JP3935350B2 - Distance control method and scanning probe microscope using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カンチレバーなどの機械共振部をもつプローブをその共振周波数で振動させ、そのプローブと試料とが近接した際に生じる力をその力がもたらす共振周波数の変化量を検出することにより試料表面の物理量を観察する走査形プローブ顕微鏡観察装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、探針と試料とを接近させ、その時に生じる物理現象(トンネル現象、原子間力等)を利用して、物質表面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる走査型プローブ顕微鏡(以下SPMと略す)が開発され、単結晶、非晶質を問わず様々な物理量の実空間像を高い分解能で測定できるようになっている。
【0003】
中でも走査型原子間力顕微鏡(以下AFMと呼ぶ)はプローブ先端の原子と試料上の原子との間の微弱な作用力(原子間力:Atomic Force)を検出して試料表面の凹凸を測定するために、プローブや試料に導電性や磁性等の特殊な性質を必要とせず、絶縁物とりわけ最近では有機物等の形状の測定等に効力を発揮している。また、AFMには大きく分けて、原子間力が斥力の状態で用いるものと引力の状態で用いるものと2種類があり、前者をコンタクトモードAFM、後者をノンコンタクトモードAFMと言うことがある。
【0004】
コンタクトモードAFMは測定対象とプローブ先端との斥力を測定する。この場合の斥力はプローブと測定対象表面との距離変化に対して非常に大きく変化し、したがってその力を受けるプローブの撓みの変化量が大きく感度が大きいために測定システムへの負荷が小さくて済む。しかしながら、プローブと測定表面は非常に接近しており、その力は測定表面やプローブに時として弾性変形以上の影響を与え、試料やプローブ先端に損傷を与えることがある。前述の有機物、とりわけ生体物質など柔らかい試料の測定に対してはその影響が大きく、プローブが測定対象物を変形したり破壊したりするために精度良い観察ができない。
【0005】
一方、ノンコンタクトモードAFMはプローブ先端と測定対象表面との間の原子間引力を測定するが、その引力は、プローブ先端と測定対象表面との距離がコンタクトモードより大きい状態から働くために、プローブ先端と測定対象表面の両方に対する影響が非常に小さい。したがって、コンタクトモードAFMは上記のコンタクトモードAFMの欠点を持たないため、柔らかい試料の測定には有用である。
【0006】
しかしながら、ノンコンタクトモードの欠点として、力の変化がプローブ先端と試料表面との間の距離変化に対してあまり敏感でないことが挙げられる。そのために一般的にはカンチレバー状のプローブを共振周波数で微小振動させ、微小引力がプローブ先端と試料表面の間に働いた場合の共振状態の変化、たとえば振幅、周波数、位相などの変化をモニタすることにより間接的に測定する。
【0007】
中でも高感度で測定するために、カンチレバー状のプローブを共振周波数で励振し、その共振周波数の変化や位相変化を検出する方法が採られる。実際には、オートゲインコントローラを用いたアンプ等により共振周波数の変化に加振周波数を追従させることにより絶えず共振周波数でプローブを加振する自励発振系を用いる方法が一般的に行なわれている。
【0008】
また、以上述べたような構成の場合には、試料表面の物理情報は共振周波数や位相の変化として得られる。すなわち、物理情報の検出には周波数変調(FM)信号を検出する系が必要である。ラジオなどのFM検波に於いては従来からいろいろな方法が採られており、そのすべてについてノンコンタクトモードAFMの周波数検出に使用できると考えられるが、主な方法としては位相同期ループ(以下PLLと呼ぶ)によるものが採用されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、周波数検出によるノンコンタクトモードAFMは周波数の変化を検出することによりAFM信号とする。この周波数変化を検出する場合には、基本周波数が安定であることにより高精度に検出できる。そのためプローブとして用いているカンチレバーの共振周波数で振動させることが一般的である。また、高速に検出する際にはこの基本周波数が大きいことが必要である。すなわち、使用するプローブはなるべく共振周波数の高いプローブを用いる。AFMに用いるカンチレバー状のプローブの一般的な共振周波数は数100Hzから数100kHz程度である。
【0010】
一方プローブの周波数変化は、例えば300kHz程度の共振周波数を持つプローブを用いた場合には〜100Hz程度の大きさであり、また測定分解能としては少なくとも0.1Hz程度が必要とされるため、基本周波数に比べて非常に小さい。
【0011】
例えば従来は、位相同期ループ(PLL)による周波数検出方法を用いていたが、それによると、内部に使用されている電圧制御発振器の周波数安定度、すなわちその発振器に入力される制御信号のS/Nなどの影響が無視できず、安定した高感度の周波数測定が出来なかった。すなわち特開2001−33465号公報に開示されている様に水晶発振子などを用いた安定性の比較的高い発振器を用いた場合でも、発振源は安定であるがこれを電圧制御発振器として用いているため、制御電圧のノイズが、観察信号ばかりでなくフィードバック系にも混入することになる。このノイズを抑えるためには制御信号帯域を落とす必要があるが、実際は、PLLの位相同期ループがフィードバック系(プローブ先端と試料表面との間の距離制御)に内包されるため2重フィードバックのように構成され、全体の測定速度を上げようとした場合、2つのフィードバック系の帯域が接近し、干渉を起こし、制御が不安定になってしまう問題があった。