JP3095801B2 - Surface charge distribution measuring device - Google Patents

Surface charge distribution measuring device

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JP3095801B2
JP3095801B2 JP03084656A JP8465691A JP3095801B2 JP 3095801 B2 JP3095801 B2 JP 3095801B2 JP 03084656 A JP03084656 A JP 03084656A JP 8465691 A JP8465691 A JP 8465691A JP 3095801 B2 JP3095801 B2 JP 3095801B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、表面電荷分布測定装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface charge distribution measuring device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の表面電荷分布測定装置の1つとし
ては、振動容量型電位計が、多方面に広く使用されてい
る。
2. Description of the Related Art As one of conventional surface charge distribution measuring devices, a vibrating capacitance type electrometer is widely used in various fields.

【0003】この振動容量型電位計は、被測定表面の近
くでセンサ電極(プローブ)を振動させて生じる交流信
号によって電荷量を測定するようにしている。
In this vibration capacitance type electrometer, the amount of electric charge is measured by an AC signal generated by vibrating a sensor electrode (probe) near a surface to be measured.

【0004】又、上記のような、振動容量型電位計にお
いて、空間分解能を向上させるために、プローブの先端
を尖らせたものがある。
[0004] Further, in the above-mentioned vibration capacitance type electrometer, there is one in which a tip of a probe is sharpened in order to improve a spatial resolution.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前者の振動容量型電位
計は、空間分解能がサブミリ程度しかとれないという問
題点がある。更に、プローブの先端を尖らせた後者の場
合であっても、その空間分解能が0.1mm程度であり、
不十分であるという問題点がある。
The vibration capacitance type electrometer of the former type has a problem that the spatial resolution is only about sub-millimeter. Furthermore, even in the latter case where the tip of the probe is sharpened, its spatial resolution is about 0.1 mm,
There is a problem that it is insufficient.

【0006】この発明は、上記従来の問題点に鑑みてな
されたものであって、1μm以下の高空間分解能を得る
ことができる表面電荷分布測定装置を提供することを目
的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and has as its object to provide a surface charge distribution measuring device capable of obtaining a high spatial resolution of 1 μm or less.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、ホル
ダーに片持ち支持されたカンチレバーと、このカンチレ
バーの先端に、被測定表面に向けて取付けられた金属等
の導電性材質プローブと、このプローブに対して前記被
測定表面を、両者間のZ軸方向の距離が原子間力の作用
範囲よりも大きく、且つ、クーロン力の作用範囲にある
ように移動し、維持すると共に、X・Y軸方向に相対移
動させるための移動手段と、前記プローブに変調された
電位を与える電位付与手段と、前記変調周波数を変化さ
せたとき、前記カンチレバーの振動振幅が最大となる変
調周波数fを決定し、この変調周波数fから被測定表面の
電荷量を検出する電荷検出手段と、を有してなる表面電
荷分布測定装置により、上記目的を達成するものであ
る。
Means for Solving the Problems] inventions of this application, a cantilever is cantilevered holder, the tip of the cantilever, and the conductive material probes such as metal mounted toward the surface to be measured, The probe is moved and maintained with respect to the probe such that the distance in the Z-axis direction between the two is greater than the range of action of the atomic force and within the range of action of the Coulomb force. Moving means for relatively moving in the Y-axis direction, potential applying means for applying a modulated potential to the probe, and determining a modulation frequency f at which the vibration amplitude of the cantilever becomes maximum when the modulation frequency is changed. The above object is achieved by a surface charge distribution measuring device comprising: a charge detecting means for detecting a charge amount on a surface to be measured from the modulation frequency f.

【0008】更に、この出願の第発明は、ホルダーに
片持ち支持されたカンチレバーと、このカンチレバーの
先端に、被測定表面に向けて取付けられた金属等の導電
性材質プローブと、このプローブに対して前記被測定表
面を、両者間のZ軸方向の距離が原子間力の作用範囲よ
りも大きく、且つ、クーロン力の作用範囲にあるように
移動し、維持すると共に、X・Y軸方向に相対移動させ
るための移動手段と、前記プローブに固定周波数の電位
を与える固定電位付与手段と、前記プローブへの電位付
与時の前記カンチレバーの振動の位相遅れから、被測定
表面の電荷量を検出する電荷検出手段と、を有してなる
表面電荷分布測定装置により、上記目的を達成するもの
である。
Further, the second invention of this application relates to a cantilever supported by a holder in a cantilever manner, a probe made of a conductive material such as metal attached to the tip of the cantilever toward a surface to be measured, and On the other hand, the surface to be measured is moved and maintained such that the distance between the two in the Z-axis direction is larger than the range of action of the atomic force and is within the range of action of Coulomb force, and in the X and Y directions. Moving means for relatively moving the probe, fixed potential applying means for applying a fixed frequency potential to the probe, and detecting a charge amount on the surface to be measured from a phase delay of oscillation of the cantilever when applying a potential to the probe. The above object is attained by a surface charge distribution measuring device having a charge detecting means that performs the measurement.

