JPH06288759A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

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Publication number
JPH06288759A
JPH06288759A JP5072551A JP7255193A JPH06288759A JP H06288759 A JPH06288759 A JP H06288759A JP 5072551 A JP5072551 A JP 5072551A JP 7255193 A JP7255193 A JP 7255193A JP H06288759 A JPH06288759 A JP H06288759A
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JP
Japan
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displacement
sample
piezoelectric body
signal
information
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP5072551A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Miyamoto
裕史 宮本
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
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Publication of JPH06288759A publication Critical patent/JPH06288759A/en
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Abstract

PURPOSE:To precisely observe an irregular image even in the case when a sample surface has a large irregularity including a fine irregularity by adding one eliminating a high frequency component from detection output of a piezoelectric body displacement detection part to the other one eliminating a low frequency component of information of Z directional position control. CONSTITUTION:By scanning the surface of a sample on a sample table by a cantilever and so as to keep the distance between a probe on the head end of the cantilever and the surface of the sample constant in accordance with a Z directional displacement detection signal, Z directional position control of a piezoelectric body is carried out. Thereafter, one acquired by removing a high frequency component from a detection signal of a piezoelectric body displacement detection part 12 by an LPF 24 and the other acquired by removing a low frequency component of information on Z directional position control by an HPF 23 are added by an adder 22. By making a composed data of a Z displacement position added and acquired in this way as irregularity information of the sample surface, it is possible to acquire irregularity information in high precision and with high resolving power by way of reciprocally interpolating lowering of reliability of the low frequency component by a displacement characteristic of the piezoelectric body and badness of reliability of the high frequency component held by the displacement detection part 12.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡に
関するものである。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a scanning probe microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料の微細な
表面形状を観察するものであり、従来、この走査型プロ
ーブ顕微鏡として、走査型トンネル顕微鏡(STM)、
原子間力顕微鏡(AFM)、磁気力顕微鏡(MFM)な
どが知られている。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope is for observing a fine surface shape of a sample. Conventionally, a scanning tunnel microscope (STM),
Atomic force microscope (AFM), magnetic force microscope (MFM) and the like are known.

【0003】走査型トンネル顕微鏡は、導電性の探針を
用い、この探針を観察対象の試料である導電性試料の近
傍に支持させる。そして、例えば、探針の先端を試料表
面に1nm程度まで近付け、探針と試料との間に電圧を印
加する。すると、探針と試料との間にトンネル電流が流
れる。このトンネル電流は探針と試料との間の距離に依
存して変化し、その大きさは0.1 nmの距離変化に対して
1桁程度変化する。
The scanning tunneling microscope uses a conductive probe and supports the probe near a conductive sample which is a sample to be observed. Then, for example, the tip of the probe is brought close to the sample surface to about 1 nm, and a voltage is applied between the probe and the sample. Then, a tunnel current flows between the probe and the sample. This tunnel current changes depending on the distance between the probe and the sample, and its magnitude changes by about one digit for a distance change of 0.1 nm.

【0004】探針は試料表面に沿って移動(例えば、ラ
スタ走査)させるが、この移動の間、探針と試料との間
に流れるトンネル電流値が一定となるように、探針と試
料との間の距離を調整する圧電体(微動位置調整装置)
に制御電圧を印加し、探針と試料との間を一定距離に保
つ。
The probe is moved along the sample surface (for example, raster scanning). During this movement, the tunnel current value flowing between the probe and the sample becomes constant so that the probe and the sample are Piezoelectric body (fine movement position adjustment device) that adjusts the distance between
A control voltage is applied to maintain a constant distance between the probe and the sample.

【0005】すなわち、圧電体は印加電圧に応じて伸縮
変形するのを利用して、試料を圧電体上に保持し、探針
と試料との間に流れるトンネル電流値が一定となるよう
に、圧電体に制御電圧を印加して伸縮制御し、探針と試
料との間の距離を調整する。探針の試料表面に対する走
査は、探針を移動させる方式でも、また、試料を移動さ
せる方式でも構わない。
That is, by utilizing the fact that the piezoelectric body expands and contracts in accordance with the applied voltage, the sample is held on the piezoelectric body so that the tunnel current value flowing between the probe and the sample becomes constant. A control voltage is applied to the piezoelectric body to control expansion and contraction, and the distance between the probe and the sample is adjusted. The scanning of the sample surface by the probe may be performed by moving the probe or by moving the sample.

