JP4489869B2 - 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、走査型プローブ顕微鏡に関し、表面形状の観察、及び吸着力マッピング測定に関する。
【0002】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡として、プローブと試料表面間に働く原子間力を用いた走査型原子間力顕微鏡(AFM)が知られている。走査型原子間力顕微鏡は、探針,探針を支持するカンチレバー,及びカンチレバーの曲がりを検出する変位測定系を備え、探針と試料との間の原子間力(引力または斥力)を検出して、試料表面の形状観察を行うものであり、生物,有機分子,絶縁体等の非導電物質の観察を行うことができる。
走査型原子間力顕微鏡による観察では、コンタクトモード、コンタクトハイトモード、ノンコンタクトモード、ダイナミックモード等の各種の測定モードによって表面形状の測定に適用することができる。コンタクトモードによる表面形状測定ではカンチレバーのたわみを検出し、ダイナミックモードによる表面形状測定ではカンチレバーの振幅を検出している。
【0003】
また、走査型原子間力顕微鏡は上記の表面形状観察の他に、試料とカンチレバーとの間に働く作用力を測定するフォースカーブ測定機能を備えている。フォースカーブ測定では、試料とカンチレバーとの距離を変化させ、試料とカンチレバーとの間に働く作用力を測定し、距離に対する作用力の変化を求める。フォースカーブを測定することによって、試料の吸着力を測定することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
走査型プローブ顕微鏡において、コンタクトモードやダイナミックモードによって表面形状測定する場合には、試料に対してnNオーダーの力でカンチレバーの探針を押し込むため、非常に柔らかな試料の場合にはこの探針の押圧力よって破壊されるおそれがある。
また、カンチレバーと試料とを相対的に移動させて走査すると、探針が試料に対して作用する力の方向は表面形状や走査方向等によって変化し、試料に対して必ずしも垂直方向とはならず、表面形状観察の測定条件が同一とならないという問題もある。
【0005】
また、走査型プローブ顕微鏡によってフォースカーブを測定する場合には、カンチレバーあるいは試料の位置を制御する機構によって、カンチレバーが試料から最も離れた位置と最も接近した位置、あるいは試料がカンチレバーから最も離れた位置と最も接近した位置を指定し、これらの設定位置の範囲内で試料とカンチレバーとの距離を変化させている。従来の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーの位置あるいは試料の位置を指定することによって、フォースカーブの測定範囲を定めているため、指定位置からの位置ずれによってカンチレバーや試料が破損するおそれがある。
【0006】
図5はカンチレバーと試料との位置関係を説明するための概略断面図である。カンチレバー2と試料Sとの間の距離を縮めると、図5(a)に示すように、カンチレバー2の探針20は試料Sと点Paで接触する。カンチレバー2と試料Sとの間の距離が変動すると、図5(b)あるいは図5(c)に示すように、試料Sやカンチレバー2に破損が生じる場合がある。図5(b)では、カンチレバー2と試料Sとが接近しすぎるため、接触点Pbにおいて試料Sやカンチレバー2に過大な圧縮力が作用する。
また、カンチレバー2と試料Sが接触した後に両者が離れる場合には、試料Sの表面に存在する液体Lによるメニスカスフォース(凝着力)によって、図5(c)に示すように試料Sに引っ張り力が作用する。
【0007】
図6のフォースカーブ測定における位置と作用力との関係を示す図において、最接近位置Zu及び最離隔位置Zlのように位置を指定することによって測定範囲を定めている。そのため、温度ドリフト等による位置ずれによって、Zu(最接近位置)を越える場合には最大圧縮限界Fuを越えた作用力が印加され、また、Zl(最離隔位置)を越える場合には最大引っ張り限界Fuを越えた作用力が印加されることになる。したがって、従来の位置指定による場合では、不要な作用力が加わるおそれがる。
【0008】
上記したように、従来の走査型プローブ顕微鏡では、表面形状観察及び吸着力測定において、試料に過剰な力が加わるという問題点がある。
また、フォースカーブ測定によって吸着力を測定する場合には、カンチレバーが試料から離れる直前の作用力を測定している。図6において、引っ張り力に耐えられなくなって探針が試料から離れる直前のFp を吸着力としており、このときのカンチレバーのたわみをフォトディテクターで検出している。しかしながら、P点は作用力の変化点であって急激な変化であるため、フォトディテクターによる測定では高い分解能を望めないという問題がある。
