JP2008256579A - Scanning probe microscope and scanning method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試料の表面に探針を近接させて走査することで試料の表面形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡、並びにそれを用いた走査方法に関するものである。 The present invention relates to a scanning probe microscope that measures various physical property information such as the surface shape and viscoelasticity of a sample by scanning a probe surface close to the surface of the sample, and a scanning method using the same. .
走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の形状観察や物性の測定が可能な装置として知られている。特に、原子間力顕微鏡は、金属から絶縁体や生体等あらゆる試料に対しその形状を観察することができる顕微鏡として幅広く使用されている。その際、探針や試料を破壊せずに、かつ高分解能の測定が期待されている。 Scanning probe microscopes such as scanning tunneling microscopes and atomic force microscopes are known as devices capable of observing the shape of a sample surface and measuring physical properties. In particular, the atomic force microscope is widely used as a microscope capable of observing the shape of any sample such as a metal, an insulator, and a living body. At that time, high-resolution measurement is expected without destroying the probe and the sample.
現在、行われている走査型プローブ顕微鏡の測定方法として、探針を試料に接触させながら走査する接触モードや、探針を振動させながら試料表面を走査するダイナミックフォースモード(DFMモード:Dynamic Force Microscopy Mode)等、様々な測定モードが考案されている。 Current measurement methods of scanning probe microscopes include a contact mode in which the probe is scanned while contacting the sample, and a dynamic force mode (DFM mode: Dynamic Force Microscopy in which the sample surface is scanned while vibrating the probe). Various measurement modes such as Mode) have been devised.
しかしながら、上記の各測定モードでは探針や試料表面が磨耗してしまう問題があった。接触モードでは探針と試料表面が連続的に接触しているため、その磨耗は非常に大きい。また、DFMモードでは、探針と試料表面の磨耗は接触モードと比べると小さいものの、探針と試料表面が断続的に接触しているため、その接触回数や接触圧力などは多くになるにつれて、探針と試料表面の磨耗は避けることができない。 However, in each measurement mode described above, there is a problem that the probe and the sample surface are worn. In the contact mode, since the probe and the sample surface are in continuous contact, the wear is very large. Also, in the DFM mode, the wear of the probe and the sample surface is small compared to the contact mode, but since the probe and the sample surface are in intermittent contact, the number of contact times, contact pressure, etc. increase. Wear on the probe and sample surface is inevitable.
そこで、探針と試料表面の磨耗を押さえる測定モードとして、周波数制御による非接触モードが知られている。 Therefore, a non-contact mode based on frequency control is known as a measurement mode for suppressing wear of the probe and the sample surface.
この周波数制御による非接触モードとは、探針を振動振幅が一定に保たれるように振動させながら、試料表面を走査し、探針と試料表面との間に働くファンデルワールス力により変位する探針の振動周波数を制御することで探針と試料表面との距離を制御する。この探針と試料表面との間に働くファンデルワールス力の引力を検出するために、試料表面から離れた位置(非接触領域)での走査が可能であり、探針と試料との磨耗を軽減できる。(例えば、非特許文献1を参照)
しかしながら、上記の非接触モードでは、例えば100nm以上のような凹凸が大きい試料に対して測定することが困難であった。これは、試料の凹凸が大きい場合、探針の振動周波数のシフト方向が逆転することがあり、これにより測定が中断してしまい安定した測定が行えないという問題があった。
In the non-contact mode by frequency control, the sample surface is scanned while vibrating so that the vibration amplitude is kept constant, and the probe surface is displaced by van der Waals force acting between the probe and the sample surface. The distance between the probe and the sample surface is controlled by controlling the vibration frequency of the probe. In order to detect the attractive force of van der Waals force acting between the probe and the sample surface, it is possible to scan at a position away from the sample surface (non-contact area), and to reduce the wear between the probe and the sample. Can be reduced. (For example, see Non-Patent Document 1)
However, in the non-contact mode, it is difficult to measure a sample having large irregularities such as 100 nm or more. This is because when the unevenness of the sample is large, the shift direction of the vibration frequency of the probe may be reversed, thereby interrupting the measurement and making it impossible to perform a stable measurement.
そこで、凹凸が大きい試料でも試料の表面形状を高精度で測定が可能で、試料と探針の磨耗を抑えることのできるSISモードと呼ばれる測定方法を用いた走査型プローブ顕微鏡が知られている。 Therefore, a scanning probe microscope using a measurement method called an SIS mode is known which can measure the surface shape of a sample with high accuracy even for a sample with large irregularities and can suppress wear of the sample and the probe.
図7に、SISモードを用いた走査型プローブ顕微鏡の概略構成図を示し、図8にその走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法のフローチャートを示す。(例えば、特許文献1を参照。)
尚、説明の便宜上、試料表面と平行な方向をXY方向、試料表面と垂直な方向をZ方向とする。また、以後この測定モードをSISモードと記す。
FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of a scanning probe microscope using the SIS mode, and FIG. 8 shows a flowchart of a measuring method using the scanning probe microscope. (For example, see Patent Document 1.)
For convenience of explanation, the direction parallel to the sample surface is defined as the XY direction, and the direction perpendicular to the sample surface is defined as the Z direction. Hereinafter, this measurement mode is referred to as SIS mode.
ステップ0では、加振電源15により圧電素子14を駆動して、圧電素子14に固定した探針2を先端に有するカンチレバー13を共振あるいは強制振動する振動用周波数で振動させる。
In step 0, the piezoelectric element 14 is driven by the excitation power source 15, and the cantilever 13 having the
ステップ1では、三次元アクチュエーター12によりZ方向に駆動しカンチレバー13上の探針2を試料表面Sに近づけるように移動させる。
In step 1, the
ステップ2では、光源16からレーザ光を照射し、カンチレバー13の裏面で反射した反射光が光検出器17に入射して、カンチレバー13の変移を検出する。これは、カンチレバー13上の探針2と試料Sとの間に相互作用力(ファンデルワールス力や接触による斥力や引力等)による探針2の振動振幅が変化を光検出器17に入射した反射光の情報から振幅減衰検出部28で検出したら、探針2のZ方向への移動を停止する。
In
ステップ3では、ステップ2で探針2を停止した位置で、観測データを採取する
ステップ4では、3次元アクチュエーター12によりカンチレバー13をZ方向に試料表面Sから引き離すように移動させる。
In
ステップ5では、次の観測位置まで3次元アクチュエーター12によりXY方向に探針2を移動させる。このXY方向に走査中、カンチレバー13の振幅が減衰を振幅減衰検出部28が検出した場合には、ステップ6へと進む。
In
ステップ6では、直ちにカンチレバー13のXY方向の移動を止めて、さらに試料Pから離れるZ方向に移動させた後に、ステップ5へ。
In
一方、カンチレバー13が次の観測位置まで到達した場合は、ステップ2へと進む。この一連の動作を繰り返すことにより各観測位置での観測データを採取し、試料表面Sの表面形状を得る。
On the other hand, if the cantilever 13 has reached the next observation position, the process proceeds to
このように、DFMモード等の他の測定モードでは、探針と試料表面とが接触又は断続的に接触しながら走査するのに対し、SISモードでは観測位置でのみ探針を試料表面へ接近させ、観測位置以外では探針が試料表面から離れているため、試料表面の磨耗を最小限にすることができる。
しかしながら、上述した従来の装置ではまだ以下の課題が残されていた。
探針を試料に接近させた際、探針が試料表面の水分層等により吸着の影響を受けて、探針が吸着力を受けると探針の振動が減衰又は停止するため、探針が吸着から離脱し振動が元の状態に回復するまで探針を試料から引き離す必要がある。そのため、探針を試料から引き離す駆動距離が増えるため、探針を走査する時間が増大、測定時間が増大するという問題点があった。
However, the conventional apparatus described above still has the following problems.