【0006】このように探針‐試料間の距離が一定に保
たれるように圧電体を制御する結果、探針先端は試料の
表面形状を反映した曲面上を移動することになる。従っ
て、圧電体に印加した制御電圧から各走査点上での探針
先端の位置を算出することができ、この圧電体に印加し
た制御電圧から算出される探針先端の位置データに基づ
いて、試料の表面形状を示す3次元像を構成することに
より、試料の表面形状を観察することができる。
As described above, as a result of controlling the piezoelectric body so that the distance between the probe and the sample is kept constant, the tip of the probe moves on a curved surface that reflects the surface shape of the sample. Therefore, the position of the probe tip on each scanning point can be calculated from the control voltage applied to the piezoelectric body, and based on the position data of the probe tip calculated from the control voltage applied to this piezoelectric body, By forming a three-dimensional image showing the surface shape of the sample, the surface shape of the sample can be observed.

【0007】また、原子間力顕微鏡は、絶縁体の表面形
状を原子オーダで観察することのできる装置であり、試
料表面を走査する探針は柔軟なカンチレバーによって支
持されている。また、上述同様に試料を圧電体上に保持
し、探針と試料との間の距離を調整することができるよ
うにしてある。
Further, the atomic force microscope is an apparatus capable of observing the surface shape of an insulator in atomic order, and a probe for scanning the sample surface is supported by a flexible cantilever. Further, similarly to the above, the sample is held on the piezoelectric body so that the distance between the probe and the sample can be adjusted.

【0008】そして、原子間力顕微鏡では探針を試料表
面に近付けると、探針先端の原子と試料表面の原子との
間には、ファンデル・ワールス(Vander Waa
ls)相互作用による引力が働き、さらに原子の結合距
離程度にまで近付けると、パウリ(Pauli)の排他
律による斥力が働くことを利用する。
Then, in the atomic force microscope, when the probe is brought close to the sample surface, a van der Waals (Vander Waa) is generated between the atom at the tip of the probe and the atom on the sample surface.
ls) An attractive force due to the interaction is exerted, and when it is brought closer to the bond distance of atoms, the repulsive force due to the Pauli exclusion rule is utilized.

【0009】これらの引力および斥力(原子間力)は非
常に小さい。しかし、探針は柔軟なカンチレバーによっ
て支持されているため、探針先端の原子が原子間力を受
けると、その大きさに応じてカンチレバーが変位する。
そして、探針を試料表面に沿って走査させると、試料表
面の凹凸に対応して探針と試料との間の距離が変化する
ため、カンチレバーが変位するので、このカンチレバー
が変位量を検出し、上記圧電体等の微動素子により構成
された微動位置調整装置をフィードバック制御してカン
チレバーの変位量を一定に保つようにする。
These attractive force and repulsive force (atomic force) are very small. However, since the probe is supported by a flexible cantilever, when the atom at the tip of the probe receives an interatomic force, the cantilever is displaced according to its size.
Then, when the probe is scanned along the sample surface, the distance between the probe and the sample changes corresponding to the unevenness of the sample surface, so the cantilever is displaced, and this cantilever detects the displacement amount. The fine movement position adjusting device constituted by the fine movement element such as the piezoelectric body is feedback-controlled to keep the displacement amount of the cantilever constant.

【0010】従って、このときの圧電体への印加電圧
は、探針が走査している試料の表面形状に依存する関係
があるので、この印加電圧情報より試料表面の凹凸像を
得ることができる。
Therefore, since the voltage applied to the piezoelectric body at this time has a relationship depending on the surface shape of the sample being scanned by the probe, an uneven image of the sample surface can be obtained from this applied voltage information. .

【0011】磁気力顕微鏡は、原子間力顕微鏡と同様
に、探針と試料の磁性粒子との間に働く磁力を一定に保
ちながら、探針を試料表面に対して走査させることによ
って、試料表面の凹凸像を得る。
Like the atomic force microscope, the magnetic force microscope scans the sample surface by scanning the sample surface while keeping the magnetic force acting between the probe and the magnetic particles of the sample constant. To obtain the uneven image of.

【0012】なお、原子間力顕微鏡または磁気力顕微鏡
に用いられるカンチレバーに設けられた探針を導電性物
質で構成し、トンネル電流を検出できるようにすれば、
走査型トンネル顕微鏡としても利用することができるよ
うになる。そして、原子間力顕微鏡および磁気力顕微鏡
においても、探針の試料表面に対する走査は、探針を移
動させる方式、試料を移動させる方式のいずれであって
も構わない。
If the probe provided on the cantilever used in the atomic force microscope or the magnetic force microscope is made of a conductive material so that the tunnel current can be detected,
It can also be used as a scanning tunneling microscope. Also in the atomic force microscope and the magnetic force microscope, the scanning of the probe surface with respect to the sample may be either a method of moving the probe or a method of moving the sample.

