JP2005083852A - Scanning probe microscope - Google Patents

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Takaaki Amakusa
貴昭 天草
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To conform an assigned scanning area with an actual scanning area to allow accurate measurement reduced in an error, by measuring an electrostatic capacity due to temperature variation, and by correcting scanner sensitivity based on the electrostatic capacity, in a temperature-varied scanning probe microscope. <P>SOLUTION: This scanning probe microscope for detecting interatomic force acting between a probe and a sample or a tunnel current therein is provided with a piezoelectric scanning body for scanning the probe relatively with respect to the sample, an electrostatic capacity measuring means for measuring the electrostatic capacity of the piezoelectric scanning body, and a scan voltage generation means for supplying a voltage for the scanning by the piezoelectric scanning body in response to the electrostatic capacity measured by the electrostatic capacity measuring means. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a scanning probe microscope, which is a general term for a scanning tunnel microscope, an atomic force microscope, a magnetic force microscope, a friction force microscope, a micro viscoelastic microscope, a surface potential difference microscope, and similar devices.

走査形トンネル顕微鏡は、試料と金属製探針との距離をlnm以下に保ち、これらの間にバイアス電圧をかけると、探針と試料間の真空間隙を通って電子が移動する、いわゆるトンネル電流が流れるというトンネル効果の原理を利用しており、その場合トンネル電流は試料と探針との距離に敏感であることから、トンネル電流が一定となるように、探針で試料表面上を二次元的に走査することによって、試料表面の凹凸を原子レベルで観察することができるものである。   A scanning tunneling microscope is a so-called tunnel current in which electrons move through a vacuum gap between a probe and a sample when a distance between the sample and a metal probe is kept at 1 nm or less and a bias voltage is applied between them. In this case, the tunnel current is sensitive to the distance between the sample and the probe, so that the tunnel current is constant over the sample surface so that the tunnel current is constant. By scanning regularly, the unevenness of the sample surface can be observed at the atomic level.

図1は従来技術における実施例である。圧電素子2には探針6が取り付けられ、図示しない試料に対向している。圧電素子2にはXYZ方向に探針6を走査する電極3、4、5が取付られており、各電極には高圧アンプ7、8及びスキャン波形発生源9、10が接続されている。電極3、4、5に電圧を印加することによって、探針6がXYZ方向に走査する。試料は図示しない試料ホルダに設置されている。冷却の場合は試料ホルダのみでなく探針、探針ホルダ、スキャナ等のSPMヘッドと共に冷却する。また、走査形プローブ顕微鏡は、コンピュータ1上で動作するソフトウェアによってスキャナ領域を指定して走査を行う。   FIG. 1 shows an embodiment in the prior art. A probe 6 is attached to the piezoelectric element 2 and faces a sample (not shown). Electrodes 3, 4, and 5 that scan the probe 6 in the XYZ directions are attached to the piezoelectric element 2, and high-voltage amplifiers 7 and 8 and scan waveform generation sources 9 and 10 are connected to each electrode. By applying a voltage to the electrodes 3, 4, and 5, the probe 6 scans in the XYZ directions. The sample is installed in a sample holder (not shown). In the case of cooling, cooling is performed not only with the sample holder but also with the SPM head such as a probe, a probe holder, and a scanner. The scanning probe microscope performs scanning by designating a scanner area by software operating on the computer 1.

例えば、シリコンを測定する場合、組織の整ったシリコンを観察するため、試料を600乃至1000度の高温に加熱してアニールを行う場合がある。シリコンは酸化し易いため、真空中で観察が行われる。   For example, when measuring silicon, in order to observe silicon with a well-organized structure, the sample may be annealed by heating to a high temperature of 600 to 1000 degrees. Since silicon is easily oxidized, it is observed in a vacuum.