When the probe is brought close to the sample, the probe is affected by adsorption by the moisture layer, etc. on the sample surface. When the probe receives adsorption force, the probe vibration attenuates or stops, so the probe is adsorbed. It is necessary to pull the probe away from the sample until it is detached from the sample and the vibration is restored to the original state. For this reason, the driving distance for separating the probe from the sample increases, and there is a problem that the time for scanning the probe increases and the measurement time increases.
本発明は、上記問題点を解決し、探針と試料表面とが非接触領域まで接近したことを検出し、探針が試料表面の水分層等から吸着力による探針の振動が減衰又は停止されることを回避し、走査時間の短縮化を可能にする走査型プローブ顕微鏡及びその走査方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above-described problems, detects that the probe and the sample surface have approached the non-contact region, and attenuates or stops the probe vibration due to the adsorption force from the moisture layer on the sample surface. It is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope and a scanning method thereof that can avoid the problem and shorten the scanning time.
上記の課題を解決するために、本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、試料表面に対して配置され試料表面に平行なXY方向と垂直なZ方向に移動手段により相対的な移動が可能な探針と、探針を共振あるいは強制振動する振動周波数で振動させる加振手段と、探針の振動状態を観察する観察手段と、探針の振動振幅を一定に保つ振動振幅制御手段と、探針の振動状態の変化から探針と試料表面が接近又は接触したことを検出する検出手段と、試料表面の観測データを採取する観測手段と、探針の前記XY方向の移動及びZ方向の移動を制御する制御手段と、を備えたものであり、制御手段は探針が各観測位置に到達した際、探針の前記XY方向の移動を停止し、探針を前記試料表面に近づけるZ方向に移動させ、観測手段が観測データを採取し、探針を次の観測位置までXY方向に移動させ、XY方向への移動中に検出手段が探針と探針が接近または接触したことを検出した場合には、制御手段が前記探針を試料表面から離間するZ方向に移動させることとした。 In order to solve the above problems, in the scanning probe microscope of the present invention, a probe that can be moved relative to a sample surface in a Z direction perpendicular to an XY direction parallel to the sample surface by a moving means. A needle, vibration means for vibrating the probe at a vibration frequency that resonates or forcibly vibrates, observation means for observing the vibration state of the probe, vibration amplitude control means for keeping the vibration amplitude of the probe constant, and the probe Detecting means for detecting that the probe and the sample surface are approaching or contacting each other from a change in the vibration state of the probe, observation means for collecting observation data on the sample surface, and movement of the probe in the XY direction and movement in the Z direction. Control means for controlling, when the probe reaches each observation position, the control means stops the movement of the probe in the XY directions, and moves the probe in the Z direction to bring it closer to the sample surface. Move the observation means to the observation data If the detection means detects that the probe and the probe are approaching or contacting each other during the movement in the XY direction, the control means causes the probe to move to the next observation position. The needle was moved in the Z direction away from the sample surface.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡において、加振手段により探針を所定の振動周波数で振動させると共に、観察手段により検出した探針の振動状態の出力に基づいて振動振幅制御手段が探針の振動振幅を常に一定に保たれるように制御することとした。これにより、探針が例えば探針が試料表面と接近又は接触することにより相互作用力を受けたとしても、探針の振動振幅は一定に保たれるため、試料表面の水分層等による吸着の影響を回避することができる。 In the scanning probe microscope according to the present invention, the oscillating means vibrates the probe at a predetermined vibration frequency, and the vibration amplitude control means performs vibration of the probe based on the output of the vibration state of the probe detected by the observing means. Control was made so that the amplitude was always kept constant. As a result, even if the probe receives an interaction force due to, for example, the probe approaching or contacting the sample surface, the vibration amplitude of the probe is kept constant. The influence can be avoided.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、制御手段により、各観測位置でのみ探針を試料表面に近づけており、XY方向への移動中に探針が試料表面に接近又は接触したとしても、探針はすぐさま試料表面から引き離されるので、探針と試料の磨耗を抑えることができる。 In the scanning probe microscope according to the present invention, even if the probe approaches the sample surface only at each observation position by the control means, and the probe approaches or contacts the sample surface during movement in the XY direction, Since the probe is immediately pulled away from the sample surface, wear of the probe and the sample can be suppressed.
ここで、探針の振動状態とは、要するに振動状態を表すあらゆるパラメータのことであり、具体的には、例えば振動振幅や振動周波数、振動の位相等のことである。 Here, the vibration state of the probe means all parameters representing the vibration state, specifically, for example, vibration amplitude, vibration frequency, vibration phase, and the like.
また、観察手段とは、要するに探針の振動状態を観察できるものであればいかなるものでも良い。具体的には、例えば光検出器、レーザー干渉計等を使用することができる。 The observation means may be any means as long as it can observe the vibration state of the probe. Specifically, for example, a photodetector, a laser interferometer, or the like can be used.
また、探針を試料表面から引き離す距離は、例えば、あらかじめ設定した値、あるいは、探針の振動状態が元の状態に戻るまでが望ましいがこれに限ったものではない。 Further, the distance by which the probe is pulled away from the sample surface is preferably, for example, a preset value or until the vibration state of the probe returns to the original state, but is not limited thereto.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記探針が前記試料表面に接近又は接触したことにより受ける相互作用力等により変化した前記探針の振動周波数の変位量もしくは変位率のいずれか一方が、あらかじめ設定した値を超えたことにより、前記探針が前記試料表面と接近又は接触したと判断することとした。 Further, the scanning probe microscope of the present invention is the above-mentioned scanning probe microscope of the present invention, wherein the vibration frequency of the probe changed due to an interaction force received by the probe approaching or contacting the sample surface. When either one of the displacement amount or the displacement rate exceeded a preset value, it was determined that the probe approached or contacted the sample surface.
ここで、振動周波数の変位量とは、探針が相互作用力を受けない状態での振動周波数を基準とした変位量であることが望ましいがこれに限ったものではない。また、振動周波数の変位率とは、探針が相互作用力を受けていない状態での振動周波数を基準とした変位率であることが望ましいがこれに限ったものではない。 Here, the displacement amount of the vibration frequency is preferably a displacement amount based on the vibration frequency in a state where the probe does not receive the interaction force, but is not limited thereto. Further, the displacement rate of the vibration frequency is preferably a displacement rate based on the vibration frequency in a state where the probe is not receiving the interaction force, but is not limited thereto.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡において、前記観測手段が観測データを採取した後、前記制御手段が前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させることとした。これにより、観測位置以外では前記探針を前記試料表面から一旦離してから前記XY方向に移動させるため、探針と試料との距離が確保されるので、探針と試料表面との衝突による損傷の可能性を低減できる。 Further, the scanning probe microscope of the present invention is the scanning probe microscope according to any one of the above-described aspects of the present invention, wherein the control means separates the probe from the sample surface after the observation means collects observation data. It was decided to move in the Z direction. Accordingly, since the probe is moved away from the sample surface in the X and Y directions at positions other than the observation position, the distance between the probe and the sample is secured, so that damage due to collision between the probe and the sample surface is ensured. The possibility of this can be reduced.
ここで、探針を試料表面から引き離す距離は、例えば、あらかじめ設定した値、あるいは、探針の振動周波数が元の状態に戻るまでが望ましいがこれに限ったものではない。 Here, the distance by which the probe is pulled away from the sample surface is preferably, for example, a preset value or until the vibration frequency of the probe returns to the original state, but is not limited thereto.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡において、前記制御手段により前記探針が次の観測位置に到達した際、一旦前記探針を前記試料表面から引き離す前記Z方向に移動させた後に前記探針を前記試料表面に接近又は接触させ前記観測データを採取することとした。 The scanning probe microscope of the present invention is the scanning probe microscope according to any one of the above-described inventions, wherein when the probe has reached the next observation position by the control means, the probe is once removed from the sample surface. After moving in the Z direction to be separated, the observation data is collected by bringing the probe close to or in contact with the sample surface.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡において、前記観測手段が1種類以上の観測データを採取することとした。これにより、異なる種類の観測データの採取を行うので、様々な観測データを効率よく採取でき、試料表面の状態を多面的に捉えることができる。 In the scanning probe microscope of the present invention, in the scanning probe microscope of the present invention, the observation means collects one or more types of observation data. Thereby, since different types of observation data are collected, various observation data can be collected efficiently, and the state of the sample surface can be grasped from various aspects.
