JP3753215B2 - Scanning probe microscope - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面の微細な構造を観察するのに用いる原子間力顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9は従来の走査型プローブ顕微鏡の一つである原子間力顕微鏡の説明図である。図において、20はXYZトランスレータ、21は試料ステージ、22は試料、2はカンチレバー、5はカンチレバーのたわみ検出器、6はコンピュータおよびコントローラである。
【0003】
この従来の原子間力顕微鏡においては、XYZトランスレータ上の試料ステージに試料をのせ、試料をカンチレバー先端に固定された先鋭化されたプローブへ接触させ、トランスレータで試料をX-Y面内を走査する。このとき、カンチレバーのたわみを5のたわみ検出器でモニターし、一定のたわみになるようにコントローラがフィードバック制御を行い、トランスレータで試料のZ方向の位置を調節する。試料表面上の各位置での調節量をコンピュータで画面上にマッピングすることによって試料表面の微細な構造を観察することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
走査型プローブ顕微鏡の性能として、重要なものの一つに測定時間がある。つまり、一つの画像を得るのにかかる時間である。他の同様の顕微鏡、たとえば、走査型電子顕微鏡や走査型レーザー顕微鏡、と比較するとプローブや試料をプローブと試料間の距離や、プローブと試料間に働く力を一定にしながら機械的に走査する走査型プローブ顕微鏡は走査スピードが遅く、測定に時間がかかってしまう。
【0005】
測定時間を短くする一つの方法は、単に走査スピードを速くすることである。しかし、この場合、制御系および機械的な追従性の問題に加えて、プローブが試料表面を高速で移動することになり、プローブが摩耗する、試料を傷める等の問題がありあまり速くすることができない。
そこで、本発明は走査スピードを変えずに、または、走査スピードの限界を越えて測定時間を短くすることが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡においては、先端にプローブを持つ複数のカンチレバーを有し、複数のカンチレバーのたわみを独立に検出する手段と、複数のカンチレバーを独立に試料へ向けて上下に移動する手段を有する構成とした。これによって、単一のプローブで測定を行う場合に比べて、それぞれのプローブが走査する範囲を小さくできるので走査周波数を変えずに測定時間を短縮することができる。さらに、試料表面をプローブが走査する段階において、それぞれのカンチレバーのたわみを一定になるように制御する。これによってそれぞれのプローブと試料との間に働く力を制御でき、プローブと試料のダメージを抑えることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
[実施の形態1]
図1において、1はプローブ、2はカンチレバー、3はカンチレバーの支持体、4は圧電アクチュエータ、5はカンチレバーのたわみ検出手段である、6はコンピュータおよびコントローラである。1のプローブと5のたわみ検出手段は一対一の構成になっており、複数のプローブの変位を独立に検出することができる。5のたわみ検出手段の出力をもとに、6のコンピュータおよびコントローラがそれぞれのカンチレバーのたわみを一定に保つように、4の圧電アクチュエータによって3の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査スピードを変えずに測定時間を短くすることができる。
【0008】
[実施の形態2]
図2において、1はプローブ、2はカンチレバー、3はカンチレバーの支持体、4は圧電アクチュエータ、7は圧電抵抗体、6はコンピュータおよびコントローラである。カンチレバー上に取りつけられた、圧電抵抗体はプローブが力を受けてカンチレバーがたわむとたわみ量に応じて抵抗値が変化するものである。6のコンピュータおよびコントローラは、それぞれのカンチレバー上の圧電抵抗体の抵抗値を測定することで、複数のカンチレバーのたわみを独立に検出することができる。6のコンピュータおよびコントローラはそれぞれのカンチレバーのたわみを一定に保つように、4の圧電アクチュエータによって3の支持体を上下に移動させながら試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査スピードを変えずに測定時間を短くすることができる。
【0009】
[実施の形態3]
図3において、1はプローブ、2はカンチレバー、3はカンチレバーの支持体、4は圧電アクチュエータ、8は圧電体、6はコンピュータおよびコントローラである。カンチレバー上に取りつけられた圧電体はプローブが力を受けてカンチレバーがたわむとたわみ量に応じて起電力が変化するものである。6のコンピュータおよびコントローラは、それぞれのカンチレバー上の圧電体の起電力を測定することで、複数のカンチレバーのたわみを独立に検出することができる。6のコンピュータおよびコントローラはそれぞれのカンチレバーのたわみを一定に保つように、4の圧電アクチュエータによって3の支持体を上下に移動させながら試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査スピードを変えずに測定時間を短くすることができる。
【0010】
[実施の形態4]
図4において、1はプローブ、2はカンチレバー、3はカンチレバーの支持体、4は圧電アクチュエータ、9は光干渉計、6はコンピュータおよびコントローラである。光干渉計のカンチレバー背面へ光を照射する開口部はカンチレバー支持体と一体になって上下に動くようになっている。6のコンピュータおよびコントローラは、それぞれの光干渉計の出力をモニターすることで複数のカンチレバーのたわみを独立に検出することができる。6のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、4の圧電アクチュエータによって3の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【0011】
[実施の形態5]
図5において10、11はそれぞれ、光てこ検出系のポジションセンシティブディテクター(PSD)と光源である。2はカンチレバーで、4は圧電アクチュエータ、12は線状の光スポットを示している。10のPSDは受光面での光スポットの位置からカンチレバーのたわみを検出するものである。点光源ではなく、12に示すように線状の光源を用いることで、複数のカンチレバーに対しても、一つの光源で光てこ検出系を構成することができ、複数のカンチレバーそれぞれのたわみを検出できる。6のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、4の圧電アクチュエータによって3の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【0012】
