JP5939144B2 - Scanning probe microscope - Google Patents

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本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、さらに詳しくは、探針を備えたカンチレバーをその共振点近傍の周波数で振動させながら試料表面を走査して測定を行う走査型プローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a scanning probe microscope, and more particularly to a scanning probe microscope that performs measurement by scanning a sample surface while vibrating a cantilever provided with a probe at a frequency near its resonance point.

試料表面の微細な凹凸の観察や表面粗さの計測に、原子間力顕微鏡(AFM)をはじめとする走査型プローブ顕微鏡(SPM)が広く用いられている。この走査型プローブ顕微鏡における観察手法の一つとして、自由端に探針を備えたカンチレバーをその機械的共振周波数近傍で試料表面に接近/離隔する方向に励振しながら試料表面に沿って走査するダイナミックモードと呼ばれるものが知られている(例えば特許文献1参照)。ダイナミックモードによる観察時には、観察に先立ち、使用するカンチレバーの共振周波数を計測し、カンチレバーに振動を与えるアクチュエータ(圧電素子)に供給する信号の振幅と周波数を調整する必要がある。   A scanning probe microscope (SPM) such as an atomic force microscope (AFM) is widely used for observing fine irregularities on a sample surface and measuring surface roughness. As one of the observation methods in this scanning probe microscope, dynamic scanning is performed along the sample surface while exciting a cantilever equipped with a probe at the free end in the direction of approaching / separating the sample surface in the vicinity of its mechanical resonance frequency. What is called a mode is known (see, for example, Patent Document 1). At the time of observation in the dynamic mode, it is necessary to measure the resonance frequency of the cantilever to be used and adjust the amplitude and frequency of the signal supplied to the actuator (piezoelectric element) that vibrates the cantilever before observation.

カンチレバーの共振周波数を計測する手法として、従来、一定振幅の正弦波または矩形波の信号をカンチレバー励振用のアクチュエータに供給し、周波数を変化させながら各周波数でのカンチレバーの振幅を計測する方法がある。この場合、計測した結果を図4に例示するように各周波数(横軸)ごとの振幅値(縦軸)を表示器にグラフ表示し、ユーザーはそのグラフから最大振幅値を得た周波数を共振周波数として認識し、その周波数を観察時のカンチレバーの励振周波数として設定する。   As a method of measuring the resonance frequency of a cantilever, there is a conventional method of supplying a sine wave or rectangular wave signal having a constant amplitude to an actuator for exciting a cantilever and measuring the amplitude of the cantilever at each frequency while changing the frequency. . In this case, as shown in FIG. 4, the measured result is displayed in a graph with the amplitude value (vertical axis) for each frequency (horizontal axis) on the display, and the user resonates the frequency obtained from the graph. This is recognized as a frequency, and that frequency is set as the excitation frequency of the cantilever during observation.

特開2008−122168号公報JP 2008-122168 A

ところで、カンチレバーの共振周波数には様々なモードが存在し、共振周波数の計測時の周波数範囲を広く採りすぎると、走査型プローブ顕微鏡による観察で使用しない周波数を共振周波数として計測してしまう可能性がある。   By the way, there are various modes in the resonance frequency of the cantilever, and if the frequency range when measuring the resonance frequency is too wide, there is a possibility that a frequency that is not used in the observation by the scanning probe microscope is measured as the resonance frequency. is there.

したがって、必要な共振周波数を確実に計測するためには、そのカンチレバーの特性に合致した周波数範囲をあらかじめ設定し、その範囲内で周波数を変えながらカンチレバーの振幅を測定していく必要がある。一方、走査型プローブ顕微鏡で使用するカンチレバーには様々な種類があり、その周波数特性も様々である。これまでは、ユーザーが使用するカンチレバーの情報を把握し、その内容を用いて適切に周波数範囲を設定して共振周波数を計測する必要があった。しかしながら、使用するカンチレバーの情報が不明な場合、共振周波数の計測のための周波数範囲を試行錯誤的に変更しつつ計測を行う必要があった。   Therefore, in order to reliably measure the necessary resonance frequency, it is necessary to set a frequency range that matches the characteristics of the cantilever in advance and measure the amplitude of the cantilever while changing the frequency within the range. On the other hand, there are various types of cantilevers used in the scanning probe microscope, and their frequency characteristics are also various. Until now, it was necessary to grasp the information of the cantilever used by the user, and to set the frequency range appropriately using the content to measure the resonance frequency. However, when the information of the cantilever to be used is unknown, it is necessary to perform measurement while changing the frequency range for measuring the resonance frequency by trial and error.

