JP2016023952A - Scanning probe microscope - Google Patents

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昌志 長尾
Masashi Nagao
昌志 長尾
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning microscope capable of performing stable measurement even when a mode is switched during scanning of a sample.SOLUTION: The scanning probe microscope has a signal conversion unit 24 which is arranged between a feedback control part 15 and a displacement amount detection part 9, and which includes: an offset circuit 11 for making a reference value for keeping a distance between a cantilever and a sample constant when a tapping mode is selected, coincide with a reference value for keeping the distance between the cantilever and the sample constant when a contact mode is selected; a branching point 27 where a signal outputted from the displacement amount detection part 9 is divided into a first signal and a second signal; a first signal path 26 through which the first signal passes; a second signal path 28 through which the second signal passes; a switch 12 for connecting the first signal path 26 to the feedback control part 15 when the contact mode is selected, or for connecting the second signal path 28 to the feedback control part 15 when the tapping mode is selected; and a DC conversion part 14, arranged in the second signal path 28, for converting an AC signal into a signal proportional to an amplitude of the AC signal.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、探針を試料表面で走査することで試料の表面形状や物性情報を観察することが可能な走査型プローブ顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a scanning probe microscope that can observe surface shape and physical property information of a sample by scanning a probe on the surface of the sample.

走査型プローブ顕微鏡は、試料の表面形状と同時に物性情報を取得する物性測定が可能である。   The scanning probe microscope can measure physical properties to acquire physical property information simultaneously with the surface shape of the sample.

走査型プローブ顕微鏡は表面形状と同時に物性情報も取得することができる。   The scanning probe microscope can acquire physical property information simultaneously with the surface shape.

特許文献1に記載の走査型プローブ顕微鏡装置では、タッピングモードとコンタクトモードを10〜20msで切り替え、タッピングモードで試料の表面形状に関する情報を取得し、コンタクトモードで試料の導電性に関する情報を取得して、コンタクトモードでは測定困難な試料の導電性の評価を行っている。   In the scanning probe microscope apparatus described in Patent Document 1, the tapping mode and the contact mode are switched in 10 to 20 ms, information on the surface shape of the sample is acquired in the tapping mode, and information on the conductivity of the sample is acquired in the contact mode. Thus, the conductivity of the sample, which is difficult to measure in the contact mode, is evaluated.

特開2004−85321JP 2004-85321 A

しかしながら,特許文献1に記載の走査型プローブ顕微鏡装置では,タッピングモードとコンタクトモードの信号の違いにより,タッピングモードに適切な探針と試料の距離の制御を行うと、コンタクトモードでは適切な探針と試料の距離の制御にならず、所望の押しつけ圧を設定していずれの測定モードでも測定することができないという問題があった。   However, in the scanning probe microscope apparatus described in Patent Document 1, if the distance between the probe suitable for the tapping mode and the sample is controlled due to the difference in the signal between the tapping mode and the contact mode, the appropriate probe is used in the contact mode. There is a problem that the distance between the sample and the sample cannot be controlled, and measurement cannot be performed in any measurement mode by setting a desired pressing pressure.

そこで、本発明では、試料の表面を走査する探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位量を測定する変位量検出部と、前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つために前記カンチレバーの変位量を基に前記試料の高さを調整するフィードバック制御部とを有し、前記探針を前記試料に接触させて前記試料を走査するコンタクトモードと、前記カンチレバーを振動させて前記試料を走査するタッピングモードと、を切り替えて前記試料の測定を行う走査型プローブ顕微鏡において、
前記フィードバック制御部と前記変位量検出部との間に、
前記タッピングモードが選択された時の前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つための参照値と前記コンタクトモードが選択された時の前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つための参照値を一致させるためのオフセット回路と、
前記変位量検出部から出力される信号が第1の信号と第2の信号に分岐される分岐部と、
前記第1の信号が通る第1の信号経路と、前記第2の信号が通り前記第1の信号経路とは異なる第2の信号経路と、
前記コンタクトモードが選択された時には前記第1の信号経路と前記フィードバック制御部とを接続し、前記タッピングモードが選択された時には前記第2の信号経路と前記フィードバック制御部とを接続するスイッチと、
前記第2の信号経路内に存在する、交流信号を前記交流信号の振幅に比例する信号に変換するDC変換部と、を有する信号変換部を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を提供する。
Therefore, in the present invention, a cantilever having a probe that scans the surface of the sample, a displacement amount detection unit that measures the displacement amount of the cantilever, and the cantilever of the cantilever in order to keep the distance between the cantilever and the sample constant. A feedback control unit that adjusts the height of the sample based on the amount of displacement; and a contact mode in which the sample is scanned by bringing the probe into contact with the sample; and the sample is scanned by vibrating the cantilever. In a scanning probe microscope that switches the tapping mode to perform measurement of the sample,
Between the feedback control unit and the displacement amount detection unit,
A reference value for keeping the distance between the cantilever and the sample constant when the tapping mode is selected and a reference for keeping the distance between the cantilever and the specimen constant when the contact mode is selected An offset circuit for matching the values;
A branching unit for branching a signal output from the displacement amount detection unit into a first signal and a second signal;
A first signal path through which the first signal passes; and a second signal path through which the second signal passes and different from the first signal path;
A switch for connecting the first signal path and the feedback control unit when the contact mode is selected, and a switch for connecting the second signal path and the feedback control unit when the tapping mode is selected;
Provided is a scanning probe microscope comprising: a signal conversion unit having a DC conversion unit that converts an AC signal present in the second signal path into a signal proportional to the amplitude of the AC signal. .

本発明の走査型顕微鏡および走査方法を使用すれば,タッピングモードとコンタクトモードのいずれにも適切な探針と試料の押し付け圧を設定することができるようになり,試料の走査中にタッピングモードとコンタクトモードを切り替えても安定して測定を行うことができる。それにより,コンタクトモードで形状評価が困難な試料についても物性評価を行うことが可能となる。   By using the scanning microscope and the scanning method of the present invention, it is possible to set an appropriate probe and sample pressing pressure in both the tapping mode and the contact mode. Measurement can be performed stably even when the contact mode is switched. As a result, it is possible to evaluate the physical properties of a sample whose shape is difficult to evaluate in the contact mode.

第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the scanning probe microscope apparatus of 1st embodiment. 一般的な走査型プローブ顕微鏡装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of a general scanning probe microscope apparatus. (a)比較例で測定したCNT(カーボンナノチューブ)の表面形状を測定した表面形状像である。(b)比較例で測定したCNTの電流像である。(A) It is the surface shape image which measured the surface shape of CNT (carbon nanotube) measured by the comparative example. (B) CNT current image measured in a comparative example. 実施例における、測定モードの切り替え信号と、フィードバック信号制御ユニット内の各部分からの出力を示す図である。It is a figure which shows the output from each part in the switching signal of a measurement mode and a feedback signal control unit in an Example. (a)実施例で測定したCNT(カーボンナノチューブ)の表面形状を測定した表面形状像である。(b)実施例で測定したCNTの電流像である。(A) It is the surface shape image which measured the surface shape of CNT (carbon nanotube) measured in the Example. (B) It is the electric current image of CNT measured in the Example. (a)第二の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。(b)第三の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。(c)第四の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。(A) It is the schematic which shows the structure of the scanning probe microscope of 2nd embodiment. (B) It is the schematic which shows the structure of the scanning probe microscope of 3rd embodiment. (C) It is the schematic which shows the structure of the scanning probe microscope of 4th embodiment.