【0009】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、走査型プローブ顕微鏡による表面形状観察及び吸着力測定において、試料に対する過剰な力の作用を防止すると共に、測定精度を高めることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いた表面形状観察及び吸着力測定において行なうフォースカーブ測定において、フォースカーブを測定する範囲を、カンチレバーの位置あるいは試料の位置を指定することに代えて、カンチレバーと試料との間に働く作用力を指定する。これによって、試料に加わる作用力を設定した限界値内に制限して過剰な力が作用するのを防止する。また、各測定点ごとで測定を行うことによって、試料に対する作用力を垂直方向として同一の測定条件での測定を行うことによって測定精度を高める。
【0011】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと試料との間に働く作用力の圧縮及び引っ張りの限界値を設定し、測定される作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置制御を行い、カンチレバーの変位に基づいてカンチレバーと試料との間に働く作用力を測定するフォースカーブ測定手段を備え、圧縮設定限界値となる位置データを用いた表面形状測定と、引っ張り設定限界値となる位置データを用いた吸着力測定とを、カンチレバーを試料表面上で各測定点ごとに移動させながら行う構成とする。
【0012】
本発明の走査型プローブ顕微鏡のフォースカーブ測定手段は、カンチレバーと試料との間に働く作用力の上限と下限を圧縮設定限界値及び引っ張り設定限界値として設定し、該作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置制御を行う。なお、作用力とカンチレバーのたわみは比例するため、作用力に代えてカンチレバーのたわみ量で設定及び測定を行うことができる。
【0013】
本発明は、フォースカーブ測定手段において、圧縮設定限界値となる位置データから表面形状に係わるデータを測定し、引っ張り設定限界値となる位置データから吸着力に係わるデータを測定する。取得した表面形状データ及び吸着力データを、試料表面の複数測定点で求めることによって、表面形状及び吸着力マッピングを得ることができる。
本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、フォースカーブの測定中にカンチレバーと試料との間に働く作用力を制限し、設定された限界値の範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置を制御することによって、試料あるいはカンチレバーに破損を与えることなく表面形状及び吸着力マッピングを得ることができる。
【0014】
また、各測定を、測定点ごとに行うことによって、カンチレバーによる試料の損傷を防止すると共に、作用力の作用方向を各測定で同一として測定精度を高めることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成図であり、走査型原子間力顕微鏡を例とした図である。図1に示す走査型プローブ顕微鏡は、探針20,探針20を支持するカンチレバー2,カンチレバー2の曲がりを検出する変位測定系3,及び試料SをZ軸方向、及びX軸,Y軸方向に移動させる駆動系4を備え、探針20と試料Sとの間の原子間力(引力または斥力)を、カンチレバーのたわみ量で検出し、取得したたわみ量を用いて試料表面の形状観察及び吸着力マッピングを行う。
【0016】
変位測定系3は、レーザー発振器31等の光源、ミラー32,33等の光学系、フォトダイオード34等の光検出器を備え、レーザー発振器31から発せられカンチレバー2で反射されたレーザー光をフォトダイオード34で検出することによって、カンチレバー2の変位を測定する。カンチレバー2の変位からフォースカーブを測定する。
フォトダイオード34で検出された変位信号はA/D変換器35でデジタル信号に信号変換された後、測定手段1のフォースカーブ測定手段1に送られる。
【0017】
測定手段1は、フォースカーブを測定するフォースカーブ測定手段11と、該フォースカーブ測定手段11で取得したデータに基づいて、表面形状を求める表面形状測定手段12及び吸着力を求める吸着力マッピング測定手段13を備える。
フォースカーブ測定手段11はカンチレバー2の変位に対応した作用力を算出するとともに、駆動系4に対して制御信号を出力する。駆動系4は、フォースカーブ測定手段1からのデジタルの制御信号をアナログ信号に変換するD/A変換器41と、該アナログ信号によってスキャナ43をZ軸方向に駆動するスキャナドライバ42とを備える。なお、スキャナドライバ42は、図示しない制御装置から制御信号を受けてスキャナ43をX軸方向,Y軸方向に駆動し、試料Sを走査することができる。
【0018】
