JPH06265343A - Sample surface observing apparatus and recorder/ reproducer using the same - Google Patents
Sample surface observing apparatus and recorder/ reproducer using the sameInfo
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- JPH06265343A JPH06265343A JP5363193A JP5363193A JPH06265343A JP H06265343 A JPH06265343 A JP H06265343A JP 5363193 A JP5363193 A JP 5363193A JP 5363193 A JP5363193 A JP 5363193A JP H06265343 A JPH06265343 A JP H06265343A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は探針と試料間に発生する
トンネル電流または力等を利用して試料表面を観察する
装置(Scanning Probe Microscopy,以下SPM)、また
はこれを利用して試料表面に情報を記録再生する装置に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is an apparatus for observing a sample surface by utilizing a tunnel current or force generated between a probe and a sample (Scanning Probe Microscopy, hereinafter referred to as SPM), or a sample surface using this. The present invention relates to a device for recording / reproducing information.
【0002】[0002]
【従来の技術】SPMは検出する物性により分類され、
電流、原子間力、静電気力、磁気力などの力、光、静電
容量等々の多種多様な物性が検出対象となる。このうち
本発明に関わるのは、原子間力、磁気力、静電気力等、
試料プローブ間に発生する、試料面に垂直な方向の力を
検出し、この信号に基づいてプローブ試料間距離を帰還
制御しながら表面情報を検出する走査型力顕微鏡(SF
M,Scanning Force Microscope )、及び水平方向力と
同時に電流、試料面内方向に発生する摩擦力などの水平
方向力等の検出像を取得可能な複合機である。2. Description of the Related Art SPMs are classified according to the physical properties they detect,
A wide variety of physical properties such as electric current, interatomic force, electrostatic force, magnetic force and the like, light, electrostatic capacitance and the like can be detected. Of these, those related to the present invention are atomic force, magnetic force, electrostatic force, etc.
A scanning force microscope (SF) that detects a force generated between sample probes in a direction perpendicular to the sample surface and detects surface information while feedback-controlling the distance between probe samples based on this signal.
M, Scanning Force Microscope), and a horizontal force, as well as a current and a horizontal force such as a frictional force generated in the in-plane direction of the sample.
【0003】図4は従来の走査型力顕微鏡のシステムブ
ロック図である。この図に示すように、SFMでは片持
ち梁型弾性部材としてのカンチレバー103によって支
持された先端の尖ったプローブ101を試料102表面
に対して数十nm〜数nm付近まで接近させた状態と
し、走査信号発生回路110の出力により走査駆動アク
チュエータ109を駆動して、該走査駆動アクチュエー
タ109上に載置された試料102を走査する。この時
プローブと試料間に発生する原子間力を反映する弾性部
材の垂直方向の弾性変形を半導体レーザー105、2分
割センサー106および垂直方向力検出回路107から
なる光てこ方式、またはトンネル電流検出方式などの力
検知センサーによって検出し、この検出力が一定になる
ように記録層プローブ間距離微動機構である微動アクチ
ュエーター104を垂直方向力サーボ回路108によっ
て駆動することによりプローブ記録層間距離を帰還制御
する。FIG. 4 is a system block diagram of a conventional scanning force microscope. As shown in this figure, in SFM, a probe 101 having a sharp tip supported by a cantilever 103 as a cantilever type elastic member is brought close to a surface of the sample 102 to several tens nm to several nm. The scan drive actuator 109 is driven by the output of the scan signal generation circuit 110 to scan the sample 102 placed on the scan drive actuator 109. At this time, the elastic deformation in the vertical direction of the elastic member reflecting the atomic force generated between the probe and the sample is changed by the optical lever method including the semiconductor laser 105, the two-divided sensor 106 and the vertical direction force detection circuit 107, or the tunnel current detection method. The force is detected by a force detection sensor such as, and the fine movement actuator 104, which is a fine movement mechanism between the recording layer probes, is driven by the vertical force servo circuit 108 so that the detected force becomes constant, and the probe recording layer distance is feedback-controlled. .
【0004】この方式では検出力が引力領域(プローブ
記録層間距離>0)の場合と斥力領域(プローブ記録層
間距離=0、即ち接触)の場合があるが、実際使用され
る方式としては検出感度に優れる斥力領域で使用するこ
とが多い。また弾性部材の弾性定数を記録層表面に比べ
てはるかに小さく設定することによって距離微動機構に
よる帰還制御なしでもプローブと記録層間の接触状態を
ほぼ一定に保持することが可能である。In this method, the detection force may be in the attractive region (probe recording layer distance> 0) or in the repulsive region (probe recording layer distance = 0, that is, contact). Often used in excellent repulsive force area. Further, by setting the elastic constant of the elastic member to be much smaller than that of the surface of the recording layer, it is possible to keep the contact state between the probe and the recording layer substantially constant without the feedback control by the distance fine movement mechanism.
【0005】以上のようにしてプローブ記録層間距離を
制御した状態(接触状態を含む)で、試料表面を走査し
ながら帰還制御量または検出力変化に対応する弾性部材
の変位量をモニターすることによって表面形状を反映し
た観察像を得ることができる。As described above, while the probe recording layer distance is controlled (including the contact state), the feedback control amount or the displacement amount of the elastic member corresponding to the change in the detection force is monitored while scanning the sample surface. An observation image that reflects the surface shape can be obtained.
