JP3908041B2 - Method for measuring oscillation amplitude of cantilever in non-contact scanning probe microscope and 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、走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡などの走査プローブ顕微鏡に関し、特にカンチレバーを発振させながら試料表面の走査を行うようにしたノンコンタクト走査プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの発振振幅測定方法および走査プローブ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡を始めとした走査プローブ顕微鏡では、試料とプローブ(探針)とを相対的に微少距離移動させ、試料の所定の2次元領域を走査するようにしている。この場合、探針が先端に取り付けられたカンチレバーを発振させながら試料表面を走査し、発振の周波数や振幅の変化から、探針と試料間の相互作用を測定するノンコンタクト走査プローブ顕微鏡が開発されている。
【0003】
図1は、カンチレバーの変位検出に光てこ方式を用いた周波数変調(FM)検出法によるノンコンタクト走査プローブ顕微鏡を示している。図において、測定試料1に対向してカンチレバー2が配置されている。カンチレバー2の先端の試料1に面した側には探針3が取り付けられている。
【0004】
カンチレバー2の探針がとりつけられた端部と逆の端部にはピエゾ素子4が取り付けられている。ピエゾ素子4には、発振制御増幅器5から適宜な周波数の電圧が印加される。この結果、ピエゾ素子4への印加電圧に応じてピエゾ素子は伸縮し、それに伴ってカンチレバー2は図中上下方向に撓むことになる。
【0005】
このカンチレバー2の撓み量は、カンチレバー2の探針3が取りつけられた先端部の上面が鏡面となっており、この鏡面にレーザー光源6からのレーザー光を照射し、鏡面によって反射された光を分割フォトダイオード7によって検出することにより測定される。この分割フォトダイオード7は、レーザー光の入射位置に応じた信号を発生する。すなわち、カンチレバー2が変位すると、分割フォトダイオードに入射するレーザー光のスポット位置がシフトする。このレーザー光のスポット位置のシフトに応じて分割フォトダイオード7の出力が変化し、カンチレバー2の変位を検出することができる。
【0006】
カンチレバー2が振動すると、それに対応して正弦波が分割フォトダイオード7から出力される。分割フォトダイオード7の出力は、発振制御増幅器5を介してカンチレバー2の根元に接続してあるピエゾ素子4に入力される。このカンチレバーが振動すると、カンチレバー2の共振周波数は選択的に増幅され、カンチレバー2は共振周波数で発振する。
【0007】
また、分割フォトダイオード7の出力は、周波数変調(FM)復調器9で共振周波数が直流電圧成分に変換されている。この直流成分が一定となるように、すなわち、共振周波数が一定となるように、カンチレバー2と試料1との間の距離をZドライバ10によって制御している。
【0008】
試料1はスキャナ11上に取り付けられているが、スキャナ11は詳細には図示されていないが、ピエゾ素子を用いてスキャナ11の先端に取りつけられた試料を探針3に対して走査できるように構成されている。すなわち、Zドライバ10からの電圧の値に応じて、スキャナ11は図中上下方向(縦方向)に伸縮させられる。
【0009】
また、X,Yドライバ12からの電圧に応じて、スキャナ11は湾曲し、紙面の左右方向(X方向)と、紙面に垂直な方向(Y方向)に2次元的に走査される。このX,Yドライバ12からの試料の横方向の2次元走査信号、およびZドライバ10からの縦方向の変位信号は、CPU13に供給される。
【0010】
CPU13は、X、Yドライバ12の2次元走査信号に同期した陰極線管14に、Zドライバ10からの試料の縦方向の移動信号を供給する。この結果、陰極線管14には、試料の2次元方向の走査に応じてZ方向に移動する試料の軌跡が画像として表示される。
【0011】
このような構成で、スキャナ11によって試料1の所望領域を2次元的に走査し、その間、探針3が取りつけられたカンチレバー2を発振させる。この際、試料1の走査に応じて試料1とカンチレバー2(探針)との間の距離が変化すると、試料1と探針3との間の相互作用により、探針3にかかる力が変化し、発振周波数が共振周波数から外れることになる。
【0012】
この発振を共振周波数で発振するように、すなわち、FM復調器9からの直流成分が一定となるように、Zドライバ10を制御して、試料1とカンチレバー2の間の距離を一定に維持する。このような作用により、Zドライバ10からスキャナ11に印加される電圧は、試料のX,Y方向の走査に基づく試料1と探針3との間の距離の変化に応じて変化する。この結果、Zドライバ10からスキャナ11に供給される電圧値を試料1のX,Y走査に応じて、陰極線管14上に画像として表示すると、試料表面の凹凸像を得ることができる。
【0013】
図2には、カンチレバーの変位検出に光てこ方式を用いたスロープ(Slope)検出法によるノンコンタクト走査プローブ顕微鏡の構成が示されている。図1に示した構成と同一ないしは類似の構成要素には同一番号が付されている。図2において、測定試料1に対向してカンチレバー2が配置されている。カンチレバー2の先端の試料1に面した側には探針3が取り付けられている。
【0014】
カンチレバー2の探針がとりつけられた端部と逆の端部にはピエゾ素子4が取り付けられている。ピエゾ素子4には、発振器5から適宜な周波数の電圧が印加される。この結果、ピエゾ素子4への印加電圧に応じてピエゾ素子は伸縮し、それに伴ってカンチレバー2は図中上下方向に撓むことになる。