【0013】ところで、このような走査型プローブ顕微
鏡の基本的な構成例をブロック図で示すと図7の如きで
ある。図において、1はホストコンピュータ、2はマイ
コン、3はA/D変換部、4はZ方向制御をするための
D/A変換部である。また、5はX方向制御するための
D/A変換部、6はY方向制御をするためのD/A変換
部、7はカンチレバーZ変位を検出するカンチレバー変
位検出部、8はカンチレバー、8aは探針、10は試
料、11は試料台、9はXYZ駆動用円筒型圧電体であ
って、上記D/A変換部4〜6の出力を受けてXYZ軸
方向に変位できるものである。
By the way, a basic configuration example of such a scanning probe microscope is shown in a block diagram as shown in FIG. In the figure, 1 is a host computer, 2 is a microcomputer, 3 is an A / D converter, and 4 is a D / A converter for controlling the Z direction. Further, 5 is a D / A conversion unit for controlling the X direction, 6 is a D / A conversion unit for controlling the Y direction, 7 is a cantilever displacement detecting unit for detecting a cantilever Z displacement, 8 is a cantilever, and 8a is The probe 10, 10 is a sample, 11 is a sample stand, and 9 is a XYZ driving cylindrical piezoelectric body, which can be displaced in the XYZ axis directions by receiving the outputs of the D / A converters 4 to 6.

【0014】試料台11は試料10を載置して保持する
ためのものであって、この試料台11は移動ステージを
構成する円筒型圧電体9上に固定して設けられている。
試料台11および円筒型圧電体9により、試料10の移
動ステージを構成しており、試料台11上の試料10を
XYZ軸方向に位置調整できる。
The sample table 11 is for mounting and holding the sample 10, and the sample table 11 is fixedly provided on the cylindrical piezoelectric body 9 constituting the moving stage.
The sample stage 11 and the cylindrical piezoelectric body 9 constitute a moving stage for the sample 10, and the position of the sample 10 on the sample stage 11 can be adjusted in the XYZ axis directions.

【0015】圧電体9は図8に示すように、圧電材料を
円筒形に形成した円筒型圧電体9を用い、その内周面全
体に内周面電極9aを形成してあり、また、円筒型圧電
体9の外周面には周面を円筒の軸線方向に沿って四分割
したそれぞれの領域に、外周側電極9bを形成した構成
としてある。
As shown in FIG. 8, the piezoelectric body 9 is a cylindrical piezoelectric body 9 formed of a cylindrical piezoelectric material, and an inner peripheral surface electrode 9a is formed on the entire inner peripheral surface thereof. On the outer peripheral surface of the die piezoelectric body 9, the outer peripheral electrode 9b is formed in each of the regions obtained by dividing the peripheral surface into four along the axial direction of the cylinder.

【0016】内周面電極9aは共通電極であり、この共
通電極9aと外周側電極9bとの間に、電圧を印加する
ことにより、円筒型圧電体9にはこの印加電圧に応じた
変形(歪み)が生じるよう構成されている。なお、円筒
型圧電体9の下部はしっかりした基盤に固定されて保持
される。また、円筒型圧電体9の上端には試料台11を
固定して取り付けてある。
The inner peripheral surface electrode 9a is a common electrode, and by applying a voltage between the common electrode 9a and the outer peripheral side electrode 9b, the cylindrical piezoelectric body 9 is deformed according to the applied voltage ( Distortion). The lower part of the cylindrical piezoelectric body 9 is fixed and held by a solid base. A sample base 11 is fixedly attached to the upper end of the cylindrical piezoelectric body 9.

【0017】移動ステージ部分を構成する円筒型圧電体
9の4つの電極9aのうち、対向する一対の電極をそれ
ぞれペアとして一組にはX方向用の、他方の組にはY方
向用の駆動電圧を印加することにより、X方向、Y方向
に変形させることができる。また、4つの電極9aに同
時に同レベルの電圧を印加することにより、Z方向に変
形させることができる。
Of the four electrodes 9a of the cylindrical piezoelectric body 9 constituting the moving stage portion, a pair of electrodes facing each other are paired to drive one set for the X direction and the other set for the Y direction. By applying a voltage, it can be deformed in the X and Y directions. Further, by applying the same voltage level to the four electrodes 9a at the same time, the electrodes can be deformed in the Z direction.