ここで、観測データとは試料表面の状態を示す各種データのことであり、例えば、形状や弾性、粘性、吸着力、電気特性、磁気特性等の各種物性特性を示すデータのことである。 Here, the observation data refers to various data indicating the state of the sample surface, for example, data indicating various physical property characteristics such as shape, elasticity, viscosity, adsorption force, electrical characteristics, and magnetic characteristics.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡において、前記探針が前記試料表面と接近又は接触した位置より一定距離前記Z方向に離間した位置において、前記観測手段が少なくとも1種類以上の観測データを採取することとした。これにより、試料表面と、試料表面から一定距離Z方向に離れた位置での観測データを採取することができ、より多面的な観測データの採取が行える。 Further, the scanning probe microscope of the present invention is the scanning probe microscope according to any one of the above-described inventions, wherein the probe is spaced apart in the Z direction by a certain distance from the position where the probe approaches or contacts the sample surface. The observation means collects at least one type of observation data. As a result, observation data can be collected at the sample surface and at a position away from the sample surface in a certain distance Z direction, and more various observation data can be collected.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡において、前記探針が前記試料表面と接近又は接触した位置から一定距離前記Z方向に離間した位置までの範囲内の任意の複数の位置において、前記観測手段が少なくとも1種類以上の観測データを採取することとした。これにより、試料表面から一定距離Z方向に離れた位置までの範囲における観測データの空間分布、例えば、三次元的な磁気分布を観察することができる。 The scanning probe microscope of the present invention is a range from the position where the probe approaches or contacts the sample surface to a position spaced apart in the Z direction by a certain distance in the scanning probe microscope of the present invention. The observation means collects at least one type of observation data at any of a plurality of positions. Thereby, it is possible to observe the spatial distribution of observation data, for example, a three-dimensional magnetic distribution, in a range from the sample surface to a position away from the sample surface in a certain distance Z direction.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡において、前記探針を次の観測位置まで前記試料表面と平行な前記XY方向に移動中、前記観測手段が前記探針と前記試料表面とが接近又は接触したことを検出した際、その接近又は接触した位置において、少なくとも1種類以上の観測データを採取することとした。これにより、測定時間を増やすことなく観測データを増やすことができる。 Further, the scanning probe microscope of the present invention is the scanning probe microscope of any of the present invention described above, wherein the observation means is moving while moving the probe in the XY direction parallel to the sample surface to the next observation position. When it was detected that the probe and the sample surface were approached or contacted, at least one type of observation data was collected at the approached or contacted position. Thereby, observation data can be increased without increasing the measurement time.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、試料表面に対して配置され、該試料表面に平行なXY方向と垂直なZ方向に相対的な移動が可能な探針を備え、該探針を共振あるいは強制振動する振動周波数で振動させ、該探針の振動振幅を一定に保った状態で該探針を該試料表面に接近させ、該試料表面の観測データを採取する走査方法であって、前記探針が観測位置に到達した後、前記探針を前記試料表面に垂直な前記Z方向に接近させ、前記探針の振動周波数の変化から前記探針と前記試料表面が接近又は接触したことを検出したときに、前記探針の前記Z方向への移動を停止し、観測データを採取する観測工程と、前記探針を次の観測位置まで前記XY方向に移動させる走査工程と、該走査工程の際、前記探針と前記試料表面とが接近又は接触したことを検出したときに、前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させる工程を有することとした。 In addition, the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention includes a probe that is arranged with respect to the sample surface and is capable of relative movement in the Z direction perpendicular to the XY direction parallel to the sample surface. This is a scanning method in which the needle is vibrated at a vibration frequency that resonates or is forced to vibrate, the probe is brought close to the sample surface while the vibration amplitude of the probe is kept constant, and observation data of the sample surface is collected. Then, after the probe reaches the observation position, the probe is brought close to the Z direction perpendicular to the sample surface, and the probe and the sample surface are approached or contacted due to a change in the vibration frequency of the probe. An observation step of stopping movement of the probe in the Z direction and collecting observation data when detecting that, and a scanning step of moving the probe in the XY direction to the next observation position; During the scanning step, the probe and the sample surface When it is detected that the approach or touch, it was decided to have the step of moving the Z direction away the probe from the sample surface.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡の走査方法においては、前記走査工程及び前記観察工程中に、前記探針の振動振幅を常に一定に保たれるように制御することとした。これにより、前記探針が例えば探針が試料表面と接近又は接触することにより相互作用力を受けたとしても、探針の振動振幅は一定に保たれるため、試料表面の水分層等による吸着の影響を回避することができる。 In the scanning method of the scanning probe microscope according to the present invention, control is performed so that the vibration amplitude of the probe is always kept constant during the scanning step and the observation step. As a result, even if the probe receives an interaction force due to, for example, the probe approaching or contacting the sample surface, the vibration amplitude of the probe is kept constant. Can be avoided.
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、前記探針は各観測位置でのみ前期探針を前記試料表面に近づけており、前記走査工程中に前記探針が試料表面に接近又は接触したとしても、探針はすぐさま試料表面から引き離されるので、探針と試料の磨耗を抑えることができる。 In the scanning probe microscope according to the present invention, the probe may be brought close to the sample surface only at each observation position, and the probe may approach or contact the sample surface during the scanning process. Since the probe is immediately pulled away from the sample surface, wear of the probe and the sample can be suppressed.
ここで、探針を試料表面から引き離す距離は、例えば、あらかじめ設定した値、あるいは、探針の振動状態が元の状態に戻るまでが望ましいがこれに限ったものではない。 Here, the distance for pulling the probe away from the sample surface is preferably a preset value or until the vibration state of the probe returns to the original state, but is not limited thereto.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、上記本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記観察工程が、前記探針を前記試料表面に垂直な前記Z方向に移動させ、前記探針が前記試料表面に接近又は接触したことにより受ける相互作用力等により変化した前記探針の振動周波数の変位量もしくは変位率のいずれか一方が、あらかじめ設定した値を超えたことにより、前記探針が前記試料表面と接近又は接触したと判断し、前記探針の前記Z方向への移動を停止するとともに、観測データを採取する工程とした。 Further, the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention is the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention, wherein the observation step moves the probe in the Z direction perpendicular to the sample surface, When either one of the displacement amount or the displacement rate of the vibration frequency of the probe, which has been changed by the interaction force received when the probe approaches or contacts the sample surface, exceeds a preset value, It was determined that the probe approached or contacted the sample surface, and the movement of the probe in the Z direction was stopped and observation data was collected.
