in the direction between the probe and the sample surface and the direction perpendicular thereto, that is, in the XY directions which are the inward directions of the measured sample surface. An XY scanning control 121 and an amplifier 123 are prepared as a drive signal generating mechanism.

【0026】最後に、データ処理116は位相信号処理
117から出力される位相差信号と制御量算出120の
出力する制御量を取り込んでAFMデータとして処理す
る。具体的にはAFM像としての視覚化や、画像処理等
による分析などである。
Finally, the data processing 116 takes in the phase difference signal output from the phase signal processing 117 and the control amount output from the control amount calculation 120 and processes it as AFM data. Specifically, it includes visualization as an AFM image, analysis by image processing, and the like.

【0027】上記の構成および各部の動作により、ノン
コンタクトAFMが実現される。
A non-contact AFM is realized by the above configuration and the operation of each part.

【0028】上記の態様に基づいて構成された装置によ
って具体的にノンコンタクトAFM測定を行なった。
The non-contact AFM measurement was specifically carried out by the apparatus constructed according to the above-mentioned mode.

【0029】プローブとして、長さ125μm、幅25
μm、厚さ5μmのSi製のカンチレバーを用いた。こ
のプローブの共振周波数はフリーで振動させた場合f
〜321kHzであった。加振器103は単層のピエゾ
素子を用いた、オートゲインコントロールアンプの出力
振幅はAFMの変位が5nmになるように調整した。
The probe has a length of 125 μm and a width of 25.
A Si cantilever having a thickness of 5 μm and a thickness of 5 μm was used. The resonance frequency of this probe is f R
Was ˜321 kHz. The vibrator 103 uses a single-layer piezo element, and the output amplitude of the auto gain control amplifier is adjusted so that the displacement of the AFM becomes 5 nm.

【0030】また、局部発振器1は水晶発振子を用いた
もので中心周波数としてfOCS1〜4.7MHzのも
のを用いた。局部発振器2(周波数fOCS2)は同じ
く水晶発振子を用いているが、外部の素子によりある程
度周波数を変化させられる構成になっている。一定周波
数で良いため、たとえば水晶発振子によるVCOを用い
たとしても、制御電圧に信号成分を重畳させる必要がな
いのでノイズには強く構成できる。本実施例ではVCO
を用いた。発振周波数は中心で5.0MHz程度とし
た。十分プローブと試料が離れた状態では、ミキサから
の出力は局部発振器1の周波数とプローブの共振周波数
の和と差の両方が現われるが、本実施例に於いてはバン
ドパスフィルタにより和の周波数を用いた。すなわちf
OCS1+fである。
Further, the local oscillator 1 uses a crystal oscillator having a center frequency of f OCS1 to 4.7 MHz. The local oscillator 2 (frequency f OCS2 ) also uses a crystal oscillator, but the frequency can be changed to some extent by an external element. Since a constant frequency is sufficient, even if a VCO using a crystal oscillator is used, for example, it is not necessary to superimpose a signal component on the control voltage, so that it can be configured to be strong against noise. In this embodiment, the VCO
Was used. The oscillation frequency is about 5.0 MHz at the center. When the probe and the sample are sufficiently separated from each other, the output from the mixer shows both the sum and difference of the frequency of the local oscillator 1 and the resonance frequency of the probe. In the present embodiment, the sum frequency is changed by the bandpass filter. Using. That is, f
OCS1 a + f R.

【0031】fOCS2〜fOSC1+fとする。プ
ローブを測定試料に接近させていないとき(自由振動
時)に位相信号処理117からの出力がゼロになるよう
に局部発振器2の周波数を調整することで得られる。
Let f OCS2 to f OSC1 + f R. It can be obtained by adjusting the frequency of the local oscillator 2 so that the output from the phase signal processing 117 becomes zero when the probe is not brought close to the measurement sample (during free vibration).

【0032】エラー信号生成119にセットする参照値
は周波数シフト量として50Hzに相当する値をセット
した。
The reference value set in the error signal generator 119 was set to a value corresponding to 50 Hz as the frequency shift amount.

