JP2008089444A - Method of measuring surface shape of soft material by probe microscope, and probe microscope used for measuring method - Google Patents

Method of measuring surface shape of soft material by probe microscope, and probe microscope used for measuring method Download PDF

Info

Publication number
JP2008089444A
JP2008089444A JP2006271460A JP2006271460A JP2008089444A JP 2008089444 A JP2008089444 A JP 2008089444A JP 2006271460 A JP2006271460 A JP 2006271460A JP 2006271460 A JP2006271460 A JP 2006271460A JP 2008089444 A JP2008089444 A JP 2008089444A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
probe
measuring
surface shape
soft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006271460A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takao Kusaka
貴生 日下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2006271460A priority Critical patent/JP2008089444A/en
Publication of JP2008089444A publication Critical patent/JP2008089444A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of measuring a surface shape of a soft material by a probe microscope allowing accurate measurement of the surface shape of the soft material including a droplet or a material that has high volatility, and is soft and easy to deform, and to provide a probe microscope used for the measuring method. <P>SOLUTION: In measuring the surface shape of a sample made of the soft material by the probe microscope, voltage is applied between the sample and a conductive probe, the bias dependence of a solid material part and liquid material part on the surface of the sample based on the correlation between resonance frequency component of the conductive probe and application bias is measured, a bias value at which electrostatic forces acting on the solid material part and liquid material part (refer to Fig. 3) are equal is determined, the sample surface is scanned while the distance between the sample and conductive probe is kept so that the magnitude of the electrostatic force is constant in an applied state using the determined bias value, and the surface shape of the sample is accurately measured. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、プローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法、該測定に用いるプローブ顕微鏡に関するものである。
特に、液滴や、揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物の表面形状測定方法、該測定方法に用いるプローブ顕微鏡に関するものである。
The present invention relates to a method for measuring the surface shape of a soft material using a probe microscope and a probe microscope used for the measurement.
In particular, the present invention relates to a method for measuring the surface shape of a soft material including droplets or a material that is highly volatile and soft and easily deformed, and a probe microscope used in the measurement method.

近年、固体表面だけでなく、軟質物の表面形状やミクロンサイズの液体材料のメニスカス形状など、揮発の可能性が高いうえに非常に軟らかく変形し易い材料の表面形状を、高精度に測定するための要求が高まってきている。
例えば、このような軟質物の表面形状の測定として、磁気ディスク表面に付着した油脂などの軟質物や、インクジェットプリンタのノズル部におけるインク形状、等の測定が挙げられる。
In recent years, to measure not only solid surfaces but also surface shapes of soft materials and meniscus shapes of micron-sized liquid materials with a high degree of accuracy, such as surface shapes of materials that are highly soft and easily deformed. The demand for is increasing.
For example, the measurement of the surface shape of such a soft material includes measurement of soft materials such as oil and fat adhering to the magnetic disk surface, the ink shape at the nozzle portion of an inkjet printer, and the like.

従来において、このような液体表面を観察する方法としては、大気圧に近い環境で観察が可能な、環境制御型の走査電子顕微鏡や原子間力顕微鏡が利用される。
例えば、特許文献1では、つぎのような観察手段が開示されている。
すなわち、観察中に水分蒸発に伴なう試料の収縮を防止し、前処理を行わずに観察可能な電子顕微鏡を提供するため、保水物質と大気中の貯水タンクとを接続して保水物質に水分を供給し、保水物質は試料に水分を供給する手段が開示されている。
これにより、環境制御型走査電子顕微鏡において試料表面から揮発してしまう水分を外から補いながら観察することが可能とされている。
Conventionally, as a method of observing such a liquid surface, an environment-controlled scanning electron microscope or atomic force microscope that can be observed in an environment close to atmospheric pressure is used.
For example, Patent Document 1 discloses the following observation means.
In other words, in order to prevent the sample from shrinking due to water evaporation during observation and to provide an electron microscope that can be observed without pretreatment, the water-retaining substance is connected to a water storage tank in the atmosphere. Means are disclosed for supplying moisture and for the water retention substance to supply moisture to the sample.
Thus, it is possible to observe the environment-controlled scanning electron microscope while supplementing from the outside the moisture that volatilizes from the sample surface.