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決する為、以下の手段を用いて、従来からのPLL回路を用いることなく高感度・高精度な周波数測定が可能なノンコンタクトモードAFMを構築する、カンチレバー形状を持つAFMプローブ、測定試料をAFMプローブに対向して保持するための試料保持手段、該レバープローブを該測定試料表面に平行に相対走査するための2次元走査手段、該レバープローブと該測定試料表面との距離を変位させる距離変位手段、該レバープローブに振動を加えるための加振手段、該レバープローブの先端変位を検出する変位検出手段、加算周波数信号生成手段、該加算周波数信号生成手段からの加算周波数信号の周波数を該変位検出手段から出力される変位信号の周波数に加算する周波数加算手段、該周波数加算手段からの信号を濾波する第1のフィルタ手段、一定周波数の参照信号を発生させる参照信号発生手段、該参照信号発生手段からの参照信号と該第1のフィルタ手段からの出力信号の位相差を検出する位相比較手段、該位相比較手段からの信号を濾波、積分する第2のフィルタ手段、該第2のフィルタ手段からの信号を受け取って該距離変位手段を駆動させるための制御量を算出する制御量算出手段と駆動用アンプ手段。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【0014】
XYZステージ123は、プローブ101の先端と試料102表面との距離を設定し、かつプローブ101を試料102表面に平行に相対的に2次元走査させる。この際、プローブ101と試料102表面との距離が所定の距離の時にプローブ101先端と試料102表面との間に物理的な力が生じ、カンチレバー形状のプローブ101は撓みを生じる。この撓みは、レーザー104から照射されるレーザー光線のプローブ101の先端に当たり生じる反射光の角度を変える。この角度の変化は4分割フォトダイオード105により検出される。すなわちプローブ101先端と試料102表面との間に働く力の大きさがプローブ101の撓み量として検出され、その撓み量は角度の変化に変換され、さらに角度の変化は4分割フォトダイオード上のレーザースポットの位置を変化させ、その位置の変化は電流出力となって次段のプリアンプ106に入力される。プリアンプ106では電流値を電圧に変換し4分割フォトダイオード105の各フォトダイオードからの出力を演算し、AFM信号(レバー撓み量)を生成する。生成されたAFM信号はオートゲインコントロールアンプ107に入力され一定の振幅に整形される。
【0015】
一定振幅にされたAFM信号は位相シフタ108及びミキサ110に出力される。
【0016】
位相シフタ108に入力された既定振幅の信号は位相の調整が加えられドライバアンプ109を通ってピエゾ加振器103に印加される。この加振器103上にはプローブ101が設置されているため加振器103によりプローブ101は加振される。初期状態ではプローブ101は熱振動などにより共振点に於いて微小に振動を行なっているが、それを104〜106のAFM信号検出系により検出するため、位相シフタ108を調整することによってこのフィードバック系は自励発振を始める。
【0017】
さて、一方ミキサ110に入力されたAFM信号は水晶発振子1(114)を持つ局部発振器1(113)から発振された既定周波数の信号とミキシング(掛け算)されて出力される。その後バンドパスフィルタ111によって所定帯域の信号のみを抽出し、次段の位相比較器112に送る。
【0018】
位相比較器112は、局部発振器1から発振された信号の周波数が加算されたAFM信号と水晶発振子2(116)を備えた局部発振器2(115)から出力される参照信号との位相を比較して、位相差を示す信号を出力する。その位相差信号は次段のフィルタ118に送られる。フィルタ118は位相差信号を濾波積分し、生成された信号を次段の制御量算出119へ送る。制御量算出119では位相補正やゲインの調整などを行ないステージ123のZ方向駆動アンプ121へZ方向駆動信号を送り、プローブ101と試料102表面の距離を変化させる。
【0019】
従来からのノンコンタクトモードAFMのFM信号検出系としてはPLL(位相同期ループ)を用いることが多い。これは図2(b)に示したような構成である。まず周波数を求めたい検出信号が位相比較器201bに入力される。位相比較器201bは電圧制御発振器203bから出力されてくる参照信号と入力信号との位相差を検出し出力する。その位相差信号はフィルタを通って電圧制御発振器203bの入力となる。すなわち、入力信号と参照信号との位相差がずれた場合には電圧制御発振器にずれ量に相当する制御電圧が送られ、参照信号の周波数を上昇あるいは下降させる。このフィードバックにより電圧制御発振器403の周波数および位相が入力信号とぴたりと合うように制御される。AFM信号に相当する出力信号は電圧制御発振器403の制御電圧である。
【0020】
もし図1に示すブロック図に図2(b)に示す位相同期ループを当てはめるとしたら、位相比較器112からの位相差信号から局部発振器2(115)の発振周波数をコントロールする必要がある。しかしながら、このような制御を行なうと位相同期ループに伴う時定数(周波数がロックするまでの時間)により検出速度が低下する。この時定数は図2(b)にしめすフィルタの値により決まるが、電圧制御発振器403の出力周波数変動のノイズを小さくするためにはフィルタの時定数を大きくしなければならないため、検出速度の向上とノイズ低減は相反するものとなっている。また、プローブ101と試料102表面の距離制御ループに位相同期ループが内包され2重ループが形成されるため、制御速度を上げようとするとおのおののループの帯域を厳格に設定する必要があり現実的でないばかりか、相互の帯域の干渉によりフィードバック系そのものが不安定になる。
【0021】
そこで本発明に於いては、制御ループと位相同期ループとを同じループで実現する構成とした。すなわち、図1の点線により囲まれたところを電圧制御発振器(VCO)として用いることで2つのループを一致させる。
【0022】