以下、図面を用いて本発明の一実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(前提)
初めに、一般的な走査型プローブ顕微鏡(以降の記載においてはSPMと表示することがある)について図2を用いて説明する。なお、試料6の垂直方向をZ、試料の面内方向をX、Yとして説明する。
(Assumption)
First, a general scanning probe microscope (which may be displayed as SPM in the following description) will be described with reference to FIG. In the description, the vertical direction of the sample 6 is Z, and the in-plane directions of the sample are X and Y.

カンチレバー1は、試料6を走査する針である探針2を保持し、試料6の表面に対向するように配置されている。カンチレバー1は、アクチュエータ3を備えたホルダー(不図示)に固定されており、あらかじめ測定モードとして選択された、タッピングモードの信号もしくはコンタクトモードの信号が発振器25からアクチュエータ3に入力されて探針2が試料6を走査する。   The cantilever 1 holds a probe 2 that is a needle for scanning the sample 6 and is disposed so as to face the surface of the sample 6. The cantilever 1 is fixed to a holder (not shown) provided with an actuator 3, and a tapping mode signal or a contact mode signal selected in advance as a measurement mode is input from the oscillator 25 to the actuator 3 to detect the probe 2. Scans sample 6.

具体的には、あらかじめ測定モードとしてタッピングモードが選択されている場合には、発振器25から適切な周波数かつ一定の振幅の交流電圧が出力され、出力された交流電圧によりカンチレバーを一定の振幅で振動させて試料6を走査する。一方、あらかじめ測定モードとしてコンタクトモードが選択されている場合には、発振器25から一定電圧が出力され、一定電圧によりカンチレバーを振動させず接触させて試料6を走査する。   Specifically, when the tapping mode is selected as the measurement mode in advance, an AC voltage having an appropriate frequency and a constant amplitude is output from the oscillator 25, and the cantilever is vibrated with a constant amplitude by the output AC voltage. Then, the sample 6 is scanned. On the other hand, when the contact mode is selected as the measurement mode in advance, a constant voltage is output from the oscillator 25, and the sample 6 is scanned by contacting the cantilever without vibrating with the constant voltage.

試料6を走査中のカンチレバー1のたわみ量は、レーザーなどの光源4から発生する光をカンチレバー1に照射し、その反射光を光検出部5で検出し、検出した反射光の信号を変位量検出部9に入力して変位量に変換することで計測される。具体的には、光検出部5に4分割フォトダイオードを使用した場合には、フォトダイオードの各チャンネルで検出された光強度を比較して変位量検出部9で変位量に演算することで、カンチレバー1のたわみ量に比例した電気信号を変位量検出部9で出力する。   The amount of deflection of the cantilever 1 while scanning the sample 6 is such that the light generated from the light source 4 such as a laser is irradiated onto the cantilever 1, the reflected light is detected by the light detection unit 5, and the detected reflected light signal is displaced. It is measured by inputting to the detection unit 9 and converting it into a displacement amount. Specifically, when a quadrant photodiode is used for the light detection unit 5, by comparing the light intensity detected in each channel of the photodiode and calculating the displacement amount by the displacement amount detection unit 9, An electric signal proportional to the amount of deflection of the cantilever 1 is output by the displacement amount detection unit 9.

変位量検出部9が出力した信号は、DC変換部14、参照信号発生部16、フィードバック制御部15から構成されるSPM制御ユニット17に入力されて、探針2と試料6との間の距離が一定になるようにピエゾスキャナ8により試料台7の位置が調整される。   The signal output from the displacement detection unit 9 is input to the SPM control unit 17 including the DC conversion unit 14, the reference signal generation unit 16, and the feedback control unit 15, and the distance between the probe 2 and the sample 6. The position of the sample stage 7 is adjusted by the piezo scanner 8 so that is constant.

あらかじめ測定モードとしてタッピングモードが選択されている場合には、変位量検出部9からカンチレバー1の振動に起因した交流信号が出力され、変位量検出部9から出力された交流信号はDC変換部14で交流信号の振幅に比例する振幅信号に変換され、その信号がフィードバック制御部15に入力される。そして、フィードバック制御部15に入力された振幅信号と、参照信号発生部16からフィードバック制御部15に入力されたあらかじめ設定した参照値と、がフィードバック制御部15で比較され、入力された振幅信号が参照値と一致するようにピエゾスキャナ8により、試料台7のZ方向が調整される。なお、ここで記載した参照値とは、カンチレバーと試料との距離を一定に保つための目標値である。   When the tapping mode is selected as the measurement mode in advance, an AC signal resulting from the vibration of the cantilever 1 is output from the displacement amount detection unit 9, and the AC signal output from the displacement amount detection unit 9 is the DC conversion unit 14. Is converted into an amplitude signal proportional to the amplitude of the AC signal, and the signal is input to the feedback control unit 15. The amplitude signal input to the feedback control unit 15 and the preset reference value input from the reference signal generation unit 16 to the feedback control unit 15 are compared by the feedback control unit 15, and the input amplitude signal is The Z direction of the sample stage 7 is adjusted by the piezo scanner 8 so as to coincide with the reference value. The reference value described here is a target value for keeping the distance between the cantilever and the sample constant.

一方、あらかじめ測定モードとしてコンタクトモードが選択されている場合には、変位量検出部9から出力された信号はカンチレバー1のたわみ量に起因した信号(以降の記載においては「たわみ量信号」と記載することがある)が出力される。DC変換部14に入力されたたわみ量信号は変換されずたわみ量信号のまま出力されて、フィードバック制御部15に入力される。そして、フィードバック制御部15に入力されたたわみ量信号と、参照信号発生部16からフィードバック制御部15に入力されたあらかじめ設定した参照値と、がフィードバック制御部15で比較され、たわみ量信号と参照値が一致するようにピエゾスキャナ8により試料台7のZ方向が調整される。   On the other hand, when the contact mode is selected as the measurement mode in advance, the signal output from the displacement amount detection unit 9 is a signal resulting from the deflection amount of the cantilever 1 (hereinafter referred to as “deflection amount signal” in the following description). May be output). The deflection amount signal input to the DC converter 14 is output as the unconverted deflection amount signal and is input to the feedback controller 15. Then, the deflection amount signal input to the feedback control unit 15 and the preset reference value input from the reference signal generation unit 16 to the feedback control unit 15 are compared by the feedback control unit 15, and the deflection amount signal and the reference are compared. The Z direction of the sample stage 7 is adjusted by the piezo scanner 8 so that the values match.

探針2を走査させる際、このZ方向の制御と同時に、探針のX、Y方向の走査により、X、Y方向の位置に関する信号も得られる。これにより、試料6のX、Y、Zの位置をパソコンなどのSPM制御コンピュータ18に取り込むことで、試料6の表面形状に関する情報を得ることもできる。   When the probe 2 is scanned, signals related to the positions in the X and Y directions are obtained by scanning the probe in the X and Y directions simultaneously with the control in the Z direction. Thereby, the information regarding the surface shape of the sample 6 can also be obtained by taking the X, Y, and Z positions of the sample 6 into the SPM control computer 18 such as a personal computer.