また、特許文献2では、軟質物の表面形状を測定するため、探針先端の表面エネルギーを、この先端部分と被測定物質との間の界面エネルギーより低くなるように、探針の少なくとも先端部分表面の材質を定めるようにする方法が開示されている。
この方法では、原子間力顕微鏡において、その探針先端をフッ素系コーティング膜などで覆い、油脂の探針への付着や形状の破壊を防ぐようにした構成が用いられる。
さらに、非特許文献1では、最新の原子間力顕微鏡において、ピコニュートンオーダーの力を制御/測定できる装置を用いた液滴などの観察について報告されている。
すなわち、この装置では、ナノニュートンレベルの力ではなく、更に微弱なピコニュートンオーダーの力を制御/測定できることから、探針と対象試料間の力を微弱に設定して、液滴などの観察ができるというものである。
特開平08−050875号公報 特開2000−155084号公報 http://www.asylumresearch.com/ImageGallery/Mat/Mat.shtml#M2
In Patent Document 2, in order to measure the surface shape of a soft object, at least the tip portion of the probe is set so that the surface energy of the tip of the probe is lower than the interface energy between the tip portion and the substance to be measured. A method for determining the surface material is disclosed.
In this method, in the atomic force microscope, a configuration is used in which the tip of the probe is covered with a fluorine-based coating film or the like to prevent adhesion of oil and fat to the probe and destruction of the shape.
Furthermore, Non-Patent Document 1 reports on observation of droplets and the like using an apparatus capable of controlling / measuring piconewton order force in the latest atomic force microscope.
In other words, this device can control / measure not a force at the nano-Newton level, but a weaker force of the picononton order, so that the force between the probe and the target sample is set to be weak so that droplets can be observed. It can be done.
JP-A-08-050875 JP 2000-155084 A http: // www. asylum research. com / Image Gallery / Mat / Mat. shml # M2

しかしながら、上記した従来例における軟質物の表面形状測定方法においては、つぎのような問題を有していた。
例えば、特許文献1のものにおいては、環境制御型の走査電子顕微鏡や原子間力顕微鏡が利用されることから、高分機能による観察や、正確な形状を計測することが困難である。
また、電子線照射の影響の全く無い状態の形状を観察することが困難であり、完全な大気圧状態での観察を行うことができない、等の多くの課題を有している。また、特許文献2においては、軟質物の探針への付着は防げるものの、軟質物自体の形状を正確に測定することができないという課題を有している。
さらに、最新のピコニュートンオーダーの力検出が可能な原子間力顕微鏡の場合、専用の装置であるために高額な設備投資を必要とする。
However, the above-described conventional method for measuring the surface shape of a soft material has the following problems.
For example, in Patent Document 1, since an environment-controlled scanning electron microscope or atomic force microscope is used, it is difficult to observe with a high function or to measure an accurate shape.
In addition, it is difficult to observe the shape without any influence of electron beam irradiation, and there are many problems such as inability to observe in a complete atmospheric pressure state. Further, Patent Document 2 has a problem that the shape of the soft material itself cannot be accurately measured although the soft material can be prevented from adhering to the probe.
Furthermore, in the case of an atomic force microscope capable of detecting the force of the latest piconewton order, it requires a large capital investment because it is a dedicated device.

本発明は、上記課題に鑑み、液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物の表面形状を、精度良く測定することが可能となるプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法、該測定方法に用いるプローブ顕微鏡の提供を目的とする。   In view of the above-mentioned problems, the present invention provides a probe microscope that can accurately measure the surface shape of a soft material including liquid droplets or a material that is highly volatile and soft and easily deformed. An object is to provide a measurement method and a probe microscope used in the measurement method.