位相比較器112は図3(a)に示す2つの信号(上:測定信号、下:参照信号)の位相差を検出する。この場合バンドパスフィルタ111を通ってきた測定信号と局部発振器2(115)から送られてくる参照信号は位相比較器112内で2値化され図3(a)に示すような矩形波列となる。位相比較器112は2信号の立ち上がり部を検出し、図3(b)に示すような位相差を表わすパルス幅をもった信号を算出する。この信号は図4に示す位相比較器出力部から出力される信号で、図3(b)波線部分は図4の位相比較器出力部の制御信号A,Bにより、両MOSトランジスタがOFF状態、すなわち高インピーダンス状態になっていることを示す。したがって、図3(b)の上向きの矩形波は図4の上側のMOSトランジスタがON、下側がOFFの状態を示し、図3(b)の下向きの矩形波はその逆の関係となっている。このような出力を持つ位相比較器はたとえば74シリーズの4046に代表されるPLLデバイスなどに実装されている。
【0023】
次にこの位相差信号は位相比較器112から次段のフィルタ118に送られる。このフィルタ118は通常PLLに用いられるフィルタが望ましい。例えば図4に示したラグリードタイプのフィルタで位相を補正できるものも有用である。また、この代わりに電流を積分する積分器を用いることも可能である。フィルタ118からの出力は図3(c)の様になる。
【0024】
以上のフィルタ117を通ってきた位相差信号は、実際には局部発振器2(115)の発振する基準信号とAFMによる出力信号(実際にはプローブの共振周波数を局部発振器1(113)の周波数でオフセットさせたもの)との周波数差を示している。すなわち図2(a)に示す様に、全体としては位相同期ループを構成しているが、電圧制御発振器(VCO)203aとして図1の波線枠内を対応させることにより、図1の系全体が図2(a)に示す位相同期ループを構成していることがわかる。したがって、プローブの共振周波数がプローブと試料表面間距離により変動することを利用し、周波数を距離で制御できる発振器として用い、この周波数を局部発振器による基準周波数に一致させるように制御する様に動作する。これによりプローブと試料表面の距離は両者間に生じる力が一定になるように制御され、その制御信号をデータ処理117によりモニタすることでAFM測定が可能となる。
【0025】
実際のAFM測定に於いては試料表面の一定領域の凹凸などの物理量を測定するため、ステージ123はXY走査制御120により生成される駆動信号をドライブアンプ122を介して受け取ることで試料102面に平行な方向にプローブと試料を相対的に走査できるように構成されている。
【0026】
最後にデータ処理117の具体的な処理の例としては、フィルタ118から出力される周波数差信号と制御量算出119の出力する制御量を取り込みと保存、またそれらを用いたAFM像としての視覚化や、画像処理等による分析などである。
【0027】
上記の構成および各部の動作により、ノンコンタクトAFMが実現される。
【0028】
上記の態様に基づいて構成された装置によって具体的にノンコンタクトAFM測定を行なった。
【0029】
プローブとして、長さ125μm、幅25μm、厚さ5μmのSi製のカンチレバーを用いた。このプローブの共振周波数はフリーで振動させた場合f〜321kHzであった。加振器103は単層のピエゾ素子を用いた、オートゲインコントロールアンプの出力振幅はAFMの変位が5nmになるように調整した。
【0030】
また、局部発振器1は水晶発振子を用いたもので中心周波数としてfOCS1〜4.7MHzのものを用いた。局部発振器2は同じく水晶発振子を用いているが、外部の素子によりある程度周波数を変化させられる構成になっている。一定周波数で良いため、たとえば水晶発振子によるVCOを用いたとしても、制御電圧に信号成分を重畳させる必要がないのでノイズには強く構成できる。本実施例ではVCOを用いた。発振周波数は中心で5.0MHz程度とした。十分プローブと試料が離れた状態では、ミキサからの出力は局部発振器1の周波数とプローブの共振周波数の和と差の両方が現われるが、本実施例に於いてはバンドパスフィルタにより和の周波数を用いた。すなわちfOCS1+fである。
【0031】
局部発振器2から出力する基準信号の周波数は
OCS2〜fOSC1+f+周波数シフト量
に設定する。これによってAFMの距離制御系はプローブの共振周波数がfOCS2になるように制御される。すなわち、プローブと試料表面の距離は、加えた周波数シフト量に相当する力が両者の間に働くように制御される。
【0032】
以上のセッティングによって測定試料としてHOPG(高配向性グラファイト)を観察したところ、ノイズの少ない安定したAFM像が原子レベルの分解能で得られた。また、測定帯域としては従来のPLLを用いたものよりも高速となりステージに用いられているZアクチュエータ(本実施例では円筒ピエゾ)の機械共振である20kHz弱の速度が得られた。
【0033】
【発明の効果】
以上のように従来型の位相同期ループを用いない周波数測定系を構成しているため、高速なノンコンタクトAFMの観察測定が可能となる。VCO等の発振器の周波数をフィードバックによりコントロールする必要が無くなったため、出力周波数のゆらぎの少ない発振器を用いることによりノイズの非常に少ないAFM測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のノンコンタクトAFMの構成を示すブロック図。
【図2】本発明のノンコンタクトAFMで用いた帰還動作について説明する図。
【図3】周波数差の検出過程を示す信号波形。
【図4】位相同期ループにおける位相検出器の出力と次段のフィルタの関係を示した回路図。
【符号の説明】
101 AFMプローブ
102 測定試料
103 加振器
104 レーザ
105 4分割フォトダイオードセンサ
109 加振器駆動用アンプ
