JP3274087B2 - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

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JP3274087B2
JP3274087B2 JP18706797A JP18706797A JP3274087B2 JP 3274087 B2 JP3274087 B2 JP 3274087B2 JP 18706797 A JP18706797 A JP 18706797A JP 18706797 A JP18706797 A JP 18706797A JP 3274087 B2 JP3274087 B2 JP 3274087B2
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signal
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和俊 渡辺
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セイコーインスツルメンツ株式会社
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32AC mode
    • G01Q60/34Tapping mode

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡の分野に属し、特にカンチレバー探針と試料間に働
く力を利用した走査型原子間力顕微鏡の分野に属する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the field of scanning probe microscopes, and particularly to the field of scanning atomic force microscopes utilizing a force acting between a cantilever probe and a sample.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡の原理は、プロー
ブと試料を接近させた時の両者に作用する物理量を利用
することにあり、この種の顕微鏡は、前記物理量がプロ
ーブに及ぼす影響を測定することにより、試料表面物理
量観察を目的とした新しいタイプの顕微鏡の一種であ
る。
2. Description of the Related Art The principle of a scanning probe microscope is to use a physical quantity acting on both a probe and a sample when approaching the sample. This type of microscope measures the influence of the physical quantity on the probe. This is a new type of microscope for observing the physical quantity of the sample surface.

【0003】走査型原子間力顕微鏡は、走査型プローブ
顕微鏡の一種であり、カンチレバー探針と試料間に作用
する原子間力を利用して、カンチレバー探針と試料間の
距離を制御するものである。走査型原子間力顕微鏡で
は、前記カンチレバー探針と試料間の距離を一定に制御
しながら、試料の面内方向に、圧電素子などの微動機構
にて面内走査し、カンチレバー探針と試料間の距離を制
御する圧電素子などの微動機構の制御量を画像化するこ
とにより、試料表面の形状あるいは物理量などを観察す
ることができる。
A scanning atomic force microscope is a kind of a scanning probe microscope, and controls a distance between a cantilever probe and a sample by using an atomic force acting between the cantilever probe and the sample. is there. In a scanning atomic force microscope, while controlling the distance between the cantilever probe and the sample to be constant, in-plane scanning is performed in the in-plane direction of the sample by a fine movement mechanism such as a piezoelectric element, and the distance between the cantilever probe and the sample is adjusted. By imaging a control amount of a fine movement mechanism such as a piezoelectric element for controlling the distance of the sample, the shape or physical quantity of the sample surface can be observed.

【0004】走査型原子間力顕微鏡の測定手法には2種
類の手法がよく知られている。ひとつは、直流的手法
で、カンチレバー探針を常に試料表面に接触した状態
で、カンチレバー探針と試料間の距離を一定に制御しな
がら、試料面内を圧電素子などの微動機構にて走査し、
カンチレバー探針と試料間の距離を制御する圧電素子な
どの微動機構の制御量を画像化する手法である。
There are two well-known scanning atomic force microscope measurement techniques. One is a direct current method, in which the cantilever tip is constantly in contact with the sample surface and the inside of the sample surface is scanned by a fine movement mechanism such as a piezoelectric element while keeping the distance between the cantilever tip and the sample constant. ,
This is a technique for imaging the control amount of a fine movement mechanism such as a piezoelectric element that controls the distance between the cantilever probe and the sample.

【0005】もうひとつは、交流的手法で、カンチレバ
ー探針をその共振周波数近傍の周波数(10数KHzか
ら数100KHz)にて他励振動させ、カンチレバー探
針と試料間の距離は交流的には他励振動周波数にて時間
的に変化するが、カンチレバー探針と試料間の平均的な
距離は、一定に制御することが可能であり、直流的手法
と同様に、試料面内を圧電素子などの微動機構にて走査
し、カンチレバー探針と試料間の距離を制御する圧電素
子などの微動機構の制御量を画像化する手法である。
The other is an AC method in which the cantilever probe is separately excited at a frequency near its resonance frequency (from several tens of kHz to several hundreds of kHz), and the distance between the cantilever probe and the sample is changed by AC. The average distance between the cantilever tip and the sample can be controlled to a constant value, although it changes with time at the separately excited vibration frequency. Is a method of scanning with the fine movement mechanism and imaging the control amount of the fine movement mechanism such as a piezoelectric element for controlling the distance between the cantilever probe and the sample.

【0006】図2を参照しながら直流的手法での動作原
理について、図3を参照しながら交流的手法での動作原
理について説明する。
The principle of operation in the DC method will be described with reference to FIG. 2, and the principle of operation in the AC method will be described with reference to FIG.

