JP6842754B2 - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope Download PDF

Info

Publication number
JP6842754B2
JP6842754B2 JP2016234584A JP2016234584A JP6842754B2 JP 6842754 B2 JP6842754 B2 JP 6842754B2 JP 2016234584 A JP2016234584 A JP 2016234584A JP 2016234584 A JP2016234584 A JP 2016234584A JP 6842754 B2 JP6842754 B2 JP 6842754B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
scanning
sample
period
probe microscope
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016234584A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018091695A (en
Inventor
貴之 内橋
貴之 内橋
幹大 柴田
幹大 柴田
哲幸 古寺
哲幸 古寺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kanazawa University NUC
Original Assignee
Kanazawa University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kanazawa University NUC filed Critical Kanazawa University NUC
Priority to JP2016234584A priority Critical patent/JP6842754B2/en
Publication of JP2018091695A publication Critical patent/JP2018091695A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6842754B2 publication Critical patent/JP6842754B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Description

本発明は、プローブを走査しながら試料の観測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 that observes a sample while scanning the probe.

走査型プローブ顕微鏡は、プローブを試料に対して走査することにより、凹凸などの試料表面の物理情報または試料の化学的性質を信号として取得する顕微鏡である。 A scanning probe microscope is a microscope that obtains physical information on the surface of a sample such as irregularities or chemical properties of a sample as a signal by scanning the probe with respect to the sample.

走査型プローブ顕微鏡には、例えば、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型トンネル顕微鏡(STM)、走査型磁気力顕微鏡(MFM)、走査型電気容量顕微鏡(SCaM)、走査型近接場光顕微鏡(SNOM)、走査型熱顕微鏡(SThM)、走査型イオン電動顕微鏡(SICM)などがある。これらの走査型プローブ顕微鏡では、プローブまたは試料を水平方向(XY方向)と垂直方向(Z方向)に走査し、得られた試料の物理情報または化学的性質を順次表示することにより、試料の物理情報または化学的性質を画像として表している。 Scanning probe microscopes include, for example, an atomic force microscope (AFM), a scanning tunneling microscope (STM), a scanning magnetic force microscope (MFM), a scanning electrocapacity microscope (SCaM), and a scanning proximity field light microscope (SCaM). There are a scanning thermal microscope (SThM), a scanning ion electric microscope (SICM), and the like. In these scanning probe microscopes, the physics of a sample is obtained by scanning the probe or sample in the horizontal direction (XY direction) and the vertical direction (Z direction) and sequentially displaying the physical information or chemical properties of the obtained sample. It represents information or chemical properties as an image.

走査型プローブ顕微鏡は、プローブまたは試料を水平方向と垂直方向に走査するために、X、Y、Zの各方向に移動可能な走査機構(Xスキャナ、Yスキャナ、Zスキャナ)を備えている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の走査型プローブ顕微鏡は、水平方向の二次元ラスター走査の走査機構として圧電素子を備えている。当該走査型プローブ顕微鏡では、例えば、X方向の走査について、一定の周期で振幅が変化する三角波の電圧(高周波電圧)を圧電素子からXスキャナに印加することにより、プローブまたは試料をX方向に駆動している。 The scanning probe microscope is provided with a scanning mechanism (X scanner, Y scanner, Z scanner) that can move in each of the X, Y, and Z directions in order to scan the probe or sample in the horizontal and vertical directions (X scanner, Y scanner, Z scanner). For example, see Patent Document 1). The scanning probe microscope described in Patent Document 1 includes a piezoelectric element as a scanning mechanism for horizontal two-dimensional raster scanning. In the scanning probe microscope, for example, for scanning in the X direction, the probe or sample is driven in the X direction by applying a triangular wave voltage (high frequency voltage) whose amplitude changes at a constant cycle to the X scanner from the piezoelectric element. doing.

特開2009−276318号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-276318

しかし、上述した三角波の電圧によるXスキャナの高速駆動では、三角波の山または谷における三角波の電圧に圧電素子が追従せず、観測画像が歪み、観測画像の端にいわゆるミラーイメージが発生するという問題が生じている。 However, in the high-speed drive of the X scanner by the voltage of the triangular wave described above, the piezoelectric element does not follow the voltage of the triangular wave at the peak or valley of the triangular wave, the observed image is distorted, and a so-called mirror image is generated at the edge of the observed image. Is occurring.

上記課題に鑑み、本発明は、観測画像に歪みが生じるのを抑制することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of suppressing distortion of an observed image.

上記の課題を解決するため、本発明の一態様にかかる走査型プローブ顕微鏡は、観測試料を載置する試料ステージと、前記観測試料の表面状態または動態を観測する探針と、前記試料ステージを駆動するスキャナと、前記スキャナの動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、所定の周期で増加および減少を繰り返す走査電圧を前記スキャナに印加し、前記走査電圧は、増加開始直後の第1の期間における増加の加速度が正の値であり、かつ、前記第1の期間に続く増加の傾きが一定であるIn order to solve the above problems, the scanning probe microscope according to one aspect of the present invention includes a sample stage on which an observation sample is placed, a probe for observing the surface state or dynamics of the observation sample, and the sample stage. includes a scanner for driving, and a control unit for controlling the operation of the scanner, the control unit, a scanning voltage to repeat increase and decrease in a predetermined cycle is applied to the scanner, the scanning voltage is increased immediately after the start first acceleration of increase that put the period is a positive value der of is, and, the slope of the increase following the first period is constant.

これにより、走査電圧の電圧増加のスピードが一定の場合に比べて、電圧増加の開始時の電圧増加のスピードを上げることができる。したがって、試料の観測領域の走査往路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードを速くすることができる。よって、試料の観測領域の一端から他端に向けてカンチレバーを試料に相対的に走査する場合、観測領域の一端側において走査方向を切り替えるときに、スキャナの応答遅れの影響により観測領域の一端側近傍において観測画像に歪みが生じるのを抑制することができる。 As a result, the speed of voltage increase at the start of voltage increase can be increased as compared with the case where the speed of voltage increase of the scanning voltage is constant. Therefore, it is possible to increase the scanning speed of the cantilever with respect to the sample at one end side of the observation area in the scanning outward path of the observation area of the sample. Therefore, when scanning the cantilever relative to the sample from one end to the other end of the observation area of the sample, when the scanning direction is switched on one end side of the observation area, one end side of the observation area is affected by the response delay of the scanner. It is possible to suppress the occurrence of distortion in the observed image in the vicinity.

また、前記走査電圧は、減少終了直前の第2の期間における減少の加速度が負の値であり、かつ、前記第2の期間より前での減少の傾きが一定であってもよい。 Also, the scan voltage is a second reduced-small acceleration is negative that put the period reduced small immediately before the end, and the slope of the decrease in the previous than the second period be constant Good.

これにより、走査電圧の電圧減少のスピードが一定の場合に比べて、電圧減少の終了時の電圧減少スピードを遅くすることができる。よって、観測領域の走査復路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードを遅くすることができる。 As a result, the voltage reduction speed at the end of the voltage reduction can be slowed down as compared with the case where the voltage reduction speed of the scanning voltage is constant. Therefore, in the scanning return path of the observation area, the scanning speed of the cantilever on the sample at one end side of the observation area can be slowed down.

また、前記プローブ顕微鏡は、前記探針で検出した前記観測試料の表面状態または動態を所定のピクセル数の画像として表示する画像処理部を備え、前記第1の期間とは、前記走査電圧の振幅の増加開始から前記所定の周期の半周期に対応する前記ピクセル数の5%以上10%以下のピクセル数分の期間であってもよい。 Further, the probe microscope includes an image processing unit that displays the surface state or dynamics of the observed sample detected by the probe as an image having a predetermined number of pixels, and the first period is the amplitude of the scanning voltage. The period may be 5% or more and 10% or less of the number of pixels corresponding to the half cycle of the predetermined period from the start of the increase.

これにより、試料の観測領域の走査往路において、走査を開始する一端側の設定ピクセル数(X方向ピクセル数の5%以上10%以下)の領域では、試料を他の領域よりも急峻に他端へと走査し、他の領域では一定のスピードで走査することができる。よって、観測画像に歪みが生じるのを抑制することができる。 As a result, in the scanning outbound route of the observation region of the sample, in the region of the set number of pixels (5% or more and 10% or less of the number of pixels in the X direction) on one end side where scanning is started, the sample is steeper to the other end than the other regions. It can scan to and in other areas at a constant speed. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of distortion in the observed image.

また、前記第1の期間における前記走査電圧は、べき関数で増加してもよい。 Further, the scanning voltage in the first period may be increased by a power function.

