JPH06180227A - Scanning probe microscope apparatus - Google Patents

Scanning probe microscope apparatus

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JPH06180227A
JPH06180227A JP33305492A JP33305492A JPH06180227A JP H06180227 A JPH06180227 A JP H06180227A JP 33305492 A JP33305492 A JP 33305492A JP 33305492 A JP33305492 A JP 33305492A JP H06180227 A JPH06180227 A JP H06180227A
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JP
Japan
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scanning
sample
probe
cantilever
signal
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Withdrawn
Application number
JP33305492A
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Japanese (ja)
Inventor
Akitoshi Toda
明敏 戸田
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH06180227A publication Critical patent/JPH06180227A/en
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Abstract

PURPOSE:To achieve that a shape which is closer to an actual surface shape is displayed with high definition by a method wherein the influence of a frictional force is reduced and the problem of the hysteresis in the up-and-down direction of a piezoelectric body is eliminated. CONSTITUTION:On the basis of a signal from a cantilever displacement- measuring sensor 1, a piezoelectric-body tube scanner 4 is driven. A signal for X-Y scanning is input to a tube-scanner X-Y-Z drive circuit 10 from a computer 14, and the piezoelectric-body tube scanner 4 is scanned in the X-, Y- and Z-directions. When the scanner searches a measuring point, a Z-direction modulation control circuit 12 drives the piezoelectric-body tube scanner 4 by a Z-direction modulation drive circuit 11 in such a way that a sample is moved up and down according to a modulation signal. Then, the position in the Z- direction of a cantilever in its driving position is measured by the cantilever displacement-measuring sensor 1, and its signal is sent to, and processed by, the computer 14. By repeating this operation, data is taken into, and an AFM image is displayed on a monitor 15.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば原子間力顕微鏡
等、試料を原子サイズオーダーの精度で観察することが
できる走査型プローブ顕微鏡装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope apparatus such as an atomic force microscope capable of observing a sample with an accuracy of atomic size order.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、走査トンネル顕微鏡(STM;Scannin
g Tunnering Microscope) 装置に関する技術分野では、
測定できない絶縁性の試料を原子サイズオーダーの精度
で観察することができる顕微鏡として、原子間力顕微鏡
(AFM;Atomic Force Microscope) 装置に関する技術が特
開昭62−130302号公報により提案されている。
このAFM装置は走査型プローブ顕微鏡の一つとして位
置づけられ、当該AFM装置では、自由端に鋭い突起部
分、即ち探針部を持つカンチレバーを試料に対抗、近接
してあり、探針の先端の原子と試料原子との間に働く相
互作用力により変位するカンチレバーの動きを電気的あ
るいは光学的にとらえて測定しつつ、試料をX−Y方向
に走査し、カンチレバーの探針部との位置関係を相対的
に変化させることによって、試料の凹凸情報などを原子
サイズオーダーで三次元的にとらえることができる。こ
こで、このAFM装置について図6の概念図を参照して
詳細に説明する。
2. Description of the Related Art Conventionally, a scanning tunneling microscope (STM;
g Tunnering Microscope) In the technical field of equipment,
An atomic force microscope is a microscope that can observe insulative samples that cannot be measured with the accuracy of the atomic size order.
A technique relating to an (AFM; Atomic Force Microscope) device is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 62-130302.
This AFM device is positioned as one of the scanning probe microscopes, and in this AFM device, a cantilever having a sharp protruding portion at the free end, that is, a probe portion is opposed to and close to the sample, and the atom at the tip of the probe is located. The movement of the cantilever that is displaced by the interaction force acting between the sample and the sample atom is measured electrically or optically, and the sample is scanned in the XY direction to determine the positional relationship between the cantilever and the probe. By relatively changing, it is possible to three-dimensionally capture the unevenness information of the sample in the atomic size order. Here, this AFM device will be described in detail with reference to the conceptual diagram of FIG.

【0003】同図に示すように、ベース109に固定さ
れたXYZ走査用の圧電体チューブスキャナ101の上
に測定試料108を置き、カンチレバー103の先端に
ある探針104を試料108に極めて近付けるように配
置してある。そして、半導体レーザ105とレンズ10
6と二分割フォトダイオード107及びカンチレバー1
03の背面を使って、光てこ方式と呼ばれるカンチレバ
ーの変位測定用光学センサを形成している。
As shown in the figure, the sample 108 to be measured is placed on the piezoelectric tube scanner 101 for XYZ scanning fixed to the base 109, and the probe 104 at the tip of the cantilever 103 is brought very close to the sample 108. It is located at. Then, the semiconductor laser 105 and the lens 10
6, a two-divided photodiode 107, and a cantilever 1
An optical sensor for measuring displacement of a cantilever called an optical lever method is formed using the back surface of 03.