【0007】図2で、1はカンチレバー、2はカンチレ
バー1に構成された探針部であり、試料6と探針2間に
作用する原子間力によってカンチレバー1が変形する。
その変形量が、半導体レーザ3および半導体レーザ3か
らカンチレバー1に照射されたレーザ光の反射光を検出
するフォトディテクタ4及びフォトディテクタ4からの
信号を増幅する変位検出部7により検出される。変位検
出部7により検出された変位信号は直流信号であり、8
のZ制御部へ送られ、変位設定値と比較演算された後、
圧電素子5のZ方向制御電極を駆動し、探針2と試料6
間の距離を制御する。Z制御部8は、一般的には比例積
分制御が採用されることが多い。
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a cantilever, and reference numeral 2 denotes a probe formed on the cantilever 1. The cantilever 1 is deformed by an atomic force acting between the sample 6 and the probe 2.
The amount of the deformation is detected by the semiconductor laser 3, the photodetector 4 for detecting the reflected light of the laser light emitted from the semiconductor laser 3 to the cantilever 1, and the displacement detection unit 7 for amplifying the signal from the photodetector 4. The displacement signal detected by the displacement detector 7 is a DC signal,
After being sent to the Z control unit and compared with the displacement set value,
By driving the Z-direction control electrode of the piezoelectric element 5, the probe 2 and the sample 6
Control the distance between. Generally, the Z control unit 8 often employs proportional integral control.

【0008】このような状態でコンピュータ10からの
指令により、XY面内走査部9を介して、圧電素子5の
X、Y電極を駆動することにより、試料6の面内を走査
し、走査位置に対応したZ制御部8の出力を表示部11
に表示することにより、試料表面の凹凸情報を画像化す
ることができる。
In this state, the X and Y electrodes of the piezoelectric element 5 are driven via the XY in-plane scanning unit 9 by a command from the computer 10 to scan the surface of the sample 6 and scan the position. The output of the Z control unit 8 corresponding to
, It is possible to image unevenness information on the sample surface.

【0009】図3で、カンチレバー励振ピエゾ13にカ
ンチレバー1が取り付けられ、発振部14から出力され
るカンチレバー1の共振周波数近傍の励振周波数によっ
て、カンチレバー励振ピエゾ13が励振され、ひいては
カンチレバー1自身も励振される。試料6と探針2間に
作用する原子間力によってカンチレバー1の振動振幅状
態が変化する。その振動振幅量は、半導体レーザ3およ
び半導体レーザ3からカンチレバー1に照射されたレー
ザ光の反射光を検出するフォトディテクタ4及びフォト
ディテクタ4からの信号を増幅する変位検出部7により
検出される。
In FIG. 3, the cantilever 1 is attached to the cantilever excitation piezo 13, and the cantilever excitation piezo 13 is excited by the excitation frequency outputted from the oscillation section 14 near the resonance frequency of the cantilever 1, and the cantilever 1 itself is also excited. Is done. The state of the vibration amplitude of the cantilever 1 changes due to the atomic force acting between the sample 6 and the probe 2. The vibration amplitude is detected by the semiconductor laser 3, the photodetector 4 that detects the reflected light of the laser light emitted from the semiconductor laser 3 to the cantilever 1, and the displacement detector 7 that amplifies the signal from the photodetector 4.

【0010】変位検出部7により検出された変位信号は
交流信号でありRMS−DC変換部12を介して、直流
信号となり、8のZ制御部へ送られ、変位設定値と比較
演算された後、圧電素子5のZ方向制御電極を駆動し、
探針2と試料6間の距離を制御する。このような状態で
コンピュータ10からの指令により、XY面内走査部9
を介して、圧電素子5のX、Y電極を駆動することによ
り、試料6の面内を走査し、走査位置に対応したZ制御
部8の出力を表示部11に表示することにより、試料表
面の凹凸情報を画像化することができる。
The displacement signal detected by the displacement detection unit 7 is an AC signal, becomes a DC signal via the RMS-DC conversion unit 12, is sent to the Z control unit 8, and is compared with a displacement set value. Driving the Z-direction control electrode of the piezoelectric element 5,
The distance between the probe 2 and the sample 6 is controlled. In this state, the scanning unit 9 in the XY plane is controlled by a command from the computer 10.
By driving the X and Y electrodes of the piezoelectric element 5 through the interface, the surface of the sample 6 is scanned, and the output of the Z control unit 8 corresponding to the scanning position is displayed on the display unit 11, thereby displaying the sample surface. Can be imaged.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】図2の構成での走査型
原子間力顕微鏡での、試料をZ方向に駆動させる圧電素
子5の駆動電圧に対する、変位検出部7間の典型的な関
係は図4のようになることが知られている。カンチレバ
ー探針部を一旦試料に接触した後で、圧電素子5のZ駆
動電圧を探針2と試料間の距離を遠ざける方向に印可し
ても、試料表面の吸着層にカンチレバー探針部がトラッ
プされてこのような性質を有すると解釈されている。
The typical relationship between the displacement detector 7 and the drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction in the scanning atomic force microscope having the configuration shown in FIG. It is known that the result is as shown in FIG. Even after the cantilever probe is once in contact with the sample, even if the Z drive voltage of the piezoelectric element 5 is applied in a direction to increase the distance between the probe 2 and the sample, the cantilever probe traps in the adsorption layer on the sample surface. Has been interpreted to have such properties.