【0006】一方、片持ち梁型弾性部材の垂直方向屈曲
変形のみでなく、水平方向屈曲変形、捻れ変形等をモニ
ターすることによって摩擦力、反作用力など、試料面内
方向に発生する水平方向力を反映した観察像を同時に取
得することが可能である。On the other hand, by monitoring not only the vertical bending deformation of the cantilever type elastic member but also the horizontal bending deformation, twisting deformation, etc., a horizontal force generated in the in-plane direction of the sample such as a frictional force and a reaction force. It is possible to simultaneously acquire an observation image that reflects.
【0007】またSFMにおけるプローブに金属コート
などによって導電性を持たせ、プローブ試料間にバイア
スを加えた状態で発生する電流をモニターすることによ
って試料の電子状態を反映する観察像を同時に取得する
ことが可能である。Further, the probe in the SFM is made conductive by a metal coat or the like, and the observed current reflecting the electronic state of the sample is acquired at the same time by monitoring the current generated when a bias is applied between the probe samples. Is possible.
【0008】以上述べた方法によって探針と試料間の距
離を制御しつつ表面を走査しながら電圧パルスを印加
し、トンネル電流、電界放射電流、または接触電流等に
よって表面の形状または電子状態に変調を引き起こし記
録ビットを形成することによって、記録再生装置への応
用も可能である。By the method described above, a voltage pulse is applied while scanning the surface while controlling the distance between the probe and the sample, and the surface shape or electronic state is modulated by a tunnel current, a field emission current, a contact current or the like. It is also possible to apply it to a recording / reproducing apparatus by forming a recording bit.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】プローブで試料表面を
走査する場合、膜厚または膜質が急激に変化する部分で
プローブと試料との間で発生する相互作用力が試料の弾
性変形降伏点を越え、試料を損傷する場合がある。以下
接触状態走査の場合に関して図5を用いて説明する。図
5は従来の走査型力顕微鏡における接触走査の状態を示
す図である。When a sample surface is scanned with a probe, the interaction force generated between the probe and the sample at a portion where the film thickness or film quality changes abruptly exceeds the elastic deformation yield point of the sample. , It may damage the sample. The case of contact state scanning will be described below with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing a state of contact scanning in a conventional scanning force microscope.
【0010】図5の(a)においては膜厚が急激に変化
する部分でプローブが試料表面の凹凸形状の急峻な変化
に追従しきれずに表面に水平な水平方向相互作用力が増
大する様子を示している。この水平方向作用力によるせ
ん断応力が試料の弾性変形降伏点を越えると塑性変形が
始まり試料を損傷する。In FIG. 5 (a), it is shown that the probe cannot follow the abrupt change of the uneven shape of the sample surface at the portion where the film thickness changes rapidly and the horizontal interaction force horizontal to the surface increases. Shows. When the shear stress due to this horizontal acting force exceeds the elastic deformation yield point of the sample, plastic deformation begins and the sample is damaged.
【0011】プローブを試料表面凹凸形状部に十分に追
従させるためには、走査速度によって決定する凹凸形状
での実質的な信号周波数がプローブ駆動帰還制御系の応
答周波数帯域に含まれることが必要であり、一画面中で
最大の実行信号周波数を有する領域に合わせて走査速度
が決定されるため比較的信号周波数の低い他領域におい
ても必要以上に遅い走査速度で観察が行われる。In order for the probe to sufficiently follow the uneven portion of the sample surface, the substantial signal frequency in the uneven shape determined by the scanning speed must be included in the response frequency band of the probe drive feedback control system. Therefore, since the scanning speed is determined according to the area having the maximum execution signal frequency in one screen, the observation is performed at an unnecessarily slow scanning speed even in other areas where the signal frequency is relatively low.
【0012】そのため平均的には平坦な試料表面であっ
ても、散発的に存在する可能性のある膜欠陥、吸着物な
どを原因とする急峻な凹凸形状を発端とする試料膜剥離
等の損傷を完全に回避するためには、走査速度を極端に
遅くしなければならないという問題がある。Therefore, even if the sample surface is flat on the average, damage such as peeling of the sample film caused by a film defect that may exist sporadically, a sharp uneven shape caused by an adsorbed substance, etc. In order to completely avoid the above, there is a problem that the scanning speed must be extremely slowed.
【0013】他方、図5の(b)においては膜質が急激
に変化する部分でプローブが試料表面との間に発生する
動摩擦力が急激に増大する様子を示している。水平方向
作用力の場合と同様にこの動摩擦力によるせん断応力が
試料の弾性変形降伏点を越えると塑性変形が始まり試料
を損傷する。On the other hand, FIG. 5B shows a state in which the dynamic frictional force generated between the probe and the sample surface rapidly increases at the portion where the film quality changes rapidly. As in the case of the horizontal acting force, when the shear stress due to this dynamic friction force exceeds the elastic deformation yield point of the sample, plastic deformation begins and the sample is damaged.
【0014】動摩擦力は走査速度には殆ど無関係である
が、プローブによる垂直抗力に比例して増大する。その
ため平均的には滑らかな試料表面であっても、散発的に
存在する可能性のある、膜質の不均質性に由来する凝着
力等の変化による動摩擦力の増大を発端とする試料膜剥
離等の損傷を完全に回避するためには、接触状態でのプ
ローブ試料間の原子間斥力が極端に小さくなるように制
御が行わなければならず、像解像度、制御の難易度など
の点が問題である。The kinetic friction force is almost independent of the scanning speed, but increases in proportion to the normal force exerted by the probe. Therefore, even if the sample surface is smooth on average, it may exist sporadically, and the sample film peels off from the increase of the dynamic friction force due to the change of the adhesion force etc. due to the inhomogeneity of the film quality. In order to avoid the damage of the probe completely, it is necessary to control so that the interatomic repulsive force between the probe samples in the contact state becomes extremely small, and there are problems such as image resolution and control difficulty. is there.