【0004】そして、このAFM装置での測定法として
は、「コンタクトモード」と「ノンコンタクトモード」
に関する技術が提案されているが、現在、最も広く用い
られている測定法は「コンタクトモード」である。そし
て、この「コンタクトモード」では、探針104の先端
と試料108間に斥力が働く状態、即ち両者がほぼ接触
する領域でAFM信号を取り込むため、高い横方向分解
能が得られている。
The measuring method in this AFM apparatus is "contact mode" and "non-contact mode".
Although a technique related to the above has been proposed, the most widely used measurement method at present is the “contact mode”. In this “contact mode”, the AFM signal is captured in a state where a repulsive force acts between the tip of the probe 104 and the sample 108, that is, in a region where the two are almost in contact with each other, so that high lateral resolution is obtained.

【0005】さらに、走査型プローブ顕微鏡装置では、
一般に圧電体を用いて探針と試料との位置関係をXYZ
方向に制御し、変化させることにより、極めて高い分解
能を実現している。
Further, in the scanning probe microscope apparatus,
Generally, a piezoelectric body is used to determine the positional relationship between the probe and the sample by XYZ.
By controlling and changing the direction, extremely high resolution is realized.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
「コンタクトモード」で測定する場合、カンチレバー先
端の探針には複数の力が作用するため、AFM装置で測
定した時の像と、他の例えばSTM装置などの走査型プ
ローブ顕微鏡で測定した時の像とに差が生じてしまう。
そして、上記「コンタクトモード」で動作させる走査型
プローブ顕微鏡では、カンチレバーチップ102を固定
した状態で圧電体チューブスキャナ101を図中Sの方
向に動かすと、プローブが試料に接触しているため、探
針104の先端部には、試料より斥力として受ける法線
方向に働く力Aと共に、走査を行っているために試料と
の摩擦による摩擦力Bが横方向、即ち試料面方向に作用
し、試料も探針より力Cを受ける。そして、上記摩擦力
が前述したような不具合な現象を引き起こす主な原因と
なっている。
However, when measuring in the above-mentioned "contact mode", a plurality of forces act on the probe at the tip of the cantilever, and therefore, the image when measured by the AFM device and other images such as STM. There is a difference in the image when measured with a scanning probe microscope such as an apparatus.
In the scanning probe microscope operated in the “contact mode”, when the piezoelectric tube scanner 101 is moved in the direction of S in the figure with the cantilever tip 102 fixed, the probe is in contact with the sample. At the tip of the needle 104, along with a force A acting as a repulsive force from the sample in the normal direction, a frictional force B due to friction with the sample acts in the lateral direction, that is, the sample surface direction because the scanning is performed, Also receives a force C from the probe. The frictional force is the main cause of the above-mentioned inconvenient phenomenon.

【0007】さらに、走査型プローブ顕微鏡装置におい
て用いられる圧電体は、ヒステリシスの問題を有してい
る。即ち、この圧電体のヒステリシスカーブは図7
(a)に示す通りであり、Z方向のヒステリシスについ
ては2段ステップのグレーティング用の試料を測定する
時、探針と試料間の相互作用力が一定となるようにサー
ボコントロールをかけながら、その溝に直交するように
探針を走査しデータを取り込むと、圧電体のヒステリシ
スのために、本来同じ高さであるはずの溝の両側があた
かも違った高さであるように表現されてしまうといった
問題を発生する。
Further, the piezoelectric body used in the scanning probe microscope apparatus has a problem of hysteresis. That is, the hysteresis curve of this piezoelectric body is shown in FIG.
As shown in (a), regarding the hysteresis in the Z direction, when measuring a sample for a two-step grating, while performing servo control so that the interaction force between the probe and the sample becomes constant, When the probe is scanned so that it is orthogonal to the groove and the data is taken in, due to the hysteresis of the piezoelectric body, it appears that both sides of the groove, which should have been the same height, have different heights. Cause a problem.

【0008】つまり、図7(c)は、図7(b)の試料
を測定したときのAFM像の高さプロファイルである
が、本来、同じ高さであるはずの段差S1とS3とにお
いて、S3の方が高く表現されてしまうといった不具合
が生じてしまう。
That is, FIG. 7C shows the height profile of the AFM image when the sample of FIG. 7B is measured, but at the steps S1 and S3 which should originally have the same height, There is a problem that S3 is expressed higher.