これにより、走査電圧の電圧増加のスピードが一定の場合に比べて、電圧増加の開始時の電圧増加のスピードを急峻に上げることができる。したがって、試料の観測領域の走査往路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードを急峻に上げることができる。 As a result, the speed of voltage increase at the start of voltage increase can be sharply increased as compared with the case where the speed of voltage increase of the scanning voltage is constant. Therefore, in the scanning outward path of the observation area of the sample, the scanning speed of the cantilever on the sample at one end side of the observation area can be sharply increased.

また、前記第1の期間における前記走査電圧は、5次または6次の関数で増加してもよい。 Further, the scanning voltage in the first period may be increased by a fifth-order or sixth-order function.

これにより、走査電圧の電圧増加の開始時の電圧増加スピードをより上げることができる。よって、観測領域の走査往路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードをより急峻に上げることができる。 As a result, the voltage increase speed at the start of the voltage increase of the scanning voltage can be further increased. Therefore, in the scanning outward path of the observation area, the scanning speed of the cantilever on the sample at one end side of the observation area can be increased more steeply.

また、前記第2の期間における前記走査電圧は、2次の関数で減少してもよい。 Further, the scanning voltage in the second period may be reduced by a quadratic function.

これにより、走査電圧の電圧減少の終了時の電圧減少スピードをより遅くすることができる。よって、観測領域の走査復路において、観測領域の一端側でのカンチレバーの試料に対する走査スピードをより遅くすることができる。 As a result, the voltage reduction speed at the end of the voltage reduction of the scanning voltage can be made slower. Therefore, in the scanning return path of the observation region, the scanning speed of the cantilever on the sample at one end side of the observation region can be further reduced.

また、前記画像処理部は、前記走査電圧に対応する出力信号を前記走査電圧のタイミングより第3の期間だけ遅延させて出力してもよい。 Further, the image processing unit may output the output signal corresponding to the scanning voltage after delaying the output signal corresponding to the scanning voltage by a third period from the timing of the scanning voltage.

これにより、観測領域の両端に、観測画像が歪むミラー領域を振り分けることができる。よって、観測画像の歪みをより抑制することができる。 As a result, the mirror area where the observed image is distorted can be distributed to both ends of the observation area. Therefore, the distortion of the observed image can be further suppressed.

また、前記第3の期間は、前記走査電圧の振幅の増加開始から前記所定の周期の半周期に対応する前記ピクセル数の5%以内のピクセル数分の期間であってもよい。 Further, the third period may be a period for the number of pixels within 5% of the number of pixels corresponding to a half cycle of the predetermined cycle from the start of the increase in the amplitude of the scanning voltage.

これにより、観測領域の両端に振り分けられたミラー領域を、目立たなくすることができる。よって、観測画像の歪みをより抑制することができる。 As a result, the mirror areas allocated to both ends of the observation area can be made inconspicuous. Therefore, the distortion of the observed image can be further suppressed.

本発明により、観測画像に歪みが生じるのを抑制することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a scanning probe microscope capable of suppressing the occurrence of distortion in an observed image.

実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図A block diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to an embodiment. 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査方向を示す図The figure which shows the scanning direction of the scanning probe microscope which concerns on embodiment. 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査信号とスキャナの移動量との関係を示す図The figure which shows the relationship between the scanning signal of the scanning probe microscope which concerns on embodiment, and the movement amount of a scanner. 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の補正前の走査信号を示す図The figure which shows the scanning signal before correction of the scanning probe microscope which concerns on embodiment. 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の補正後の走査信号を示す図The figure which shows the scanning signal after correction of the scanning probe microscope which concerns on embodiment. 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の補正前の試料観測像を示す図The figure which shows the sample observation image before correction of the scanning probe microscope which concerns on embodiment. 実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡の補正後の試料観測像を示す図The figure which shows the sample observation image after correction of the scanning probe microscope which concerns on embodiment. 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例を示す図The figure which shows an example of the sample observation image at the time of pixel-shifting about the sample observation image of the scanning probe microscope which concerns on the modification of embodiment. 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例を示す図The figure which shows an example of the sample observation image at the time of pixel-shifting about the sample observation image of the scanning probe microscope which concerns on the modification of embodiment. 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例を示す図The figure which shows an example of the sample observation image at the time of pixel-shifting about the sample observation image of the scanning probe microscope which concerns on the modification of embodiment. 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例を示す図The figure which shows an example of the sample observation image at the time of pixel-shifting about the sample observation image of the scanning probe microscope which concerns on the modification of embodiment. 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像について信号速度を変化させる前の試料観測像の一例を示す図The figure which shows an example of the sample observation image before changing the signal velocity about the sample observation image of the scanning probe microscope which concerns on the modification of embodiment. 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像について信号速度を変化させたときの試料観測像の一例を示す図The figure which shows an example of the sample observation image when the signal speed is changed about the sample observation image of the scanning probe microscope which concerns on the modification of embodiment. 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像について信号速度を変化させたときの試料観測像の一例を示す図The figure which shows an example of the sample observation image when the signal speed is changed about the sample observation image of the scanning probe microscope which concerns on the modification of embodiment. 実施の形態の変形例にかかる走査型プローブ顕微鏡の試料観測像について信号速度を変化させかつピクセルシフトを組み合わせたときの試料観測像の一例を示す図The figure which shows an example of the sample observation image when the signal velocity is changed and the pixel shift is combined with respect to the sample observation image of the scanning probe microscope which concerns on the modification of embodiment.

以下、図面を用いて、本発明にかかる実施の形態について説明する。以下の実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡として原子間力顕微鏡(AFM)を例に挙げて説明する。なお、図面において、同一の符号が付された構成要素は、同一または同種の構成要素を示す。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiment, an atomic force microscope (AFM) will be described as an example as a scanning probe microscope. In the drawings, the components with the same reference numerals indicate the same or the same type of components.

また、以下で説明する実施の形態は、本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。 Moreover, the embodiment described below shows a preferable specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions of components, connection forms, etc. shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present invention. Further, among the components in the following embodiments, the components not described in the independent claims indicating the highest level concept of the present invention will be described as arbitrary components constituting the more desirable form.

(実施の形態)
[走査型プローブ顕微鏡の構成]
はじめに、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡1の構成について説明する。図1は、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡1の構成を示すブロック図である。
(Embodiment)
[Structure of scanning probe microscope]
First, the configuration of the scanning probe microscope 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a scanning probe microscope 1 according to the present embodiment.

走査型プローブ顕微鏡1は、観測対象である試料20の表面状態、動態等を観測する顕微鏡である。走査型プローブ顕微鏡1は、カンチレバー10の探針10aの先端を試料20に接触させて走査する接触式の顕微鏡としてもよいし、カンチレバー10の探針10aの先端が試料20に間欠的に接触する間欠接触法式でもよい、あるいはカンチレバー10の探針10aの先端から所定間隔離して走査する非接触式の顕微鏡としてもよい。 The scanning probe microscope 1 is a microscope for observing the surface state, dynamics, etc. of the sample 20 to be observed. The scanning probe microscope 1 may be a contact-type microscope in which the tip of the probe 10a of the cantilever 10 is brought into contact with the sample 20 for scanning, or the tip of the probe 10a of the cantilever 10 is intermittently in contact with the sample 20. It may be an intermittent contact method, or it may be a non-contact microscope that scans at a predetermined interval from the tip of the probe 10a of the cantilever 10.

図1に示すように、走査型プローブ顕微鏡1は、カンチレバー10と、試料20を載置する試料ステージ22と、試料ステージ22を三次元方向(X方向、Y方向。Z方向)に走査するスキャナ24と、レーザユニット30と、センサ31と、振幅検出部33と、フィードバック制御部34と、コンピュータ35と、発振器36と、モニタ37とを備えている。ここで、XY方向は、水平面上で直交する方向である。また、Z方向は鉛直方向であり、試料20の凹凸方向(高さ方向)である。 As shown in FIG. 1, the scanning probe microscope 1 is a scanner that scans the cantilever 10, the sample stage 22 on which the sample 20 is placed, and the sample stage 22 in three-dimensional directions (X direction, Y direction, Z direction). 24, a laser unit 30, a sensor 31, an amplitude detection unit 33, a feedback control unit 34, a computer 35, an oscillator 36, and a monitor 37 are provided. Here, the XY direction is a direction orthogonal to each other on the horizontal plane. Further, the Z direction is a vertical direction, which is a concave-convex direction (height direction) of the sample 20.