ここで、振動周波数の変位量とは、探針が相互作用力を受けない状態での振動周波数を基準とした変位量であることが望ましいがこれに限ったものではない。また、振動周波数の変位率とは、探針が相互作用力を受けていない状態での振動周波数を基準とした変位率であることが望ましいがこれに限ったものではない。 Here, the displacement amount of the vibration frequency is preferably a displacement amount based on the vibration frequency in a state where the probe does not receive the interaction force, but is not limited thereto. Further, the displacement rate of the vibration frequency is preferably a displacement rate based on the vibration frequency in a state where the probe is not receiving the interaction force, but is not limited thereto.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記観察工程により観測データを採取した後、前記探針を前記試料表面から引き離す前記Z方向に移動させる工程を有することとした。これにより、探針は観測位置でのみ試料表面に接近又は接触するので、探針及び試料表面の磨耗を低減できる。 The scanning probe microscope scanning method according to the present invention is the scanning probe microscope scanning method according to any one of the above-described present inventions, wherein after the observation data is collected in the observation step, the probe is separated from the sample surface. The step of moving in the Z direction is included. Thereby, since the probe approaches or contacts the sample surface only at the observation position, wear of the probe and the sample surface can be reduced.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記走査工程により前記探針が次の観測位置に到達した際、一旦前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させる工程を有することとした。 Further, the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention is the scanning method of the scanning probe microscope of any one of the present invention described above, once the probe has reached the next observation position by the scanning step. The method includes moving the needle in the Z direction away from the sample surface.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記観察工程における前記探針の振動振幅と、前記走査工程における前記探針の振動振幅とを変更する工程を有することとした。これにより、例えば、観察工程における探針の振動振幅を小さくすると、探針と試料表面との間の散逸エネルギーを減らし、探針と試料表面との衝突による磨耗を低減又は回避することができる。 Further, the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention is the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention, wherein the vibration amplitude of the probe in the observation step and the probe of the scanning step in the scanning step are the same. The step of changing the vibration amplitude is included. Thereby, for example, when the vibration amplitude of the probe in the observation step is reduced, the dissipated energy between the probe and the sample surface can be reduced, and wear due to the collision between the probe and the sample surface can be reduced or avoided.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記観察工程における前記探針の振動周波数と、前記走査工程における前記探針の振動周波数とを変更する工程を有することとした。 Further, the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention is the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention described above, wherein the vibration frequency of the probe in the observation step and the probe in the scanning step are the same. The step of changing the vibration frequency is included.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記観察工程中に前記探針が前記試料表面と接近又は接触することを検出する前記探針の振動周波数の変位量あるいは変位率と、前記走査工程中に前記探針が前記試料表面と接近又は接触することを検出する前記探針の振動周波数の変位量あるいは変位率とを変更する工程を有することとした。これにより、例えば、走査工程中の検出感度をより高感度に設定すると、探針と試料表面との衝突による磨耗を低減又は回避することができる。 Further, the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention is the scanning method of the scanning probe microscope of any of the present invention, wherein the probe is detected to approach or contact the sample surface during the observation step. A displacement amount or a displacement rate of the vibration frequency of the probe, and a displacement amount or a displacement rate of the vibration frequency of the probe that detects that the probe approaches or contacts the sample surface during the scanning step. It was decided to have a process to change. Thereby, for example, if the detection sensitivity during the scanning process is set to a higher sensitivity, wear due to collision between the probe and the sample surface can be reduced or avoided.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記探針が前記試料表面と接近又は接触した位置から一定距離前記Z方向に離間した位置において、少なくとも1種類以上の観測データを採取する工程を有することとした。これにより、試料表面と、試料表面から一定距離Z方向に離れた位置での観測データを採取することができる。 A scanning probe microscope scanning method according to the present invention is the scanning probe microscope scanning method according to any one of the above-mentioned present inventions, wherein the probe approaches a certain distance in the Z direction from a position where the probe approaches or contacts the sample surface. It was decided to have a step of collecting at least one or more types of observation data at the separated positions. Thereby, observation data can be collected at the sample surface and at a position away from the sample surface in a certain distance Z direction.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、上記本発明のいずれかの走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記探針と前記試料表面とが接近又は接触した位置から一定距離前記Z方向に離間した位置までの範囲内の任意の複数の位置において、1種類以上の観測データを採取する工程を有することとした。これにより、試料表面から一定距離Z方向に離れた位置までの範囲における観測データの空間分布、例えば、三次元的な磁気分布を観察することができる。 Further, the scanning method of the scanning probe microscope of the present invention is the scanning method of the scanning probe microscope of any of the above-described present invention, wherein a certain distance from the position where the probe and the sample surface approach or contact each other in the Z direction. The method includes a step of collecting one or more types of observation data at an arbitrary plurality of positions within a range up to a position separated from each other. Thereby, it is possible to observe the spatial distribution of observation data, for example, a three-dimensional magnetic distribution, in a range from the sample surface to a position away from the sample surface in a certain distance Z direction.
本発明の走査型プローブ顕微鏡及びその走査方法によれば、加振手段及び振動振幅制御手段により探針の振動振幅は一定に保たれていることにより、探針と試料表面が接近又は接触した場合、探針が試料表面の水分層により吸着力を受けても、吸着力により探針の振動が減衰又は停止することを回避できるので、走査時間の短縮、即ち、測定時間を短縮化することができる。 According to the scanning probe microscope and its scanning method of the present invention, when the probe and the sample surface approach or come into contact with each other, the vibration amplitude of the probe is kept constant by the vibration means and the vibration amplitude control means. Even if the probe receives an adsorption force due to the moisture layer on the sample surface, it is possible to avoid the vibration of the probe from being attenuated or stopped by the adsorption force, so that the scanning time can be shortened, that is, the measurement time can be shortened. it can.
なお、検出手段が探針の振動周波数の変位量又は変位率から探針と試料表面とが接近又は接触したことを検出したときは、従来の周波数制御による非接触モードでは困難であった凹凸が大きい試料に対しても、各観測位置でのみ探針の振動周波数があらかじめ設定した値まで変位するまで探針を接近させ、観測データの採取後、探針を試料表面から引き離すため、安定した測定を行うことができる。つまり、周波数制御の利点である非接触領域での測定が可能である。 In addition, when the detecting means detects that the probe and the sample surface are approaching or contacting from the displacement amount or displacement rate of the vibration frequency of the probe, the unevenness that is difficult in the non-contact mode by the conventional frequency control is detected. Even for large samples, stable measurement is possible because the probe is moved close to the preset value only at each observation position until the probe is moved to a preset value, and the probe is moved away from the sample surface after collection of observation data. It can be performed. That is, measurement in a non-contact region that is an advantage of frequency control is possible.
以下で本発明による第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡について説明する。 The scanning probe microscope according to the first embodiment of the present invention will be described below.
図1は、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡を示す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a scanning probe microscope according to the present invention.
本発明における走査型プローブ顕微鏡1は、図1に示すように、試料台11の上に設置された試料Pの表面Sに対し針先が向かうように配置される探針2を先端に有するカンチレバー13と、カンチレバー13を振動用周波数(fS)で共振あるいは強制振動させる加振手段3と、加振手段3により振動しているカンチレバー13の振動状態(例えば、振動振幅や振動周波数)を観察する観察手段4と、観察手段4の出力を基に探針2の振動振幅を一定に保つ振動振幅制御手段5と、観察手段4の出力を基に探針2と試料表面Sが接近又は接触等によるカンチレバー13の振動周波数の変化(Δf)を検出する検出手段6と、探針2と試料表面Sが接近又は接触した時点での観測データを採取する観測手段7と、探針2の試料表面Sと平行なXY方向の移動及び試料表面Sと垂直なZ方向の移動を制御する制御手段8とを備えている。
As shown in FIG. 1, the scanning probe microscope 1 according to the present invention has a cantilever having a
さらに、上記カンチレバー13の探針が設けられた他端は圧電素子14に固定されている。圧電素子14は加振電源15により、上記のカンチレバー13を共振あるいは強制振動する機能を有している。即ち、圧電素子14と加振電源15で加振手段3を構成している。 Further, the other end of the cantilever 13 provided with the probe is fixed to the piezoelectric element 14. The piezoelectric element 14 has a function of resonating or forcibly oscillating the cantilever 13 with an excitation power source 15. That is, the piezoelectric element 14 and the vibration power source 15 constitute the vibration means 3.