【0009】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、摩擦力の影響を軽減し、
圧電体の上下方向のヒステリシスの問題を解決すること
で、より実際の表面形状に近い形を高精度に表示するこ
とにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to reduce the influence of frictional force,
By solving the problem of hysteresis in the vertical direction of the piezoelectric body, it is possible to display a shape closer to the actual surface shape with high accuracy.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の走査型プローブ顕微鏡装置では、カンチレ
バー先端の探針部と測定試料表面を近接もしくはほぼ接
触状態におき、両者を相対的にXY方向に走査しつつ、
両者間に働く相互作用力に応じて変位するカンチレバー
の変位信号、或いはその変位もしくは探針の試料への接
触圧を一定に保つようにするためのZ方向サーボ制御信
号を画像処理装置に取り込み、走査部位各位置における
該変位量をマッピングする走査型プローブ顕微鏡装置に
おいて、あらかじめ設定された測定試料表面上の所定位
置において、XY走査方向に対して垂直方向であるZ方
向にも上記探針部と試料との相対的位置関係を振動変化
させるZ方向振動制御手段と、上記走査部位各位置にお
けるフォースカーブ信号に基づいて、各位置における探
針部と試料間に働く相互作用力が一定の状態になったと
きの上記Z方向サーボ制御信号を上記カンチレバー先端
の探針部の変位情報としてモニタするモニタ手段とを具
備することを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the scanning probe microscope apparatus of the present invention, the probe portion at the tip of the cantilever and the surface of the sample to be measured are brought into close proximity or substantially in contact with each other, and both are relatively placed. While scanning in XY direction,
The displacement signal of the cantilever which is displaced according to the interaction force acting between the two, or the Z direction servo control signal for keeping the displacement or the contact pressure of the probe on the sample constant, is taken into the image processing device, In a scanning probe microscope apparatus that maps the displacement amount at each position of a scanning region, at the predetermined position on the surface of a measurement sample that is set in advance, the probe portion is provided in the Z direction which is a direction perpendicular to the XY scanning direction. Based on the Z-direction vibration control means that vibrates and changes the relative positional relationship with the sample, and the force curve signal at each position of the scanning region, the interaction force acting between the probe part and the sample at each position becomes constant. And a monitor means for monitoring the Z-direction servo control signal as the displacement information of the probe at the tip of the cantilever. To.

【0011】[0011]

【作用】即ち、本発明の走査型プローブ顕微鏡装置は、
Z方向振動制御手段があらかじめ設定された測定試料表
面上の所定位置において、XY走査方向に対して垂直方
向であるZ方向にも上記探針部と試料との相対的位置関
係を振動変化させ、モニタ手段が上記走査部位各位置に
おけるフォースカーブ信号に基づいて、各位置における
探針部と試料間に働く相互作用力が一定の状態になった
ときの上記Z方向サーボ制御信号を上記カンチレバー先
端の探針部の変位情報としてモニタする。
That is, the scanning probe microscope apparatus of the present invention is
The Z-direction vibration control means vibrates and changes the relative positional relationship between the probe portion and the sample in the Z direction, which is a direction perpendicular to the XY scanning directions, at a predetermined position on the surface of the measurement sample that is preset. Based on the force curve signal at each position of the scanning region, the monitor means outputs the Z direction servo control signal when the interaction force acting between the probe portion and the sample at each position becomes constant to the tip of the cantilever. The displacement information of the probe is monitored.

【0012】[0012]

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0013】図1は、本発明の一実施例に係る走査型プ
ローブ顕微鏡装置の構成を示す図である。本実施例は、
データを取り込む点において、横方向にかかる力を逃す
ように試料面上下方向に探針を動かし、データをポイン
ト・バイ・ポイントで取り込むものである。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a scanning probe microscope apparatus according to an embodiment of the present invention. In this example,
At the point of data acquisition, the probe is moved vertically in the sample surface so that the force applied in the lateral direction is released, and the data is acquired point by point.

【0014】同図に示すように、本実施例に係る走査型
プローブ顕微鏡装置では、カンチレバー変位測定センサ
1と、カンチレバー2、圧電体チューブスキャナ4、Z
方向粗動ステージ7とが、顕微鏡筐体8に一体に配設さ
れている。そして、上記カンチレバー変位測定センサ1
は走査制御回路13に接続されており、該走査制御回路
13は、Z方向モジュレーション制御回路12及びサー
ボコントロール回路9に接続されている。
As shown in the figure, in the scanning probe microscope apparatus according to the present embodiment, a cantilever displacement measuring sensor 1, a cantilever 2, a piezoelectric tube scanner 4, and Z.
The direction coarse movement stage 7 and the microscope casing 8 are integrally provided. Then, the cantilever displacement measuring sensor 1
Is connected to the scanning control circuit 13, and the scanning control circuit 13 is connected to the Z direction modulation control circuit 12 and the servo control circuit 9.