【0015】本発明は上記従来技術にかかる問題点に鑑
みてなされたものであって、急激な変化のある領域にお
いてのみ選択的に走査速度、設定斥力またはこれらを同
時に減少させることにより、画面全体としては高速走
査、解像度またはこれを同時に維持することが可能であ
る表面観察装置およびこれを用いた記録再生装置を提供
することを目的とする。The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and selectively reduces the scanning speed, the set repulsive force, or these at the same time only in an area where there is a rapid change, and thereby the entire screen is displayed. Another object of the present invention is to provide a surface observation device capable of simultaneously maintaining high-speed scanning and resolution, or a recording / reproducing device using the same.
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】すなわち上記目的を達成
するための本発明は、片持ち梁型弾性部材に支持された
プローブと試料間の距離または接触状態を制御する距離
制御手段と、前記プローブと試料を相対的に試料表面と
平行に走査させる走査手段とを備える試料表面観察装置
において、該プローブと試料表面間に発生する試料表面
と平行な水平方向力を検出する検出手段と、該水平方向
力をサーボ信号として前記走査手段による走査速度を帰
還制御する走査速度制御手段とが備えられたことを特徴
とするものや、前記試料表面観察装置において、前記検
出手段によって検出された水平方向力に基づいて前記距
離制御手段における制御量を補正する補正手段が備えら
れたものでもよい。[Means for Solving the Problems] That is, the present invention for achieving the above object includes a distance control means for controlling a distance or a contact state between a probe supported by a cantilever type elastic member and a sample, and the probe. And a scanning means for scanning the sample relatively parallel to the sample surface, in a sample surface observing device, a detection means for detecting a horizontal force parallel to the sample surface generated between the probe and the sample surface; A scanning speed control means for feedback-controlling the scanning speed of the scanning means using the directional force as a servo signal, and the horizontal force detected by the detection means in the sample surface observation apparatus. A correction means for correcting the control amount in the distance control means based on the above may be provided.
【0017】また、片持ち梁型弾性部材に支持されたプ
ローブと試料間の距離または接触状態を制御する距離制
御手段と、前記プローブと試料を相対的に試料表面と平
行に走査させる走査手段とを備える試料表面観察装置に
おいて、該プローブと試料表面間に発生する試料表面と
平行な水平方向力を検出する検出手段と、前記検出手段
によって検出された水平方向力に基づいて前記距離制御
手段における制御量を補正する補正手段が備えられたこ
とを特徴とするものでもよく、上記いずれかの装置に構
成された前記検出手段は、前記プローブを支持する片持
ち梁型弾性部材上の異なる位置に設けられた複数の歪抵
抗素子を有しており、該複数の歪抵抗素子の差分出力に
基づいて前記水平方向力を検出することを特徴とするも
のでもよい。Distance control means for controlling the distance or contact state between the probe and the sample supported by the cantilever type elastic member, and scanning means for relatively scanning the probe and the sample parallel to the sample surface. In the sample surface observing device including: detection means for detecting a horizontal force generated between the probe and the sample surface in parallel with the sample surface; and the distance control means based on the horizontal force detected by the detection means. It may be characterized in that a correction means for correcting the control amount is provided, and the detection means configured in any one of the above-mentioned devices is provided at different positions on a cantilever type elastic member supporting the probe. The present invention may be characterized by having a plurality of strain resistance elements provided and detecting the horizontal force based on the differential output of the plurality of strain resistance elements.
【0018】さらに上記いずれかの試料表面観察装置を
用いた記録再生装置であって、試料にパルス電圧を印加
する印加手段と、該パルス電圧を印加した状態で発生す
る電流を検出する電流検出手段とからなる記録再生手段
が備えられていることを特徴とするものでもよい。Further, there is provided a recording / reproducing apparatus using any one of the sample surface observing apparatus as described above, wherein an applying means for applying a pulse voltage to the sample and a current detecting means for detecting a current generated when the pulse voltage is applied. It may be characterized in that it is provided with a recording and reproducing means consisting of.
【0019】[0019]
【作用】上記のとおり構成された本発明では、距離制御
手段により片持ち梁型弾性部材に支持されたプローブと
試料間の距離または接触状態を制御し、走査手段により
プローブと試料を相対的に試料表面と平行に走査させた
とき、前記プローブと試料表面との間に急峻な形状変化
または膜質変化が起きて前記試料表面と平行な水平方向
力が前記プローブに発生すると、該水平方向力が検出手
段によって検出される。そして、検出された水平方向力
をサーボ信号として走査速度制御手段により走査速度が
帰還制御されたり、あるいは該水平方向力に基づいて前
記距離制御手段における制御量が補正手段によって補正
される。In the present invention configured as described above, the distance control means controls the distance or contact state between the probe supported by the cantilever type elastic member and the sample, and the scanning means relatively moves the probe and the sample. When scanning is performed in parallel with the sample surface, when a sharp shape change or film quality change occurs between the probe and the sample surface and a horizontal force parallel to the sample surface is generated in the probe, the horizontal force is changed. It is detected by the detection means. Then, the scanning speed is feedback-controlled by the scanning speed control means by using the detected horizontal force as a servo signal, or the control amount in the distance control means is corrected by the correction means based on the horizontal force.