本発明は、上記課題を達成するために、つぎのように構成したプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法、該測定方法に用いるプローブ顕微鏡を提供するものである。
本発明のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法は、液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物による試料の表面形状を、プローブ顕微鏡により測定する方法であって、
前記試料と導電性プローブとの間に電圧を印加し、前記導電性プローブの共振周波数成分と印加バイアスとの相関に基づく、前記試料の表面における固体材料部位と液体材料部位とのバイアス依存性を測定する段階と、
前記バイアス依存性の測定結果に基づき、前記固体材料部位と液体材料部位とのそれぞれの間に作用する静電気力が等しくなるバイアス値を決定する段階と、
前記決定されたバイアス値を用いて印加した状態で、静電気力の大きさが一定になるように前記試料と導電性プローブとの間の距離を保って該試料表面を走査し、該試料の表面形状を測定する段階と、
を有することを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法は、前記試料の表面形状を測定する段階において、
前記試料と導電性プローブとの間の距離を保つ際、周波数変位検出法を用いて該試料と導電性プローブ間の距離制御をすることを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法は、前記試料の表面形状を測定する段階において、
前記試料と導電性プローブとの間の距離を保つ際、振幅変位検出法を用いて該試料と導電性プローブ間の距離制御をすることを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡は、液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物による試料の表面形状の測定に用いるプローブ顕微鏡であって、
導電性プローブと、
前記導電性プローブと前記試料間に、電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段による前記プローブと試料間への電圧印加状態において、前記導電性プローブの共振周波数成分と印加バイアスとの相関に基づく、前記試料の表面における固体材料部位と液体材料部位とのバイアス依存性を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果に基づいて、前記固体材料部位と液体材料部位とのそれぞれに作用する静電気力が等しくなるバイアス値を印加することで、前記静電気力が一定の力になるように前記プローブと試料間の距離を制御する手段と、
を有することを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡は、前記プローブと試料間の距離を制御する手段が、周波数変位検出法を用いた制御システムにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明のプローブ顕微鏡は、前記プローブと試料間の距離を制御する手段が、振幅変位検出法を用いた制御システムにより構成されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for measuring the surface shape of a soft material using a probe microscope configured as follows, and a probe microscope used in the measurement method.
The method for measuring the surface shape of a soft material with a probe microscope according to the present invention is a method for measuring the surface shape of a sample with a soft material containing droplets or a material that is highly volatile and soft and easily deformed with a probe microscope. ,
A voltage is applied between the sample and the conductive probe, and the bias dependence of the solid material portion and the liquid material portion on the surface of the sample is determined based on the correlation between the resonance frequency component of the conductive probe and the applied bias. Measuring, and
Determining a bias value at which electrostatic forces acting between the solid material portion and the liquid material portion are equal based on the measurement result of the bias dependency; and
The surface of the sample is scanned while maintaining the distance between the sample and the conductive probe so that the magnitude of the electrostatic force is constant while being applied using the determined bias value. Measuring the shape; and
It is characterized by having.
Moreover, the method for measuring the surface shape of a soft material using a probe microscope according to the present invention is a step of measuring the surface shape of the sample,
When maintaining the distance between the sample and the conductive probe, the distance between the sample and the conductive probe is controlled using a frequency displacement detection method.
Moreover, the method for measuring the surface shape of a soft material using a probe microscope according to the present invention is a step of measuring the surface shape of the sample,
When maintaining the distance between the sample and the conductive probe, the distance between the sample and the conductive probe is controlled using an amplitude displacement detection method.
Further, the probe microscope of the present invention is a probe microscope used for measuring the surface shape of a sample using a soft material including a droplet or a material that is highly volatile and soft and easily deformed.
A conductive probe;
Voltage applying means for applying a voltage between the conductive probe and the sample;
Bias dependence of the solid material portion and the liquid material portion on the surface of the sample based on the correlation between the resonance frequency component of the conductive probe and the applied bias in the voltage application state between the probe and the sample by the voltage application means Measuring means for measuring sex;
The probe is configured so that the electrostatic force becomes a constant force by applying a bias value that equalizes the electrostatic force acting on each of the solid material portion and the liquid material portion based on the measurement result by the measuring means. And means for controlling the distance between the sample and
It is characterized by having.
The probe microscope of the present invention is characterized in that the means for controlling the distance between the probe and the sample is constituted by a control system using a frequency displacement detection method.
The probe microscope of the present invention is characterized in that the means for controlling the distance between the probe and the sample is constituted by a control system using an amplitude displacement detection method.

本発明によれば、液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物の表面形状を、精度良く測定することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to measure the surface shape of a soft material containing a droplet or a material which is highly volatile and soft and easily deforms with high accuracy.

つぎに、本発明の実施の形態におけるプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法と、該測定方法に用いるプローブ顕微鏡について説明する。
図1に、本実施の形態における走査プローブ顕微鏡の制御回路の構成例の概略図を示す。
図1において、1は導電性カンチレバー、2は試料、3は半導体レーザー、4は光変位検出器、5は圧電振動子、18は試料2を載せたPZTスキャナーである。
本実施の形態において、導電性カンチレバー1は様々な硬さを選択できるが、共振周波数が60〜350kHz程度のものを使用することが望ましい。
また、空間分解能の観点からカンチレバー先端の探針の先端曲率半径は40nm以下、20nm以上のものが望ましい。
さらに、カンチレバーおよび探針表面の導電性コート膜は、Au、Ag、Pt、Pd、Zn、Cr、W、Inなどの金属及びその金属間化合物、酸化物半導体などから選択できるが、その安定性からAuやPtが望ましい。
Next, a method for measuring the surface shape of a soft material using a probe microscope and a probe microscope used in the measurement method according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a schematic diagram of a configuration example of a control circuit of a scanning probe microscope in the present embodiment.
In FIG. 1, 1 is a conductive cantilever, 2 is a sample, 3 is a semiconductor laser, 4 is an optical displacement detector, 5 is a piezoelectric vibrator, and 18 is a PZT scanner on which the sample 2 is mounted.
In the present embodiment, the conductive cantilever 1 can be selected from various hardnesses, but it is desirable to use one having a resonance frequency of about 60 to 350 kHz.
From the viewpoint of spatial resolution, the tip curvature radius of the tip of the cantilever tip is preferably 40 nm or less and 20 nm or more.
Furthermore, the conductive coating film on the surface of the cantilever and the probe can be selected from metals such as Au, Ag, Pt, Pd, Zn, Cr, W, In, and their intermetallic compounds, and oxide semiconductors. Therefore, Au and Pt are preferable.