【0015】さらに、上記Z方向モジュレーション制御
回路12は、Z方向モジュレーション駆動回路11を介
して圧電体チューブスキャナ4の駆動電極5に接続され
ており、上記サーボコントロール回路9は、XYZ駆動
回路10を介して駆動電極6に接続されている。そし
て、上記サーボコントロール回路9,Z方向モジュレー
ション制御回路12は、それぞれコンピュータ14に接
続されており、当該コンピュータ14は、表示用のモニ
タ15と走査制御回路13、XYZ駆動回路10に接続
されている。
Further, the Z-direction modulation control circuit 12 is connected to the drive electrode 5 of the piezoelectric tube scanner 4 through the Z-direction modulation drive circuit 11, and the servo control circuit 9 connects the XYZ drive circuit 10. It is connected to the drive electrode 6 through. The servo control circuit 9 and the Z-direction modulation control circuit 12 are each connected to a computer 14, and the computer 14 is connected to a display monitor 15, a scan control circuit 13, and an XYZ drive circuit 10. .

【0016】このような構成において、所定の測定点間
を走査する間、カンチレバー変位測定センサ1からの信
号は、走査制御回路13を介してサーボコントロール回
路9へ入力し、チューブスキャナXYZ駆動回路10を
介して圧電体チューブスキャナ4をZ方向に駆動する。
そして、XY走査用の基信号はコンピュータ14より出
力されると、チューブスキャナXYZ駆動回路10へ入
力され、圧電体チューブスキャナ4をXY方向に走査す
る。
In such a configuration, during scanning between predetermined measuring points, the signal from the cantilever displacement measuring sensor 1 is input to the servo control circuit 9 via the scanning control circuit 13, and the tube scanner XYZ drive circuit 10 is supplied. The piezoelectric tube scanner 4 is driven in the Z direction via.
When the basic signal for XY scanning is output from the computer 14, it is input to the tube scanner XYZ drive circuit 10 to scan the piezoelectric tube scanner 4 in the XY directions.

【0017】さらに、測定点に達したタイミングはコン
ピュータ14から走査制御回路13へと伝えられ、XY
方向の走査はその位置を保つようにして停止しつつ、信
号の流れを次のように切り換える。即ち、測定点に達す
ると、カンチレバー変位測定センサ1からの信号は、そ
れまでに走査制御回路13においてサーボコントロール
回路9側へ接続されていたところをZ方向モジュレーシ
ョン制御回路12へと流れるように切り替えられる。
Further, the timing at which the measurement point is reached is transmitted from the computer 14 to the scan control circuit 13, and XY
The scanning of the direction is stopped while maintaining its position, and the signal flow is switched as follows. That is, when the measuring point is reached, the signal from the cantilever displacement measuring sensor 1 is switched so as to flow to the Z-direction modulation control circuit 12 where it was previously connected to the servo control circuit 9 side in the scanning control circuit 13. To be

【0018】そして、このZ方向モジュレーション制御
回路12には、不図示のモジュレーション信号発生回路
とデータ取り込み点判定回路が組み込んであり、データ
取り込み終了の判定がなされるまでは、モジュレーショ
ン信号に応じて試料を上下させるようにZ方向モジュレ
ーション駆動回路11により圧電体チューブスキャナ4
をZ方向に駆動する。この時、上記データ取り込み点判
定回路としては、例えばフォースカーブ信号を微分して
信号立上がり検出を行うなどの回路が使われる。
The Z-direction modulation control circuit 12 incorporates a modulation signal generation circuit and a data acquisition point determination circuit, which are not shown, and the sample is output in accordance with the modulation signal until the end of the data acquisition is determined. The piezoelectric tube scanner 4 is driven by the Z direction modulation drive circuit 11 so as to move up and down.
Are driven in the Z direction. At this time, as the data acquisition point determination circuit, for example, a circuit for differentiating the force curve signal to detect a signal rise is used.