121、122 XYZステージ駆動用アンプ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention oscillates a probe having a mechanical resonance part such as a cantilever at the resonance frequency, and detects the amount of change in the resonance frequency caused by the force generated when the probe and the sample come close to each other. The present invention relates to a scanning probe microscope observing apparatus for observing the physical quantity.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a scanning probe microscope (hereinafter referred to as SPM) that can directly observe the electronic structure of a material surface and the vicinity of the surface by using a physical phenomenon (tunnel phenomenon, atomic force, etc.) generated by bringing the probe close to the sample. (Abbreviated) has been developed, and real space images of various physical quantities can be measured with high resolution regardless of single crystal or amorphous.
[0003]
Among them, the scanning atomic force microscope (hereinafter referred to as AFM) measures the unevenness of the sample surface by detecting a weak acting force (atomic force) between the atoms at the tip of the probe and the atoms on the sample. Therefore, the probe and the sample do not require special properties such as conductivity and magnetism, and are effective for measuring the shape of an insulator, particularly an organic substance. AFM can be broadly divided into two types, one used when the interatomic force is in the repulsive state and the other used in the attractive state. The former is sometimes referred to as contact mode AFM, and the latter is referred to as non-contact mode AFM.
[0004]
The contact mode AFM measures the repulsive force between the measurement object and the probe tip. In this case, the repulsive force changes greatly with respect to the change in the distance between the probe and the surface to be measured. Therefore, the amount of change in the probe bending due to the force is large and the sensitivity is high, so the load on the measurement system can be reduced. . However, the probe and the measurement surface are very close to each other, and the force sometimes affects the measurement surface and the probe more than elastic deformation, and may damage the sample and the probe tip. The influence on the measurement of the above-mentioned organic matter, in particular, a soft sample such as a biological material, is great, and the probe deforms or destroys the measurement target, so that accurate observation cannot be performed.
[0005]
On the other hand, the non-contact mode AFM measures the interatomic attractive force between the probe tip and the surface to be measured. However, since the attractive force acts from a state where the distance between the probe tip and the surface to be measured is larger than the contact mode, The effect on both the tip and the surface to be measured is very small. Therefore, the contact mode AFM does not have the disadvantages of the contact mode AFM described above, and is useful for measuring soft samples.