試料6の物性情報を取得する際には、SPM制御コンピュータ18により物性測定用電気信号発生部19が制御されて、物性測定用電気信号が試料台7に出力されて試料6に物性測定用電気信号が付与される。そして、試料6に物性測定用電気信号を付与することで発生した物性測定用電気信号に応答する信号が物性信号測定部20に入力されて、SPM制御コンピュータ18に取り込まれる。例えば、試料6の導電情報を取得する際には、カンチレバー1に導電性のカンチレバーを使用し、物性測定用電気信号発生部19から試料台7に電圧が印加され、接地したカンチレバー1に流れる電流が物性信号測定部20で検出される。これにより、試料6の物性情報である導電性に関する情報を取得することができる。   When acquiring physical property information of the sample 6, the SPM control computer 18 controls the physical property measurement electrical signal generator 19, and the physical property measurement electrical signal is output to the sample stage 7, so that the physical property measurement electrical signal is applied to the sample 6. A signal is given. Then, a signal responding to the electrical signal for measuring physical properties generated by applying the electrical signal for measuring physical properties to the sample 6 is input to the physical property signal measuring unit 20 and taken into the SPM control computer 18. For example, when obtaining the conductivity information of the sample 6, a conductive cantilever is used as the cantilever 1, a voltage is applied from the electrical signal generator 19 for measuring physical properties to the sample stage 7, and the current flowing through the grounded cantilever 1. Is detected by the physical property signal measuring unit 20. Thereby, the information regarding the electrical conductivity which is the physical property information of the sample 6 can be acquired.

なお、試料6の物性情報を取得する際には、XY方向への走査と同時に行うことができ、そのような場合には、試料6の形状情報を取得するとともに、試料6の物性情報も取得することができる。   In addition, when acquiring the physical property information of the sample 6, it can be performed simultaneously with the scanning in the XY directions. In such a case, the shape information of the sample 6 is acquired and the physical property information of the sample 6 is also acquired. can do.

次に、本発明の好適な実施形態である第一の実施形態の走査型顕微鏡について図1を用いて説明する。図1は第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示す概略図である。   Next, the scanning microscope according to the first embodiment, which is a preferred embodiment of the present invention, will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing a scanning probe microscope according to the first embodiment.

<第一の実施形態>
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、変位量検出部9とSPM制御ユニット17の間にフィードバック信号制御ユニット13を有する。なお、図1において、図2と同じ符号を用いているものは同じものを示す。また、図2の走査型プローブ顕微鏡において、図1の走査型プローブ顕微鏡と異なる部分は、フィードバック信号制御ユニット13を有することであり、それ以外は図1と同じであるため、説明を省略する。
<First embodiment>
The scanning probe microscope of the present embodiment includes a feedback signal control unit 13 between the displacement amount detection unit 9 and the SPM control unit 17. In FIG. 1, the same reference numerals as those in FIG. 2 is different from the scanning probe microscope of FIG. 1 in that it has the feedback signal control unit 13 and the other parts are the same as those in FIG.

フィードバック信号制御ユニット13は、SPM制御ユニット17へ入力する信号を制御する信号変換部24と、カンチレバー1の振動を制御する発振器制御部22と、試料台7の位置を調整するピエゾスキャナ8を制御する試料台微調整部23と、信号変換部24と発振器制御部22と試料台微調整部23の動作を制御するフィードバック信号制御ユニット内制御部21と、から構成される。信号変換部24は、RMS−DCコンバータ10と、オフセット回路11と、スイッチ12と、から構成される。   The feedback signal control unit 13 controls the signal conversion unit 24 that controls the signal input to the SPM control unit 17, the oscillator control unit 22 that controls the vibration of the cantilever 1, and the piezo scanner 8 that adjusts the position of the sample stage 7. A sample stage fine adjustment unit 23, a signal conversion unit 24, an oscillator control unit 22, and a feedback signal control unit internal control unit 21 that controls the operation of the sample stage fine adjustment unit 23. The signal conversion unit 24 includes the RMS-DC converter 10, the offset circuit 11, and the switch 12.

フィードバック信号制御ユニット内制御部21は、スイッチ12、発振器制御部22、試料台微調整部23の制御を行うことができる制御部である。フィードバック信号制御ユニット内制御部21は例えばPCである。フィードバック信号制御ユニット内制御部21がPCであることにより、測定モードの切り替えを簡易に行うことができる。   The feedback signal control unit internal control unit 21 is a control unit capable of controlling the switch 12, the oscillator control unit 22, and the sample stage fine adjustment unit 23. The feedback signal control unit internal control unit 21 is, for example, a PC. Since the feedback signal control unit internal control unit 21 is a PC, the measurement mode can be easily switched.

フィードバック信号制御ユニット内制御部21からの指示に従い、タッピングモードが選択された時は、発振器制御部22から適切な周波数かつ一定の振幅の交流電圧が出力され、探針2が一定の振幅で振動する。一方、フィードバック信号制御ユニット内制御部21からの指示に従い、コンタクトモードが選択された時は、発振器制御部22から一定の電圧が出力されて探針2の振動を停止させ、探針2を試料6に接触させて測定を行う。すなわち、フィードバック信号制御ユニット内制御部21から指示される走査型プローブ顕微鏡の測定モードの切り替えに同期させて、カンチレバー1を振動させたり、停止させたりする。   When the tapping mode is selected in accordance with an instruction from the feedback signal control unit control unit 21, an AC voltage having an appropriate frequency and a constant amplitude is output from the oscillator control unit 22, and the probe 2 vibrates with a constant amplitude. To do. On the other hand, when the contact mode is selected in accordance with the instruction from the control unit 21 in the feedback signal control unit, a constant voltage is output from the oscillator control unit 22 to stop the vibration of the probe 2, and the probe 2 is moved to the sample. 6 is measured. That is, the cantilever 1 is vibrated or stopped in synchronization with the switching of the measurement mode of the scanning probe microscope instructed from the control unit 21 in the feedback signal control unit.