圧電素子14によりカンチレバー13を振動用周波数(fS)で振動させたときには、探針2も試料表面Sと垂直なZ方向に振動用周波数(fS)で振動する。
When the cantilever 13 is vibrated at the vibration frequency (f S ) by the piezoelectric element 14, the
また、圧電素子14は、三次元アクチュエーター12に取り付けられている。この三次元アクチュエーター12は、圧電素子14及びカンチレバー13を介して探針2を試料表面Sと平行なXY方向と、試料表面Sに垂直なZ方向に移動させることができる。
The piezoelectric element 14 is attached to the three-
カンチレバー13の上面は反射面となっており、レーザー光Lが光源16からこの面に照射される。カンチレバー13の上面で反射された反射光Rは、光検出器17にて検出される。光検出器17は例えば4分割フォトダイオードを用い、反射光Rが各フォトダイオードに入射して検出された検出信号の強度の差から、反射光Rの位置変化を測定できる。
The upper surface of the cantilever 13 is a reflecting surface, and the laser light L is emitted from the
本実施形態においては、振動しているカンチレバー13の反射光Rの位置変化、つまり探針2の振動状態(振動振幅や振動周波数や振動の位相等)を検出することができる。即ち、光源16と光検出器17で観察手段4を構成する。
In the present embodiment, the position change of the reflected light R of the vibrating cantilever 13, that is, the vibration state (vibration amplitude, vibration frequency, vibration phase, etc.) of the
光検出器17で得られた検出信号は増幅器18により増幅され、振動振幅制御手段5や検出手段6へと送られる。
The detection signal obtained by the photodetector 17 is amplified by the
増幅器18から送られた信号は、振動振幅制御手段5を構成する振幅調整回路19と位相調整回路20を経て、加振電源15へと送られる。
The signal sent from the
振幅調整回路19では、観察手段4の出力信号の振幅が常に一定になるように制御しており、その制御された信号が、位相調整回路20により位相調整された後、加振電源15に供給されるため、カンチレバー13の振動振幅は常に一定に維持されることになる。
The
例えば、探針が試料表面の水分層により吸着力を受けてカンチレバー13の振動振幅が増加又は減少した場合、観察手段4がその振動振幅変化を検出し、その変化を打ち消すような信号を加振電源15に送るため、振動振幅の変化が打ち消され一定振幅で振動を続けるようにフィードバックをかけるようにする。即ち、振幅調整回路19と位相調整回路20で振動振幅制御手段5を構成している。
For example, when the probe receives an adsorbing force from the moisture layer on the sample surface and the vibration amplitude of the cantilever 13 increases or decreases, the observation means 4 detects the vibration amplitude change, and excites a signal that cancels the change. In order to send the power to the power supply 15, feedback is applied so that the change in the vibration amplitude is canceled and the vibration is continued at a constant amplitude. That is, the
上記のように振動振幅制御手段5によりカンチレバー13の振動振幅を一定に保持した状態で、探針2と試料Pが例えば原子間力等の相互作用力が働く距離まで接近した場合、相互作用力の影響を受けてカンチレバー13の振動周波数が変化する。このカンチレバー13の振動周波数は、観察手段4の検出信号として増幅器18にて増幅された後、周波数−電圧変換器21で振動周波数に応じた電圧に変換され、電圧変位検出部22へと送られる。電圧変位検出部22では、周波数−電圧変換器21から送られてきた信号電圧(V)と、相互作用力を受けない通常状態での振動周波数(fS)に応じた電圧(VS)との差(ΔV=V−VS:つまり振動周波数の変位)が求められる。この電圧の変位(ΔV)があらかじめ設定されている値(Vt:以降閾値電圧と呼ぶ)をこえたときに、その情報が制御部23へ送られる。
When the vibration amplitude of the cantilever 13 is kept constant by the vibration amplitude control means 5 as described above, when the
即ち、周波数−電圧変換器21と電圧変位検出部22で検出手段6を構成している。 That is, the frequency-voltage converter 21 and the voltage displacement detector 22 constitute the detection means 6.
なお、振動周波数の変位の検出には、振動周波数の変位量を用いたが、振動周波数の変位率を使用しても良い。 Although the displacement of the vibration frequency is used for detecting the displacement of the vibration frequency, the displacement rate of the vibration frequency may be used.
三次元アクチュエーター12には、三次元アクチュエーターを駆動して探針2をXYZ方向に走査させるXY方向駆動部24とZ方向駆動部25が接続されている。また、XY方向駆動部24とZ方向駆動部25は制御部23によって制御されている。制御部23は検出手段6からの信号に基づいてZ方向駆動部25を制御している。即ち、三次元アクチュエーター12と制御部23とXY方向駆動部24とZ方向駆動部25とは制御手段8を構成している。
Connected to the three-
また、制御部23は、検出手段6が探針2の振動周波数が変化し設定値を超えたとき、つまりは探針2と試料表面Sとの接近又は接触を検出したことを受けて、その時点における探針2のXYZ方向の位置データがデータ蓄積部26へ送られる。データ蓄積部26では、上記の位置データを観測データとして採取・蓄積し、モニタ等の表示部27に表示する。つまり、表示部27に表示される観測データは試料表面Sの表面形状を現している。即ち、データ蓄積部26と表示部27で観測手段7を構成している。
Further, the control unit 23 receives the fact that the detection means 6 detects the approach or contact between the
また、制御手段8は、制御部23から位置データをデータ蓄積部26に送信し、探針2を試料表面Sから離すようにZ方向駆動部25を制御し、探針2が次の観測位置まで試料表面Sと平行なXY方向へと移動させる。
Further, the control means 8 transmits position data from the control unit 23 to the data storage unit 26 and controls the Z direction driving unit 25 so that the
この探針2をXY方向に走査中において、探針2の振動状態の変化があらかじめ設定した値以上に検出手段6が変化したことを検出した場合は、XY方向への走査を停止し、探針2を試料表面Sから離すZ方向に移動させる。
When the
つまり、制御手段8は、いかなる移動中においても、カンチレバー13の振動周波数があらかじめ設定した値以上に変化したことを検出手段6が検出すると、カンチレバー13上の探針2を試料表面Sから離すZ方向に移動させる。
That is, the control means 8 moves the
なお、探針2を試料PからZ方向に離す距離は、あらかじめ設定した距離でも良く、あるいは、探針2の振動周波数が元の状態(fS)に戻るまででも良い。
The distance at which the
ここで、このように構成された走査型プローブ顕微鏡1により、試料表面Sの表面形状を測定する具体例について図2及び図3を参照して説明する。 Here, a specific example of measuring the surface shape of the sample surface S with the scanning probe microscope 1 configured as described above will be described with reference to FIGS.