[0006]
However, a disadvantage of the non-contact mode is that the change in force is not very sensitive to changes in the distance between the probe tip and the sample surface. Therefore, in general, a cantilever-like probe is microvibrated at a resonance frequency, and changes in the resonance state when a small attractive force acts between the probe tip and the sample surface, such as changes in amplitude, frequency, phase, etc., are monitored. Measure indirectly.
[0007]
In particular, in order to perform measurement with high sensitivity, a method is adopted in which a cantilever-like probe is excited at a resonance frequency and a change in the resonance frequency or a phase change is detected. In practice, a method using a self-excited oscillation system in which a probe is continuously vibrated at a resonance frequency by causing the excitation frequency to follow a change in the resonance frequency by an amplifier using an auto gain controller is generally performed. .
[0008]
In the case of the configuration as described above, physical information on the sample surface is obtained as a change in resonance frequency or phase. That is, for detecting physical information, a system for detecting a frequency modulation (FM) signal is required. Various methods have been conventionally used for FM detection such as radio, and all of them can be used for frequency detection in non-contact mode AFM, but the main method is a phase-locked loop (hereinafter referred to as PLL). Is called).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the non-contact mode AFM by frequency detection is used as an AFM signal by detecting a change in frequency. When this frequency change is detected, it can be detected with high accuracy because the fundamental frequency is stable. Therefore, it is common to vibrate at the resonance frequency of a cantilever used as a probe. In addition, when the detection is performed at a high speed, the fundamental frequency needs to be large. In other words, a probe having a resonance frequency as high as possible is used. A typical resonance frequency of a cantilever-like probe used for AFM is about several hundred Hz to several hundred kHz.
[0010]
On the other hand, the frequency change of the probe is, for example, about ˜100 Hz when a probe having a resonance frequency of about 300 kHz is used, and a measurement resolution of at least about 0.1 Hz is required. Very small compared to
[0011]
For example, in the past, a frequency detection method using a phase-locked loop (PLL) was used. According to this method, however, the frequency stability of a voltage-controlled oscillator used therein, that is, the S / S of a control signal input to the oscillator is used. The influence of N cannot be ignored, and stable high-sensitivity frequency measurement could not be performed. That is, even when a relatively stable oscillator using a crystal oscillator or the like is used as disclosed in JP-A-2001-33465, the oscillation source is stable, but this is used as a voltage controlled oscillator. Therefore, the noise of the control voltage is mixed not only in the observation signal but also in the feedback system. In order to suppress this noise, it is necessary to reduce the control signal band. However, in reality, since the PLL phase-locked loop is included in the feedback system (distance control between the probe tip and the sample surface), it looks like double feedback. When the entire measurement speed is to be increased, the two feedback system bands approach each other, causing interference, and the control becomes unstable.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention uses the following means to construct a non-contact mode AFM capable of highly sensitive and highly accurate frequency measurement without using a conventional PLL circuit. A probe, sample holding means for holding the measurement sample opposite to the AFM probe, two-dimensional scanning means for relatively scanning the lever probe parallel to the measurement sample surface, and the lever probe and the measurement sample surface Distance displacement means for displacing the distance, vibration means for applying vibration to the lever probe, displacement detection means for detecting the tip displacement of the lever probe, addition frequency signal generation means, addition frequency from the addition frequency signal generation means A frequency adding means for adding the frequency of the signal to the frequency of the displacement signal output from the displacement detecting means; and a signal from the frequency adding means. First filter means for filtering the reference signal generating means for generating a reference signal of constant frequency, a phase comparator for detecting a phase difference between the output signal from the reference signal and the first filter means from said reference signal generating means Means, second filter means for filtering and integrating the signal from the phase comparison means, control amount calculation means for receiving a signal from the second filter means and calculating a control amount for driving the distance displacement means And driving amplifier means.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0014]
The XYZ stage 123 sets the distance between the tip of the probe 101 and the surface of the sample 102 and causes the probe 101 to relatively two-dimensionally scan parallel to the surface of the sample 102. At this time, when the distance between the probe 101 and the surface of the sample 102 is a predetermined distance, a physical force is generated between the tip of the probe 101 and the surface of the sample 102, and the cantilever-shaped probe 101 is bent. This bending changes the angle of the reflected light generated when the laser beam irradiated from the laser 104 hits the tip of the probe 101. This change in angle is detected by the quadrant photodiode 105. That is, the magnitude of the force acting between the tip of the probe 101 and the surface of the sample 102 is detected as the amount of deflection of the probe 101, and the amount of deflection is converted into a change in angle. The position of the spot is changed, and the change in the position becomes a current output and is input to the preamplifier 106 at the next stage. The preamplifier 106 converts a current value into a voltage, calculates an output from each photodiode of the four-division photodiode 105, and generates an AFM signal (lever deflection amount). The generated AFM signal is input to the auto gain control amplifier 107 and shaped into a constant amplitude.