【0012】このような状態で、図8のような表面形状
を有する試料6の表面を測定した場合、探針2部は試料
6の表面にトラップされているので、変位検出部7の信
号は、試料表面の形状を反映した信号を生成し、正確な
表面形状を測定することが比較的容易である。しかしな
がら、図2のような測定の場合、試料6の表面の吸着層
に探針2がトラップされるため、吸着層の表面張力によ
り、試料表面が柔らかい場合、試料表面にダメージを与
えながら測定することが多いことが欠点として知られて
いる。
In this state, when the surface of the sample 6 having the surface shape as shown in FIG. 8 is measured, since the probe 2 is trapped on the surface of the sample 6, the signal of the displacement detector 7 is It is relatively easy to generate a signal reflecting the shape of the sample surface and measure the accurate surface shape. However, in the case of the measurement as shown in FIG. 2, since the probe 2 is trapped in the adsorption layer on the surface of the sample 6, when the sample surface is soft due to the surface tension of the adsorption layer, the measurement is performed while damaging the sample surface. It is often known as a drawback.

【0013】前記欠点を補う測定手法として実現されて
いるのが、図3の構成であり、この場合の試料をZ方向
に駆動させる圧電素子5の駆動電圧に対する、RMS−
DC変換部12間の典型的な関係は図9のようになるこ
とが知られている。図3での測定では、探針2部は試料
6の表面にトラップされず、試料表面が柔らかい場合で
も、試料表面にダメージを与えにくく、忠実な試料表面
形状を測定することが可能である。さらに、設定動作点
を図9のA側に近い動作点に設定すればするほど、探針
2と試料6間に作用する力は小さく、より忠実な試料表
面の形状を測定することができる。
FIG. 3 shows a configuration implemented as a measuring method for compensating for the above-mentioned drawback. In this case, the RMS-to-drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction is measured.
It is known that a typical relationship between the DC converters 12 is as shown in FIG. In the measurement in FIG. 3, the probe 2 is not trapped on the surface of the sample 6, and even if the sample surface is soft, the sample surface is hardly damaged, and a faithful sample surface shape can be measured. Further, the more the set operating point is set to an operating point closer to the side A in FIG. 9, the smaller the force acting between the probe 2 and the sample 6, and the more faithful the shape of the sample surface can be measured.

【0014】しかしながら、試料表面の凹凸形状に対し
て、凹部に探針が走査された場合、つまり探針2と試料
6間の相対距離が遠ざかる場合、制御系全体の応答性に
も依存するが、RMS−DC変換部12の信号は図9の
A点の値で飽和し、結果として制御系全体の応答速度は
遅く、面内走査をゆっくり行いながら測定することが必
要となり、この装置のスループット向上の制限事項とな
っていた。
However, when the probe scans the concave portion with respect to the concave and convex shape of the sample surface, that is, when the relative distance between the probe 2 and the sample 6 increases, it also depends on the responsiveness of the entire control system. , The signal of the RMS-DC converter 12 saturates at the value of point A in FIG. 9, and as a result, the response speed of the entire control system is slow, and it is necessary to perform measurement while performing in-plane scanning slowly. It was a limitation of improvement.

【0015】従来、かかる問題を解決するためには、圧
電素子5自体の剛性の向上及び、試料6とカンチレバー
1を保持する構造体の剛性を向上させるなどして応答性
の改善につとめていたが、図3の交流的測定手法では本
質的に図9のような性質を有しているため、おのずと限
界があった。
Conventionally, in order to solve such a problem, the stiffness of the piezoelectric element 5 itself and the stiffness of the structure holding the sample 6 and the cantilever 1 have been improved to improve the responsiveness. The AC measurement method shown in FIG. 3 inherently has the properties shown in FIG.

【0016】本発明は、上記の問題を解決することにあ
り、図3の交流的測定手法でのスループットを向上させ
ることが目的である。つまり、探針2と試料6の間に作
用する力を極力小さく設定し、試料表面の測定に際する
試料表面のダメージを小さく維持しながら、なおかつ測
定のスループットを向上させることが課題となる。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to improve the throughput in the AC measurement method shown in FIG. In other words, it is an object to set the force acting between the probe 2 and the sample 6 as small as possible, and to improve the measurement throughput while keeping the sample surface damage at the time of measuring the sample surface small.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】これまで記載したよう
に、探針2と試料6の間に作用する力を極力小さく設定
し、試料表面の測定を行う際の測定のスループットの向
上を阻害する要因は、カンチレバー探針と試料間の距離
を検出するセンサー信号の出力が、望まれる動作点(図
9のA点の値により近い値)からみて、前記カンチレバ
ー探針と試料間の距離が相対的に離れる方向側の方が接
近する側の方より、有効な検出範囲が狭いということに
ことに起因している。
As described above, the force acting between the probe 2 and the sample 6 is set as small as possible, which hinders the improvement of the measurement throughput when measuring the sample surface. The factor is that the distance between the cantilever probe and the sample is relatively small when the output of the sensor signal for detecting the distance between the cantilever probe and the sample is viewed from a desired operating point (a value closer to the value of point A in FIG. 9). This is because the effective detection range is narrower on the side that is farther away than on the side that approaches closer.