また、カンチレバー1は圧電振動子5に固定され、プリアンプ6、移相器7、波形変換器8、減衰器9と接続して正帰還発信ループによる自励発信回路が構成されている。
また、10は発振器、11はDC電源、12は累算器であり、これらによって電源系回路が構成されている。
本実施の形態では、この電源系回路が試料2に接続され、接地されたカンチレバー1との間に電圧を印加できるように構成されている。
また、13はFM復調器、14はロックインアンプ、15はエラーアンプ、16はフィルター、17はZピエゾドライバーであり、これらによってフィードバック回路が構成されている。
本実施の形態では、このフィードバック回路によって、カンチレバー1先端の探針と試料2の間の静電気力を抽出し、その大きさが一定になるように試料2の載っているスキャナー18を駆動する。
上記フィードバック回路のZピエゾドライバー17の出力を面内走査と同期して表示すれば、表面の形状を観察することができる。
また、電源系回路10,11,12を使用せず試料2を接地した状態で、図1中において、点線で示した回路構成要素19,20を使用してフィードバック回路を構成した場合には、周波数変位検出による原子間力顕微鏡観察が可能となる。
The cantilever 1 is fixed to a piezoelectric vibrator 5 and connected to a preamplifier 6, a phase shifter 7, a waveform converter 8 and an attenuator 9 to constitute a self-excited transmission circuit using a positive feedback transmission loop.
Further, 10 is an oscillator, 11 is a DC power supply, and 12 is an accumulator, and these constitute a power supply system circuit.
In the present embodiment, the power supply system circuit is connected to the sample 2 and configured to be able to apply a voltage to the grounded cantilever 1.
Further, 13 is an FM demodulator, 14 is a lock-in amplifier, 15 is an error amplifier, 16 is a filter, and 17 is a Z piezo driver, and these constitute a feedback circuit.
In the present embodiment, this feedback circuit extracts the electrostatic force between the probe at the tip of the cantilever 1 and the sample 2 and drives the scanner 18 on which the sample 2 is mounted so that the magnitude thereof is constant.
If the output of the Z piezo driver 17 of the feedback circuit is displayed in synchronization with in-plane scanning, the shape of the surface can be observed.
Further, when the feedback circuit is configured using the circuit components 19 and 20 indicated by the dotted lines in FIG. Atomic force microscope observation by frequency displacement detection becomes possible.

つぎに、本実施の形態の軟質物の表面形状測定方法における材質の違いによるバイアス依存性の相違について説明する。
図2に、ノズル部分と液部分における材質の違いによるバイアス依存性の相違を説明するための図を示す。図2ではノズル先端から液が顔を出した状態を模式的に示している。
探針と試料間に電圧を印加している状態で、その間の相互作用力(静電気力)を測定すると、ノズル部分と液部分では材質が異なるためにバイアス依存性が相違する。
この測定方法を更に詳しく説明すると、まず、カンチレバー1と試料2間に電圧を印加している状態で、その間に働く相互作用力(静電気力)を測定する。
発振器10の出力である交流成分VACsin(ωt)とDC電源11の出力である直流成分VDCを累算器12で合算し、試料2に印加する。この時、発信器10の出力は周波数1kHz、振幅2Vp−p程度とする。
図3に、カンチレバー1の振動を検出した光変位検出器4の出力のうち、その共振周波数ωの成分をロックインアンプ14で抽出し、ロックインアンプ14の出力を縦軸に、印加バイアスVsample=VDCを横軸にとったバイアス依存性の測定例を示す。
ロックインアンプ14の出力は、探針と試料間に作用する力の勾配dF/dzの印加電圧Vsampleによる1次微分値に相当する。
ノズル部分と液部分では材質が違うことから、探針と試料間に作用する静電気力によるバイアス依存性が異なり、図3に示されるように、それらの傾きが異なる。
ここで、図3よりノズルと液のそれぞれ探針との静電気力が等しくなるバイアス値Vxを読み取る。
なお、金属材料以外の材質の場合は本グラフは直線になるとは限らないが、重要なのは静電気力が等しくなるバイアス値Vxを見つけ出すことである。
Next, a difference in bias dependency due to a difference in material in the method for measuring the surface shape of a soft material according to the present embodiment will be described.
FIG. 2 is a diagram for explaining a difference in bias dependency due to a difference in material between the nozzle portion and the liquid portion. FIG. 2 schematically shows a state in which the liquid protrudes from the nozzle tip.
When the interaction force (electrostatic force) is measured while a voltage is applied between the probe and the sample, the dependency on the bias differs because the nozzle portion and the liquid portion are made of different materials.
This measuring method will be described in more detail. First, in the state where a voltage is applied between the cantilever 1 and the sample 2, an interaction force (electrostatic force) acting between them is measured.
The ac component V AC sin (ωt) as the output of the oscillator 10 and the direct current component V DC as the output of the DC power source 11 are added together by the accumulator 12 and applied to the sample 2. At this time, the output of the transmitter 10 has a frequency of about 1 kHz and an amplitude of about 2 Vp-p.
In FIG. 3, the component of the resonance frequency ω is extracted by the lock-in amplifier 14 from the output of the optical displacement detector 4 that has detected the vibration of the cantilever 1, and the output of the lock-in amplifier 14 is plotted along the vertical axis. An example of measurement of bias dependency with sample = V DC on the horizontal axis is shown.
The output of the lock-in amplifier 14 corresponds to the first-order differential value by the applied voltage V sample of the force gradient dF / dz acting between the probe and the sample.
Since the nozzle portion and the liquid portion are made of different materials, the bias dependence due to the electrostatic force acting between the probe and the sample is different, and their inclinations are different as shown in FIG.
Here, the bias value Vx at which the electrostatic force between the nozzle and the liquid probe is equal is read from FIG.
In the case of a material other than a metal material, this graph is not necessarily a straight line, but what is important is to find a bias value Vx at which the electrostatic force becomes equal.