カンチレバー10は、例えば、窒化シリコンで構成されている。カンチレバー10は、探針10aと、梁部10bとを有している。探針10aは、梁部10bの一端側の片面に設けられており、先端が尖った形状に形成されている。カンチレバー10は、探針10aが形成された側と反対側の梁部10bの根元部分が支持部(図示せず)に支持され、カンチレバー10の探針10aが配置された側の梁部10bが自由端となっている。探針10aは試料20が配置される試料ステージ22側に向くように配置されている。なお、接触式の走査型プローブ顕微鏡の場合は、探針10aは試料20に当接され、間欠接触式の走査型プローブ顕微鏡の場合は、梁部10bが振動することで、探針10aは試料20に間欠的に接触して走査される。 The cantilever 10 is made of, for example, silicon nitride. The cantilever 10 has a probe 10a and a beam portion 10b. The probe 10a is provided on one side of the beam portion 10b on one end side, and is formed in a shape with a sharp tip. In the cantilever 10, the root portion of the beam portion 10b on the side opposite to the side on which the probe 10a is formed is supported by a support portion (not shown), and the beam portion 10b on the side on which the probe 10a of the cantilever 10 is arranged is arranged. It is a free end. The probe 10a is arranged so as to face the sample stage 22 on which the sample 20 is arranged. In the case of a contact-type scanning probe microscope, the probe 10a is in contact with the sample 20, and in the case of an intermittent contact-type scanning probe microscope, the beam portion 10b vibrates, so that the probe 10a is a sample. Intermittent contact with 20 is scanned.

試料ステージ22は、試料20をカンチレバー10の探針側に向けて保持するための試料ホルダである。試料ステージ22は、スキャナ24に搭載されている。また、試料ステージ22は、例えば、吸着機構(図示せず)を備えることにより、試料20を吸着して保持してもよい。なお、試料20は、試料ステージ22に接着されるとしてもよい。 The sample stage 22 is a sample holder for holding the sample 20 toward the probe side of the cantilever 10. The sample stage 22 is mounted on the scanner 24. Further, the sample stage 22 may adsorb and hold the sample 20 by, for example, providing an adsorption mechanism (not shown). The sample 20 may be adhered to the sample stage 22.

スキャナ24は、試料ステージ22をX方向、Y方向、Z方向に移動させることにより試料20を探針10aに対して相対的に走査するための走査機構である。スキャナ24は、例えば、直径が2mm、高さが2mm程度の柱状の圧電素子(ピエゾ素子)により構成されている。スキャナ24のX方向およびY方向の走査は、コンピュータ35により制御され、Z方向の走査は後に詳述するフィードバック制御部34により制御される。 The scanner 24 is a scanning mechanism for scanning the sample 20 relative to the probe 10a by moving the sample stage 22 in the X direction, the Y direction, and the Z direction. The scanner 24 is composed of, for example, a columnar piezoelectric element (piezo element) having a diameter of about 2 mm and a height of about 2 mm. Scanning in the X and Y directions of the scanner 24 is controlled by the computer 35, and scanning in the Z direction is controlled by the feedback control unit 34, which will be described in detail later.

具体的には、スキャナ24のX方向およびY方向の走査は、コンピュータ35からスキャナドライバ(図示せず)にX走査信号およびY走査信号(併せてXY走査信号とも呼ぶ。)が供給され、増幅されてスキャナ24に供給される。また、スキャナ24のZ方向の走査は、フィードバック制御部34からスキャナドライバ(図示せず)にフィードバック信号(FB信号)が供給され、増幅されてスキャナ24に供給される。なお、X走査信号およびY走査信号は、電圧信号である。この電圧信号を、走査電圧と呼ぶ。走査電圧は、所定の周期で振幅の増加および減少を繰り返す電圧である。XY走査信号については、後に詳述する。 Specifically, the scanning of the scanner 24 in the X and Y directions is amplified by supplying an X scanning signal and a Y scanning signal (also referred to as an XY scanning signal) from the computer 35 to a scanner driver (not shown). Is supplied to the scanner 24. Further, in the scanning in the Z direction of the scanner 24, a feedback signal (FB signal) is supplied from the feedback control unit 34 to the scanner driver (not shown), amplified, and supplied to the scanner 24. The X scanning signal and the Y scanning signal are voltage signals. This voltage signal is called a scanning voltage. The scanning voltage is a voltage that repeatedly increases and decreases the amplitude in a predetermined cycle. The XY scanning signal will be described in detail later.

レーザユニット30は、センサ31と共に光てこ式の変位センサを構成している。レーザユニット30は、カンチレバー10にレーザ光を照射するためのレーザ発光装置である。レーザユニット30から出射されたレーザ光は、カンチレバー10の梁部10bの自由端近傍であって探針10aが設けられた面と反対側の面で反射する。カンチレバー10は、試料20の表面の状態または動態に合わせて振動するので、梁部10bの自由端近傍で反射したレーザ光も試料20の表面の状態または動態に合わせて反射位置および反射強度が変化することとなる。 The laser unit 30 and the sensor 31 form an optical lever type displacement sensor. The laser unit 30 is a laser light emitting device for irradiating the cantilever 10 with laser light. The laser beam emitted from the laser unit 30 is reflected by a surface near the free end of the beam portion 10b of the cantilever 10 and opposite to the surface on which the probe 10a is provided. Since the cantilever 10 vibrates according to the state or dynamics of the surface of the sample 20, the reflection position and the reflection intensity of the laser beam reflected near the free end of the beam portion 10b also change according to the state or dynamics of the surface of the sample 20. Will be done.

センサ31は、例えばフォトダイオードで構成された受光センサである。カンチレバー10において反射したレーザ光は、センサ31で受光される。つまり、センサ31は、カンチレバー10で反射したレーザ光を受光することにより、試料20の表面の状態または動態に対応した変位信号を検出する。 The sensor 31 is, for example, a light receiving sensor composed of a photodiode. The laser beam reflected by the cantilever 10 is received by the sensor 31. That is, the sensor 31 detects the displacement signal corresponding to the state or dynamics of the surface of the sample 20 by receiving the laser beam reflected by the cantilever 10.

発振器36は、カンチレバー10に設置された圧電素子に周波数fの正弦波(sin2πft)を印加するための発振器である。ここで、周波数fは、カンチレバー10の共振周波数近傍に設定され、圧電素子の振動によりカンチレバー10が周波数fで振動する。探針10aが試料に接触すると、梁部10bの変位もしくは振幅信号が変化する。この変位信号に基づいて、後述するようにスキャナ24のZ方向の移動のフィードバック制御が行われる。 The oscillator 36 is an oscillator for applying a sine wave (sin2πft) having a frequency f to the piezoelectric element installed in the cantilever 10. Here, the frequency f is set in the vicinity of the resonance frequency of the cantilever 10, and the cantilever 10 vibrates at the frequency f due to the vibration of the piezoelectric element. When the probe 10a comes into contact with the sample, the displacement or amplitude signal of the beam portion 10b changes. Based on this displacement signal, feedback control of the movement of the scanner 24 in the Z direction is performed as described later.

振幅検出部33は、センサ31で検出された変位信号のうち、振幅変化を検出する振幅検出部である。振幅検出部33で検出された信号は、フィードバック制御部34に供給される。 The amplitude detection unit 33 is an amplitude detection unit that detects an amplitude change among the displacement signals detected by the sensor 31. The signal detected by the amplitude detection unit 33 is supplied to the feedback control unit 34.

フィードバック制御部34は、振幅が予め設定されたセットポイント(目標値)と一致し続けるように、スキャナ24をZ方向に制御する。フィードバック制御部34は、例えば、振幅からセットポイントを減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するPID回路とを有し、スキャナ24を制御するためのFB信号を生成する。FB信号は、コンピュータ35に供給される。 The feedback control unit 34 controls the scanner 24 in the Z direction so that the amplitude continues to match the preset set point (target value). The feedback control unit 34 has, for example, a subtractor that generates a deviation signal by subtracting a set point from the amplitude and a PID circuit that amplifies the deviation signal, and generates an FB signal for controlling the scanner 24. The FB signal is supplied to the computer 35.

コンピュータ35は、例えばパーソナルコンピュータ等で構成され、走査型プローブ顕微鏡1の全体を制御する。また、コンピュータ35は、ユーザインターフェース機能を提供する。ユーザからの各種の指示がコンピュータ35に入力されると、コンピュータ35はユーザの入力に従ってプローブ顕微鏡1を制御する。また、コンピュータ35は、スキャナ24のX方向およびY方向の移動を制御する制御部である。さらに、コンピュータ35は、フィードバック制御部34から供給された振幅信号に基づいて試料表面の画像を生成し、画像処理部であり、生成した画像をモニタ37に出力する。 The computer 35 is composed of, for example, a personal computer or the like, and controls the entire scanning probe microscope 1. The computer 35 also provides a user interface function. When various instructions from the user are input to the computer 35, the computer 35 controls the probe microscope 1 according to the user's input. Further, the computer 35 is a control unit that controls the movement of the scanner 24 in the X direction and the Y direction. Further, the computer 35 generates an image of the sample surface based on the amplitude signal supplied from the feedback control unit 34, is an image processing unit, and outputs the generated image to the monitor 37.