[実施の形態6]
図6において10、11はそれぞれ、光てこ検出系のPSDと光源である。2はカンチレバーで、4は圧電アクチュエータ、13は光スポットを示している。14は変調信号発生器、15はロックインアンプ、6はコンピュータおよびコントローラである。各カンチレバーに照射する光にそれぞれ周波数の違う変調をかけ、15のロックインアンプで各カンチレバーへ照射した光と同じ周波数で変調された信号をPSDの出力から検出する。このような構成とすることで、一つのPSDで複数のプローブの変位を検出可能な光てこ検出系を構成することができ、複数のカンチレバーそれぞれのたわみを検出できる。6のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、4の圧電アクチュエータによって3の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【0013】
[実施の形態7]
図7において10、16はそれぞれ、光てこ検出系のPSDと光スポットを走査する手段を持つ光源である。2はカンチレバーで、4は圧電アクチュエータ、13は光スポットを示している。17は光スポットを走査するための信号発生器、18は10のPSDの出力からそれぞれのカンチレバーのたわみを検出する手段、6はコンピュータおよびコントローラである。この場合、10のPSDの出力はパルス状になり各パルスの大きさがそれぞれのそれぞれのカンチレバーのたわみを表す。このような構成とすることで、一つのPSDで複数のプローブの変位を検出可能な光てこ検出系を構成することができ、複数のカンチレバーそれぞれのたわみを検出できる。6のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、4の圧電アクチュエータによって3の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【0014】
[実施の形態8]
図8において10、11はそれぞれ、光てこ検出系のPSDと光源である。2はカンチレバーで、4は圧電アクチュエータ、12は線状の光スポットを示している。19は変調手段、14は変調信号発生器、15はロックインアンプ、6はコンピュータおよびコントローラである。線状の光スポットを照射する光源と、カンチレバーとの間に光を一定の周波数で変調する手段を各カンチレバー上に配置し、それぞれ、周波数を変えて変調する。15のロックインアンプで各カンチレバーへ照射した光の変調周波数で変調された信号をPSDの出力から検出する。このような構成とすることで、一つのPSDおよび一つの光源で複数のプローブの変位を検出可能な光てこ検出系を構成することができ、複数のカンチレバーそれぞれのたわみを検出できる。6のコンピュータおよびコントローラはカンチレバーのたわみを一定に保つように、4の圧電アクチュエータによって3の支持体を上下に移動させながら、試料表面を走査する。このような構成とすることで、一つのプローブが走査する面積が小さくてすむので、結果として、走査周波数を変えずに測定時間を短くすることができる。
【0015】
【発明の効果】
本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡において、先端にプローブをもつカンチレバーを複数有することで、走査周波数を変えずに測定時間を短縮することができ、かつ、それぞれのカンチレバーのたわみを検出し、そのたわみを一定に保ちながら試料表面を走査することができるため、各プローブと試料との間に生じる力を制御できるので、プローブと試料の損傷を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図2】実施の形態2で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図3】実施の形態3で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図4】実施の形態4で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図5】実施の形態5で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図6】実施の形態6で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図7】実施の形態7で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図8】実施の形態8で示す走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【図9】従来の走査型プローブ顕微鏡の説明図である。
【符号の説明】
1 プローブ
2 カンチレバー
3 カンチレバーの支持体
4 圧電アクチュエータ
5 カンチレバーのたわみ検出器
6 コンピュータおよびコントローラ
7 圧電抵抗体
8 圧電体
9 光干渉計
10 ポジションセンシティブディテクター(PSD)
11 光源
12 線状の光スポット
13 光スポット
14 変調信号発生器
15 ロックインアンプ
16 光スポットを走査する手段を持つ光源
17 信号発生器
18 カンチレバーのたわみを検出する手段
19 変調手段
20 XYZトランスレータ
21 試料ステージ
22 試料
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an atomic force microscope used for observing a fine structure of a sample surface.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 is an explanatory view of an atomic force microscope which is one of conventional scanning probe microscopes. In the figure, 20 is an XYZ translator, 21 is a sample stage, 22 is a sample, 2 is a cantilever, 5 is a deflection detector of the cantilever, and 6 is a computer and a controller.