【0020】したがって、プローブが急峻な形状変化ま
たは膜質変化のある領域に走査された際、前記走査制御
手段、補正手段またはこれらによって、前記水平方向力
の増加を抑制するように走査速度、プローブ試料間の相
互作用斥力またはこれらが同時に減少するので、試料面
全体としては高速走査、検出解像度またはこれらを同時
に維持することが可能となる。Therefore, when the probe is scanned in a region having a sharp shape change or film quality change, the scanning speed and the probe sample are controlled by the scanning control means, the correction means or these so as to suppress the increase in the horizontal force. Since the repulsive force between them or these are reduced at the same time, it is possible to maintain high-speed scanning, detection resolution, or these simultaneously for the entire sample surface.
【0021】[0021]
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
以下説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0022】(第1の実施例)図1は本発明の第1の実
施例に関わるシステムブロック図である。本実施例にお
いては水平方向力をサーボ信号として、走査速度を可変
制御することによって本発明の目的を達する。(First Embodiment) FIG. 1 is a system block diagram relating to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, the object of the present invention is achieved by variably controlling the scanning speed using the horizontal force as a servo signal.
【0023】本実施例の装置は、図1に示すように試料
2の表面を観察する装置であり、試料2は、試料表面と
略水平方向に駆動走査できる走査駆動アクチュエーター
9上に保持されている。試料2上には自由端部にプロー
ブ1を形成した片持ち梁型弾性部材としてのカンチレバ
ー3が設けられ、カンチレバー3の他端部上面にはプロ
ーブ1を試料面に対して垂直に微動可能な微動アクチュ
エーター4が設けられている。The apparatus of this embodiment is an apparatus for observing the surface of a sample 2 as shown in FIG. 1, and the sample 2 is held on a scanning drive actuator 9 capable of driving and scanning in a direction substantially horizontal to the surface of the sample. There is. A cantilever 3 as a cantilever type elastic member having a probe 1 formed at its free end is provided on the sample 2, and the probe 1 can be finely moved perpendicularly to the sample surface on the upper surface of the other end of the cantilever 3. A fine movement actuator 4 is provided.
【0024】カンチレバー3の上方には半導体レーザー
5と4分割センサー6がそれぞれ配設されている。半導
体レーザー5および4分割センサー6の位置は、半導体
レーザー5からの光ビームがカンチレバー3に入射し、
カンチレバー3による反射光ビームが4分割センサー6
の中心に入射するような配置構成となっている。A semiconductor laser 5 and a four-division sensor 6 are provided above the cantilever 3. At the positions of the semiconductor laser 5 and the four-division sensor 6, the light beam from the semiconductor laser 5 enters the cantilever 3,
A light beam reflected by the cantilever 3 is divided into four sensors 6
The configuration is such that it is incident on the center of.
【0025】四分割センサー6は、互いに直交する分割
線にて分割された二対の分割エリアセンサーよりなり、
垂直方向力と水平方向力を独立に検出できる。垂直方向
に並ぶ一対のセンサーでカンチレバーの垂直方向の屈曲
によるビームスポットの変位を検出すると同時に、他の
水平方向に並ぶ一対のセンサーで水平方向力によるカン
チレバーの捻れによって発生する、垂直方向の屈曲によ
る変位と直交する変位成分を検出する。The four-division sensor 6 is composed of two pairs of division area sensors divided by division lines orthogonal to each other,
Vertical force and horizontal force can be detected independently. A pair of sensors arranged in the vertical direction detects the displacement of the beam spot due to the bending of the cantilever in the vertical direction, and a pair of sensors arranged in the other horizontal direction causes the bending of the cantilever due to the horizontal force, which causes the bending in the vertical direction. A displacement component orthogonal to the displacement is detected.
【0026】上記装置におけるプローブ試料間の距離ま
たは接触状態の制御方法について説明する。A method of controlling the distance or contact state between the probe samples in the above apparatus will be described.
【0027】プローブ1を支持する片持ち梁型弾性部材
としてのカンチレバー3は、力センサーとして作用す
る。プローブ1を試料面に対して数十nm〜数nm付近
まで接近させると、プローブ1と試料2間に原子間力等
の垂直方向力が発生し始める。この垂直方向力によるカ
ンチレバー3の弾性変形は、半導体レーザー5、四分割
センサー6よりなる光てこ方式センサーによって、垂直
方向検出回路7における垂直方向力設定値との差分出力
として検出される。そして、この差分出力が常にゼロに
なるように垂直方向力サーボ回路8を介して微動アクチ
ュエーター4を帰還制御することによって、プローブ試
料間距離または接触状態がほぼ一定に制御される。The cantilever 3 as a cantilever type elastic member supporting the probe 1 acts as a force sensor. When the probe 1 is brought close to several tens nm to several nm near the sample surface, a vertical force such as an atomic force starts to be generated between the probe 1 and the sample 2. The elastic deformation of the cantilever 3 due to the vertical force is detected by the optical lever type sensor including the semiconductor laser 5 and the four-division sensor 6 as a differential output from the vertical force set value in the vertical direction detection circuit 7. Then, by performing feedback control of the fine movement actuator 4 via the vertical force servo circuit 8 so that the difference output is always zero, the inter-probe sample distance or the contact state is controlled to be substantially constant.
【0028】検出される垂直方向力には、引力領域(プ
ローブ記録層間距離>0)の場合と斥力領域(プローブ
記録層間距離=0、即ち接触)の場合とがあるが、実際
に使用される方式としては垂直方向力は検出感度に優れ
る斥力領域で多く使用する。またカンチレバー3の弾性
定数を記録層表面に比べてはるかに小さく設定すること
によって、微動アクチュエーター4による帰還制御なし
でもプローブと試料間の接触状態がほぼ一定に保持でき
る。The vertical force detected includes an attractive region (probe recording layer distance> 0) and a repulsive region (probe recording layer distance = 0, that is, contact), which are actually used. As the method, the vertical force is often used in the repulsive force region where the detection sensitivity is excellent. Further, by setting the elastic constant of the cantilever 3 to be much smaller than that of the surface of the recording layer, the contact state between the probe and the sample can be kept substantially constant without the feedback control by the fine movement actuator 4.