【0018】本発明では、センサー信号が図9のA点の
値(あるいはA点に近い値)を出力している場合、この
信号をカンチレバー探針と試料間の距離のフィードバッ
ク信号にそのまま使用するのではなく、図9のA点の値
(あるいはA点に近い値)が出力されている間、ある時
間関数(積分演算など)で修飾演算した値を仮想センサ
ー信号として生成し、その値をカンチレバー探針と試料
間の距離を制御するフィードバック信号に使用する。
In the present invention, when the sensor signal outputs the value at point A (or a value close to point A) in FIG. 9, this signal is used as it is as a feedback signal for the distance between the cantilever probe and the sample. Instead, while the value at point A (or a value close to point A) in FIG. 9 is being output, a value modified by a certain time function (such as an integral operation) is generated as a virtual sensor signal, and the value is generated. Used for a feedback signal that controls the distance between the cantilever tip and the sample.

【0019】つまり、カンチレバー探針と試料間の距離
を検出するセンサーの出力が、図9のA点値(あるいは
A点に近い値)以下の場合はそのまま使用するが、図9
のA点の値(あるいはA点に近い値)が出力されている
場合は、時間関数による修飾演算により仮想センサー信
号を生成しこの信号をフィードバック信号として使用す
ることにより、カンチレバー探針と試料間の距離を制御
するフィードバック系の応答性を向上させ、ひいては測
定のスループットの向上を実現することができる。
That is, when the output of the sensor for detecting the distance between the cantilever probe and the sample is equal to or less than the value at point A (or a value close to point A) in FIG.
If the value at point A (or a value close to point A) is output, a virtual sensor signal is generated by a modification operation using a time function, and this signal is used as a feedback signal, so that the signal between the cantilever probe and the sample can be obtained. Responsiveness of the feedback system that controls the distance of the measurement can be improved, and the measurement throughput can be improved.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0021】図1は、本発明における走査型プローブ顕
微鏡のブロック図である。変位検出部7から出力される
信号は修飾演算部15に入力される。修飾演算部15で
は、変位検出部7の出力値の値を判断し、そのまま修飾
演算部15の出力として出力するか、修飾演算した値を
出力するかの判断を行う。
FIG. 1 is a block diagram of a scanning probe microscope according to the present invention. The signal output from the displacement detection unit 7 is input to the modification operation unit 15. The modification operation unit 15 determines the value of the output value of the displacement detection unit 7 and determines whether to output the value as it is as the output of the modification operation unit 15 or to output the value subjected to the modification operation.

【0022】図5は、他の実施例のブロック図である。
RMS−DC変換部12の出力は、カンチレバー1をカ
ンチレバー励振ピエゾ13でカンチレバーの共振周波数
近傍で振動させた時の、カンチレバー振動振幅量のRM
S−DC変換後の出力である。試料をZ方向に駆動させ
る圧電素子5の駆動電圧に対する、RMS−DC変換部
12間の典型的な関係は図9のようになる。
FIG. 5 is a block diagram of another embodiment.
The output of the RMS-DC converter 12 is the RM of the cantilever vibration amplitude when the cantilever 1 is vibrated by the cantilever excitation piezo 13 near the resonance frequency of the cantilever.
This is the output after S-DC conversion. FIG. 9 shows a typical relationship between the RMS-DC converter 12 and the drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction.

【0023】つまり、カンチレバー探針が試料に接近す
るほど、両者に作用する原子間力により、カンチレバー
の振動振幅は小さくなることを示している。図9のA点
の値(あるいはA点に近い値)が出力された場合に修飾
演算部にて仮想センサー信号を生成し、カンチレバー探
針と試料間の距離を制御するフィードバック信号として
使用する。修飾演算部の演算過程を以下に記述する。 1)変位検出部7の出力信号値が、A点の値(あるいは
A点に近い値)より小さい場合 修飾演算部15の出力は変位検出部7の出力値をそのま
ま出力する。 2)変位検出部7の出力信号値が、A点の値(あるいは
A点に近い値)であり、その状態が時間Tの間持続して
いる場合 修飾演算部15の出力は、たとえば Kdtで修飾演算
し出力する。
That is, the closer the cantilever tip approaches the sample, the smaller the vibration amplitude of the cantilever becomes due to the atomic force acting on both. When the value at point A (or a value close to point A) in FIG. 9 is output, a virtual sensor signal is generated by the modification operation unit and used as a feedback signal for controlling the distance between the cantilever probe and the sample. The operation process of the modification operation unit will be described below. 1) When the output signal value of the displacement detection unit 7 is smaller than the value at point A (or a value close to point A), the output of the modification operation unit 15 outputs the output value of the displacement detection unit 7 as it is. 2) When the output signal value of the displacement detection unit 7 is the value at the point A (or a value close to the point A) and the state is maintained for the time T, the output of the modification operation unit 15 is, for example, Kdt. Modification operation and output.