本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えるフォースカーブ測定手段11は、カンチレバー2と試料Sとの間に働く作用力の限界値を設定し、測定される作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチレバー2あるいは試料Sの位置制御を行う。なお、作用力の設定限界値としてカンチレバーのたわみ量を用いることができる。以下では、たわみ量によって設定限界値を定める例を説明する。
【0019】
図2は、カンチレバーに働くたわみ量ΔZ(作用力)の限界値及び位置制御の関係を説明するための図である。図2において縦軸はカンチレバーに働くたわみ量ΔZを示し、横軸は試料に対するカンチレバーの位置を示し、スキャナのZ軸方向の位置で示している。
なお、図2において、Aで示される部分は、カンチレバーが試料に接近する際に、試料表面に存在する液体層によるメニスカスフォースによってカンチレバーが試料側に引きつけられた状態を示し、Bで示される部分は試料を圧縮したカンチレバーを戻す状態を示し、Cで示される部分はカンチレバーが試料から離れる際に試料表面に存在する液体層によるメニスカスフォースによってカンチレバーが試料側に引きつけられた状態を示している。
【0020】
本発明では、カンチレバーに働くたわみ量に限界値を設定することによって、フォースカーブの測定範囲を定めている。図2において、カンチレバーが試料を圧縮する方向に加わるたわみ量の限界値として上限値ΔZ(max)を定め、カンチレバーが試料を引っ張る方向に加わる作用力の限界値として下限値ΔZ(min)を定める。この上限値ΔZ(max)び下限値ΔZ(min)は、カンチレバーと試料との間に発生する作用力によってカンチレバーあるいは試料に損傷が生じない最大値、あるいはその最大値に所定の安全率を乗じた値を用いることができる。
カンチレバーのたわみ量ΔZが、設定した上限値ΔZ(max)と下限値ΔZ(min)との間の範囲内となるように、試料及びカンチレバーの位置制御を行い、この位置制御によって、スキャナのZ方向の位置はZi(max)とZi(min)の範囲内を移動する。これによって、カンチレバーと試料との間に働く作用力は、上限値ΔZ(max)と下限値Z(min)のたわみ量で表される作用力の間に制限される。
【0021】
次に、図3のブロック図を用いて測定手段の構成を説明する。図3において、測定手段1はフォースカーブ測定手段11と、表面形状測定手段12と、吸着力マッピング測定手段13と、記憶手段14とを備える。
フォースカーブ測定手段11は、たわみ量(作用力)の制限及び該制限による位置制御に基づいてフォースカーブの測定範囲を定める機能を備える部分であり、限界値における位置を測定する構成として、比較手段11a及びスキャナ位置算出手段11bを備える。比較手段11aは、検出したたわみ量ΔZと限界値ΔZ(max),ΔZ(min)とを比較し、スキャナ位置算出手段11bは、比較手段11aの比較結果に基づいて該限界値におけるスキャナ位置Zi(max),Zi(min)を算出する。なお、比較手段11a及びスキャナ位置算出手段11bで用いる設定値Zs(スキャナの初期位置)及び限界値ΔZ(max),ΔZ(min)は設定手段5から設定することができる。また、フォースカーブ測定手段11は、たわみ量に対応するスキャナ位置Ziを算出し、該スキャナ位置Ziをドライバ側に(D/A変換器41,スキャナドライバ42)に送ってZ方向の制御を行う。スキャナ位置算出手段11bで算出したスキャナ位置Zi(max),Zi(min)は記憶手段15に記憶する。
【0022】
表面形状測定手段12は、試料高さ算出手段12aにおいてスキャナ位置Zi(max)を用いて試料表面の高さデータDiを算出し、測定点のX,Y座標データと共に表面形状記憶手段12bに記憶する。
また、吸着力マッピング測定手段13は、吸着力算出手段13aにおいてスキャナ位置Zi(min)を用いて等しい吸着力を有する試料表面の高さデータdiを算出し、測定点のX,Y座標データと共に吸着力分布として吸着力分布記憶手段13bに記憶する。表面形状記憶手段12b及び吸着力分布記憶手段13bに格納するデータは、表示手段6において画像表示することができる。
【0023】
次に、図4のフローチャートを用いて測定手段が行う動作を説明する。はじめに、設定手段5からスキャナ動作開始位置Zs,たわみ量の上限値ΔZ(max)及び下限値Z(min)を入力する。スキャナ動作開始位置Zsは、フォースカーブ測定におけるスキャナの最初の位置であり、通常、カンチレバーと試料とが十分に離隔した位置となるよう設定する。なお、図2において、スキャナ位置Ziを示す座標は、図の左方向をZiが増加する方向としている。
【0024】
上限値ΔZ(max)は、カンチレバーの圧縮時での最大のたわみ量であり、カンチレバーが試料を圧縮する方向に加わる作用力の限界値に対応している。また、下限値Z(min)は、カンチレバーの引っ張り時での最大のたわみ量であり、カンチレバーが試料を引っ張る方向に加わる作用力の限界値である。上限値ΔZ(max)及び下限値Z(min)は、カンチレバーと試料との間に発生する作用力によってカンチレバーあるいは試料に損傷が生じない最大値あるいはその最大値に所定の安全率を乗じた値に対応してものを用いる(ステップS1)。