【0018】このように、圧電体を円筒型に形成して構
成した圧電体9を用いた移動ステージは、制御信号(Z
制御信号S2、X制御信号S3、Y制御信号S4)に応
じて試料台2をX軸、Y軸、Z軸方向に移動できる。こ
れにより、試料1はカンチレバー8の探針8aに対して
X軸、Y軸方向に走査され、また、Z軸方向に位置制御
される。
As described above, the movable stage using the piezoelectric body 9 formed by forming the piezoelectric body into a cylindrical shape has a control signal (Z
The sample stage 2 can be moved in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions according to the control signal S2, the X control signal S3, and the Y control signal S4). As a result, the sample 1 is scanned in the X-axis and Y-axis directions with respect to the probe 8a of the cantilever 8 and the position is controlled in the Z-axis direction.

【0019】カンチレバー8は、その基端側が定位置に
固定されている。そして、カンチレバー9は、その自由
端先端側のZ軸方向の変位をカンチレバーZ変位検出用
の変位検出部7により検出される構成となっている。
The cantilever 8 has its base end side fixed to a fixed position. Then, the cantilever 9 is configured so that the displacement of the free end tip side in the Z-axis direction is detected by the displacement detection unit 7 for detecting the cantilever Z displacement.

【0020】カンチレバー変位検出部7はZ軸方向変位
を検出してその検出量に対応した出力であるZ変位信号
S1を発生するものである。
The cantilever displacement detector 7 detects the displacement in the Z-axis direction and generates a Z displacement signal S1 which is an output corresponding to the detected amount.

【0021】マイコン2は本システムの制御の中枢を担
うものであり、試料10の測定時に試料台11をXY走
査するために、観測時ではXY走査用の走査駆動信号を
発生してX方向用,Y方向用のD/A変換部5,6に与
え、また、試料台11をZ軸方向(円筒型圧電体9の軸
方向)に制御するために、その制御量を演算してZ制御
用のD/A変換部4に与えたり、また、当該Z軸方向制
御量に対応したデータを試料表面の凹凸データの情報に
変換してホストコンピュータ1に与える機能を有する。
The microcomputer 2 plays a central role in controlling the system, and in order to scan the sample table 11 in the XY direction when measuring the sample 10, a scanning drive signal for the XY scanning is generated during observation to generate the X direction. , And Y-direction D / A converters 5 and 6, and in order to control the sample stage 11 in the Z-axis direction (axial direction of the cylindrical piezoelectric body 9), the control amount thereof is calculated to perform Z control. It also has a function of supplying the data to the host computer 1 by converting the data corresponding to the Z-axis direction control amount into information of the unevenness data of the sample surface and providing it to the host computer 1.

【0022】X方向用,Y方向用のD/A変換部5,6
はマイコン2からのX方向用,Y方向用の走査指令出力
D3,D4によりX制御信号S3、Y制御信号S4を発
生させて圧電体9へ与えるものであり、圧電体9はこの
X制御信号S3、Y制御信号S4に応じて、X軸方向、
Y軸方向に変位するように構成されていて、圧電体9の
このような変位により、探針8aに対する試料10のX
Y走査を行わせることができるようにしてある。
D / A converters 5 and 6 for the X and Y directions
Is for generating an X control signal S3 and a Y control signal S4 by scanning command outputs D3 and D4 for the X direction and the Y direction from the microcomputer 2 and giving them to the piezoelectric body 9. The piezoelectric body 9 is the X control signal. According to S3 and Y control signal S4, X-axis direction,
The piezoelectric body 9 is configured to be displaced in the Y-axis direction, and the displacement of the piezoelectric body 9 causes the X-axis of the sample 10 with respect to the probe 8a.
The Y scanning can be performed.