しかし、試料を加熱又は冷却する場合、試料の周辺部品も温度の影響をうける。スキャナは探針6を介して試料に対面して配置されるため、試料に対する断熱を行っても、熱の伝導、輻射、対流の影響を完全に遮断することはできない。そして、スキャナに用いられる圧電素子2の感度(与えた電圧に対する変位量)は温度によって変化するため、スキャナの走査範囲も温度に応じて変化する。試料ホルダ等は熱伝導がよい材質(銅、アルミ等)を用いるが、スキャナは圧電素子2から構成され、熱伝導率が非常に悪いために、試料28の温度が変化する場合も、非常に時定数が大きく、試料温度と同じになるのに非常に時間がかかる。つまり、試料温度をある温度に設定しても、どの位の時間が経過したかによっても、スキャナの温度は相違する。また、試料温度をある温度に変化させても、より高い温度から到ったか、より低い温度から到ったかによっても、スキャナの温度は大きく異なる。SPMヘッド全体を冷却する場合も試料温度とスキャナが同じ温度になるためには数時間を要する場合がある。   However, when the sample is heated or cooled, the peripheral parts of the sample are also affected by the temperature. Since the scanner is arranged to face the sample through the probe 6, even if heat insulation is performed on the sample, the influence of heat conduction, radiation, and convection cannot be completely blocked. Since the sensitivity of the piezoelectric element 2 used in the scanner (the amount of displacement with respect to the applied voltage) varies with temperature, the scanning range of the scanner also varies with temperature. The sample holder or the like uses a material with good heat conduction (copper, aluminum, etc.), but the scanner is composed of the piezoelectric element 2 and the heat conductivity is very poor. The time constant is large and it takes a very long time to be the same as the sample temperature. That is, even if the sample temperature is set to a certain temperature, the temperature of the scanner differs depending on how much time has passed. Even if the sample temperature is changed to a certain temperature, the temperature of the scanner varies greatly depending on whether the temperature reaches a higher temperature or a lower temperature. Even when the entire SPM head is cooled, it may take several hours for the sample temperature and the scanner to reach the same temperature.

以上のことから、試料の温度を変化させる走査形プローブ顕微鏡において、指定した走査領域と、実際の走査領域は異なる可能性があった。このことは、温度を変えて既知の試料を走査形プローブ顕微鏡で測定を行うことで確認できる。XY方向の走査ばかりではなく、試料の深さ方向であるZ方向の変位も圧電素子2を用いて行うため、凹凸の測定も正確さを欠くことになる。   From the above, in the scanning probe microscope that changes the temperature of the sample, there is a possibility that the designated scanning area is different from the actual scanning area. This can be confirmed by changing the temperature and measuring a known sample with a scanning probe microscope. Since not only scanning in the XY direction but also displacement in the Z direction, which is the depth direction of the sample, is performed using the piezoelectric element 2, the measurement of unevenness also lacks accuracy.

また従来、圧電感度は室温時に計測し、これをもとに走査領域が規定されている。従って、温度が変わると指定した領域が実際の走査領域とが異なる。   Conventionally, the piezoelectric sensitivity is measured at room temperature, and the scanning area is defined based on this measurement. Therefore, the designated area differs from the actual scanning area when the temperature changes.

なお、従来技術としては、静電容量センサを用いたZ変位検出機構がある(例えば、特許文献1)。   As a conventional technique, there is a Z displacement detection mechanism using a capacitance sensor (for example, Patent Document 1).

特開平9−133690JP-A-9-133690

本発明が解決しようとする課題は、試料の温度を可変とする走査形プローブ顕微鏡において測定を行う場合、温度変化によるスキャナの感度を補正し、正確な測定を行うことである。   The problem to be solved by the present invention is to perform accurate measurement by correcting the sensitivity of the scanner due to temperature change when performing measurement with a scanning probe microscope in which the temperature of the sample is variable.

第1の発明は、探針と試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡において、探針と試料を相対的に走査させる圧電走査体と、前記圧電走査体の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記静電容量測定手段で測定した静電容量に応じた前記圧電走査体が走査するための電圧を供給する走査電圧発生手段を備えることを特徴とする。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a scanning probe microscope that detects a physical quantity acting between a probe and a sample, a piezoelectric scanning body that relatively scans the probe and the sample, and a capacitance of the piezoelectric scanning body. Capacitance measuring means for measuring, and scanning voltage generating means for supplying a voltage for scanning by the piezoelectric scanning body according to the capacitance measured by the capacitance measuring means are provided.

