JP5077938B2 - Atomic force microscope - Google Patents

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Description

本発明は、原子間力顕微鏡装置に関する。   The present invention relates to an atomic force microscope apparatus.

精密計測分野において、その最も高分解能を持つ計測装置のひとつに走査型プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscope(SPM))がある。SPMの先駆けとして、1932年にビニッヒらによって走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tonneling Microscope(STM))が開発された。STMは、カンチレバーの先端と試料表面を流れるトンネル電流が一定となるように位置を制御し、そのフィードバック信号により試料の表面形状を計測するものである。   In the precision measurement field, there is a scanning probe microscope (SPM) as one of the measuring devices having the highest resolution. As a pioneer of SPM, Scanning Tunneling Microscope (STM) was developed in 1932 by Vinich et al. The STM controls the position so that the tunnel current flowing through the tip of the cantilever and the sample surface is constant, and measures the surface shape of the sample using the feedback signal.

STMの出現によって、従来とは比較にならないほどの高分解能計測が可能となり、ビニッヒのノーベル物理学賞の受賞理由となった。   With the advent of STM, high-resolution measurements that are incomparable to conventional ones became possible, which was the reason for winning the Nobel Prize in Physics in Binig.

しかしながら、STMではトンネル電流の計測が必要であるため、絶縁体試料での計測は不可能という問題点があった。   However, since STM requires measurement of tunnel current, there is a problem that measurement with an insulator sample is impossible.

これを解決したのがSPM誕生の4年後に発明された原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope(AFM))である。AFMは、カンチレバーの先端と試料表面との間に働くさまざまな力をカンチレバーの先端の変位から測るものである。近接する2つの物体間には必ず力が作用するため、AFMには試料に対する制約が原則的に存在しない(非特許文献1)。   An atomic force microscope (AFM) invented four years after the birth of SPM has solved this problem. The AFM measures various forces acting between the tip of the cantilever and the sample surface from the displacement of the tip of the cantilever. Since force always acts between two adjacent objects, there is no restriction on the sample in AFM in principle (Non-patent Document 1).

AFMは、高精度計測する高性能機器であり、最近になって様々な取組みがなされている。   The AFM is a high-performance instrument that performs high-precision measurement, and various efforts have been made recently.

例えば、z方向駆動ピエゾ素子の駆動を素早くするためのカウンターバランス法やアクティブダンピング法(非特許文献2、3)、シフトモードもしくはライン毎の情報をフィードフォワード補償する方法(非特許文献4)、カンチレバーのQ値の制御などが報告されている(非特許文献5)。   For example, a counter balance method and an active damping method (Non-Patent Documents 2 and 3) for quickly driving a z-direction driven piezo element, a method for feedforward compensation of shift mode or line-by-line information (Non-Patent Document 4), Control of the Q value of the cantilever has been reported (Non-Patent Document 5).

「走査プローブ顕微鏡と局所分光」,裳華房(2005)“Scanning Probe Microscope and Local Spectroscopy”, Kanamebo (2005) Rev.Sci.Instrum.,76,053708(2005)Rev. Sci. Instrum. , 76,053708 (2005) Proc.Natl.USA.Sci.USA,98,12468(2001)Proc. Natl. USA. Sci. USA, 98, 12468 (2001) 「Robust Two−Degree−of−Freedom Control of an Atomic Force Microscope」,Asian Journal of Control,Vol.6,No.2,p.156−163(2004)“Robust Two-Degree-of-Freedom Control of an Atomic Force Microscope”, Asian Journal of Control, Vol. 6, no. 2, p. 156-163 (2004) Phys.Rev.Lett.90,046808(2003)Phys. Rev. Lett. 90,046808 (2003) 「PLINCIPLE OF PHYSICAL CHEMISTRY」,Putman Books Limited(1982)“PLINCIPLE OF PHYSICAL CHEMISTRY”, Putman Books Limited (1982) 「原子間力顕微鏡のナノスケールサーボ装置の製作と制御に関する研究」,電気学会産業計測制御研究会,IIC−06−132,p.1−6(2006)“Research on Fabrication and Control of Nanoscale Servo Devices for Atomic Force Microscope”, Institute of Electrical Engineers of Japan, IIC-06-132, p. 1-6 (2006) 「Robust Control Approach to Atomic Force Microscopy」,Conf. Decision Contr.,p.3443−3444(2003)“Robust Control Approach to Atomic Force Microscopy”, Conf. Decision Contr. , P. 3443-3444 (2003) 「パワーエレクトロニクス入門」,朝倉書店(2001)“Introduction to Power Electronics”, Asakura Shoten (2001)

しかしながら、AFMのほとんどはPID制御などの古典的なもので、アナログ回路での実装が主流となっている。一方、現在の産業機器のほとんどでは、ディジタル制御が適用されており、大幅な性能向上がもたらされている。また、ディジタル制御を用いて、モデルに基づき設計された制御系を有するタッピングモードのAFMも提供されていない。   However, most of the AFMs are classical such as PID control, and mounting by analog circuits is the mainstream. On the other hand, in most of the current industrial equipment, digital control is applied, resulting in a significant performance improvement. There is also no tapping mode AFM having a control system designed based on a model using digital control.

上記課題を解決するために、本発明に係る原子間力顕微鏡装置は、試料表面の表面形状をタッピングモードで画像化する原子間力顕微鏡装置であって、試料表面と原子間力を介して相互作用し、原子間力によってたわみ、摩擦力によってゆがみを生ずるカンチレバーの先端と、カンチレバーに向けて第1のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、カンチレバーが第1のレーザ光を反射することにより発せられた第2のレーザ光を検出する光検出手段と、試料を載せたピエゾと、原子間力を一定に保ちながら試料を走査するようにピエゾを制御する制御手段と、第2のレーザ光の強度からカンチレバーの先端のたわみとゆがみとを出力電圧として検出し、原子間力によって変調された出力電圧を復調する復調手段と、復調手段によって復調された出力電圧を、前記カンチレバーの先端の引力領域および斥力領域の動作を平均化することで前記カンチレバーの先端の動作を線形化するように変換し、前記変換された出力電圧から、表面形状オブザーバにより試料表面の表面形状を推定する推定手段と、推定された表面形状を記録するデータ記憶手段とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an atomic force microscope apparatus according to the present invention is an atomic force microscope apparatus that images a surface shape of a sample surface in a tapping mode, and is configured to interact with the sample surface via an atomic force. The tip of the cantilever that acts, bends due to the interatomic force, and is distorted due to the frictional force, the laser beam providing means that makes the first laser beam incident on the cantilever, and the cantilever reflects the first laser beam A light detecting means for detecting the emitted second laser light, a piezo on which the sample is placed, a control means for controlling the piezo so as to scan the sample while keeping the atomic force constant, and a second laser light. The deflection and distortion of the tip of the cantilever from the intensity of the output as the output voltage, demodulating the output voltage modulated by the atomic force, demodulated by the demodulation means The output voltage, the operation of the distal end of the cantilever by averaging the operation of the distal end of the attraction regions and the repulsive force region of the cantilever is converted to linearize, from the converted output voltage, the surface topography observer An estimation means for estimating the surface shape of the sample surface and a data storage means for recording the estimated surface shape are provided.