【0029】次に本発明の特徴である走査速度の可変制
御方法について説明する。Next, the variable control method of the scanning speed, which is a feature of the present invention, will be described.
【0030】走査時では、四分割センサー6の水平方向
力に対応する出力が水平方向力検出回路11に入力さ
れ、水平方向力基準設定値との差分出力が形成される。
そして、この差分出力が走査速度補正回路12に入力さ
れ、走査速度信号補正回路12において予め実験的に求
められた係数に基づいて差分出力が演算され走査速度信
号が出力される。At the time of scanning, the output corresponding to the horizontal force of the four-divided sensor 6 is input to the horizontal force detection circuit 11, and a differential output from the horizontal force reference set value is formed.
Then, this difference output is input to the scanning speed correction circuit 12, and the scanning speed signal correction circuit 12 calculates the difference output based on the coefficient obtained experimentally in advance and outputs the scanning speed signal.
【0031】次いで走査速度時間積分回路14において
走査速度信号の時間積分値が演算される。走査速度の時
間積分値はプローブ1の変位量に相当し、この変位量を
基準にしてデータサンプリングのタイミング、走査の折
り返しタイミング等が制御できる。Next, the scanning speed time integration circuit 14 calculates the time integration value of the scanning speed signal. The time integrated value of the scanning speed corresponds to the displacement amount of the probe 1, and the timing of data sampling, the return timing of scanning, etc. can be controlled based on this displacement amount.
【0032】走査タイミング信号発生回路15において
は一走査線に相当する変位量および一画面に相当する変
位量毎にそれぞれ方向反転のための走査タイミング信号
が形成される。In the scanning timing signal generating circuit 15, scanning timing signals for direction reversal are formed for each displacement amount corresponding to one scanning line and each displacement amount corresponding to one screen.
【0033】上記走査速度信号および走査タイミング信
号は走査信号発生回路10において演算されて走査信号
が形成され、走査駆動アクチュエーター9に出力され
る。このようにして表面形状に対応して走査速度を可変
に制御しつつ、予め決められた画像エリアサイズに相当
する一定の走査変位毎に走査方向を折り返すような走査
駆動が実現される。The scanning speed signal and the scanning timing signal are calculated in the scanning signal generating circuit 10 to form a scanning signal, which is output to the scanning drive actuator 9. In this way, the scanning drive is realized such that the scanning speed is variably controlled in accordance with the surface shape and the scanning direction is folded back at every constant scanning displacement corresponding to the predetermined image area size.
【0034】走査速度の可変制御に対応した画像データ
の生成は以下のようにして行われる。The image data corresponding to the variable control of the scanning speed is generated as follows.
【0035】走査速度時間積分回路14から出力される
プローブ変位量信号は、走査タイミング信号発生回路1
5と同時にデータタイミング信号発生回路16にも導か
れ、画素ピッチに相当する変位量毎にデータタイミング
信号が形成される。The probe displacement amount signal output from the scanning speed time integration circuit 14 is the scanning timing signal generating circuit 1.
At the same time as 5, the data timing signal is generated by the data timing signal generation circuit 16, and a data timing signal is formed for each displacement amount corresponding to the pixel pitch.
【0036】このデータタイミング信号を用いて、デー
タ復調回路17において垂直方向力サーボ回路8より出
力されるデータ信号をサンプリングすることによって画
像データが形成される。Image data is formed by sampling the data signal output from the vertical force servo circuit 8 in the data demodulation circuit 17 using this data timing signal.
【0037】(第2の実施例)図2は本発明の第2の実
施例に関わるシステムブロック図である。本実施例の装
置は、カンチレバー3の上方に半導体レーザー5および
4分割センサー6がそれぞれ配設されている点で同様で
あるので、ここでは異なる制御構成について説明する。
また第1の実施例では走査速度を可変制御することによ
って本発明の課題を解決したが、本実施例においては垂
直方向力の基準設定値を補正しプローブと試料間の接触
状態を可変制御することによって、表面形状の急峻な変
化、表面膜質の変化による摩擦係数の増大などに起因す
る水平方向力の急激な増加を抑制し、本発明の目的を達
成した。(Second Embodiment) FIG. 2 is a system block diagram relating to the second embodiment of the present invention. The apparatus of this embodiment is similar in that the semiconductor laser 5 and the four-division sensor 6 are arranged above the cantilever 3, respectively, and therefore a different control configuration will be described here.
Further, in the first embodiment, the problem of the present invention is solved by variably controlling the scanning speed, but in the present embodiment, the reference setting value of the vertical force is corrected to variably control the contact state between the probe and the sample. As a result, a sharp increase in the horizontal force due to a sharp change in the surface shape, an increase in the friction coefficient due to a change in the surface film quality, and the like is suppressed, and the object of the present invention is achieved.
【0038】本実施例の装置では、第1の実施例と同様
に四分割センサー6からの水平方向力検出信号に基づい
て水平方向力検出回路11において基準設定値との差分
信号が形成され、垂直方向力基準設定値補正回路13に
導かれる。垂直方向力基準設定値補正回路13では水平
方向力検出回路11からの入力された差分信号に基づい
て、予め実験的に求められた係数を用いて垂直方向力基
準設定値が補正演算され、垂直方向力検出回路7へと導
かれる。In the apparatus of this embodiment, as in the first embodiment, the horizontal force detection circuit 11 forms a differential signal from the reference set value based on the horizontal force detection signal from the four-division sensor 6, It is guided to the vertical force reference set value correction circuit 13. The vertical force reference set value correction circuit 13 corrects and calculates the vertical force reference set value based on the difference signal input from the horizontal force detection circuit 11 by using a coefficient obtained experimentally in advance. It is guided to the directional force detection circuit 7.
