JP7031851B2 - Atomic force microscope - Google Patents

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Description

本発明は、原子間力顕微鏡に係り、特に、鮮明な画像を得るためのフィードバック回路等の制御回路の各種制御パラメータを自動で初期設定する技術に関する。 The present invention relates to an atomic force microscope, and more particularly to a technique for automatically initializing various control parameters of a control circuit such as a feedback circuit for obtaining a clear image.

原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)は、カンチレバーの先端に設けた探針と試料に作用する原子間力を計測し、試料の形状を測定する。カンチレバーは、片持ちバネ構造を有し、探針と試料表面を微小な力で接触させ、カンチレバーのたわみ量が一定になるように探針・試料間距離(Z方向の距離)をフィードバック制御(一例としてPID制御)しながら、水平面上(XY平面上)にスキャンすることで、表面形状を画像化する。 Atomic Force Microscope (AFM) measures the shape of a sample by measuring the atomic force acting on the sample and the probe provided at the tip of the cantilever. The cantilever has a cantilever structure, and the probe and the sample surface are brought into contact with each other with a slight force, and the distance between the probe and the sample (distance in the Z direction) is feedback-controlled so that the amount of deflection of the cantilever is constant (distance in the Z direction). By scanning on a horizontal plane (on an XY plane) while controlling PID as an example, the surface shape is imaged.

このような原子間力顕微鏡においては、試料の測定を開始する前等に、走査条件(走査範囲、速度、解像度等)や、PID制御のゲイン(制御パラメータ)を初期設定する必要がある。また、鮮明な画像を得るために、プリスキャンを実行し、操作者が画像を目視することにより、PID制御のゲインを最適な数値となるように調整する操作を行っている。 In such an atomic force microscope, it is necessary to initially set the scanning conditions (scanning range, speed, resolution, etc.) and the gain (control parameter) of PID control before starting the measurement of the sample. Further, in order to obtain a clear image, a prescan is executed and the operator visually observes the image to adjust the gain of the PID control so as to be an optimum value.

このような制御パラメータの調整は、熟練者であれば数分程度の短時間で行うことができるが、初心者などの熟練していない操作者の場合には、長時間を要してしまう、或いは、好適な設定ができないという問題が生じる。 Such adjustment of control parameters can be performed in a short time of about several minutes by a skilled person, but it may take a long time for an unskilled operator such as a beginner. However, there is a problem that a suitable setting cannot be made.

また、例えば特許文献1には、カンチレバーの交換時における初期設定方法について記載されているが、PID制御のゲインなどの制御パラメータを自動調整することについて開示されていない。そこで、何とか制御パラメータの設定を自動化したいという要望が高まっていた。 Further, for example, Patent Document 1 describes an initial setting method at the time of replacement of a cantilever, but does not disclose automatic adjustment of control parameters such as gain of PID control. Therefore, there has been a growing demand for somehow automating the setting of control parameters.

特開平11-316243号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-316243

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、制御回路の制御パラメータの設定を自動で実施することが可能な原子間力顕微鏡を提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object thereof is to provide an atomic force microscope capable of automatically setting control parameters of a control circuit. To do.

上記目的を達成するため、本願発明は、試料台に載置した試料にカンチレバーを接触させ、前記カンチレバーのたわみ量が一定となるように前記試料をスキャンして前記試料の表面形状を検出する原子間力顕微鏡において、前記試料台を前記カンチレバーのたわみ方向に変位させるZ方向スキャナと、前記Z方向スキャナの変位を制御する制御回路と、前記制御回路の制御パラメータを設定するパラメータ設定部と、を有し、前記パラメータ設定部は、前記試料をスキャンして前記試料表面の凹凸データを取得し、前記制御パラメータを調整して前記凹凸データのエッジの傾きが予め設定した第1の閾値よりも大きくなったときの制御パラメータを、制御パラメータとして設定することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention detects the surface shape of the sample by bringing the cantilever into contact with the sample placed on the sample table and scanning the sample so that the amount of deflection of the cantilever is constant. In an atomic force microscope, a Z-direction scanner that displaces the sample table in the deflection direction of the cantilever, a control circuit that controls the displacement of the Z-direction scanner, and a parameter setting unit that sets control parameters of the control circuit. The parameter setting unit scans the sample to acquire unevenness data on the surface of the sample, adjusts the control parameters, and the inclination of the edge of the unevenness data is larger than a preset first threshold value. It is characterized in that the control parameter when it becomes large is set as a control parameter .

本発明に係る原子間力顕微鏡では、制御回路の制御パラメータを自動で設定するので、操作者の熟練度によらず、短時間で且つ高精度な制御パラメータの初期設定が可能となる。 In the atomic force microscope according to the present invention, since the control parameters of the control circuit are automatically set, it is possible to set the initial settings of the control parameters in a short time and with high accuracy regardless of the skill level of the operator.