本発明によれば、観測精度が向上したタッピングモードAFMを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a tapping mode AFM with improved observation accuracy.

以下で本発明に係る実施形態について説明する。ここで説明する実施形態は、あくまでも一例であり、本発明は、以下の実施形態によりいかなる制限も受けるものではない。
本実施形態の説明で用いる単位の中で、1μmは、1×10-6m(メートル)であり、1nmは、1×10-9mである。
Embodiments according to the present invention will be described below. Embodiment described here is an example to the last, and this invention does not receive any restriction | limiting by the following embodiment.
Among the units used in the description of the present embodiment, 1 μm is 1 × 10 −6 m (meter), and 1 nm is 1 × 10 −9 m.

(実施形態)
(タッピングモードAFMによる計測)
AFMにおける計測方式は、コンタクトモードとダイナミックフォースモードと呼ばれる2つに大分類される。両者は原子間力の検出方法が異なっているが、その他については同一である。
(Embodiment)
(Measurement by tapping mode AFM)
The measurement method in AFM is roughly classified into two called contact mode and dynamic force mode. Both differ in the detection method of atomic force, but the other is the same.

スキャナ上に試料を搭載し、試料表面の形状に沿ってxyzの3方向に操作する。駆動力はいずれもピエゾ素子であり、ナノスケールの駆動分解能を有している。   A sample is mounted on the scanner and is operated in three directions xyz along the shape of the sample surface. The driving force is a piezo element, and has nanoscale driving resolution.

xy方向についてはフィードフォワードのみで制御している。一方、z方向はクローズド制御されている。   The xy direction is controlled only by feedforward. On the other hand, the z direction is closed.

前述のコンタクトモードは、試料表面とカンチレバーの先端が接触、もしくはカンチレバーの先端と試料表面が引きずりを起こした状態で試料表面の形状を計測する。
コンタクトモードでは、常に、試料表面とカンチレバーの先端が接触状態であることに加え、その接触力がダイナミックフォースモードと比較して大きいため試料表面を傷めてしまうことが知られている。このため、コンタクトモードは、生体試料などに代表される可塑性試料の計測には不向きとされている。
In the contact mode described above, the shape of the sample surface is measured in a state where the sample surface is in contact with the tip of the cantilever or the tip of the cantilever and the sample surface are dragged.
In the contact mode, it is known that the sample surface is always in contact with the tip of the cantilever, and the contact force is larger than that in the dynamic force mode, so that the sample surface is damaged. For this reason, the contact mode is not suitable for measurement of a plastic sample typified by a biological sample.

もうひとつの計測方式であるダイナミックフォースモードについて説明する。   The dynamic force mode, which is another measurement method, will be described.

ダイナミックフォースモードは、カンチレバーの先端が発振した状態で、試料表面に近づくと、原子間力によるたわみや、摩擦力によるゆがみにより、カンチレバーの先端の振幅、周波数、および位相が変化することを利用して、それらの変化から試料表面の形状を計測する。   The dynamic force mode uses the fact that the amplitude, frequency, and phase of the tip of the cantilever change due to deflection due to atomic force and distortion due to frictional force when approaching the sample surface while the tip of the cantilever oscillates. Then, the shape of the sample surface is measured from these changes.

ダイナミックフォースモードの中で、カンチレバーの先端が、試料表面を周期的に叩きながらその振幅の変化を計測する方式を、タッピングモードと呼ぶ。また、ダイナミックフォースモードの中で、試料表面とカンチレバーの先端が非接触の状態で、カンチレバーの先端の周波数の変化を計測する方式を、ノンコンタクトモードと呼ぶ。また、制御方式の違いを明確に区分するためにタッピングモードAFMをAM−AFM、ノンコンタクトモードAFMをFM−AFMと呼ぶこともある。   In the dynamic force mode, a method in which the tip of the cantilever measures the change in amplitude while hitting the sample surface periodically is called a tapping mode. Further, in the dynamic force mode, a method of measuring a change in frequency at the tip of the cantilever while the sample surface and the tip of the cantilever are in non-contact is called a non-contact mode. In order to clearly distinguish the difference in control method, the tapping mode AFM may be referred to as AM-AFM, and the non-contact mode AFM may be referred to as FM-AFM.

本実施形態では、タッピングモードAFMに関する発明を開示する。タッピングモードAFMでは、カンチレバーの先端と試料表面との接触力が小さく、高い計測精度で試料表面の形状を画像化することにより観測することができる。   In the present embodiment, an invention related to a tapping mode AFM is disclosed. In the tapping mode AFM, the contact force between the tip of the cantilever and the sample surface is small, and it can be observed by imaging the shape of the sample surface with high measurement accuracy.

図1は、タッピングモードAFMの測定方法を示した図である。まず、カンチレバーの先端104と周期的に試料表面120とを接触させるためカンチレバーの先端104を発振させる。ここで、内部摩擦による振動の減衰を補うためにカンチレバー103の後端部に備えた発振用ピエゾ素子101をDDS(ダイレクト・デジタル・シンセサイザー)102によりカンチレバー103の共振周波数(通常、数十kHz〜数百kHz)で駆動する。タッピングモードAFMでは、カンチレバーの先端104に、レーザ光提供手段107によりLD(レーザ光)105が照射される。そして、タッピングモードAFMは、カンチレバーの先端104から反射された光をPD(フォトダイオード)106で受光することでカンチレバーの先端104の変位を測定する。   FIG. 1 is a diagram showing a tapping mode AFM measurement method. First, the cantilever tip 104 is oscillated to periodically contact the sample surface 120 with the cantilever tip 104. Here, an oscillation piezo element 101 provided at the rear end of the cantilever 103 is compensated by a DDS (direct digital synthesizer) 102 to compensate for vibration attenuation due to internal friction. Drive at several hundred kHz). In the tapping mode AFM, the laser beam providing means 107 irradiates the tip 104 of the cantilever with an LD (laser beam) 105. The tapping mode AFM measures the displacement of the cantilever tip 104 by receiving light reflected from the tip 104 of the cantilever with a PD (photodiode) 106.

ここで、レーザ光の光検出手段であるフォトダイオードとして、例えば、四分割フォトダイオードを用いても良い。また、レーザ光提供手段として、可視光半導体レーザを用いても良い。   Here, for example, a quadrant photodiode may be used as the photodiode which is a light detection means of the laser beam. Further, a visible light semiconductor laser may be used as the laser light providing means.

PD106により測定された信号は、後述する原子間力によりAM変調されたものである。まず、PD106で測定された信号は、BPF(バンドパスフィルタ)108を通る。次に、PD106により測定された信号を復調するために、PD106により測定された信号は、RMS−DC109により実効値に換算される。本実施形態では、この実効値を原子間力とみなす。   The signal measured by the PD 106 is AM-modulated by an atomic force described later. First, a signal measured by the PD 106 passes through a BPF (band pass filter) 108. Next, in order to demodulate the signal measured by the PD 106, the signal measured by the PD 106 is converted into an effective value by the RMS-DC 109. In this embodiment, this effective value is regarded as an atomic force.