第2の発明は、第1の発明に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記走査電圧発生手段が前記静電容量により前記電圧の補正を行う補正回路を有することを特徴とする。   A second invention is the scanning probe microscope described in the first invention, characterized in that the scanning voltage generating means has a correction circuit for correcting the voltage by the capacitance.

第3の発明は、第1の発明に記載された走査形プローブ顕微鏡であって、前記走査電圧発生手段が前記静電容量に応じた走査電圧を演算する演算手段を有することを特徴とする。   A third invention is the scanning probe microscope described in the first invention, characterized in that the scanning voltage generating means has a calculating means for calculating a scanning voltage corresponding to the capacitance.

第4の発明は、第1の発明乃至第3の発明に記載された走査形プローブ顕微鏡であって、円筒形である前記圧電体が直径方向における一方向及び前記一方向に直交する他方向に変位するための走査電極を有し、前記静電容量測定手段が前記走査電極部分の静電容量を測定し、前記走査電圧発生手段により独立してそれぞれの前記走査電極に電圧印加を行うことを特徴とする。   A fourth aspect of the invention is the scanning probe microscope described in the first to third aspects of the invention, wherein the cylindrical piezoelectric body is in one direction in the diametrical direction and in the other direction perpendicular to the one direction. A scanning electrode for displacing, wherein the capacitance measuring means measures a capacitance of the scanning electrode portion, and the scanning voltage generating means independently applies a voltage to each scanning electrode. Features.

第5の発明は、第4の発明に記載された走査形プローブ顕微鏡であって、前記走査電圧発生手段が電圧増幅手段と走査波形発生手段を有することを特徴とする。   A fifth invention is the scanning probe microscope described in the fourth invention, wherein the scanning voltage generating means includes a voltage amplifying means and a scanning waveform generating means.

第6の発明は、第1の発明乃至第5の発明のいずれかに記載された走査形プローブ顕微鏡であって、気密に設けられた試料観察室と、前記試料観察室内のガスを排出するガス排出手段と、前記試料を加熱又は冷却する試料温度可変手段と、
を備えることを特徴とする。
A sixth invention is a scanning probe microscope according to any one of the first to fifth inventions, wherein the sample observation chamber provided in an airtight manner and a gas for discharging the gas in the sample observation chamber Discharging means; and sample temperature variable means for heating or cooling the sample;
It is characterized by providing.

温度の変化する走査形プローブ顕微鏡において温度変化による静電容量を測定し、この静電容量によりスキャナ感度を補正することで、指定した走査領域と実際の走査領域を一致させることができる。このため誤差の少ない正確な測定を行うことができる。   By measuring the electrostatic capacitance due to the temperature change in the scanning probe microscope in which the temperature changes, and correcting the scanner sensitivity with this electrostatic capacitance, the designated scanning area and the actual scanning area can be matched. For this reason, accurate measurement with few errors can be performed.

探針と試料を相対的に走査させる圧電走査体の静電容量を測定し、静電容量に応じた電圧を供給する。   The capacitance of the piezoelectric scanning body that relatively scans the probe and the sample is measured, and a voltage corresponding to the capacitance is supplied.

まず、図3、4、6及び7を用いて実施例1の構成について説明する。図6は本発明による走査形プローブ顕微鏡の外観図である。内部が気密に保持された観察室21は、防振台24を介して、設置されている。観察室21には、真空ポンプ25が接続されており、内部を超高真空にすることができる。観察室21にはガスボンベ20が接続されており、窒素等のガスを封入することができる。また、観察室21には真空フランジ22が設置されており、走査型電子顕微鏡等を接続し、走査型電子顕微鏡観察を行うことができる。また、走査形プローブ顕微鏡はコンピュータ26の制御下にある。   First, the configuration of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is an external view of a scanning probe microscope according to the present invention. The observation chamber 21 in which the inside is kept airtight is installed via a vibration isolation table 24. A vacuum pump 25 is connected to the observation chamber 21 so that the inside can be brought into an ultrahigh vacuum. A gas cylinder 20 is connected to the observation chamber 21, and a gas such as nitrogen can be enclosed. In addition, a vacuum flange 22 is installed in the observation chamber 21, and a scanning electron microscope or the like can be connected to perform observation with a scanning electron microscope. The scanning probe microscope is under the control of the computer 26.