図1は、本発明の一実施形態に係る原子間力顕微鏡の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention. 図2は、フォトダイオードに設けられる2つのフォトディテクタ、及び照射されるレーザ光を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing two photodetectors provided on the photodiode and the laser beam to be irradiated. 図3Aは、本発明の一実施形態に係る原子間力顕微鏡で、試料を測定する際の設定処理の手順を示すフローチャートである。FIG. 3A is a flowchart showing a procedure of setting processing when measuring a sample with an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention. 図3Bは、本発明の一実施形態に係る原子間力顕微鏡で、試料を測定する際の設定処理の手順を示すフローチャートである。FIG. 3B is a flowchart showing a procedure of setting processing when measuring a sample with an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention. 図4は、プリスキャンで得られるAFM画像を示す図であり、(a)は画像が得られない場合、(b)は画像が不鮮明である場合、(c)は画像が鮮明である場合を示す。4A and 4B are views showing an AFM image obtained by prescan. FIG. 4A is a case where an image cannot be obtained, FIG. 4B is a case where the image is unclear, and FIG. 4C is a case where the image is clear. show. 図5は、プリスキャンで得られるAFM画像の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of an AFM image obtained by prescan. 図6は、図5に示したAFM画像をX方向にスキャンしたときに得られるプロファイルであり、(a)は傾きがある場合、(b)は傾きがない場合を示している。6A and 6B are profiles obtained when the AFM image shown in FIG. 5 is scanned in the X direction. FIG. 6A shows a case where there is a tilt, and FIG. 6B shows a case where there is no tilt. 図7は、プリスキャンで得られるAFM画像、及びX方向にスキャンしたときに得られるプロファイルを示す図であり、(a)はAFM画像が不鮮明な場合、(b)はAFM画像が鮮明な場合、(c)はAFM画像が不鮮明な場合及び鮮明な場合のプロファイルを示している。7A and 7B are diagrams showing an AFM image obtained by prescan and a profile obtained when scanning in the X direction. FIG. 7A is a case where the AFM image is unclear, and FIG. 7B is a case where the AFM image is clear. , (C) show the profile when the AFM image is unclear and when it is clear. 図8は、プリスキャンを実施したときの、X方向の往路、及び復路のプロファイルデータを示す図であり、(a)はプロファイルの一致度が低い場合、(b)はプロファイルの一致度が高い場合を示す。FIG. 8 is a diagram showing profile data of the outward route and the inbound route in the X direction when the prescan is performed. FIG. 8A shows a low degree of profile matching, and FIG. 8B shows a high degree of profile matching. Show the case.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
[本実施形態の構成説明]
図1は、本発明の一実施形態に係る原子間力顕微鏡の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る原子間力顕微鏡100は、スキャナ15、カンチレバー11、レーザダイオード17、及びフォトダイオード18を備えており、カンチレバー11のたわみ量が一定になるように、スキャナ15をカンチレバーのたわみ方向(これを、Z方向とする)に変位させ、この変位量に基づいて試料の形状を測定するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Structure explanation of this embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention. The atomic force microscope 100 according to the present embodiment includes a scanner 15, a cantilever 11, a laser diode 17, and a photodiode 18, and the scanner 15 is tilted in the cantilever direction so that the amount of deflection of the cantilever 11 is constant. It is displaced in the Z direction (this is the Z direction), and the shape of the sample is measured based on this amount of displacement.

図1に示すように、本実施形態に係る原子間力顕微鏡100は、測定対象となる試料12を載置する試料台13と、該試料台13の下方に設けられて試料台13を支持するスキャナ15を備えている。また、スキャナ15の下方には、該スキャナをZ方向に移動させるモータ16が設けられている。 As shown in FIG. 1, the atomic force microscope 100 according to the present embodiment supports the sample table 13 on which the sample 12 to be measured is placed and the sample table 13 provided below the sample table 13. It is equipped with a scanner 15. Further, below the scanner 15, a motor 16 for moving the scanner in the Z direction is provided.

スキャナ15は、試料台13をZ方向に変位させるピエゾアクチュエータ(Z方向スキャナ、以下、「Zピエゾ15a」という)を備えている。更に、Z方向に直交する平面(Z方向を法線とする平面)であるXY平面方向に試料台13を変位させるピエゾアクチュエータ(以下、「XYピエゾ15b」という)を備えている。 The scanner 15 includes a piezo actuator (Z-direction scanner, hereinafter referred to as “Z piezo 15a”) that displaces the sample table 13 in the Z direction. Further, it is provided with a piezo actuator (hereinafter referred to as "XY piezo 15b") that displaces the sample table 13 in the XY plane direction, which is a plane orthogonal to the Z direction (a plane having the Z direction as a normal).

また、Zピエゾ15aに制御電圧を出力するZピエゾ制御回路22と、XYピエゾ15bに制御電圧を出力するXYピエゾ制御回路23と、モータ16に制御電圧を出力するモータ制御回路24を備えている。 Further, it includes a Z piezo control circuit 22 that outputs a control voltage to the Z piezo 15a, an XY piezo control circuit 23 that outputs the control voltage to the XY piezo 15b, and a motor control circuit 24 that outputs the control voltage to the motor 16. ..

Zピエゾ15a、及びXYピエゾ15bに制御電圧を与えることにより、試料台13をZ方向、及びXY平面に、ナノメートル(nm)のオーダーで微細に変位させることができる。なお、Z方向は例えば鉛直方向であり、XY平面は例えば水平面である。 By applying a control voltage to the Z piezo 15a and the XY piezo 15b, the sample table 13 can be finely displaced in the Z direction and the XY plane in the order of nanometers (nm). The Z direction is, for example, a vertical direction, and the XY plane is, for example, a horizontal plane.

試料台13の上部近傍には、片持ちバネ構造を有するカンチレバー11が設けられている。カンチレバー11の先端には、試料台13に載置される試料に対して微細な力で接触する探針11aが設けられている。また、カンチレバー11の後端は、図示省略の支持部材にて支持されている。 A cantilever 11 having a cantilever spring structure is provided near the upper part of the sample table 13. At the tip of the cantilever 11, a probe 11a that comes into contact with the sample placed on the sample table 13 with a fine force is provided. Further, the rear end of the cantilever 11 is supported by a support member (not shown).

カンチレバー11の上方には、レーザダイオード17、及びフォトダイオード18が設けられている。レーザダイオード17は、例えば半導体レーザであり、カンチレバー11の探針11aの背面にレーザ光を照射する。フォトダイオード18は、カンチレバー11で反射した光を受光する。なお、レーザダイオード17とカンチレバー11の間、及びカンチレバー11とフォトダイオード18の間には、レーザ光を反射するミラーやビームスプリッタなどが設けられるが、図1では記載を省略している。 A laser diode 17 and a photodiode 18 are provided above the cantilever 11. The laser diode 17 is, for example, a semiconductor laser, and irradiates the back surface of the probe 11a of the cantilever 11 with a laser beam. The photodiode 18 receives the light reflected by the cantilever 11. A mirror or a beam splitter that reflects laser light is provided between the laser diode 17 and the cantilever 11, and between the cantilever 11 and the photodiode 18, but the description is omitted in FIG. 1.