得られた原子間力を一定に保ちながら走査するために、コントローラ110は、試料の台座にあるz方向駆動ピエゾ素子(z−走査器)111をフィードバック制御により駆動させる。このときの制御入力は表面形状から受ける原子間力を打消すように与えられる。これを取出し、画像化することで表面形状が得られ、表面形状のデータがデータ記憶手段116に保存される。   In order to perform scanning while keeping the obtained atomic force constant, the controller 110 drives the z-direction drive piezo element (z-scanner) 111 on the base of the sample by feedback control. The control input at this time is given so as to cancel the interatomic force received from the surface shape. The surface shape is obtained by taking it out and imaging it, and the surface shape data is stored in the data storage means 116.

ここで、コントローラ110に含まれる走査回路113は、試料がのせられているピエゾ素子面115に水平なxy平面の走査をするxy−走査器112を制御する。また、コントローラ110に含まれる補償器114は、試料がのせられているピエゾ素子面115に垂直なz方向の走査をするz−走査器111を制御する。   Here, the scanning circuit 113 included in the controller 110 controls the xy-scanner 112 that scans the xy plane horizontal to the piezoelectric element surface 115 on which the sample is placed. The compensator 114 included in the controller 110 controls the z-scanner 111 that performs scanning in the z direction perpendicular to the piezoelectric element surface 115 on which the sample is placed.

(制御対象のモデル化)
AFMでは、原子間力により振幅等が変化することを述べたが、ここでは原子間力と原子間力の力学的取扱いについて述べる。
(Control target modeling)
In AFM, it has been described that the amplitude and the like change depending on the atomic force, but here, the atomic force and the mechanical handling of the atomic force will be described.

(原子間力とは)
以下で、カンチレバー先端と試料表面の間に作用する原子間力について説明する。
(What is interatomic force)
Hereinafter, the atomic force acting between the tip of the cantilever and the sample surface will be described.

一般に、2個の無極性原子の間には、以下の式(1)で表されるようなレナード-ジョーンズ型ポテンシャルで近似できる相互作用がある。   In general, there is an interaction between two nonpolar atoms that can be approximated by a Leonard-Jones type potential as represented by the following formula (1).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

ここで、εは、力の強さを表し、σは、原子の大きさを表し、Rは、原子間の距離を表している。図2は、式(1)を図示したものである。図2は、遠距離ではファンデルワールス力による引力が働き、近距離ではパウリの排他原理で説明される強い斥力が働くことを示している(非特許文献6)。   Here, ε represents the strength of the force, σ represents the size of the atom, and R represents the distance between the atoms. FIG. 2 illustrates Equation (1). FIG. 2 shows that an attractive force due to van der Waals force works at a long distance, and a strong repulsive force explained by Pauli's exclusion principle works at a short distance (Non-Patent Document 6).

以上で説明したように原子間力には近距離で斥力、長距離で引力が支配的である。コンタクトモードでは接触状態であることからその原子間力の殆どは斥力であると考えられる。これに対してタッピングモードではカンチレバーの先端に影響する原子間力は引力および斥力である。   As explained above, repulsive force is dominant in the short distance and attractive force in the long distance. Since the contact mode is a contact state, most of the interatomic force is considered to be repulsive. On the other hand, in the tapping mode, the atomic force that affects the tip of the cantilever is an attractive force and a repulsive force.

(力学モデル)
図3は、カンチレバーの発振用ピエゾ素子、カンチレバー、原子間力、試料、z方向駆動ピエゾ素子の全てのダイナミクスを考慮した力学モデルを示している。また、図4は、カンチレバー発振用ピエゾ素子、カンチレバー、原子間力、試料、z方向駆動ピエゾ素子の全てのダイナミクスを考慮したブロック図を示している。
(Mechanical model)
FIG. 3 shows a dynamic model in consideration of all dynamics of the cantilever oscillation piezoelectric element, cantilever, atomic force, sample, and z-direction driven piezoelectric element. FIG. 4 is a block diagram in consideration of all dynamics of the cantilever oscillation piezoelectric element, cantilever, atomic force, sample, and z-direction driven piezoelectric element.

図3、4では、引力を負のバネ係数および粘性摩擦係数により表している。   3 and 4, the attractive force is represented by a negative spring coefficient and a viscous friction coefficient.

図3、4において、m[kg]は、発振用ピエゾ素子の質量であり、mc[kg]は、カンチレバーの先端の質量であり、ms[kg]は、試料の質量であり、mpz[kg]は、z方向駆動ピエゾ素子の質量である。 3 and 4, m [kg] is the mass of the oscillating piezoelectric element, m c [kg] is the mass of the tip of the cantilever, and m s [kg] is the mass of the sample. m pz [kg] is the mass of the z-direction driven piezo element.

また、図3、4において、k[N/m]は、バネ301のバネ係数であり、kc[N/m]は、バネ302のバネ係数である。また、図3、4において、ka[N/m]は、バネ303のバネ係数であり、kr[N/m]は、バネ304のバネ係数であり、ks[N/m]は、バネ305のバネ係数であり、kpz[N/m]は、バネ306のバネ係数である。 3 and 4, k [N / m] is the spring coefficient of the spring 301, and k c [N / m] is the spring coefficient of the spring 302. 3 and 4, k a [N / m] is the spring coefficient of the spring 303, k r [N / m] is the spring coefficient of the spring 304, and k s [N / m] is , K pz [N / m] is the spring coefficient of the spring 306.

また、図3、4において、b[N×s/m]は、摩擦力発生源311の粘性摩擦係数であり、bc[N×s/m]は、摩擦力発生源312の粘性摩擦係数である。また、図3、4において、ba[N×s/m]は、摩擦力発生源313の粘性摩擦係数であり、br[N×s/m]は、摩擦力発生源314の粘性摩擦係数である。また、図3、4において、bs[N×s/m]は、摩擦力発生源315の粘性摩擦係数であり、bpz[N×s/m]は、摩擦力発生源316の粘性摩擦係数である。 3 and 4, b [N × s / m] is a viscous friction coefficient of the frictional force generation source 311, and b c [N × s / m] is a viscous friction of the frictional force generation source 312. It is a coefficient. 3 and 4, b a [N × s / m] is a viscous friction coefficient of the frictional force generation source 313, and b r [N × s / m] is a viscous friction of the frictional force generation source 314. It is a coefficient. 3 and 4, b s [N × s / m] is a viscous friction coefficient of the frictional force generation source 315, and b pz [N × s / m] is a viscous friction of the frictional force generation source 316. It is a coefficient.

また、図3、図4において、x[m]は、発振用ピエゾ素子の変位であり、xcは、カンチレバーの先端の変位である。また、図3、4において、xs[m]は、試料の変位であり、xpz[m]は、z方向駆動ピエゾ素子の変位である。 3 and 4, x [m] is the displacement of the oscillating piezo element, and x c is the displacement of the tip of the cantilever. 3 and 4, x s [m] is the displacement of the sample, and x pz [m] is the displacement of the z-direction drive piezo element.