[0015]
The AFM signal having a constant amplitude is output to the phase shifter 108 and the mixer 110.
[0016]
A signal having a predetermined amplitude input to the phase shifter 108 is adjusted in phase and applied to the piezo vibrator 103 through the driver amplifier 109. Since the probe 101 is installed on the vibrator 103, the probe 101 is vibrated by the vibrator 103. In the initial state, the probe 101 vibrates minutely at the resonance point due to thermal vibration or the like, but this is detected by adjusting the phase shifter 108 in order to detect this by the AFM signal detection system 104-106. Starts self-oscillation.
[0017]
Meanwhile, the AFM signal input to the mixer 110 is mixed (multiplied) with a signal of a predetermined frequency oscillated from the local oscillator 1 (113) having the crystal oscillator 1 (114) and output. Thereafter, only a signal in a predetermined band is extracted by the band pass filter 111 and sent to the phase comparator 112 at the next stage.
[0018]
The phase comparator 112 compares the phases of the AFM signal obtained by adding the frequencies of the signals oscillated from the local oscillator 1 and the reference signal output from the local oscillator 2 (115) including the crystal oscillator 2 (116). Then, a signal indicating the phase difference is output. The phase difference signal is sent to the filter 118 at the next stage. The filter 118 filters and integrates the phase difference signal, and sends the generated signal to the control amount calculation 119 in the next stage. In the control amount calculation 119, phase correction, gain adjustment, etc. are performed, a Z direction drive signal is sent to the Z direction drive amplifier 121 of the stage 123, and the distance between the probe 101 and the surface of the sample 102 is changed.
[0019]
As an FM signal detection system of a conventional non-contact mode AFM, a PLL (phase locked loop) is often used. This is a configuration as shown in FIG. First, a detection signal whose frequency is to be obtained is input to the phase comparator 201b. The phase comparator 201b detects and outputs the phase difference between the reference signal output from the voltage controlled oscillator 203b and the input signal. The phase difference signal passes through the filter and becomes the input of the voltage controlled oscillator 203b. That is, when the phase difference between the input signal and the reference signal is shifted, a control voltage corresponding to the shift amount is sent to the voltage controlled oscillator to increase or decrease the frequency of the reference signal. By this feedback, the frequency and phase of the voltage controlled oscillator 403 are controlled so as to match the input signal. An output signal corresponding to the AFM signal is a control voltage of the voltage controlled oscillator 403.
[0020]
If the phase-locked loop shown in FIG. 2B is applied to the block diagram shown in FIG. 1, it is necessary to control the oscillation frequency of the local oscillator 2 (115) from the phase difference signal from the phase comparator 112. However, when such control is performed, the detection speed decreases due to the time constant (time until the frequency locks) associated with the phase locked loop. This time constant is determined by the value of the filter shown in FIG. 2B, but the time constant of the filter must be increased in order to reduce the noise of the output frequency fluctuation of the voltage controlled oscillator 403, so that the detection speed is improved. And noise reduction is contradictory. In addition, a phase-locked loop is included in the distance control loop between the surface of the probe 101 and the sample 102 and a double loop is formed. Therefore, it is necessary to set the bandwidth of each loop strictly when attempting to increase the control speed. Not only that, but the feedback system itself becomes unstable due to mutual band interference.
[0021]
Therefore, in the present invention, the control loop and the phase locked loop are realized by the same loop. That is, the two loops are made to coincide by using the portion surrounded by the dotted line in FIG. 1 as the voltage controlled oscillator (VCO).
[0022]
The phase comparator 112 detects the phase difference between the two signals (upper: measurement signal, lower: reference signal) shown in FIG. In this case, the measurement signal that has passed through the bandpass filter 111 and the reference signal transmitted from the local oscillator 2 (115) are binarized in the phase comparator 112, and a rectangular wave train as shown in FIG. Become. The phase comparator 112 detects the rising edge of the two signals and calculates a signal having a pulse width representing a phase difference as shown in FIG. This signal is a signal output from the phase comparator output unit shown in FIG. 4. In FIG. 3 (b), the dotted line indicates that both MOS transistors are in the OFF state by the control signals A and B of the phase comparator output unit in FIG. That is, it shows that it is in a high impedance state. Therefore, the upward rectangular wave in FIG. 3B shows a state in which the upper MOS transistor in FIG. 4 is ON and the lower side is OFF, and the downward rectangular wave in FIG. 3B has the opposite relationship. . A phase comparator having such an output is mounted on, for example, a PLL device represented by 74 series 4046.