【0024】ここでKは、修飾演算の寄与率を決定する
定数である。上記1)、2)に記述したアルゴリズムを
採用して修飾演算部15からの仮想センサー信号を生成
することにより、カンチレバー探針と試料間の距離を制
御するフィードバック系の応答性を向上させる。
Here, K is a constant for determining the contribution ratio of the modification operation. The responsiveness of the feedback system that controls the distance between the cantilever probe and the sample is improved by generating the virtual sensor signal from the modification operation unit 15 by employing the algorithm described in the above 1) and 2).

【0025】図6は、他の実施例のブロック図である。
位相検出部16の出力は、カンチレバー1をカンチレバ
ー励振ピエゾ13でカンチレバーの共振周波数近傍で振
動させた時の、カンチレバー振動振幅と、カンチレバー
励振ピエゾ13をドライブする信号間の位相差を検出す
るものである。試料をZ方向に駆動させる圧電素子5の
駆動電圧に対する、位相検出部16間の典型的な関係は
図10のようになる。
FIG. 6 is a block diagram of another embodiment.
The output of the phase detection unit 16 detects the phase difference between the cantilever vibration amplitude and the signal driving the cantilever excitation piezo 13 when the cantilever 1 is vibrated by the cantilever excitation piezo 13 near the resonance frequency of the cantilever. is there. FIG. 10 shows a typical relationship between the phase detectors 16 with respect to the drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction.

【0026】つまり、カンチレバー探針が試料に接近す
るほど、両者に作用する原子間力により、カンチレバー
励振ピエゾ13をドライブする信号とフォトディテクタ
4で出力される信号間の位相差は広がっていくことを示
している。図10のA点の値が出力された場合に修飾演
算部にて仮想センサー信号を生成し、カンチレバー探針
と試料間の距離を制御するフィードバック信号として使
用する。修飾演算部の演算過程は請求項2での実施形態
と同様で、 1)位相検出部16の出力信号値が、A点の値(あるい
はA点に近い値)より小さい場合 修飾演算部15の出力は変位検出部7の出力値をそのま
ま出力する。 2)位相検出部16の出力信号値が、A点の値(あるい
はA点に近い値)であり、その状態が時間Tの間持続し
ている場合 修飾演算部15の出力は、たとえば Kdtで修飾演算
し出力する。
That is, as the cantilever tip approaches the sample, the phase difference between the signal driving the cantilever excitation piezo 13 and the signal output from the photodetector 4 increases due to the atomic force acting on both. Is shown. When the value at point A in FIG. 10 is output, the modification operation unit generates a virtual sensor signal and uses it as a feedback signal for controlling the distance between the cantilever probe and the sample. The operation process of the modification operation unit is the same as that of the second embodiment. 1) When the output signal value of the phase detection unit 16 is smaller than the value at the point A (or a value close to the point A), As the output, the output value of the displacement detection unit 7 is output as it is. 2) When the output signal value of the phase detection unit 16 is the value at the point A (or a value close to the point A) and the state is maintained for the time T. The output of the modification operation unit 15 is, for example, Kdt. Modification operation and output.

【0027】ここでKは、修飾演算の寄与率を決定する
定数である。
Here, K is a constant for determining the contribution ratio of the modification operation.

【0028】図7は、他の実施例のブロック図である。
カンチレバー1はカンチレバー励振ピエゾ13、カンチ
レバーの変位を検出するための半導体レーザ3、半導体
レーザ3からのカンチレバー1に照射されたレーザ光の
反射光を検出するフォトディテクタ4、カンチレバーの
変位を検出する変位検出部7、前記変位検出部7の出力
信号の位相を調整するフェイズシフタ18、カンチレバ
ーの振動振幅を調整するためのアッテネータ19で構成
される自励発振回路を構成している。従って、カンチレ
バー1はそれ自身の共振周波数で振動することになる。
F−V変換部20はカンチレバー1の自励発振周波数を
検出するための周波数−電圧変換回路である。
FIG. 7 is a block diagram of another embodiment.
The cantilever 1 includes a cantilever excitation piezo 13, a semiconductor laser 3 for detecting displacement of the cantilever, a photodetector 4 for detecting reflected light of laser light emitted from the semiconductor laser 3 onto the cantilever 1, and a displacement detection for detecting displacement of the cantilever. A self-excited oscillating circuit comprising a unit 7, a phase shifter 18 for adjusting a phase of an output signal of the displacement detecting unit 7, and an attenuator 19 for adjusting a vibration amplitude of a cantilever is configured. Therefore, the cantilever 1 vibrates at its own resonance frequency.
The FV converter 20 is a frequency-voltage conversion circuit for detecting the self-excited oscillation frequency of the cantilever 1.