モニタ37は、供給された信号に基づいて画像を表示する表示部であり、コンピュータ35から出力された試料の表面状態または動態に関する情報を画像として表示する。 The monitor 37 is a display unit that displays an image based on the supplied signal, and displays information on the surface state or dynamics of the sample output from the computer 35 as an image.

[走査型プローブ顕微鏡の動作]
次に、走査型プローブ顕微鏡1の動作について説明する。以下では、間欠接触式の走査型プローブ顕微鏡1の動作について説明する。図2は、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡1の走査方向を示す図である。図3は、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡1の走査信号とスキャナの移動量との関係を示す図である。図4Aは、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡1の補正前の走査信号を示す図である。図4Bは、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡1の補正後の走査信号を示す図である。
[Operation of scanning probe microscope]
Next, the operation of the scanning probe microscope 1 will be described. Hereinafter, the operation of the intermittent contact type scanning probe microscope 1 will be described. FIG. 2 is a diagram showing the scanning direction of the scanning probe microscope 1 according to the present embodiment. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the scanning signal of the scanning probe microscope 1 and the movement amount of the scanner according to the present embodiment. FIG. 4A is a diagram showing a scanning signal of the scanning probe microscope 1 according to the present embodiment before correction. FIG. 4B is a diagram showing a corrected scanning signal of the scanning probe microscope 1 according to the present embodiment.

はじめに、観測対象である試料20およびカンチレバー10を所定の位置に配置する。試料20は、試料ステージ22の上に載置される。このとき、試料20は、吸着機構または接着材等により試料ステージ22に固定させてもよい。そして、試料20の表面から所定の高さの位置にカンチレバー10を配置させる。なお、接触式の走査型プローブ顕微鏡1の場合には、カンチレバー10を試料20の表面に接触させてもよい。 First, the sample 20 and the cantilever 10 to be observed are placed at predetermined positions. The sample 20 is placed on the sample stage 22. At this time, the sample 20 may be fixed to the sample stage 22 by an adsorption mechanism, an adhesive, or the like. Then, the cantilever 10 is arranged at a position at a predetermined height from the surface of the sample 20. In the case of the contact-type scanning probe microscope 1, the cantilever 10 may be brought into contact with the surface of the sample 20.

試料20およびカンチレバー10が配置された後、スキャナ24は、コンピュータ35に制御されて、XY方向に試料ステージ22を移動させる。これにより、試料ステージ22は、カンチレバー10に対してXY方向に走査される。つまり、カンチレバー10は、例えば図2に示す軌跡Pおよび軌跡Qに示すように、試料20に対して相対的にXY方向に走査される。なお、図2において軌跡Pで示すスキャナ24の走査を走査往路、軌跡Qで示すスキャナ24の走査を走査復路という。また、軌跡Pの開始側を試料20の観測領域の一端側、軌跡Pの終了側を試料20の観測領域の他端側という。 After the sample 20 and the cantilever 10 are placed, the scanner 24 is controlled by the computer 35 to move the sample stage 22 in the XY directions. As a result, the sample stage 22 is scanned in the XY direction with respect to the cantilever 10. That is, the cantilever 10 is scanned in the XY directions relative to the sample 20, for example, as shown in the locus P and the locus Q shown in FIG. In FIG. 2, the scanning of the scanner 24 indicated by the locus P is referred to as a scanning outward path, and the scanning of the scanner 24 indicated by the locus Q is referred to as a scanning return path. Further, the start side of the locus P is referred to as one end side of the observation region of the sample 20, and the end side of the locus P is referred to as the other end side of the observation region of the sample 20.

カンチレバー10の試料20に対するXY方向の相対的な位置は、コンピュータ35により制御される。コンピュータ35は、X方向の走査について、所定の周期で振幅が変化するX走査信号をスキャナ24に供給する。ここで、所定の周期とは、試料20の観測領域の一端と他端との間を一往復する走査周期であり、後述するように、例えば6.7msである。また、振幅とは、スキャナ24に印加される電圧の振幅であり、例えば5Vpp(−2.5V以上2.5V以下)である。X走査信号は、図3に示すように、一定期間(期間A)の振幅の増加と一定期間(期間B)の振幅の減少とを繰り返す電圧信号である。なお、X走査信号については、後に詳述する。これにより、スキャナ24は、例えば図2に示すように、振幅が増加する期間AにおいてX方向における正の方向に移動し、振幅が減少する期間BにおいてX方向における負の方向に移動する。なお、期間Aにおけるスキャナ24の走査は、上述した走査往路、期間Bにおけるスキャナ24の走査は、上述した走査復路である。また、図3に示すように、スキャナ24にX走査信号を印加して実際に走査を完了するまでには、一定の遅れ時間が発生する。一定の遅れ時間とは、例えば0.2ms程度である。 The relative position of the cantilever 10 with respect to the sample 20 in the XY direction is controlled by the computer 35. The computer 35 supplies the scanner 24 with an X scanning signal whose amplitude changes at a predetermined cycle for scanning in the X direction. Here, the predetermined period is a scanning period that makes one round trip between one end and the other end of the observation region of the sample 20, and is, for example, 6.7 ms, as will be described later. The amplitude is the amplitude of the voltage applied to the scanner 24, and is, for example, 5 Vpp (−2.5 V or more and 2.5 V or less). As shown in FIG. 3, the X scanning signal is a voltage signal that repeats an increase in amplitude for a certain period (period A) and a decrease in amplitude for a certain period (period B). The X scanning signal will be described in detail later. As a result, as shown in FIG. 2, for example, the scanner 24 moves in the positive direction in the X direction during the period A in which the amplitude increases, and moves in the negative direction in the X direction in the period B in which the amplitude decreases. The scanning of the scanner 24 in the period A is the scanning outward path described above, and the scanning of the scanner 24 in the period B is the scanning return path described above. Further, as shown in FIG. 3, a certain delay time occurs until the X scanning signal is applied to the scanner 24 and the scanning is actually completed. The constant delay time is, for example, about 0.2 ms.

振幅が減少する期間Bでは、コンピュータ35は、スキャナ24をX方向における負の方向に移動させるとともに、Y方向における正の方向にも移動させる。つまり、期間Bにおいて、コンピュータ35は、カンチレバー10が試料20に対して図2に示す軌跡QのようにX方向およびY方向に相対的に走査されるように、X走査信号に加えてY走査信号をスキャナ24に供給する。Y走査信号は、試料20の一端から他端までX方向の走査が1ライン分終了した後、試料20の他端から一端まで走査するとき、同時にスキャナ24をY方向に所定の距離移動させる信号である。ここで、所定の距離とは、試料20の試料観測像において1ピクセル分に相当する距離である。 During period B, when the amplitude decreases, the computer 35 moves the scanner 24 in the negative direction in the X direction as well as in the positive direction in the Y direction. That is, in the period B, the computer 35 scans Y in addition to the X scan signal so that the cantilever 10 is scanned relative to the sample 20 in the X and Y directions as shown in the locus Q shown in FIG. The signal is supplied to the scanner 24. The Y scanning signal is a signal that simultaneously moves the scanner 24 in the Y direction by a predetermined distance when scanning from the other end to one end of the sample 20 after the scanning in the X direction from one end to the other end of the sample 20 is completed for one line. Is. Here, the predetermined distance is a distance corresponding to one pixel in the sample observation image of the sample 20.

これにより、カンチレバー10は、図2に示す軌跡Pのように試料20の一端から他端までX方向の正方向に走査された後、図2に示す軌跡QのようにX方向の負の方向およびY方向の正の方向に移動される。このX方向およびY方向の走査を繰り返すことにより、試料20の所定領域内にカンチレバー10を相対的に走査させることができる。 As a result, the cantilever 10 is scanned in the positive direction in the X direction from one end to the other end of the sample 20 as shown in the locus P shown in FIG. 2, and then in the negative direction in the X direction as shown in the locus Q shown in FIG. And moved in the positive direction of the Y direction. By repeating the scanning in the X direction and the Y direction, the cantilever 10 can be relatively scanned in a predetermined region of the sample 20.

ここで、本実施の形態におけるX走査信号は、図4Aに示す線形で振幅の増加および減少を繰り返す三角波に、所定の補正を加えて、図4Bに示すような非線形で振幅の増加および減少を繰り返す略三角波の信号である。 Here, the X scanning signal in the present embodiment is a non-linear, amplitude increase and decrease as shown in FIG. 4B by applying a predetermined correction to the linear triangular wave shown in FIG. 4A that repeatedly increases and decreases its amplitude. It is a repeating substantially triangular wave signal.