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、使用するカンチレバーの情報が不明であっても、常に適正な周波数範囲で共振周波数の計測を行うことのできる走査型プローブ顕微鏡の提供をその課題としている。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a scanning probe microscope capable of always measuring a resonance frequency in an appropriate frequency range even when information on a cantilever to be used is unknown. It is an issue.

上記の課題を解決するため、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針を備えたカンチレバーを装着し、アクチュエータの駆動によりそのカンチレバーを共振点近傍の周波数で振動させながら、試料の表面に沿って走査することにより、試料表面と探針との間の相互作用によるカンチレバーの振動の変化に基づいて試料表面の情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、上記カンチレバーを撮像する撮像手段と、その撮像手段により撮像されたカンチレバー像から、カンチレバーの長さと幅とを読み取り、カンチレバーの厚さをあらかじめ設定されている規定値と仮定し、カンチレバーの材質をSiと仮定して、近似式により当該カンチレバーの共振周波数を推定する共振周波数推定手段を備えていることによって特徴づけられる(請求項1)。 In order to solve the above problems, the scanning probe microscope of the present invention is equipped with a cantilever equipped with a probe, and is driven along the surface of the sample while vibrating the cantilever at a frequency near the resonance point by driving an actuator. In a scanning probe microscope that obtains information on a sample surface based on a change in vibration of the cantilever due to the interaction between the sample surface and the probe by scanning, an imaging unit that images the cantilever, and the imaging unit From the captured cantilever image, the length and width of the cantilever are read, the thickness of the cantilever is assumed to be a preset specified value, the material of the cantilever is assumed to be Si, and the resonance frequency of the cantilever is calculated by an approximate expression. It is characterized by comprising a resonance frequency estimating means for estimating (Claim 1).

ここで、本発明においては、上記共振周波数推定手段により推定された共振周波数を中心とする規定の周波数範囲内で、上記アクチュエータによるカンチレバーの加振周波数を変化させながら各周波数での振幅を計測し、最大振幅が得られた周波数を実際の共振周波数と決定する共振周波数決定手段を備えた構成(請求項2)を好適に採用することができる。   In the present invention, the amplitude at each frequency is measured while changing the excitation frequency of the cantilever by the actuator within a specified frequency range centered on the resonance frequency estimated by the resonance frequency estimation means. Further, it is possible to suitably employ a configuration (represented by claim 2) including a resonance frequency determining means for determining the frequency at which the maximum amplitude is obtained as the actual resonance frequency.

本発明においては、上記共振周波数推定手段は、上記撮像手段により撮像されたカンチレバー像上で、カンチレバーの長さと幅に対応する部位を指定することにより、上記カンチレバーの長さと幅とを読み取る構成(請求項3)を採用することができる。 In the present invention, the resonance frequency estimation means, on the cantilever image captured by the image pickup means, by specifying the portion corresponding to the length and width of the cantilever, that read the length and width of the upper Symbol cantilever The configuration (claim 3) can be adopted.

あるいはまた、本発明においては、上記共振周波数推定手段は、上記撮像手段により撮像されたカンチレバー像を画像処理することにより、上記カンチレバーの長さと幅寸法を求める構成(請求項4)を採用することもできる。 Alternatively, in the present invention, the resonance frequency estimation means is employed by the image processing cantilever image captured by the image pickup means, determined Mel constituting the length and width of the cantilever (claim 4) You can also

本発明は、カンチレバーの周波数特性は、その長さと幅に大きく依存すること、および、この種の走査型プローブ顕微鏡においては、通常、補助的な観察機構として光学顕微鏡を付属させていることが多く、この光学顕微鏡によりカンチレバーを撮像できることを利用し、課題を解決しようとするものである。   In the present invention, the frequency characteristics of a cantilever largely depend on its length and width, and in this type of scanning probe microscope, an optical microscope is usually attached as an auxiliary observation mechanism in many cases. The present invention intends to solve the problem by utilizing the ability to image a cantilever with this optical microscope.