【0025】
スキャナをx,y方向の走査して測定点に移動し(ステップS2)、スキャナのZ軸を動作させてフォースカーブを測定するために、スキャナ位置Ziを初期位置Zsに設定する。また、スキャナのZ軸の最初の移動方向を設定する。ここでは、移動方向としてカンチレバーと試料とが接近し、圧縮力が発生する移動方向の極性Pを(+)とし、カンチレバーと試料とが離隔し、引っ張り力が発生する移動方向の極性Pを(−)として、初期の移動方向を(+)に設定する(ステップS3)。
【0026】
スキャナ位置Ziを移動させながら、カンチレバーのたわみ量ΔZを測定し(ステップS4)、比較手段11aにおいて上限値ΔZ(max)と比較する。たわみ量ΔZが上限値ΔZ(max)となるまでスキャナ位置Ziを移動させ、たわみ量ΔZが上限値ΔZ(max)となった時点でスキャナ位置Ziの移動を停止し(ステップS5)、このときのスキャナ位置Zi(max)を記憶する(ステップS6)。
【0027】
次に、スキャナの移動方向極性を(−)とし、カンチレバーを試料から放す方向に移動させる(ステップS7)。スキャナ位置Ziを移動させながら、カンチレバーのたわみ量ΔZを測定し(ステップS8)、比較手段11aにおいて下限値ΔZ(min)と比較する。たわみ量ΔZが下限値ΔZ(min))となるまでスキャナ位置Ziを移動させ、たわみ量ΔZが下限値ΔZ(min))となった時点でスキャナ位置Ziの移動を停止し(ステップS5)、このときのスキャナ位置Zi(min)を記憶する(ステップS10)。
ステップS3からステップS10の工程を、測定点を移動させながら繰り返すことによって、試料表面の測定領域の表面形状及び吸着力分布を求めることができる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、走査型プローブ顕微鏡による表面形状観察及び吸着力測定において、試料に対する過剰な力の作用を防止すると共に、測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成図であり、走査型原子間力顕微鏡を例とした図である。
【図2】カンチレバーに働くたわみ量ΔZ(作用力)の限界値及び位置制御の関係を説明するための図である。
【図3】本発明の測定手段の構成を説明するブロック図である。
【図4】本発明の測定手段が行う動作を説明するためのフローチャートである。
【図5】カンチレバーと試料との位置関係を説明するための概略断面図である。
【図6】フォースカーブ測定における位置と作用力との関係を示す図である。
【符号の説明】
1…測定部、2…カンチレバー、3…変位検出系、4…駆動系、5…設定手段、6…表示部、11…フォースカーブ測定手段、11a…比較手段、11b…スキャナ位置算出手段、12…表面形状測定手段、12a…試料高さ算出手段、12b…表面形状記憶手段、13…吸着力マッピング測定手段、13a…吸着力算出手段、13b…吸着力分布記憶手段、14…記憶手段、20…探針、31…レーザー発振器、32,33…ミラー、34…フォトダイオード、35…A/D変換器、41…D/A変換器、42…スキャナドライバ、43…スキャナ、S…試料。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning probe microscope, and relates to surface shape observation and adsorption force mapping measurement.
[0002]
[Prior art]
As a scanning probe microscope, a scanning atomic force microscope (AFM) using an atomic force acting between a probe and a sample surface is known. A scanning atomic force microscope is equipped with a probe, a cantilever that supports the probe, and a displacement measurement system that detects bending of the cantilever, and detects the atomic force (attraction or repulsive force) between the probe and the sample. Thus, the shape of the sample surface is observed, and non-conductive substances such as living organisms, organic molecules, and insulators can be observed.