図4Aに示すように、補正をしていない三角波の信号は、振幅の増加および減少の傾きの絶対値が同一の電圧信号である。すなわち、スキャナ24に印加される電圧の振幅の増加および減少の割合が同一である。したがって、スキャナ24のX方向の正方向への移動スピードおよび負方向の移動スピードは一定であり、同一である。 As shown in FIG. 4A, the uncorrected triangular wave signal is a voltage signal having the same absolute value of the slope of the increase and decrease of the amplitude. That is, the rate of increase and decrease of the amplitude of the voltage applied to the scanner 24 is the same. Therefore, the moving speed of the scanner 24 in the positive direction and the moving speed in the negative direction of the scanner 24 are constant and the same.

例えば、図4Aに示す三角波は、振幅の最小値が−2.5V、振幅の最大値が2.5Vであって、6.7msの周期で振幅の増減を繰り返す三角波である。この三角波において、電圧の増加および減少のスピードは、0.37V/msでほぼ一定である。 For example, the triangular wave shown in FIG. 4A is a triangular wave having a minimum amplitude value of −2.5 V and a maximum amplitude value of 2.5 V, and the amplitude is repeatedly increased / decreased in a cycle of 6.7 ms. In this triangular wave, the rate of increase and decrease of voltage is almost constant at 0.37 V / ms.

これに対し、図4Bに示すように、補正後の走査型プローブ顕微鏡1では、図4Aに示した三角波において、X走査信号(走査電圧)の増加開始直後の第1の期間における振幅の増加の加速度を正の値としている。ここで、第1の期間とは、例えば、X走査信号の電圧の振幅の増加開始から、X走査信号の増減の周期の半周期に対応するピクセル数の5%のピクセル数の期間である。つまり、図3に示した期間Aに対応するピクセル数の5%のピクセル数の期間である。例えば、期間Aでの全ピクセル数が256ピクセルの場合、第1の期間とは、試料観測像の一端側の13ピクセル分の期間である。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, in the corrected scanning probe microscope 1, in the triangular wave shown in FIG. 4A, the increase in amplitude in the first period immediately after the start of increase in the X scanning signal (scanning voltage) The acceleration is a positive value. Here, the first period is, for example, a period in which the number of pixels is 5% of the number of pixels corresponding to a half cycle of the cycle of increase / decrease of the X scanning signal from the start of increase in the voltage amplitude of the X scanning signal. That is, it is a period having 5% of the number of pixels corresponding to the period A shown in FIG. For example, when the total number of pixels in the period A is 256 pixels, the first period is a period of 13 pixels on one end side of the sample observation image.

また、第1の期間におけるX走査信号の振幅の増加の加速度は、べき関数(指数関数)で表される。 Further, the acceleration of the increase in the amplitude of the X scanning signal in the first period is represented by a power function (exponential function).

これにより、観測領域の走査往路において、電圧増加の開始直後の第1の期間でのX走査信号の振幅の増加スピードを上げることができるので、試料20の観測領域の一端側の領域(一端側から5%のピクセル数の領域)において、試料20を他の領域よりも急峻に他端側へと走査することができる。 As a result, in the scanning outward path of the observation region, the speed of increase in the amplitude of the X scanning signal in the first period immediately after the start of the voltage increase can be increased, so that the region on one end side (one end side) of the observation region of the sample 20 can be increased. The sample 20 can be scanned toward the other end more steeply than the other regions in the region (with a pixel count of 5%).

また、べき関数は、例えば5次の関数である。べき関数の次数を5次とすることにより、X走査信号の振幅の増加開始直後の第1の期間での振幅の増加スピードをより上げることができる。よって、観測領域の走査往路において、観測領域の一端側でのカンチレバー10の試料20に対する走査スピードをより急峻に上げることができる。 The power function is, for example, a fifth-order function. By setting the order of the power function to the fifth order, the speed of increasing the amplitude in the first period immediately after the start of increasing the amplitude of the X scanning signal can be further increased. Therefore, in the scanning outward path of the observation region, the scanning speed of the cantilever 10 with respect to the sample 20 on one end side of the observation region can be increased more steeply.

なお、べき関数の次数は5次に限らず6次であってもよいし、他の次数であってもよい。べき関数の次数を高くするほど、観測領域の一端側でのカンチレバー10の試料20に対する走査スピードをより急峻に上げることができる。 The order of the power function is not limited to the fifth order and may be the sixth order or another order. The higher the order of the power function, the steeper the scanning speed of the cantilever 10 with respect to the sample 20 at one end side of the observation region.

また、図4Bに示すように、補正後の走査型プローブ顕微鏡1では、X走査信号の振幅の減少終了直前の第2の期間において、X走査信号の振幅の減少の加速度を負の値としている。ここで、第2の期間とは、例えば、X走査信号の電圧の振幅の増加開始から、X走査信号の増減の周期の半周期に対応するピクセル数の10%のピクセル数の期間である。つまり、図3に示した期間Bに対応するピクセル数の10%の期間である。例えば、期間Bでの全ピクセル数が256ピクセルの場合、電圧の減少終了時の領域は、試料観測像の一端側の25ピクセル程度の領域である。 Further, as shown in FIG. 4B, in the corrected scanning probe microscope 1, the acceleration of the decrease in the amplitude of the X scanning signal is set to a negative value in the second period immediately before the end of the decrease in the amplitude of the X scanning signal. .. Here, the second period is, for example, a period in which the number of pixels is 10% of the number of pixels corresponding to half the cycle of the increase / decrease of the X scanning signal from the start of the increase in the voltage amplitude of the X scanning signal. That is, it is a period of 10% of the number of pixels corresponding to the period B shown in FIG. For example, when the total number of pixels in the period B is 256 pixels, the region at the end of the voltage decrease is a region of about 25 pixels on one end side of the sample observation image.

また、第2の期間におけるX走査信号の振幅の減少の加速度は、べき関数で表すことができる。当該べき関数は、例えば2次の関数で表すことができる。 Further, the acceleration of the decrease in the amplitude of the X scanning signal in the second period can be expressed by a power function. The function to be concerned can be represented by, for example, a quadratic function.

これにより、走査領域の走査復路において、電圧減少の終了直前の第2の期間におけるX走査信号の振幅の減少スピードを小さくすることができるので、試料20の観測領域の一端側の領域(一端側から10%のピクセル数の領域)において、試料20を他の領域よりも遅いスピードで一端側へ走査することができる。なお、試料20の一端側の領域以外の領域では、一定の速度で走査することができる。 As a result, in the scanning return path of the scanning region, the reduction speed of the amplitude of the X scanning signal in the second period immediately before the end of the voltage reduction can be reduced, so that the region on one end side (one end side) of the observation region of the sample 20 can be reduced. In the region (with 10% of the number of pixels), the sample 20 can be scanned to one end side at a slower speed than the other regions. In addition, in the region other than the region on one end side of the sample 20, scanning can be performed at a constant speed.

以上のようなX走査信号を用いることにより、試料20の観測領域の一端側と他端側との間でカンチレバー10を試料20に相対的に走査する場合、観測領域の一端側において走査方向を切り替えるときに、スキャナ24の走査方向の切り替え時のスキャナ24(圧電素子)の応答遅れにより、観測領域の一端側近傍において試料観測像に歪みが生じるのを抑制することができる。 When the cantilever 10 is scanned relative to the sample 20 between one end side and the other end side of the observation region of the sample 20 by using the X scanning signal as described above, the scanning direction is set on one end side of the observation region. At the time of switching, it is possible to suppress distortion of the sample observation image in the vicinity of one end side of the observation region due to the response delay of the scanner 24 (piezoelectric element) when the scanning direction of the scanner 24 is switched.

なお、第1の期間および第2の期間は、電圧増加または電圧減少の全期間に対応する全ピクセル数の5%に限らず、4%であってもよいし、適宜変更してもよい。また、図4Aおよび図4Bに示すX走査信号において、試料20の観測領域の両端において走査方向を逆向きにする際に生じる振動を補正するための逆伝達補正を行ったものであってもよい。 The first period and the second period are not limited to 5% of the total number of pixels corresponding to the entire period of voltage increase or voltage decrease, but may be 4% or may be changed as appropriate. Further, in the X scanning signal shown in FIGS. 4A and 4B, reverse transmission correction may be performed to correct the vibration generated when the scanning direction is reversed at both ends of the observation region of the sample 20. ..