図7は、図6における観察室21の断面である。以降、図中の同じ名称の部分には、同じ番号を付ける。観察室21には試料28を保持した試料ホルダ27が設置されている。試料ホルダ27にはヒータ30が内蔵されている。ヒータ30の替わりに、図示しない液体窒素等が図示しない熱伝導体を介して接続されて、冷却してもよい。試料28には探針6が対向して配置され、探針6にはスキャナ29が取り付けられている。   FIG. 7 is a cross section of the observation chamber 21 in FIG. Hereinafter, the same number is attached to the part of the same name in the figure. A sample holder 27 holding a sample 28 is installed in the observation chamber 21. A heater 30 is built in the sample holder 27. Instead of the heater 30, liquid nitrogen (not shown) or the like may be connected via a heat conductor (not shown) to be cooled. A probe 6 is disposed opposite to the sample 28, and a scanner 29 is attached to the probe 6.

図4は、図7におけるスキャナ29の詳細図である。圧電素子2は圧電セラミックス素子等の強誘電体材料を焼結形成したもので、円筒形状をしている。圧電素子2の内側全面には共通接地電極が形成されており、外面にはX電極3,Y電極4、Z電極5がメタライズされている。圧電素子2の特性は、共通接地電極に対して外側の電極に正電圧を印加した時に伸長し、負電圧を印加した時に収縮することである。従って、圧電素子2の一端を保持し、対面するX電極3の一方と他方に逆特性の電圧を印可すると圧電素子2が湾曲を起こすことになる。このように、X電極3とY電極4に走査信号を加えることで2次元的な走査が可能になる。同様に、Z電極5に電圧を印加して制御することで、試料28と探針6との距離を1nm以下に保持することができる。また、一方の端部には導電性の探針6が設置されている。X電極3には、任意の電圧を印加するためのスキャン波形発生源9,X高圧アンプ7及びX電圧補正器15が電気的に接続されており、コンピュータ1の制御下にある。コンピュータ1は、図6のコンピュータ26と同一である。また、X電極3にはX静電気容量測定器13が接続されており、X静電気容量測定器13はX電圧補正器15とも接続されている。X静電容量測定器13はテスターであり、数値を表示するようにしてもよい。静電容量の測定は圧電素子2の内側の共通接地電極とX電極間で行うことにより、電極で被われている部分の静電容量を測定することができる。Xスキャン波形発生源9、X高圧アンプ7、X圧電補正器15及びX静電容量測定器13は、回路基板等により構成されたユニットとして構成されている。Y方向も同様に接続されている。また、図示していないが、Z方向も同様に接続されていてもよい。   FIG. 4 is a detailed view of the scanner 29 in FIG. The piezoelectric element 2 is formed by sintering a ferroelectric material such as a piezoelectric ceramic element, and has a cylindrical shape. A common ground electrode is formed on the entire inner surface of the piezoelectric element 2, and an X electrode 3, a Y electrode 4, and a Z electrode 5 are metallized on the outer surface. The characteristic of the piezoelectric element 2 is that it expands when a positive voltage is applied to the outer electrode with respect to the common ground electrode and contracts when a negative voltage is applied. Therefore, when one end of the piezoelectric element 2 is held and a voltage having a reverse characteristic is applied to one and the other of the facing X electrodes 3, the piezoelectric element 2 is bent. In this way, two-dimensional scanning is possible by applying scanning signals to the X electrode 3 and the Y electrode 4. Similarly, by applying a voltage to the Z electrode 5 and controlling it, the distance between the sample 28 and the probe 6 can be maintained at 1 nm or less. A conductive probe 6 is installed at one end. A scan waveform generation source 9 for applying an arbitrary voltage, an X high voltage amplifier 7 and an X voltage corrector 15 are electrically connected to the X electrode 3 and are under the control of the computer 1. The computer 1 is the same as the computer 26 of FIG. Further, an X electrostatic capacity measuring device 13 is connected to the X electrode 3, and the X electrostatic capacity measuring device 13 is also connected to an X voltage corrector 15. The X capacitance measuring device 13 is a tester and may display a numerical value. By measuring the capacitance between the common ground electrode and the X electrode inside the piezoelectric element 2, the capacitance of the portion covered with the electrode can be measured. The X scan waveform generation source 9, the X high-voltage amplifier 7, the X piezoelectric corrector 15, and the X capacitance measuring device 13 are configured as a unit including a circuit board and the like. The Y direction is similarly connected. Although not shown, the Z direction may be similarly connected.