すなわち、カンチレバーの共振周波数は下記に示す公知の一般式で表すことができる。
=(1/2π)・(1.875/L)・√(EI/ρA) ・・・(1)
この式(1)において、fは共振周波数、Lはカンチレバーの長さ、Eはヤング率、Iは断面2次モーメント、Aはカンチレバーの断面積、ρは密度である。
That is, the resonance frequency of the cantilever can be expressed by a known general formula shown below.
f o = (1 / 2π) · (1.875 / L) 2 · √ (EI / ρA) (1)
In this formula (1), f o is the resonance frequency, L is the length of the cantilever, E is the Young's modulus, I is the moment of inertia of the cross section, A is the cross sectional area of the cantilever, and ρ is the density.

一方、走査型プローブ顕微鏡に付属している光学顕微鏡は、通常、カンチレバーをその直上から撮像できるようになっており、したがってこの光学顕微鏡によるカンチレバーの撮像結果から、カンチレバーの長さLと幅を知ることができる。ただし、その撮像結果からは厚さを知ることはできない。   On the other hand, the optical microscope attached to the scanning probe microscope can usually image the cantilever from directly above, and therefore the length L and width of the cantilever are known from the imaging result of the cantilever by this optical microscope. be able to. However, the thickness cannot be known from the imaging result.

式(1)において、厚さが必要なパラメータは断面2次モーメントIと断面積Aである。しかしながら、この種の走査型プローブ顕微鏡で用いられるカンチレバーは、厚さは種々に相違するものの、極端なものはない。よって、厚さを例えば一定、あるいは幅と同じなどと仮定して断面2次モーメントIと断面積Aを近似しても、得られる結果は極端にずれた値とはならない。   In the equation (1), the parameters requiring the thickness are the cross-sectional secondary moment I and the cross-sectional area A. However, the cantilever used in this type of scanning probe microscope is not extremely different, although the thickness varies. Therefore, even if the cross-sectional secondary moment I and the cross-sectional area A are approximated assuming that the thickness is constant or the same as the width, for example, the obtained result does not become an extremely deviated value.

また、式(1)において、ヤング率Eおよび密度ρはカンチレバーの材質によって異なるが、この種の走査型プローブ顕微鏡で用いられるカンチレバーは、その殆どがSiである。したがって、ヤング率Eと密度ρをSiのものを用いて式(1)により計算しても、特殊なもの以外は、得られる結果に大きな誤差は生じない。   In Formula (1), the Young's modulus E and density ρ vary depending on the material of the cantilever, but most of the cantilevers used in this type of scanning probe microscope are Si. Therefore, even if the Young's modulus E and the density ρ are calculated by the equation (1) using Si, no significant error occurs in the obtained result except for the special one.

したがって、例えば式(1)を近似式として、装置に装着したカンチレバーの画像から得た長さと幅を求めて代入することで、そのカンチレバーの共振周波数を大まかに推定することができる。   Therefore, for example, by using Equation (1) as an approximate equation and obtaining and substituting the length and width obtained from the image of the cantilever attached to the apparatus, the resonance frequency of the cantilever can be roughly estimated.

このように推定されたカンチレバーの共振周波数を、例えば表示器に表示すること等によりユーザーに報知してもよいが、請求項2に係る発明のように、装置側が自動的に周波数計数動作を実行してもよい。   The estimated resonance frequency of the cantilever may be notified to the user, for example, by displaying it on a display. However, as in the invention according to claim 2, the apparatus side automatically executes a frequency counting operation. May be.

すなわち、請求項2に係る発明では、推定した共振周波数を中心として規定の周波数範囲内で自動的に周波数を変化させて、最大振幅が得られた周波数を共振周波数として決定する。   That is, in the invention according to claim 2, the frequency is automatically changed within the specified frequency range around the estimated resonance frequency, and the frequency at which the maximum amplitude is obtained is determined as the resonance frequency.

本発明において、カンチレバーの画像からその長さと幅を求める手法として、請求項3に係る発明のように、カンチレバーの画像上で長さと幅に相当する部位を指定することにより実寸法を求めるか、あるいは、請求項4に係る発明のように画像処理により長さと幅の実寸法を求める手法のいずれをも採用することができる。   In the present invention, as a method for obtaining the length and width from the image of the cantilever, as in the invention according to claim 3, the actual size is obtained by designating a portion corresponding to the length and width on the cantilever image, Alternatively, any of the methods for obtaining the actual length and width dimensions by image processing as in the invention according to claim 4 can be adopted.