[0023]
Next, this phase difference signal is sent from the phase comparator 112 to the next-stage filter 118. The filter 118 is preferably a filter usually used in a PLL. For example, a lag lead type filter shown in FIG. 4 that can correct the phase is also useful. Alternatively, an integrator that integrates the current can be used. The output from the filter 118 is as shown in FIG.
[0024]
The phase difference signal that has passed through the filter 117 is actually a reference signal oscillated by the local oscillator 2 (115) and an output signal from the AFM (actually, the resonance frequency of the probe is the frequency of the local oscillator 1 (113)). The frequency difference from the offset). That is, as shown in FIG. 2 (a), a phase-locked loop is formed as a whole, but the entire system shown in FIG. It can be seen that the phase-locked loop shown in FIG. Therefore, using the fact that the resonance frequency of the probe fluctuates depending on the distance between the probe and the sample surface, it is used as an oscillator that can be controlled by the distance, and operates so as to control this frequency to match the reference frequency by the local oscillator. . As a result, the distance between the probe and the sample surface is controlled so that the force generated between them is constant, and the AFM measurement can be performed by monitoring the control signal by the data processing 117.
[0025]
In actual AFM measurement, the stage 123 receives a drive signal generated by the XY scanning control 120 via the drive amplifier 122 in order to measure physical quantities such as irregularities in a certain area of the sample surface, and thereby is applied to the surface of the sample 102. The probe and the sample can be relatively scanned in parallel directions.
[0026]
Finally, as an example of specific processing of the data processing 117, the frequency difference signal output from the filter 118 and the control amount output from the control amount calculation 119 are captured and stored, and visualized as an AFM image using them. And analysis by image processing or the like.
[0027]
The non-contact AFM is realized by the above configuration and the operation of each unit.
[0028]
The non-contact AFM measurement was specifically performed by the apparatus configured based on the above aspect.
[0029]
A Si cantilever having a length of 125 μm, a width of 25 μm, and a thickness of 5 μm was used as a probe. Resonance frequency of the probe was f R ~321kHz case of oscillating free. The vibrator 103 uses a single-layer piezoelectric element, and the output amplitude of the auto gain control amplifier was adjusted so that the displacement of the AFM was 5 nm.
[0030]
The local oscillator 1 uses a crystal oscillator and has a center frequency of f OCS1 to 4.7 MHz. The local oscillator 2 similarly uses a crystal oscillator, but has a configuration in which the frequency can be changed to some extent by an external element. Since a constant frequency is sufficient, for example, even if a VCO using a crystal oscillator is used, it is not necessary to superimpose a signal component on the control voltage, so that it can be strongly configured against noise. In this example, a VCO was used. The oscillation frequency is about 5.0 MHz at the center. When the probe and the sample are sufficiently separated from each other, the output from the mixer shows both the sum and difference of the frequency of the local oscillator 1 and the resonance frequency of the probe. Using. That is, f OCS1 + f R.
[0031]
The frequency of the reference signal output from the local oscillator 2 is set to f OCS2 to f OSC1 + f R + frequency shift amount. As a result, the distance control system of the AFM is controlled so that the resonance frequency of the probe becomes f OCS2 . That is, the distance between the probe and the sample surface is controlled so that a force corresponding to the applied frequency shift amount acts between the two.
[0032]
When HOPG (highly oriented graphite) was observed as a measurement sample with the above settings, a stable AFM image with little noise was obtained with atomic level resolution. Further, the measurement band was faster than that using the conventional PLL, and a speed of less than 20 kHz, which is the mechanical resonance of the Z actuator (cylindrical piezo in this embodiment) used in the stage, was obtained.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, since a frequency measurement system that does not use a conventional phase-locked loop is configured, high-speed non-contact AFM observation and measurement can be performed. Since it is not necessary to control the frequency of an oscillator such as a VCO by feedback, AFM measurement with very little noise can be performed by using an oscillator with little fluctuation in output frequency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a non-contact AFM according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a feedback operation used in the non-contact AFM according to the present invention.
FIG. 3 is a signal waveform showing a frequency difference detection process.