XY方向の走査中、センサ31は、レーザユニット30から照射されカンチレバー10で反射した反射光を検出することにより、カンチレバー10の振動信号を検出する。そして、センサ31は、検出した振動振幅を振幅検出部33に供給する。すなわち、カンチレバー10が試料20に対してX方向の正の方向に走査されるときに、カンチレバー10の振動振幅の変化、すなわち、試料20の表面の凹凸情報の検出が行われる。 During scanning in the XY directions, the sensor 31 detects the vibration signal of the cantilever 10 by detecting the reflected light emitted from the laser unit 30 and reflected by the cantilever 10. Then, the sensor 31 supplies the detected vibration amplitude to the amplitude detection unit 33. That is, when the cantilever 10 is scanned in the positive direction of the X direction with respect to the sample 20, the change in the vibration amplitude of the cantilever 10, that is, the detection of the unevenness information on the surface of the sample 20 is performed.

振幅検出部33は、供給された変位信号から振幅を検出してフィードバック制御部34に供給する。フィードバック制御部34は、供給された振幅がセットポイントと一致するように、スキャナ24のZ方向のフィードバック制御を行う。なお、セットポイントとは、あらかじめ定められた振幅の目標値である。 The amplitude detection unit 33 detects the amplitude from the supplied displacement signal and supplies it to the feedback control unit 34. The feedback control unit 34 performs feedback control in the Z direction of the scanner 24 so that the supplied amplitude matches the set point. The set point is a predetermined target value of amplitude.

フィードバック制御部34では、振幅とセットポイントの差に応じたフィードバック信号が生成され、スキャナ24に供給される。スキャナ24は、フィードバック信号に従ってZ方向に動作する。より詳細には、スキャナドライバ(図示せず)がフィードバック信号に従ってスキャナ24を駆動する。 The feedback control unit 34 generates a feedback signal according to the difference between the amplitude and the set point, and supplies the feedback signal to the scanner 24. The scanner 24 operates in the Z direction according to the feedback signal. More specifically, a scanner driver (not shown) drives the scanner 24 according to the feedback signal.

また、振幅は、カンチレバー10と試料20との距離に応じて変化する。したがって、フィードバック制御により、カンチレバー10と試料20の距離が一定に保たれる。 Further, the amplitude changes according to the distance between the cantilever 10 and the sample 20. Therefore, the feedback control keeps the distance between the cantilever 10 and the sample 20 constant.

このようにして、カンチレバー10と試料の距離を一定に保ちながら、XY走査が行われる。フィードバック信号は、コンピュータ35にも供給される。フィードバック信号は、スキャナ24をZ方向に駆動する信号であり、試料20のZ方向の高さに対応している。したがって、フィードバック信号を得ることにより、試料20の表面の状態の情報(凹凸情報)を得ることができる。 In this way, the XY scan is performed while keeping the distance between the cantilever 10 and the sample constant. The feedback signal is also supplied to the computer 35. The feedback signal is a signal that drives the scanner 24 in the Z direction, and corresponds to the height of the sample 20 in the Z direction. Therefore, by obtaining the feedback signal, information on the state of the surface of the sample 20 (concavo-convex information) can be obtained.

さらに、コンピュータ35は、XY走査の制御データと入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の凹凸情報を画像として生成し、モニタ37に供給する。これにより、モニタ37に試料表面の凹凸情報が三次元画像として表示される。 Further, the computer 35 generates the unevenness information of the sample surface as an image based on the control data of the XY scanning and the input feedback signal, and supplies the information to the monitor 37. As a result, the unevenness information on the sample surface is displayed on the monitor 37 as a three-dimensional image.

[走査型プローブ顕微鏡を用いた観測例]
ここで、走査型プローブ顕微鏡1を用いた観測例を示す。以下に示す観測では、試料20として、表面に一定の凹凸のグリッドが形成されたシリコンを用いた。試料20の表面において、グリッドは、1μmの周期で形成されている。グリッドの凹部の大きさは、一例として0.5μmである。なお、試料20は、シリコンに限らず、生体試料、高分子、半導体などどのような材料であってもよい。また、試料20の表面に一定の凹凸のグリッドを形成する場合には、グリッドの大きさ、周期は適宜変更してもよい。
[Observation example using scanning probe microscope]
Here, an observation example using the scanning probe microscope 1 is shown. In the observations shown below, silicon having a grid of constant irregularities formed on the surface was used as the sample 20. On the surface of sample 20, the grid is formed with a period of 1 μm. The size of the recess of the grid is 0.5 μm as an example. The sample 20 is not limited to silicon, and may be any material such as a biological sample, a polymer, and a semiconductor. Further, when forming a grid having a certain unevenness on the surface of the sample 20, the size and period of the grid may be appropriately changed.

図5Aは、実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡1の補正前の試料観測像を示す図である。図5Bは、実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡1の補正後の試料観測像を示す図である。図5Aおよび図5Bにおいて、観測領域は15μm×15μmの領域である。また、図5Aおよび図5Bでは、256×256ピクセルで観測および表示を行っている。観測時のカンチレバー10の試料20に対するX走査信号は、図4Aおよび図4Bに示したX走査信号であり、走査速度は1ライン7.8msである。 FIG. 5A is a diagram showing a sample observation image before correction of the scanning probe microscope 1 according to the embodiment. FIG. 5B is a diagram showing a corrected sample observation image of the scanning probe microscope 1 according to the embodiment. In FIGS. 5A and 5B, the observation region is a region of 15 μm × 15 μm. Further, in FIGS. 5A and 5B, observation and display are performed at 256 × 256 pixels. The X scanning signal for the sample 20 of the cantilever 10 at the time of observation is the X scanning signal shown in FIGS. 4A and 4B, and the scanning speed is 7.8 ms per line.

印加する三角波電圧を補正していないX走査信号(図4A参照)を用いた走査型プローブ顕微鏡1の場合、図5Aの破線の領域に示すように、試料20の試料観測像の一端側、すなわち、上述した三角波の振幅の増加開始直後の第1の期間には、試料観測像に歪みが生じた領域(ミラー領域)が表れている。一方、図5Bに示すように、印加する三角波電圧を補正したX走査信号(図4B参照)を用いた走査型プローブ顕微鏡1では、試料20の試料観測像の一端側には、ミラー領域は表れていない。このことより、上述したように、図4Bに示したX走査信号を用いてスキャナ24を動作させることにより、観測領域の一端で走査方向を切り替えるときに、観測領域の一端近傍において試料観測像にミラー領域が生じるのが抑制されていることがわかる。 In the case of the scanning probe microscope 1 using the X scanning signal (see FIG. 4A) in which the applied triangular wave voltage is not corrected, as shown in the region of the broken line in FIG. 5A, one end side of the sample observation image of the sample 20, that is, In the first period immediately after the start of the increase in the amplitude of the triangular wave described above, a region (mirror region) in which the sample observation image is distorted appears. On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the scanning probe microscope 1 using the X scanning signal (see FIG. 4B) corrected for the applied triangular wave voltage, a mirror region appears on one end side of the sample observation image of the sample 20. Not. From this, as described above, by operating the scanner 24 using the X scanning signal shown in FIG. 4B, when the scanning direction is switched at one end of the observation region, the sample observation image is formed in the vicinity of one end of the observation region. It can be seen that the generation of the mirror region is suppressed.

[効果等]
以上、本実施の形態にかかる走査型プローブ顕微鏡によると、上述したように補正したX走査信号を用いることにより、試料20の観測領域の一端から他端に向けてカンチレバー10を試料20に相対的に走査するときに、観測領域の一端で走査方向を切り替えるときに、スキャナ24の走査方向の切り替えの影響により観測領域の一端近傍において試料観測像に歪みが生じるのを抑制することができる。
[Effects, etc.]
As described above, according to the scanning probe microscope according to the present embodiment, by using the X scanning signal corrected as described above, the cantilever 10 is relative to the sample 20 from one end to the other end of the observation region of the sample 20. When the scanning direction is switched at one end of the observation area during scanning, it is possible to suppress distortion of the sample observation image in the vicinity of one end of the observation area due to the influence of the switching of the scanning direction of the scanner 24.