【0009】又、この出願の第発明は、ホルダーに片
持ち支持されたカンチレバーと、このカンチレバーの先
端に、被測定表面に向けて取付けられた金属等の導電性
材質プローブと、このプローブに対して前記被測定表面
を、両者間のZ軸方向の距離が原子間力の作用範囲より
も大きく、且つ、クーロン力の作用範囲にあるように移
動し、維持すると共に、X・Y軸方向に相対移動させる
ための移動手段と、前記プローブに固定周波数の電位を
与える固定電位付与手段と、前記プローブへの電位付与
時の前記カンチレバーの振動の振動中心位置の変化か
ら、被測定表面の電荷量を検出する電荷検出手段と、を
有してなる表面電荷分布測定装置により、上記目的を達
成するものである。
The third invention of the present application is directed to a cantilever supported by a holder in a cantilever manner, a probe made of a conductive material such as metal attached to the tip of the cantilever toward a surface to be measured, and a probe for the probe. On the other hand, the surface to be measured is moved and maintained such that the distance between the two in the Z-axis direction is larger than the range of action of the atomic force and is within the range of action of Coulomb force, and in the X and Y directions. A moving means for relatively moving the probe, a fixed potential applying means for applying a fixed frequency potential to the probe, and a change in a vibration center position of the cantilever vibration when applying a potential to the probe, the electric charge on the surface to be measured. The above object is achieved by a surface charge distribution measuring device having a charge detecting means for detecting an amount.

【0010】前記第1〜第3発明のいずれかにおいて、
前記被測定表面のZ軸方向の凹凸を非接触で測定すると
共に、該測定値を記憶するメモリーを有する変位測定手
段を備え、前記移動手段は、前記変位測定手段の記憶さ
れた測定値に基づき、表面電荷測定時に、前記プローブ
と被測定表面間の距離の基準値を設定するようにしても
よい。
In any one of the first to third inventions ,
A non-contact measurement of irregularities in the Z-axis direction of the surface to be measured is provided, and a displacement measuring unit having a memory for storing the measured value is provided, and the moving unit is based on the measured value stored by the displacement measuring unit. When measuring the surface charge, a reference value of the distance between the probe and the surface to be measured may be set.

【0011】[0011]

【作用及び効果】第1発明によれば、電子間力の作用範
囲外であって、且つクーロン力の作用範囲にある金属等
の導電性材質プローブをカンチレバーで支持し、且つプ
ローブに変調された電位を与えて振動させ、このときの
振動振幅が最大となる変調周波数fから、被測定表面の
電荷量を検出している。従って、カンチレバーのたわみ
量を検出することなく、外部の振動等に影響されずに電
荷量の測定ができる。
According to the first aspect of the present invention, a probe made of a conductive material such as a metal, which is out of the range of action of the electron force and in the range of action of Coulomb force, is supported by the cantilever and modulated by the probe. The potential is applied to vibrate, and the amount of charge on the surface to be measured is detected from the modulation frequency f at which the vibration amplitude at this time becomes maximum. Therefore, the charge amount can be measured without being affected by external vibrations or the like without detecting the amount of deflection of the cantilever.

【0012】請求項の第発明によれば、カンチレバ
ーに固定周波数の電位を与え、その固定振動の位相遅れ
から被測定表面の電荷量を外部の振動等に影響されずに
検出することができる。
According to a second aspect of the present invention 2 provides the potential of the fixed frequency to the cantilever, can be detected from the phase delay of the fixed vibration without being affected the amount of charge of the surface to be measured to an external vibration or the like it can.

【0013】請求項の第発明によれば、カンチレバ
ーに固定周波数の電位を与えて振動させ、その振動中心
位置の変化から、被測定表面の電荷量を外部の振動等に
影響されずに検出することができる。
According to the third invention of claim 3, giving the potential of the fixed frequency to the cantilever is vibrated, a change in the vibration center position, without being affected the amount of charge of the surface to be measured to an external vibration or the like Can be detected.

【0014】請求項4の発明によれば、被測定表面のZ
軸方向の凹凸を予め非接触で測定しておくことによっ
て、該測定値を基準にして、プローブにより被測定表面
を走査し、これによって更に高精度な測定を行うことが
できる。
According to the fourth aspect of the present invention , the Z of the surface to be measured is
By measuring the unevenness in the axial direction in a non-contact manner in advance, the surface to be measured can be scanned with the probe based on the measured value, thereby enabling more accurate measurement.

【0015】[0015]