試料台微調整部23は、フィードバック信号制御ユニット内制御部21からの指示に従い、タッピングモード時とコンタクトモード時で異なる電圧を出力し、ピエゾスキャナ8に信号として入力する。試料台微調整部23からピエゾスキャナ8に入力される信号は、SPM制御ユニット17によって設定されたピエゾスキャナ8のZ方向の位置から、タッピングモードからコンタクトモードもしくはその逆への変更によって生じるピエゾスキャナ8に入力される電圧差に対応する移動量分、ピエゾスキャナ8のZ方向の位置を調整するためのものである。これは、タッピングモードとコンタクトモードで異なる電圧がピエゾスキャナ8に入力されることにより、タッピングモードとコンタクトモードで試料台7の高さが変わることによるものである。探針2と試料6との間の距離は、タッピングモード時の方がコンタクトモードの時よりも長くする必要があるため、タッピングモードが選択された時にはコンタクトモードが選択された時よりも試料台7が下降するよう試料台微調整部23によりピエゾスキャナ8が制御される。これを、測定モード切り替え(すなわちタッピングモードからコンタクトモードへの切り替えもしくはその逆)と同期させて行うことで、測定モード切り替え時にフィードバック制御部15によって調整するZ方向の量が減少するため、SPM制御ユニット17でZを調整する時間を短縮できる。   The sample stage fine adjustment unit 23 outputs different voltages in the tapping mode and the contact mode in accordance with an instruction from the control unit 21 in the feedback signal control unit, and inputs the voltage to the piezo scanner 8 as a signal. A signal input from the sample stage fine adjustment unit 23 to the piezo scanner 8 is generated by changing the position of the piezo scanner 8 in the Z direction set by the SPM control unit 17 from the tapping mode to the contact mode or vice versa. 8 is for adjusting the position of the piezo scanner 8 in the Z direction by the amount of movement corresponding to the voltage difference input to 8. This is because the height of the sample stage 7 is changed between the tapping mode and the contact mode when different voltages are input to the piezo scanner 8 in the tapping mode and the contact mode. Since the distance between the probe 2 and the sample 6 needs to be longer in the tapping mode than in the contact mode, the sample table is longer when the tapping mode is selected than when the contact mode is selected. The piezo scanner 8 is controlled by the sample stage fine adjustment unit 23 so that 7 is lowered. By performing this in synchronization with measurement mode switching (that is, switching from tapping mode to contact mode or vice versa), the amount in the Z direction adjusted by feedback control unit 15 at the time of measurement mode switching decreases, so SPM control The time for adjusting Z by the unit 17 can be shortened.

変位量検出部9から信号変換部24に入力された信号は、第1の信号と第2の信号に分割される分岐部27で第1の信号と第2の信号の2つに分割される。なお、通常、変位量検出部9から出力される信号は電圧であるため、第1の信号と第2の信号は同じ信号値となる。   A signal input from the displacement detection unit 9 to the signal conversion unit 24 is divided into two signals, a first signal and a second signal, by a branching unit 27 that divides the signal into a first signal and a second signal. . Since the signal output from the displacement amount detection unit 9 is usually a voltage, the first signal and the second signal have the same signal value.

そして、第1の信号は、第1の信号経路26を通り、スイッチ12に直接到達する。   Then, the first signal passes through the first signal path 26 and reaches the switch 12 directly.

一方、第2の信号は、交流信号を直流信号に変換するDC変換部であるRMS−DCコンバータ10に入力される。RMS−DCコンバータ10に入力された第2の信号は、交流信号の振幅に比例した振幅信号に変換される。したがって、RMS−DCコンバータ10に入力された第2の信号が交流電圧である場合、RMS−DCコンバータ10から出力される信号は直流電圧となる。   On the other hand, the second signal is input to the RMS-DC converter 10 which is a DC converter that converts an AC signal into a DC signal. The second signal input to the RMS-DC converter 10 is converted into an amplitude signal proportional to the amplitude of the AC signal. Therefore, when the second signal input to the RMS-DC converter 10 is an AC voltage, the signal output from the RMS-DC converter 10 is a DC voltage.

そして、振幅信号は、オフセット回路11に入力され、後述する信号オフセットをかけられて出力され、スイッチ12に到達する。   Then, the amplitude signal is input to the offset circuit 11, is output with a signal offset described later, and reaches the switch 12.

ここで、本実施形態においては、第1の信号が通る分岐部27からスイッチ12までの経路を第1の信号経路26とし、第2の信号が通る分岐部27からRMS−DCコンバータ10およびオフセット回路11を経てスイッチ12まで到達する経路を第2の信号経路28とする。図1に示す通り、第2の信号経路28は第1の信号経路26とは異なる経路である。   Here, in the present embodiment, the path from the branch unit 27 through which the first signal passes to the switch 12 is defined as the first signal path 26, and the RMS-DC converter 10 and the offset from the branch unit 27 through which the second signal passes. A path that reaches the switch 12 via the circuit 11 is a second signal path 28. As shown in FIG. 1, the second signal path 28 is a different path from the first signal path 26.

スイッチ12は、フィードバック制御ユニット内制御部21からの指示に従い、コンタクトモードが選択されている時は、第1の信号経路26とSPM制御ユニット17とを接続して第1の信号をSPM制御ユニット17に出力する。また、フィードバック制御ユニット内制御部21からの指示に従い、タッピングモードが選択されている時は、第2の信号経路28とSPM制御ユニット17とを接続して、RMS−DCコンバータ10およびオフセット回路11を通った第2の信号をSPM制御ユニット17に出力する。   The switch 12 connects the first signal path 26 and the SPM control unit 17 and connects the first signal to the SPM control unit when the contact mode is selected according to the instruction from the control unit 21 in the feedback control unit. 17 to output. When the tapping mode is selected according to the instruction from the feedback control unit internal control unit 21, the second signal path 28 and the SPM control unit 17 are connected, and the RMS-DC converter 10 and the offset circuit 11 are connected. The second signal that has passed through is output to the SPM control unit 17.

なお、SPM制御ユニット17は、コンタクトモードに設定して使用することで、DC変換部14に入力された信号がそのまま出力され、フィードバック信号制御ユニット15に入力される。   Note that, when the SPM control unit 17 is set to the contact mode and used, the signal input to the DC conversion unit 14 is output as it is and input to the feedback signal control unit 15.

次に、前述したオフセット回路11でかける信号オフセットについて説明する。なお、変位量検出部9から出力される信号は通常電圧であるため、以下ではRMS−DCコンバータ10に入力される信号からフィードバック制御部15までに使用される信号を電圧で表記しているが、本発明の制御信号は、その他の信号であっても良い。   Next, the signal offset applied by the offset circuit 11 will be described. Since the signal output from the displacement detection unit 9 is a normal voltage, the signal used from the signal input to the RMS-DC converter 10 to the feedback control unit 15 is expressed in voltage below. The control signal of the present invention may be other signals.

変位量検出部9では光検出部5で検出された信号をもとに、カンチレバー1のたわみ量に比例した電圧が出力される。   Based on the signal detected by the light detector 5, the displacement detector 9 outputs a voltage proportional to the amount of deflection of the cantilever 1.

RMS−DCコンバータ10は変位量検出部9から入力された信号にAC結合を行い、RMS−DCコンバータ10に入力された交流電圧信号の最大振幅がa[mV]のとき、G・a[mV]の電圧に変換して出力する。また、オフセット回路11では入力された電圧に対して適切なオフセット電圧Voffをかけて出力する。   The RMS-DC converter 10 performs AC coupling on the signal input from the displacement detection unit 9, and when the maximum amplitude of the AC voltage signal input to the RMS-DC converter 10 is a [mV], G · a [mV ] And output the voltage. Further, the offset circuit 11 outputs the input voltage by applying an appropriate offset voltage Voff.