軟質物の表面形状の測定に際し、このバイアス値Vxを電源11のDC出力値に設定(VDC=Vx)することで、材質によらず静電気力の大きさを一定に保つようにフィードバックをかけることができ、軟質物の表面形状を精度良く測定することが可能となる。
なお、本発明においては回路構成は図1に限られるものではない。例えば、後に詳述する図5に示すように構成してもよい。
When measuring the surface shape of the soft material, the bias value Vx is set to the DC output value of the power source 11 (V DC = Vx), and feedback is applied so as to keep the magnitude of the electrostatic force constant regardless of the material. Therefore, the surface shape of the soft material can be accurately measured.
In the present invention, the circuit configuration is not limited to that shown in FIG. For example, it may be configured as shown in FIG.

以上の本実施の形態による構成によれば、非接触に計測が可能な静電気力をフィードバックすることで、軟質物や液滴の表面形状を正確に測定することができる。
また、走査プローブ顕微鏡であるため環境制御型走査電子顕微鏡のように真空環境を必要としないので、大気中で観察が可能である。これによると、揮発の可能性が高いうえに非常に軟らかく変形しやすい材料の表面形状を精度良く測定することができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the surface shape of a soft object or a droplet can be accurately measured by feeding back the electrostatic force that can be measured in a non-contact manner.
In addition, since it is a scanning probe microscope, it does not require a vacuum environment unlike an environment-controlled scanning electron microscope, and can be observed in the atmosphere. According to this, it is possible to accurately measure the surface shape of a material that has a high possibility of volatilization and is very soft and easily deformed.

以下に、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
実施例1においては、走査プローブ顕微鏡の制御回路は、基本的には図1と同じ構成のものを用いた。
導電性カンチレバー1は様々な硬さを選択できるが、本実施例では市販の原子間力顕微鏡用カンチレバーで金属コートされた製品(NanoWorld AG製PPP−NCLPt、共振周波数190kHz、PtIrコート)を使用した。
また、半導体レーザー3から照射されるレーザー光は、波長670nmのレーザー光が用いられる。
このレーザー光を照射してカンチレバー1の背面で反射させ、光変位検出器4(4分割フォトダイオードを用いたPosition Sensitive Detector)で検出し、カンチレバー1の振動状態を検出する構成が採られる。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
In Example 1, the control circuit of the scanning probe microscope basically has the same configuration as that in FIG.
Various hardness can be selected for the conductive cantilever 1, but in this example, a metal-coated product with a commercially available cantilever for an atomic force microscope (PP-NCLPt manufactured by NanoWorld AG, resonance frequency 190 kHz, PtIr coating) was used. .
Further, as the laser light emitted from the semiconductor laser 3, a laser light having a wavelength of 670 nm is used.
A configuration is adopted in which the laser light is irradiated and reflected on the back surface of the cantilever 1 and detected by an optical displacement detector 4 (Position Sensitive Detector using a four-division photodiode) to detect the vibration state of the cantilever 1.

本実施例では図2に示す形態の試料を観察するに際し、まず、カンチレバー1と試料2間に電圧を印加している状態でその間に働く相互作用力(静電気力)を測定する。
その際、発振器10の出力である交流成分VACsin(ωt)とDC電源11の出力である直流成分VDCを累算器12で合算し、試料2に印加する。この時、発信器10の出力は周波数1kHz、振幅2Vp−pとする。
これにより、カンチレバー1の振動を検出した光変位検出器4の出力のうち、周波数ωの成分をロックインアンプ14で抽出し、ロックインアンプ14の出力を縦軸に、印加バイアスVsample=VDCを横軸とした図3に示すような測定結果を得る。
この測定結果から、ノズルと液のそれぞれ探針との静電気力が等しくなるバイアス値Vxを読み取る。
In the present embodiment, when observing a sample having the form shown in FIG. 2, first, an interaction force (electrostatic force) acting between the cantilever 1 and the sample 2 is measured while a voltage is applied between the cantilever 1 and the sample 2.
At that time, the AC component V AC sin (ωt) as the output of the oscillator 10 and the DC component V DC as the output of the DC power source 11 are added together by the accumulator 12 and applied to the sample 2. At this time, the output of the transmitter 10 has a frequency of 1 kHz and an amplitude of 2 Vp-p.
Thus, the component of the frequency ω is extracted by the lock-in amplifier 14 from the output of the optical displacement detector 4 that detects the vibration of the cantilever 1, and the applied bias V sample = V is plotted on the vertical axis. A measurement result as shown in FIG. 3 with DC as the horizontal axis is obtained.
From this measurement result, the bias value Vx at which the electrostatic forces of the nozzle and the liquid probe are equal is read.