フォトダイオード18は、図2(a)に示すように2ブロックに分割されたフォトディテクタ18a、18bを有している。なお、フォトディテクタは、2分割に限定されず、4分割のフォトディテクタを用いることもできる。フォトダイオード18は、差動増幅器19に接続され、差動増幅器19は、振幅検出器20に接続されている。
差動増幅器19は、各フォトディテクタ18a、18bで検出された信号の差分信号を検出して、振幅検出器20に出力する。
The photodiode 18 has photodetectors 18a and 18b divided into two blocks as shown in FIG. 2A. The photodetector is not limited to two divisions, and a four division photo detector can also be used. The photodiode 18 is connected to the differential amplifier 19, and the differential amplifier 19 is connected to the amplitude detector 20.
The differential amplifier 19 detects the difference signal of the signals detected by the photodetectors 18a and 18b, and outputs the difference signal to the amplitude detector 20.

振幅検出器20は、差動増幅器19より出力される差分信号を、RMS信号(Root Mean Square;実効値)に変換し、変換後のRMS信号を制御回路21に出力する。例えば、図2(a)に示すように、点線で示すレーザ光の中心がフォトダイオード18の中心N1とほぼ一致する場合には、フォトディテクタ18aの検出信号Saとフォトディテクタ18bの検出信号Sbの差分信号はほぼゼロとなる。一方、図2(b)に示すように、レーザ光の中心がフォトダイオード18の中心N1から外れている場合には、検出信号SaとSbの差分信号が大きくなり、ひいてはRMS信号が大きくなる。つまり、RMS信号は、フォトダイオード18の中心N1に対するレーザ光照射位置のずれ量を示す指標となる。 The amplitude detector 20 converts the difference signal output from the differential amplifier 19 into an RMS signal (Root Mean Square; effective value), and outputs the converted RMS signal to the control circuit 21. For example, as shown in FIG. 2A, when the center of the laser beam indicated by the dotted line substantially coincides with the center N1 of the photodiode 18, the difference signal between the detection signal Sa of the photodetector 18a and the detection signal Sb of the photodetector 18b. Is almost zero. On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the center of the laser beam is deviated from the center N1 of the photodiode 18, the difference signal between the detection signals Sa and Sb becomes large, and eventually the RMS signal becomes large. That is, the RMS signal is an index indicating the amount of deviation of the laser beam irradiation position with respect to the center N1 of the photodiode 18.

制御回路21は、RMS信号と、後述する目標電圧出力部31より出力される目標電圧とを比較する演算部21aを備えており、PID制御を実行して、RMS信号を目標電圧に近づける(差分をゼロとする)ためのZピエゾ15aの制御電圧を演算する。演算した制御電圧をZピエゾ制御回路22に出力する。制御回路21は、例えばPID制御を実行するフィードバック回路である。 The control circuit 21 includes a calculation unit 21a that compares the RMS signal with the target voltage output from the target voltage output unit 31 described later, and executes PID control to bring the RMS signal closer to the target voltage (difference). Is set to zero), and the control voltage of the Z piezo 15a is calculated. The calculated control voltage is output to the Z piezo control circuit 22. The control circuit 21 is, for example, a feedback circuit that executes PID control.

RMS信号を目標電圧に近づけるということは、フォトダイオード18で受光するレーザ光の位置を所望の位置に合わせること、例えば、図2(a)に示したように、レーザ光の中心がN1に合うように制御するということであり、カンチレバー11のたわみ量(Z方向の変位)を一定に保持するということである。 Bringing the RMS signal closer to the target voltage means aligning the position of the laser beam received by the photodiode 18 with the desired position, for example, as shown in FIG. 2A, the center of the laser beam aligns with N1. This means that the amount of deflection (displacement in the Z direction) of the cantilever 11 is kept constant.

制御回路21で演算した制御電圧をZピエゾ制御回路22に出力することにより、該Zピエゾ制御回路22は、カンチレバー11のたわみ量を一定とするための制御を行う。この際、PID制御の積分ゲイン(制御回路の制御パラメータ)を後述する方法で調整することにより、制御特性を向上させる。 By outputting the control voltage calculated by the control circuit 21 to the Z piezo control circuit 22, the Z piezo control circuit 22 controls to keep the amount of deflection of the cantilever 11 constant. At this time, the control characteristics are improved by adjusting the integrated gain (control parameter of the control circuit) of the PID control by the method described later.

また、図1に示すように、本実施形態の原子間力顕微鏡100は、コントローラ30を備えている。コントローラ30は、目標電圧出力部31と、パラメータ設定部32と、画像生成部33と、駆動指令部34と、画像解析部35を備えている。 Further, as shown in FIG. 1, the atomic force microscope 100 of the present embodiment includes a controller 30. The controller 30 includes a target voltage output unit 31, a parameter setting unit 32, an image generation unit 33, a drive command unit 34, and an image analysis unit 35.

なお、コントローラ30は、試料12の測定を開始する前に、制御回路21の制御パラメータを設定する構成要素のみを示しており、その他の制御要素の記載を省略している。また、コントローラ30は、例えば、CPU、メモリ、及び入出力部を備える汎用のマイクロコントローラ等で構成することができる。 Note that the controller 30 shows only the components for setting the control parameters of the control circuit 21 before starting the measurement of the sample 12, and the description of other control elements is omitted. Further, the controller 30 can be configured by, for example, a general-purpose microcontroller including a CPU, a memory, and an input / output unit.

目標電圧出力部31は、振幅検出器20で検出されるRMS信号の目標電圧を設定し、演算部21aに出力する。 The target voltage output unit 31 sets the target voltage of the RMS signal detected by the amplitude detector 20 and outputs it to the calculation unit 21a.