[0003]
In this conventional atomic force microscope, a sample is placed on a sample stage on an XYZ translator, the sample is brought into contact with a sharpened probe fixed to the tip of a cantilever, and the sample is scanned in the XY plane. At this time, the deflection of the cantilever is monitored by a deflection detector of 5, and the controller performs feedback control so that the deflection becomes constant, and the position of the sample in the Z direction is adjusted by the translator. The fine structure of the sample surface can be observed by mapping the adjustment amount at each position on the sample surface on the screen by a computer.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
One of the important features of the scanning probe microscope is measurement time. That is, it is the time taken to obtain one image. Compared to other similar microscopes, such as scanning electron microscopes and scanning laser microscopes, scanning is performed by mechanically scanning the probe or sample while keeping the distance between the probe and the sample and the force acting between the probe and the sample constant. A scanning probe microscope has a slow scanning speed and takes a long time to measure.
[0005]
One way to shorten the measurement time is to simply increase the scanning speed. However, in this case, in addition to the problem of the control system and mechanical followability, the probe moves on the surface of the sample at a high speed, and there are problems such as wear of the probe and damage to the sample. Can not.
Therefore, an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope that can shorten the measurement time without changing the scanning speed or exceeding the limit of the scanning speed.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The scanning probe microscope according to the present invention has a plurality of cantilevers each having a probe at the tip, and independently detects the deflection of the plurality of cantilevers and moves the plurality of cantilevers up and down independently toward the sample. It was set as the structure which has a means. Thereby, compared with the case where measurement is performed with a single probe, the scanning range of each probe can be reduced, so that the measurement time can be shortened without changing the scanning frequency. Further, the deflection of each cantilever is controlled to be constant when the probe scans the sample surface. As a result, the force acting between each probe and the sample can be controlled, and damage to the probe and the sample can be suppressed.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
In FIG. 1, 1 is a probe, 2 is a cantilever, 3 is a cantilever support, 4 is a piezoelectric actuator, 5 is a deflection detection means of the cantilever, and 6 is a computer and a controller. The one probe and the five deflection detection means have a one-to-one configuration, and can detect the displacement of a plurality of probes independently. Based on the output of the deflection detection means of 5, the computer and controller of 6 scan the surface of the sample while moving the support of 3 up and down by 4 piezoelectric actuators so as to keep the deflection of each cantilever constant. To do. With such a configuration, the area scanned by one probe can be reduced, and as a result, the measurement time can be shortened without changing the scanning speed.
[0008]
[Embodiment 2]
In FIG. 2, 1 is a probe, 2 is a cantilever, 3 is a cantilever support, 4 is a piezoelectric actuator, 7 is a piezoelectric resistor, and 6 is a computer and a controller. The piezoresistor mounted on the cantilever changes its resistance value according to the amount of deflection when the probe is subjected to force and the cantilever bends. The computer 6 and the controller 6 can independently detect the deflection of a plurality of cantilevers by measuring the resistance values of the piezoelectric resistors on the respective cantilevers. The computer 6 and the controller scan the sample surface while moving the support 3 up and down by the 4 piezoelectric actuators so as to keep the deflection of each cantilever constant. With such a configuration, the area scanned by one probe can be reduced, and as a result, the measurement time can be shortened without changing the scanning speed.
[0009]
[Embodiment 3]
In FIG. 3, 1 is a probe, 2 is a cantilever, 3 is a cantilever support, 4 is a piezoelectric actuator, 8 is a piezoelectric body, and 6 is a computer and a controller. The piezoelectric body mounted on the cantilever changes its electromotive force according to the amount of deflection when the probe is subjected to force and the cantilever bends. The computer 6 and the controller 6 can independently detect the deflection of the plurality of cantilevers by measuring the electromotive force of the piezoelectric body on each cantilever. The computer 6 and the controller scan the sample surface while moving the support 3 up and down by the 4 piezoelectric actuators so as to keep the deflection of each cantilever constant. With such a configuration, the area scanned by one probe can be reduced, and as a result, the measurement time can be shortened without changing the scanning speed.