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0016】図1に示されるように、第1発明の実施例
に係る表面電荷分布測定装置10は、ホルダー12に片
持ち支持されたカンチレバー14と、このカンチレバー
14の先端に、被測定表面16に向けて取付けられた
電性材質プローブ8と、この導電性材質プローブ
に対して前記被測定表面16を、両者間のZ軸方向(図
において上下方向)の距離が、電子間力の作用範囲より
も大きく、且つ、クーロン力の作用範囲にあるように移
動し、維持すると共に、X、Y、Z軸方向に相対移動さ
せるためのピエゾステージ20と、前記導電性材質プロ
ーブ8と前記被測定表面16との間のクーロン力によ
る前記カンチレバー14のたわみ量を検出するたわみ検
出手段22と、前記ホルダー12を経て導電性材質プロ
ーブ58に、変調された電位を与える周波数シンセサイ
ザー60と、前記たわみ検出手段22における検出部3
2の出力信号(以下信号2とする)が入力されるロック
インアンプ62と、非接触光変位測定系44(後述)か
らの信号(以下信号1とする)を解析する第1の解析部
36Aおよび、ロックインアンプ62からの信号を解析
する第2の解析部36Bを含み、前記変調周波数を変化
させたとき、前記カンチレバー14の振動振幅が最大と
なる変調周波数fを決定し、この変調周波数fに基づき、
前記被測定表面16の電荷量を検出する電荷検出手段2
4とから構成されている。
As shown in FIG. 1, a surface charge distribution measuring apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention includes a cantilever 14 supported by a holder 12 at a cantilever, and a measured surface 16 guide mounted towards the
A conductive material probe 5 8, the conductive material probe 5 8
The surface 16 to be measured is moved so that the distance between them in the Z-axis direction (vertical direction in the figure) is larger than the range of action of the interelectron force and within the range of action of the Coulomb force, while maintaining the Coulomb force between the X, Y, and piezo stage 20 for relatively moving the Z-axis direction, and the conductive material pro <br/> over Bed 5 8 and the surface to be measured 16 cantilever And a deflection detecting means 22 for detecting the deflection amount of the conductive material 14 through the holder 12.
Frequency synthesizer for providing a modulated potential to the
And a detecting unit 3 in the deflection detecting means 22.
Lock to which the output signal of 2 (hereinafter referred to as signal 2) is input
The in-amp 62 and the non-contact optical displacement measurement system 44 (described later)
First analyzer for analyzing these signals (hereinafter referred to as signal 1)
Analyze signals from 36A and lock-in amplifier 62
And a second analyzer 36B for changing the modulation frequency.
When the vibration amplitude of the cantilever 14 is maximum,
Is determined , based on this modulation frequency f ,
Charge detection means 2 for detecting the amount of charge on the surface 16 to be measured
And 4.

【0017】前記たわみ検出手段22の要素部分は、レ
ーザ光をカンチレバー14の、プローブ18の反対側の
面に照射するレーザダイオード26と、このレーザダイ
オード26からのレーザ光の一部を受光して、該レーザ
光の光強度を検出する第1の光検出器28と、前記レー
ザ光の、カンチレバー14先端における反射光を受光し
て、その光強度を検出する第2の光検出器30と、割算
器32A及びアンプ32Bからなり、前記第2の光検出
器の出力Bと第1の光検出28の出力Aの比B/Aを演
算し、且つ演算結果を増幅して出力する前記検出部32
と、を備えて構成されている。ここで、カンチレバー先
端の上面には、LD光反射用のコーティングが施されて
いることが望ましい。
The element of the deflection detecting means 22 includes a laser diode 26 for irradiating a laser beam on the surface of the cantilever 14 on the side opposite to the probe 18, and a part of the laser beam from the laser diode 26 for receiving the laser beam. A first light detector 28 for detecting the light intensity of the laser light, a second light detector 30 for receiving the reflected light of the laser light at the tip of the cantilever 14 and detecting the light intensity; It consists divider 32A and the amplifier 32B, the detection the second output B of the photodetector and calculating the ratio B / a of the output a of the first photodetector 28, and amplifies and outputs the operation result Part 32
And is provided. Here, it is desirable that the upper surface of the tip of the cantilever be coated with an LD light reflecting coating.

【0018】図1の符号50は、レーザダイオード26
を駆動するためのレーザダイオード電源、52はレーザ
ダイオード26の出射光を第1の光検出器28方向に分
岐するためのビームスプリッター、53はレーザダイオ
ード26からのレーザ光を集光する集光レンズ、54は
第2の光検出器30の入側に配置された開口をそれぞれ
示し、各々はたわみ検出手段22に含まれる。
The reference numeral 50 in FIG.
, A beam splitter 52 for splitting light emitted from the laser diode 26 in the direction of the first photodetector 28, and a condensing lens 53 for condensing laser light from the laser diode 26. , 54 denote openings arranged on the entrance side of the second photodetector 30, each of which is included in the deflection detecting means 22.

【0019】前記電荷検出手段24は、前記検出部32
からの信号が入力する前記ロックインアンプ62と、こ
ロックインアンプ62を経て信号が入力する前記第2
の解析部36Bと、前記ピエゾステージ20に制御信号
を出力すると共に、第2の解析部36の解析信号が入
力する制御部38と、第2の解析部36における解析
結果の信号及びピエゾステージ20の位置信号が、制御
部38から入力され、XY座標毎の電荷量の信号を出力
する信号処理部40と、この信号処理部40からの信号
に基づいて、電荷量を表示する第1の表示部42とを備
えて構成されている。
The charge detecting means 24 includes the detecting unit 32
Signal from the inputs the lock-in an amplifier 62, the second inputting signals through the lock-in amplifier 62
An analysis portion 36B of the outputs a control signal to the piezo stage 2 0, and the control unit 38 which analyzes the signal of the second analysis unit 36 B is input, the analysis result of the signal in the second analysis portion 36 B and A position signal of the piezo stage 20 is input from the control unit 38, and a signal processing unit 40 that outputs a signal of the charge amount for each of the XY coordinates, and a signal processing unit that displays the charge amount based on the signal from the signal processing unit 40 And one display section 42.