次に、DC電源11の出力電圧VDCを上記バイアス値Vxに設定し、形状測定を行う。
波形変換器8の出力をFM復調器13経由でロックインアンプ14に入力して周波数ωの成分を抽出し、任意に設定した値Xとエラーアンプ15で比較することで、その出力が0になるようにPZTスキャナー18へZピエゾドライバー17から駆動信号を出力する。
このフィードバック回路により一定の(設定値X)静電気力を検知できるように試料−探針間距離が制御され、Zピエゾドライバー17の出力信号と試料面内の走査信号を同期させて表示すると、図4に示すような試料表面の形状を観察することができる。
図4において、周辺部が金属製のノズル表面であり、中央の円形状部が液表面を表している。
観察時には、設定値Xを比較的大きな値に設定すると試料探針間距離が近くなり、観察された像の空間分解能が向上するが、探針と試料が接触する可能性も高まる。実際の測定では設定値Xとカンチレバー1の励振振幅を適宜調整することが必要である。
Next, the output voltage V DC of the DC power source 11 is set to the bias value Vx, and the shape is measured.
The output of the waveform converter 8 is input to the lock-in amplifier 14 via the FM demodulator 13 to extract the component of the frequency ω, and the output is set to 0 by comparing the arbitrarily set value X with the error amplifier 15. A drive signal is output from the Z piezo driver 17 to the PZT scanner 18 as described above.
The distance between the sample and the probe is controlled so that a constant (set value X) electrostatic force can be detected by this feedback circuit, and the output signal of the Z piezo driver 17 and the scanning signal in the sample surface are displayed in synchronization. The shape of the sample surface as shown in FIG. 4 can be observed.
In FIG. 4, the peripheral part is a metal nozzle surface, and the central circular part represents the liquid surface.
At the time of observation, if the set value X is set to a relatively large value, the distance between the sample probes is reduced, and the spatial resolution of the observed image is improved, but the possibility of contact between the probe and the sample is also increased. In actual measurement, it is necessary to appropriately adjust the set value X and the excitation amplitude of the cantilever 1.

なお、本実施例ではカンチレバー1を接地する回路を説明したが、本発明はこれらの構成に限られるものではない。
例えば、試料を接地しカンチレバー1に累算器12を接続しても同様の測定が可能である。
また、図1の制御回路において、試料を接地し、FM復調器13の出力をエラーアンプ19とフィルター20を介してZピエゾドライバー17にもどすフィードバック回路を使用するようにしてもよい。
すなわち、電源系回路10,11,12を使用せず、試料2を接地した状態で、図1の点線で示したエラーアンプ19とフィルター20によるフィードバック回路を使用することによって、周波数変位検出による原子間力顕微鏡観察が可能となる。
In addition, although the circuit which earth | grounds the cantilever 1 was demonstrated in the present Example, this invention is not limited to these structures.
For example, the same measurement is possible even if the sample is grounded and the accumulator 12 is connected to the cantilever 1.
In the control circuit of FIG. 1, a feedback circuit that grounds the sample and returns the output of the FM demodulator 13 to the Z piezo driver 17 through the error amplifier 19 and the filter 20 may be used.
That is, by using the feedback circuit including the error amplifier 19 and the filter 20 shown by the dotted line in FIG. 1 in a state where the power supply system circuits 10, 11 and 12 are not used and the sample 2 is grounded, atoms by frequency displacement detection are used. Observation with an atomic force microscope is possible.

[実施例2]
実施例2においては、実施例1と異なる走査プローブ顕微鏡の制御回路を用いた構成例について説明する。
図5に、本実施例に用いる走査プローブ顕微鏡の別の制御回路の構成例の概略図を示す。
実施例1との相違は、自励発信回路の代わりに発振器21でカンチレバー1を振動し、FM復調器13の代わりにRMS−DC変換器22を組み込んだことで、それ以外は実施例1と同じである。
本実施例においても実施例1と同様に図2に示す試料を観察した結果、図4と同様の形状像を得ることができる。
[Example 2]
In the second embodiment, a configuration example using a control circuit of a scanning probe microscope different from the first embodiment will be described.
FIG. 5 shows a schematic diagram of a configuration example of another control circuit of the scanning probe microscope used in this embodiment.
The difference from the first embodiment is that the cantilever 1 is oscillated by the oscillator 21 instead of the self-excited transmission circuit, and the RMS-DC converter 22 is incorporated instead of the FM demodulator 13, and other than that of the first embodiment. The same.
Also in this example, as in Example 1, as a result of observing the sample shown in FIG. 2, a shape image similar to that in FIG. 4 can be obtained.