図3は、図4における矢視図Aである。圧電素子2の直径方向の一方向をX方向、X方向と直交する方向をY方向及び高さ方向をZ方向とする。X及びY方向の電極は、それぞれ対面の電極と接続されている。スキャナ内側には温度センサ31が取り付けられている。   FIG. 3 is a view A in FIG. One direction in the diameter direction of the piezoelectric element 2 is defined as an X direction, a direction orthogonal to the X direction is defined as a Y direction, and a height direction is defined as a Z direction. The electrodes in the X and Y directions are connected to the facing electrodes, respectively. A temperature sensor 31 is attached inside the scanner.

次に、実施例1の動作を説明する。図4及び7において、観察室21は高真空に保たれ、試料28と探針6の距離は1nm以下に保たれてトンネル電流が流れている。試料28は固定されており、スキャナ29のXY電極に電圧を印加し、スキャナ29を変位させることにより走査している。スキャナZ電極に電圧を印加してスキャナ29を変位させ、トンネル電流が一定になるようにコンピュータ制御することによって、印加した電圧を変位量に変換し、凹凸像を原子レベルで観察することができる。   Next, the operation of the first embodiment will be described. 4 and 7, the observation chamber 21 is kept in a high vacuum, the distance between the sample 28 and the probe 6 is kept at 1 nm or less, and a tunnel current flows. The sample 28 is fixed, and scanning is performed by applying a voltage to the XY electrodes of the scanner 29 and displacing the scanner 29. By applying a voltage to the scanner Z electrode and displacing the scanner 29 and controlling the computer so that the tunnel current is constant, the applied voltage can be converted into a displacement amount, and an uneven image can be observed at the atomic level. .

試料28をヒータ30で加熱した場合、スキャナ29にも輻射、伝導等で熱が伝わる。スキャナ29は前記の通り熱伝導率が悪いため、試料28において図示しない温度計で測定した温度にはなり難い。温度により圧電素子2の感度は異なり、コンピュータ1において指定したスキャン領域と実際にスキャンしている領域は異なる可能性がある。実験結果から分かったことは、5〜350[K]の走査形プローブ顕微鏡の測定が行われる温度において、温度に対する圧電素子2の静電容量は略リニアに変化し、静電容量に対する圧電素子2の感度も同様の特性曲線を得る。図2は圧電素子2の温度変化に対する静電容量変化であり、例として5〜350[K]で略リニアに変化するスキャナを用いる。図9は圧電素子2の静電容量の変化に対する変位変化であり、常用する温度では、実線で表した通り略リニアに変化している。このことを利用すると、温度変化による圧電素子2の静電容量を測定することにより、静電容量の変化から圧電素子2の感度を補正することができる。   When the sample 28 is heated by the heater 30, heat is also transmitted to the scanner 29 by radiation, conduction or the like. Since the scanner 29 has poor thermal conductivity as described above, the temperature of the sample 28 measured by a thermometer (not shown) is difficult to reach. The sensitivity of the piezoelectric element 2 differs depending on the temperature, and the scan area designated in the computer 1 may be different from the area actually scanned. From the experimental results, it was found that the capacitance of the piezoelectric element 2 with respect to the temperature changes substantially linearly at the temperature at which the scanning probe microscope of 5 to 350 [K] is measured, and the piezoelectric element 2 with respect to the capacitance. A similar characteristic curve is obtained for the sensitivity. FIG. 2 shows a change in capacitance with respect to a change in temperature of the piezoelectric element 2. As an example, a scanner that changes approximately linearly at 5 to 350 [K] is used. FIG. 9 shows a change in displacement with respect to the change in capacitance of the piezoelectric element 2, and changes substantially linearly as indicated by a solid line at a normal temperature. By utilizing this fact, the sensitivity of the piezoelectric element 2 can be corrected from the change in capacitance by measuring the capacitance of the piezoelectric element 2 due to temperature change.

