JP2009109377A - Scanning probe microscope - Google Patents

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Tomoshige Sato
智重 佐藤
Terutaka Shimojima
輝高 下島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe microscope capable of automatically correcting the shift of the characteristic frequency of a cantilever due to temperature changes. <P>SOLUTION: The scanning probe microscope, which performs AFM observation based on the cantilever vibration amplitude value of an atomic force microscope, includes a correction means for correcting the shift of the characteristic frequency of the cantilever due to temperature changes when the configuration of a sample surface is observed as temperature is changed. On a forward path, measurements are made as Z-axis feedback control is performed by the correction means; on a return path, the sample 3 is separated from the cantilever 1 and the cantilever 1 is adjusted to correct the shift of the characteristic frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は走査プローブ顕微鏡に関し、更に詳しくは温度変化等によるカンチレバーの固有振動数を補正することができるようにした走査プローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a scanning probe microscope, and more particularly to a scanning probe microscope that can correct a natural frequency of a cantilever due to a temperature change or the like.

走査型原子間力顕微鏡は、カンチレバー先端と試料表面の間に働く原子間力を検出し、この原子間力が一定になるようにスキャナのZ軸をフィードバック制御しながら試料表面の測定を行なう。この走査型原子間力顕微鏡には多くの測定手法がある。例えば、AC−AFM(ダイナミックAFM、タッピングモードAFMとも呼ばれる)測定手法では、カンチレバーを外部発振器によって強制加振することにより振動させ、その発振振幅の原子間力による減衰を一定になるようにフィードバック制御している。   The scanning atomic force microscope detects the atomic force acting between the tip of the cantilever and the sample surface, and measures the sample surface while feedback-controlling the Z axis of the scanner so that this atomic force is constant. There are many measurement methods for this scanning atomic force microscope. For example, in the AC-AFM (dynamic AFM, also called tapping mode AFM) measurement method, the cantilever is vibrated by forcibly exciting it with an external oscillator, and feedback control is performed so that the attenuation due to the atomic force is constant. is doing.

この種の走査型原子間力顕微鏡では、カンチレバーの固有振動数を制御するためにAM検出法とFM検出法がある。AM検出法は、試料から受ける力の変化をカンチレバーの振幅の変化(ΔA)として検出するものであり、FM検出法は試料から受ける力の変化をカンチレバーの共振周波数のずれ(ΔF)として検出する方法である。   In this type of scanning atomic force microscope, there are an AM detection method and an FM detection method in order to control the natural frequency of the cantilever. The AM detection method detects a change in force received from the sample as a change in the amplitude of the cantilever (ΔA), and the FM detection method detects a change in force received from the sample as a deviation (ΔF) in the resonance frequency of the cantilever. Is the method.

(AM検出法)
カンチレバードライブ信号で駆動されたカンチレバーは、試料の表面形状と相互作用し、カンチレバーの振動振幅に変化をもたらす。この振動振幅は、光強度検出器でモニタされ、RMS(実効値)回路で直流化される。このカンチレバー振幅のRMS値は観察前に設定したカンチレバー振幅値と比較され、誤差信号が発生させられる。この誤差信号は、増幅され、Z軸ピエゾ素子駆動回路に送られ、カンチレバーの振幅値が観察前に設定した振幅値になるようにフィードバック制御される。この誤差信号がタッピングモード像となる。
(AM detection method)
The cantilever driven by the cantilever drive signal interacts with the surface shape of the sample, causing a change in the vibration amplitude of the cantilever. This vibration amplitude is monitored by a light intensity detector and converted into a direct current by an RMS (effective value) circuit. The RMS value of the cantilever amplitude is compared with the cantilever amplitude value set before observation, and an error signal is generated. This error signal is amplified and sent to the Z-axis piezo element driving circuit, and feedback control is performed so that the amplitude value of the cantilever becomes the amplitude value set before observation. This error signal becomes a tapping mode image.

(FM検出法)
非接触原子間力顕微鏡(非接触AFM)を用いた試料の測定・観察では、試料とカンチレバー・プローブ間の相互作用力の空間的な変化(力勾配)のため、カンチレバーの振動振幅や振動周波数が変化する。このため、カンチレバーの駆動振動振幅や周波数を一定に保つフィードバック回路や周波数成分を検出する信号処理回路が設けられる。この回路では、カンチレバー振動制御を行なうオッシレータ・コントロール・アンプが設けられている。このオッシータ・コントロール・アンプにはカンチレバーの振動の検出信号が入力され、最終的にカンチレバー振動駆動回路へフィードバックされる。この場合において、オッシレータ・コントロール・アンプの入力を受けるFMデモジュレータ回路が周波数変化を検出する。
(FM detection method)
In the measurement and observation of a sample using a non-contact atomic force microscope (non-contact AFM), because of the spatial change (force gradient) of the interaction force between the sample and the cantilever probe, the vibration amplitude and vibration frequency of the cantilever Changes. For this reason, a feedback circuit that keeps the drive vibration amplitude and frequency of the cantilever constant and a signal processing circuit that detects a frequency component are provided. In this circuit, an oscillator control amplifier that performs cantilever vibration control is provided. A detection signal of the cantilever vibration is input to the oscita control amplifier and finally fed back to the cantilever vibration drive circuit. In this case, the FM demodulator circuit that receives the input of the oscillator control amplifier detects a frequency change.