【0020】又、前記スイッチ回路34には、被測定表
面16のZ軸方向の情報、即ち、被測定表面16の凹凸
の状況を測定する非接触光変位測定系44からの測定信
号、即ち被測定表面16のZ軸方向の凹凸情報が入力さ
れるようになっている。
The switch circuit 34 has information on the surface 16 to be measured in the Z-axis direction, that is, a measurement signal from a non-contact optical displacement measuring system 44 for measuring the unevenness of the surface 16 to be measured. The unevenness information of the measurement surface 16 in the Z-axis direction is input.

【0021】又、前記電荷検出手段24には、前記第1
解析部36を経て制御部38に入力した、非接触光
変位測定系44からの信号を、XY座標信号と共に記憶
するメモリ46、及びこのメモリ46の内容を表示する
第2の表示部48とが設けられている。
The charge detecting means 24 includes the first
A memory 46 for storing a signal from the non-contact optical displacement measurement system 44 input to the control unit 38 via the analyzing unit 36A together with the XY coordinate signal, and a second display unit 48 for displaying the contents of the memory 46 Are provided.

【0022】ここで、前記非接触光変位測定系44は、
公知であるので詳細な説明は省略するが、例えば光スキ
ッド法による高精度形状計測法を用いるものである。
Here, the non-contact light displacement measuring system 44 is
Although a detailed description is omitted because it is publicly known, for example, a high-precision shape measurement method using an optical skid method is used.

【0023】次に上記実施例の作用について説明する。Next, the operation of the above embodiment will be described.

【0024】測定は、ピエゾステージ20がXY方向に
固定された状態で行われ、非接触光変位測定系44によ
る被測定表面16の凹凸の測定と、電荷量の測定の2段
階に行われる。
The measurement is performed in a state where the piezo stage 20 is fixed in the X and Y directions. The measurement is performed in two steps of measuring the unevenness of the surface 16 to be measured by the non-contact optical displacement measuring system 44 and measuring the charge amount.

【0025】まず、被測定表面16の凹凸の測定につい
て説明する。
First, the measurement of the unevenness of the surface 16 to be measured will be described.

【0026】非接触光変位測定系44により、被測定表
面16の凹凸を測定して、その信号をスイッチ回路34
に出力する。
The unevenness of the surface 16 to be measured is measured by the non-contact optical displacement measuring system 44, and the signal is transmitted to the switch circuit 34.
Output to

【0027】第1の解析部36Aは、非接触光変位測定
系44からの信号を解析するように動作され、その結果
を制御部38へ出力する。
The first analysis unit 36A is operated to parse the signal from the non-contact optical displacement measuring system 44, and outputs the result to the control unit 38.

【0028】その結果、第1の解析部36Aを経た凹凸
情報は、制御部38からピエゾステージ20に送られた
XY座標信号と共にメモリ46に記憶される。同時にメ
モリ46の記憶内容は、第2の表示部48に表示され
る。
As a result, the unevenness information that has passed through the first analysis unit 36A is stored in the memory 46 together with the XY coordinate signal sent from the control unit 38 to the piezo stage 20. At the same time, the contents stored in the memory 46 are displayed on the second display unit 48.

【0029】この実施例は、導電性材質プローブ58に
周波数シンセサイザー60から変調された電位を与える
ことによって、カンチレバー14を振動させ、変調周波
数を変化させたとき、該カンチレバー14の振動振幅が
最大となる変調周波数fを求 め、この変調周波数fから被
測定表面16の電荷量を検出するものであり、次に、た
わみ検出手段22による検出値に基づいて、電荷を測定
する過程について詳細に説明する。
In this embodiment, a conductive material probe 58 is used.
Give a modulated potential from the frequency synthesizer 60
This causes the cantilever 14 to vibrate,
When the number is changed, the vibration amplitude of the cantilever 14 becomes
The modulation frequency f with the maximum calculated Me, from the modulation frequency f
It is used to detect the amount of charge of the measurement surface 16, then the deflection based on the detected value by the detecting unit 22 will be described in detail the process of measuring the charge.

【0030】カンチレバー14のたわみ量は、被測定表
面16とプローブ18間のクーロン力に比例する。
The amount of deflection of the cantilever 14 is proportional to the Coulomb force between the surface 16 to be measured and the probe 18.

【0031】レーザダイオード26からのレーザ光のカ
ンチレバー14への入射角度は一定であるので、カンチ
レバー14がたわむことによって、反射光の方向が変化
する。
Since the incident angle of the laser beam from the laser diode 26 to the cantilever 14 is constant, the direction of the reflected light changes as the cantilever 14 bends.

【0032】反射光は、開口54を介して第2の光検出
器30によって受光され、出力信号Bとなって検出部3
2に入力する。ここで、カンチレバー14のたわみ量が
変化すると開口54を通過する光の量が変化するので、
出力信号Bの強度変化となる。第2の光検出器30の受
光面積が、光ビーム径より小さい場合には、開口54を
省略することができる。
The reflected light is received by the second photodetector 30 through the opening 54 and becomes an output signal B, which is output by the detector 3
Enter 2 Here, when the amount of deflection of the cantilever 14 changes, the amount of light passing through the opening 54 changes.
The intensity of the output signal B changes. When the light receiving area of the second photodetector 30 is smaller than the light beam diameter, the opening 54 can be omitted.