Observation with a scanning atomic force microscope can be applied to measurement of the surface shape by various measurement modes such as a contact mode, a contact height mode, a non-contact mode, and a dynamic mode. The surface shape measurement by contact mode detects the deflection of the cantilever, and the surface shape measurement by dynamic mode detects the amplitude of the cantilever.
[0003]
The scanning atomic force microscope has a force curve measurement function for measuring the acting force acting between the sample and the cantilever in addition to the above surface shape observation. In the force curve measurement, the distance between the sample and the cantilever is changed, the acting force acting between the sample and the cantilever is measured, and the change in the acting force with respect to the distance is obtained. By measuring the force curve, the adsorption force of the sample can be measured.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the scanning probe microscope, when the surface shape is measured by the contact mode or the dynamic mode, the probe of the cantilever is pushed into the sample with a force of nN order. Therefore, in the case of a very soft sample, the probe There is a risk of destruction by pressing force.
When the cantilever and the sample are moved relative to each other and scanned, the direction of the force that the probe acts on the sample changes depending on the surface shape, the scanning direction, etc., and is not necessarily perpendicular to the sample. There is also a problem that the measurement conditions for surface shape observation are not the same.
[0005]
When measuring the force curve with a scanning probe microscope, the position where the cantilever is closest to the sample or the position where the sample is farthest from the cantilever by the mechanism that controls the position of the cantilever or sample. The closest position is designated, and the distance between the sample and the cantilever is changed within the range of these set positions. In the conventional scanning probe microscope, the measurement range of the force curve is determined by designating the position of the cantilever or the position of the sample. Therefore, the cantilever or the sample may be damaged due to the displacement from the designated position.
[0006]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the positional relationship between the cantilever and the sample. When the distance between the cantilever 2 and the sample S is reduced, the probe 20 of the cantilever 2 contacts the sample S at a point Pa as shown in FIG. If the distance between the cantilever 2 and the sample S varies, the sample S and the cantilever 2 may be damaged as shown in FIG. 5B or 5C. In FIG. 5B, since the cantilever 2 and the sample S are too close to each other, an excessive compressive force acts on the sample S and the cantilever 2 at the contact point Pb.
In addition, when the cantilever 2 and the sample S come into contact with each other and are separated from each other, a pulling force is applied to the sample S as shown in FIG. 5C by the meniscus force (adhesion force) due to the liquid L existing on the surface of the sample S. Works.
[0007]
In the diagram showing the relationship between the position and the acting force in the force curve measurement of FIG. 6, the measurement range is determined by designating the position as the closest approach position Zu and the most separated position Zl. Therefore, when Zu (closest approach position) is exceeded due to a position shift due to temperature drift or the like, an action force exceeding the maximum compression limit Fu is applied, and when Zl (maximum separation position) is exceeded, the maximum tensile limit is exceeded. An acting force exceeding Fu is applied. Therefore, in the case of the conventional position designation, unnecessary acting force may be applied.
[0008]
As described above, the conventional scanning probe microscope has a problem that an excessive force is applied to the sample in surface shape observation and adsorption force measurement.
Further, when the adsorption force is measured by force curve measurement, the acting force immediately before the cantilever is separated from the sample is measured. In FIG. 6, Fp immediately before the probe is separated from the sample because it cannot withstand the pulling force is used as the adsorption force, and the deflection of the cantilever at this time is detected by a photodetector. However, since the point P is a change point of the acting force and is a sudden change, there is a problem that high resolution cannot be expected by measurement using a photodetector.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to solve the above-described conventional problems and to prevent an excessive force from acting on a sample and improve measurement accuracy in surface shape observation and adsorption force measurement using a scanning probe microscope. .
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the force curve measurement performed in surface shape observation and adsorption force measurement using a scanning probe microscope, the present invention replaces the range in which the force curve is measured with the designation of the position of the cantilever or the position of the sample. Specifies the acting force acting on the sample. As a result, the acting force applied to the sample is limited within a set limit value to prevent an excessive force from acting. In addition, by performing measurement at each measurement point, measurement accuracy is increased by performing measurement under the same measurement conditions with the acting force on the sample as a vertical direction.