以降の記載では、カンチレバー1がたわんでいない時のある位置を原点とし、試料2から探針6に向かう方向を正とするz軸を用いて、適切なオフセット電圧について説明する。カンチレバー1の位置がz=0の時の変量位検出部9からの出力がb[mV]で、カンチレバー1がZ方向にたわんだ時のたわみ量と変位量検出部9からの出力電圧を対応付ける比例定数(DIF感度)がSd[mV/nm]のとき、コンタクトモードで走査する際のカンチレバー1の位置(たわみ量)をz=δ[nm]に設定すると、コンタクトモード時のSPM制御ユニット17に入力される第1の信号の参照値の設定電圧は(δ・Sd+b)[mV]になる。   In the following description, an appropriate offset voltage will be described using the z-axis with the origin being a certain position when the cantilever 1 is not bent and the direction from the sample 2 toward the probe 6 being positive. The output from the variable position detection unit 9 when the position of the cantilever 1 is z = 0 is b [mV], and the deflection amount when the cantilever 1 is bent in the Z direction is associated with the output voltage from the displacement amount detection unit 9. When the proportional constant (DIF sensitivity) is Sd [mV / nm] and the position (deflection amount) of the cantilever 1 when scanning in the contact mode is set to z = δ [nm], the SPM control unit 17 in the contact mode is set. The set voltage of the reference value of the first signal input to is (δ · Sd + b) [mV].

一方、タッピングモードで走査する際のカンチレバー1の振幅をA[nm]に設定すると、RMS−DCコンバータ10およびオフセット回路11を通った第2の信号の参照値の設定電圧は(G・A・|Sd|−Voff)[mV]になる。したがって、タッピングモードとコンタクトモードの参照値を同一にするための適切な信号オフセットVoffは、図1の信号制御部24の構成に従って、Sd、G、A、δ、bを変数とする下記式(1)で記載することができる。
Voff=G・A・|Sd|−δ・Sd−b (1)
On the other hand, when the amplitude of the cantilever 1 when scanning in the tapping mode is set to A [nm], the set voltage of the reference value of the second signal that has passed through the RMS-DC converter 10 and the offset circuit 11 is (G · A · | Sd | −Voff) [mV]. Therefore, an appropriate signal offset Voff for making the reference value of the tapping mode and the contact mode the same is expressed by the following formula (Sd, G, A, δ, b) as variables according to the configuration of the signal control unit 24 of FIG. 1).
Voff = G · A · | Sd | −δ · Sd−b (1)

すなわち、RMS−DCコンバータ10から出力される電圧からオフセット電圧Voff[mV]だけ下げたときに、タッピングモードとコンタクトモードの参照値が同一になる。   That is, when the voltage output from the RMS-DC converter 10 is lowered by the offset voltage Voff [mV], the reference values for the tapping mode and the contact mode are the same.

適切な信号オフセットによってタッピングモードとコンタクトモードの参照値を同一とすることにより、走査中に測定モードを切り替えたときにも、探針2と試料6の押し付け圧が一定となるため、連続して安定に測定を行うことができる。   By making the reference value of the tapping mode and the contact mode the same with an appropriate signal offset, the pressing pressure between the probe 2 and the sample 6 becomes constant even when the measurement mode is switched during scanning. Measurement can be performed stably.

また、走査中にコンタクトモードとタッピングモードを切り替え、タッピングモードで試料6の表面形状情報を取得し、コンタクトモードで試料6の物性値を測定するようにすることで、コンタクトモードで表面形状情報の測定が困難な試料に対しても、表面形状情報を取得するとともに物性情報を取得することができるようになる。   Further, by switching between the contact mode and the tapping mode during scanning, the surface shape information of the sample 6 is acquired in the tapping mode, and the physical property value of the sample 6 is measured in the contact mode. Even for a sample that is difficult to measure, it is possible to acquire surface shape information and physical property information.

なお、式(1)のパラメータ、Sd、G、A、δ、bのうち、Sd、Gおよびbは装置によって決まる値であり、A、δはタッピングモード、コンタクトモードでのそれぞれの測定が最適になるように測定者が決定する値である。   Of the parameters of equation (1), Sd, G, A, δ, and b, Sd, G, and b are values determined by the apparatus, and A and δ are optimal for each measurement in the tapping mode and contact mode. The value determined by the measurer to be

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、スイッチ12、発振器制御部22、試料台微調整部23の切り替えを測定モードの切り替えと同期させているが、本発明の走査型プローブ顕微鏡ではそれぞれの切り替えに適当な遅延時間を設けても良い。   In the scanning probe microscope of the present embodiment, the switching of the switch 12, the oscillator control unit 22, and the sample stage fine adjustment unit 23 is synchronized with the switching of the measurement mode. However, in the scanning probe microscope of the present invention, each switching is performed. An appropriate delay time may be provided.

これにより、測定モード切り替え時に探針2を試料6に強く押し付けることを防ぐことができ、探針2のダメージを軽減することができる。例えば、コンタクトモードからタッピングモードに切り替える際、スイッチ12と試料台微調整部23の切り替えを行ってから約1ms後に発振器制御部22から発振器25に入力する信号を切り替えるようにする。   Thereby, it is possible to prevent the probe 2 from being strongly pressed against the sample 6 when the measurement mode is switched, and damage to the probe 2 can be reduced. For example, when switching from the contact mode to the tapping mode, the signal input from the oscillator control unit 22 to the oscillator 25 is switched about 1 ms after the switch 12 and the sample stage fine adjustment unit 23 are switched.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、スイッチ12、発振器制御部22、試料台微調整部23の制御を行うフィードバック信号制御ユニット内制御部21には、PCを使用している。しかしながら、本発明の走査型プローブ顕微鏡では、フィードバック信号制御ユニット内制御部21はPCに限定されず、例えば、ファンクションジェネレータやマイコンを使用し、周期的に測定モードを切り替える信号を発生させて制御をおこなっても良い。   In the scanning probe microscope of this embodiment, a PC is used for the feedback signal control unit control unit 21 that controls the switch 12, the oscillator control unit 22, and the sample stage fine adjustment unit 23. However, in the scanning probe microscope of the present invention, the control unit 21 in the feedback signal control unit is not limited to a PC, and for example, a function generator or a microcomputer is used to generate a signal for periodically switching the measurement mode and control is performed. You can do it.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では交流信号の振幅を振幅信号に変換するDC変換部としてRMS−DCコンバータ10を使用したが、本発明の走査型プローブ顕微鏡では、ロックインアンプなどの振幅に比例した信号に変換できるものであれば他のものを使用してもよい。   In the scanning probe microscope of the present embodiment, the RMS-DC converter 10 is used as a DC converter that converts the amplitude of an AC signal into an amplitude signal. However, in the scanning probe microscope of the present invention, it is proportional to the amplitude of a lock-in amplifier or the like. Other signals may be used as long as they can be converted into the above signals.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は試料台微調整部23を有しているが、タッピングモードとコンタクトモードの間の切り替え時間を短縮する必要がなければ、本発明の走査型プローブ顕微鏡は試料台微調整部23を有していなくても良い。   The scanning probe microscope of the present embodiment has the sample stage fine adjustment unit 23. However, if it is not necessary to shorten the switching time between the tapping mode and the contact mode, the scanning probe microscope of the present invention has the sample stage fine adjustment unit 23. The fine adjustment unit 23 may not be provided.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡はSPM制御ユニット17内にDC変換部14を有しており、オフセット回路11を経た第2の信号はスイッチ12を通った後にDC変換部を通ってフィードバック制御部に入力されているが、本発明の走査型プローブ顕微鏡はSPM制御ユニット17内にDC変換部14を有しておらず、オフセット回路11を経た第2の信号がフィードバック制御部15に直接入力される構成でも良い。   The scanning probe microscope of the present embodiment has a DC conversion unit 14 in the SPM control unit 17, and the second signal that has passed through the offset circuit 11 passes through the switch 12 and then passes through the DC conversion unit to be a feedback control unit. However, the scanning probe microscope of the present invention does not have the DC conversion unit 14 in the SPM control unit 17, and the second signal that has passed through the offset circuit 11 is directly input to the feedback control unit 15. It is also possible to use a configuration.