図2は本実施形態における試料表面Sの表面形状を生成する過程の一例を示すフローチャートである。また、図3は本実施形態における探針2の動作を示す概念図である。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a process of generating the surface shape of the sample surface S in the present embodiment. FIG. 3 is a conceptual diagram showing the operation of the
まず、ステップ1として、加振手段3によりカンチレバー13および探針2を振動用周波数にて振動させる。探針2が、加振手段3と観察手段4及び振動振幅制御手段5により振動振幅が一定になるように制御する。
First, as step 1, the cantilever 13 and the
次に、ステップ2として、この探針2が一定振幅にて振動している状態で、制御部23はZ方向駆動部25を制御して三次元アクチュエーター12を駆動させ、探針2を試料Pから原子間力等の相互作用力を受ける距離まで接近させる。このとき、本実施形態では、探針2をXY方向へは走査していない。
Next, as
ステップ3として、探針2が試料表面Sに接近し相互作用力を受けると、探針2の振動周波数は変化する。検出手段6が、この振動周波数の変化を検知する。そして、あらかじめ設定した値以上の変化したときに、検出手段6はその情報を制御部23へ送り、制御部23はZ方向駆動部25を制御して三次元アクチュエーター12を停止させ探針2の移動を止める。
As
なお、本実施形態において、検出手段6は探針2の振動周波数の変位量から探針2が試料表面Sに接近又は接触したことを検出したが、これに限らず、例えば、振動周波数の変位率を使用しても良い。
In the present embodiment, the detection means 6 detects that the
次に、ステップ4では、制御部23は探針2を停止した位置情報を(XY方向の位置とZ方向の位置)を観測データとしてデータ蓄積部26へ送る。
Next, in
さらに、ステップ5では、制御部23はZ方向駆動部25を制御し探針2を試料Pから離れるZ方向に、例えば10nm移動させる。このZ方向への移動距離は10nmに限るものでなく、例えば、探針2の振動周波数が元の状態(fS)に戻るまででも良い。
Further, in
なお、ステップ4とステップ5の順序は逆でも良く、あるいは、同時でも良い。また、ステップ3とステップ4とステップ5を全て同時に行っても良い。
Note that the order of
また、ステップ5を省略して、直ちにステップ6に進んでも良い。この場合、探針2が試料表面Sとすぐに接近又は接触したとしても、ステップ7により、すぐさま制御手段23はZ方向駆動部25を制御し三次元アクチュエーター12を駆動して、探針2を試料表面Sから引き離すZ方向へと移動させるため、探針と試料表面とが衝突することは無い。
Further,
上記工程終了後、ステップ6として、制御部23はXY方向駆動部24を制御し三次元アクチュエーター12を駆動して、探針2を次の観測位置まで到達するようXY方向へと走査させる。
After the above process is completed, as
このXY方向への走査中に、探針2が試料表面Sの凸部等に接近又は接触した場合は、ステップ3と同様に検出手段6が探針2と試料表面Sが接近又は接触したことの情報を制御部23へと送り、ステップ7へと進む。一方、探針2と試料Pが接近せずに次の観測位置まで探針2が到達した場合はステップ2へ進み、ステップ2からステップ6の動作を行う。
During the scanning in the XY directions, if the
探針2と試料表面Sが接近又は接触した場合はステップ7へと進む。ステップ7では、制御部23は、XY方向駆動部24を制御し、三次元アクチュエーター12のXY方向の駆動は停止するとともに、探針2と試料Pが離れるZ方向に、例えば、10nm移動させるようにZ方向駆動部25を制御し三次元アクチュエーター12のZ方向の駆動させる。尚、このZ方向への移動距離は10nmに限るものでなく、あるいは、探針2の振動周波数が元の状態(fS)に戻るまででも良い。
If the
ステップ7の工程終了後は、ステップ6へと進む。即ち、制御部23はXY方向駆動部24を制御して探針2が次の観測位置まで到達するよう探針2をXY方向へと再度移動させる。このXY方向への走査中に、再度探針2と試料表面Sが接近又は接触した場合はステップ7へと進む。このようにして、探針2が次の観測位置に到達するまでステップ6とステップ7を繰り返す。
After
探針2が上記工程により次の観測位置まで到達した場合は、ステップ2へ進み、新しい観測位置での観測データを採取する。
When the
このようにステップ2からステップ6及びステップ7を繰り返すことによって、各観測位置での観測データをデータ蓄積部26へと蓄積していき、全ての観測位置での観測データを採取する。また、採取した観測データより試料表面Sの形状像を得ることができる。また、表示部27に試料表面Sの表面形状像を表示することもできる。
By repeating
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針2が試料表面Sの水分層による吸着力を受けても、振動振幅制御手段5により探針2の振動振幅は一定に保たれているため、探針2の振動の停止や、振動振幅が減衰することは無い。従来技術では、この吸着力により探針2の振動が停止又は減衰するため、吸着から離脱し探針2の振動が元の状態に回復するまで探針2を試料Pから離す必要があり、測定時間の遅延をもたらしていた。本発明では、常に一定振幅で探針2を振動させるため、探針2が吸着力により振動が停止や減衰することは無く、測定時間の短縮化が可能である。
In the scanning probe microscope of the present invention, even if the
また、図2及び図3では便宜上、「ステップ1」を「S1」と表示しており、ステップ2からステップ7も同様である。また、図3では、探針2の動作をXZ平面であらわしているが、これに限らず、例えばYZ平面でも良い。また、図3では、ステップ2(S2)とステップ5(S5)のX方向の位置が異なっているが、これは図を簡略化したためであり、実際の動作では探針2のXY方向の位置は同じである。
Further, in FIG. 2 and FIG. 3, “Step 1” is displayed as “S1” for the sake of convenience, and the same applies to Step 2 to
次に、本発明による第二の実施形態について図4及び図5を参照して説明する。図4は本実施形態における試料表面Sの表面形状を生成する過程の一例を示すフローチャートである。また、図5は本実施形態における探針2の動作を示す概念図である。
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a flowchart showing an example of a process for generating the surface shape of the sample surface S in the present embodiment. FIG. 5 is a conceptual diagram showing the operation of the
第二の実施形態と第一の実施形態との異なる点は、第一実施形態では、ステップ6で制御部23は探針2が次の観測位置に到達すると直ちに探針2を試料表面Sに接近させたのに対し、第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、ステップ6の探針2が次の観測位置に到達したのち、次にステップ8として制御部23は探針2を試料Pから離れるZ方向に一旦移動させてから探針2を試料表面Sに接近させる点である。つまり、図4および図5において、探針2と試料表面Sから離すZ方向に移動させるステップ8(S8)が付け加えられている。
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that, in the first embodiment, the control unit 23 moves the
即ち、第一の実施形態と同様にステップ1からステップ6及びステップ7の工程により、制御部23は探針2を試料表面Sに接近させ観測データを採取し、探針2を試料表面Sから引き離した後、XY方向に移動させ次の観測位置まで到達させる。その後、ステップ8により制御部23はZ方向駆動部25を制御して、探針2を一旦試料表面Sから引き離すZ方向に移動させてから、探針2を試料Pに向けて接近させる。
That is, as in the first embodiment, the control unit 23 brings the
なお、ステップ8での探針2の引き上げる距離はステップ5と同じ距離でもよく、あるいは、異なった距離でも良い。また、図4及び図5では便宜上、「ステップ1」を「S1」と表示しており、ステップ2からステップ8も同様である。また、図4では、探針2の動作をXZ平面であらわしているが、これに限らず、例えば、YZ平面でも良い。また、図5では、ステップ2(S2)とステップ5(S5)とステップ8(S8)のX方向の位置が異なっているが、これは図を簡略化したためであり、実際の動作では探針2のXY方向の位置は同じである。
Note that the distance by which the
次に、本発明による第三の実施形態について図6を参照して説明する。図6は本実施形態における試料表面Sの表面形状を生成する過程の一例を示すフローチャートである。 Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing an example of a process for generating the surface shape of the sample surface S in the present embodiment.
第三の実施形態が第一の実施形態との異なる点は、第一の実施形態では加振手段3および振動振幅制御手段5が探針2を常に一定振幅で振動させたのに対し、第三の実施形態の走査型プローブ顕微鏡では加振手段3及び振動振幅制御手段5により、探針2が試料表面Sに接近し観測データを採取する工程(ステップ1からステップ5)での探針2の振動振幅(以後観測用振幅)と、探針2が次の観測位置まで移動する工程(ステップ6およびステップ7)での探針2の振動振幅(以後走査用振幅)とを変える点である。
The third embodiment is different from the first embodiment in that, in the first embodiment, the vibration means 3 and the vibration amplitude control means 5 always vibrate the
すなわち、第一の実施形態のようにステップ1からステップ5の工程により、制御部23は探針2を試料表面Sに近づけ観測データを採取し、探針2を試料表面Sから引き離す。この工程での探針2の振動振幅は観測用振幅を用いる。
That is, as in the first embodiment, the control unit 23 brings the
ステップ9として、ステップ5が終了後、加振手段3及び振動振幅制御手段5により探針2の振動振幅を観測用振幅から走査用振幅へと変更する。
As step 9, after
ステップ9により探針2の振動振幅が変更した後、ステップ6及びステップ7により探針2を次の観測位置まで移動させる。
After the vibration amplitude of the
ステップ10として、探針2が次の観測位置に到達した後、加振手段3と振動振幅制御手段5により探針2の振動振幅を走査用振動振幅から観測用振幅に変更する。
In
このように、探針2の状況に応じて振動振幅を変更することにより、例えば、走査振動振幅を大きくするとレスポンスが高くなるため、探針2が次の観測点まで移動工程中に探針2が試料表面Sに接近する等による振動周波数の変化が検出されてから探針2を引き上げるまでの間に探針2が試料表面Sに衝突することを防止することができる。したがって、走査工程時、探針2及び試料Pとの衝突による損傷を低減または回避することができる。
In this way, by changing the vibration amplitude according to the state of the
なお、ここでは、ステップ9及びステップ10において、探針2の振動振幅を変更したが、探針2の振動周波数であっても良い。
Here, in step 9 and step 10, the vibration amplitude of the
また、ここでは、ステップ9及びステップ10において、探針2の振動振幅を変更したが、探針2と試料表面Sが接近又は接触したことを検出する際に使用する閾値電圧(Vt)を変更しても良い。
Here, the vibration amplitude of the
また、ステップ9はステップ5の後としたが、これに限らず、ステップ5とステップ11を同時に行っても良く、あるいは、ステップ6とステップ9を同時に行っても良い。また、第二の実施形態と同様にステップ8(即ち探針2を一旦引き上げてから試料に対し接近させる)を取り入れても良く、その場合は、ステップ8はステップ12の先でも後でも良く、あるいは、同時でも良い。
Step 9 is after
また、図6では便宜上、「ステップ1」を「S1」と表示しており、ステップ2からステップ7及びステップ9とステップ10も同様である。
In FIG. 6, for the sake of convenience, “Step 1” is displayed as “S1”, and
以上までは本発明による各実施形態についての説明であるが、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。 The above is description about each embodiment by this invention, However, The technical scope of this invention is not limited to the said embodiment, A various change is added in the range which does not deviate from the meaning of this invention. Is possible.