従来の走査プローブ顕微鏡で用いられるAM検出法では、固有振動数の一定値でカンチレバーを加振している。観察の前に、カンチレバーの周波数−振幅カーブを測定して固有振動数を決定し、ある振幅Voになるための加振電圧を設定する。この値は、一視野の観察中では変更できないのが通常である。若し、カンチレバーの温度が室温から低下した場合には固有振動数は増加し、上昇した場合には固有振動数は低下する。   In the AM detection method used in a conventional scanning probe microscope, the cantilever is vibrated with a constant natural frequency. Before the observation, the frequency-amplitude curve of the cantilever is measured to determine the natural frequency, and the excitation voltage for setting the amplitude Vo is set. This value usually cannot be changed during observation of one field of view. If the temperature of the cantilever decreases from room temperature, the natural frequency increases, and if it increases, the natural frequency decreases.

ガス等の付着によって質量増加の変化があれば、固有振動数は低下する。これらの固有振動数の変化が連続的に発生する場合、AM検出法で用いられる一定な周波数の加振電圧のもとではVoが変化してしまう。その結果、一視野の観察中において力検出での画像となってしまい、均一な条件下での測定にはならないことになる。最悪の場合、Voよりも設定値Vが大きくなった場合には、フィードバックができずに画像収集ができなくなってしまう。位相像においても、固有振動数の変化が位相値を変化させ、物質の粘弾性の情報にバックグランドの変化をもたらしてしまう。数シフト成分を検出し、AFM像として観察される。   If there is a change in mass increase due to adhesion of gas or the like, the natural frequency will decrease. When these changes in the natural frequency occur continuously, Vo changes under an excitation voltage having a constant frequency used in the AM detection method. As a result, an image is obtained by force detection during observation of one field of view, and measurement under uniform conditions is not possible. In the worst case, when the set value V is larger than Vo, feedback cannot be performed and image collection cannot be performed. Even in the phase image, a change in the natural frequency changes the phase value, which causes a background change in the information on the viscoelasticity of the substance. A number shift component is detected and observed as an AFM image.

従来のこの種の装置としては、変位検出手段の検出信号を入力し、周波数を電圧に変換して出力すると共に該電圧を電圧コントロール発振器により周波数信号に変換して入力側にフィードバックする周波数−電圧変換手段と、電圧コントロール発振器の周波数信号により加振手段を制御する制御手段と、電圧コントロール発振器の出力電圧をスキャン手段のZ動制御にフィードバックするフィードバック手段と、電圧コントロール発振器を周波数固定に切り換える切り換え手段とを備え、周波数−電圧変換手段のフィードバックループをオープン状態に切り換え可能にし、切り換え手段にり最高分解能の手前で、FM検出から位相フィードバックへ変更するようにした技術が知られている(例えば特許文献1参照)。   As a conventional device of this type, a detection signal of a displacement detecting means is input, a frequency is converted into a voltage and output, and at the same time, the voltage is converted into a frequency signal by a voltage control oscillator and fed back to the input side Conversion means, control means for controlling the excitation means by the frequency signal of the voltage controlled oscillator, feedback means for feeding back the output voltage of the voltage controlled oscillator to the Z motion control of the scanning means, and switching for switching the voltage controlled oscillator to a fixed frequency There is known a technique in which the feedback loop of the frequency-voltage conversion means can be switched to an open state, and FM switching is changed to phase feedback before the highest resolution by the switching means (for example, Patent Document 1).

また、検査すべき試料の表面の近くに振動プローブ・チップを駆動するときに接近モードで動作し、試料の特性を測定するために試料表面に沿って振動プローブチップを動かすときに走査モードで動作し、接近モードではチップ振動の周波数は、好適に変化してプローブチップを振動させるアクチュエータの運動との間に一定の位相角を保持し、走査モードでの動作は、接近モードの動作に続き、走査モードでのプローブチップの振動は接近モードで用いられる最終の周波数であるようにした技術が知られている(例えば特許文献2参照)。
特開2004−226238号公報(段落0012〜0022、図1、図2) 特許第3484099号公報(段落0026〜0038、図3)
Also operates in proximity mode when driving the vibrating probe tip near the surface of the sample to be inspected, and operates in scanning mode when moving the vibrating probe tip along the sample surface to measure the sample properties In the approach mode, the frequency of the tip vibration is preferably changed to maintain a constant phase angle with the movement of the actuator that vibrates the probe tip, and the operation in the scanning mode follows the operation in the approach mode. A technique is known in which the vibration of the probe tip in the scanning mode is the final frequency used in the approach mode (see, for example, Patent Document 2).
JP 2004-226238 A (paragraphs 0012 to 0022, FIGS. 1 and 2) Japanese Patent No. 3484099 (paragraphs 0026 to 0038, FIG. 3)

従来のAC−AFM測定の場合、試料を温度変化されながら観察すると、試料付近にあるカンチレバーも暖められる。若しくは冷却されることになり、カンチレバーのエネルギー状態が変化し固有振動数がずれることになる。固有振動のずれは、図8に示すように振幅の変化として検出されるため、正確な測定が困難であった。その場合、測定の終了毎にカンチレバーの調整を行ない、カンチレバーの固有振動数のズレを補正していた。   In the case of the conventional AC-AFM measurement, if the sample is observed while the temperature is changed, the cantilever near the sample is also warmed. Or it will be cooled, the energy state of the cantilever will change, and the natural frequency will shift. Since the deviation of the natural vibration is detected as a change in amplitude as shown in FIG. 8, accurate measurement is difficult. In that case, the cantilever was adjusted every time the measurement was completed, and the deviation of the natural frequency of the cantilever was corrected.