【0039】垂直方向力検出回路7においては、四分割
センサー6からの垂直方向力検出信号と補正演算された
基準設定値信号との差分信号が形成される。この差分信
号はサーボ信号として垂直方向力サーボ回路8を介して
微動アクチュエーター4を駆動し差分信号がゼロになる
ように負帰還制御する。The vertical force detection circuit 7 forms a difference signal between the vertical force detection signal from the four-divided sensor 6 and the corrected reference set value signal. This differential signal is used as a servo signal to drive the fine movement actuator 4 via the vertical force servo circuit 8 to perform negative feedback control so that the differential signal becomes zero.
【0040】そして画像データは、データ復調回路17
において、垂直方向力サーボ回路8から入力されるサー
ボ信号に対して、基準設定値補正回路13より出力され
る基準設定値補正量によって位相補償回路を介して逆補
正演算することによって復調される。The image data is sent to the data demodulation circuit 17
In the above, the servo signal input from the vertical force servo circuit 8 is demodulated by performing inverse correction calculation via the phase compensation circuit according to the reference set value correction amount output from the reference set value correction circuit 13.
【0041】このようにして本実施例では、プローブと
試料間の接触状態を制御し、表面形状の急峻な変化、表
面膜質の変化による摩擦係数の増大などに起因する水平
方向力の急激な増加を抑制し、本発明の目的を達成す
る。As described above, in this embodiment, the contact state between the probe and the sample is controlled, and the horizontal force is rapidly increased due to the sharp change of the surface shape and the increase of the friction coefficient due to the change of the surface film quality. And to achieve the object of the present invention.
【0042】(第3の実施例)本実施例では、本発明の
表面観察装置を用いた記録再生装置の一実施例について
述べる。図3は本発明の表面観察装置を用いた記録再生
装置の一実施例のシステムブロック図である。本実施例
においても、第1および第2の実施例と異なる点につい
てのみ説明する。(Third Embodiment) In this embodiment, an embodiment of a recording / reproducing apparatus using the surface observation apparatus of the present invention will be described. FIG. 3 is a system block diagram of an embodiment of a recording / reproducing apparatus using the surface observation apparatus of the present invention. Also in this embodiment, only the points different from the first and second embodiments will be described.
【0043】図3に示すような本実施例の装置において
導電性のプローブ1を支持するカンチレバー3は、片持
ち梁型の板バネであり、実際の記録再生装置ではマイク
ロメカニクス技術によって同一基板上に集積化して形成
される複数のカンチレバーにより構成されるが、ここで
は簡単のため一つにのみ注目して説明する。In the apparatus of this embodiment as shown in FIG. 3, the cantilever 3 supporting the conductive probe 1 is a cantilever type leaf spring, and in an actual recording / reproducing apparatus, it is on the same substrate by the micromechanics technique. Although it is composed of a plurality of cantilevers that are integrated with each other, only one is described here for simplicity.
【0044】本発明の装置が複数のカンチレバーにより
構成される場合、上述した実施例の四分割センサーによ
る光学的検出法はマイクロメカニクスによる微細構造形
成プロセスに馴染みにくい。そこで本実施例では、弾性
体の捻れまたは水平方向の屈曲を、弾性体上に設けられ
た複数の歪抵抗素子18の差分出力によって検出するこ
とを提案する。When the apparatus of the present invention is composed of a plurality of cantilevers, the optical detection method by the four-division sensor of the above-mentioned embodiment is not suitable for the microstructure formation process by micromechanics. Therefore, in the present embodiment, it is proposed to detect the twist or the horizontal bending of the elastic body by the differential output of the plurality of strain resistance elements 18 provided on the elastic body.
【0045】本実施例では、図3に示すようにカンチレ
バー3上にはこの長手方向に対して平行に一対の歪抵抗
素子18が設けられており、一対の歪抵抗素子18から
の各出力が差分回路19および加算回路20にそれぞれ
入力される。In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a pair of strain resistance elements 18 are provided on the cantilever 3 in parallel with the longitudinal direction, and the respective outputs from the pair of strain resistance elements 18 are provided. It is input to the difference circuit 19 and the addition circuit 20, respectively.
【0046】カンチレバー3が垂直方向力を受けて垂直
方向にのみ屈曲する場合には、一対の歪抵抗素子18か
らの各出力は常に等しく差分出力はゼロである。ところ
がカンチレバー3が水平方向力を受けて捻れ変形や水平
方向の屈曲変形を引き起こすと、圧電効果によって一対
の歪抵抗素子18からの各出力が異なって差分出力が発
生し、変形の程度に応じて差分出力も大きくなる。When the cantilever 3 receives a vertical force and bends only in the vertical direction, the outputs from the pair of strain resistance elements 18 are always equal and the differential output is zero. However, when the cantilever 3 receives a horizontal force and causes torsional deformation or horizontal bending deformation, each output from the pair of strain resistance elements 18 is different due to the piezoelectric effect, and a differential output is generated, depending on the degree of deformation. The difference output also becomes large.
【0047】したがって、一対の歪抵抗素子18の差分
出力を差分回路19によって形成することにより水平方
向力を、一対の歪抵抗素子18の加算出力を加算回路2
0によって形成することにより垂直方向力をそれぞれ検
出することができる。Therefore, by forming the differential output of the pair of strain resistance elements 18 by the differential circuit 19, the horizontal force is generated, and the added output of the pair of strain resistance elements 18 is added by the addition circuit 2.