【0029】試料をZ方向に駆動させる圧電素子5の駆
動電圧に対する、F−V変換部20間の典型的な関係は
図11のようになる。つまり、カンチレバー探針が試料
に接近するほど、両者に作用する原子間力により、カン
チレバーの共振周波数は小さくなることを示している。
図11のA点の値(あるいはA点に近い値)が出力され
た場合に修飾演算部にて仮想センサー信号を生成し、カ
ンチレバー探針と試料間の距離を制御するフィードバッ
ク信号として使用する。修飾演算部の演算過程は請求項
2での実施形態と同様で、 1)F−V変換部20の出力信号値が、A点の値(ある
いはA点に近い値)より小さい場合 修飾演算部15の出力は変位検出部7の出力値をそのま
ま出力する。 2)F−V変換部20の出力信号値が、A点の値(ある
いはA点に近い値)であり、その状態が時間Tの間持続
している場合 修飾演算部15の出力は、たとえば Kdtで修飾演算
し出力する。
FIG. 11 shows a typical relationship between the FV converter 20 and the drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction. In other words, the closer the cantilever tip approaches the sample, the lower the resonance frequency of the cantilever becomes due to the interatomic force acting on both.
When the value at point A (or a value close to point A) in FIG. 11 is output, a virtual sensor signal is generated by the modification operation unit and used as a feedback signal for controlling the distance between the cantilever probe and the sample. The operation of the modification operation unit is the same as that of the second embodiment. 1) When the output signal value of the FV conversion unit 20 is smaller than the value at point A (or a value close to point A) The output 15 outputs the output value of the displacement detection unit 7 as it is. 2) When the output signal value of the FV conversion unit 20 is the value at the point A (or a value close to the point A) and the state is maintained for the time T, the output of the modification operation unit 15 is, for example, The result is modified by Kdt and output.

【0030】ここでKは、修飾演算の寄与率を決定する
定数である。
Here, K is a constant for determining the contribution rate of the modification operation.

【0031】[0031]

【実施例】図12は、図5に記載したブロック図の実施
例である。図面を参照しながら説明する。A/D変換器
21は、RMS−DC変換器12の出力をデジタル値に
変換し、DSP(デジタルシグナルプロセッサ)22に
入力する。DSP22は、XY走査用D/A変換器24
を介して、圧電素子5を面内方向に(XY方向)走査す
る。またDSP22はA/D変換器21からのデジタル
データをもとにZ制御用D/A変換器23を介し、圧電
素子5のZ方向を駆動し、カンンチレバー探針と試料間
の距離を制御する。ここで、DSP22内ではプログラ
ムによって、デジタル制御演算を行うことになるが、こ
の際A/D変換器21からのデータに対して、これまで
記述した修飾演算を施すことより、カンチレバー探針と
試料間の距離を制御するフィードバック系の応答性を向
上させることができる。
FIG. 12 is an embodiment of the block diagram shown in FIG. This will be described with reference to the drawings. The A / D converter 21 converts the output of the RMS-DC converter 12 into a digital value and inputs the digital value to a DSP (digital signal processor) 22. The DSP 22 includes an XY scanning D / A converter 24.
Scans the piezoelectric element 5 in the in-plane direction (XY directions) via the. The DSP 22 drives the piezoelectric element 5 in the Z direction via a Z control D / A converter 23 based on digital data from the A / D converter 21 to control the distance between the cantilever probe and the sample. . Here, a digital control operation is performed by a program in the DSP 22. At this time, the data from the A / D converter 21 is subjected to the modification operation described so far, so that the cantilever probe and the sample are sampled. The responsiveness of the feedback system that controls the distance between them can be improved.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバー探針と試
料間に作用する原子間力ができるだけ小さい状態でも、
測定のスループットを損なうことなく、試料表面の凹凸
の形状を測定できる効果がある。従来技術では、測定の
スループットを向上させるためには、カンチレバー探針
と試料間に作用する原子間力を大きく設定しなければな
らず、試料表面が柔らかいものを測定する場合、試料表
面にダメージを与えることもあった。
According to the present invention, even when the atomic force acting between the cantilever probe and the sample is as small as possible,
There is an effect that the shape of the unevenness on the sample surface can be measured without impairing the measurement throughput. In the prior art, in order to improve the measurement throughput, the atomic force acting between the cantilever tip and the sample must be set large, and when measuring a sample with a soft sample surface, the sample surface may be damaged. Sometimes I gave it.

【0033】図13(a)に本発明を適用しない場合,
(b)に適用した場合の測定データの一例を示す。この
データは、試料の表面の凹凸がおよそ100nm程度の
段差が連続して形成されている試料をX方向に走査した
時の一例である。この測定ではX方向の走査速度は同一
であり、またカンチレバー探針と試料間に作用させる原
子間力も同一に設定してある。
When the present invention is not applied to FIG.
An example of the measurement data when applied to (b) is shown. This data is an example when a sample in which unevenness on the surface of the sample is continuously formed with a step of about 100 nm is scanned in the X direction. In this measurement, the scanning speed in the X direction is the same, and the atomic force acting between the cantilever probe and the sample is also set to the same.

【0034】この結果からわかるように、本発明を施し
た場合は、測定のスループットを向上させた状態で、試
料の表面の凹凸の状態を忠実に測定していることがわか
る。
As can be seen from the results, when the present invention is applied, the state of the unevenness on the surface of the sample is faithfully measured with the measurement throughput improved.