本発明によれば、カンチレバーを装着して撮像手段(光学顕微鏡)で撮像することにより、そのカンチレバーの像をもとに当該カンチレバーの共振周波数が推定されるので、周波数特性が不明なカンチレバーを使用するときでも、直ちに適切な周波数範囲で共振周波数の計測を行うことができる。その結果、共振周波数を間違ったり、あるいは試行錯誤による周波数範囲の設定変更を行う必要がなくなり、計測時間の短縮化を達成することができる。   According to the present invention, when a cantilever is attached and imaged with an imaging means (optical microscope), the resonance frequency of the cantilever is estimated based on the image of the cantilever, so a cantilever with unknown frequency characteristics is used. Even when doing so, it is possible to immediately measure the resonance frequency in an appropriate frequency range. As a result, it is not necessary to change the resonance frequency by mistake or to change the setting of the frequency range by trial and error, and the measurement time can be shortened.

本発明の実施形態に係る構成図。The block diagram which concerns on embodiment of this invention. 光学カメラにより撮像したカンチレバーの画像例を示す図。The figure which shows the example of a cantilever image imaged with the optical camera. 本発明の実施形態におけるカンチレバーの共振周波数の推定と決定動作の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of estimation of the resonant frequency of a cantilever and determination operation | movement in embodiment of this invention. カンチレバーの励振周波数変化に係る振幅測定結果のグラフ表示例を示す図。The figure which shows the example of a graph display of the amplitude measurement result which concerns on the excitation frequency change of a cantilever.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明の実施形態に係る構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram according to an embodiment of the present invention, and shows a schematic diagram showing a mechanical configuration and a block diagram showing a system configuration.

観察対象である試料Wは、圧電素子等からなる駆動機構(スキャナ)1の上に設けられた試料台2の上に保持される。駆動部1は、試料Wをその表面に沿うx,y方向に移動させると同時に、その平面に直交するz方向に試料Wを微動させることができる。この駆動機構1の駆動制御信号は、後述する駆動回路13から供給される。   A sample W to be observed is held on a sample table 2 provided on a drive mechanism (scanner) 1 made of a piezoelectric element or the like. The drive unit 1 can move the sample W in the x and y directions along the surface thereof, and at the same time finely move the sample W in the z direction orthogonal to the plane. The drive control signal of the drive mechanism 1 is supplied from a drive circuit 13 described later.

試料台2の上方には、先端(自由端)部に探針3aを設けてなるカンチレバー3が配置されている。このカンチレバー3は、圧電素子からなる励振用のアクチュエータ4に取り付けられている。そして、励振用アクチュエータ4には励振用電圧発生回路5からの交流電圧の印加によって、試料Wに対して接近/離隔する方向、つまりz方向への振動が与えられる。   Above the sample stage 2, a cantilever 3 having a probe 3 a provided at the tip (free end) portion is arranged. The cantilever 3 is attached to an excitation actuator 4 made of a piezoelectric element. The excitation actuator 4 is vibrated in the direction approaching / separating from the sample W, that is, in the z direction by application of an AC voltage from the excitation voltage generation circuit 5.

カンチレバー3の変位は、レーザダイオード6、ビームスプリッタ7、ミラー8および光検出器9からなる公知の光てこ式の変位検出機構より検出される。すなわち、レーザダイオード6から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ7によりカンチレバー3の上面に導かれ、その反射光がミラー8を介して光検出器9に入射する。この光検出器9は、カンチレバー3のz方向への移動による反射光の移動方向に受光面が2分割されており、その各受光面への入射光量の変化からカンチレバー3のz方向への変位を求めることができる。この光検出器9の出力は変位検出部10に取り込まれて変位信号が生成され、その変位信号は振幅検出部11に取り込まれる。   The displacement of the cantilever 3 is detected by a known optical lever type displacement detection mechanism including a laser diode 6, a beam splitter 7, a mirror 8 and a photodetector 9. That is, the laser light output from the laser diode 6 is guided to the upper surface of the cantilever 3 by the beam splitter 7, and the reflected light enters the photodetector 9 through the mirror 8. In this photodetector 9, the light receiving surface is divided into two in the moving direction of the reflected light due to the movement of the cantilever 3 in the z direction, and the displacement of the cantilever 3 in the z direction due to the change in the amount of incident light on each light receiving surface. Can be requested. The output of the photodetector 9 is taken into the displacement detector 10 to generate a displacement signal, and the displacement signal is taken into the amplitude detector 11.