例えば、室温300[K]のとき、以下の値とする。
X方向圧電素子感度: KX(300)[nm/V]
X方向に相当する部分の静電容量:CX(300)[nF]
また、観察するスキャナ温度T[K]のとき、以下の値とする。
X方向圧電素子感度: KX(T)[nm/V]
X方向に相当する部分の静電容量:CX(T)[nF]
CX(T)を測定することにより、下記の式からKX(T)を求めることができる。
KX(T)=KX(300)/CX(300)×CX(T)
その時指示した圧電素子2感度に相当する電圧VX(T)[V]は既知であるため、実際のX方向のスキャン距離VX(T)×KX(T)を得ることができる。
For example, when the room temperature is 300 [K], the following values are used.
X direction piezoelectric element sensitivity: KX (300) [nm / V]
Capacitance of the portion corresponding to the X direction: CX (300) [nF]
Further, when the observed scanner temperature is T [K], the following values are used.
X direction piezoelectric element sensitivity: KX (T) [nm / V]
Capacitance of the portion corresponding to the X direction: CX (T) [nF]
By measuring CX (T), KX (T) can be obtained from the following equation.
KX (T) = KX (300) / CX (300) × CX (T)
Since the voltage VX (T) [V] corresponding to the instructed piezoelectric element 2 sensitivity is known, the actual X-direction scan distance VX (T) × KX (T) can be obtained.

X電圧補正器15は、上記のような補正を行う回路が組まれている。よって、PC上で指示したスキャン領域を走査するとき、指定した波形に相当する電圧をその時の温度における圧電素子感度補正して印加することができる。Y方向、Z方向に対しても同様に補正することができる。   The X voltage corrector 15 includes a circuit that performs the above correction. Therefore, when scanning the designated scan area on the PC, a voltage corresponding to the designated waveform can be applied after correcting the piezoelectric element sensitivity at the temperature at that time. Similar corrections can be made for the Y and Z directions.

以上のように、温度変化による静電容量を測定し、この静電容量により圧電素子感度を補正することで、指定した走査領域と実際の走査領域を一致させることができる。このため誤差の少ない正確な測定を行うことができる。   As described above, it is possible to match the designated scanning area with the actual scanning area by measuring the electrostatic capacity due to the temperature change and correcting the piezoelectric element sensitivity with this electrostatic capacity. For this reason, accurate measurement with few errors can be performed.

図5,6,7及び8は、別の実施例である。図6,7は実施例1と同様である。   Figures 5, 6, 7 and 8 are alternative embodiments. 6 and 7 are the same as those in the first embodiment.

図5は図7におけるスキャナ29の詳細図である。実施例1との差異は、実施例1はコンピュータ1上で算出した走査電圧を電圧補正器15、16により補正していたのに対し、実施例2ではコンピュータ1上で作動するソフトウェアにより補正した走査電圧の算出を行う点である。X静電容量測定器13の一端はX電極3に接続され、他端はコンピュータ1に接続されている。また、コンピュータ1にはXスキャン波形発生源9及びX高圧アンプ7が接続されている。Y方向、Z方向も同様である。   FIG. 5 is a detailed view of the scanner 29 in FIG. The difference from the first embodiment is that the scanning voltage calculated on the computer 1 is corrected by the voltage correctors 15 and 16 in the first embodiment, whereas the second embodiment is corrected by software operating on the computer 1. This is the point at which the scanning voltage is calculated. One end of the X capacitance measuring device 13 is connected to the X electrode 3, and the other end is connected to the computer 1. The computer 1 is connected to an X scan waveform generation source 9 and an X high voltage amplifier 7. The same applies to the Y direction and the Z direction.