図8はカンチレバーの振幅−周波数特性を示す図である。横軸は周波数、縦軸は振幅である。実線で示す特性が変化前の特性、破線で示す特性が変化後の特性である。図において、ΔFは周波数変動分、ΔAは振幅変動分である。   FIG. 8 is a diagram showing the amplitude-frequency characteristics of the cantilever. The horizontal axis is frequency and the vertical axis is amplitude. The characteristic indicated by the solid line is the characteristic before the change, and the characteristic indicated by the broken line is the characteristic after the change. In the figure, ΔF is the frequency variation, and ΔA is the amplitude variation.

また、従来の走査プローブ顕微鏡で用いられるAM検出法では、固有振動数の一定値でカンチレバーを加振している。観察の前に、カンチレバーの周波数−振幅カーブを測定して固有振動数を決定し、ある振幅Voになるための加振電圧を設定する。この値は、一視野の観察中では変更できないのが通常である。若し、カンチレバーの温度が室温から低下した場合には固有振動数は増加し、上昇した場合には固有振動数は低下する。   Further, in the AM detection method used in the conventional scanning probe microscope, the cantilever is vibrated with a constant natural frequency. Before the observation, the frequency-amplitude curve of the cantilever is measured to determine the natural frequency, and the excitation voltage for setting the amplitude Vo is set. This value usually cannot be changed during observation of one field of view. If the temperature of the cantilever decreases from room temperature, the natural frequency increases, and if it increases, the natural frequency decreases.

ガス等の付着によって質量増加の変化があれば、固有振動数は低下する。これらの固有振動数の変化が連続的に発生する場合、AM検出法で用いられる一定な周波数の加振電圧のもとではVoが変化してしまう。その結果、一視野の観察中において力検出での画像となってしまい、均一な条件下での測定にはならないことになる。最悪の場合、Voよりも設定値Vが大きくなった場合には、フィードバックができずに画像収集ができなくなってしまう。位相像においても、固有振動数の変化が位相値を変化させ、物質の粘弾性の情報にバックグランドの変化をもたらしてしまう。   If there is a change in mass increase due to adhesion of gas or the like, the natural frequency will decrease. When these changes in the natural frequency occur continuously, Vo changes under an excitation voltage having a constant frequency used in the AM detection method. As a result, an image is obtained by force detection during observation of one field of view, and measurement under uniform conditions is not possible. In the worst case, when the set value V is larger than Vo, feedback cannot be performed and image collection cannot be performed. Even in the phase image, a change in the natural frequency changes the phase value, which causes a background change in the information on the viscoelasticity of the substance.

従来AM検出法による観察では、カンチレバーの固有振動数は一定であると想定されている。しかしながら、温度変化や質量変化によって固有振動数が徐々に変化した場合には、画像収集中には対応ができなかった。従来の対応としては、画像収集と次の画像収集の間に周波数−振幅カーブの測定による固有振動数の再校正が必要であった。AM検出法では、観察前にカンチレバの周波数−振幅測定のカーブを測定し、そのピーク位置から固有振動数を計測している。画像観察中はその周波数を使用した一定加振強度で振動させるため、もし固有振動数の変化がある場合は対応ができず、不正確な形状像又は位相像となってしまう。   Conventional observation by the AM detection method assumes that the natural frequency of the cantilever is constant. However, if the natural frequency gradually changes due to temperature change or mass change, it could not be handled during image acquisition. As a conventional countermeasure, it was necessary to recalibrate the natural frequency by measuring a frequency-amplitude curve between the image acquisition and the next image acquisition. In the AM detection method, the frequency-amplitude measurement curve of the cantilever is measured before observation, and the natural frequency is measured from the peak position. During image observation, it vibrates with a constant excitation intensity using that frequency, so if there is a change in the natural frequency, it cannot be handled, resulting in an inaccurate shape image or phase image.

一方、FM検出法では、カンチレバ自励発振をさせるため、観察中でも周波数変化に対応させている。但し、AM検出法で測定される位相像が測定されず、高分子試料等の粘弾性観察に応用できないという問題がある。   On the other hand, in the FM detection method, since the cantilever self-excited oscillation is caused, the frequency change is made to correspond to even during observation. However, there is a problem that the phase image measured by the AM detection method is not measured and cannot be applied to viscoelastic observation of a polymer sample or the like.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、カンチレバーの物理的状態の変化に伴う固有振動数のズレを自動的に補正することができる走査プローブ顕微鏡を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of automatically correcting the deviation of the natural frequency accompanying the change in the physical state of the cantilever. Yes.