駆動指令部34は、試料12の測定を開始する際に、Zピエゾ制御回路22、XYピエゾ制御回路23、及び、モータ制御回路24に駆動指令信号を出力する。 When starting the measurement of the sample 12, the drive command unit 34 outputs a drive command signal to the Z piezo control circuit 22, the XY piezo control circuit 23, and the motor control circuit 24.

画像生成部33は、制御回路21からZピエゾ制御回路22に出力した制御電圧を取得し、この制御電圧に基づいて試料12の表面形状を画像化する。
即ち、上述したように、カンチレバー11の探針11aと試料12の表面を微小な力で接触させ、カンチレバー11のたわみ量が一定になるように、Zピエゾ15aに制御電圧を与えて探針11aと試料12との間の距離を制御する。更に、XYピエゾ15bをXY平面上で平面スキャンする。具体的には、X方向(第1の方向)のスキャンをジグザグに往復させることにより、XY平面全体をスキャンする。すると、スキャナ15のZ方向の移動量が試料12のZ方向の大きさ、即ち、試料12の凹凸を示すことになり、XY平面上での試料12の凹凸データが得られる。換言すれば、制御回路21からZピエゾ制御回路22に出力する制御電圧は、試料12の凹凸を示すことになる。画像生成部33は、この制御電圧に基づき、コントラストを付与して試料12の表面形状を画像化する。
The image generation unit 33 acquires the control voltage output from the control circuit 21 to the Z piezo control circuit 22, and images the surface shape of the sample 12 based on this control voltage.
That is, as described above, the probe 11a of the cantilever 11 and the surface of the sample 12 are brought into contact with each other with a minute force, and a control voltage is applied to the Z piezo 15a so that the amount of deflection of the cantilever 11 becomes constant. The distance between the sample 12 and the sample 12 is controlled. Further, the XY piezo 15b is scanned in a plane on the XY plane. Specifically, the entire XY plane is scanned by reciprocating the scan in the X direction (first direction) in a zigzag manner. Then, the amount of movement of the scanner 15 in the Z direction indicates the magnitude of the sample 12 in the Z direction, that is, the unevenness of the sample 12, and the unevenness data of the sample 12 on the XY plane can be obtained. In other words, the control voltage output from the control circuit 21 to the Z piezo control circuit 22 indicates the unevenness of the sample 12. Based on this control voltage, the image generation unit 33 imparts contrast and images the surface shape of the sample 12.

パラメータ設定部32は、試料12の測定を開始する前の設定時に、画像生成部33で生成される画像を解析し、画像の解析結果に基づいてPID制御の制御パラメータを設定する。具体的には、PID制御の積分ゲインが最適値となるように設定する。なお、本実施形態では、一例として積分ゲインのみを設定する例について示すが、比例ゲイン、微分ゲインについも適切な数値となるように制御しても良い。 The parameter setting unit 32 analyzes the image generated by the image generation unit 33 at the time of setting before starting the measurement of the sample 12, and sets the control parameter of the PID control based on the analysis result of the image. Specifically, the integrated gain of PID control is set to be the optimum value. In this embodiment, an example in which only the integrated gain is set is shown as an example, but the proportional gain and the differential gain may be controlled so as to have appropriate numerical values.

[本実施形態の動作説明]
次に、本実施形態に係る原子間力顕微鏡100による、設定時の処理手順を、図3A、図3Bに示すフローチャートを参照して説明する。この処理は、例えば、測定対象となる新規の試料12を試料台13の上に載置して、該試料12の測定を開始する際の設定として実施される。
[Explanation of operation of this embodiment]
Next, the processing procedure at the time of setting by the atomic force microscope 100 according to the present embodiment will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS. 3A and 3B. This process is performed, for example, as a setting when a new sample 12 to be measured is placed on the sample table 13 and the measurement of the sample 12 is started.

初めに、試料台13の上に試料12が載置されると、ステップS11において、モータ制御回路24は、モータ16をZ方向に予め設定した基準値だけ移動させる。基準値は、カンチレバー11が試料12の表面に微小な力で接触する程度の距離に設定されている。 First, when the sample 12 is placed on the sample table 13, in step S11, the motor control circuit 24 moves the motor 16 by a preset reference value in the Z direction. The reference value is set to a distance such that the cantilever 11 comes into contact with the surface of the sample 12 with a slight force.

ステップS12において、パラメータ設定部32は、制御回路21の積分ゲイン(制御パラメータ)を初期値に設定してプリスキャンを実施する。即ち、XYピエゾ15bを駆動して試料台13を平面スキャンし、更に、フォトダイオード18で受光されるレーザ光が所望の位置となるように、Zピエゾ15aを駆動させる。この際の制御回路21より出力される制御電圧に基づいて、試料台13の表面画像を生成する。ステップS13において、AFM(Atomic Force Microscope)画像を取得する。なお、プリスキャンは、制御パラメータを設定する処理が終了するまで継続して実施される。 In step S12, the parameter setting unit 32 sets the integrated gain (control parameter) of the control circuit 21 to the initial value and performs the prescan. That is, the XY piezo 15b is driven to scan the sample table 13 in a plane, and the Z piezo 15a is further driven so that the laser beam received by the photodiode 18 is at a desired position. A surface image of the sample table 13 is generated based on the control voltage output from the control circuit 21 at this time. In step S13, an AFM (Atomic Force Microscope) image is acquired. The prescan is continuously performed until the process of setting the control parameters is completed.

ステップS14において、画像解析部35は、取得したAFM画像が鮮明な画像であるか否かを判断する。画像が鮮明であるか否かの判断は、画像のコントラスト、ノイズ、エッジ部の輝度変化、等の要素に基づき、周知の画像処理技術を用いて行うことができる。 In step S14, the image analysis unit 35 determines whether or not the acquired AFM image is a clear image. Whether or not the image is clear can be determined by using a well-known image processing technique based on factors such as image contrast, noise, and brightness change at the edge portion.