なお、本実施例においてもカンチレバー1を接地する回路を図示したが、本発明はこれに限られるものではない。
例えば、試料を接地しカンチレバー1に累算器12を接続しても同様の測定が可能である。
また、図5の制御回路において、試料を接地して光変位検出器4の出力をRMS−DC変換器22に接続する。
そして、エラーアンプ19とフィルター20を介してZピエゾドライバー17にもどすフィードバック回路を使用すれば、振幅変位検出による原子間力顕微鏡観察が可能となる。
In addition, although the circuit which earth | grounds the cantilever 1 was shown also in the present Example, this invention is not limited to this.
For example, the same measurement is possible even if the sample is grounded and the accumulator 12 is connected to the cantilever 1.
In the control circuit of FIG. 5, the sample is grounded and the output of the optical displacement detector 4 is connected to the RMS-DC converter 22.
If a feedback circuit for returning to the Z piezo driver 17 through the error amplifier 19 and the filter 20 is used, an atomic force microscope observation based on amplitude displacement detection becomes possible.

本発明の実施の形態及び実施例1における走査プローブ顕微鏡の制御回路の構成例を示す概略図。Schematic which shows the structural example of the control circuit of the scanning probe microscope in embodiment and Example 1 of this invention. 本発明の実施の形態のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法におけるノズル部分と液部分における材質の違いによるバイアス依存性の相違を説明するための図。The figure for demonstrating the difference in the bias dependence by the difference in the material in a nozzle part and a liquid part in the surface shape measuring method of the soft material by the probe microscope of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のプローブ顕微鏡によるバイアス依存性の測定例を説明するための図。The figure for demonstrating the example of a measurement of bias dependence by the probe microscope of embodiment of this invention. 本発明の実施例1におけるプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定例を示す図。The figure which shows the example of surface shape measurement of the soft material by the probe microscope in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2における走査プローブ顕微鏡の制御回路の構成例を示す概略図。Schematic which shows the structural example of the control circuit of the scanning probe microscope in Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:導電性カンチレバー
2:試料
3:半導体レーザー
4:光変位検出器
5:圧電振動子
6:プリアンプ
7:移相器
8:波形変換器
9:減衰器
10:発振器
11:DC電源
12:累算器
13:FM復調器
14:ロックインアンプ
15:エラーアンプ
16:フィルター
17:Zピエゾドライバー
18:PZTスキャナー
19:エラーアンプ
20:フィルター
21:発振器
22:RMS−DC変換器
1: Conductive cantilever 2: Sample 3: Semiconductor laser 4: Optical displacement detector 5: Piezoelectric vibrator 6: Preamplifier 7: Phase shifter 8: Waveform converter 9: Attenuator 10: Oscillator 11: DC power supply 12: Cumulative Calculator 13: FM demodulator 14: Lock-in amplifier 15: Error amplifier 16: Filter 17: Z piezo driver 18: PZT scanner 19: Error amplifier 20: Filter 21: Oscillator 22: RMS-DC converter

Claims (6)