(1)請求項1記載の発明は、原子間力顕微鏡のカンチレバー振動振幅値によるAFM観察を行なう走査プローブ顕微鏡において、物理的状態を変化させながら試料表面の形状観察を行なう途中に、物理的状態の変化に伴うカンチレバーの固有振動数のずれを補正する補正手段を設け、
該補正手段により、往路はZ軸フィードバック制御を行ないながら測定を行ない、復路は試料とカンチレバーを引き離し、カンチレバーの調整を行なって固有振動数のずれを補正することを特徴とする。
(1) The invention according to claim 1 is a scanning probe microscope that performs AFM observation based on the cantilever vibration amplitude value of an atomic force microscope. The correction means which corrects the deviation of the natural frequency of the cantilever accompanying the change of
The correction means is characterized in that the forward path is measured while performing Z-axis feedback control, and the return path is to separate the sample and the cantilever and adjust the cantilever to correct the deviation of the natural frequency.

(2)請求項2記載の発明は、原子間力顕微鏡のカンチレバー振動振幅値によるAFM観察を行なう走査プローブ顕微鏡において、物理的状態の変化によって生じる固有振動数の変化がある場合、形状像画像収集の途中でFM検出法による周波数検出法に切り換えて、PLL回路を使用して自動的に固有振動数を検出し、その周波数を利用してAM検出法にて画像収集を行なうようにしたことを特徴とする。   (2) The invention according to claim 2 is that, in a scanning probe microscope that performs AFM observation based on a cantilever vibration amplitude value of an atomic force microscope, when there is a change in natural frequency caused by a change in physical state, shape image acquisition is performed. Switching to the frequency detection method by the FM detection method in the middle of the process, the natural frequency was automatically detected using the PLL circuit, and the image was collected by the AM detection method using the frequency. Features.

(3)請求項3記載の発明は、前記固有振動数を検出する際、X走査範囲を記録範囲よりも広くしてスキャンする場合に、X走査範囲と記録範囲の差分の領域において、固有振動数検出を行なうことを特徴とする。   (3) In the invention according to claim 3, when the natural frequency is detected, when scanning with the X scanning range wider than the recording range, the natural vibration is generated in a difference area between the X scanning range and the recording range. It is characterized by performing number detection.

(4)請求項4記載の発明は、固有振動数の変化が激しい場合には、画像のピクセル毎に固有振動数を検出するようにしたことを特徴とする。   (4) The invention described in claim 4 is characterized in that the natural frequency is detected for each pixel of the image when the natural frequency changes drastically.

(1)請求項1記載の発明によれば、往路はZ軸フィードバック制御を行ないながら測定を行ない、復路は試料とカンチレバーを引き離し、カンチレバーの調整を行なって固有振動数のずれを補正するようにしているので、カンチレバーの温度変化に伴う固有振動数のズレを自動的に補正することができ、安定な観察が可能な走査プローブ顕微鏡を提供することができる。   (1) According to the invention described in claim 1, the forward path is measured while performing Z-axis feedback control, and the return path is to separate the sample and the cantilever and adjust the cantilever to correct the deviation of the natural frequency. Therefore, it is possible to automatically correct the deviation of the natural frequency accompanying the temperature change of the cantilever, and to provide a scanning probe microscope capable of stable observation.

(2)請求項2記載の発明によれば、形状像画像収集の途中でFM検出法による周波数検出法に切り換えて、PLL回路を使用して固有振動数を検出し、その周波数を利用してAM検出法による画像収集を行なうことにより、カンチレバーの温度変化に伴う固有振動数のズレを自動的に補正することができ、安定な観察が可能な走査プローブ顕微鏡を提供することができる。   (2) According to the invention described in claim 2, the frequency is switched to the frequency detection method by the FM detection method in the middle of collecting the shape image, the natural frequency is detected using the PLL circuit, and the frequency is used. By performing image collection by the AM detection method, it is possible to automatically correct the deviation of the natural frequency accompanying the temperature change of the cantilever, and to provide a scanning probe microscope capable of stable observation.

(3)請求項3記載の発明によれば、前記固有振動数を検出する際に、X走査範囲と記録範囲の差分の領域において、固有振動数を検出することで、時間効率のよい画像取得を行なうことができる。   (3) According to the invention described in claim 3, when the natural frequency is detected, the natural frequency is detected in a difference area between the X scanning range and the recording range, thereby obtaining a time-efficient image. Can be performed.

(4)請求項4記載の発明によれば、固有振動数の変化が激しい時には、画像のピクセル毎に固有振動数を検出するようにして、良好な画像を得ることができる。   (4) According to the invention described in claim 4, when the natural frequency changes drastically, a good image can be obtained by detecting the natural frequency for each pixel of the image.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明の一実施の形態を示す構成図である。図において、1はカンチレバー、2は該カンチレバー1の先端に取り付けられた探針、3は試料、4は試料3を3次元方向にスキャンするスキャナ、5はカンチレバー1の背面部にレーザ光を当てるレーザ、6は前記カンチレバー1から反射されるレーザ光を受けて電気信号に変換する光検出器である。図では、光検出器6が4分割されている例を示すが、4分割に限る必要はなく、2分割等であってもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a cantilever, 2 is a probe attached to the tip of the cantilever 1, 3 is a sample, 4 is a scanner that scans the sample 3 in a three-dimensional direction, and 5 is a laser beam applied to the back surface of the cantilever 1. A laser 6 is a photodetector that receives the laser beam reflected from the cantilever 1 and converts it into an electrical signal. Although the figure shows an example in which the photodetector 6 is divided into four parts, it is not necessary to be limited to four parts, and it may be divided into two parts.