<第二の実施形態>
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡が第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡と異なる点は、オフセット回路11が、第1の信号経路26と第2の信号経路と27の分岐部27と、変位量検出部9と、の間に配置されている点である。それ以外は第一の実施形態と同じである。
<Second Embodiment>
The scanning probe microscope of this embodiment is different from the scanning probe microscope of the first embodiment in that the offset circuit 11 includes a first signal path 26, a second signal path 27, a branching section 27 of 27, and a displacement. It is a point arrange | positioned between the quantity detection parts 9. FIG. The rest is the same as the first embodiment.

図6(a)に示すように、変位量検出部9で検出された信号は、オフセット回路11に入力されてオフセットがかけられた信号に変換された後、その変換された信号が分岐部27で第1の信号と第2の信号の2つに分割され、第1の信号は第1の信号経路26を通ってスイッチ12に直接到達し、第2の信号はRMS−DCコンバータ10で振幅信号に変換された後スイッチ12に到達する。   As shown in FIG. 6A, the signal detected by the displacement amount detection unit 9 is input to the offset circuit 11 and converted into an offset signal. The first signal and the second signal are divided into two, and the first signal reaches the switch 12 directly through the first signal path 26, and the second signal is amplified by the RMS-DC converter 10. After being converted into a signal, the switch 12 is reached.

ここで、本実施形態においては、第1の信号経路26は第1の信号が通る分岐部27からスイッチ12までの経路であり、第2の信号経路は第2の信号が通る分岐部27からRMS−DCコンバータ10を経てスイッチ12までの経路である。   Here, in the present embodiment, the first signal path 26 is a path from the branch part 27 through which the first signal passes to the switch 12, and the second signal path is from the branch part 27 through which the second signal passes. This is a path from the RMS-DC converter 10 to the switch 12.

コンタクトモードで走査するときには,第1の信号経路を通るため,参照値の設定電圧は(δ・Sd+b−Voff)[mV]になる。一方,タッピングモードで走査するときには,信号がRMS−DCコンバータにAC結合で入力されるため,参照値の設定電圧は(G・A・|Sd|)[mV]になる。したがって,本実施形態における適切なオフセット電圧は、式(2)により求めることができる。
Voff=δ・Sd+b−G・A・|Sd| (2)
When scanning in the contact mode, the reference voltage setting voltage is (δ · Sd + b−Voff) [mV] because it passes through the first signal path. On the other hand, when scanning in the tapping mode, since the signal is input to the RMS-DC converter by AC coupling, the reference voltage setting voltage is (G · A · | Sd |) [mV]. Therefore, an appropriate offset voltage in the present embodiment can be obtained by Expression (2).
Voff = δ · Sd + b−G · A · | Sd | (2)

<第三の実施形態>
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡が第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡と異なる点は、第1の信号経路26内にオフセット回路11が配置されている点である。それ以外は第一の実施形態と同じである。
<Third embodiment>
The scanning probe microscope of the present embodiment is different from the scanning probe microscope of the first embodiment in that the offset circuit 11 is arranged in the first signal path 26. The rest is the same as the first embodiment.

図6(b)に示すように、変位量検出部9で検出された信号は、分岐部27で第1の信号と第2の信号の2つに分割され、第1の信号が、26に示す第1の信号経路内に存在するオフセット回路11でオフセットがかけられた信号に変換されたのちにスイッチ12に到達し、第2の信号が28に示す第2の信号経路内でRMS−DCコンバータ10により振幅信号に変換された後スイッチ12に到達する。   As shown in FIG. 6 (b), the signal detected by the displacement detection unit 9 is divided into two signals, a first signal and a second signal, by the branching unit 27. After being converted into an offset signal applied by the offset circuit 11 existing in the first signal path shown, the signal reaches the switch 12, and the second signal is RMS-DC in the second signal path indicated by 28. After being converted into an amplitude signal by the converter 10, the switch 12 is reached.

コンタクトモードで走査するときには,第1の信号経路を通るため,参照値の設定電圧は(δ・Sd+b−Voff)[mV]になる。一方,タッピングモードで走査するときには,信号がRMS−DCコンバータにAC結合で入力されるため,参照値の設定電圧は(G・A・|Sd|)[mV]になる。したがって,本実施形態における適切なオフセット電圧は、第二の実施形態と同様に式(2)により求めることができる。
Voff=δ・Sd+b−G・A・|Sd| (2)
When scanning in the contact mode, the reference voltage setting voltage is (δ · Sd + b−Voff) [mV] because it passes through the first signal path. On the other hand, when scanning in the tapping mode, since the signal is input to the RMS-DC converter by AC coupling, the reference voltage setting voltage is (G · A · | Sd |) [mV]. Therefore, an appropriate offset voltage in the present embodiment can be obtained by Expression (2) as in the second embodiment.
Voff = δ · Sd + b−G · A · | Sd | (2)

<第四の実施形態>
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡が第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡と異なる点は、第2の信号経路28に加えて、第1の信号経路26内にもオフセット回路(第一のオフセット回路)29が配置されている点である。それ以外は第一の実施形態と同じである。
<Fourth embodiment>
The scanning probe microscope of the present embodiment is different from the scanning probe microscope of the first embodiment in that an offset circuit (first offset) is provided in the first signal path 26 in addition to the second signal path 28. Circuit) 29 is arranged. The rest is the same as the first embodiment.

図6(c)に示すように、変位量検出部9で検出された信号は、分岐部27で第1の信号と第2の信号の2つに分割され、第1の信号が第1の信号経路26内に存在する第1のオフセット回路29でオフセットがかけられた信号に変換されてスイッチ12に到達する。そして、第2の信号が第2の経路28内でRMS−DCコンバータ10により振幅信号に変換された後、第2のオフセット回路30に入力されて第2のオフセットがかけられた信号となり、スイッチ12に到達する。   As shown in FIG. 6C, the signal detected by the displacement detection unit 9 is divided into two signals of the first signal and the second signal by the branching unit 27, and the first signal is the first signal. The signal is converted into a signal offset by the first offset circuit 29 existing in the signal path 26 and reaches the switch 12. Then, after the second signal is converted into an amplitude signal by the RMS-DC converter 10 in the second path 28, the second signal is input to the second offset circuit 30 to become a signal to which the second offset is applied, and the switch 12 is reached.