【0033】以上のセッティングによって測定試料とし
てHOPG(高配向性グラファイト)を観察したとこ
ろ、ノイズの少ない安定したAFM像が原子レベルの分
解能で得られた。また、測定帯域としては従来のPLL
を用いたものよりも高速となりステージに用いられてい
るZアクチュエータ(本実施例では円筒ピエゾ)の機械
共振である20kHz弱の速度が得られた。
When HOPG (highly oriented graphite) was observed as a measurement sample with the above settings, a stable AFM image with little noise was obtained with atomic level resolution. Moreover, the conventional PLL is used as the measurement band.
The speed was higher than that of the Z-actuator, and a speed of a little less than 20 kHz, which is the mechanical resonance of the Z actuator (cylindrical piezo in this embodiment) used for the stage, was obtained.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上のように従来型の位相同期ループを
用いない周波数測定系を構成しているため、高速なノン
コンタクトAFMの観察測定が可能となる。VCO等の
発振器の周波数をフィードバックによりコントロールす
る必要が無くなったため、出力周波数のゆらぎの少ない
発振器を用いることによりノイズの非常に少ないAFM
測定が可能となる。
As described above, since the conventional frequency measurement system does not use the phase-locked loop, high-speed observation and measurement of the non-contact AFM can be performed. Since it is no longer necessary to control the frequency of an oscillator such as a VCO by feedback, an AFM with very little noise can be obtained by using an oscillator with less fluctuation in output frequency.
It becomes possible to measure.

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

【図1】本発明のノンコンタクトAFMの構成を示すブ
ロック図。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a non-contact AFM of the present invention.

【図2】本発明のノンコンタクトAFMで用いた位相信
号処理について説明する図。
FIG. 2 is a diagram illustrating phase signal processing used in the non-contact AFM of the present invention.

【図3】位相信号処理による検出過程を示す信号波形。FIG. 3 is a signal waveform showing a detection process by phase signal processing.

【図4】従来の周波数検出に用いられる位相同期ループ
を説明する図。
FIG. 4 is a diagram for explaining a conventional phase locked loop used for frequency detection.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 AFMプローブ 102 測定試料 103 加振器 104 レーザ 105 4分割フォトダイオードセンサ 109 加振器駆動用アンプ 122、123 XYZステージ駆動用アンプ 101 AFM probe 102 measurement sample 103 shaker 104 laser 105 4-division photodiode sensor 109 Exciter drive amplifier 122, 123 XYZ stage drive amplifier