例えば、上記各実施形態において、観測手段は、観測データとして探針の位置データを採取したが、これに限らず、試料の弾性や粘性に関する定数、電気抵抗や吸着力等の物性定数等を測定してもかまわない。 For example, in each of the above embodiments, the observation means collects the probe position data as the observation data. However, the observation means is not limited to this. It doesn't matter.
さらに、これらの観測データを一つだけ採取するのではなく複数の観測データ(例えば、位置データと粘性)を採取してもかまわない。これにより、より有効な観測データを採取することができるとともに、試料Pを一度に多面的に観察することができる。 Furthermore, instead of collecting only one of these observation data, a plurality of observation data (for example, position data and viscosity) may be collected. As a result, more effective observation data can be collected, and the sample P can be observed in a multifaceted manner at a time.
また、観測手段は、探針を試料表面に近接または接触した位置と、探針を試料表面から距離h離間した位置とで、1種類以上の観測データを採取しても良い。これにより、試料表面と試料表面からh離れた位置の2箇所でのデータを採取することができ、試料表面からの距離に応じた物性量等を観察することができる。 The observation means may collect one or more types of observation data at a position where the probe is close to or in contact with the sample surface and a position where the probe is separated from the sample surface by a distance h. As a result, data at two locations, i.e., the sample surface and a position h away from the sample surface, can be collected, and a physical property amount or the like corresponding to the distance from the sample surface can be observed.
さらに、観測データを採取する位置として、試料表面から試料表面より距離h離間した位置までの範囲内の任意の複数の位置で観測データを採取しても良い。これにより、観測データの試料表面上の空間分布を観測することができ、例えば、磁界、電界等の三次元分布を得ることができる。 Furthermore, observation data may be collected at a plurality of arbitrary positions within a range from the sample surface to a position separated from the sample surface by a distance h as a position for collecting observation data. Thereby, the spatial distribution of the observation data on the sample surface can be observed, and for example, a three-dimensional distribution such as a magnetic field and an electric field can be obtained.
また、上記各実施形態においては、探針を次の観測位置まで試料表面と平行なXY方向に移動中に探針が試料表面に接近又は接触した位置を観測位置として観測データに加えても良い。これにより、測定時間を変えることなく、観測データを増加することができる。 In each of the above embodiments, the position at which the probe approaches or contacts the sample surface while moving the probe in the XY direction parallel to the sample surface to the next observation position may be added to the observation data as the observation position. . Thereby, observation data can be increased without changing the measurement time.
また、光検出器を用いてカンチレバーの変位量を検出したが、光検出器を用いるカンチレバーに限らず、例えば、カンチレバーの容量の変化を検知することで、カンチレバーの振動変位量を測定する自己検知型レバーを用いても良い。 In addition, the amount of displacement of the cantilever was detected using a photodetector. However, the detection is not limited to a cantilever using a photodetector. For example, self-detection that measures the amount of vibration displacement of a cantilever by detecting changes in the capacity of the cantilever A mold lever may be used.
また、探針の振動方向を試料表面と垂直なZ方向としたが、探針の振動方向は任意の方向で良く、例えば、試料表面と平行な方向に振動させても良い。 The vibration direction of the probe is the Z direction perpendicular to the sample surface, but the vibration direction of the probe may be any direction, for example, it may be vibrated in a direction parallel to the sample surface.
また、探針を三次元アクチュエーターにより駆動させたが、これに限らず、探針と試料が相対的に動けば良いのであって、例えば、試料を三次元アクチュエーターにより駆動させても良い。 Further, the probe is driven by the three-dimensional actuator. However, the present invention is not limited to this, and the probe and the sample may be moved relatively. For example, the sample may be driven by the three-dimensional actuator.
また、三次元アクチュエーターを一体のものとしたが、これに限らず、三次元アクチュエーターを分割し、例えば、探針をZ方向アクチュエーターで駆動させ、試料をXY方向アクチュエーターで駆動させても良い。 Although the three-dimensional actuator is integrated, the present invention is not limited to this, and the three-dimensional actuator may be divided, for example, the probe may be driven by a Z-direction actuator, and the sample may be driven by an XY-direction actuator.
また、カンチレバーを圧電素子により振動させたが、これに限らず、例えば、水晶振動子を使用しても良い。 Moreover, although the cantilever is vibrated by the piezoelectric element, the present invention is not limited thereto, and for example, a crystal resonator may be used.
また、光検出器17として4分割光フォトダイオードを用いたが、これに限らず、例えば、2分割光フォトダイオードでも良い。 Further, although the four-split optical photodiode is used as the photodetector 17, the present invention is not limited to this, and for example, a two-split optical photodiode may be used.
P 試料
S 試料表面
L レーザー光
R 反射光
1 走査型プローブ顕微鏡
2 探針
3 加振手段
4 観察手段
5 振動振幅制御手段
6 検出手段
7 観測手段
8 制御手段
11 試料台
12 三次元アクチュエーター
13 カンチレバー
14 圧電素子
15 加振電源
16 光源
17 光検出器
18 増幅器
19 振幅調整回路
20 位相調整回路
21 周波数−電圧変換器
22 電圧変位検出部
23 制御部
24 XY方向駆動部
25 Z方向駆動部
26 データ蓄積部
27 表示部
28 振幅減衰検出部
P Sample S Sample surface L Laser light R Reflected light 1
Claims (17)
前記探針を共振あるいは強制振動する振動周波数で振動させる加振手段と、
前記探針の振動状態を観察する観察手段と、
前記探針の振動振幅を一定に保つ振動振幅制御手段と、
前記探針の振動状態の変化から前記探針と前記試料表面が接近又は接触したことを検出する検出手段と、
前記試料表面の観測データを採取する観測手段と、
前記XY方向の移動及び前記Z方向の移動を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段が前記探針を前記試料表面に近づける前記Z方向に移動させ、
前記観測手段が観測データを採取し、
前記探針を次の観測位置に到達するまで前記XY方向に移動させ、前記XY方向への移動中に前記検出手段が前記探針と前記探針が接近または接触したことを検出した場合には、前記制御手段が前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 A probe arranged relative to the sample surface and capable of relative movement in the Z direction perpendicular to the XY direction parallel to the sample surface;
Vibration means for vibrating the probe at a vibration frequency for resonance or forced vibration;
Observation means for observing the vibration state of the probe;
Vibration amplitude control means for keeping the vibration amplitude of the probe constant;
Detecting means for detecting that the probe and the sample surface are approaching or in contact with each other from a change in a vibration state of the probe;
Observation means for collecting observation data of the sample surface;
Control means for controlling movement in the XY direction and movement in the Z direction,
The control means moves the probe in the Z direction to approach the sample surface;
The observation means collects observation data,
When the probe is moved in the XY direction until it reaches the next observation position, and the detection means detects that the probe and the probe are approaching or contacting during movement in the XY direction The scanning means moves the probe in the Z direction away from the sample surface.