【0019】こうして、データ取り込み点判定が行われ
ると、その位置でのカンチレバーのZ方向の変位又は位
置をカンチレバー変位測定センサ1により測定し、その
信号はサーボコントロールに使用されることなく、コン
ピュータ14へと送られ、画像を構成すべく処理され
る。この走査が終了した後は、再び、コンピュータ14
からの信号に基づき、走査制御回路13は前回サーボコ
ントロールを切る直前の状態まで復帰させXY走査およ
びサーボコントロールを開始するように切り替える。以
上の動作を繰り返して、データの取り込みを行い最終的
にはモニタ15上にAFM像を表示する。次に、本実施
例の走査型プローブ顕微鏡の探針の先端の動作について
更に詳細に説明する。先ず、図面を参照して、第1の測
定動作について説明する。図2(b)は、本実施例によ
り測定を行ったときの試料3の表面に対する探針16の
先端の動きの軌跡S2を示す図である。
When the data acquisition point is determined in this way, the displacement or position of the cantilever in the Z direction at that position is measured by the cantilever displacement measuring sensor 1, and the signal is not used for servo control, but the computer 14 And processed to construct an image. After this scanning is completed, the computer 14 is again activated.
Based on the signal from, the scan control circuit 13 returns to the state immediately before the previous servo control is turned off, and switches to start XY scanning and servo control. The above operation is repeated to capture the data and finally display the AFM image on the monitor 15. Next, the operation of the tip of the probe of the scanning probe microscope of this embodiment will be described in more detail. First, the first measurement operation will be described with reference to the drawings. FIG. 2B is a diagram showing a trajectory S2 of the movement of the tip of the probe 16 with respect to the surface of the sample 3 when the measurement is performed according to the present embodiment.

【0020】比較のために図2(a)に示した従来の走
査型プローブ顕微鏡の探針の動きの軌跡S1と比べても
明らかなように、探針16の動作は、測定の初期におい
て試料にアプローチ/コンタクトした探針16が、測定
の開始と共に試料形状をトレースするように横方向に向
かって走査される。この時、探針16が試料3に接触す
る接触圧あるいは針圧が一定となるようにサーボ回路に
よりフィードバックサーボをかける。即ち、探針16が
ついているカンチレバーの変位を光学的変位測定手段な
どを用いて測定し、その信号が一定になるように試料台
などを上下させる。そして、第1の測定点a1に来たと
き、探針の横方向への走査を止め、針圧を一定にするた
めのフィードバックサーボも止め、その後、探針16ま
たは試料3を走査方向と垂直に上下させる。即ち、測定
点a1においてフォースカーブを取る。このフォースカ
ーブは、探針16または試料3を上下させた時の探針1
6と試料表面間の距離に対するカンチレバー2の変位測
定手段から得られるカンチレバー2のたわみの信号を示
し、図3(a),(b)には液体中で測定した典型的な
フォースカーブを、図3(c),(d)には大気中で測
定した典型的なフォースカーブをそれぞれ示す。尚、縦
軸はカンチレバーの変位量、横軸はカンチレバーと試料
間距離を調節するアクチュエータの変位量である。
As is clear from comparison with the locus S1 of the movement of the probe of the conventional scanning probe microscope shown in FIG. 2A for comparison, the operation of the probe 16 at the initial stage of measurement is The probe 16 approaching / contacting with is scanned laterally so as to trace the sample shape with the start of measurement. At this time, feedback servo is applied by the servo circuit so that the contact pressure or the needle pressure at which the probe 16 contacts the sample 3 becomes constant. That is, the displacement of the cantilever with the probe 16 is measured by using an optical displacement measuring means or the like, and the sample table or the like is moved up and down so that the signal becomes constant. Then, when the first measurement point a1 is reached, the scanning of the probe in the lateral direction is stopped and the feedback servo for keeping the stylus pressure constant is also stopped, and then the probe 16 or the sample 3 is perpendicular to the scanning direction. Up and down. That is, the force curve is taken at the measurement point a1. This force curve is obtained when the probe 16 or the sample 3 is moved up and down.
6 shows the deflection signal of the cantilever 2 obtained from the displacement measuring means of the cantilever 2 with respect to the distance between 6 and the sample surface, and FIGS. 3 (a) and 3 (b) show typical force curves measured in a liquid. 3 (c) and 3 (d) show typical force curves measured in the atmosphere. The vertical axis represents the amount of displacement of the cantilever, and the horizontal axis represents the amount of displacement of the actuator that adjusts the distance between the cantilever and the sample.