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プローブを該プローブの持つ機械共振の
共振周波数で振動させながら測定試料に近づけるとき、
該プローブと該測定試料との間に生じる力により起こる
前記共振周波数の変化を利用し、該測定試料の微細な凹
凸を観察する走査型プローブ顕微鏡において以下を含
む、 カンチレバー形状を持つプローブ、 測定試料を該プローブに対向して保持するための試料保
持機構、 該プローブを該測定試料表面に平行に相対走査するため
の2次元走査機構、 該プローブに振動を加えるための加振機構、 該プローブの先端変位を検出する変位検出機構、 該変位検出器からの検出信号の周波数を測定する周波数
測定機構、 該周波数測定機構は検出信号に一定周波数を加える周波
数加算機構、一定周波数の信号を生成する加算周波数信
号発生機構、一定周波数を加算された検出信号を既定帯
域で濾波するフィルタ、濾波された信号と参照信号の位
相差を検出する位相比較機構、該参照信号を生成する参
照信号発生機構、位相比較機構からの位相比較信号から
周波数を算出する位相信号処理機構を有する、 周波数測定機構により測定された信号と予め設定された
周波数との差を算出するエラー信号生成機構、 該エラー信号生成機構からのエラー信号より該プローブ
先端と試料表面との間を制御する距離制御機構、 該距離制御機構はエラー信号生成機構からのエラー信号
より制御量を算出する制御量算出機構、プローブ先端と
試料表面との間の距離を変位させる駆動機構、該制御量
算出機構より出力された制御量を該駆動機構の駆動信号
に変換するアンプ機構からなる。
1. When bringing a probe close to a measurement sample while vibrating the probe at a resonance frequency of mechanical resonance of the probe,
A probe having a cantilever shape, including the following in a scanning probe microscope for observing fine irregularities of the measurement sample by utilizing a change in the resonance frequency caused by a force generated between the probe and the measurement sample: Holding mechanism for holding the probe facing the probe, a two-dimensional scanning mechanism for relatively scanning the probe parallel to the surface of the measurement sample, a vibration mechanism for applying vibration to the probe, Displacement detection mechanism for detecting tip displacement, frequency measurement mechanism for measuring the frequency of the detection signal from the displacement detector, frequency measurement mechanism for adding a constant frequency to the detection signal, addition mechanism for generating a constant frequency signal Frequency signal generation mechanism, filter that filters the detection signal with a fixed frequency added in a predetermined band, and detects the phase difference between the filtered signal and the reference signal It has a phase comparison mechanism for outputting, a reference signal generation mechanism for generating the reference signal, and a phase signal processing mechanism for calculating the frequency from the phase comparison signal from the phase comparison mechanism. The signal measured by the frequency measurement mechanism and preset An error signal generation mechanism that calculates a difference from the frequency, a distance control mechanism that controls the distance between the probe tip and the sample surface based on an error signal from the error signal generation mechanism, and the distance control mechanism is an error from the error signal generation mechanism. Control amount calculating mechanism for calculating control amount from signal, drive mechanism for displacing distance between probe tip and sample surface, amplifier for converting control amount output from the control amount calculating mechanism to drive signal of the driving mechanism It consists of a mechanism.
【請求項2】 請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡に
於いて位相信号処理機構は、積分機構、ピークホールド
機構、フィルタ機構、微分機構を有し、該積分機構およ
び該ピークホールド機構は参照信号発生機構からの参照
信号をタイミング信号として参照し動作することを特徴
とする。
2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the phase signal processing mechanism has an integration mechanism, a peak hold mechanism, a filter mechanism, and a differentiation mechanism, and the integration mechanism and the peak hold mechanism are reference signals. It is characterized in that it operates by referring to a reference signal from the generation mechanism as a timing signal.
【請求項3】 請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡に
於いて参照信号発生機構は水晶発振子を有しており、該
水晶発振子の生ずる周波数を用いて参照信号を発生する
ことを特徴とする。
3. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the reference signal generating mechanism has a crystal oscillator, and the reference signal is generated using a frequency generated by the crystal oscillator. To do.
【請求項4】 請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡に
於いて加算周波数信号発生機構は水晶発振子を有してお
り、該水晶発振子の生ずる周波数を用いて参照信号を発
生することを特徴とする。
4. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the addition frequency signal generating mechanism has a crystal oscillator, and the reference signal is generated by using the frequency generated by the crystal oscillator. And
【請求項5】 プローブを該プローブの持つ機械共振の
共振周波数で振動させながら測定試料に近づけるとき、
該プローブと該測定試料との間に生じる力により起こる
前記共振周波数の変化を利用し、該測定試料の微細な凹
凸を観察する走査型プローブ顕微鏡においてプローブの
先端変位の周波数を検出する方法であって、プローブの
先端変位を検出する変位検出機構が出力する検出信号に
一定周波数の信号を加算するステップと、一定周波数が
加算された検出信号を濾波するステップと、濾波された
信号と参照信号との位相差を比較し、位相差に応じた信
号を出力するステップと、該信号から周波数を算出する
ステップを有する。
5. When the probe is brought close to a measurement sample while vibrating at a resonance frequency of mechanical resonance of the probe,
A method for detecting the frequency of tip displacement of a probe in a scanning probe microscope for observing fine irregularities of the measurement sample by utilizing a change in the resonance frequency caused by a force generated between the probe and the measurement sample. The step of adding a signal of a constant frequency to the detection signal output by the displacement detection mechanism that detects the displacement of the tip of the probe, the step of filtering the detection signal to which the constant frequency is added, the filtered signal and the reference signal. And outputting a signal corresponding to the phase difference, and calculating a frequency from the signal.
【請求項6】 請求項5記載の周波数検出方法に於いて
周波数を算出するステップは、位相差に応じた信号を積
分するステップ、積分された信号の極大値を検出するス
テップ、極大値信号を濾波するステップ、濾波された信
号の微分を算出するステップを有し、該積分ステップお
よび該極大値検出ステップは参照信号をタイミング信号
として参照し動作することを特徴とする。
6. The frequency detecting method according to claim 5, wherein the step of calculating the frequency includes a step of integrating a signal corresponding to a phase difference, a step of detecting a maximum value of the integrated signal, and a maximum value signal. It is characterized in that it comprises a step of filtering, a step of calculating a derivative of the filtered signal, and the integrating step and the maximum value detecting step operate by referring to a reference signal as a timing signal.
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