[0011]
The scanning probe microscope of the present invention sets the limit value of compression and tension of the acting force acting between the cantilever and the sample, and the cantilever or the cantilever so that the measured acting force is within the range determined by the setting limit value. Force curve measurement means that controls the position of the sample and measures the acting force acting between the cantilever and the sample based on the displacement of the cantilever, measures the surface shape using the position data that is the compression set limit value, and pulls Adsorption force measurement using position data that is a set limit value is performed while moving the cantilever for each measurement point on the sample surface.
[0012]
The force curve measuring means of the scanning probe microscope of the present invention sets the upper and lower limits of the acting force acting between the cantilever and the sample as the compression setting limit value and the tension setting limit value, and the acting force is the set limit value. The position of the cantilever or sample is controlled so as to be within a predetermined range. Since the acting force and the deflection of the cantilever are proportional, the setting and measurement can be performed with the amount of deflection of the cantilever instead of the acting force.
[0013]
In the present invention, the force curve measuring means measures the data related to the surface shape from the position data that becomes the compression setting limit value, and measures the data related to the suction force from the position data that becomes the tension setting limit value. By obtaining the acquired surface shape data and adsorption force data at a plurality of measurement points on the sample surface, the surface shape and adsorption force mapping can be obtained.
According to the scanning probe microscope of the present invention, the force acting between the cantilever and the sample is limited during the force curve measurement, and the position of the cantilever or the sample is controlled so as to be within the set limit range. By doing so, surface shape and adsorption force mapping can be obtained without damaging the sample or the cantilever.
[0014]
Further, by performing each measurement for each measurement point, it is possible to prevent the sample from being damaged by the cantilever and to increase the measurement accuracy by making the direction of the acting force the same in each measurement.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a scanning probe microscope according to the present invention, which is an example of a scanning atomic force microscope. The scanning probe microscope shown in FIG. 1 includes a probe 20, a cantilever 2 that supports the probe 20, a displacement measuring system 3 that detects bending of the cantilever 2, and a sample S in the Z-axis direction, the X-axis direction, and the Y-axis direction. A drive system 4 that moves the probe to the surface of the sample S, detects an atomic force (attraction or repulsive force) between the probe 20 and the sample S by the amount of deflection of the cantilever, and uses the obtained amount of deflection to observe the shape of the sample surface and Perform adsorption force mapping.
[0016]
The displacement measuring system 3 includes a light source such as a laser oscillator 31, an optical system such as mirrors 32 and 33, and a photo detector such as a photodiode 34, and the laser beam emitted from the laser oscillator 31 and reflected by the cantilever 2 is a photodiode. By detecting at 34, the displacement of the cantilever 2 is measured. The force curve is measured from the displacement of the cantilever 2.
The displacement signal detected by the photodiode 34 is converted into a digital signal by the A / D converter 35 and then sent to the force curve measuring means 1 of the measuring means 1.
[0017]
The measuring means 1 includes a force curve measuring means 11 for measuring a force curve, a surface shape measuring means 12 for obtaining a surface shape based on data acquired by the force curve measuring means 11, and an adsorption force mapping measuring means for obtaining an adsorption force. 13 is provided.
The force curve measuring means 11 calculates an acting force corresponding to the displacement of the cantilever 2 and outputs a control signal to the drive system 4. The drive system 4 includes a D / A converter 41 that converts a digital control signal from the force curve measuring unit 1 into an analog signal, and a scanner driver 42 that drives the scanner 43 in the Z-axis direction using the analog signal. The scanner driver 42 can scan the sample S by receiving a control signal from a control device (not shown) and driving the scanner 43 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
[0018]
The force curve measuring means 11 provided in the scanning probe microscope of the present invention sets a limit value of the acting force acting between the cantilever 2 and the sample S, and the measured acting force is within a range determined by the set limit value. Thus, the position control of the cantilever 2 or the sample S is performed. Note that the deflection amount of the cantilever can be used as the setting limit value of the acting force. Hereinafter, an example in which the setting limit value is determined by the amount of deflection will be described.
[0019]
FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the limit value of the deflection amount ΔZ (acting force) acting on the cantilever and the position control. In FIG. 2, the vertical axis indicates the amount of deflection ΔZ acting on the cantilever, and the horizontal axis indicates the position of the cantilever with respect to the sample, which is indicated by the position in the Z-axis direction of the scanner.
In FIG. 2, a portion indicated by A indicates a state where the cantilever is attracted to the sample side by a meniscus force due to a liquid layer existing on the sample surface when the cantilever approaches the sample, and a portion indicated by B Indicates a state in which the cantilever compressed with the sample is returned, and a portion indicated by C indicates a state in which the cantilever is attracted to the sample side by a meniscus force due to a liquid layer existing on the sample surface when the cantilever leaves the sample.