【0015】
このカンチレバー2の撓み量は、カンチレバー2の探針3が取りつけられた先端部の上面が鏡面となっており、この鏡面にレーザー光源6からのレーザー光を照射し、鏡面によって反射された光を分割フォトダイオード7によって検出することにより測定される。この分割フォトダイオード7は、レーザー光の入射位置に応じた信号を発生する。すなわち、カンチレバー2が変位すると、分割フォトダイオードに入射するレーザー光のスポット位置がシフトする。このレーザー光のスポット位置のシフトに応じて分割フォトダイオード7の出力が変化し、カンチレバー2の変位を検出することができる。
【0016】
発振器15からの電圧がカンチレバー2の根元に接続してあるピエゾ素子4に入力されるに応じて、カンチレバー2が振動すると、それに対応して正弦波が分割フォトダイオード7から出力される。分割フォトダイオード7の出力は、RMS変換器16により、発振振幅の二乗平均値(直流電圧成分)に変換される。この出力が一定となるように、すなわち、発振振幅が一定となるように共振周波数が一定となるように、カンチレバー2と試料1との間の距離をZドライバ10によって制御している。
【0017】
試料1はスキャナ11上に取り付けられているが、スキャナ11は詳細には図示されていないが、ピエゾ素子を用いてX,Y,Z方向に移動できるように構成されている。すなわち、Zドライバ10からの電圧の値に応じて、スキャナ11は図中上下方向(Z方向)に移動させられる。また、X、Yドライバ12からの電圧に応じて、スキャナ11は紙面の左右方向(X方向)と、紙面に垂直な方向(Y方向)に2次元的に走査される。このX,Yドライバ12からの試料の横方向の2次元走査信号、およびZドライバ10からの縦方向の変位信号は、CPU13に供給される。
【0018】
CPU13は、X,Yドライバ12の2次元走査信号に同期した陰極線管14に、Zドライバ10からの試料の縦方向の移動信号を供給する。この結果、陰極線管14には、試料の2次元方向の走査に応じてZ方向に移動する試料の軌跡が画像として表示される。
【0019】
このような構成で、スキャナ11によって試料1の所望領域を2次元的に走査し、その間、探針3が取りつけられたカンチレバー2を発振させる。この際、試料1の走査に応じて試料1とカンチレバー2(探針)との間の距離が変化すると、試料1と探針3との間の相互作用により、探針3にかかる力が変化し、発振振幅が一定値から外れることになる。
【0020】
この発振振幅が一定となるように、すなわち、RMS変換器16からの出力値が一定となるように、Zドライバ10を制御して、試料1とカンチレバー2の間の距離を一定に維持する。このような作用により、Zドライバ10からスキャナ11に印加される電圧は、試料のX,Y方向の走査に基づく試料1と探針3との間の距離の変化に応じて変化する。この結果、Zドライバ10からスキャナ8に供給される電圧値を試料1のX,Y走査に応じて、陰極線管14上に画像として表示すると、試料表面の凹凸像を得ることができる。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
図1、図2に示したノンコンタクト走査プローブ顕微鏡は、試料とカンチレバー(探針)とを接触させることなく観察できることから、試料と探針との間の相互作用の解析に用いられている。この解析には、探針と試料間の距離を正確に知る必要があり、そのため、カンチレバーの発振振幅を求めることが必要となる。
【0022】
カンチレバーを発振させると、分割フォトダイオードの出力は正弦波となる。この正弦波の振幅とカンチレバー(探針)の発振振幅とは比例関係にあるが、直接発振振幅の絶対値に換算することができない。また、カンチレバー(探針)の発振振幅は、カンチレバーの個体差や、レーザー光のアライメント等により一定ではないので、カンチレバーを交換したり、アライメントを調整したときには、発振振幅を求めなおす必要がある。
【0023】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、カンチレバー(探針)の発信振幅を簡単に求めることができるノンコンタクト走査プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの発振振幅測定方法および走査プローブ顕微鏡を実現するにある。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づくノンコンタクト走査プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの発振振幅測定方法よおび走査プローブ顕微鏡では、試料を探針に対して相対的に2次元的に走査すると共に、試料と探針との間の距離を変化させるスキャナと、探針が先端部に取りつけられたカンチレバーと、カンチレバー先端の変位を検出する変位検出手段と、カンチレバーを発振させる手段とを設け、カンチレバー先端の変位検出手段からの信号に基づいて探針と試料間の距離を制御するようにしたノンコンタクト走査プローブ顕微鏡において、試料と探針との相対的な走査範囲を試料表面の凹凸の影響を受けない程度の小さな範囲あるいは同一位置で、カンチレバーの発振振幅を少なくとも2段階に変化させ、その際の試料表面と探針の振動中心との間の距離の変化から、カンチレバー先端の発振振幅を測定するようにしたことを特徴としている。
【0025】