7は光検出器6の出力を受けて信号成分を分離する信号入力回路、8は該信号入力回路7の出力を受けて所定の演算制御を行なうプロセッサ、9は該プロセッサ8の出力を受けて試料3を3次元(X、Y,Z)方向にスキャンするスキャナ4を駆動するスキャナ制御回路である。11は試料3を加熱し、或いは冷却するヒータ、12は該ヒータ11の温度を制御する温度制御回路である。該温度制御回路12は、プロセッサ8より設定温度等のデータと制御信号を受ける。   7 is a signal input circuit that receives the output of the photodetector 6 and separates signal components, 8 is a processor that receives the output of the signal input circuit 7 and performs predetermined arithmetic control, and 9 is an output of the processor 8 This is a scanner control circuit that drives a scanner 4 that scans a sample 3 in a three-dimensional (X, Y, Z) direction. Reference numeral 11 denotes a heater that heats or cools the sample 3, and 12 denotes a temperature control circuit that controls the temperature of the heater 11. The temperature control circuit 12 receives data such as a set temperature and a control signal from the processor 8.

13はプロセッサ8からの制御信号を受けてステージを駆動するステージ制御回路、14はステージである。該ステージ14には、スキャナ4や試料3が載置されている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。   Reference numeral 13 denotes a stage control circuit that drives a stage in response to a control signal from the processor 8, and reference numeral 14 denotes a stage. On the stage 14, the scanner 4 and the sample 3 are placed. The operation of the apparatus configured as described above will be described as follows.

走査の往路では、図2(a)に示すように試料3と探針2との間の距離を一定に保つように、プロセッサ8がスキャナ制御回路12を通してスキャナ4のZ軸をフィードバックしながら測定を行なう。この結果、カンチレバー1の背面に入射されたレーザ5からの光は、反射して光検出器6により検出され信号入力回路7に入力される。該信号入力回路7は、入力した光検出器6の出力である電気信号を受けて、デジタルデータに変換してプロセッサ8に与える。該プロセッサ8は、入力した光検出器6の出力を受けて、試料3と探針2間の距離が一定になるようにスキャナ制御回路9を駆動し、Z軸方向を制御する。この時のスキャナ制御回路9の入力を画像として出力すると、試料3の凹凸像を得ることができる。なお、この間に試料3は温度制御回路12で制御されるヒータ11により、所定の温度に維持されている。   In the scanning forward path, measurement is performed while the processor 8 feeds back the Z axis of the scanner 4 through the scanner control circuit 12 so as to keep the distance between the sample 3 and the probe 2 constant as shown in FIG. To do. As a result, the light from the laser 5 incident on the back surface of the cantilever 1 is reflected, detected by the photodetector 6, and input to the signal input circuit 7. The signal input circuit 7 receives the input electric signal which is the output of the photodetector 6, converts it into digital data, and gives it to the processor 8. The processor 8 receives the output of the input photodetector 6, drives the scanner control circuit 9 so that the distance between the sample 3 and the probe 2 is constant, and controls the Z-axis direction. When the input of the scanner control circuit 9 at this time is output as an image, an uneven image of the sample 3 can be obtained. During this period, the sample 3 is maintained at a predetermined temperature by the heater 11 controlled by the temperature control circuit 12.

走査の復路では、図2の(b)に示すようにプロセッサ8からスキャナ制御回路9に制御信号を送り、試料3をZ軸方向に下げて、試料3をカンチレバーの探針2から引き離す。そして、カンチレバー1を初期位置に戻すまでの間にカンチレバー1の固有振動数のズレを補正する。この実施の形態によれば、カンチレバー1の温度変化に伴う固有振動数のズレを、走査の段階で調整することができ、安定な観察が可能となる。   In the scanning return path, a control signal is sent from the processor 8 to the scanner control circuit 9 as shown in FIG. 2B, the sample 3 is lowered in the Z-axis direction, and the sample 3 is pulled away from the probe 2 of the cantilever. Then, the deviation of the natural frequency of the cantilever 1 is corrected until the cantilever 1 is returned to the initial position. According to this embodiment, the deviation of the natural frequency accompanying the temperature change of the cantilever 1 can be adjusted at the scanning stage, and stable observation is possible.

図3はカンチレバーと試料とスキャナとステージの関係を示す図である。(a)は図1に示す実施の形態と同じ構成である。即ち、ステージ14の上にスキャナ4が設置され、スキャナ4の上に試料3が載置されている。カンチレバー1は別体で構成されている。(b)は、ステージ14の上に試料3が載置され、スキャナ4とカンチレバー1とが別体で結合された構成を示している。(c)は、スキャナ4と試料3が結合され、ステージ14とカンチレバー1とが別体で結合された構成を示している。(d)は、試料3のみが独立に配置され、カンチレバー1とスキャナ4とステージ14とが別体で結合された構成を示している。このように、本発明によるカンチレバーと試料とスキャナとステージの関係は一義的に決まるものではなく、いろいろな組み合わせが考えられ、これらの組み合わせに対して本発明を適用することができる。   FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the cantilever, the sample, the scanner, and the stage. (A) is the same structure as embodiment shown in FIG. That is, the scanner 4 is installed on the stage 14, and the sample 3 is placed on the scanner 4. The cantilever 1 is configured as a separate body. (B) shows a configuration in which the sample 3 is placed on the stage 14 and the scanner 4 and the cantilever 1 are coupled separately. (C) shows a configuration in which the scanner 4 and the sample 3 are coupled, and the stage 14 and the cantilever 1 are coupled separately. (D) shows a configuration in which only the sample 3 is disposed independently, and the cantilever 1, the scanner 4, and the stage 14 are coupled separately. Thus, the relationship between the cantilever, the sample, the scanner, and the stage according to the present invention is not uniquely determined, and various combinations are conceivable, and the present invention can be applied to these combinations.