第1のオフセット回路のオフセット電圧(第1のオフセット電圧)をV1off、第2のオフセット回路のオフセット電圧(第2のオフセット電圧)をV2offとすると、コンタクトモードで走査するときには,第1の信号経路を通るため,参照値の設定電圧は(δ・Sd+b−V1off)[mV]になる。一方,タッピングモードで走査するときには,信号がRMS−DCコンバータにAC結合で入力されるため,参照値の設定電圧は(G・A・|Sd|−V2off)[mV]になる。したがって,本実施形態の時の適切なオフセット電圧は、V1offおよびV2offのうちの一方をある値に設定することで,他方を式(3)により算出し,第1のオフセット電圧および第2のオフセット電圧を求めることができる。
V1off−V2off=δ・Sd+b−G・A・|Sd| (3)
When the offset voltage (first offset voltage) of the first offset circuit is V1off and the offset voltage (second offset voltage) of the second offset circuit is V2off, the first signal path is used when scanning in the contact mode. Therefore, the reference voltage setting voltage is (δ · Sd + b−V1off) [mV]. On the other hand, when scanning in the tapping mode, since the signal is input to the RMS-DC converter by AC coupling, the reference voltage setting voltage is (G · A · | Sd | −V2off) [mV]. Therefore, an appropriate offset voltage in the present embodiment is that one of V1off and V2off is set to a certain value, and the other is calculated by Expression (3), and the first offset voltage and the second offset voltage are calculated. The voltage can be determined.
V1off−V2off = δ · Sd + b−G · A · | Sd | (3)

以下に、本発明の実施例を示す。   Examples of the present invention are shown below.

(実施例)
図1に記載する走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の測定を行った。
(Example)
The sample was measured using the scanning probe microscope described in FIG.

試料6には、Si基板上にカーボンナノチューブ(CNT)をスピンコートしたものを使用した。物性値の測定は、試料台7に0.5Vの電圧を印加して、電流像を取得することで行った。カンチレバー1には、Rhコートの導電性カンチレバーを使用した。   Sample 6 used was a carbon nanotube (CNT) spin-coated on a Si substrate. The physical property value was measured by applying a voltage of 0.5 V to the sample stage 7 and acquiring a current image. As the cantilever 1, an Rh-coated conductive cantilever was used.

フィードバック信号制御ユニット13を使用して測定を行ったときの結果について説明する。スイッチ12、発振器制御部22、ステージ微調整部23の制御は、フィードバック信号制御ユニット内制御部21からタッピングモードの時にはLの論理信号を出力し、コンタクトモードの時にはHの論理信号を出力することで行った。タッピングモードとコンタクトモードの切り替えは26msごとに行った。   The results when measurement is performed using the feedback signal control unit 13 will be described. The control of the switch 12, the oscillator control unit 22 and the stage fine adjustment unit 23 is such that an L logic signal is output from the feedback signal control unit internal control unit 21 in the tapping mode, and an H logic signal is output in the contact mode. I went there. Switching between the tapping mode and the contact mode was performed every 26 ms.

フィードバック信号制御ユニット13のオフセット回路11の電圧は次の手順で設定した。装置に取り付けたカンチレバー1のDIF感度は7[mV/nm]であり、試料と探針を十分離したときの変位量検出部9からの出力が0[mV]、RMS−DCコンバータが交流を直流に変換する係数G=0.7であった。タッピングモードで測定する際の最大振幅は82[nm]でおこない、コンタクトモードで測定する際のカンチレバーのたわみ量は14[nm]でおこなった。したがって、オフセット回路11のオフセット電圧は式(1)に従い303.8mVに設定した。
Voff=G・A・|Sd|−δ・Sd−b (1)
The voltage of the offset circuit 11 of the feedback signal control unit 13 was set by the following procedure. The DIF sensitivity of the cantilever 1 attached to the apparatus is 7 [mV / nm], the output from the displacement detection unit 9 when the sample and the probe are sufficiently separated is 0 [mV], and the RMS-DC converter exchanges AC. The coefficient G for conversion to direct current was 0.7. The maximum amplitude when measuring in the tapping mode was 82 [nm], and the deflection of the cantilever when measuring in the contact mode was 14 [nm]. Therefore, the offset voltage of the offset circuit 11 is set to 303.8 mV according to the equation (1).
Voff = G · A · | Sd | −δ · Sd−b (1)

以上の条件で測定を行ったときの、モード切り替え時の論理信号とフィードバック制御ユニット13の各出力を図4に示す。   FIG. 4 shows a logic signal at the time of mode switching and each output of the feedback control unit 13 when measurement is performed under the above conditions.

図4(1)はフィードバック信号制御ユニット内制御部21が出力する論理信号であり、値が低い時(L)がタッピングモード、高い時(H)がコンタクトモードに対応する。その切り替えと同期して、発振器制御部22とステージ微調整部23からの出力はそれぞれ図4(2)、(3)のようになる。すなわち、タッピングモードのときはアクチュエータ3に交流電圧を印加し、カンチレバー1を一定周期で振動させた。一方、コンタクトモードのときは、アクチュエータ3をアースに接続することで、カンチレバー1の振動を停止させた。また、安定に走査できるときの高さは、タッピングモードのほうがコンタクトモードよりも約100nm高かったので、コンタクトモードのときにピエゾスキャナを100nm持ち上げるようにステージ微調整部23からピエゾスキャナ8に電圧を入力した。また、変位量検出部9から入力された信号は、タッピングモードのときはRMS−DCコンバータ10とオフセット回路11を通した信号を出力し、コンタクトモードのときは入力信号をそのまま出力するように制御した。   FIG. 4A is a logic signal output by the feedback signal control unit internal control unit 21. When the value is low (L), it corresponds to the tapping mode, and when the value is high (H), the contact mode. In synchronization with the switching, the outputs from the oscillator control unit 22 and the stage fine adjustment unit 23 are as shown in FIGS. 4 (2) and 4 (3), respectively. That is, in the tapping mode, an AC voltage was applied to the actuator 3 to vibrate the cantilever 1 at a constant period. On the other hand, in the contact mode, the vibration of the cantilever 1 was stopped by connecting the actuator 3 to the ground. In addition, since the height at which stable scanning is possible is about 100 nm higher in the tapping mode than in the contact mode, a voltage is applied from the stage fine adjustment unit 23 to the piezo scanner 8 so as to lift the piezo scanner by 100 nm in the contact mode. I input it. Further, the signal input from the displacement amount detection unit 9 is controlled to output a signal that has passed through the RMS-DC converter 10 and the offset circuit 11 in the tapping mode, and to output the input signal as it is in the contact mode. did.

その結果、フィードバック信号制御ユニット13からSPM制御ユニット17に入力される信号は図4(4)のようになり、タッピングモードとコンタクトモードを切り替えても、切り替え後10ms程度たつと安定した電圧に達しており、測定モードの切り替えを行っても安定して測定が行えた。   As a result, the signal input from the feedback signal control unit 13 to the SPM control unit 17 is as shown in FIG. 4 (4). Even when the tapping mode and the contact mode are switched, the voltage reaches a stable voltage after about 10 ms after switching. Therefore, stable measurement was possible even if the measurement mode was switched.

この方法で、測定した形状像と電流像を図5に示す。取得した画像には、タッピングモードとコンタクトモードを切り替えたことによる周期ノイズが入るため、ローパスフィルタで処理した画像を示している。   The shape image and current image measured by this method are shown in FIG. Since the acquired image contains periodic noise due to switching between the tapping mode and the contact mode, the image processed by the low-pass filter is shown.