また、図4において、func.1とfunc.2は、飽和関数である。   Further, in FIG. 1 and func. 2 is a saturation function.

図3、4に示されているモデルのままでは、次数が高く解析が困難である。そこで、発振用ピエゾ素子、z方向駆動ピエゾ素子、および試料の剛性が高いことを考慮して、これらを剛体とみなし簡単化を行う。このようにして簡単化されたモデルが図5、6に示されている。   The model shown in FIGS. 3 and 4 has a high degree and is difficult to analyze. Therefore, in consideration of the high rigidity of the oscillating piezo element, the z-direction drive piezo element, and the sample, these are regarded as rigid bodies for simplification. A model simplified in this way is shown in FIGS.

図5、6において、mc[kg]は、カンチレバーの先端の質量である。 5 and 6, m c [kg] is the mass of the tip of the cantilever.

また、図5、6において、kc[N/m]は、バネ502のバネ係数である。また、図5、6において、ka[N/m]は、バネ503のバネ係数であり、kr[N/m]は、バネ504のバネ係数である。 5 and 6, k c [N / m] is a spring coefficient of the spring 502. 5 and 6, k a [N / m] is the spring coefficient of the spring 503, and k r [N / m] is the spring coefficient of the spring 504.

また、図5、6において、bc[N×s/m]は、摩擦力発生源512の粘性摩擦係数である。また、図5、6において、ba[N×s/m]は、摩擦力発生源513の粘性摩擦係数であり、br[N×s/m]は、摩擦力発生源514の粘性摩擦係数である。 5 and 6, b c [N × s / m] is a viscous friction coefficient of the frictional force generation source 512. 5 and 6, b a [N × s / m] is a viscous friction coefficient of the frictional force generation source 513, and b r [N × s / m] is a viscous friction of the frictional force generation source 514. It is a coefficient.

また、図5、6において、x[m]は、発振用ピエゾ素子の位置であり、xc[m]は、カンチレバーの探針先端の変位である。また、図5、6において、xpz[m]は、z方向駆動ピエゾ素子の位置である。また、図5、6において、x0[m]は、カンチレバーの探針先端の初期位置であり、La[m]は、バネ503の自然長の位置であり、Lr[m]は、バネ504の自然長の位置であり、d[m]は、試料の高さである。 5 and 6, x [m] is the position of the oscillating piezo element, and x c [m] is the displacement of the tip of the cantilever probe. 5 and 6, x pz [m] is the position of the z-direction drive piezo element. 5 and 6, x 0 [m] is the initial position of the tip of the cantilever probe, L a [m] is the natural length position of the spring 503, and L r [m] is It is the position of the natural length of the spring 504, and d [m] is the height of the sample.

また、図6において、func.1とfunc.2は、飽和関数である。   Also, in FIG. 1 and func. 2 is a saturation function.

なお、図4、6において、func.1とfunc.2で表される飽和関数は、任意の入力値に対して値を出力し、原子間力を構成する斥力と引力が及ぶ範囲が限定されることを表している。   4 and 6, func. 1 and func. A saturation function represented by 2 outputs a value for an arbitrary input value, and represents that the range in which the repulsive force and attractive force constituting the interatomic force reach is limited.

また、図4、6において、sは、ラプラス演算子(時間微分演算子)を表し、1/sは時間積分を表している。   4 and 6, s represents a Laplace operator (time differentiation operator), and 1 / s represents time integration.

図5、6に示されている簡単化されたモデルは、非特許文献5で提案されているモデルと類似している。図5より、カンチレバーに関して運動方程式を立てると、以下の式(2)〜(5)を得る。   The simplified model shown in FIGS. 5 and 6 is similar to the model proposed in Non-Patent Document 5. From FIG. 5, the following equations (2) to (5) are obtained when an equation of motion is established for the cantilever.

Figure 0005077938
Figure 0005077938

ここで、f(t)は、原子間力であり、以下の式(3)に示されているようにf(t)は、引力fa(t)と斥力fr(t)の和である。 Here, f (t) is an interatomic force, and f (t) is the sum of attractive force f a (t) and repulsive force f r (t) as shown in the following equation (3). is there.

Figure 0005077938
Figure 0005077938

式(3)において、fa(t)とfr(t)は、それぞれ以下の式(4)と式(5)のように表される。 In Expression (3), f a (t) and f r (t) are expressed as Expression (4) and Expression (5) below, respectively.

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

ここで、xa(t)とxr(t)は、以下の式(6)、(7)のように表される。 Here, x a (t) and x r (t) are expressed by the following equations (6) and (7).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

以上の式(2)〜(7)からブロック図を描くと図6が得られる。ここで、図6に示されている飽和関数func.1とfunc.2は、以下の式(8)、(9)で表される。   6 is obtained by drawing a block diagram from the above equations (2) to (7). Here, the saturation function func. 1 and func. 2 is represented by the following formulas (8) and (9).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

式(8)、(9)の飽和関数に示されているように、タッピングモードAFMは、非線形な要素を含む。コンタクトモードAFMでは、動作範囲のほとんどが線形性の強い斥力領域であるのに対し、タッピングモードAFMでは、非線形な引力と斥力の両領域を動作範囲に含んでいる。このため、タッピングモードAFMでの振動応答は複雑なものとなり、タッピングモードAFMの振動応答の厳密な解析は困難であるとされている(非特許文献1)。   As shown in the saturation functions of the equations (8) and (9), the tapping mode AFM includes a non-linear element. In the contact mode AFM, most of the operating range is a repulsive region with strong linearity, whereas in the tapping mode AFM, both non-linear attractive and repulsive regions are included in the operating range. For this reason, the vibration response in the tapping mode AFM becomes complicated, and it is said that it is difficult to strictly analyze the vibration response in the tapping mode AFM (Non-Patent Document 1).

(状態空間平均化法による近似解析)
上述したように、タッピングモードAFMでは、制御対象が非線形性を持つ。そこで、本実施形態では、制御対象の引力領域での動作と斥力領域での動作を平均化して扱うことにより、タッピングモードAFMの制御対象を線形化する。これにより、制御対象の入出力関係が線形性を有することを条件として適用可能な表面形状オブザーバ(STO)を、タッピングモードAFMの制御に適用することができる。
(Approximate analysis by state space averaging method)
As described above, in the tapping mode AFM, the controlled object has nonlinearity. Therefore, in this embodiment, the control target in the tapping mode AFM is linearized by averaging and handling the operation in the attractive force region and the repulsive force region of the control target. Accordingly, a surface shape observer (STO) that can be applied on condition that the input / output relationship of the control target has linearity can be applied to the control of the tapping mode AFM.

本実施形態では、タッピングモードAFMの制御対象を線形化するために、状態空間平均化法(非特許文献9)を用いる。   In this embodiment, a state space averaging method (Non-Patent Document 9) is used to linearize the control target of the tapping mode AFM.