振幅検出部11では、変位信号からその振幅値を検出する。その検出出力は制御部12に取り込まれる。制御部12は、試料Wの観察時においては、振幅検出部11からのカンチレバー3の振幅値の検出結果が一定値となるように駆動回路13を通じて駆動機構1をz方向に移動させる。このz方向への移動量が、試料Wの表面情報を表すデータとなる。
すなわち、共振周波数近傍で振動するカンチレバー3と試料Wの表面との間に引力ないしは斥力が作用すると、カンチレバー3の振動振幅が変化する。観察時において制御部12では、駆動回路13を通じて駆動機構1をx,y方向に走査させながら、各位置においてカンチレバー3の振動振幅が一定値を保つように駆動回路13を通じて駆動機構1をz方向に移動させる。このx,y方向各位置におけるz方向への移動制御信号は、試料Wのx,y方向各位置における表面情報としてパーソナルコンピュータ16に取り込まれ、試料Wの表面情報画像等として表示器17に表示される。
The amplitude detector 11 detects the amplitude value from the displacement signal. The detection output is taken into the control unit 12. When observing the sample W, the control unit 12 moves the drive mechanism 1 in the z direction through the drive circuit 13 so that the detection result of the amplitude value of the cantilever 3 from the amplitude detection unit 11 becomes a constant value. The amount of movement in the z direction becomes data representing the surface information of the sample W.
That is, when an attractive force or a repulsive force acts between the cantilever 3 that vibrates near the resonance frequency and the surface of the sample W, the vibration amplitude of the cantilever 3 changes. At the time of observation, the control unit 12 scans the drive mechanism 1 in the x and y directions through the drive circuit 13 and moves the drive mechanism 1 in the z direction through the drive circuit 13 so that the vibration amplitude of the cantilever 3 maintains a constant value at each position. Move to. The movement control signal in the z direction at each position in the x and y directions is taken into the personal computer 16 as surface information at each position in the x and y directions of the sample W and displayed on the display unit 17 as a surface information image of the sample W. Is done.

駆動機構1の上方には、補助観察機構としての光学顕微鏡14が設けられており、この光学顕微鏡14はCCD14aを内蔵しており、その撮像出力は画像データ取込回路15を介してパーソナルコンピュータ16に取り込まれる。この光学顕微鏡14によって試料Wの表面を補助的に観察できるとともに、この光学顕微鏡14により、カンチレバー3の上面を観察しながら、レーザダイオード6からのレーザスポットがカンチレバー3の上面に正しく位置するように、変位検出機構の光学系を調整できるようになっている。   An optical microscope 14 as an auxiliary observation mechanism is provided above the drive mechanism 1, and this optical microscope 14 has a built-in CCD 14 a, and its imaging output is sent to a personal computer 16 via an image data capturing circuit 15. Is taken in. The surface of the sample W can be supplementarily observed with the optical microscope 14, and the laser spot from the laser diode 6 is correctly positioned on the upper surface of the cantilever 3 while observing the upper surface of the cantilever 3 with the optical microscope 14. The optical system of the displacement detection mechanism can be adjusted.

さて、ダイナミックモードによる観察においては、カンチレバー3を共振点近傍でz方向に振動させながら、試料Wの表面に沿って当該カンチレバー3をx,y方向に移動させるのであるが、その観察に先立ち、使用するカンチレバー3の共振周波数を知り、その周波数のもとに励振用電圧発生回路5の発振周波数を設定する必要がある。この実施形態の特徴は、そのカンチレバー3の共振周波数を決定する機能を有している点にあり、この機能はパーソナルコンピュータ16にインストールされたプログラムによって実現する。   In the observation in the dynamic mode, the cantilever 3 is moved in the x and y directions along the surface of the sample W while vibrating the cantilever 3 in the z direction near the resonance point. Prior to the observation, It is necessary to know the resonance frequency of the cantilever 3 to be used and to set the oscillation frequency of the excitation voltage generating circuit 5 based on that frequency. The feature of this embodiment is that it has a function of determining the resonance frequency of the cantilever 3, and this function is realized by a program installed in the personal computer 16.