図5に示すように、本実施例では、形状像、電流像ともに正確な測定が可能であった。   As shown in FIG. 5, in this embodiment, both the shape image and the current image can be accurately measured.

(比較例)
本比較例では、図2に記載する走査型プローブ顕微鏡を用いて実施例と同じ試料の測定を行った。すなわち、実施例1のフィードバック信号制御ユニットがない走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の測定を行った。
(Comparative example)
In this comparative example, the same sample as the example was measured using the scanning probe microscope described in FIG. That is, the sample was measured using a scanning probe microscope without the feedback signal control unit of Example 1.

カンチレバー1には、Rhコートの導電性カンチレバーを使用した。走査型プローブ顕微鏡の測定モードにはコンタクトモードを使用し、試料台7に0.5Vの電圧を印加することで電流像を取得した。   As the cantilever 1, an Rh-coated conductive cantilever was used. A contact mode was used as a measurement mode of the scanning probe microscope, and a current image was obtained by applying a voltage of 0.5 V to the sample stage 7.

装置に取り付けたカンチレバーのDIF感度は7[mV/nm]、試料と探針を十分離したときの変位量検出部9からの出力が0[mV]であった。コンタクトモードで測定する際のカンチレバーのたわみ量を14[nm]に設定して測定したときの、形状像と電流像を図3に示す。図3に示すように、本比較例ではコンタクトモードでの電流像の測定が困難であった。   The DIF sensitivity of the cantilever attached to the apparatus was 7 [mV / nm], and the output from the displacement detector 9 when the sample and the probe were sufficiently separated was 0 [mV]. FIG. 3 shows a shape image and a current image when the cantilever deflection amount at the time of measurement in the contact mode is set to 14 [nm]. As shown in FIG. 3, it was difficult to measure the current image in the contact mode in this comparative example.

1 カンチレバー
2 探針
3 アクチュエータ
4 光源
5 光検出部
6 試料
7 試料台
8 ピエゾスキャナ
9 変位量検出部
10 RMS−DCコンバータ
11 オフセット回路
12 スイッチ
13 フィードバック信号制御ユニット
14 DC変換部
15 フィードバック制御部
16 参照信号発生部
17 SPM制御ユニット
18 SPM制御コンピュータ
19 物性測定用電気信号発生部
20 物性信号測定部
21 フィードバック信号制御ユニット内制御部
22 発振器制御部
23 試料台微調整部
24 信号変換部
25 発振器
26 第1の信号経路
27 分岐部
28 第2の信号経路
29 第1のオフセット回路
30 第2のオフセット回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cantilever 2 Probe 3 Actuator 4 Light source 5 Light detection part 6 Sample 7 Sample stand 8 Piezo scanner 9 Displacement amount detection part 10 RMS-DC converter 11 Offset circuit 12 Switch 13 Feedback signal control unit 14 DC conversion part 15 Feedback control part 16 Reference signal generation unit 17 SPM control unit 18 SPM control computer 19 Physical property measurement electrical signal generation unit 20 Physical property signal measurement unit 21 Control unit in feedback signal control unit 22 Oscillator control unit 23 Sample stage fine adjustment unit 24 Signal conversion unit 25 Oscillator 26 First signal path 27 Branching section 28 Second signal path 29 First offset circuit 30 Second offset circuit

Claims (11)

試料の表面を走査する探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位量を測定する変位量検出部と、前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つために前記カンチレバーの変位量を基に前記試料の高さを調整するフィードバック制御部とを有し、前記探針を前記試料に接触させて前記試料を走査するコンタクトモードと、前記カンチレバーを振動させて前記試料を走査するタッピングモードと、を切り替えて前記試料の測定を行う走査型プローブ顕微鏡において、
前記フィードバック制御部と前記変位量検出部との間に、
前記タッピングモードが選択された時の前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つための参照値と前記コンタクトモードが選択された時の前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つための参照値を一致させるためのオフセット回路と、
前記変位量検出部から出力される信号が第1の信号と第2の信号に分岐される分岐部と、
前記第1の信号が通る第1の信号経路と、前記第2の信号が通り前記第1の信号経路とは異なる第2の信号経路と、
前記コンタクトモードが選択された時には前記第1の信号経路と前記フィードバック制御部とを接続し、前記タッピングモードが選択された時には前記第2の信号経路と前記フィードバック制御部とを接続するスイッチと、
前記第2の信号経路内に存在する、交流信号を前記交流信号の振幅に比例する信号に変換するDC変換部と、を有する信号変換部を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
A cantilever having a probe that scans the surface of the sample, a displacement detection unit that measures the displacement of the cantilever, and the displacement of the cantilever based on the displacement of the cantilever to keep the distance between the cantilever and the sample constant A feedback control unit that adjusts the height of the sample, and a contact mode that scans the sample by bringing the probe into contact with the sample, and a tapping mode that scans the sample by vibrating the cantilever. In a scanning probe microscope that switches and measures the sample,
Between the feedback control unit and the displacement amount detection unit,
A reference value for keeping the distance between the cantilever and the sample constant when the tapping mode is selected and a reference for keeping the distance between the cantilever and the specimen constant when the contact mode is selected An offset circuit for matching the values;
A branching unit for branching a signal output from the displacement amount detection unit into a first signal and a second signal;
A first signal path through which the first signal passes; and a second signal path through which the second signal passes and different from the first signal path;
A switch for connecting the first signal path and the feedback control unit when the contact mode is selected, and a switch for connecting the second signal path and the feedback control unit when the tapping mode is selected;
A scanning probe microscope comprising: a signal converter having a DC converter that converts an AC signal that is present in the second signal path into a signal proportional to the amplitude of the AC signal.
前記オフセット回路を前記第2の信号経路内に有することを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the offset circuit is included in the second signal path. 前記オフセット回路を前記変位量検出部と前記分岐部との間に有することを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the offset circuit is provided between the displacement amount detection unit and the branch unit. 前記オフセット回路を前記第1の信号経路内に有することを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the offset circuit is included in the first signal path. 前記オフセット回路を前記第1の信号経路および前記第2の信号経路のいずれにも有することを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the offset circuit is provided in both the first signal path and the second signal path. 前記コンタクトモードと前記タッピングモードとの切り替えと前記スイッチの切り替えが同期されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。   6. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein switching between the contact mode and the tapping mode and switching of the switch are synchronized. 前記変位量検出部から出力される信号が電圧であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the signal output from the displacement amount detection unit is a voltage. 前記タッピングモードが選択された時の前記変位量検出部から出力される信号が交流電圧であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein a signal output from the displacement amount detection unit when the tapping mode is selected is an AC voltage. 前記コンタクトモードが選択された時の前記変位量検出部から出力される信号が直流電圧であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。   9. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein a signal output from the displacement detection unit when the contact mode is selected is a DC voltage. 前記DC変換部が、RMS−DCコンバータであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the DC conversion unit is an RMS-DC converter. 前記変位量検出部が光の信号を電気信号に変換することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the displacement detection unit converts a light signal into an electrical signal.
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