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

【図1】本発明による走査型プローブ顕微鏡のブロック
図。
FIG. 1 is a block diagram of a scanning probe microscope according to the present invention.

【図2】直流的手法で構成された従来の走査型原子間力
顕微鏡のブロック図。
FIG. 2 is a block diagram of a conventional scanning atomic force microscope configured by a DC method.

【図3】交流的手法で構成された従来の走査型原子間力
顕微鏡のブロック図。
FIG. 3 is a block diagram of a conventional scanning atomic force microscope configured by an AC method.

【図4】図2の構成での、試料をZ方向に駆動させる圧
電素子5の駆動電圧に対する、変位検出部7間の典型的
な関係。
FIG. 4 shows a typical relationship between the displacement detectors 7 with respect to the drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction in the configuration of FIG.

【図5】他の実施例のブロック図。FIG. 5 is a block diagram of another embodiment.

【図6】他の実施例のブロック図。FIG. 6 is a block diagram of another embodiment.

【図7】他の実施例のブロック図。FIG. 7 is a block diagram of another embodiment.

【図8】試料表面形状の例。FIG. 8 shows an example of a sample surface shape.

【図9】図5において、試料をZ方向に駆動させる圧電
素子5の駆動電圧に対する、RMS−DC変換部12間
の典型的な関係。
FIG. 9 shows a typical relationship between the RMS-DC converter 12 and the drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction in FIG.

【図10】図6において、試料をZ方向に駆動させる圧
電素子5の駆動電圧に対する、位相検出部16間の典型
的な関係。
FIG. 10 shows a typical relationship between the phase detectors 16 with respect to a drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction.

【図11】図7において、試料をZ方向に駆動させる圧
電素子5の駆動電圧に対する、F−V変換部20間の典
型的な関係。
FIG. 11 shows a typical relationship between the FV converters 20 with respect to the drive voltage of the piezoelectric element 5 for driving the sample in the Z direction.

【図12】図5に示したブロック図の実施例。FIG. 12 is an embodiment of the block diagram shown in FIG. 5;