以下にその内容を、図2に示す表示器17上のカンチレバーの撮像画面の例と、図3に示すカンチレバー共振周波数の推定および決定手順を表すフローチャートを参照しつつ説明する。   The contents will be described below with reference to an example of a cantilever imaging screen on the display unit 17 shown in FIG. 2 and a flowchart showing a cantilever resonance frequency estimation and determination procedure shown in FIG.

まず、図1に示す光学顕微鏡14によりカンチレバー3を撮像し、そのカンチレバー像を表示器17に表示させた状態で、パーソナルコンピュータ16の操作部18のマウス等によるカーソル操作によって、図2に示すように、カンチレバー像Ic上で、その長さと幅に対応する部位に、それぞれ線分CxおよびCyを引く。これにより、パーソナルコンピュータ16では、その線分Cx,Cyの長さのピクセル数と、光学顕微鏡14による既知の撮像倍率とから、カンチレバー3の実寸法での長さLと幅Bを読み取る。   First, the cantilever 3 is imaged by the optical microscope 14 shown in FIG. 1, and the cantilever image is displayed on the display unit 17, and the cursor operation with the mouse or the like of the operation unit 18 of the personal computer 16 is performed as shown in FIG. Then, on the cantilever image Ic, line segments Cx and Cy are drawn at portions corresponding to the length and width, respectively. Thereby, the personal computer 16 reads the length L and the width B in the actual dimensions of the cantilever 3 from the number of pixels of the lengths of the line segments Cx and Cy and the known imaging magnification by the optical microscope 14.

次に、その読み取った長さLと幅Bを用いて、例えば前記式(1)を用いてカンチレバー3の共振周波数fを推定する。このとき、カンチレバー3の厚さは不明であるが、これをあらかじめ設定されている規定値と仮定して、その仮定値と幅Bとから式(1)における断面2次モーメントIおよび断面積Aを決定し、また、材質は不明であるがこれをSiとして式(1)におけるヤング率Eと密度ρを決定した上で、式(1)により共振周波数fを求める。 Next, using the read length L and width B, for example, to estimate the resonance frequency f o of the cantilever 3 by using the equation (1). At this time, although the thickness of the cantilever 3 is unknown, this is assumed to be a preset specified value, and the sectional secondary moment I and sectional area A in the equation (1) are calculated from the assumed value and the width B. determines, also, the material is on is unknown determining the Young's modulus E and density ρ in equation (1) this as Si, determine the resonant frequency f o by the formula (1).

その後、推定した共振周波数fを中心として、規定の周波数範囲でカンチレバー3を実際に励振するべく、励振用電圧発生回路5に駆動指令を与える。その励振中に、各振動周波数での振幅値を振幅検出部11から読み込み、最大の振幅値を得た周波数をカンチレバー3の実際の共振周波数fとして決定し、表示器17に表示することによってユーザーに報知する。 Then, around the estimated resonance frequency f o, so as to actually excite the cantilever 3 in the defined frequency range, giving a drive instruction to the excitation voltage generating circuit 5. During the excitation, by reading the amplitude value at each vibration frequency from the amplitude detector 11, determines the frequency to obtain a maximum amplitude value as the actual resonant frequency f r of the cantilever 3, it is displayed on the display 17 Notify users.

したがって、本発明の実施形態によれば、ユーザーはカンチレバー3を光学顕微鏡14で撮像し、その撮像画面のカンチレバー像Ic上で、長さと幅の部位にカーソル操作により線分Cx,Cyを引くだけで、後は自動的にカンチレバー3の共振周波数を知ることができ、カンチレバー3の周波数特性が不明であっても、速やかにその共振周波数を把握して観察のための調整を行うことができる。   Therefore, according to the embodiment of the present invention, the user images the cantilever 3 with the optical microscope 14, and draws the line segments Cx and Cy by the cursor operation on the length and width portions on the cantilever image Ic of the imaging screen. Thereafter, the resonance frequency of the cantilever 3 can be automatically known, and even if the frequency characteristics of the cantilever 3 are unknown, the resonance frequency can be quickly grasped and adjustment for observation can be performed.

ここで、以上の実施形態においては、カンチレバー像Ic上で線分Cx,Cyを引くことにより、その線分長からそれぞれの実寸法を求める例を示したが、光学顕微鏡14によるカンチレバー3の像を画像処理し、画像上で長さと幅の部位を自動的に認識して実寸法に換算することもできる。   Here, in the above embodiment, an example is shown in which the actual dimensions are obtained from the line segment lengths by drawing the line segments Cx and Cy on the cantilever image Ic. However, the image of the cantilever 3 by the optical microscope 14 is shown. It is also possible to perform image processing, automatically recognize the length and width portions on the image, and convert them to actual dimensions.