前記検出手段が、前記探針の振動周波数の変位量もしくは変位率の少なくとも1つが、あらかじめ設定した値を超えたことにより、前記探針が前記試料表面と接近又は接触したことを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 1,
The detection means detects that the probe has approached or contacted the sample surface when at least one of the displacement amount or displacement rate of the vibration frequency of the probe exceeded a preset value. A scanning probe microscope.
前記制御手段が、前記観測手段が観測データを採取した後、前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to claim 1,
The scanning probe microscope characterized in that the control means moves the probe in the Z direction away from the sample surface after the observation means collects observation data.
前記制御手段が、前記探針を次の観測位置に到達するまで前記XY方向に移動させ、一旦前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させた後、前記探針を前記試料表面に近づけるZ方向に移動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 3,
The control means moves the probe in the XY direction until it reaches the next observation position, and once moves the probe in the Z direction away from the sample surface, the probe is then moved to the sample. A scanning probe microscope characterized by being moved in the Z direction approaching the surface.
前記観測手段が、前記探針が前記試料表面と接近または接触した位置において、少なくとも1種類以上の観測データを採取することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 4,
The scanning probe microscope characterized in that the observation means collects at least one type of observation data at a position where the probe approaches or contacts the sample surface.
前記観測手段が、前記探針が前記試料表面と接近又は接触した位置より一定距離前記Z方向に離間した位置において、少なくとも1種類以上の観測データを採取することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 In the scanning probe microscope in any one of Claim 1 to 5,
The scanning probe microscope characterized in that the observation means collects at least one type of observation data at a position separated in the Z direction by a certain distance from a position where the probe approaches or contacts the sample surface.
前記観測手段が、前記探針が前記試料表面と接近又は接触した位置から一定距離前記Z方向に離間した位置までの範囲内の任意の複数の位置において、少なくとも1種類以上の観測データを採取することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 In the scanning probe microscope in any one of Claim 1 to 5,
The observation means collects at least one type of observation data at a plurality of arbitrary positions within a range from a position at which the probe approaches or contacts the sample surface to a position separated by a certain distance in the Z direction. A scanning probe microscope characterized by the above.
前記観測手段が、前記制御手段が前記探針を次の観測位置まで前記試料表面と平行な前記XY方向に移動中、前記検出手段が前記探針と前記試料表面とが接近又は接触したことを検出した位置において、少なくとも1種類以上の観測データを採取することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 7,
The observation means detects that the probe approaches the probe surface and the sample surface while the control means moves the probe to the next observation position in the XY direction parallel to the sample surface. A scanning probe microscope characterized in that at least one type of observation data is collected at a detected position.
観測位置において前記探針を前記試料表面に垂直な前記Z方向に接近させ、前記探針の振動状態の変化から前記探針と前記試料表面が接近又は接触したことを検出したときに、前記探針の前記Z方向への移動を停止し、観測データを採取する観測工程と、
前記探針を次の観測位置まで前記XY方向に移動させる走査工程と、
該走査工程の際、前記探針と前記試料表面とが接近又は接触したことを検出した場合に、前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させる工程とからなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 A probe arranged relative to the sample surface and capable of relative movement in the Z direction perpendicular to the XY direction parallel to the sample surface, and oscillating the probe at a vibration frequency that resonates or forcibly oscillates; A scanning method of a scanning probe microscope for obtaining observation data of the sample surface by bringing the probe close to the sample surface with the vibration amplitude of the probe kept constant,
The probe is approached in the Z direction perpendicular to the sample surface at the observation position, and the probe and the sample surface are detected to approach or contact from the change in the vibration state of the probe. An observation step of stopping movement of the needle in the Z direction and collecting observation data;
A scanning step of moving the probe in the XY direction to the next observation position;
A step of moving the probe in the Z direction away from the sample surface when detecting that the probe and the sample surface approach or contact each other during the scanning step. Scanning method of scanning probe microscope.
前記観察工程が、観測位置において前記探針を前記試料表面に垂直な前記Z方向に接近させ、前記探針の振動周波数の変位量又は変位率の少なくとも1つが、あらかじめ設定した値を超えたことにより、前記探針と前記試料表面が接近又は接触したことを検出したときに、前記探針の前記Z方向への移動を停止し、観測データを採取する工程であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 The scanning probe microscope scanning method according to claim 9,
In the observation step, the probe is brought close to the Z direction perpendicular to the sample surface at the observation position, and at least one of the displacement amount or displacement rate of the vibration frequency of the probe exceeds a preset value. By this, when detecting that the probe and the sample surface are approaching or contacting each other, the scanning type is a step of stopping the movement of the probe in the Z direction and collecting observation data Probe microscope scanning method.
前記観察工程後、前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させる工程を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 In the scanning method of the scanning probe microscope in any one of Claim 9 to 10,
A scanning probe microscope scanning method comprising a step of moving the probe in the Z direction away from the sample surface after the observation step.
前記走査工程により前記探針が次の観測位置に到達した際、一旦前記探針を前記試料表面から離間する前記Z方向に移動させる工程を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 In the scanning method of the scanning probe microscope in any one of Claim 9 to 11,
A scanning probe microscope scanning method comprising the step of temporarily moving the probe in the Z direction away from the sample surface when the probe reaches the next observation position in the scanning step.
前記観察工程における前記探針の振動振幅と、前記走査工程における前記探針の振動振幅とを変更する工程を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 In the scanning method of the scanning probe microscope in any one of Claim 9 to 12,
A scanning probe microscope scanning method comprising a step of changing a vibration amplitude of the probe in the observation step and a vibration amplitude of the probe in the scanning step.
前記観察工程における前記探針の振動周波数と、前記走査工程における前記探針の振動周波数とを変更する工程を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 In the scanning method of the scanning probe microscope in any one of Claim 9 to 13,
A scanning probe microscope scanning method comprising a step of changing a vibration frequency of the probe in the observation step and a vibration frequency of the probe in the scanning step.
前記観察工程中に前記探針が前記試料表面と接近又は接触することを検出する前記探針の振動周波数の変位量、もしくは変位率と、前記走査工程中に前記探針が前記試料表面と接近又は接触することを検出する前記探針の振動周波数の変位量、もしくは変位率、とを変更する工程を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 In the scanning method of the scanning probe microscope in any one of Claim 10 to 14,
A displacement amount or displacement rate of the vibration frequency of the probe that detects that the probe approaches or contacts the sample surface during the observation step, and the probe approaches the sample surface during the scanning step. A scanning method for a scanning probe microscope, comprising: changing a displacement amount or a displacement rate of the vibration frequency of the probe for detecting contact.
前記探針を前記試料表面と接近又は接触した位置から一定距離前記Z方向に離間した位置において、少なくとも1種類以上の観測データを採取する工程を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 In the scanning method of the scanning probe microscope in any one of Claim 9 to 15,
A scanning method for a scanning probe microscope, comprising a step of collecting at least one type of observation data at a position spaced apart in the Z direction by a predetermined distance from a position where the probe approaches or contacts the sample surface .
前記探針を前記試料表面と接近又は接触した位置から一定距離前記Z方向に離間した位置までの範囲内の任意の複数の位置において、少なくとも1種類以上の観測データを採取する工程を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。 In the scanning method of the scanning probe microscope in any one of Claim 9 to 15,
Collecting at least one type of observation data at any of a plurality of positions within a range from a position where the probe approaches or contacts the sample surface to a position separated in the Z direction by a certain distance. A scanning method of a scanning probe microscope, which is characterized.
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