(変形例1)
なお、走査型プローブ顕微鏡1において、コンピュータ35は、三角波に対応する出力信号を三角波のタイミングより第3の期間遅延させてモニタ37に表示させてもよい。ここで、第3の期間とは、例えば、X走査信号の振幅の増加の期間すなわちX走査信号の振幅の増加開始から振幅の増減周期の半周期に対応するピクセル数の5%以内のピクセル数分の期間である。なお、第3の期間モニタ表示を遅延させることをピクセルシフトと呼ぶ。例えば、ピクセルシフト10%とは、X走査信号の振幅の増加開始から振幅の増減周期の半周期に対応するピクセル数のうちの10%を遅延させてモニタ37に表示することをいう。
(Modification example 1)
In the scanning probe microscope 1, the computer 35 may display the output signal corresponding to the triangular wave on the monitor 37 with a delay of a third period from the timing of the triangular wave. Here, the third period is, for example, the number of pixels within 5% of the number of pixels corresponding to the period of increase in the amplitude of the X scanning signal, that is, the half cycle of the amplitude increase / decrease cycle from the start of the increase in the amplitude of the X scanning signal. The period of minutes. Delaying the monitor display during the third period is called pixel shift. For example, the pixel shift of 10% means that 10% of the number of pixels corresponding to the half cycle of the amplitude increase / decrease cycle is delayed from the start of the amplitude increase of the X scanning signal and displayed on the monitor 37.

図6A〜図6Dは、試料20として脂質二重膜を用い、プローブ顕微鏡1により試料20の表面を観測したときの試料観測像についてピクセルシフトさせたときの試料観測像の一例である。 6A to 6D are examples of a sample observation image when a lipid bilayer film is used as the sample 20 and the sample observation image when the surface of the sample 20 is observed by the probe microscope 1 is pixel-shifted.

図6A〜図6Dでは、イメージングレートを0.5s/frameとし、ピクセルシフトをそれぞれ0%、5%、10%、15%としたときの試料観測像を示している。 6A to 6D show sample observation images when the imaging rate is 0.5 s / frame and the pixel shifts are 0%, 5%, 10%, and 15%, respectively.

ピクセルシフトが0%のときは、図6Bの破線の領域に示すように、試料20の試料観測像の一端側にミラー領域が現れている。 When the pixel shift is 0%, a mirror region appears on one end side of the sample observation image of the sample 20 as shown in the region of the broken line in FIG. 6B.

ピクセルシフトが5%のときは、図6Bに示すように、試料20の試料観測像の一端側のミラー領域は、狭くなっている。これは、試料20の試料観測像において、上述したミラー領域が試料観測像のX方向の一端側と他端側のそれぞれに振り分けられたためである。つまり、ミラー領域はX方向の両端に分散され、各ミラー領域は小さいため、ミラー領域が目立つのを抑制して違和感のない試料観測像を表示することができる。 When the pixel shift is 5%, as shown in FIG. 6B, the mirror region on one end side of the sample observation image of the sample 20 is narrowed. This is because, in the sample observation image of the sample 20, the above-mentioned mirror region is divided into one end side and the other end side of the sample observation image in the X direction. That is, since the mirror regions are dispersed at both ends in the X direction and each mirror region is small, it is possible to suppress the conspicuousness of the mirror region and display a sample observation image without a sense of discomfort.

また、ピクセルシフトが10%のときは、図6Cに示すように、試料20の試料観測像の他端側のミラー領域は、ピクセルシフトが5%のときよりも大きく現れている。 Further, when the pixel shift is 10%, as shown in FIG. 6C, the mirror region on the other end side of the sample observation image of the sample 20 appears larger than when the pixel shift is 5%.

さらに、ピクセルシフトが15%のときは、図6Dに示すように、試料20の試料観測像の他端側のミラー領域は、ピクセルシフトが10%のときよりも大きく現れている。 Further, when the pixel shift is 15%, as shown in FIG. 6D, the mirror region on the other end side of the sample observation image of the sample 20 appears larger than when the pixel shift is 10%.

試料観測像についてピクセルシフトをさせることにより、試料20の試料観測像において、上述したミラー領域を試料観測像のX方向の両端に振り分けることができるので、試料観測像に歪みが生じるのをより抑制することができる。なお、上述したように、第3の期間が、X走査信号の振幅の増加の期間の5%より大きくなると、試料観測像の両側に振り分けたミラー領域が目立つようになる。したがって、第3の期間は、X走査信号の振幅の増加の期間の5%以内、例えば3%程度とすることが好ましい。 By pixel-shifting the sample observation image, the above-mentioned mirror region can be distributed to both ends of the sample observation image in the X direction in the sample observation image of the sample 20, so that distortion of the sample observation image is further suppressed. can do. As described above, when the third period is larger than 5% of the period of increase in the amplitude of the X scanning signal, the mirror regions distributed on both sides of the sample observation image become conspicuous. Therefore, the third period is preferably within 5% of the period of increase in the amplitude of the X scanning signal, for example, about 3%.

また、図7A〜図7Dは、試料20として脂質二重膜を用い、プローブ顕微鏡1により試料20の表面を観測したときの試料観測像について、走査信号電圧の増加および減少速度を変化させ、さらにピクセルシフトを組み合わせたときの試料観測像の一例である。 Further, in FIGS. 7A to 7D, the increase and decrease rates of the scanning signal voltage are changed with respect to the sample observation image when the surface of the sample 20 is observed by the probe microscope 1 using the lipid bilayer as the sample 20, and further. This is an example of a sample observation image when pixel shift is combined.

図7A〜図7Dでは、イメージングレート(信号速度)を0.2s/frameとして、走査信号電圧の増加時に操作信号のピクセル数200の8%、すなわち16ピクセルにおいて5次のべき関数で電圧増加を加速させたとき、走査電圧の減少時において2次関数により減速し、ピクセル数の6%、すなわち12ピクセルで停止させたとき、さらにピクセルシフトを5%としたときの試料観測像を示している。 In FIGS. 7A to 7D, the imaging rate (signal velocity) is set to 0.2 s / frame, and when the scanning signal voltage is increased, the voltage is increased by a fifth-order power function at 8% of the 200 pixels of the operation signal, that is, 16 pixels. It shows a sample observation image when accelerated, decelerated by a quadratic function when the scanning voltage decreases, stopped at 6% of the number of pixels, that is, 12 pixels, and when the pixel shift is 5%. ..

図7Aに示すように、イメージングレートを0.2s/frameとしたとき(イメージングレートを変化させる前)は、図7Aの破線の領域に示すように、試料20の試料観測像の一端側にミラー領域が現れている。 As shown in FIG. 7A, when the imaging rate is 0.2 s / frame (before the imaging rate is changed), as shown in the dashed area of FIG. 7A, a mirror is placed on one end side of the sample observation image of the sample 20. The area is appearing.

走査信号の往路において走査ピクセル数200の8%、すなわち16ピクセルにおいて5次のべき関数により走査信号電圧の増加率を加速させたときは、図7Bの破線に示すように、試料20の試料観測像の一端側に現れたミラー領域は図7Aと比較して狭くなっている。 When the rate of increase of the scanning signal voltage is accelerated by a fifth-order power function at 8% of the number of scanning pixels of 200, that is, 16 pixels in the outward path of the scanning signal, the sample observation of the sample 20 is shown as shown by the broken line in FIG. 7B. The mirror area appearing on one end side of the image is narrower than that in FIG. 7A.

さらに、走査信号の復路において、走査電圧は2次関数で減速され、ピクセル数の6%、すなわち12ピクセルで走査を停止させた場合、図7Cに示すように、試料20の試料観測像の一端側に現れたミラー領域はさらに狭くなっている。 Further, in the return path of the scanning signal, when the scanning voltage is decelerated by a quadratic function and the scanning is stopped at 6% of the number of pixels, that is, 12 pixels, one end of the sample observation image of the sample 20 as shown in FIG. 7C. The mirror area that appears on the side is even narrower.

また、さらに5%のピクセルシフトを組み合わせたときは、図7Dに示すように、ミラー領域は大きく現れておらず、目立たなくなっている。 Further, when the pixel shift of 5% is further combined, as shown in FIG. 7D, the mirror area does not appear large and becomes inconspicuous.

このように、X走査信号の往復の形状変化とピクセルシフトを組み合わせることにより、試料観測像の両端においてミラー領域が現れるのを抑制することができる。 In this way, by combining the reciprocating shape change of the X scanning signal and the pixel shift, it is possible to suppress the appearance of mirror regions at both ends of the sample observation image.

(その他の実施の形態)
以上、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。
(Other embodiments)
Although the scanning probe microscope according to the present invention has been described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the embodiment. The present invention also includes a form obtained by subjecting an embodiment to a modification that a person skilled in the art can think of, and another form realized by arbitrarily combining components in a plurality of embodiments.

例えば、上述した実施の形態では、図2に示したようにX方向に軌跡Pを取り、カンチレバーを試料に対してX方向に走査したときにZ方向の凹凸情報を観測画像として検出したが、これに限らず、Y方向に軌跡Pを取り、カンチレバーを試料に対してY方向に走査したときにZ方向の凹凸情報を観測画像として検出してもよい。 For example, in the above-described embodiment, the locus P is taken in the X direction as shown in FIG. 2, and when the cantilever is scanned in the X direction with respect to the sample, the unevenness information in the Z direction is detected as an observation image. Not limited to this, when the locus P is taken in the Y direction and the cantilever is scanned in the Y direction with respect to the sample, the unevenness information in the Z direction may be detected as an observation image.