次に、本発明の他の実施の形態について説明する。高温又は低温の試料を観察する場合、試料からカンチレバーへ熱伝導によってカンチレバーの温度が変化する。また、高分子試料等の高温観察では試料から発生する有機分子の蒸気が発生し、カンチレバーの表面に蒸気が結露して質量が増加する。   Next, another embodiment of the present invention will be described. When observing a high-temperature or low-temperature sample, the temperature of the cantilever changes due to heat conduction from the sample to the cantilever. In high-temperature observation of a polymer sample or the like, vapor of organic molecules generated from the sample is generated, and the vapor condenses on the surface of the cantilever, increasing the mass.

このような場合、カンチレバーの有する固有振動数foが変化する。この変化によって一定周波数の加振では振幅値Voが変化してしまう。そのために、設定値Vからの差分となる力強度(Vo−V)が変化して正常な画像が得られなくなる。そこで、変化し続けるカンチレバーの固有振動数を自動的に追尾できるようにすることが考えられる。   In such a case, the natural frequency fo of the cantilever changes. As a result of this change, the amplitude value Vo changes when a constant frequency is applied. For this reason, the force intensity (Vo-V) that is a difference from the set value V changes, and a normal image cannot be obtained. Thus, it is conceivable to automatically track the natural frequency of the cantilever that continues to change.

この実施の形態では、基本的に形状及び位相観察時にはAM検出法を使用するが、途中で探針をリフトさせてFM検出法を用いて変化した固有振動数を測定する。図4はその回路(PLL)の構成例を示す図である。図において、20はカンチレバーの固有振動数foinをその一方に、フィードバック周波数fooutを他方の入力に受けて、双方の信号の位相比較を行なう位相比較器(Phase Comparator)、21は該位相比較器20の出力を受けるフィルタ(Filter)である。 In this embodiment, the AM detection method is basically used at the time of shape and phase observation, but the changed natural frequency is measured using the FM detection method by lifting the probe halfway. FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the circuit (PLL). In the figure, reference numeral 20 denotes a phase comparator (Phase Comparator) which receives a cantilever natural frequency fo in one of them and a feedback frequency fo out to the other input, and compares the phases of both signals, and 21 denotes the phase comparison. This is a filter that receives the output of the device 20.

22はフィルタ21の出力を受けて入力電圧に応じた周波数の信号を発生する電圧制御発振器(VCO:Voltage Cntrolled Oscillator)である。該VCO22には、外部からオン(On)/ホールド(Hold)の切り替えを行なう制御信号が入力されている。そして、該VCO22の出力がフィードバック周波数fooutとなり、位相比較器20に入力される。フィルタ21からはVCOオンの時には電圧Vfoが、VCOホールドの時には位相が出力される。固有振動数は、VCO22の出力fooutから取り出される。 Reference numeral 22 denotes a voltage controlled oscillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) that receives the output of the filter 21 and generates a signal having a frequency corresponding to the input voltage. The VCO 22 is supplied with a control signal for switching on (On) / hold (Hold) from the outside. The output of the VCO 22 becomes the feedback frequency fo out and is input to the phase comparator 20. The filter 21 outputs a voltage Vfo when the VCO is on and a phase when the VCO is on. The natural frequency is extracted from the output fo out of the VCO 22.

自励発振による固有振動数への周波数合わせの場合には、FM検出法のPLL回路のVCO22オンにする。自励発振がなされたなら、VCO22をホールドすることによって該VCO22は入力電圧を固定し、この入力電圧に応じた周波数を出力する。即ち、該VCO22からホールドされた一定周波数が出力されることになる。これにより、固有振動数が測定できたことになる。   In the case of frequency matching to the natural frequency by self-excited oscillation, the VCO 22 of the PLL circuit of the FM detection method is turned on. If the self-oscillation is performed, the VCO 22 fixes the input voltage by holding the VCO 22 and outputs a frequency corresponding to the input voltage. That is, a constant frequency held from the VCO 22 is output. Thus, the natural frequency can be measured.

図5はVC(カンチレバー)の自励発振による固有振動数を使ったAM検出法のX走査の第1の動作を示す図である。X走査範囲は、実際の画像記録範囲より幅が広くなっている。走査の開始では、カンチレバーはリフトオンとされ、自由加振状態となる。この状態でPLL回路のVCOがオンされ、自励発振状態となる。この状態で、図4に示したように固有振動数を検出する。固有振動数が得られたら、VCOはホールドされ、同時にリフトも解除され、通常のAM検出法によって走査が続行される。   FIG. 5 is a diagram showing a first X-scan operation of the AM detection method using the natural frequency due to self-excited oscillation of VC (cantilever). The X scanning range is wider than the actual image recording range. At the start of scanning, the cantilever is lifted on and is in a free vibration state. In this state, the VCO of the PLL circuit is turned on and a self-excited oscillation state is entered. In this state, the natural frequency is detected as shown in FIG. Once the natural frequency is obtained, the VCO is held and at the same time the lift is released and scanning continues with the normal AM detection method.