【0033】一方、レーザダイオード26からの出力光
の一部は、ビームスプリッター52によって第1の光検
出器28に導かれ、ここでその光強度が検出され、出力
Aとなって検出部32に入力される。
On the other hand, a part of the output light from the laser diode 26 is guided to the first photodetector 28 by the beam splitter 52, where the light intensity is detected, and becomes the output A to the detection unit 32. Is entered.

【0034】検出部32の割算器32Aは、B/Aを演
算し、アンプ32Bを経て、信号をロックインアンプ6
に出力する。B/Aを信号として用いるのは、レーザ
ダイオード26自体の光強度変動による影響を除去し
て、正確な測定を行うためである。
The divider 32A of the detection unit 32 calculates B / A, and outputs the signal to the lock-in amplifier 6 via the amplifier 32B.
Output to 2 . The reason why B / A is used as a signal is to remove the influence of the light intensity fluctuation of the laser diode 26 itself and perform accurate measurement.

【0035】ロックインアンプ62、検出部32及び
周波数シンセサイザー60からの信号を第2の解析部3
Bに出力する
The lock-in amplifier 62, detection unit 32 and
The signal from the frequency synthesizer 60 is converted to a second analysis unit 3
6 Output to B.

【0036】第2の解析部36は、同時に周波数シン
セサイザー60からの信号に基づいて、信号2を処理す
るように動作され、その結果を制御部38へ出力する。
The second analysis unit 36 B simultaneously frequency Singh
Based on the signals from the synthesizers 60, it is operated to process the signal 2 and outputs the result to the control unit 38.

【0037】このとき、例えば図2に示されるように、
非接触変位測定系44による測定位置とプローブ18の
Y軸方向の間隔がY0(既知)としたとき、メモリ46
からY0前の凹凸情報を読出し、これを基準点Z0とし
て、このZ0に被測定表面16の所定位置がセットされ
るように、前もって制御部38でピエゾステージ20を
移動しておく。
At this time, for example, as shown in FIG.
Assuming that the distance between the position measured by the non-contact displacement measuring system 44 and the probe 18 in the Y-axis direction is Y0 (known), the memory 46
The piezo stage 20 is moved by the control unit 38 in advance so that a predetermined position of the surface 16 to be measured is set to the reference point Z0 using the information as the reference point Z0.

【0038】次に解析部36を経たB/Aの信号2が一
定となるようにピエゾステージ20をZ軸方向に移動
し、導電性材質プローブ58に周波数シンセサイザー6
0を経て変調された電位を与えると、カンチレバー14
が振動する。
Next, the piezo stage 20 is moved in the Z-axis direction so that the B / A signal 2 that has passed through the analysis unit 36 becomes constant.
Then, the frequency synthesizer 6 is connected to the conductive material probe 58.
When a modulated potential is applied through 0, the cantilever 14
Vibrates.

【0039】従って、カンチレバー14先端で反射され
たレーザ光は、その反射状態が変化するために、第2の
光検出器30の出力変化を、変化量ΔBとして得ること
ができる。
Accordingly, the laser light reflected at the tip of the cantilever 14 changes its reflection state, so that the output change of the second photodetector 30 can be obtained as a change amount ΔB.

【0040】ここで、カンチレバー14の曲りと第2の
光検出器30の出力Bとの関係は、図に示されるよう
になっている。
[0040] Here, the relationship between the output B of the bend and the second optical detector 30 of the cantilever 14 is made as shown in Figure 3.

【0041】図から、第2の光検出器30の位置によ
って、カンチレバー14の曲りが零のときの状態を、同
図のC1〜C5の任意の点にセットできることが分かる。
From FIG. 3 , it can be seen that the state when the bending of the cantilever 14 is zero can be set to any point of C1 to C5 in FIG. 3 depending on the position of the second photodetector 30.

【0042】この実施例では、例えば図の曲線C3を
得るように、開口54及び第2の光検出器30の位置を
設定する。曲線C3上では、カンチレバー14の曲りに
対してa点までの範囲では第2の光検出器30の出力B
はほぼ直線状態となる。
[0042] In this embodiment, for example, so as to obtain a curve C3 in FIG. 3, to set the position of the opening 54 and the second photodetector 30. On the curve C3, the output B of the second photodetector 30 in the range up to the point a for the bending of the cantilever 14
Is in a substantially linear state.

【0043】一方、非接触光変位測定系44で測定した
被測定表面16の凹凸情報は、メモリ46に予め記憶さ
れていて、制御部38はこの情報を読出して、被測定表
面16の、プローブ18に対するZ軸方向の距離が一定
(始点)となるように制御信号を出力し、その状態に保
持する。このため、前記始点におけるカンチレバー14
の曲りの相違があっても、カンチレバー14の振動振幅
の大きさはΔB/Aに反映することになる。
On the other hand , the unevenness information of the surface 16 to be measured measured by the non- contact optical displacement measuring system 44 is stored in the memory 46 in advance. A control signal is output so that the distance in the Z-axis direction with respect to 18 is constant (start point), and the state is maintained. Therefore, the cantilever 14 at the starting point
, The magnitude of the vibration amplitude of the cantilever 14 is reflected in ΔB / A.