By forming 0, the vertical force can be detected.
【0048】以上のようにして検出された水平方向力、
垂直方向力を利用して、記録および再生時に垂直方向力
をサーボ信号として距離または接触状態の制御を行い、
同時に水平方向力の検出による走査速度の可変制御、お
よび垂直方向基準設定値の可変制御を共に行うことによ
って本発明の目的を達成する点に関しては第1および第
2の実施例と全く同様であるので詳細な説明は割愛す
る。The horizontal force detected as described above,
The vertical force is used to control the distance or contact state by using the vertical force as a servo signal during recording and reproduction.
The point that the object of the present invention is achieved by simultaneously performing the variable control of the scanning speed by the detection of the horizontal force and the variable control of the vertical reference set value at the same time is exactly the same as in the first and second embodiments. Therefore, detailed explanation is omitted.
【0049】記録は、走査タイミング信号発生回路15
における信号に基づいて走査を行いながら、データタイ
ミング信号発生回路16によるタイミング信号に基づい
て記録パルス発生回路22により記録電圧パルスをプロ
ーブ記録層間に印加し順次記録ビットを形成する。Recording is performed by the scanning timing signal generation circuit 15
While scanning is performed based on the signal in (1), a recording voltage pulse is applied between the probe recording layers by the recording pulse generation circuit 22 based on the timing signal from the data timing signal generation circuit 16 to sequentially form recording bits.
【0050】再生は、再生バイアス発生回路23によっ
て記録層2と導電性プローブ1間に記録しきい値以下の
バイアス電圧を印加した状態で発生する電流を電流電圧
変換回路、対数変換回路よりなる電流検出回路21によ
り検出した後、データタイミング信号発生回路16によ
るタイミング信号に基づいてデータ復調回路17におい
て再生データを形成する。For reproduction, a current generated by the reproduction bias generation circuit 23 in the state where a bias voltage below the recording threshold is applied between the recording layer 2 and the conductive probe 1 is formed by a current-voltage conversion circuit and a logarithmic conversion circuit. After the detection by the detection circuit 21, the data demodulation circuit 17 forms reproduced data based on the timing signal from the data timing signal generation circuit 16.
【0051】[0051]
【発明の効果】以上説明したような本発明によれば、プ
ローブに発生する水平方向力を検出する検出手段と、該
水平方向力に基づいて走査速度を帰還制御する走査速度
制御手段または該水平方向力に基づいて距離制御手段に
おける制御量を補正する補正手段のいずれか一手段もし
くは前記手段の両方が備えられているので、試料表面損
傷の発端となる急激な形状変化または膜質変化による水
平方向力増加を早期に検出し、走査速度、プローブ試料
間の相互作用斥力またはこれらを同時に減少させること
によって、水平方向力の増加を抑制し、急激な膜厚、膜
質変化のある領域における膜の損傷を回避しつつ、試料
面全体としての高速走査、検出解像度またはこれらを同
時に維持することが可能である。According to the present invention as described above, the detection means for detecting the horizontal force generated in the probe, the scanning speed control means for feedback controlling the scanning speed based on the horizontal force, or the horizontal speed control means. Since either one or both of the correction means for correcting the control amount in the distance control means based on the directional force is provided, the horizontal direction due to the abrupt shape change or film quality change which is the origin of the sample surface damage. By detecting the force increase early and decreasing the scanning speed, the interaction repulsive force between the probe samples or these simultaneously, the increase of the horizontal force is suppressed, and the film damage in the area where the film thickness and film quality change suddenly. While avoiding, it is possible to maintain high-speed scanning of the entire sample surface, detection resolution, or these at the same time.
【0052】また水平方向力の検出手段は、弾性体の捻
れまたは水平方向の屈曲を、前記プローブを支持する片
持ち梁型弾性部材上の異なる位置に設けられた複数の歪
抵抗素子の差分出力によって検出するので、マイクロメ
カニクスプロセスによる微細構造を備えるシステムにも
適用可能である。The horizontal force detecting means outputs the twist or the horizontal bending of the elastic body to the differential output of the plurality of strain resistance elements provided at different positions on the cantilever type elastic member supporting the probe. Since it is detected by the method, it can be applied to a system having a fine structure by a micromechanics process.
【図1】本発明の第1の実施例に関わるシステムブロッ
ク図である。FIG. 1 is a system block diagram according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施例に関わるシステムブロッ
ク図である。FIG. 2 is a system block diagram according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の表面観察装置を用いた記録再生装置の
一実施例のシステムブロック図である。FIG. 3 is a system block diagram of an embodiment of a recording / reproducing apparatus using the surface observation apparatus of the present invention.
【図4】従来の走査型力顕微鏡のシステムブロック図で
ある。FIG. 4 is a system block diagram of a conventional scanning force microscope.
【図5】従来の走査型力顕微鏡における接触走査の状態
を示す図であり、(a)は突起部において発生する反作
用力を示す図であり、(b)は膜質変化部において発生
する動摩擦力を示す図である。5A and 5B are diagrams showing a contact scanning state in a conventional scanning force microscope, FIG. 5A is a diagram showing a reaction force generated at a protrusion, and FIG. 5B is a dynamic friction force generated at a film quality change portion. FIG.