FIG. 4 is a circuit diagram showing the relationship between the output of the phase detector and the next-stage filter in the phase-locked loop.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 AFM probe 102 Measurement sample 103 Exciter 104 Laser 105 Four division | segmentation photodiode sensor 109 Exciter drive amplifier 121,122 XYZ stage drive amplifier

Claims (4)

プローブを該プローブの持つ機械共振の共振周波数で振動させながら測定試料に近づけるとき、該プローブと該測定試料との間に生じる力により起こる前記共振周波数の変化を利用し、該測定試料の微細な凹凸を観察する走査型プローブ顕微鏡であって
カンチレバー形状を持つプローブ、
測定試料を該プローブに対向して保持するための試料保持機構、
該プローブを該測定試料表面に平行に相対走査するための2次元走査機構、
該プローブに振動を加えるための加振機構、
該プローブの先端変位を検出する変位検出機構、
加算周波数信号生成機構、
該加算周波数信号生成機構からの加算周波数信号の周波数を該変位検出機構から出力される変位信号の周波数に加算する周波数加算機構、
該周波数加算機構からの信号を濾波する第1のフィルタ、
一定周波数の参照信号を発生させる参照信号発生機構、
該参照信号発生機構からの参照信号と該第1のフィルタからの出力信号の位相差を検出する位相比較機構、
該位相比較機構からの信号を濾波、積分する第2のフィルタ、ならびに
該第2のフィルタからの信号を受け取って該距離変位機構を駆動させるための制御量を算出する制御量算出機構と駆動用アンプ
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
When the probe is brought close to the measurement sample while vibrating at the resonance frequency of the mechanical resonance of the probe, the change in the resonance frequency caused by the force generated between the probe and the measurement sample is used to make fine measurement of the measurement sample. a scanning probe microscope for observing the irregularities,
A probe with a cantilever shape,
A sample holding mechanism for holding the measurement sample facing the probe;
A two-dimensional scanning mechanism for relatively scanning the probe parallel to the measurement sample surface;
An excitation mechanism for applying vibration to the probe;
A displacement detection mechanism for detecting the tip displacement of the probe;
Addition frequency signal generation mechanism,
A frequency addition mechanism for adding the frequency of the addition frequency signal from the addition frequency signal generation mechanism to the frequency of the displacement signal output from the displacement detection mechanism;
A first filter for filtering the signal from the frequency summing mechanism;
A reference signal generation mechanism for generating a reference signal of a constant frequency ,
A phase comparison mechanism for detecting a phase difference between a reference signal from the reference signal generation mechanism and an output signal from the first filter;
Filtering the signal from the phase comparator, for driving a second filter for integrating, and the control amount calculating mechanism calculates a control amount for driving the distance displacement mechanism receives signals from the second filter Amplifier
A scanning probe microscope characterized by comprising:
前記参照信号発生機構は水晶発振子を有しており、該水晶発振子の生ずる周波数を用いて参照信号を発生することを特徴とする請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡 The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the reference signal generation mechanism includes a crystal oscillator, and generates a reference signal using a frequency generated by the crystal oscillator. 前記加算周波数信号発生機構は水晶発振子を有しており、該水晶発振子の生ずる周波数を用いて加算周波数信号を発生することを特徴とする請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡 2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the addition frequency signal generating mechanism has a crystal oscillator, and generates an addition frequency signal using a frequency generated by the crystal oscillator. プローブを該プローブの持つ機械共振の共振周波数で振動させながら測定試料に近づけるとき、該プローブと該測定試料との間に生じる力により起こる前記共振周波数の変化を利用し、該測定試料の微細な凹凸を観察する走査型プローブ顕微鏡におけるプローブと試料表面間距離制御方法であって
プローブを測定試料表面に平行に2次元に相対走査するためのステップ、
該プローブの共振周波数で加振するためのステップ、
該プローブの先端変位を検出するステップ、
前記先端変位を検出するステップにより検出された検出信号に一定周波数の信号を加算するステップ、
一定周波数が加算された検出信号を濾波するステップ、
濾波された信号と一定周波数の参照信号との位相差を比較し、位相差に応じた信号を出力するステップ、
該位相差に応じた信号を濾波、積分するステップ、ならびに
該濾波、積分された信号に応じて該プローブと該測定試料表面の距離を変位させるステップ
を有することを特徴とする距離制御方法
When the probe is brought close to the measurement sample while vibrating at the resonance frequency of the mechanical resonance of the probe, the change in the resonance frequency caused by the force generated between the probe and the measurement sample is used to make fine measurement of the measurement sample. A method for controlling the distance between a probe and a sample surface in a scanning probe microscope for observing irregularities,
A step for two-dimensional relative scanning of the probe parallel to the measurement sample surface;
A step for exciting at the resonant frequency of the probe;
Detecting the tip displacement of the probe;
Adding a signal having a constant frequency to the detection signal detected by detecting the tip displacement;
Filtering the detection signal to which the constant frequency is added;
Comparing the phase difference between the filtered signal and a constant frequency reference signal and outputting a signal according to the phase difference;
Filtering and integrating a signal corresponding to the phase difference, and displacing a distance between the probe and the measurement sample surface according to the filtered and integrated signal.
A distance control method comprising:
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