【0044】なお、このとき、振動中のカンチレバー1
4の最大曲りがあっても、図における曲線C3の略直
線部分、即ちリニアな範囲を超えないように、集光レン
ズ53、開口54の径、レーザダイオード26とプロー
ブ18の距離、プローブ18と第2の光検出器30の距
離等を予め設定しておく。
At this time, the vibrating cantilever 1
4, the diameter of the condenser lens 53, the diameter of the opening 54, the distance between the laser diode 26 and the probe 18, the probe 18, so as not to exceed the substantially linear portion of the curve C 3 in FIG. And the distance between the second photodetector 30 and the like are set in advance.

【0045】上記のように周波数シンセサイザー30に
よって、変調周波数を変化させ、カンチレバー14の振
動振幅が最大となる変調周波数fを、ΔB/Aから求め
る。このとき、ロックインアンプ62には、周波数シン
セサイザー30からの変調周波数fを参照信号として入
力し、ΔB/Aの信号成分のうち、変調周波数fの近傍
の信号だけをロックインアンプ62で狭帯域増幅して検
出する。従って外部の振動等による雑音に影響されるこ
となく、所望の信号だけをS/N良く検出することが可
能となる。
As described above, the modulation frequency is changed by the frequency synthesizer 30, and the modulation frequency f at which the vibration amplitude of the cantilever 14 becomes maximum is obtained from ΔB / A. At this time, the modulation frequency f from the frequency synthesizer 30 is input to the lock-in amplifier 62 as a reference signal, and of the ΔB / A signal components, only the signal near the modulation frequency f is narrowed by the lock-in amplifier 62. Amplify and detect. Therefore, it is possible to detect only a desired signal with good S / N without being affected by noise due to external vibration or the like.

【0046】この変調周波数fは、カンチレバー14の
固有振動数f0近傍となるが、プローブ18と被測定表面
16間のクーロン力に基づく引力が与えられているとき
は、変調周波数fは高周波数側へずれることになる。
This modulation frequency f is close to the natural frequency f0 of the cantilever 14, but when an attractive force based on the Coulomb force between the probe 18 and the surface 16 to be measured is applied, the modulation frequency f becomes higher. Will be shifted.

【0047】従って、このずれ量Δf=f−f0により、ク
ーロン力即ち表面電荷量を知ることができ、その結果を
第1の表示部42で表示する。
[0047] Therefore, the amount of deviation Δf = f-f0, it is possible to know the Coulomb force or surface charge amount, and the results
The information is displayed on the first display unit 42.

【0048】上記のような測定を、ピエゾステージ20
をX方向及びY方向に適宜間隔で移動して、XY平面内
の凹凸と電荷量を順次測定表示すればよい。なおメモリ
ー46は、移動間隔をyとすれば、最大で(Yo/y+
1)点のX、Y、Zの内容を記憶する容量を保有してい
ればよく、電荷の測定を行い、第1の表示部に表示し、
Y軸をy移動した後に、凹凸の計測をし、第2の表示部
に表示した段階で、内容を順次書替えつつ計測を行えば
良い。又、あるいは、メモリー46の容量を大きくとれ
ば、最初にXY平面全体に渡って凹凸を計測し、記憶し
ておいて、電荷の測定を行っても良い。なお、非接触変
位測定系44の測定位置と導電性材質プローブ8の位
置は、Y軸方向に間隔をもたせた場合について説明した
が、これはX軸方向でも良いし、メモリーとの兼ね合い
で、その中間の軸であっても良いことは明白である。
The measurement as described above is performed on the piezo stage 20.
May be moved at appropriate intervals in the X and Y directions to sequentially measure and display the unevenness and the charge amount in the XY plane. The memory 46 stores (Yo / y +
1) It suffices to have a capacity for storing the contents of X, Y, and Z of the point, measure the charge, display it on the first display unit,
After moving the Y-axis by y, the unevenness is measured, and when the information is displayed on the second display unit, the measurement may be performed while the contents are sequentially rewritten. Alternatively, if the capacity of the memory 46 is increased, the unevenness may be measured first over the entire XY plane and stored, and then the charge may be measured. The position of the measurement position and the conductive material probe 5 8 of the non-contact displacement measurement system 44 has been described for the case where remembering intervals in the Y-axis direction, which may be the X-axis direction, in view of the memory It is clear that the intermediate axis may be used.

【0049】なお、図1の実施例においては、カンチレ
バー14のたわみ量が一定値となるようにピエゾステー
ジ20をZ軸方向に移動させてから電荷量を測定するよ
うにしたものであるが、本発明はこれに限定されるもの
でなく、ピエゾステージ20は、非接触光変位測定系4
4での被測定表面16の凹凸情報によってのみZ軸方向
に移動させ、且つ、電荷量は検出部32の出力信号強度
に基づいて検出するようにしてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 1, the piezo stage 20 is moved in the Z-axis direction so that the amount of deflection of the cantilever 14 becomes a constant value, and then the amount of charge is measured. The present invention is not limited to this, and the piezo stage 20 includes the non-contact optical displacement measuring system 4.
4 may be moved in the Z-axis direction only based on the unevenness information of the surface 16 to be measured, and the charge amount may be detected based on the output signal intensity of the detection unit 32.