また、以上の実施形態においては、推定した共振周波数fをもとに、これを中心とする規定の周波数範囲で自動的に加振試験を行って実際の共振周波数fを決定した例を示したが、本発明は、推定した共振周波数fをユーザーに報知するだけでもよい。 Further, in the above embodiment, based on the estimated resonance frequency f o, an example of determining the actual resonant frequency f r performed automatically vibrated tested in the defined frequency range centered on this showed, the present invention may be in the estimated resonance frequency f o just to inform the user.

1 駆動機構
2 試料台
3 カンチレバー
4 励振用アクチュエータ
5 励振用電圧発生回路
6 レーザダイオード
7 ビームスプリッタ
8 ミラー
9 光検出器
10 変位検出部
11 振幅検出部
12 制御部
13 駆動回路
14 光学顕微鏡
14a CCD
15 画像データ取込回路
16 パーソナルコンピュータ
17 表示器
18 操作部
W 試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Drive mechanism 2 Sample stand 3 Cantilever 4 Excitation actuator 5 Excitation voltage generation circuit 6 Laser diode 7 Beam splitter 8 Mirror 9 Photodetector 10 Displacement detection part 11 Amplitude detection part 12 Control part 13 Drive circuit 14 Optical microscope 14a CCD
15 Image Data Acquisition Circuit 16 Personal Computer 17 Display 18 Operation Unit W Sample

Claims (4)

探針を備えたカンチレバーを装着し、アクチュエータの駆動によりそのカンチレバーを共振点近傍の周波数で振動させながら、試料の表面に沿って走査することにより、試料表面と探針との間の相互作用によるカンチレバーの振動の変化に基づいて試料表面の情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、
上記カンチレバーを撮像する撮像手段と、
その撮像手段により撮像されたカンチレバー像から、カンチレバーの長さと幅とを読み取り、カンチレバーの厚さをあらかじめ設定されている規定値と仮定し、カンチレバーの材質をSiと仮定して、近似式により当該カンチレバーの共振周波数を推定する共振周波数推定手段を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
By mounting a cantilever with a probe and scanning along the surface of the sample while vibrating the cantilever at a frequency near the resonance point by driving the actuator, the interaction between the sample surface and the probe In a scanning probe microscope that obtains information on the sample surface based on the change in vibration of the cantilever,
Imaging means for imaging the cantilever;
From the cantilever image picked up by the image pickup means, the length and width of the cantilever are read, the thickness of the cantilever is assumed to be a predetermined value set in advance, the material of the cantilever is assumed to be Si, A scanning probe microscope comprising resonance frequency estimating means for estimating a resonance frequency of a cantilever.
上記共振周波数推定手段により推定された共振周波数を中心とする規定の周波数範囲内で、上記アクチュエータによる上記カンチレバーの加振周波数を変化させながら各周波数での振幅を計測し、最大振幅が得られた周波数を実際の共振周波数と決定することを特徴とする共振周波数決定手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   Within the specified frequency range centered on the resonance frequency estimated by the resonance frequency estimation means, the amplitude at each frequency was measured while changing the excitation frequency of the cantilever by the actuator, and the maximum amplitude was obtained. 2. The scanning probe microscope according to claim 1, further comprising resonance frequency determining means for determining the frequency as an actual resonance frequency. 上記共振周波数推定手段は、上記撮像手段により撮像されたカンチレバー像上で、カンチレバーの長さと幅に対応する部位を指定することにより、上記カンチレバーの長さと幅とを読み取ることを特徴とする請求項1または2に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The resonance frequency estimation means, on the cantilever image captured by the image pickup means, by specifying the portion corresponding to the length and width of the cantilever, characterized by Rukoto reading the length and width of the upper Symbol cantilever The scanning probe microscope according to claim 1 or 2. 上記共振周波数推定手段は、上記撮像手段により撮像されたカンチレバー像を画像処理することにより、上記カンチレバーの長さと幅寸法を求めることを特徴とする請求項1または2に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The resonance frequency estimation means, by image processing of the cantilever image captured by the image pickup means, scanning probe according to claim 1 or 2, characterized in that the length and width of the cantilever Mel determined microscope.
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