【0023】A/D変換部3はカンチレバー変位検出部
7からのZ変位信号S1を受けて、これをディジタルデ
ータD1に変換する装置であり、マイコン2には当該デ
ィジタルデータD1を受けて、Z変位信号S1を基準値
に保つようにするために、円筒型圧電体9をZ軸方向に
伸縮させるZ制御信号S2のディジタルデータD2を出
力する機能を持たせてある他、このZ制御信号S2のデ
ィジタルデータD2を、ホストコンピュータ1へ試料表
面の凹凸情報を示す凹凸データD8として転送する機能
を有する。また、ホストコンピュータ1はこの凹凸デー
タD8とXY走査の指令情報とをもとに、試料10の表
面凹凸を画像形成してディスプレイ装置やプリンタ等の
出力装置に出力表示するものである。
The A / D conversion unit 3 is a device for receiving the Z displacement signal S1 from the cantilever displacement detection unit 7 and converting it into digital data D1. The microcomputer 2 receives the digital data D1 and Z In order to keep the displacement signal S1 at the reference value, it has a function of outputting the digital data D2 of the Z control signal S2 for expanding and contracting the cylindrical piezoelectric body 9 in the Z-axis direction, and also the Z control signal S2. The digital data D2 of No. 2 is transferred to the host computer 1 as the unevenness data D8 indicating the unevenness information of the sample surface. Further, the host computer 1 forms an image of the surface unevenness of the sample 10 based on the unevenness data D8 and the XY scanning command information, and outputs and displays it on an output device such as a display device or a printer.

【0024】このような構成において、試料10を試料
台11上にセットしてスタートさせると、マイコン2は
D/A変換部5,6を介してX制御信号S3、Y制御信
号S3を円筒型圧電体9へ出力し、円筒型圧電体9をX
Y方向に変位させて、試料10を2次元走査させる。こ
れによって、カンチレバー8の先端の探針8aは、試料
10の表面を所定の距離が保持されるように、以下のよ
うなZ軸制御のもとでXY走査されることになる。
In such a structure, when the sample 10 is set on the sample table 11 and started, the microcomputer 2 sends the X control signal S3 and the Y control signal S3 through the D / A converters 5 and 6 in a cylindrical shape. Output to the piezoelectric body 9 and the cylindrical piezoelectric body 9
The sample 10 is two-dimensionally scanned by displacing it in the Y direction. As a result, the probe 8a at the tip of the cantilever 8 is XY-scanned under the following Z-axis control so that the surface of the sample 10 is held at a predetermined distance.

【0025】すなわち、試料10の表面に探針8aを近
付けて走査することにより、試料10の表面の凹凸に従
って探針先端が原子間力あるいは磁気力の影響により吸
引あるいは反発されてカンチレバー8が変位する。
That is, when the probe 8a is brought close to the surface of the sample 10 for scanning, the tip of the probe is attracted or repelled by the influence of the atomic force or the magnetic force according to the unevenness of the surface of the sample 10, and the cantilever 8 is displaced. To do.

【0026】カンチレバー変位検出部7はカンチレバー
8先端のZ軸方向の変位を検出し、Z変位信号S1を出
力する。Z変位信号S1はA/D変換部3に入力され、
ディジタルデータに変換してマイコン2に入力する。マ
イコン2ではこのZ変位信号S1に応じて、これを基準
値に保つようなZ軸の変位量を求め、これをZ制御信号
S2として出力する。
The cantilever displacement detector 7 detects the displacement of the tip of the cantilever 8 in the Z-axis direction and outputs a Z displacement signal S1. The Z displacement signal S1 is input to the A / D conversion unit 3,
It is converted into digital data and input to the microcomputer 2. The microcomputer 2 obtains a Z-axis displacement amount that keeps the Z-displacement signal S1 at a reference value in accordance with the Z-displacement signal S1 and outputs it as a Z control signal S2.

【0027】このようにして、マイコン2はZ変位信号
S1に応じて、これを基準値に保つようなZ軸の変位量
を得て、Z制御信号S2として出力し、円筒型圧電体9
に与えるので、円筒型圧電体9は探針8aの試料表面に
対する距離に従って、Z軸方向伸縮制御がなされ、試料
10と探針8aの先端との間の距離が制御される。
In this way, the microcomputer 2 obtains the Z-axis displacement amount that keeps the Z-displacement signal S1 at the reference value in accordance with the Z-displacement signal S1 and outputs it as the Z control signal S2.
Therefore, the cylindrical piezoelectric body 9 is controlled to expand and contract in the Z-axis direction according to the distance of the probe 8a to the sample surface, and the distance between the sample 10 and the tip of the probe 8a is controlled.

【0028】また、マイコン2はZ制御信号S2のデー
タを、ホストコンピュータ1へ凹凸デ−タとして転送
し、また、XY走査の位置情報を合わせて位置データと
してホストコンピュータ1に送る。ホストコンピュータ
1はこれらの情報をもとに、試料1の表面凹凸を画像形
成して表示する。
Further, the microcomputer 2 transfers the data of the Z control signal S2 to the host computer 1 as uneven data, and also sends the positional information of XY scanning together to the host computer 1 as the positional data. The host computer 1 forms an image of the surface unevenness of the sample 1 based on these information and displays it.