状態空間平均化法は、パワーエレクトロニクス分野における基礎的技術であり、スイッチングにより不連続な動作が繰り返されるために厳密な解析が困難な場合に用いられる近似解析法である。状態が切替わる周波数がシステムの固有周波数よりも十分高い場合に、状態空間平均化法を用いて解析することができる。タッピングモード用カンチレバーの共振周波数は約180[kHz]であり、システムの固有周波数は、タッピングモード用カンチレバーの共振周波数よりも十分高いため、状態空間平均化法を適用可能である。   The state space averaging method is a basic technique in the field of power electronics, and is an approximate analysis method used when exact analysis is difficult because discontinuous operation is repeated by switching. When the frequency at which the state is switched is sufficiently higher than the natural frequency of the system, it can be analyzed using the state space averaging method. Since the resonance frequency of the tapping mode cantilever is about 180 [kHz] and the natural frequency of the system is sufficiently higher than the resonance frequency of the tapping mode cantilever, the state space averaging method can be applied.

状態空間平均化法は、各状態の状態空間をデューティ比Dで重み付けし、平均化したものを全体としての状態空間として扱うものであり、以下の式(10)のような関係式によって、状態空間を平均化する。   In the state space averaging method, the state space of each state is weighted by the duty ratio D, and the averaged state space is treated as a state space as a whole, and the state is expressed by a relational expression such as the following equation (10). Average the space.

Figure 0005077938
Figure 0005077938

式(10)において、添え字1のシステムは、状態1を示し、添え字2のシステムは状態2を示しており、通常、状態1≠状態2である。   In equation (10), the system with subscript 1 indicates state 1, the system with subscript 2 indicates state 2, and normally, state 1 ≠ state 2.

ここでは、図7に示されているように、カンチレバーの先端が斥力領域にいる場合を状態1、引力領域にいる場合を状態2とする。また、カンチレバーの先端の加振変位をx(t)=2Vmsinωctと近似する。そして、状態1の時に、x=Vm、状態2の時に、x=−Vmとする。ωcは、カンチレバーの先端の固有角周波数である。 Here, as shown in FIG. 7, state 1 is the case where the tip of the cantilever is in the repulsive force region, and state 2 is the case where it is in the attractive region. Further, the vibration displacement at the tip of the cantilever is approximated as x (t) = 2V m sin ω c t. Then, in state 1, x = V m , and in state 2, x = −V m . ω c is the natural angular frequency of the cantilever tip.

ここで、カンチレバーの固有周波数1/T[Hz]は、不変であると仮定している。
状態1および状態2の時間を、それぞれT1[秒]、T2[秒]とする。ここで、デューティ比Dを用いると、T1=DT、T2=(1−D)Tと表せるので、本実施形態では、このT1、T2を用いて解析を行う。
Here, it is assumed that the natural frequency 1 / T [Hz] of the cantilever is unchanged.
The times of state 1 and state 2 are T 1 [seconds] and T 2 [seconds], respectively. Here, if the duty ratio D is used, T 1 = DT and T 2 = (1−D) T can be expressed. In this embodiment, analysis is performed using these T 1 and T 2 .

(状態1の状態空間)
状態1の状態空間は、以下の式(11)、(12)から求まる。式(11)において、e1は、カンチレバーの先端の初期位置x0、バネ503の自然長の位置La、およびバネ504の自然長の位置Lrを含む定数項をまとめたものである。また、式(11)〜(15)、(17)において、状態変数は、
(State 1 state space)
The state space of state 1 is obtained from the following equations (11) and (12). In Expression (11), e 1 is a summation of constant terms including the initial position x 0 of the tip of the cantilever, the natural length position L a of the spring 503, and the natural length position L r of the spring 504. In the equations (11) to (15) and (17), the state variable is

Figure 0005077938
Figure 0005077938

であり、制御入力は、 And the control input is

Figure 0005077938
Figure 0005077938

である。ここで、upzは、Z方向駆動ピエゾ素子への制御入力であり、xpz=g×upzであり、g=311.8[nm/V]である。 It is. Here, u pz is a control input to the Z-direction driving piezo elements, an x pz = g × u pz, is g = 311.8 [nm / V] .

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

(状態2の状態空間)
状態1の場合と同様にして、状態2の状態空間は、以下の式(13)、(14)から求まる。
(State space of state 2)
Similarly to the case of the state 1, the state space of the state 2 can be obtained from the following equations (13) and (14).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

(平均化された状態空間)
式(10)に基づいて平均化された状態空間が以下の式(15)〜(21)から式(22)のように求められる。
(Averaged state space)
The state space averaged based on the equation (10) is obtained as the equation (22) from the following equations (15) to (21).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

ここで、A-1が正則であることから状態変数xを以下の式(19)で表される新しい状態変数Xに置き換えることができる。 Here, since A −1 is regular, the state variable x can be replaced with a new state variable X represented by the following equation (19).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

式(19)において、A-1eは、定数項であることから、式(15)、(16)は、以下の式(20)、(21)のように変換される。 In the equation (19), A −1 e is a constant term, so the equations (15) and (16) are converted into the following equations (20) and (21).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

Figure 0005077938
Figure 0005077938

出力yが、図1に示されているBPF(バンドパスフィルタ)108を通ると、式(21)の定数項−CA-1eの影響は消去され、RMS−DC109では定数項に起因する直流分の影響を受けない。 When the output y passes through the BPF (band pass filter) 108 shown in FIG. 1, the influence of the constant term −CA −1 e in the equation (21) is eliminated, and the direct current due to the constant term is obtained in the RMS-DC 109. Not affected by minutes.

以上で求められたA、B、Cより、平均化された状態空間は、以下の式(22)のように求められる。   From A, B, and C obtained as described above, the averaged state space is obtained as in the following Expression (22).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

式(22)より、平均化されたカンチレバー先端の変位xc(t)が線形の挙動をすることがわかる。xc(t)の実効値の包絡線は、ローパスフィルタで抽出される。xc(t)の挙動が線形化されているので、表面形状オブザーバ(STO)をタッピングモードAFMに適用することにより、STOによる周波数応答特性および伝達関数を求め、さらに状態量を推定することが可能となる。 From equation (22), it can be seen that the averaged displacement of the cantilever tip x c (t) behaves linearly. The envelope of the effective value of x c (t) is extracted by a low-pass filter. Since the behavior of x c (t) is linearized, by applying a surface shape observer (STO) to the tapping mode AFM, frequency response characteristics and transfer functions by STO can be obtained, and further state quantities can be estimated. It becomes possible.

(制御対象の同定)
平均化された状態空間では、タッピングモードAFMにおいて、入力uに対して、カンチレバーの先端の変位xc(t)の挙動は、線形性を有するので、周波数応答による制御対象の同定を行った。
(Identification of control target)
In the averaged state space, in the tapping mode AFM, the behavior of the displacement x c (t) of the tip of the cantilever with respect to the input u has linearity, and therefore the control target is identified by the frequency response.

図9、10は、サーボアナライザにより得られたプラントP(s)の周波数特性を示す。図9、10は、プラントP(s)にフィッティングさせたノミナルプラントPn(s)の周波数特性も示されている。 9 and 10 show the frequency characteristics of the plant P (s) obtained by the servo analyzer. 9 and 10 also show the frequency characteristics of the nominal plant P n (s) fitted to the plant P (s).