[0010]
[Embodiment 4]
In FIG. 4, 1 is a probe, 2 is a cantilever, 3 is a cantilever support, 4 is a piezoelectric actuator, 9 is an optical interferometer, and 6 is a computer and a controller. The opening for irradiating light to the back surface of the cantilever of the optical interferometer moves up and down integrally with the cantilever support. The computer 6 and the controller 6 can independently detect the deflection of a plurality of cantilevers by monitoring the output of each optical interferometer. The computer 6 and the controller scan the sample surface while moving the support 3 up and down by the 4 piezoelectric actuators so as to keep the cantilever deflection constant. With such a configuration, the area scanned by one probe can be reduced, and as a result, the measurement time can be shortened without changing the scanning frequency.
[0011]
[Embodiment 5]
In FIG. 5, reference numerals 10 and 11 respectively denote a position sensitive detector (PSD) and a light source of an optical lever detection system. 2 is a cantilever, 4 is a piezoelectric actuator, and 12 is a linear light spot. The PSD of 10 detects the deflection of the cantilever from the position of the light spot on the light receiving surface. By using a linear light source as shown in 12 instead of a point light source, an optical lever detection system can be configured with a single light source for a plurality of cantilevers, and the deflection of each of the plurality of cantilevers can be detected. it can. The computer 6 and the controller scan the sample surface while moving the support 3 up and down by the 4 piezoelectric actuators so as to keep the cantilever deflection constant. With such a configuration, the area scanned by one probe can be reduced, and as a result, the measurement time can be shortened without changing the scanning frequency.
[0012]
[Embodiment 6]
In FIG. 6, 10 and 11 are the PSD and light source of the optical lever detection system, respectively. 2 is a cantilever, 4 is a piezoelectric actuator, and 13 is a light spot. 14 is a modulation signal generator, 15 is a lock-in amplifier, and 6 is a computer and a controller. The light irradiated to each cantilever is modulated with a different frequency, and a signal modulated at the same frequency as the light irradiated to each cantilever by 15 lock-in amplifiers is detected from the PSD output. With such a configuration, an optical lever detection system capable of detecting displacement of a plurality of probes with one PSD can be configured, and deflection of each of a plurality of cantilevers can be detected. The computer 6 and the controller scan the sample surface while moving the support 3 up and down by the 4 piezoelectric actuators so as to keep the cantilever deflection constant. With such a configuration, the area scanned by one probe can be reduced, and as a result, the measurement time can be shortened without changing the scanning frequency.
[0013]
[Embodiment 7]
In FIG. 7, reference numerals 10 and 16 denote light sources having a PSD for the optical lever detection system and means for scanning the light spot. 2 is a cantilever, 4 is a piezoelectric actuator, and 13 is a light spot. 17 is a signal generator for scanning the light spot, 18 is a means for detecting the deflection of each cantilever from the output of 10 PSDs, and 6 is a computer and a controller. In this case, the output of 10 PSDs is pulsed and the magnitude of each pulse represents the deflection of the respective cantilever. With such a configuration, an optical lever detection system capable of detecting displacement of a plurality of probes with one PSD can be configured, and deflection of each of a plurality of cantilevers can be detected. The computer 6 and the controller scan the sample surface while moving the support 3 up and down by the 4 piezoelectric actuators so as to keep the cantilever deflection constant. With such a configuration, the area scanned by one probe can be reduced, and as a result, the measurement time can be shortened without changing the scanning frequency.
[0014]
[Embodiment 8]
In FIG. 8, 10 and 11 are the PSD and light source of the optical lever detection system, respectively. 2 is a cantilever, 4 is a piezoelectric actuator, and 12 is a linear light spot. Reference numeral 19 denotes modulation means, 14 denotes a modulation signal generator, 15 denotes a lock-in amplifier, and 6 denotes a computer and a controller. A means for modulating light at a constant frequency is arranged on each cantilever between a light source that irradiates a linear light spot and the cantilever, and each of the cantilevers is modulated by changing the frequency. The signal modulated by the modulation frequency of the light irradiated to each cantilever by 15 lock-in amplifiers is detected from the output of the PSD. With such a configuration, an optical lever detection system capable of detecting displacements of a plurality of probes with one PSD and one light source can be configured, and the deflection of each of the plurality of cantilevers can be detected. The computer 6 and the controller scan the sample surface while moving the support 3 up and down by the 4 piezoelectric actuators so as to keep the cantilever deflection constant. With such a configuration, the area scanned by one probe can be reduced, and as a result, the measurement time can be shortened without changing the scanning frequency.