【0029】走査型プローブ顕微鏡は基本的にはこのよ
うなものであるが、圧電体9にはそのZ方向変位に非線
形性があることから、画像の再現性が問題になる。かか
る非線形性を改善するために、提案された装置が図9に
示された如き構成である。
The scanning probe microscope is basically like this, but the reproducibility of the image becomes a problem because the piezoelectric body 9 has nonlinearity in its Z-direction displacement. In order to improve such non-linearity, the proposed device has a configuration as shown in FIG.

【0030】すなわち、図9は円筒型圧電体9に、当該
圧電体9のZ方向変位量を検出するための圧電体変位検
出部12を設けたものであり、圧電体変位検出部12の
検出信号S5をA/D変換部21でA/D変換し、マイ
コン2に与える構成としてある。マイコン2ではZ制御
信号S2のデータを、ホストコンピュータ1へ凹凸デ−
タとして転送するかわりに、圧電体変位検出部12の検
出出力S5をA/D変換部21でA/D変換したS5の
ディジタルデータD5を、ホストコンピュータ1へ凹凸
デ−タとして転送する構成とする。
That is, FIG. 9 shows a cylindrical piezoelectric body 9 provided with a piezoelectric body displacement detector 12 for detecting the amount of displacement of the piezoelectric body 9 in the Z direction. The signal S5 is A / D converted by the A / D converter 21 and given to the microcomputer 2. The microcomputer 2 sends the data of the Z control signal S2 to the host computer 1 for the unevenness data.
Instead of being transferred as data, the detection output S5 of the piezoelectric displacement detection unit 12 is A / D converted by the A / D conversion unit 21 and digital data D5 of S5 is transferred to the host computer 1 as uneven data. To do.

【0031】この装置では圧電体変位検出部12を含め
た試料走査/検出系の構成は概略的に示すと図10の如
きであり、基盤13a上に支持柱13bを植立して構成
したL型の鏡体13の上記支持柱13b上部にカンチレ
バー変位検出部7を保持させる。円筒型の圧電体9を鏡
体13の上記基盤13a上に植立して底部を固定する。
In this apparatus, the structure of the sample scanning / detecting system including the piezoelectric body displacement detecting section 12 is schematically shown in FIG. 10, and the support column 13b is erected on the base 13a. The cantilever displacement detection part 7 is held on the upper portion of the support column 13b of the mold body 13. The cylindrical piezoelectric body 9 is erected on the base 13a of the mirror body 13 to fix the bottom portion.

【0032】円筒型の圧電体9の上部には試料台11が
固定され、この試料台11の下面には圧電体9の筒内部
空間に位置させてフォトディテクタ(受光素子)12a
を設けてある。また、上記基盤13a側には圧電体9の
筒内部空間に対向させて光源であるレーザダイオード1
2eが設けてあり、また、圧電体9の筒内部空間にはそ
の両端側近傍にコリメートレンズ12d、集光レンズ1
2bが設けてある。
A sample base 11 is fixed to the upper part of the cylindrical piezoelectric body 9, and a photodetector (light receiving element) 12a is positioned on the lower surface of the sample base 11 in the space inside the cylinder of the piezoelectric body 9.
Is provided. On the side of the base 13a, the laser diode 1 serving as a light source is arranged so as to face the inner space of the cylinder of the piezoelectric body 9.
2e is provided, and the collimator lens 12d and the condenser lens 1 are provided in the cylinder inner space of the piezoelectric body 9 near both ends thereof.
2b is provided.

【0033】そして、圧電体9が変形を受けていない状
態では、フォトディテクタ12a、レーザダイオード1
2e、コリメートレンズ12d、集光レンズ12bは光
軸をが圧電体9の軸心に合わせて配置してある。
When the piezoelectric body 9 is not deformed, the photodetector 12a and the laser diode 1 are
2e, the collimator lens 12d, and the condenser lens 12b are arranged with their optical axes aligned with the axis of the piezoelectric body 9.

【0034】フォトディテクタ12aは図11に示すよ
うに、受光面101が中央にあり、円形をしている。そ
して、レーザダイオード12eから出力されたビーム
は、コリメートレンズ12dでコリメートされた後、圧
電体9の筒内部空間を進み、集光レンズ12bで集光さ
れてフォトディテクタ12aの受光面101にスポット
を結ぶ。
As shown in FIG. 11, the photodetector 12a has a light receiving surface 101 in the center and has a circular shape. Then, the beam output from the laser diode 12e is collimated by the collimator lens 12d, then advances through the internal space of the cylinder of the piezoelectric body 9, is condensed by the condenser lens 12b, and forms a spot on the light receiving surface 101 of the photodetector 12a. .