図9、10に示されている周波数特性の解析では制御対象を2次系としたが、図9、10に示されている周波数応答にはさらに高次の応答が顕在化している。そこで、本実施形態では、制御で用いる表面形状オブザーバの精度を向上させるためにノミナルプラントPn(s)を、以下の式(23)で表されるような6次系とする。 In the analysis of the frequency characteristics shown in FIGS. 9 and 10, the control target is a secondary system, but a higher order response is manifested in the frequency response shown in FIGS. Therefore, in this embodiment, in order to improve the accuracy of the surface shape observer used in the control, the nominal plant P n (s) is a sixth order system represented by the following equation (23).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

式(23)において、b0、b1、b2、a0、a1、a2、a3、a4、およびa5は、以下の通り定まる。すなわち、b0=1.700×1025、b1=1.856×1021、およびb2=3.516×1018である。また、a0=6.141×1023、a1=2.473×1020、a2=1.303×1017、a3=3.108×1013、a4=9.008×108、およびa5=6.98×104である。 In the formula (23), b 0 , b 1 , b 2 , a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 , and a 5 are determined as follows. That is, b 0 = 1.700 × 10 25 , b 1 = 1.856 × 10 21 , and b 2 = 3.516 × 10 18 . Also, a 0 = 6.141 × 10 23 , a 1 = 2.473 × 10 20 , a 2 = 1.303 × 10 17 , a 3 = 3.108 × 10 13 , a 4 = 9.008 × 10 8 and a 5 = 6.98 × 10 4 .

(従来法と表面形状オブザーバの比較)
非特許文献7には、コンタクトモードAFMにおいて、表面形状オブザーバ(STO)は、速い走査計測時に有効であることが示されている。本実施形態では、表面形状オブザーバをタッピングモードAFMに適用する。
(Comparison between conventional method and surface shape observer)
Non-Patent Document 7 shows that, in the contact mode AFM, the surface shape observer (STO) is effective during fast scanning measurement. In the present embodiment, the surface shape observer is applied to the tapping mode AFM.

以下で、図8に示されているブロック図を用いて、STOについて説明する。STOは、オープンループであり、フィードバック系とは独立している。また、図8からSTOの制御構造は、外乱オブザーバと等しいことがわかる。   Hereinafter, the STO will be described with reference to the block diagram shown in FIG. STO is an open loop and is independent of the feedback system. Further, it can be seen from FIG. 8 that the control structure of the STO is equal to the disturbance observer.

図8に示されているように、STOは、AFM制御部とDSPを含む。   As shown in FIG. 8, the STO includes an AFM control unit and a DSP.

図8において、BPF(バンドパスフィルタ)108は、カンチレバーの先端の固有周波数付近の周波数を抽出するために挿入されている。ここで、ハイパスのカットオフ周波数は、10[kHz]であり、ローパスのカットオフ周波数は、200[kHz]に設定されている。RMS−DC109は、演算に使用されるローパスフィルタで、そのカットオフ周波数は、10[kHz]に設定されている。図8に示されているように、RMS−DC109から出力された信号は、ADコンバータ822を通過してDSPに入力される。   In FIG. 8, a BPF (band pass filter) 108 is inserted to extract frequencies near the natural frequency at the tip of the cantilever. Here, the high-pass cutoff frequency is 10 [kHz], and the low-pass cutoff frequency is set to 200 [kHz]. The RMS-DC 109 is a low-pass filter used for calculation, and its cutoff frequency is set to 10 [kHz]. As shown in FIG. 8, the signal output from the RMS-DC 109 passes through the AD converter 822 and is input to the DSP.

図8に示されているフィードバック補償器114は、位相遅れ補償器である。補償器114の信号は、DAコンバータ821を通過して、z方向駆動ピエゾ素子111に入力される。STOはオープンループであり、フィードバック系の安定性に寄与しないため、STOを導入したことによってフィードバック補償器の設計に制約を与えることない。本実施形態では、一例として、日本電子株式会社製のAFMであるJSPM−5200の補償器を用いているが、本発明は、これに限られない。また、本実施形態では、一例として、ゲインおよびカットオフ周波数を、JSPM−5200の製品マニュアルに従ってチューニングされた以下の式(24)を、フィードバック補償器に用いているが、本発明は、これに限られない。   The feedback compensator 114 shown in FIG. 8 is a phase lag compensator. The signal from the compensator 114 passes through the DA converter 821 and is input to the z-direction drive piezo element 111. Since the STO is an open loop and does not contribute to the stability of the feedback system, the introduction of the STO does not limit the design of the feedback compensator. In the present embodiment, as an example, a JSPM-5200 compensator, which is an AFM manufactured by JEOL Ltd., is used, but the present invention is not limited to this. Further, in the present embodiment, as an example, the following equation (24) in which the gain and the cutoff frequency are tuned according to the product manual of JSPM-5200 is used for the feedback compensator. Not limited.

なお、図8に示されているように、初期条件として、補償器114には、z方向駆動ピエゾ素子(z−走査器)111とxy−走査器112の初期位置rが入力される。   As shown in FIG. 8, the initial position r of the z-direction drive piezo element (z-scanner) 111 and the xy-scanner 112 is input to the compensator 114 as an initial condition.

Figure 0005077938
Figure 0005077938

本実施形態との比較で用いられる従来法では、図8に示されているDSPにおいて、z方向駆動ピエゾ素子を制御するコントローラとして、式(24)に従う補償器のみを用いる。   In the conventional method used in comparison with the present embodiment, in the DSP shown in FIG. 8, only the compensator according to the equation (24) is used as a controller for controlling the z-direction drive piezo element.

本実施形態では、Qフィルタ815の式として、カットオフ周波数が1[kHz]の以下の式(25)を用いる。   In the present embodiment, the following expression (25) having a cutoff frequency of 1 [kHz] is used as the expression of the Q filter 815.

Figure 0005077938
Figure 0005077938

従来法は、制御入力uを表面形状とする。従来法において、表面形状dから制御入力uまでの伝達関数は、このシステムの相補感度関数T(s)と等しく、相補感度関数は、以下の式(26)で表される。   In the conventional method, the control input u is a surface shape. In the conventional method, the transfer function from the surface shape d to the control input u is equal to the complementary sensitivity function T (s) of this system, and the complementary sensitivity function is expressed by the following equation (26).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

上記の式(26)より、原理的には、従来法の画像情報であるuは、補償器C(s)をハイゲインなコントローラにすれば、表面形状dを速い速度で走査したとしても反映できる。しかし、C(s)は、閉ループの極を構成するため、むやみにハイゲインにすると不安定傾向に働く。   From the above equation (26), in principle, u which is the image information of the conventional method can be reflected even if the surface shape d is scanned at a high speed if the compensator C (s) is a high gain controller. . However, since C (s) constitutes a closed-loop pole, it tends to be unstable when it is unnecessarily high.