[0020]
In the present invention, the measurement range of the force curve is determined by setting a limit value for the amount of deflection acting on the cantilever. In FIG. 2, an upper limit value ΔZ (max) is defined as a limit value of the amount of deflection applied in the direction in which the cantilever compresses the sample, and a lower limit value ΔZ (min) is defined as a limit value of the acting force applied in the direction in which the cantilever pulls the sample. . The upper limit value ΔZ (max) and the lower limit value ΔZ (min) are the maximum value at which the cantilever or the sample is not damaged by the acting force generated between the cantilever and the sample, or the maximum value is multiplied by a predetermined safety factor. Values can be used.
The position control of the sample and the cantilever is performed so that the deflection amount ΔZ of the cantilever falls within the range between the set upper limit value ΔZ (max) and lower limit value ΔZ (min). The position in the direction moves within the range of Zi (max) and Zi (min). As a result, the acting force acting between the cantilever and the sample is limited to the acting force represented by the deflection amount of the upper limit value ΔZ (max) and the lower limit value Z (min).
[0021]
Next, the configuration of the measuring means will be described using the block diagram of FIG. In FIG. 3, the measuring unit 1 includes a force curve measuring unit 11, a surface shape measuring unit 12, an adsorption force mapping measuring unit 13, and a storage unit 14.
The force curve measuring means 11 is a part having a function of determining the measurement range of the force curve based on the restriction of the deflection amount (acting force) and the position control based on the restriction, and the comparison means is configured to measure the position at the limit value. 11a and scanner position calculation means 11b. The comparison unit 11a compares the detected deflection amount ΔZ with the limit values ΔZ (max) and ΔZ (min), and the scanner position calculation unit 11b calculates the scanner position Zi at the limit value based on the comparison result of the comparison unit 11a. (Max) and Zi (min) are calculated. The setting value Zs (initial position of the scanner) and limit values ΔZ (max) and ΔZ (min) used in the comparison unit 11a and the scanner position calculation unit 11b can be set from the setting unit 5. The force curve measuring means 11 calculates a scanner position Zi corresponding to the deflection amount, and sends the scanner position Zi to the driver side (D / A converter 41, scanner driver 42) to perform control in the Z direction. . The scanner positions Zi (max) and Zi (min) calculated by the scanner position calculation unit 11 b are stored in the storage unit 15.
[0022]
The surface shape measuring means 12 calculates the sample surface height data Di using the scanner position Zi (max) in the sample height calculating means 12a, and stores it in the surface shape storage means 12b together with the X and Y coordinate data of the measurement points. To do.
Further, the adsorption force mapping measurement means 13 calculates the height data di of the sample surface having the same adsorption force using the scanner position Zi (min) in the adsorption force calculation means 13a, and together with the X and Y coordinate data of the measurement points. The adsorption force distribution is stored in the adsorption force distribution storage unit 13b. The data stored in the surface shape storage unit 12b and the adsorption force distribution storage unit 13b can be displayed as an image on the display unit 6.
[0023]
Next, the operation performed by the measuring means will be described using the flowchart of FIG. First, the scanner operation start position Zs, the deflection upper limit value ΔZ (max) and the lower limit value Z (min) are input from the setting means 5. The scanner operation start position Zs is the first position of the scanner in the force curve measurement, and is normally set so that the cantilever and the sample are sufficiently separated from each other. In FIG. 2, the coordinates indicating the scanner position Zi are such that the left direction in the figure is the direction in which Zi increases.
[0024]
The upper limit value ΔZ (max) is the maximum amount of deflection when the cantilever is compressed, and corresponds to the limit value of the acting force applied in the direction in which the cantilever compresses the sample. The lower limit value Z (min) is the maximum amount of deflection when the cantilever is pulled, and is the limit value of the acting force applied in the direction in which the cantilever pulls the sample. The upper limit value ΔZ (max) and the lower limit value Z (min) are the maximum value at which the cantilever or the sample is not damaged by the acting force generated between the cantilever and the sample, or a value obtained by multiplying the maximum value by a predetermined safety factor. The one corresponding to is used (step S1).