鮮明な画像が得られた場合には(ステップS14でYES)、試料台13のZ方向の位置、及び制御回路21に設定されている積分ゲイン(制御パラメータ)は、適正に設定されているものと判断し、ステップS34において、コントローラ30は、試料12を実際に測定するための本スキャンの実施に移行する。即ち、制御パラメータの設定を終了する。 When a clear image is obtained (YES in step S14), the position of the sample table 13 in the Z direction and the integrated gain (control parameter) set in the control circuit 21 are appropriately set. Then, in step S34, the controller 30 shifts to the execution of the main scan for actually measuring the sample 12. That is, the setting of the control parameter is completed.

一方、鮮明な画像が得られない場合には(ステップS14でNO)、ステップS15において、画像解析部35は画像が得られているか否かを判断する。例えば、画像生成部33で生成した画像にエッジが存在せず、凹凸が検出されていないことが明らかな場合、即ち、図4(a)に示すように、試料12の表面が確認できないような画像である場合には、画像無しと判断する。画像無しと判断した場合には、ステップS16に処理を進める。画像有りと判断した場合には、図3BのステップS20に処理を進める。 On the other hand, when a clear image cannot be obtained (NO in step S14), in step S15, the image analysis unit 35 determines whether or not an image is obtained. For example, when it is clear that the image generated by the image generation unit 33 has no edges and no unevenness is detected, that is, as shown in FIG. 4A, the surface of the sample 12 cannot be confirmed. If it is an image, it is determined that there is no image. If it is determined that there is no image, the process proceeds to step S16. If it is determined that there is an image, the process proceeds to step S20 in FIG. 3B.

ステップS16において、駆動指令部34は、モータ制御回路24に駆動指令を出力する。モータ制御回路24は、モータ16を駆動して試料台13をカンチレバー11に接近させる。また、ステップS17において、Zピエゾ制御回路22は、Zピエゾ15aを初期位置に設定する。 In step S16, the drive command unit 34 outputs a drive command to the motor control circuit 24. The motor control circuit 24 drives the motor 16 to bring the sample table 13 closer to the cantilever 11. Further, in step S17, the Z piezo control circuit 22 sets the Z piezo 15a to the initial position.

ステップS18において、プリスキャンで取得されるデータに基づいて、AFM画像を生成する。ステップS19において、再度画像が存在するか否かを判断し、画像無しの場合には、ステップS15に処理を戻す。モータ16の駆動により、試料台13がカンチレバー11に向けて接近すると、例えば、図4(b)に示すように試料12の表面の凹凸が画像化されてくる。更に、試料台13が最適な位置に達すると、図4(c)に示すように、試料12の表面の凹凸が鮮明に画像化される。 In step S18, an AFM image is generated based on the data acquired by the prescan. In step S19, it is determined whether or not the image exists again, and if there is no image, the process returns to step S15. When the sample table 13 approaches the cantilever 11 by driving the motor 16, for example, the unevenness of the surface of the sample 12 is imaged as shown in FIG. 4 (b). Further, when the sample table 13 reaches the optimum position, the unevenness of the surface of the sample 12 is clearly imaged as shown in FIG. 4 (c).

そして、表面画像が鮮明となり、ステップS19にて画像有りと判断された場合には、ステップS20に処理を進める。ステップS20において、画像生成部33は、X方向の1つのラインに沿ってスキャンしたときの、プロファイルを読み込む。図5は、試料12の表面の一例を示す画像であり、黒い円形部分が凹部を示している。例えば、直線M1に沿ってスキャンしたときのプロファイルを読み込む。 Then, when the surface image becomes clear and it is determined in step S19 that there is an image, the process proceeds to step S20. In step S20, the image generation unit 33 reads the profile when scanning along one line in the X direction. FIG. 5 is an image showing an example of the surface of the sample 12, and the black circular portion indicates the recess. For example, the profile when scanning along the straight line M1 is read.

ステップS21において、プロファイルのXラインの傾斜(Xチルト)がゼロであるか否かを判断する。例えば、図6(a)に示すように、符号k1に示すプロファイルが得られた場合には、各凹凸部分の中心位置が傾斜しており、中心位置を結ぶラインm1が画像の横軸方向に対して傾斜している。このような場合には、Xチルト=0でないと判断する。ステップS22において、Zピエゾ制御回路22は、Xチルト=0となるように、Zピエゾ15aを駆動する。図6(b)に示すように、符号k2に示すプロファイルが得られ、ラインm2が画像の横軸方向に対してほぼ平行となった場合に、Xチルト=0と判断する。 In step S21, it is determined whether or not the inclination (X tilt) of the X line of the profile is zero. For example, as shown in FIG. 6A, when the profile shown by the reference numeral k1 is obtained, the center position of each uneven portion is inclined, and the line m1 connecting the center positions is in the horizontal axis direction of the image. On the other hand, it is inclined. In such a case, it is determined that X tilt = 0. In step S22, the Z piezo control circuit 22 drives the Z piezo 15a so that X tilt = 0. As shown in FIG. 6B, when the profile shown by the reference numeral k2 is obtained and the line m2 is substantially parallel to the horizontal axis direction of the image, it is determined that X tilt = 0.

Xチルト=0である場合には、ステップS23において、プロファイルのYラインの傾斜(Yチルト)がゼロであるか否かを判断する。Yチルト=0でない場合には、ステップS25において、Zピエゾ制御回路22は、Yチルト=0となるように、Zピエゾ15aを駆動する。 When X tilt = 0, in step S23, it is determined whether or not the inclination (Y tilt) of the Y line of the profile is zero. If Y tilt = 0, in step S25, the Z piezo control circuit 22 drives the Z piezo 15a so that Y tilt = 0.

Yチルト=0である場合には、ステップS26において、プリスキャンにより得られるプロファイルに基づいて、再度Xチルト、Yチルトがゼロであるか否かを判断し、ゼロである場合には、ステップS28に処理を進める。ステップS20~S27の処理により、画像の傾斜を補正することができる。 When Y tilt = 0, in step S26, it is determined again whether or not X tilt and Y tilt are zero based on the profile obtained by prescan, and when it is zero, step S28 is determined. Proceed to the process. By the processing of steps S20 to S27, the inclination of the image can be corrected.