本実施形態では、図11、12のオープンループの周波数特性から明らかなようにゲイン余有gm=15.12[dB]、位相余有pm=73[deg(度)]としている。 In the present embodiment, as is apparent from the open loop frequency characteristics of FIGS. 11 and 12, the gain margin g m = 15.12 [dB] and the phase margin p m = 73 [deg (degrees)].

一方、STOで推定される表面形状   On the other hand, the surface shape estimated by STO

Figure 0005077938
Figure 0005077938

は、以下の式(27)で表される。 Is represented by the following equation (27).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

また、表面形状dから推定される表面形状   Further, the surface shape estimated from the surface shape d

Figure 0005077938
Figure 0005077938

までの伝達関数は、以下の式(28)で表される。 The transfer function up to is expressed by the following equation (28).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

ここで、制御対象P(s)を、ノミナルプラントPn(s)と乗法的モデル誤差Δ(s)を用いて、P(s)=Pn(s)(1+Δ(s))と表せば、式(28)式を、式(26)を用いて、以下の式(29)に変形することができる。 Here, if the control object P (s) is expressed as P (s) = P n (s) (1 + Δ (s)) using the nominal plant P n (s) and the multiplicative model error Δ (s). Equation (28) can be transformed into Equation (29) below using Equation (26).

Figure 0005077938
Figure 0005077938

式(29)より、モデル化誤差Δ(s)が大きい場合、その影響はフィードバック系の極の速さで収束することがわかる。また、精度よくモデル化した場合、すなわちモデル化誤差Δ(s)が小さい場合、STOにより推定された表面形状   From equation (29), it can be seen that when the modeling error Δ (s) is large, the effect converges at the speed of the pole of the feedback system. Further, when modeling with high accuracy, that is, when the modeling error Δ (s) is small, the surface shape estimated by STO

Figure 0005077938
Figure 0005077938

は、高速なQフィルタの時定数に従って、直ちに真の表面形状dに収束することがわかる。これは、STOが閉ループの極に左右されないことから得られる利点である。 Is immediately converged to the true surface shape d according to the time constant of the high-speed Q filter. This is an advantage gained from the fact that STO is independent of the closed loop pole.

(シミュレーション)
図15は、図6に示されている簡易モデルでの開ループ特性のシミュレーション結果を示したものである。図15から制御入力に相当するxpzに正弦波を与えると、カンチレバーの先端の変位xcは、AM変調を受けることがわかる。また、図15において、RMSされた出力yが入力xpzと同じ周波数を持つことが確認できる。これより、式(28)のように伝達関数を定義する近似が妥当であることがわかる。
(simulation)
FIG. 15 shows the simulation result of the open loop characteristic in the simple model shown in FIG. From FIG. 15, it can be seen that when a sine wave is applied to x pz corresponding to the control input, the displacement x c of the tip of the cantilever is subjected to AM modulation. In FIG. 15, it can be confirmed that the RMS output y has the same frequency as the input x pz . From this, it can be seen that the approximation that defines the transfer function as in Expression (28) is appropriate.

(タッピングモードAFMの動作)
本実施形態に係るタッピングモードAFMでは、図8に示されているように、一例として、日本電子株式会社製のJSPM−5200の制御部を外部の制御用DSP(デジタル・シグナル・プロセッサ)で構成している。本実施形態では、連続時間で設計した補償器をサンプリング時間Ts=50[μs](1μs=10-6秒)で離散化したものを制御用DSPに実装している。
(Operation of tapping mode AFM)
In the tapping mode AFM according to the present embodiment, as shown in FIG. 8, as an example, the control unit of JSPM-5200 manufactured by JEOL Ltd. is configured with an external control DSP (digital signal processor). doing. In the present embodiment, a compensator designed for continuous time is discretized with sampling time T s = 50 [μs] (1 μs = 10 −6 seconds) and mounted on the control DSP.

図16は、本実施形態に係るタッピングモードAFMを実際に動作させて得られたデータを示した図である。実際に、フィードフォワード制御のみでカンチレバーの先端をセットポイントに固定することは困難であるため、本実施形態では、フィードバックをかけている。図16には、本実施形態に係るタッピングモードAFMのu、xc、およびyを示している。図15と図16とを比較することにより、図15に示されているシミュレーションモデルの結果が、実際のタッピングモードAFMの動作を良く模擬できていることを確認できる。 FIG. 16 is a diagram showing data obtained by actually operating the tapping mode AFM according to the present embodiment. Actually, since it is difficult to fix the tip of the cantilever to the set point only by feedforward control, feedback is applied in this embodiment. FIG. 16 shows u, x c , and y of the tapping mode AFM according to the present embodiment. By comparing FIG. 15 and FIG. 16, it can be confirmed that the result of the simulation model shown in FIG. 15 can well simulate the operation of the actual tapping mode AFM.

また、図13、14には、本実施形態に係るAFMの相補感度関数T(s)の周波数特性が示されている。   13 and 14 show the frequency characteristics of the complementary sensitivity function T (s) of the AFM according to the present embodiment.

(タッピングモードAFMによるグレーティング素子の観測)
図17は、AFMにより観測されるグレーティング素子を示したものである。このグレーティング素子の形状は、鋸波状溝になっており、鋸波状溝の高さは100[nm]で、間隔は、400[nm]である。
(Observation of grating elements by tapping mode AFM)
FIG. 17 shows a grating element observed by AFM. The shape of this grating element is a sawtooth groove, the height of the sawtooth groove is 100 [nm], and the interval is 400 [nm].

図18は、従来法を用いたタッピングモードAFMにより、走査速度9.77[μm/s]で得られた表面形状を示している。また、図19は、従来法を用いたタッピングモードAFMにより、走査速度39.1[μm/s]で得られた表面形状を示している。また、図20は、従来法を用いたタッピングモードAFMにより、走査速度195[μm/s]で得られた表面形状を示している。   FIG. 18 shows a surface shape obtained at a scanning speed of 9.77 [μm / s] by the tapping mode AFM using the conventional method. FIG. 19 shows the surface shape obtained at a scanning speed of 39.1 [μm / s] by the tapping mode AFM using the conventional method. FIG. 20 shows a surface shape obtained at a scanning speed of 195 [μm / s] by the tapping mode AFM using the conventional method.

図21は、STOを用いたタッピングモードAFMにより、走査速度9.77[μm/s]で得られた表面形状を示している。また、図22は、STOを用いたタッピングモードAFMにより、走査速度39.1[μm/s]で得られた表面形状を示している。また、図23は、STOを用いたタッピングモードAFMにより、走査速度195[μm/s]で得られた表面形状を示している。   FIG. 21 shows a surface shape obtained by a tapping mode AFM using STO at a scanning speed of 9.77 [μm / s]. FIG. 22 shows a surface shape obtained at a scanning speed of 39.1 [μm / s] by tapping mode AFM using STO. FIG. 23 shows a surface shape obtained by a tapping mode AFM using STO at a scanning speed of 195 [μm / s].

図18〜23では、AFMによる走査査範囲は、2[μm]×2[μm]である。   18 to 23, the scanning range by AFM is 2 [μm] × 2 [μm].