[0025]
The scanner is scanned in the x and y directions and moved to the measurement point (step S2), and the scanner position Zi is set to the initial position Zs in order to measure the force curve by operating the Z axis of the scanner. Also, the first movement direction of the Z axis of the scanner is set. Here, as the moving direction, the cantilever and the sample approach each other and the polarity P in the moving direction in which the compressive force is generated is (+), and the cantilever and the sample are separated from each other and the polarity P in the moving direction in which the tensile force is generated is ( −), The initial moving direction is set to (+) (step S3).
[0026]
While moving the scanner position Zi, the deflection amount ΔZ of the cantilever is measured (step S4) and compared with the upper limit value ΔZ (max) in the comparison means 11a. The scanner position Zi is moved until the deflection amount ΔZ reaches the upper limit value ΔZ (max). When the deflection amount ΔZ reaches the upper limit value ΔZ (max), the movement of the scanner position Zi is stopped (step S5). The scanner position Zi (max) is stored (step S6).
[0027]
Next, the moving direction polarity of the scanner is set to (-), and the cantilever is moved in a direction to release it from the sample (step S7). While moving the scanner position Zi, the deflection amount ΔZ of the cantilever is measured (step S8) and compared with the lower limit value ΔZ (min) in the comparison means 11a. The scanner position Zi is moved until the deflection amount ΔZ reaches the lower limit value ΔZ (min)). When the deflection amount ΔZ reaches the lower limit value ΔZ (min)), the movement of the scanner position Zi is stopped (step S5). The scanner position Zi (min) at this time is stored (step S10).
By repeating the steps from step S3 to step S10 while moving the measurement point, the surface shape and adsorption force distribution of the measurement region on the sample surface can be obtained.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, in surface shape observation and adsorption force measurement using a scanning probe microscope, it is possible to prevent an excessive force from acting on the sample and to increase measurement accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning probe microscope according to the present invention, and illustrates a scanning atomic force microscope as an example.
FIG. 2 is a diagram for explaining a relationship between a limit value of a deflection amount ΔZ (acting force) acting on a cantilever and position control.
FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of the measuring means of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation performed by the measuring means of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the positional relationship between a cantilever and a sample.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between position and acting force in force curve measurement.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measurement part, 2 ... Cantilever, 3 ... Displacement detection system, 4 ... Drive system, 5 ... Setting means, 6 ... Display part, 11 ... Force curve measurement means, 11a ... Comparison means, 11b ... Scanner position calculation means, 12 ... surface shape measuring means, 12a ... sample height calculating means, 12b ... surface shape storing means, 13 ... adsorption force mapping measuring means, 13a ... adsorption force calculating means, 13b ... adsorption force distribution storing means, 14 ... storage means, 20 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Probe, 31 ... Laser oscillator, 32, 33 ... Mirror, 34 ... Photodiode, 35 ... A / D converter, 41 ... D / A converter, 42 ... Scanner driver, 43 ... Scanner, S ... Sample.

Claims (1)

カンチレバーと試料との間に働く作用力の圧縮及び引っ張りの限界値を設定し、測定される作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置制御を行い、カンチレバーの変位に基づいてカンチレバーと試料との間に働く作用力を測定するフォースカーブ測定手段を備え、
前記圧縮の限界値を設定する圧縮設定限界値および前記引っ張りの限界値を設定する引っ張り設定限界値は、カンチレバーと試料との間に発生する作用力によってカンチレバーあるいは試料に損傷を生じない最大値、または当該最大値に安全率を乗じた値であり、
前記圧縮設定限界値となる位置データを用いた表面形状測定と、前記引っ張り設定限界値となる位置データを用いた吸着力分布測定とを、カンチレバーを試料表面上で各測定点ごとに移動させながら行うことを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡。
Set the limit value of compression and tension of the acting force acting between the cantilever and the sample, and control the position of the cantilever or sample so that the measured acting force is within the range defined by the setting limit value. A force curve measuring means for measuring the acting force acting between the cantilever and the sample based on the displacement;
The compression setting limit value that sets the compression limit value and the tension setting limit value that sets the tension limit value are the maximum values that do not cause damage to the cantilever or the sample due to the acting force generated between the cantilever and the sample, Or the maximum value multiplied by the safety factor,
The compression set limits a position data profilometer using, and a suction force distribution measurement using the position data serving as the tensile set limits, while the cantilever is moved for each measurement point on the sample surface Scanning probe microscope characterized by performing.
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