すなわち、本発明では、試料と探針との相対的な走査範囲を試料表面の凹凸の影響を受けない程度の小さな範囲あるいは同一位置とした状態で、カンチレバーの発振振幅を変化させ、その変化に応じた凹凸像の高低の変化、すなわち、カンチレバーのZ方向の移動量から、カンチレバーの発振振幅を簡単に求める。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1、図2において、カンチレバー2が発振すると、それに対応して分割フォトダイオード7の出力が発振する。カンチレバー2の発振振幅と分割フォトダイオード7の出力の発振信号の振幅とは比例関係にある。分割フォトダイオードの出力の発振振幅は、オシロスコープ等で直接波形を観察するか、二乗平均法(RMS)を電圧として観察することができる。
【0027】
図3に本発明に基づくカンチレバー発振振幅測定方法の説明図を示す。分割フォトダイオードの出力の発振振幅を図1の構成における発振制御増幅器5、または、図2の構成における発振器15の出力を調整して、図3(a)に示すように、Zと設定したときに、カンチレバー2の発振振幅は、図3(b)に示すように、Zに比例したA=B×Z(Bは比例係数)となる。
【0028】
この状態で通常の像観察を行う。このとき、試料1の走査範囲は、試料1の表面の凹凸の影響を受けない程度に小さくするか、または0とする。走査画面が全画面の1/3程度に到達した時(タイミング1)に、図3(c)に示すように、分割フォトダイオード7の出力の発振振幅をZ/2に設定する。すると、それに対応してカンチレバー2の発振振幅も図3(d)に示すように、A/2となる。
【0029】
このような状態となると、カンチレバー2と試料1表面の間の距離は、A/4に接近することになる。そして、図3(e)に示すように、走査画面Dが全画面2/3程度に達した時(タイミング2)に、分割フォトダイオード7の出力の発振振幅をZに戻す。すると、カンチレバー2の発振振幅も図3(b)に示すようにAに戻り、カンチレバー2と試料1の間の距離も元に戻る。このような動作で得られた図3(f)に示すように、画像の縦方向の断面プロファイルから、A/4を正確に測定することができ、カンチレバー2(探針3)の発振振幅Aを求めることができる。
【0030】
図4は上記したカンチレバーの発振振幅Aを自動的に測定する構成を示している。この図4の構成で、CPU20が設けられ、CPU20からの指示により、発振制御増幅器8が制御され、増幅器8の出力がZに設定される。この出力Zの設定により、カンチレバー2の発振振幅は、Zに比例したA=B×Z(Bは比例係数)となる。
【0031】
この状態でCPU20からの制御により、X,Yドライバは、試料1の走査を行う。このとき、試料1の走査範囲は、試料1の表面の凹凸の影響を受けない程度に小さくするか、または0とされる。走査画面が全画面の1/3程度に到達した時(タイミング1)に、CPU20は発振制御増幅器8を制御し、分割フォトダイオード7の出力の発振振幅がZ/2になるように増幅器8の出力電圧を設定する。すると、それに対応してカンチレバー2の発振振幅もA/2となる。
【0032】
このような状態となると、カンチレバー2と試料1表面の間の距離は、A/4に接近することになる。そして、図3(e)に示すように、走査画面が全画面の2/3程度に達した時(タイミング2)に、CPU20は発振制御増幅器8を制御し、分割フォトダイオード7の出力の発振振幅をZに戻す。すると、カンチレバー2の発振振幅もAに戻り、カンチレバー2と試料1の間の距離も元に戻る。このような動作で得られた図3(f)に示すような、画像の縦方向の断面プロファイルの信号はCPU20に記憶される。CPU20は、この記憶された断面プロファイル信号に基づいて、A/4の値を自動的に正確に求めることができ、カンチレバー2(探針3)の発振振幅Aを求めることができる。
【0033】
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず幾多の変形が可能である。例えば、カンチレバーの発振振幅を最初Zに設定し、次にZ/2とした後、再びZに戻すようにしたが、カンチレバーの発振振幅を2段階としても良い。その場合、試料の高さ方向の変位を示す断面プロファイルは、図3に示すようなものとなる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づくノンコンタクト走査プローブ顕微鏡におけるカンチレバーの発振振幅測定方法および走査プローブ顕微鏡では、試料を探針に対して相対的に2次元的に走査すると共に、試料と探針との間の距離を変化させるスキャナと、探針が先端部に取りつけられたカンチレバーと、カンチレバー先端の変位を検出する変位検出手段と、カンチレバーを発振させる手段とを設け、カンチレバー先端の変位検出手段からの信号に基づいて探針と試料間の距離を制御するようにしたノンコンタクト走査プローブ顕微鏡において、試料と探針との相対的な走査範囲を試料表面の凹凸の影響を受けない程度の小さな範囲あるいは同一位置で、カンチレバーの発振振幅を少なくとも2段階に変化させ、その際の試料表面と探針の振動中心との間の距離の変化から、カンチレバー先端の発振振幅を測定するようにしたことを特徴としている。
【0035】
すなわち、本発明では、試料と探針との相対的な走査範囲を試料表面の凹凸の影響を受けない程度の小さな範囲あるいは同一位置とした状態で、カンチレバーの発振振幅を変化させ、その変化に応じた凹凸像の高低の変化、すなわち、カンチレバーのZ方向の移動量から、カンチレバーの発振振幅を簡単に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】周波数変調復調器により、カンチレバーの共振周波数を直流電圧成分に変換するようにしたノンコンタクト走査プローブ顕微鏡を示す図である。
【図2】カンチレバーの発振振幅を二乗平均値に変換するようにしたノンコンタクト走査プローブ顕微鏡を示す図である。
【図3】本発明の動作を説明するための図である。
【図4】自動的にカンチレバーの発振振幅を求めるようにしたノンコンタクト走査プローブ顕微鏡を示す図である。