【0021】この図3において、“2”で示すフォース
カーブの屈曲点における圧電体チューブスキャナへの印
加電圧信号をコンピュータ15へ取り込む。尚、屈曲点
の検出は、フォースカーブ信号を微分回路に通すことに
より簡単に行うことができる。又、圧電体チューブスキ
ャナへの印加電圧信号の取り込み点は図中、“2”と
“3”との間に設定すれば、所定の接触圧におけるデー
タを取ることになり、設定は必ずしも“2”の点である
必要はない。原子間力顕微鏡と呼ばれる装置において
は、この接触圧は10-6〜10-11 N程度に設定され
る。こうして、この検出が終わると、再びフィードバッ
クサーボをかけ、針圧を一定にして次のデータの取り込
み点である図2(b)のa2まで走査を行う。
In FIG. 3, a voltage signal applied to the piezoelectric tube scanner at the bending point of the force curve indicated by "2" is taken into the computer 15. The detection of the bending point can be easily performed by passing the force curve signal through the differentiating circuit. Further, if the point of taking in the voltage signal applied to the piezoelectric tube scanner is set between "2" and "3" in the figure, data at a predetermined contact pressure will be taken, and the setting is not necessarily "2". It doesn't have to be a point. In an apparatus called an atomic force microscope, this contact pressure is 10 -6 to 10 -11. It is set to about N. In this way, when this detection is completed, feedback servo is applied again, the stylus pressure is made constant, and scanning is performed up to a2 in FIG.

【0022】そして、新しいデータ取り込み点a2まで
きたところで、同様に探針16の走査を止め、フィード
バックサーボも止め、探針16または試料3を走査方向
と垂直に上下させてデータを取り込む。そして、更に次
の測定点a3まで移動し、以上の動作を繰り返す。尚、
この時の探針先端の軌跡は図2(c)に示す通りであ
る。
Then, when reaching the new data acquisition point a2, similarly, the scanning of the probe 16 is stopped, the feedback servo is also stopped, and the probe 16 or the sample 3 is vertically moved up and down to acquire the data. Then, it moves to the next measurement point a3 and repeats the above operation. still,
The locus of the tip of the probe at this time is as shown in FIG.

【0023】そして、例えば1ラインのデータを128
点で表現する場合には、1ライン当たり128回これを
繰り返し、X−Yラスタースキャン用に走査して128
×128点のデータを取り込んで、コンピュータ14の
画面上で画像化する。このように、第1の測定動作で
は、各点における摩擦力の影響は無くなり、より実際の
試料表面に近い形状を画像にすることができる。尚、こ
の第1の測定動作の他にも、種々の測定動作が考えられ
る。
Then, for example, the data of one line is 128
In the case of expressing with points, this is repeated 128 times per line, and scanning is performed for XY raster scanning to 128 times.
Data of x128 points is taken in and imaged on the screen of the computer 14. As described above, in the first measurement operation, the influence of the frictional force at each point is eliminated, and the shape closer to the actual sample surface can be imaged. In addition to the first measurement operation, various measurement operations can be considered.

【0024】例えば、図2(d)に示すように、測定点
間もフィードバックサーボをかけずに、次の測定点まで
走査し、測定点においては、Z方向に上下させる方法が
考えられる。この場合、図2(d)で示す軌跡に更にカ
ンチレバーの共振周波数近傍の高い周波数成分を重畳さ
せても良い(図2(e))。その時の高い周波数成分の
振幅は試料から離れた位置で1nmから500nm程度
が好ましい。
For example, as shown in FIG. 2D, a method may be considered in which feedback servo is not applied between measurement points and scanning is performed up to the next measurement point and the measurement point is moved up and down in the Z direction. In this case, a high frequency component near the resonance frequency of the cantilever may be further superimposed on the locus shown in FIG. 2 (d) (FIG. 2 (e)). The amplitude of the high frequency component at that time is preferably about 1 nm to 500 nm at a position away from the sample.

【0025】あるいは、図4に示す第3の測定動作で
は、上記第1,2の測定動作では測定点のみにおいて探
針を上下させていたのに対して、同図に示すように探針
16を鋸歯状波様に動かし、探針16が試料3に接触し
たときを捕らえてデータの取り込みを行う。この測定動
作では、探針が試料に接触する位置a〜dなどの各位
置、即ち測定点から次の点まで移動する間に離す探針試
料間距離は一定値Dとしてあり、測定点間でフィードバ
ックサーボをかけていた第1の測定動作とは異なり、測
定点間もフィードバックサーボをかけていない。このよ
うに、第3の測定動作によれば、鋸歯状波様に動かすこ
とにより走査速度を上げることができる。
Alternatively, in the third measurement operation shown in FIG. 4, the probe is moved up and down only at the measurement point in the first and second measurement operations, whereas the probe 16 is moved up and down as shown in FIG. Is moved like a sawtooth wave, and when the probe 16 comes into contact with the sample 3, the data is captured. In this measurement operation, the distance between the probe and the sample, which is separated from each position such as the positions a to d where the probe comes into contact with the sample, that is, the distance between the measurement point and the next point, is a constant value D. Unlike the first measurement operation in which the feedback servo is applied, the feedback servo is not applied between the measurement points. As described above, according to the third measurement operation, the scanning speed can be increased by moving like a sawtooth wave.