また、上述した実施の形態では、探針としてカンチレバーを備えたプローブ顕微鏡について説明をしたが、探針はカンチレバーに限らず他の構成の探針であってもよい。また、探針以外の手段により試料の表面を走査してもよい。 Further, in the above-described embodiment, the probe microscope provided with the cantilever as the probe has been described, but the probe is not limited to the cantilever and may be a probe having another configuration. Further, the surface of the sample may be scanned by means other than the probe.

また、走査電圧の増加開始時において、電圧増加の加速度はべき関数であってもよい。また、べき関数の次数は上述したように5次であってもよいし、5次に限らず6次または他の次数であってもよい。べき関数の次数を高くするほど、観測領域の一端側でのカンチレバー10の試料20に対する走査スピードをより急峻に上げることができる。 Further, at the start of the increase in the scanning voltage, the acceleration of the voltage increase may be a power function. Further, the order of the power function may be 5th order as described above, and may be 6th order or another order as well as 5th order. The higher the order of the power function, the steeper the scanning speed of the cantilever 10 with respect to the sample 20 at one end side of the observation region.

また、走査電圧の減少終了時において、電圧減少の加速度はべき関数であってもよい。 Further, at the end of the decrease in the scanning voltage, the acceleration of the voltage decrease may be a power function.

また、べき関数の次数は2次のべき関数であってもよいし他の次数であってもよい。べき関数の次数を高くするほど、観測領域の一端側でのカンチレバー10の試料20に対する走査スピードをより遅くすることができる。 Further, the order of the power function may be a quadratic power function or another order. The higher the order of the power function, the slower the scanning speed of the cantilever 10 with respect to the sample 20 at one end of the observation region.

また、観測領域の大きさおよびピクセル数は、上述した大きさおよびピクセル数に限らず、観測試料に応じて適宜変更してもよい。 Further, the size and the number of pixels of the observation area are not limited to the above-mentioned size and the number of pixels, and may be appropriately changed according to the observation sample.

また、走査型プローブ顕微鏡の構成は、上記したものに限らず、走査型プローブ顕微鏡の種類に応じて適宜変更してもよい。 Further, the configuration of the scanning probe microscope is not limited to the above, and may be appropriately changed depending on the type of the scanning probe microscope.

本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の物理情報または試料の化学的性質を高速で観測する走査型プローブ顕微鏡またはプローブ走査装置に有用である。 The scanning probe microscope according to the present invention is useful for a scanning probe microscope or a probe scanning device for observing physical information on a sample surface or chemical properties of a sample at high speed.

1 走査型プローブ顕微鏡
10 カンチレバー(探針)
10a 探針
10b 梁部
20 試料(観測試料)
22 試料ステージ
24 スキャナ
30 レーザユニット
31 センサ
33 振幅検出部
34 フィードバック制御部
35 コンピュータ(制御部)
36 発振器
37 モニタ
1 Scanning probe microscope 10 Cantilever (probe)
10a probe 10b beam part 20 sample (observation sample)
22 Sample stage 24 Scanner 30 Laser unit 31 Sensor 33 Amplitude detection unit 34 Feedback control unit 35 Computer (control unit)
36 oscillator 37 monitor

Claims (7)

観測試料を載置する試料ステージと、
前記観測試料の表面状態または動態を観測する探針と、
前記試料ステージを駆動するスキャナと、
前記スキャナの動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、所定の周期で増加および減少を繰り返す走査電圧を前記スキャナに印加し、
前記走査電圧は、増加開始直後の第1の期間における増加の加速度が正の値であり、かつ、前記第1の期間に続く増加の傾きが一定であり、
前記走査電圧は、減少終了直前の第2の期間における減少の加速度が負の値であり、かつ、前記第2の期間より前での減少の傾きが一定である
走査型プローブ顕微鏡。
A sample stage on which the observation sample is placed and
A probe for observing the surface state or dynamics of the observed sample,
The scanner that drives the sample stage and
A control unit that controls the operation of the scanner is provided.
Wherein the controller applies a scan voltage to repeat increase and decrease in a predetermined cycle to said scanner,
The scan voltage is increased starting first acceleration of increase that put the period immediately after Ri positive value der and slope of increase following the first period is constant,
The scanning voltage is a scanning probe microscope in which the acceleration of decrease in the second period immediately before the end of decrease is a negative value and the slope of decrease before the second period is constant.
前記プローブ顕微鏡は、前記探針で検出した前記観測試料の表面状態または動態を所定のピクセル数の画像として表示する画像処理部を備え、
前記第1の期間とは、前記走査電圧の増加開始から前記所定の周期の半周期に対応する前記ピクセル数の5%以上10%以下のピクセル数分の期間である
請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The probe microscope includes an image processing unit that displays the surface state or dynamics of the observed sample detected by the probe as an image having a predetermined number of pixels.
Wherein the first period, according to claim 1 wherein from 5% to 10% or less of the period of several minutes pixels of said number of pixels from the increase start corresponding to the half cycle of the predetermined period of the scanning voltage Scanning probe microscope.
前記第1の期間における前記走査電圧は、べき関数で増加する
請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the scanning voltage in the first period increases with a power function.
前記第1の期間における前記走査電圧は、5次または6次の関数で増加する
請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The scanning probe microscope according to claim 3, wherein the scanning voltage in the first period increases with a fifth-order or sixth-order function.
前記第2の期間における前記走査電圧は、2次の関数で減少する
請求項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The scanning probe microscope according to claim 1 , wherein the scanning voltage in the second period decreases by a quadratic function.
前記画像処理部は、前記走査電圧に対応する出力信号を前記走査電圧のタイミングより第3の期間だけ遅延させて出力する
請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The scanning probe microscope according to claim 2, wherein the image processing unit outputs an output signal corresponding to the scanning voltage with a delay of a third period from the timing of the scanning voltage.
前記第3の期間は、前記走査電圧の増加開始から前記所定の周期の半周期に対応する前記ピクセル数の5%以内のピクセル数分の期間である
請求項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The third period is a scanning probe microscope according to claim 6 increase the start of the scan voltage is a period of a few minutes pixels within 5% of the number of the pixels corresponding to the half cycle of the predetermined cycle ..
JP2016234584A 2016-12-01 2016-12-01 Scanning probe microscope Active JP6842754B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016234584A JP6842754B2 (en) 2016-12-01 2016-12-01 Scanning probe microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016234584A JP6842754B2 (en) 2016-12-01 2016-12-01 Scanning probe microscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018091695A JP2018091695A (en) 2018-06-14
JP6842754B2 true JP6842754B2 (en) 2021-03-17

Family

ID=62565385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016234584A Active JP6842754B2 (en) 2016-12-01 2016-12-01 Scanning probe microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6842754B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109374928B (en) * 2018-09-12 2020-10-27 东南大学 Near-field scanning probe based on plasma focusing
JP7282370B2 (en) * 2019-08-19 2023-05-29 国立大学法人金沢大学 Atomic force microscope with manipulator function

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018091695A (en) 2018-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20120030845A1 (en) Scanning probe microscope
WO2006129561A1 (en) Scan type probe microscope and cantilever drive device
JP4496350B2 (en) Atomic force microscope
JP6842754B2 (en) Scanning probe microscope
US20180088148A1 (en) Scanning probe microscope
WO2016189591A1 (en) Scanning endoscope and control method therefor
JP4474556B2 (en) Scanning probe microscope
JP5079109B2 (en) Scanning probe microscope
JP2012256037A (en) Optical scanner and optical reflection element used for the same
WO2009139238A1 (en) Dynamic mode afm apparatus
JP4021298B2 (en) Sampling scanning probe microscope and scanning method
JP4391925B2 (en) Atomic force microscope
US10488641B2 (en) Scanning microscope
US5567872A (en) Scanning atomic force microscope
JP2007017388A (en) Scanned probe microscope
WO2022118728A1 (en) Atomic force microscope, control method, and program
US10107833B2 (en) Atomic force microscope and control method of the same
JP2009019943A (en) Scanning probe microscope
JP7281841B2 (en) scanning probe microscope
JP2019128302A (en) Scan probe microscope
JP3588701B2 (en) Scanning probe microscope and its measuring method
JPH10267950A (en) Lateral-excitation frictional-force microscope
WO2020129245A1 (en) Scanning probe microscope
JP2006313142A (en) Scanning probe microscope
JP2004156959A (en) Scanning probe microscope

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191111

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200721

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200722

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200916

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210202

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210215

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6842754

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250