ステップS28において、画像生成部33は、取得した画像のXラインプロファイルを読み込む。
ステップS29において、パラメータ設定部32は、制御回路21の積分ゲインを調整する。
In step S28, the image generation unit 33 reads the X-line profile of the acquired image.
In step S29, the parameter setting unit 32 adjusts the integrated gain of the control circuit 21.

ステップS30において、画像解析部35は、プリスキャンにより得られる画像に基づき、凹凸部のエッジの傾き、コントラスト、及び往復プロファイルの比較、の少なくとも一つの要因に基づいて、制御回路21の設定されている積分ゲインが適切な数値であるか否かを判断し、更に、適切でなければ適切な数値となるように、積分ゲインを調整する。以下、詳細に説明する。 In step S30, the image analysis unit 35 is set to the control circuit 21 based on at least one factor of the inclination of the edge of the uneven portion, the contrast, and the comparison of the reciprocating profile based on the image obtained by the prescan. It is determined whether or not the integrated gain is an appropriate value, and if it is not appropriate, the integrated gain is adjusted so that it is an appropriate value. Hereinafter, it will be described in detail.

(凹凸部のエッジの傾き)
例えば、図7(a)に示すように、プリスキャンにより得られる画像がやや不鮮明な場合には、Xライン(画像の横方向のライン)のプロファイルは、図7(c)の符号p2に示すようなエッジ部分で滑らかになる曲線となる。符号R1に示すように、凹凸部のエッジでの曲線p2の立ち上がり、或いは立ち下がりの傾きは、緩やかである。画像解析部35は、このエッジの傾きd1を演算し、この傾きd1が予め設定した閾値dth(第1の閾値)よりも大きいか否かを判断する。d1<dthである場合には、積分ゲインは適切な数値ではない(NG)と判断する。
(Inclination of the edge of the uneven part)
For example, as shown in FIG. 7 (a), when the image obtained by prescan is slightly unclear, the profile of the X line (horizontal line of the image) is shown by reference numeral p2 in FIG. 7 (c). It becomes a curve that becomes smooth at the edge part like this. As shown by reference numeral R1, the slope of the rising edge or the falling edge of the curve p2 at the edge of the uneven portion is gentle. The image analysis unit 35 calculates the inclination d1 of the edge, and determines whether or not the inclination d1 is larger than the preset threshold value dth (first threshold value). When d1 <dth, it is determined that the integrated gain is not an appropriate numerical value (NG).

そして、傾斜d1が大きくなる方向に積分ゲインを変化させ、d1≧dthとなった場合に、積分ゲインが適切な数値になったものと判断する。例えば、傾きd1が大きくなり、図7(c)の符号p1に示す曲線のようになった場合に、積分ゲインが適切であると判断する。この場合、プリスキャンにより得られる画像は、図7(b)に示すように鮮明な画像となる。 Then, the integrated gain is changed in the direction in which the gradient d1 increases, and when d1 ≧ dth, it is determined that the integrated gain has become an appropriate numerical value. For example, when the slope d1 becomes large and the curve shown by the reference numeral p1 in FIG. 7C is obtained, it is determined that the integrated gain is appropriate. In this case, the image obtained by the prescan is a clear image as shown in FIG. 7B.

(コントラスト)
上述した図7(a)のように、画像がやや不鮮明な場合には、Xラインのプロファイルは、凹部と凸部の振幅の差分Q1が小さい(図7(c)参照)。従って、画像化したときのコントラストが低くなる。画像解析部35は、振幅の差分Q1を演算し、差分Q1が予め設定した閾値Qth(第2の閾値)よりも大きいか否かを判断する。Q1<Qthである場合には、積分ゲインは適切な数値ではない(NG)と判断する。
(contrast)
When the image is slightly unclear as in FIG. 7 (a) described above, the X-line profile has a small difference Q1 in amplitude between the concave portion and the convex portion (see FIG. 7 (c)). Therefore, the contrast when imaged is low. The image analysis unit 35 calculates the difference Q1 of the amplitude and determines whether or not the difference Q1 is larger than the preset threshold value Qth (second threshold value). When Q1 <Qth, it is determined that the integrated gain is not an appropriate value (NG).

そして、差分Q1が大きくなる方向に積分ゲインを変化させ、Q1≧Qthとなった場合に、積分ゲインが適切な数値になったものと判断する。例えば、差分Q1が大きくなり、図7(c)の符号p1に示す曲線の振幅になった場合に、積分ゲインが適切であると判断する。 Then, the integrated gain is changed in the direction in which the difference Q1 increases, and when Q1 ≧ Qth, it is determined that the integrated gain has become an appropriate numerical value. For example, when the difference Q1 becomes large and the amplitude of the curve shown by the reference numeral p1 in FIG. 7C is obtained, it is determined that the integrated gain is appropriate.

(往復プロファイルの比較)
前述したように、カンチレバー11で試料12をスキャンする際には、試料台13をXY平面上で、X方向にジグザグにスキャンする。この場合、X軸方向の往路と復路では、若干Y方向に変位しているものの、ほぼ同一のXラインをスキャンすることになるので、往路と復路でプロファイルに大きな差はないはずである。従って、往路と復路のプロファイルを取得し、これらを比較することにより、積分ゲインが適切であるか否かを判断する。
(Comparison of round-trip profiles)
As described above, when scanning the sample 12 with the cantilever 11, the sample table 13 is scanned in a zigzag manner in the X direction on the XY plane. In this case, although the outbound and inbound routes in the X-axis direction are slightly displaced in the Y direction, almost the same X-line is scanned, so there should be no significant difference in profile between the outbound and inbound routes. Therefore, by acquiring the outbound and inbound profiles and comparing them, it is determined whether or not the integrated gain is appropriate.