図18と図21に示されている表面形状の観測では、十分にサーボがかかっている状態なので、出力(誤差信号)yは、小さい。すなわち、図18と図21に示されている表面形状の観測では、制御入力uは、外乱dを抑圧できており、操作量は表面形状に追従し、グレーティング素子の表面形状が正確に再現できている。そのため、STOは、式(27)より明らかなように、ほぼ制御入力uを出力していることになり、図18に示されている表面形状と図21に示されている表面形状との差異は、ほとんどない。   In the observation of the surface shape shown in FIGS. 18 and 21, since the servo is sufficiently applied, the output (error signal) y is small. That is, in the observation of the surface shape shown in FIGS. 18 and 21, the control input u can suppress the disturbance d, the operation amount follows the surface shape, and the surface shape of the grating element can be accurately reproduced. ing. For this reason, as is apparent from the equation (27), the STO almost outputs the control input u, and the difference between the surface shape shown in FIG. 18 and the surface shape shown in FIG. There is almost no.

一方、AFMの走査スピードを大きくすると、特に、図20と図23との比較から明らかなように、従来法では、AFMにより観測される表面形状が不鮮明となり、また、グレーティング試料の高さも低速で走査した場合よりも低く観測されてしまう。これは、従来法では、閉ループ系の極の影響が出てきているためである。これに対し、STOでは、図23に示されているように、AFMの走査スピードを上げても、観測される表面形状が鮮明である。すなわち、STOでは、走査スピードを増大させても、劣化が少ない状態で、表面形状の観測を行うことができる。
上記のように、本実施形態によれば、観測精度が向上したタッピングモードAFMを提供することができる。
On the other hand, when the scanning speed of the AFM is increased, the surface shape observed by the AFM becomes unclear in the conventional method, as is clear from the comparison between FIGS. 20 and 23, and the height of the grating sample is low. Observed lower than when scanned. This is because in the conventional method, the influence of the pole of the closed loop system has come out. On the other hand, in the STO, as shown in FIG. 23, the observed surface shape is clear even when the scanning speed of the AFM is increased. That is, in STO, even if the scanning speed is increased, the surface shape can be observed with little deterioration.
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a tapping mode AFM with improved observation accuracy.

本発明に係る原子間力顕微鏡装置(AFM)の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the atomic force microscope apparatus (AFM) which concerns on this invention. フォース・カーブを示す図である。It is a figure which shows a force curve. タッピングモードに基づくAFMの要素に働く相互作用力を示す図である。It is a figure which shows the interaction force which acts on the element of AFM based on a tapping mode. ブロック図を示す図である。It is a figure which shows a block diagram. タッピングモードに基づくAFMの要素に働く相互作用力を示す図である。It is a figure which shows the interaction force which acts on the element of AFM based on a tapping mode. ブロック図を示す図である。It is a figure which shows a block diagram. カンチレバーの先端の軌道を示す図である。It is a figure which shows the track | orbit of the front-end | tip of a cantilever. ブロック図を示す図である。It is a figure which shows a block diagram. 周波数特性を示す図である。It is a figure which shows a frequency characteristic. 周波数特性を示す図である。It is a figure which shows a frequency characteristic. 周波数特性を示す図である。It is a figure which shows a frequency characteristic. 周波数特性を示す図である。It is a figure which shows a frequency characteristic. 周波数特性を示す図である。It is a figure which shows a frequency characteristic. 周波数特性を示す図である。It is a figure which shows a frequency characteristic. 時間応答のシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation of a time response. 時間応答の観測の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of observation of a time response. グレーティング素子の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of a grating element. AFMにより計測された試料の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the sample measured by AFM. AFMにより計測された試料の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the sample measured by AFM. AFMにより計測された試料の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the sample measured by AFM. AFMにより計測された試料の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the sample measured by AFM. AFMにより計測された試料の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the sample measured by AFM. AFMにより計測された試料の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the sample measured by AFM.

符号の説明Explanation of symbols

101 発振用ピエゾ素子
102 DDS
103 カンチレバー
104 カンチレバーの先端
105 LD
106 PD
107 レーザ光提供手段
108 BPF
109 RMS−DC
110 コントローラ
111 z方向駆動ピエゾ素子
112 xy−走査器
113 走査回路
114 補償器
115 ピエゾ素子面
116 データ記憶手段
120 試料表面
101 Oscillation piezo element 102 DDS
103 Cantilever 104 Cantilever tip 105 LD
106 PD
107 Laser beam providing means 108 BPF
109 RMS-DC
110 controller 111 z-direction driving piezo element 112 xy-scanner 113 scanning circuit 114 compensator 115 piezo element surface 116 data storage means 120 sample surface

Claims (3)

試料表面の表面形状をタッピングモードで画像化する原子間力顕微鏡装置であって、
前記試料表面と原子間力を介して相互作用し、前記原子間力によってたわみ、摩擦力によってゆがみを生ずるカンチレバーの先端と、
前記カンチレバーに向けて第1のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、
前記カンチレバーが前記第1のレーザ光を反射することにより発せられた第2のレーザ光を検出する光検出手段と、
前記試料を載せたピエゾと、
前記原子間力を一定に保ちながら前記試料を走査するように前記ピエゾを制御する制御手段と、
前記第2のレーザ光の強度から前記カンチレバーの先端の前記たわみと前記ゆがみとを出力電圧として検出し、前記原子間力によって変調された前記出力電圧を復調する復調手段と、
前記復調手段によって復調された出力電圧を、前記カンチレバーの先端の引力領域および斥力領域の動作を平均化することで前記カンチレバーの先端の動作を線形化するように変換し、前記変換された出力電圧から、表面形状オブザーバにより前記試料表面の表面形状を推定する推定手段と、
推定された前記表面形状を記録するデータ記憶手段とを備えたことを特徴とする原子間力顕微鏡装置。
An atomic force microscope apparatus that images a surface shape of a sample surface in a tapping mode,
The tip of the cantilever that interacts with the sample surface via an interatomic force, bends due to the interatomic force, and distorts due to frictional force;
A laser beam providing means for entering the first laser beam toward the cantilever;
A light detection means for detecting a second laser light emitted by the cantilever reflecting the first laser light;
Piezo on which the sample is placed;
Control means for controlling the piezo to scan the sample while keeping the atomic force constant;
Demodulation means for detecting the deflection and distortion of the tip of the cantilever from the intensity of the second laser light as an output voltage, and demodulating the output voltage modulated by the atomic force;
The output voltage demodulated by the demodulating means is converted so as to linearize the operation of the tip of the cantilever by averaging the operation of the attractive region and the repulsive region of the tip of the cantilever, and the converted output voltage From the estimation means for estimating the surface shape of the sample surface by a surface shape observer,
An atomic force microscope apparatus comprising data storage means for recording the estimated surface shape.
前記光検出手段は、四分割フォトダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の原子間力顕微鏡装置。   The atomic force microscope apparatus according to claim 1, wherein the light detection means is a quadrant photodiode. 前記レーザ光提供手段は、可視光半導体レーザであることを特徴とする請求項2に記載の原子間力顕微鏡装置。   The atomic force microscope apparatus according to claim 2, wherein the laser beam providing means is a visible light semiconductor laser.
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