【図13】発明の効果を示す実際の測定例。FIG. 13 is an actual measurement example showing the effect of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 カンチレバー 2 探針 3 半導体レーザ 4 フォトディテクタ 5 圧電素子 6 試料 7 変位検出部 8 Z制御部 9 XY面内走査部 10 コンピュータ 11 表示部 12 RMS−DC変換部 13 カンチレバー励振ピエゾ 14 発振部 15 修飾演算部 16 位相検出部 17 インターフェイス 18 フェイズシフタ 19 アッテネータ 20 F−V変換部 21 A/D変換器 22 DSP(デジタルシグナルプロセッサ) 23 Z制御用D/A変換器 24 XY走査用D/A変換器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cantilever 2 Probe 3 Semiconductor laser 4 Photodetector 5 Piezoelectric element 6 Sample 7 Displacement detection part 8 Z control part 9 XY in-plane scanning part 10 Computer 11 Display part 12 RMS-DC conversion part 13 Cantilever excitation piezo 14 Oscillation part 15 Modification operation Unit 16 phase detection unit 17 interface 18 phase shifter 19 attenuator 20 FV conversion unit 21 A / D converter 22 DSP (digital signal processor) 23 Z control D / A converter 24 XY scanning D / A converter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−201402(JP,A) 特開 平7−270434(JP,A) 特開 平7−325090(JP,A) 特開 平6−273158(JP,A) 特開 平5−45111(JP,A) 特開 平6−265343(JP,A) 特開 平8−194975(JP,A) 国際公開96/24026(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 G01N 13/24 JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-8-201402 (JP, A) JP-A-7-270434 (JP, A) JP-A-7-325090 (JP, A) JP-A-6-2014 273158 (JP, A) JP-A-5-45111 (JP, A) JP-A-6-265343 (JP, A) JP-A 8-194975 (JP, A) WO 96/24026 (WO, A1) ( 58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 13/10 G01N 13/24 JICST file (JOIS)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 カンチレバー探針と試料間に作用する物
理量を検出して試料表面の形状及び物理情報を測定する
走査型プローブ顕微鏡において、 カンチレバー探針と試料との間の距離と前記物理量検出
センサーの出力信号をフィードバック信号として使用
し、カンチレバー探針と試料間距離を制御する制御装置
にて、前記出力信号の出力値が一定時間所定の飽和値に
なっている場合には前記物理量検出センサーの出力信号
積分演算などで修飾演算し仮想センサー信号を生成
し、この仮想センサー信号にて、カンチレバー探針と試
料間の距離を制御することを特とする走査型プローブ
顕微鏡。
1. A scanning probe microscope for detecting a physical quantity acting between a cantilever probe and a sample to measure the shape and physical information of the sample surface, wherein the distance between the cantilever probe and the sample and the physical quantity detection sensor Using the output signal of the above as a feedback signal, the control device for controlling the distance between the cantilever probe and the sample , the output value of the output signal to a predetermined saturated value for a certain time
It is in the case which produces a virtual sensor signal by modifying operations like integral operation using the output signal of the physical quantity detecting sensor, by the virtual sensor signal, especially to control the distance between the cantilever tip and the sample scanning probe microscope according to symptoms.
【請求項2】 カンチレバー探針をその共振周波数近傍
の周波数にて他励振動させた状態で、前記カンチレバー
探針を試料に接近させた時の、カンチレバー探針と試料
間の距離とカンチレバー探針の振動振幅量の増減の関係
物理量検出センサーで検出し、該物理量検出センサー
からの出力信号をカンチレバー探針と試料間の距離を制
御するためのフィードバック信号として使用し、試料表
面の形状及び物理情報を測定する走査型プローブ顕微鏡
において、 カンチレバー探針と試料間の距離が大きくなり前記出力
信号の出力値が一定時間所定の飽和値になっている場合
には、カンチレバー探針の振動振幅検出量を積分演算な
どで修飾演算し仮想センサー信号を生成することによ
り、カンチレバー探針と試料間の距離の制御を行うこと
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. The distance between the cantilever probe and the sample when the cantilever probe approaches the sample in a state where the cantilever probe is separately excited at a frequency near its resonance frequency, and the cantilever probe. The relationship between the increase and decrease of the vibration amplitude of the object is detected by a physical quantity detection sensor, and the physical quantity detection sensor
The output signal from the use as a feedback signal for controlling the distance between the cantilever tip and the sample, the sample table
Scanning probe microscope to measure surface shape and physical information
In the above, the distance between the cantilever probe and the sample increases, and the output
When the output value of the signal has reached the specified saturation value for a certain period of time
Integral calculation of the vibration amplitude detection amount of the cantilever probe
By generating a virtual sensor signal modification operation on at etc., by controlling the distance between the cantilever tip and the sample
A scanning probe microscope characterized by the following .
【請求項3】 カンチレバー探針をその共振周波数近傍
の周波数にて他励振動させた状態で、前記カンチレバー
探針を試料に接近させた時の、カンチレバー探針と試料
間の距離とカンチレバー探針の励振信号とカンチレバー
探針の位相の増減の関係を物理量検出センサーで検出
し、該物理量検出センサーからの出力信号を、カンチレ
バー探針と試料間の距離を制御するためのフィードバッ
ク信号として使用して試料表面の形状及び物理情報を測
定する走査型プローブ顕微鏡において、 カンチレバー探針と試料間の距離が大きくなり前記出力
信号の出力値が一定時間所定の飽和値になっている場合
には、カンチレバー探針の位相検出量を積分演算などで
修飾演算し仮想センサー信号を生成することにより、
カンチレバー探針と試料間の距離の制御を行うことを特
徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. The distance between the cantilever probe and the sample when the cantilever probe approaches the sample in a state where the cantilever probe is separately excited at a frequency near its resonance frequency, and the cantilever probe. The relationship between the excitation signal and the increase / decrease of the phase of the cantilever probe is detected by the physical quantity detection sensor
The output signal from the physical quantity detection sensor is used as a feedback signal for controlling the distance between the cantilever probe and the sample, and the shape and physical information of the sample surface are measured.
In the scanning probe microscope, the distance between the cantilever probe and the sample increases,
When the output value of the signal has reached the specified saturation value for a certain period of time
The, by generating a virtual sensor signal to <br/> modified calculates the phase detection of the cantilever tip integral calculation or the like,
JP that controls the distance between the cantilever tip and the sample
Scanning probe microscope according to symptoms.
【請求項4】 カンチレバー探針を共振周波数にて自励
振動させた状態で、前記カンチレバー探針と試料を接近
させた時の、カンチレバー探針と試料間の距離とカンチ
レバー探針の自励振動周波数の増減の関係を物理量検出
センサーで検出し、該物理量検出センサーからの出力信
号を、カンチレバー探針と試料間の距離を制御するため
のフィードバック信号として使用し、試料表面の形状及
び物理情報を測定する走査型プローブ顕微鏡において、 カンチレバー探針と試料間の距離が大きくなり前記出力
信号の出力値が一定時間所定の飽和値になっている場合
には、カンチレバー探針の自励周波数検出量を積分演算
などで修飾演算し仮想センサー信号を生成することに
より、カンチレバー探針と試料間の距離の制御を行う
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. The distance between the cantilever probe and the sample and the self-excited vibration of the cantilever probe when the cantilever probe and the sample are brought close to each other with the cantilever probe vibrating at the resonance frequency. Physical quantity detection of frequency increase / decrease relationship
Sensor to detect the output signal from the physical quantity detection sensor.
The issue, then used as a feedback signal for controlling the distance between the cantilever tip and the sample, the sample surface shape及
In a scanning probe microscope that measures physical and physical information, the distance between the cantilever probe and the sample increases and the output
When the output value of the signal has reached the specified saturation value for a certain period of time
Calculates the self-excited frequency detection amount of the cantilever tip
By generating a virtual sensor signal modification operation to the like, this for controlling the distance between the cantilever tip and the sample
And a scanning probe microscope.
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