【0035】そして、圧電体9が標準長の時は、図11
(b)に示すように、受光面101の径より二回り程度
大きいスポットサイズで、受光面101に集光し、圧電
体9がZ方向に縮むと図11(a)に示すように、標準
長の場合よりもさらに大きいスポットサイズで、受光面
101に集光し、圧電体9がZ方向に伸びると図11
(c)に示すように、標準長の場合よりも小さいスポッ
トサイズで、受光面101に集光するように集光レンズ
12bのフォトディテクタ12aに対する位置を設定し
ておくことで、圧電体9のZ方向に対する伸縮に応じて
フォトディテクタ12aの受光面101に対する集光ス
ポット102の径が大きくなったり、小さくなったりし
て変わり、この集光スポット102の径の変化により、
受光面101の光量が変わることを利用して圧電体9の
Z方向に対する伸縮量に対応した検出出力をフォトディ
テクタ12aから得るようにした構成である。
When the piezoelectric body 9 has a standard length, FIG.
As shown in FIG. 11B, when the spot size is about two times larger than the diameter of the light receiving surface 101, the light is condensed on the light receiving surface 101 and the piezoelectric body 9 contracts in the Z direction, as shown in FIG. When the piezoelectric body 9 is focused on the light receiving surface 101 and extends in the Z direction with a spot size larger than that in the case of the length, FIG.
As shown in (c), by setting the position of the condenser lens 12b with respect to the photodetector 12a so that the light is condensed on the light receiving surface 101 with a spot size smaller than that of the standard length, the Z of the piezoelectric body 9 is reduced. The diameter of the focused spot 102 with respect to the light receiving surface 101 of the photodetector 12a increases or decreases depending on the expansion and contraction in the direction. Due to the change in the diameter of the focused spot 102,
This is a configuration in which the detection output corresponding to the expansion / contraction amount of the piezoelectric body 9 in the Z direction is obtained from the photodetector 12a by utilizing the change in the light amount of the light receiving surface 101.

【0036】このような構成の圧電体変位検出部12を
用いた走査型プローブ顕微鏡によれば、試料10をZ方
向に移動しながら2次元方向に走査し、このときの圧電
体9のZ方向変位量を圧電体変位検出部12で検出し
て、この検出されたZ変位信号S5を、A/D変換部2
1でA/D変換し、これにより得たデータD5を試料表
面の凹凸情報として画像形成に供することができる。
According to the scanning probe microscope using the piezoelectric body displacement detecting section 12 having such a configuration, the sample 10 is scanned in the two-dimensional direction while moving in the Z direction, and the piezoelectric body 9 at this time in the Z direction. The amount of displacement is detected by the piezoelectric body displacement detector 12, and the detected Z displacement signal S5 is detected by the A / D converter 2
The data D5 obtained by A / D conversion in 1 can be used for image formation as unevenness information of the sample surface.

【0037】従って、この構成の場合、圧電体変位検出
部12の検出精度さえ確保されていれば、円筒型圧電体
9の非線形性の影響を排除した凹凸像を再現できるよう
になる。
Therefore, in the case of this configuration, as long as the detection accuracy of the piezoelectric body displacement detection section 12 is ensured, it is possible to reproduce the uneven image in which the influence of the nonlinearity of the cylindrical piezoelectric body 9 is eliminated.

【0038】[0038]

【発明が解決しようとする課題】図7に示したような従
来の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面と探針先端を
一定距離に保つように、マイコン2によってZ方向制御
(Zサーボ)演算し、D/A変換部(Z)4からZ制御
信号S2を円筒型圧電体9に印加して円筒型圧電体9を
伸縮させて、試料10をZ方向に移動しながら2次元方
向に走査し、このときのZ制御信号S2(Zサーボ演算
値)を、試料表面の凹凸情報として画像形成している。
In the conventional scanning probe microscope as shown in FIG. 7, the microcomputer 2 performs Z direction control (Z servo) calculation so as to keep the sample surface and the tip of the probe at a constant distance. , A Z control signal S2 is applied from the D / A converter (Z) 4 to the cylindrical piezoelectric body 9 to expand and contract the cylindrical piezoelectric body 9, and the sample 10 is scanned in the two-dimensional direction while moving in the Z direction. An image is formed using the Z control signal S2 (Z servo calculation value) at this time as the unevenness information of the sample surface.