【0026】また、図5に示す第4の測定動作では、探
針の動きをサイクロイド曲線様とし動きを滑らかにして
いる。同図のSで示した部分点線より上の部分は、サイ
クロイド曲線であり、その下のLで示した所は上の部分
に滑らかにつなげた直線的な動きをする部分である。こ
の直線的な動きをする位置e〜gが各測定点となる。こ
のように、第3の測定動作によれば、急激に変化する所
が無くなるので振動の影響が軽減される。
Further, in the fourth measuring operation shown in FIG. 5, the motion of the probe is made like a cycloid curve to smooth the motion. The part above the partial dotted line indicated by S in the same figure is a cycloid curve, and the part indicated by L below that is a part which is linearly connected smoothly to the upper part. The positions e to g that move linearly are the measurement points. As described above, according to the third measurement operation, since there is no place where the change is abrupt, the influence of vibration is reduced.

【0027】以上詳述したように、本発明によれば摩擦
力の影響が取り除かれるため、行き帰り両方でデータを
取り込み、表示してもラインの飛びなく一枚の像を形成
することもできる。但し、この場合は、試料を走査させ
るために圧電体チューブスキャナを用いた場合は、その
XY方向のヒステリシスを補正するための手段を講じて
あることが前提となる。
As described above in detail, according to the present invention, the influence of the frictional force is eliminated, so that it is possible to form one image without line skipping even if data is fetched and displayed both on the way back and forth. However, in this case, when the piezoelectric tube scanner is used to scan the sample, it is premised that a means for correcting the hysteresis in the XY directions is taken.

【0028】更に、本発明の測定法は、大気中、ガス雰
囲気中、液体中、真空中など測定環境を選ばないが、探
針動作の制御が簡単になることからフォースカーブを測
定したときフォースカーブが試料表面の水などによるコ
ンタミネーションによるヒステリシスを生じない液体中
の測定に応用すると特に有効である。例えば図8は、本
発明により液体中の測定を行う様子を示す図である。
Further, in the measuring method of the present invention, the measuring environment such as the atmosphere, the gas atmosphere, the liquid or the vacuum can be selected, but the force when the force curve is measured can be controlled because the control of the probe operation becomes simple. It is especially effective when the curve is applied to the measurement in a liquid in which a hysteresis due to contamination of water on the sample surface does not occur. For example, FIG. 8 is a diagram showing how to perform measurement in a liquid according to the present invention.

【0029】同図において、液体中の測定用セル113
と圧電体チューブスキャナ101の上面、及びOリング
115により試料108を水114などの液体中に浸せ
るようにしてある。同図では、既に水114を注入した
状態を示してある。この例では、Z方向のモジュレーシ
ョンカンチレバーに近接するZ方向モジュレーション用
圧電体112によって行っている。
In the figure, the measuring cell 113 in the liquid is shown.
The sample 108 is immersed in a liquid such as water 114 by the upper surface of the piezoelectric tube scanner 101 and the O-ring 115. In the figure, the state where water 114 has already been injected is shown. In this example, the piezoelectric body 112 for Z-direction modulation is provided close to the Z-direction modulation cantilever.

【0030】尚、本発明の走査型プローブ顕微鏡は上記
実施例に限定されることなく種々の改良、変更が可能で
あることは勿論である。例えば、探針に受ける力をモニ
タするためにカンチレバーのカンチレバー軸方向の変位
を利用するのではなく、カンチレバーの捩れをモニタし
てもよい。
It is needless to say that the scanning probe microscope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and changes can be made. For example, the torsion of the cantilever may be monitored instead of utilizing the displacement of the cantilever in the cantilever axial direction in order to monitor the force applied to the probe.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明によれば、摩擦力の影響を軽減
し、圧電体の上下方向のヒステリシスの問題を除去する
ことで、より実際の表面形状に近い形を高精度に表示す
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。
According to the present invention, by reducing the influence of frictional force and eliminating the problem of hysteresis in the vertical direction of the piezoelectric body, it is possible to display a shape closer to the actual surface shape with high accuracy. A scanning probe microscope capable of being provided can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例に係る走査型プローブ顕微鏡
装置の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a scanning probe microscope apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】(a)乃至(d)は実施例に係る走査型プロー
ブ顕微鏡装置の第1の測定動作を示す図である。
2A to 2D are diagrams showing a first measurement operation of the scanning probe microscope apparatus according to the embodiment.

【図3】(a)及び(b)は液体中のフォースカーブ、
(c)及び(d)は大気中のフォースカーブを示す図で
ある。
3A and 3B are force curves in a liquid,
(C) And (d) is a figure which shows the force curve in the atmosphere.