画像となる記録範囲では、形状信号と位相信号とを通常と同様に測定することができる。また、Y方向(副走査方向)へ同様の動作を繰り返すことにより、形状と位相画像を観察することができる。勿論、帰りのXスキャンにおいても同様なリフトとVCOをオンすることにより固有振動数を得ることができる。   In the recording range as an image, the shape signal and the phase signal can be measured in the same manner as usual. Further, by repeating the same operation in the Y direction (sub-scanning direction), the shape and the phase image can be observed. Of course, the natural frequency can be obtained by turning on the similar lift and VCO in the return X-scan.

このように、この実施の形態例によれば、形状像画像収集の途中でFM検出による周波数制御を行なう場合に、PLL回路を使用して固有振動数を検出し、その周波数を利用してAM検出法による画像収集を行なうことにより、カンチレバーの温度変化に伴う固有振動数のズレを自動的に補正することができ、安定な観察が可能な走査プローブ顕微鏡を提供することができる。また、この実施の形態によれば、前記固有振動数を検出する際に、X走査範囲と記録範囲の差分の領域において、固有振動数を検出することで、時間効率のよい画像取得を行なうことができる。   Thus, according to this embodiment, when frequency control by FM detection is performed in the middle of shape image image collection, the natural frequency is detected using a PLL circuit, and the frequency is used to perform AM. By collecting images by the detection method, it is possible to automatically correct the deviation of the natural frequency accompanying the temperature change of the cantilever, and to provide a scanning probe microscope capable of stable observation. According to this embodiment, when detecting the natural frequency, time-efficient image acquisition is performed by detecting the natural frequency in a difference area between the X scanning range and the recording range. Can do.

図6はVCの自励発振による固有振動数を使ったAM検出法の第2の動作を示す図である。カンチレバーの固有振動数の変化が激しい場合は、図6に示すように画像のピクセル毎に固有振動数を検出する。X方向の画像ピクセル各点において、カンチレバー1をリフトさせてVCOをオンにする。これにより、回路がFM検出モードとなる。その結果、カンチレバー1の自励発振がなされ、固有振動数が得られたところで、VCO22をホールドする。この結果、固有振動数固定でカンチレバー1は発振を継続する。   FIG. 6 is a diagram showing a second operation of the AM detection method using the natural frequency due to the self-excited oscillation of VC. When the change in the natural frequency of the cantilever is significant, the natural frequency is detected for each pixel of the image as shown in FIG. At each image pixel point in the X direction, the cantilever 1 is lifted to turn on the VCO. As a result, the circuit enters the FM detection mode. As a result, self-excited oscillation of the cantilever 1 is performed, and when the natural frequency is obtained, the VCO 22 is held. As a result, the cantilever 1 continues to oscillate with the natural frequency fixed.

そこで、リフトを解除し、通常のAM検出法によって形状信号と位相信号を測定する。画像となる記録範囲では、形状信号と位相信号を通常と同様に測定することができ、Y方向(副走査方向)へ繰り返すことによって形状と位相画像を観察することができる。勿論、帰りのXスキャンにおいてもピクセル毎の同様なVCOonを使用したり、使用しなかったりすることができる。この方式は、画像の各ピクセル位置で固有振動を測定するために、より精度のあるAM検出を行なうことができるが、リフト前後の待ち時間が必要なため、長時間の測定となる。   Therefore, the lift is released, and the shape signal and the phase signal are measured by a normal AM detection method. In the recording range to be an image, the shape signal and the phase signal can be measured as usual, and the shape and phase image can be observed by repeating in the Y direction (sub-scanning direction). Of course, the same VCOon for each pixel can be used or not used in the return X-scan. This method can perform AM detection with higher accuracy in order to measure the natural vibration at each pixel position of the image, but requires a waiting time before and after the lift, and thus requires a long time measurement.

この実施の形態によれば、固有振動数の変化が激しい時には、画像のピクセル毎に固有振動数を検出するようにして、良好な画像を得ることができる。
図7はVCの自励発振による固有振動数を使ったAM検出法の第3の動作を示す図である。本発明は図7に示すように、常にVCO22がオンになっている場合も使用可能である。リフトをオフにして試料3とカンチレバー1の探針2とを近づけ、試料の走査を固有振動数を可変にしたままで、試料3の走査を行なう。この場合は、VCOをホールドしないので、VCO22の出力fooutは常時変化することになる。この場合、形状信号としては測定することができるが、VCO22の出力から位相信号は測定できなくなる。
According to this embodiment, when the natural frequency changes drastically, a good image can be obtained by detecting the natural frequency for each pixel of the image.
FIG. 7 is a diagram showing a third operation of the AM detection method using the natural frequency due to the self-excited oscillation of VC. The present invention can also be used when the VCO 22 is always on as shown in FIG. With the lift off, the sample 3 and the probe 2 of the cantilever 1 are brought close to each other, and the sample 3 is scanned while the natural frequency of the sample is kept variable. In this case, since the VCO is not held, the output fo out of the VCO 22 always changes. In this case, the shape signal can be measured, but the phase signal cannot be measured from the output of the VCO 22.