【符号の説明】
1 試料
2 カンチレバー
3 探針
4 ピエゾ素子
5 発振制御増幅器
6 光源
7 分割フォトダイオード
9 FM復調器
10 Zドライバ
11 スキャナ
12 X,Yドライバ
13、20 CPU
14 陰極線管
15 発振器
16 RMS変換器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning probe microscope such as a scanning tunnel microscope or an atomic force microscope, and more particularly to a method for measuring an oscillation amplitude of a cantilever and a scanning probe microscope in a non-contact scanning probe microscope that scans a sample surface while oscillating the cantilever. About.
[0002]
[Prior art]
In a scanning probe microscope such as a scanning tunnel microscope or an atomic force microscope, a sample and a probe (probe) are relatively moved by a minute distance to scan a predetermined two-dimensional region of the sample. In this case, a non-contact scanning probe microscope was developed that scans the surface of the sample while oscillating a cantilever attached to the tip, and measures the interaction between the probe and the sample from changes in the oscillation frequency and amplitude. ing.
[0003]
FIG. 1 shows a non-contact scanning probe microscope based on a frequency modulation (FM) detection method using an optical lever method for detecting displacement of a cantilever. In the figure, a
[0004]
A
[0005]
The amount of bending of the
[0006]
When the
[0007]
The output of the split photodiode 7 is converted into a DC voltage component by a frequency modulation (FM) demodulator 9. The distance between the
[0008]
Although the sample 1 is mounted on the
[0009]
Further, the
[0010]
The
[0011]
With such a configuration, the
[0012]
The
[0013]
FIG. 2 shows a configuration of a non-contact scanning probe microscope based on a slope detection method using an optical lever method for detecting a cantilever displacement. Constituent elements that are the same as or similar to those shown in FIG. In FIG. 2, a
[0014]
A
[0015]
The amount of bending of the
[0016]
When the voltage from the
[0017]
Although the sample 1 is mounted on the
[0018]
The
[0019]
With such a configuration, the
[0020]
The
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
Since the non-contact scanning probe microscope shown in FIGS. 1 and 2 can be observed without bringing the sample and the cantilever (probe) into contact with each other, it is used for analyzing the interaction between the sample and the probe. For this analysis, it is necessary to accurately know the distance between the probe and the sample. Therefore, it is necessary to obtain the oscillation amplitude of the cantilever.