【図4】実施例に係る走査型プローブ顕微鏡装置の第2
の測定動作を示す図である。
FIG. 4 is a second example of the scanning probe microscope apparatus according to the embodiment.
It is a figure which shows the measurement operation of.

【図5】実施例に係る走査型プローブ顕微鏡装置の第3
の測定動作を示す図である。
FIG. 5 is a third view of the scanning probe microscope apparatus according to the embodiment.
It is a figure which shows the measurement operation of.

【図6】従来のAFM装置の概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram of a conventional AFM device.

【図7】(a)は圧電体のヒステリシスについて説明す
るための図であり、(b)及び(c)はヒシテリシスの
影響について説明するための図である。
FIG. 7A is a diagram for explaining hysteresis of a piezoelectric body, and FIGS. 7B and 7C are diagrams for explaining influence of hysteresis.

【図8】本発明の走査型プローブ顕微鏡装置により液体
中の測定を行う様子を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing how a measurement in a liquid is performed by the scanning probe microscope apparatus of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…カンチレバー変位測定センサ、2…カンチレバー、
3…試料、4…圧電体チューブスキャナ、5,6…駆動
電極、7…Z方向粗動ステージ、8…筐体、9…サーボ
コントロール回路、10…XYZ駆動回路、11…Z方
向モジュレーション駆動回路、12…Z方向モジュレー
ション制御回路、13…走査制御回路、14…コンピュ
ータ、15…モニタ、16…探針。
1 ... Cantilever displacement measuring sensor, 2 ... Cantilever,
3 ... Sample, 4 ... Piezoelectric tube scanner, 5, 6 ... Drive electrode, 7 ... Z direction coarse movement stage, 8 ... Housing, 9 ... Servo control circuit, 10 ... XYZ drive circuit, 11 ... Z direction modulation drive circuit , 12 ... Z-direction modulation control circuit, 13 ... Scan control circuit, 14 ... Computer, 15 ... Monitor, 16 ... Probe.

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成5年1月29日[Submission date] January 29, 1993

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図2[Name of item to be corrected] Figure 2

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図2】 [Fig. 2]

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図8[Correction target item name] Figure 8

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図8】 [Figure 8]

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成5年7月20日[Submission date] July 20, 1993

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】図2[Name of item to be corrected] Figure 2

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図2】(a)乃至(e)は実施例に係る走査型プロー
ブ顕微鏡装置の第1の測定動作を示す図である。
2A to 2E are diagrams showing a first measurement operation of the scanning probe microscope apparatus according to the embodiment.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カンチレバー先端の探針部と測定試料表
面を近接もしくはほぼ接触状態におき、両者を相対的に
XY方向に走査しつつ、両者間に働く相互作用力に応じ
て変位するカンチレバーの変位信号、或いはその変位も
しくは探針の試料への接触圧を一定に保つようにするた
めのZ方向サーボ制御信号を画像処理装置に取り込み、
走査部位各位置における該変位量をマッピングする走査
型プローブ顕微鏡装置において、 あらかじめ設定された測定試料表面上の所定位置におい
て、XY走査方向に対して垂直方向であるZ方向にも上
記探針部と試料との相対的位置関係を振動変化させるZ
方向振動制御手段と、 上記走査部位各位置におけるフォースカーブ信号に基づ
いて、各位置における探針部と試料間に働く相互作用力
が一定の状態になったときの上記Z方向サーボ制御信号
を上記カンチレバー先端の探針部の変位情報としてモニ
タするモニタ手段と、を具備することを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡装置。
1. A cantilever which is displaced in accordance with an interaction force acting between them while the probe portion at the tip of the cantilever and the surface of the sample to be measured are brought into close proximity or almost in contact with each other while relatively scanning them in the XY directions. The displacement signal, or the Z-direction servo control signal for keeping the displacement or the contact pressure of the probe on the sample constant, is fetched into the image processing device,
In a scanning probe microscope apparatus for mapping the displacement amount at each position of a scanning site, at the predetermined position on the surface of a measurement sample which is set in advance, the probe portion is also provided in the Z direction which is a direction perpendicular to the XY scanning direction. Z for changing the relative positional relationship with the sample by vibration
Based on the directional vibration control means and the force curve signal at each position of the scanning region, the Z-direction servo control signal when the interaction force acting between the probe portion and the sample at each position becomes constant is described above. A scanning probe microscope apparatus, comprising: a monitor unit that monitors displacement information of the probe section at the tip of the cantilever.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008209127A (en) * 2007-02-23 2008-09-11 Sii Nanotechnology Inc Scanning probe microscope

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