【0050】上記実施例では、変調周波数fとカンチレ
バー14の固有振動数f0の差から被測定表面16の電荷
量を求めているが、図の構成のままで、他の方法で電
荷量を求めるようにしてもよい。
The above you施例is seeking charge amount of the surface to be measured 16 from the difference between the natural frequency f0 of the modulation frequency f and the cantilever 14, while the arrangement of FIG. 1, the charge in other ways The amount may be determined.

【0051】第の発明について次に記す。例えば、上
記実施例の測定過程におけるΔB/Aが最大となる変調
周波数fを、ロックインアンプ62で固定し、且つこの
ロックインアンプ62で、周波数シンセサイザー60か
らの参照信号に対する、ΔB/Aの検出信号の位相遅れ
を検出し、これに基づいて電荷量を検知するようにして
もよい。
The second invention is described below. For example, the modulation frequency f at which ΔB / A is maximum in the measurement process of the above-described embodiment is fixed by the lock-in amplifier 62, and the lock-in amplifier 62 controls the ΔB / A of the reference signal from the frequency synthesizer 60. The phase delay of the detection signal may be detected, and the charge amount may be detected based on the detection.

【0052】第の発明について次に記す。上記図
実施例においては、変調周波数fを求めるようにしてい
るが、ΔB/Aの信号2から、ロックインアンプ62を
用いて、カンチレバー14の振動中心位置変化を求め、
この変化から、被測定表面16の電荷量を求めるように
してもよい。なお、この場合には、基準の振動中心が図
でC3カーブの時、a点となるようにし、ロックインア
ンプ62のΔB/A出力信号が最小となるようにZ軸を
移動し、Z軸方向移動量信号に基づいて、振動中心位置
変化量を求め、電荷量を測定すれば良い。又、第2の光
検出器に、受光位置検出型光検出器を用いて、移動中心
位置変化を求めるようにしても良い。この場合にはロッ
クインアンプを用いず、受光位置検出型光検出器の出力
をそのまま用いれば良い。この場合には計測時間が短く
て済む利点がある。
The third invention will be described below. In the embodiment of FIG. 1 described above, the modulation frequency f is obtained, but the change in the vibration center position of the cantilever 14 is obtained from the signal 2 of ΔB / A by using the lock-in amplifier 62.
From this change, the charge amount of the surface 16 to be measured may be obtained. In this case, the reference vibration center is
In the case of the C3 curve in FIG. 4 , the point a is set, the Z axis is moved so that the ΔB / A output signal of the lock-in amplifier 62 is minimized, and the vibration center position change is performed based on the Z axis direction movement amount signal. What is necessary is just to obtain the amount and measure the charge amount. Further, a change in the movement center position may be obtained by using a light-receiving position detection type photodetector as the second photodetector. In this case, the output of the light receiving position detection type photodetector may be used as it is without using the lock-in amplifier. In this case, there is an advantage that the measurement time is short.

【0053】第、第、第の発明のロックインアン
プ62を用いる場合には、外部ノイズに影響されずに安
定した計測が可能であるという利点がある。
The use of the lock-in amplifier 62 according to the first , second and third inventions has the advantage that stable measurement can be performed without being affected by external noise.

【0054】なお、上記各実施例においては、非接触光
変位測定系44により、被測定表面16の凹凸を予め求
めるようにしているが、被測定表面16にほとんど凹凸
がない場合は、非接触光変位測定系44による凹凸の測
定は不要である。
In each of the above embodiments, the unevenness of the surface 16 to be measured is determined in advance by the non-contact optical displacement measuring system 44. It is not necessary to measure the unevenness by the optical displacement measurement system 44.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、第1、2、3発明に係る実施例を示す
ブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment according to the first, second , and third inventions.

【図2】図2は、図1の実施例装置による測定過程を示
す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a measurement process performed by the apparatus of the embodiment shown in FIG.

【図3】図は、図の実施例におけるカンチレバーの
曲りと第2の光検出器の出力との関係を示す線図であ
る。
Figure 3 is a graph showing the relationship between the output of the bend and the second optical detector of the cantilever in the embodiment of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

0…表面電荷分布測定装置、12…ホルダー、14…
カンチレバー、16…被測定表面 0…ピエゾステー
ジ、22…たわみ検出手段、24…電荷検出手段、26
…レーザダイオード、28…第1の光検出器、30…第
2の光検出器、38…制御部、44…非接触光変位測定
系、46…メモリー、56…受光位置検出型光検出器、
58…導電性材質プローブ、60…周波数シンセサイザ
ー。
10 : Surface charge distribution measuring device, 12: Holder, 14:
Cantilever, 16: surface to be measured , 20 : piezo stage, 22: deflection detecting means, 24: charge detecting means, 26
... Laser diode, 28 ... First photodetector, 30 ... Second photodetector, 38 ... Control unit, 44 ... Non-contact light displacement measuring system, 46 ... Memory, 56 ... Light-receiving position detection type photodetector,
58: Conductive material probe, 60: Frequency synthesizer.