液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物による試料の表面形状を、プローブ顕微鏡により測定する方法であって、
前記試料と導電性プローブとの間に電圧を印加し、前記導電性プローブの共振周波数成分と印加バイアスとの相関に基づく、前記試料の表面における固体材料部位と液体材料部位とのバイアス依存性を測定する段階と、
前記バイアス依存性の測定結果に基づき、前記固体材料部位と液体材料部位とのそれぞれの間に作用する静電気力が等しくなるバイアス値を決定する段階と、
前記決定されたバイアス値を用いて印加した状態で、静電気力の大きさが一定になるように前記試料と導電性プローブとの間の距離を保って該試料表面を走査し、該試料の表面形状を測定する段階と、
を有することを特徴とするプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法。
A method for measuring the surface shape of a sample by a probe or a soft material including a liquid or a material that is highly volatile and soft and easily deformed.
A voltage is applied between the sample and the conductive probe, and the bias dependence of the solid material portion and the liquid material portion on the surface of the sample is determined based on the correlation between the resonance frequency component of the conductive probe and the applied bias. Measuring, and
Determining a bias value at which electrostatic forces acting between the solid material portion and the liquid material portion are equal based on the measurement result of the bias dependency; and
The surface of the sample is scanned while maintaining the distance between the sample and the conductive probe so that the magnitude of the electrostatic force is constant while being applied using the determined bias value. Measuring the shape; and
A method for measuring the surface shape of a soft material using a probe microscope.
前記試料の表面形状を測定する段階において、
前記試料と導電性プローブとの間の距離を保つ際、周波数変位検出法を用いて該試料と導電性プローブ間の距離制御をすることを特徴とする請求項1に記載のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法。
In the step of measuring the surface shape of the sample,
2. The soft object by a probe microscope according to claim 1, wherein the distance between the sample and the conductive probe is controlled using a frequency displacement detection method when maintaining the distance between the sample and the conductive probe. Surface shape measurement method.
前記試料の表面形状を測定する段階において、
前記試料と導電性プローブとの間の距離を保つ際、振幅変位検出法を用いて該試料と導電性プローブ間の距離制御をすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプローブ顕微鏡による軟質物の表面形状測定方法。
In the step of measuring the surface shape of the sample,
3. The probe according to claim 1, wherein when the distance between the sample and the conductive probe is maintained, the distance between the sample and the conductive probe is controlled using an amplitude displacement detection method. A method for measuring the surface shape of a soft material using a microscope.
液滴、あるいは揮発性が高い上に軟らかく変形し易い材料を含む軟質物による試料の表面形状の測定に用いるプローブ顕微鏡であって、
導電性プローブと、
前記導電性プローブと前記試料間に、電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段による前記プローブと試料間への電圧印加状態において、前記導電性プローブの共振周波数成分と印加バイアスとの相関に基づく、前記試料の表面における固体材料部位と液体材料部位とのバイアス依存性を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果に基づいて、前記固体材料部位と液体材料部位とのそれぞれに作用する静電気力が等しくなるバイアス値を印加することで、前記静電気力が一定の力になるように前記プローブと試料間の距離を制御する手段と、
を有することを特徴とするプローブ顕微鏡。
A probe microscope used for measuring the surface shape of a sample with a droplet or a soft material containing a material that is highly volatile and soft and easily deformed.
A conductive probe;
Voltage applying means for applying a voltage between the conductive probe and the sample;
Bias dependence of the solid material portion and the liquid material portion on the surface of the sample based on the correlation between the resonance frequency component of the conductive probe and the applied bias in the voltage application state between the probe and the sample by the voltage application means Measuring means for measuring sex;
The probe is configured so that the electrostatic force becomes a constant force by applying a bias value that equalizes the electrostatic force acting on each of the solid material portion and the liquid material portion based on the measurement result by the measuring means. And means for controlling the distance between the sample and
A probe microscope characterized by comprising:
前記プローブと試料間の距離を制御する手段が、周波数変位検出法を用いた制御システムにより構成されていることを特徴とする請求項4に記載のプローブ顕微鏡。   The probe microscope according to claim 4, wherein the means for controlling the distance between the probe and the sample is configured by a control system using a frequency displacement detection method. 前記プローブと試料間の距離を制御する手段が、振幅変位検出法を用いた制御システムにより構成されていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載のプローブ顕微鏡。   The probe microscope according to claim 4 or 5, wherein the means for controlling the distance between the probe and the sample is configured by a control system using an amplitude displacement detection method.
JP2006271460A 2006-10-03 2006-10-03 Method of measuring surface shape of soft material by probe microscope, and probe microscope used for measuring method Pending JP2008089444A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006271460A JP2008089444A (en) 2006-10-03 2006-10-03 Method of measuring surface shape of soft material by probe microscope, and probe microscope used for measuring method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006271460A JP2008089444A (en) 2006-10-03 2006-10-03 Method of measuring surface shape of soft material by probe microscope, and probe microscope used for measuring method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008089444A true JP2008089444A (en) 2008-04-17

Family

ID=39373752

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006271460A Pending JP2008089444A (en) 2006-10-03 2006-10-03 Method of measuring surface shape of soft material by probe microscope, and probe microscope used for measuring method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008089444A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092826A (en) * 2021-03-05 2021-07-09 中山大学 Scanning probe microscope system and measuring method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092826A (en) * 2021-03-05 2021-07-09 中山大学 Scanning probe microscope system and measuring method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11002757B2 (en) Method and apparatus of operating a scanning probe microscope
US8037762B2 (en) Whispering gallery mode ultrasonically coupled scanning probe microscopy
EP2864798B1 (en) Method and apparatus of electrical property measurement using an afm operating in peak force tapping mode
US9091705B2 (en) System and method for high-speed atomic force microscopy with switching between two feedback loops
JP4851375B2 (en) Phase feedback AFM control method and phase feedback AFM
Fahrbach et al. Customized piezoresistive microprobes for combined imaging of topography and mechanical properties
US6404207B1 (en) Scanning capacitance device for film thickness mapping featuring enhanced lateral resolution, measurement methods using same
US9921242B2 (en) Automated atomic force microscope and the operation thereof
RU2456622C1 (en) Dynamic mode atomic force microscopy device
JP2008089444A (en) Method of measuring surface shape of soft material by probe microscope, and probe microscope used for measuring method
EP2463665B1 (en) Cantilever excitation device and scanning probe microscope
JP3764917B2 (en) High frequency micro vibration measurement device
JP2003329565A (en) Scanning probe microscope
JP2007121316A (en) Scanning near-field microscope
US20240118310A1 (en) Device for measuring and/or modifying a surface
JP6842158B2 (en) Heating holder and probe microscope
JP2009537840A (en) Controlled atomic force microscope
JP6692088B2 (en) Liquid atomic force microscope
US20060288786A1 (en) Ultrasonically coupled scanning probe microscope
Andzane et al. Application of tuning fork sensors for in-situ studies of dynamic force interactions inside scanning and transmission electron microscopes
JP2006275875A (en) Scanning probe microscope
JP2008203058A (en) Lever excitation mechanism and scanning probe microscope
JP2002195928A (en) Scanning probe microscope and measuring method using scanning probe and scanning probe microscope
JP2013088185A (en) Scanning probe microscope and control method thereof