[0015]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the scanning probe microscope, by having a plurality of cantilevers having probes at the tips, the measurement time can be shortened without changing the scanning frequency, and the deflection of each cantilever is detected, Since the surface of the sample can be scanned while keeping the deflection constant, the force generated between each probe and the sample can be controlled, so that damage to the probe and the sample can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a scanning probe microscope shown in Embodiment 1. FIG.
2 is an explanatory diagram of a scanning probe microscope shown in Embodiment 2. FIG.
3 is an explanatory diagram of a scanning probe microscope shown in Embodiment 3. FIG.
4 is an explanatory diagram of a scanning probe microscope shown in Embodiment 4. FIG.
5 is an explanatory diagram of a scanning probe microscope shown in Embodiment 5. FIG.
6 is an explanatory diagram of a scanning probe microscope shown in Embodiment 6. FIG.
7 is an explanatory diagram of a scanning probe microscope shown in Embodiment 7. FIG.
8 is an explanatory diagram of a scanning probe microscope shown in Embodiment 8. FIG.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a conventional scanning probe microscope.
[Explanation of symbols]
1 Probe 2 Cantilever 3 Cantilever Support 4 Piezoelectric Actuator 5 Cantilever Deflection Detector 6 Computer and Controller 7 Piezoresistor 8 Piezoelectric 9 Optical Interferometer 10 Position Sensitive Detector (PSD)
Reference Signs List 11 light source 12 linear light spot 13 light spot 14 modulation signal generator 15 lock-in amplifier 16 light source 17 having means for scanning light spot signal generator 18 means for detecting deflection of cantilever 19 modulation means 20 XYZ translator 21 sample Stage 22 sample

Claims (4)

微小なプローブが試料表面上を走査することによって、試料表面の微小な構造を観察する走査型プローブ顕微鏡において、
複数のプローブを持ち、それぞれが独立して試料に対して上下に移動する手段と、
独立にそれぞれのプローブの変位を検出する手段と、
先端に前記プローブをもち、圧電体によって試料表面の凹凸に応じて上下に移動する複数のカンチレバーと、
複数のカンチレバーに光を照射し、光てこ法を利用して、前記複数のカンチレバーのたわみを個別に検出するたわみ検出手段と、を有し、
前記光てこ法は、複数のカンチレバーに照射する光に、カンチレバー毎に周波数の違う変調をかけ、検出器で周波数毎に検出することによって、単一の検出器で複数のカンチレバーのたわみを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
In a scanning probe microscope in which a minute probe scans the sample surface to observe the minute structure on the sample surface.
Means having a plurality of probes, each independently moving up and down relative to the sample;
Means for independently detecting the displacement of each probe;
A plurality of cantilevers having the probe at the tip and moving up and down according to the irregularities of the sample surface by a piezoelectric body;
A deflection detecting means for irradiating the plurality of cantilevers with light and using the optical lever method to individually detect the deflection of the plurality of cantilevers;
The optical lever method detects the deflection of a plurality of cantilevers with a single detector by applying a different frequency modulation to the light irradiated to the plurality of cantilevers and detecting each frequency with a detector. A scanning probe microscope characterized by the above.
前記光てこ法は、線状の光スポットをカンチレバーに照射することを特徴とする請求項2記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 2, wherein the optical lever method irradiates a cantilever with a linear light spot. 先端にプローブを有する複数のカンチレバーに、それぞれ周波数の違う変調をかけた光を照射する行程と、  A process of irradiating a plurality of cantilevers each having a probe at the tip with light modulated with different frequencies,
前記複数のカンチレバーから反射した前記光を、単一の検出器で周波数毎に検出する行程と、  A step of detecting the light reflected from the plurality of cantilevers for each frequency with a single detector;
を有するカンチレバーのたわみ検出方法。A method for detecting deflection of a cantilever.
前記光を照射する行程において、線状の光スポットをカンチレバーに照射する請求項3に記載のカンチレバーのたわみ検出方法。The cantilever deflection detection method according to claim 3, wherein, in the step of irradiating the light, the cantilever is irradiated with a linear light spot.
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