1 プローブ 2 試料(記録層) 3 カンチレバー 4 微動アクチュエーター 5 半導体レーザー 6 四分割(または二分割)センサー 7 垂直方向力検出回路 8 垂直方向力サーボ回路 9 走査駆動アクチュエーター 10 走査信号発生回路 11 水平方向力検出回路 12 走査速度補正回路 13 垂直方向力設定値補正回路 14 走査速度時間積分回路 15 走査タイミング信号発生回路 16 データタイミング信号発生回路 17 データ復調回路 18 歪抵抗素子 19 差分回路 20 加算回路 21 電流検出回路 22 記録パルス発生回路 23 再生バイアス発生回路 1 probe 2 sample (recording layer) 3 cantilever 4 fine actuator 5 semiconductor laser 6 four-division (or two-division) sensor 7 vertical direction force detection circuit 8 vertical direction servo circuit 9 scanning drive actuator 10 scanning signal generation circuit 11 horizontal direction force Detection circuit 12 Scanning speed correction circuit 13 Vertical force set value correction circuit 14 Scanning speed time integration circuit 15 Scan timing signal generation circuit 16 Data timing signal generation circuit 17 Data demodulation circuit 18 Distortion resistance element 19 Difference circuit 20 Addition circuit 21 Current detection Circuit 22 Recording pulse generation circuit 23 Reproduction bias generation circuit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢野 亨治 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshiharu Yano 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.
Claims (5)
ブと試料間の距離または接触状態を制御する距離制御手
段と、前記プローブと試料を相対的に試料表面と平行に
走査させる走査手段とを備える試料表面観察装置におい
て、 該プローブと試料表面間に発生する試料表面と平行な水
平方向力を検出する検出手段と、 該水平方向力をサーボ信号として前記走査手段による走
査速度を帰還制御する走査速度制御手段とが備えられた
ことを特徴とする試料表面観察装置。1. A distance control means for controlling a distance or a contact state between a probe and a sample supported by a cantilever type elastic member, and a scanning means for scanning the probe and the sample relatively parallel to the sample surface. In a sample surface observing apparatus including: a detecting unit for detecting a horizontal force parallel to the sample surface generated between the probe and the sample surface; and a feedback control of a scanning speed by the scanning unit using the horizontal force as a servo signal. A sample surface observing device, comprising: a scanning speed control means.
いて、 前記検出手段によって検出された水平方向力に基づいて
前記距離制御手段における制御量を補正する補正手段が
備えられたことを特徴とする試料表面観察装置。2. The sample surface observing apparatus according to claim 1, further comprising a correction unit that corrects a control amount in the distance control unit based on a horizontal force detected by the detection unit. Sample surface observation device.
ブと試料間の距離または接触状態を制御する距離制御手
段と、前記プローブと試料を相対的に試料表面と平行に
走査させる走査手段とを備える試料表面観察装置におい
て、 該プローブと試料表面間に発生する試料表面と平行な水
平方向力を検出する検出手段と、 前記検出手段によって検出された水平方向力に基づいて
前記距離制御手段における制御量を補正する補正手段が
備えられたことを特徴とする試料表面観察装置。3. A distance control means for controlling a distance or a contact state between a probe and a sample supported by a cantilever type elastic member, and a scanning means for scanning the probe and the sample relatively parallel to the sample surface. A sample surface observing device comprising: a detecting means for detecting a horizontal force parallel to the sample surface generated between the probe and the sample surface; and a distance control means in the distance controlling means based on the horizontal force detected by the detecting means. An apparatus for observing a sample surface, comprising a correction means for correcting the control amount.
る片持ち梁型弾性部材上の異なる位置に設けられた複数
の歪抵抗素子を有しており、該複数の歪抵抗素子の差分
出力に基づいて前記水平方向力を検出することを特徴と
する請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の試料
表面観察装置。4. The detection means has a plurality of strain resistance elements provided at different positions on a cantilever type elastic member supporting the probe, and outputs a differential output of the plurality of strain resistance elements. The sample surface observing device according to claim 1, wherein the horizontal force is detected based on the horizontal force.
記載の試料表面観察装置を用いた記録再生装置であっ
て、 試料にパルス電圧を印加する印加手段と、該パルス電圧
を印加した状態で発生する電流を検出する電流検出手段
とからなる記録再生手段が備えられていることを特徴と
する試料表面観察装置を用いた記録再生装置。5. A recording / reproducing apparatus using the sample surface observing apparatus according to claim 1, wherein the sample voltage is applied to a sample, and the pulse voltage is applied to the sample. A recording / reproducing apparatus using a sample surface observing device, which is provided with a recording / reproducing means including a current detecting means for detecting a current generated in this state.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5363193A JPH06265343A (en) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | Sample surface observing apparatus and recorder/ reproducer using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5363193A JPH06265343A (en) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | Sample surface observing apparatus and recorder/ reproducer using the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06265343A true JPH06265343A (en) | 1994-09-20 |
Family
ID=12948256
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5363193A Pending JPH06265343A (en) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | Sample surface observing apparatus and recorder/ reproducer using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06265343A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003014605A (en) * | 2001-06-29 | 2003-01-15 | Olympus Optical Co Ltd | Scanning type probe microscope |
JP2006242965A (en) * | 2006-05-29 | 2006-09-14 | Sii Nanotechnology Inc | Scanning probe microscope |
-
1993
- 1993-03-15 JP JP5363193A patent/JPH06265343A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003014605A (en) * | 2001-06-29 | 2003-01-15 | Olympus Optical Co Ltd | Scanning type probe microscope |
JP2006242965A (en) * | 2006-05-29 | 2006-09-14 | Sii Nanotechnology Inc | Scanning probe microscope |
JP4602284B2 (en) * | 2006-05-29 | 2010-12-22 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | Scanning probe microscope |
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