図8(a)は、符号q1が往路のプロファイルの一例を示し、符号Q2が復路のプロファイルの一例を示している。図8(a)から明らかなように、曲線q1とq2との間には大きなずれが生じている。このような場合には、曲線q1とq2が一致、或いはほぼ一致するように積分ゲインを調整する。そして、図8(b)に示すように、曲線q1とq2の差分がほぼゼロとなった場合に、積分ゲインが適切であると判断する。判断方法は、一例として、往路のプロファイルと復路のプロファイルの一致度を相関係数等を演算して算出し、一致度が予め設定した第3の閾値よりも大きい場合に、往路のプロファイルと復路のプロファイルが一致していると判断する。
なお、上述したように、凹凸部のエッジの傾き、コントラスト、往復プロファイルの比較を全て行う必要はなく、これらのうちの少なくとも一つを実施することにより、積分ゲインを設定することができる。
In FIG. 8A, reference numeral q1 shows an example of an outward profile, and reference numeral Q2 shows an example of a return profile. As is clear from FIG. 8A, there is a large deviation between the curves q1 and q2. In such a case, the integrated gain is adjusted so that the curves q1 and q2 match or almost match. Then, as shown in FIG. 8B, when the difference between the curves q1 and q2 becomes almost zero, it is determined that the integrated gain is appropriate. As an example, the determination method is to calculate the degree of matching between the outbound profile and the inbound profile by calculating a correlation coefficient or the like, and when the degree of matching is larger than a preset third threshold value, the outbound profile and the inbound profile are determined. Judge that the profiles of are matched.
As described above, it is not necessary to compare the inclination of the edge of the uneven portion, the contrast, and the reciprocating profile, and the integrated gain can be set by performing at least one of these.

そして、図3BのステップS31では、上述した方法により積分ゲインが適切であると判断された場合には、「OK」であると判断して、ステップS32に処理を進める。
ステップS32において、画像生成部33は、プリスキャンにより得られるデータからAFM画像を生成する。ステップS33において、生成したAFM画像が鮮明な画像であるか否かを判断し、鮮明な画像が得られた場合には、積分ゲインの設定を終了し、本スキャンの実施に移行する(ステップS34)。
Then, in step S31 of FIG. 3B, when it is determined that the integrated gain is appropriate by the above-mentioned method, it is determined that it is “OK”, and the process proceeds to step S32.
In step S32, the image generation unit 33 generates an AFM image from the data obtained by the prescan. In step S33, it is determined whether or not the generated AFM image is a clear image, and if a clear image is obtained, the setting of the integrated gain is terminated and the operation proceeds to the main scan (step S34). ).

こうして、試料12の測定を開始する前の、制御回路21で設定する積分ゲイン(制御パラメータ)を自動設定することができるのである。 In this way, the integral gain (control parameter) set by the control circuit 21 before starting the measurement of the sample 12 can be automatically set.

このようにして、本実施形態に係る原子間力顕微鏡100では、以下に示す効果を達成することができる。
(1)
試料の測定時にプリスキャンを実行し、試料表面の凹凸データに基づいて制御回路21の制御パラメータ(例えば、PID制御の積分ゲイン)を自動で設定する。従って、操作者の熟練度に関係なく、制御パラメータを設定できるので、短時間で制御パラメータを最適に設定することが可能となる。
In this way, the atomic force microscope 100 according to the present embodiment can achieve the following effects.
(1)
A prescan is executed at the time of measuring the sample, and the control parameter of the control circuit 21 (for example, the integrated gain of PID control) is automatically set based on the unevenness data of the sample surface. Therefore, since the control parameters can be set regardless of the skill level of the operator, the control parameters can be optimally set in a short time.

(2)
試料表面をプリスキャンして得られるデータからX方向のプロファイルを生成し、更に、制御回路21の制御パラメータを調整し、プロファイルから得られるエッジの傾きが閾値dth(第1の閾値)を上回ったときの制御パラメータを求め、これを制御パラメータに設定する。凹凸部のエッジの傾きが大きいということは、画像が鮮明に表示されているということであり、制御パラメータを好適な数値に設定することが可能となる。従って、操作者の熟練度に関係なく、制御パラメータを短時間で且つ好適に設定することが可能となる。
(2)
A profile in the X direction was generated from the data obtained by prescanning the sample surface, and further, the control parameters of the control circuit 21 were adjusted, and the slope of the edge obtained from the profile exceeded the threshold value dth (first threshold value). Obtain the control parameter of the time and set this as the control parameter. The large inclination of the edge of the uneven portion means that the image is clearly displayed, and it is possible to set the control parameter to an appropriate numerical value. Therefore, it is possible to appropriately set the control parameters in a short time regardless of the skill level of the operator.

(3)
試料表面をプリスキャンして得られるデータからX方向のプロファイルを生成し、更に、制御回路21の制御パラメータを調整し、プロファイルから得られる凹凸部の振幅の差分Q1が閾値Qth(第2の閾値)を上回ったときの制御パラメータを求め、これを制御パラメータに設定する。凹凸部の振幅の差分が大きいということは、画像のコントラストが大きく、鮮明に表示されているということであり、制御パラメータを好適な数値に設定することが可能となる。従って、操作者の熟練度に関係なく、制御パラメータを短時間で且つ好適に設定することが可能となる。
(3)
A profile in the X direction is generated from the data obtained by prescanning the sample surface, the control parameters of the control circuit 21 are adjusted, and the difference Q1 in the amplitude of the uneven portion obtained from the profile is the threshold value Qth (second threshold value). ) Is obtained, and this is set as the control parameter. The fact that the difference in the amplitude of the uneven portion is large means that the contrast of the image is large and the image is clearly displayed, and it is possible to set the control parameter to an appropriate numerical value. Therefore, it is possible to appropriately set the control parameters in a short time regardless of the skill level of the operator.