図8は、スキャナ29を制御するコンピュータ1上で作動するプログラムのフローチャートである。コンピュータ1上で作動するプログラムは以下のステップを実行する。温度300[K]における既知のX方向圧電素子感度KX(300)と、このときの静電容量CX(300)が設定される。温度Tにおける圧電素子2の静電容量CX(T)の測定が行なわれる。前記の通り、温度Tにおける圧電素子感度はKX(T)=KX(300)×CX(T)/CX(300)で求めることができるので、演算を行いKX(T)を求める。実際のX方向のスキャン距離はVX(T)×KX(T)となり、コンピュータ1の制御によりスキャナ29の圧電素子2に電圧印加される。Y方向及びZ方向も同様に演算されて、コンピュータ1の制御によりスキャナ29の圧電素子2に電圧印加される。   FIG. 8 is a flowchart of a program that operates on the computer 1 that controls the scanner 29. A program operating on the computer 1 executes the following steps. A known X-direction piezoelectric element sensitivity KX (300) at a temperature of 300 [K] and a capacitance CX (300) at this time are set. The capacitance CX (T) of the piezoelectric element 2 at the temperature T is measured. As described above, the piezoelectric element sensitivity at the temperature T can be obtained by KX (T) = KX (300) × CX (T) / CX (300). The actual scanning distance in the X direction is VX (T) × KX (T), and a voltage is applied to the piezoelectric element 2 of the scanner 29 under the control of the computer 1. The Y direction and the Z direction are similarly calculated, and a voltage is applied to the piezoelectric element 2 of the scanner 29 under the control of the computer 1.

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、試料ホルダに圧電素子を設置して、試料側を走査させてもよい。また、大気圧測定における走査形プローブ顕微鏡に適用してもよい。さらに、実施例では圧電素子感度をKX(T)=KX(300)×CX(T)/CX(300)として補正を示したが、コンピュータ上のソフトウェアが各静電容量に対する圧電素子感度のデータを持っており、それにより補正を行ってもよい。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, a piezoelectric element may be installed on the sample holder and the sample side may be scanned. Moreover, you may apply to the scanning probe microscope in atmospheric pressure measurement. Further, in the embodiment, the correction is shown as the piezoelectric element sensitivity is KX (T) = KX (300) × CX (T) / CX (300). However, the software on the computer displays the piezoelectric element sensitivity data for each capacitance. So that the correction may be performed.

また、図9のように冷却タンクでSPMヘッドを冷却してもよい。   Further, the SPM head may be cooled by a cooling tank as shown in FIG.

従来のスキャナ詳細図である。It is a detailed view of a conventional scanner. 圧電素子の温度変化と静電容量の関係図である。It is a related figure of the temperature change of a piezoelectric element, and an electrostatic capacitance. 図4における矢視A図である。It is an arrow A figure in FIG. 本発明におけるスキャン波形発生の後に圧電素子感度補正を行うスキャナ詳細図である。FIG. 4 is a detailed view of a scanner that performs piezoelectric element sensitivity correction after scan waveform generation in the present invention. 本発明におけるスキャン波形発生の時に圧電素子感度補正を行うスキャナ詳細図である。FIG. 4 is a detailed view of a scanner that performs piezoelectric element sensitivity correction when a scan waveform is generated in the present invention. 走査形プローブ顕微鏡外観図である。It is a scanning probe microscope external view. 図6における観察室断面図である。It is observation chamber sectional drawing in FIG. 図5におけるコンピュータ上で作動する圧電素子感度補正プログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the piezoelectric element sensitivity correction program which operate | moves on the computer in FIG. 冷却タンクでSPMヘッドを冷却した場合の観察室断面図である。It is observation chamber sectional drawing at the time of cooling an SPM head with a cooling tank.