フロントページの続き (56)参考文献 実開 平4−73809(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 29/14 G01R 29/12 G01R 29/24 G01N 37/00 H01J 37/28 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) References JP-U 4-73809 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01R 29/14 G01R 29/12 G01R 29/24 G01N 37 / 00 H01J 37/28 JICST file (JOIS)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ホルダーに片持ち支持されたカンチレバー
と、このカンチレバーの先端に、被測定表面に向けて取
付けられた導電性材質プローブと、このプローブに対し
て前記被測定表面を、両者間のZ軸方向の距離が原子間
力の作用範囲よりも大きく、且つ、クーロン力の作用範
囲にあるように移動し、維持すると共に、X・Y軸方向
に相対移動させるための移動手段と、前記プローブに変
調された電位を与える電位付与手段と、前記変調周波数
を変化させたとき、前記カンチレバーの振動振幅が最大
となる変調周波数f を決定し、この変調周波数fから被
測定表面の電荷量を検出する電荷検出手段と、を有して
なる表面電荷分布測定装置。
1. A cantilever supported by a holder in a cantilever manner, a conductive material probe attached to a tip of the cantilever toward a surface to be measured, and the surface to be measured with respect to the probe is disposed between the both. Moving means for moving and maintaining the distance in the Z-axis direction larger than the range of action of the atomic force and within the range of action of the Coulomb force, and for relative movement in the X and Y axes; Potential applying means for applying a potential modulated to the probe, and when the modulation frequency is changed, a modulation frequency f at which the oscillation amplitude of the cantilever becomes maximum is determined, and the charge amount of the surface to be measured is determined from the modulation frequency f. A surface charge distribution measuring device, comprising: a charge detecting means for detecting.
【請求項2】ホルダーに片持ち支持されたカンチレバー
と、このカンチレバーの先端に、被測定表面に向けて取
付けられた導電性材質プローブと、このプローブに対し
て前記被測定表面を、両者間のZ軸方向の距離が原子間
力の作用範囲よりも大きく、且つ、クーロン力の作用範
囲にあるように移動し、維持すると共に、X・Y軸方向
に相対移動させるための移動手段と、前記プローブに固
定周波数の電位を与える固定電位付与手段と、前記プロ
ーブへの電位付与時の前記カンチレバーの振動の位相遅
れから、被測定表面の電荷量を検出する電荷検出手段
と、を有してなる表面電荷分布測定装置。
2. A cantilever supported by a holder in a cantilever manner, a conductive material probe attached to a tip of the cantilever toward a surface to be measured, and the surface to be measured with respect to the probe. Moving means for moving and maintaining the distance in the Z-axis direction larger than the range of action of the atomic force and within the range of action of the Coulomb force, and for relative movement in the X and Y axes; A fixed potential applying means for applying a fixed frequency potential to the probe; and a charge detecting means for detecting a charge amount of the surface to be measured from a phase delay of oscillation of the cantilever at the time of applying the potential to the probe. Surface charge distribution measuring device.
【請求項3】ホルダーに片持ち支持されたカンチレバー
と、このカンチレバーの先端に、被測定表面に向けて取
付けられた導電性材質プローブと、このプローブに対し
て前記被測定表面を、両者間のZ軸方向の距離が原子間
力の作用範囲よりも大きく、且つ、クーロン力の作用範
囲にあるように移動し、維持すると共に、X・Y軸方向
に相対移動させるための移動手段と、前記プローブに固
定周波数の電位を与える固定電位付与手段と、前記プロ
ーブへの電位付与時の前記カンチレバーの振動の振動中
心位置の変化から、被測定表面の電荷量を検出する電荷
検出手段と、を有してなる表面電荷分布測定装置。
3. A cantilever supported by a holder in a cantilever manner, a conductive material probe attached to a tip of the cantilever toward a surface to be measured, and the surface to be measured with respect to the probe. Moving means for moving and maintaining the distance in the Z-axis direction larger than the range of action of the atomic force and within the range of action of the Coulomb force, and for relative movement in the X and Y axes; Fixed electric potential applying means for applying an electric potential of a fixed frequency to the probe; and electric charge detecting means for detecting the electric charge on the surface to be measured from a change in the vibration center position of the vibration of the cantilever when applying an electric potential to the probe. Surface charge distribution measuring device.
【請求項4】請求項1乃至のいずれかにおいて、前記
被測定表面のZ軸方向の凹凸を非接触で測定すると共
に、該測定値を記憶するメモリーを有する変位測定手段
を備え、前記移動手段は、前記変位測定手段の記憶され
た測定値に基づき、表面電荷測定時に、前記プローブと
被測定表面間の距離の基準値を設定するようにされたこ
とを特徴とする表面電荷分布測定装置。
4. In any of claims 1 to 3, wherein while measuring the Z axis direction of the unevenness of the surface to be measured without contact, comprising a displacement measuring means having a memory for storing the measured value, the mobile Means for setting a reference value of the distance between the probe and the surface to be measured at the time of measuring the surface charge based on the measured value stored by the displacement measuring means; .
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