以上、説明した本発明の効果を列挙すれば、以下の通りである。
1.AM検出法によるAFM観察において、カンチレバーの固有振動数が観察中に変化し続ける場合であっても、精密な形状と位相の観察が行えるようになる。
2.画像観察中にカンチレバー1をリフトさせ、FM検出法で用いるPLL回路のVCO22を動作させることによって、自動的に固有振動数を得ることができるので、画像収集が従来と同様に自動で行える。
3.試料の温度変化に対して対応できるので、より高温や低温での観察が可能となる。
The effects of the present invention described above are listed as follows.
1. In AFM observation by the AM detection method, even when the natural frequency of the cantilever continues to change during observation, it becomes possible to observe the precise shape and phase.
2. Since the cantilever 1 is lifted during image observation and the VCO 22 of the PLL circuit used in the FM detection method is operated, the natural frequency can be automatically obtained, so that image acquisition can be performed automatically as in the conventional case.
3. Since it can cope with the temperature change of the sample, observation at higher and lower temperatures becomes possible.

このように、本発明によれば、カンチレバーの温度変化に伴う固有振動数のズレを自動的に補正することができる走査プローブ顕微鏡を提供することができ、実用上の効果が特に大きい。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a scanning probe microscope capable of automatically correcting the deviation of the natural frequency accompanying the temperature change of the cantilever, and the practical effect is particularly great.

本発明の一実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one embodiment of this invention. 本発明の動作の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of operation | movement of this invention. カンチレバーと試料とスキャナとステージの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a cantilever, a sample, a scanner, and a stage. PLL回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a PLL circuit. VCの自励発振による固有振動数を使ったAM検出法のX走査の第1の動作を示す図である。It is a figure which shows the 1st operation | movement of the X scan of AM detection method using the natural frequency by self-oscillation of VC. VCの自励発振による固有振動数を使ったAM検出法のX走査の第2の動作を示す図である。It is a figure which shows the 2nd operation | movement of X scanning of AM detection method using the natural frequency by self-oscillation of VC. VCの自励発振による固有振動数を使ったAM検出法のX走査の第3の動作を示す図である。It is a figure which shows the 3rd operation | movement of the X scan of AM detection method using the natural frequency by self-oscillation of VC. PLL回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a PLL circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1 カンチレバー
2 探針
3 試料
4 スキャナ
5 レーザ
6 光検出器
7 信号入力回路
8 プロセッサ
9 スキャナ制御回路
11 ヒータ
12 温度制御回路
13 ステージ制御回路
14 ステージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cantilever 2 Probe 3 Sample 4 Scanner 5 Laser 6 Photodetector 7 Signal input circuit 8 Processor 9 Scanner control circuit 11 Heater 12 Temperature control circuit 13 Stage control circuit 14 Stage

Claims (4)

原子間力顕微鏡のカンチレバー振動振幅値によるAFM観察を行なう走査プローブ顕微鏡において、
温度変化させながら試料表面の形状観察を行なう途中に、物理的状態の変化に伴うカンチレバーの固有振動数のずれを補正する補正手段を設け、
該補正手段により、往路はZ軸フィードバック制御を行ないながら測定を行ない、復路は試料とカンチレバーを引き離し、カンチレバーの調整を行なって固有振動数のずれを補正することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
In a scanning probe microscope that performs AFM observation using an atomic force microscope cantilever vibration amplitude value,
During the observation of the shape of the sample surface while changing the temperature, a correction means is provided to correct the deviation of the natural frequency of the cantilever accompanying the change in the physical state,
A scanning probe microscope characterized in that the correction means performs measurement while performing Z-axis feedback control on the forward path, and on the return path, the sample and the cantilever are separated, and the cantilever is adjusted to correct the deviation of the natural frequency.
原子間力顕微鏡のカンチレバー振動振幅値によるAFM観察を行なう走査プローブ顕微鏡において、
物理的状態の変化によって生じる固有振動数の変化がある場合、形状像画像収集の途中でFM検出法による周波数検出法に切り換えて、PLL回路を使用して自動的に固有振動数を検出し、その周波数を利用してAM検出法にて画像収集を行なうようにしたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
In a scanning probe microscope that performs AFM observation using an atomic force microscope cantilever vibration amplitude value,
If there is a change in the natural frequency caused by a change in the physical state, switch to the frequency detection method by the FM detection method in the middle of collecting the shape image, and automatically detect the natural frequency using the PLL circuit, A scanning probe microscope characterized in that images are collected by AM detection using the frequency.
前記固有振動数を検出する際、X走査範囲を記録範囲よりも広くしてスキャンする場合に、X走査範囲と記録範囲の差分の領域において、固有振動数検出を行なうことを特徴とする請求項2記載の走査プローブ顕微鏡。   The natural frequency is detected in a difference area between the X scanning range and the recording range when the natural frequency is detected when scanning with an X scanning range wider than the recording range. 2. A scanning probe microscope according to 2. 固有振動数の変化が激しい場合には、画像のピクセル毎に固有振動数を検出するようにしたことを特徴とする請求項2記載の走査プローブ顕微鏡。   3. The scanning probe microscope according to claim 2, wherein when the natural frequency changes drastically, the natural frequency is detected for each pixel of the image.
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