符号の説明Explanation of symbols

1 コンピュータ
2 圧電素子
3 X電極
4 Y電極
5 Z電極
6 探針
7 X高圧アンプ
8 Y高圧アンプ
9 Xスキャン波形発生源
10 Yスキャン波形発生源
11 X静電容量測定配線
12 Y静電容量測定配線
13 X静電容量測定器
14 Y静電容量測定器
15 X電圧補正器
16 Y電圧補正器
17 Z静電容量測定
18 Z高圧アンプ
19 Zスキャン波形発生源
20 ガスボンベ
21 観察室
22 真空フランジ
23 のぞき窓
24 防振台
25 真空ポンプ
26 コンピュータ
27 試料ホルダ
28 試料
29 スキャナ
30 ヒータ
31 温度センサ
32 SPMヘッド
33 冷却タンク
1 Computer 2 Piezoelectric Element 3 X Electrode 4 Y Electrode 5 Z Electrode 6 Probe 7 X High Voltage Amplifier 8 Y High Voltage Amplifier 9 X Scan Waveform Source 10 Y Scan Waveform Source 11 X Capacitance Measurement Wiring 12 Y Capacitance Measurement Wiring 13 X capacitance measuring device 14 Y capacitance measuring device 15 X voltage correcting device 16 Y voltage correcting device 17 Z capacitance measuring 18 Z high voltage amplifier 19 Z scan waveform generating source 20 gas cylinder 21 observation chamber 22 vacuum flange 23 Observation window 24 Anti-vibration table 25 Vacuum pump 26 Computer 27 Sample holder 28 Sample 29 Scanner 30 Heater 31 Temperature sensor 32 SPM head 33 Cooling tank

Claims (6)

探針と試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記試料を相対的に走査させる圧電走査体と、
前記圧電走査体の静電容量を測定する静電容量測定手段と、
前記静電容量測定手段で測定した静電容量に応じた前記圧電走査体が走査するための電圧を供給する走査電圧発生手段を備える走査形プローブ顕微鏡。
In a scanning probe microscope that detects a physical quantity acting between a probe and a sample,
A piezoelectric scanning body that relatively scans the probe and the sample;
A capacitance measuring means for measuring a capacitance of the piezoelectric scanning body;
A scanning probe microscope comprising scanning voltage generating means for supplying a voltage for scanning by the piezoelectric scanning body according to the capacitance measured by the capacitance measuring means.
請求項1に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記走査電圧発生手段が前記静電容量により前記電圧の補正を行う補正回路を有することを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
A scanning probe microscope according to claim 1, wherein
The scanning probe microscope characterized in that the scanning voltage generating means has a correction circuit for correcting the voltage by the capacitance.
請求項1に記載された走査形プローブ顕微鏡であって、前記走査電圧発生手段が前記静電容量に応じた走査電圧を演算する演算手段を有することを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the scanning voltage generation unit includes a calculation unit that calculates a scanning voltage according to the capacitance. 請求項1乃至請求項3に記載された走査形プローブ顕微鏡であって、円筒形である前記圧電体が直径方向における一方向及び前記一方向に直交する他方向に変位するための走査電極を有し、前記静電容量測定手段が前記走査電極部分の静電容量を測定し、前記走査電圧発生手段により独立してそれぞれの前記走査電極に電圧印加を行うことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。   4. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the cylindrical piezoelectric body has a scanning electrode for displacing in one direction in the diameter direction and in another direction orthogonal to the one direction. The scanning probe microscope is characterized in that the capacitance measuring means measures the capacitance of the scanning electrode portion, and the scanning voltage generating means independently applies a voltage to each scanning electrode. 請求項4に記載された走査形プローブ顕微鏡であって、前記走査電圧発生手段が前記走査電極ごとに電圧増幅手段と走査波形発生手段を有することを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。   5. The scanning probe microscope according to claim 4, wherein the scanning voltage generating means includes a voltage amplifying means and a scanning waveform generating means for each scanning electrode. 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載された走査形プローブ顕微鏡であって、
気密に設けられた試料観察室と、
前記試料観察室内のガスを排出するガス排出手段と、
前記試料を加熱又は冷却する試料温度可変手段と、
を備えることを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
A scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 5,
An airtight sample observation room,
Gas discharging means for discharging the gas in the sample observation chamber;
Sample temperature variable means for heating or cooling the sample;
A scanning probe microscope comprising:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101403679B (en) * 2008-10-21 2011-02-02 中国科学技术大学 Double-step jigsaw puzzle scanner of scanning probe microscope
WO2022034652A1 (en) * 2020-08-12 2022-02-17 株式会社日立ハイテク Surface analysis device

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