(4)
試料表面をプリスキャンして得られるデータからX方向の、一往復のプロファイルを生成し、更に、制御回路21の制御パラメータを調整し、往路のプロファイルと復路のプロファイルの一致度が高い(第3の閾値よりも大きい)場合に、このときの制御パラメータを求め、これを制御パラメータとして設定する。往路と復路でプロファイルが一致しているということは、正確にスキャンが行われてプロファイルが取得されているということであり、制御パラメータを好適な数値に設定することが可能となる。従って、操作者の熟練度に関係なく、制御パラメータを短時間で且つ好適に設定することが可能となる。
(4)
From the data obtained by prescanning the sample surface, a one-way profile in the X direction is generated, and the control parameters of the control circuit 21 are adjusted, so that the outbound profile and the inbound profile have a high degree of agreement (third). If it is larger than the threshold value of), the control parameter at this time is obtained and set as the control parameter. The fact that the profiles match on the outward trip and the return trip means that the scan has been performed accurately and the profile has been acquired, and it is possible to set the control parameters to appropriate numerical values. Therefore, it is possible to appropriately set the control parameters in a short time regardless of the skill level of the operator.

以上、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 Although embodiments of the present invention have been described above, the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. This disclosure will reveal to those skilled in the art various alternative embodiments, examples and operational techniques.

11 カンチレバー
11a 探針
12 試料
13 試料台
15 スキャナ
15a Zピエゾ(Z方向スキャナ)
15b XYピエゾ
16 モータ
17 レーザダイオード
18 フォトダイオード
18a、18b フォトディテクタ
19 差動増幅器
20 振幅検出器
21 制御回路
21a 演算部
22 Zピエゾ制御回路
23 XYピエゾ制御回路
24 モータ制御回路
30 コントローラ
31 目標電圧出力部
32 パラメータ設定部
33 画像生成部
34 駆動指令部
35 画像解析部
100 原子間力顕微鏡
11 Cantilever 11a Probe 12 Sample 13 Sample stand 15 Scanner 15a Z Piezo (Z direction scanner)
15b XY piezo 16 motor 17 laser diode 18 photodiode 18a, 18b photodetector 19 differential amplifier 20 amplitude detector 21 control circuit 21a arithmetic unit 22 Z piezo control circuit 23 XY piezo control circuit 24 motor control circuit 30 controller 31 target voltage output unit 32 Parameter setting unit 33 Image generation unit 34 Drive command unit 35 Image analysis unit 100 Atomic force microscope

Claims (4)

試料台に載置した試料にカンチレバーを接触させ、前記カンチレバーのたわみ量が一定となるように前記試料をスキャンして前記試料の表面形状を検出する原子間力顕微鏡において、
前記試料台を前記カンチレバーのたわみ方向に変位させるZ方向スキャナと、
前記Z方向スキャナの変位を制御する制御回路と、
前記制御回路の制御パラメータを設定するパラメータ設定部と、
を有し、
前記パラメータ設定部は、前記試料をスキャンして前記試料表面の凹凸データを取得し、前記制御パラメータを調整して前記凹凸データのエッジの傾きが予め設定した第1の閾値よりも大きくなったときの制御パラメータを、制御パラメータとして設定すること
を特徴とする原子間力顕微鏡。
In an atomic force microscope in which a cantilever is brought into contact with a sample placed on a sample table and the sample is scanned so that the amount of deflection of the cantilever is constant to detect the surface shape of the sample.
A Z-direction scanner that displaces the sample table in the deflection direction of the cantilever, and
A control circuit that controls the displacement of the Z-direction scanner,
A parameter setting unit that sets the control parameters of the control circuit,
Have,
When the parameter setting unit scans the sample to acquire unevenness data on the surface of the sample and adjusts the control parameters so that the inclination of the edge of the unevenness data becomes larger than a preset first threshold value. To set the control parameter of
Atomic force microscope featuring.
試料台に載置した試料にカンチレバーを接触させ、前記カンチレバーのたわみ量が一定となるように前記試料をスキャンして前記試料の表面形状を検出する原子間力顕微鏡において、
前記試料台を前記カンチレバーのたわみ方向に変位させるZ方向スキャナと、
前記Z方向スキャナの変位を制御する制御回路と、
前記制御回路の制御パラメータを設定するパラメータ設定部と、
を有し、
前記パラメータ設定部は、前記試料をスキャンして得られる前記試料表面の凹凸データを取得し、前記制御パラメータを調整して前記凹凸データの振幅が予め設定した第2の閾値よりも大きくなったときの制御パラメータを、制御パラメータとして設定すること
を特徴とする原子間力顕微鏡。
In an atomic force microscope in which a cantilever is brought into contact with a sample placed on a sample table and the sample is scanned so that the amount of deflection of the cantilever is constant to detect the surface shape of the sample.
A Z-direction scanner that displaces the sample table in the deflection direction of the cantilever, and
A control circuit that controls the displacement of the Z-direction scanner,
A parameter setting unit that sets the control parameters of the control circuit,
Have,
When the parameter setting unit acquires unevenness data on the surface of the sample obtained by scanning the sample and adjusts the control parameters so that the amplitude of the unevenness data becomes larger than a preset second threshold value. To set the control parameter of
Atomic force microscope featuring .
前記パラメータ設定部は、前記制御パラメータを調整し、前記試料を前記カンチレバーのたわみ方向と直交する平面上の第1の方向にスキャンしたときの往路と復路のプロファイルの一致度を測定し、一致度が予め設定した第3の閾値よりも大きくなったときの制御パラメータを、制御パラメータとして設定すること
を特徴とする請求項1または2に記載の原子間力顕微鏡。
The parameter setting unit adjusts the control parameters , measures the degree of agreement between the outbound and inbound profiles when the sample is scanned in the first direction on a plane orthogonal to the deflection direction of the cantilever, and the degree of agreement. To set the control parameter when becomes larger than the preset third threshold value as the control parameter.
The atomic force microscope according to claim 1 or 2.
前記制御回路は、PID回路であり、前記制御パラメータは、積分ゲインであること
を特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の原子間力顕微鏡。
The atomic force microscope according to any one of claims 1 to 3 , wherein the control circuit is a PID circuit, and the control parameter is an integral gain .
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