[0022]
When the cantilever is oscillated, the output of the split photodiode becomes a sine wave. Although the amplitude of the sine wave and the oscillation amplitude of the cantilever (probe) are in a proportional relationship, they cannot be directly converted into the absolute value of the oscillation amplitude. Further, since the oscillation amplitude of the cantilever (probe) is not constant due to individual differences in the cantilever, laser beam alignment, and the like, it is necessary to recalculate the oscillation amplitude when the cantilever is replaced or the alignment is adjusted.
[0023]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a method for measuring oscillation amplitude of a cantilever and a scanning probe in a non-contact scanning probe microscope capable of easily obtaining a transmission amplitude of a cantilever (probe). To realize a microscope.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
In the method for measuring the oscillation amplitude of a cantilever in a non-contact scanning probe microscope and the scanning probe microscope according to the present invention, the sample is scanned two-dimensionally relative to the probe, and the distance between the sample and the probe. A cantilever having a probe attached to the tip, a displacement detection means for detecting the displacement of the cantilever tip, and a means for oscillating the cantilever, based on a signal from the displacement detection means at the tip of the cantilever In a non-contact scanning probe microscope in which the distance between the probe and the sample is controlled, the relative scanning range of the sample and the probe can be set in a small range or at the same position that is not affected by the unevenness of the sample surface. , the oscillation amplitude of the cantilever is changed in at least two stages, the distance between the oscillation center of the sample surface and the probe at that time From the change, and it characterized in that so as to measure the oscillation amplitude of the cantilever tip.
[0025]
That is, in the present invention, the oscillation amplitude of the cantilever is changed in a state where the relative scanning range of the sample and the probe is a small range that is not affected by the unevenness of the sample surface or the same position. The oscillation amplitude of the cantilever is simply obtained from the change in height of the corresponding uneven image, that is, the amount of movement of the cantilever in the Z direction.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 and 2, when the
[0027]
FIG. 3 is an explanatory diagram of a method for measuring a cantilever oscillation amplitude based on the present invention. When the oscillation amplitude of the output of the divided photodiode is set to Z as shown in FIG. 3A by adjusting the output of the
[0028]
In this state, normal image observation is performed. At this time, the scanning range of the sample 1 is made small or zero so as not to be affected by the unevenness of the surface of the sample 1. When the scanning screen reaches about 1/3 of the entire screen (timing 1), as shown in FIG. 3C, the oscillation amplitude of the output of the divided photodiode 7 is set to Z / 2. Then, correspondingly, the oscillation amplitude of the
[0029]
In such a state, the distance between the
[0030]
FIG. 4 shows a configuration for automatically measuring the oscillation amplitude A of the cantilever described above. In the configuration of FIG. 4, the
[0031]
In this state, the X and Y drivers scan the sample 1 under the control of the
[0032]
In such a state, the distance between the
[0033]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the oscillation amplitude of the cantilever is first set to Z, then set to Z / 2, and then returned to Z again. However, the oscillation amplitude of the cantilever may be two steps. In that case, cross-section profile showing a displacement in the height direction of the sample is as shown in FIG.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, in the method for measuring the oscillation amplitude of the cantilever in the non-contact scanning probe microscope and the scanning probe microscope according to the present invention, the sample is scanned two-dimensionally relative to the probe, and the sample and the probe are scanned. A cantilever having a tip attached to the tip, a displacement detecting means for detecting the displacement of the cantilever tip, and a means for oscillating the cantilever, and a displacement detecting means for the tip of the cantilever In the non-contact scanning probe microscope in which the distance between the probe and the sample is controlled based on the signal from the probe, the relative scanning range of the sample and the probe is small enough not to be affected by the unevenness of the sample surface range or in the same position, the oscillation amplitude of the cantilever is changed in at least two stages, the sample surface and the probe at that time From a change in distance between the moving center it is characterized in that so as to measure the oscillation amplitude of the cantilever tip.
[0035]
That is, in the present invention, the oscillation amplitude of the cantilever is changed in a state where the relative scanning range of the sample and the probe is a small range that is not affected by the unevenness of the sample surface or the same position. The oscillation amplitude of the cantilever can be easily obtained from the corresponding change in height of the uneven image, that is, the amount of movement of the cantilever in the Z direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a non-contact scanning probe microscope in which a resonant frequency of a cantilever is converted into a DC voltage component by a frequency modulation demodulator.
FIG. 2 is a diagram showing a non-contact scanning probe microscope in which the oscillation amplitude of a cantilever is converted into a mean square value.
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a non-contact scanning probe microscope in which the oscillation amplitude of a cantilever is automatically obtained.
[Explanation of symbols]
1
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