【0039】また、図9の構成では、圧電体9のZ方向
変位の非線形性を改善するために、試料10を図7と同
様にZ方向に移動しながら2次元方向に走査し、このと
きの圧電体9のZ方向変位を圧電体変位検出部12で検
出し、この検出されたZ変位信号S5を、A/D変換部
21でA/D変換し、試料表面の凹凸情報として画像形
成するようにしたものである。
Further, in the configuration of FIG. 9, in order to improve the nonlinearity of the displacement of the piezoelectric body 9 in the Z direction, the sample 10 is scanned in the two-dimensional direction while moving in the Z direction as in FIG. The displacement of the piezoelectric body 9 in the Z direction is detected by the piezoelectric body displacement detection unit 12, and the detected Z displacement signal S5 is A / D converted by the A / D conversion unit 21 to form an image as unevenness information of the sample surface. It is something that is done.

【0040】いずれにせよ、走査型プローブ顕微鏡は、
試料表面と探針先端を一定距離に保つように、試料をZ
方向に制御しながら、2次元方向に走査し、このときの
圧電体Z方向変位量対応の情報を、試料表面の凹凸情報
として用い、画像形成している。
In any case, the scanning probe microscope is
Z the sample so that the sample surface and the tip of the probe are kept at a certain distance.
While controlling the direction, scanning is performed in a two-dimensional direction, and the information corresponding to the displacement amount of the piezoelectric body Z direction at this time is used as the unevenness information of the sample surface to form an image.

【0041】ところで、カンチレバー変位検出部7から
得られるZ変位信号S1が一定の値になるようにZ制御
信号S2を発生して圧電体9のZ方向変位制御をするに
あたり、そのZ制御信号S2のレベルは、圧電体の特性
の影響を受ける。すなわち、圧電体の特性として、印加
電圧に対する変位との関係が図12(a)に示すような
ヒステリシス特性があるために、Z制御信号S2のレベ
ルは、このヒステリシス特性に合わせたものとなること
から、このヒステリシス特性に沿った歪みを有すること
となり、試料の実際の凹凸を正確に反映したものとなら
ない。
By the way, when the Z control signal S2 is generated so that the Z displacement signal S1 obtained from the cantilever displacement detection unit 7 becomes a constant value, and the Z direction displacement control of the piezoelectric body 9 is performed, the Z control signal S2 is generated. Level is affected by the characteristics of the piezoelectric body. That is, as the characteristic of the piezoelectric body, there is a hysteresis characteristic as shown in FIG. 12A in which the relationship with the displacement with respect to the applied voltage is present, and therefore the level of the Z control signal S2 is adapted to this hysteresis characteristic. Therefore, there is distortion along this hysteresis characteristic, and it does not accurately reflect the actual unevenness of the sample.

【0042】そして、ヒステリシス特性の性質上、ミク
ロ的な変化である微細な凹凸については余り影響はない
が、試料のマクロ的な高さ変化については直接的に大き
な影響を受けることになる。故に、分解能は良いが、全
体的な精度が問題になる。
Due to the nature of the hysteresis characteristic, there is little effect on microscopic unevenness, which is a microscopic change, but it is directly affected by a macroscopic height change of the sample. Therefore, the resolution is good, but the overall accuracy becomes a problem.

【0043】一方、この問題点を解決するために圧電体
のZ変位を検出するZ変位検出手段を設けた装置が図9
の構成である。しかしながら、そのZ変位検出分解能は
圧電体印加電圧信号と比べて劣ると云う欠点がある為
に、分解能の低い凹凸情報しか得られない。
On the other hand, in order to solve this problem, an apparatus provided with a Z displacement detecting means for detecting the Z displacement of the piezoelectric body is shown in FIG.
It is the structure of. However, since the Z displacement detection resolution is inferior to the piezoelectric applied voltage signal, only unevenness information with low resolution can be obtained.

【0044】すなわち、上述したように、Z変位検出手
段である圧電体変位検出部12は、円筒型圧電体の筒空
間に設けた光学系により、円筒型圧電体上部の試料台下
部に設けたフォトデティクタに光スポットを集光させる
構成であり、その単位面積あたりの明るさに対応した検
出信号の形で円筒型圧電体のZ方向変位量を得る構成で
ある。
That is, as described above, the piezoelectric body displacement detection section 12, which is the Z displacement detection means, is provided below the sample table above the cylindrical piezoelectric body by the optical system provided in the cylindrical space of the cylindrical piezoelectric body. The photodetector is configured to focus a light spot, and the Z-direction displacement amount of the cylindrical piezoelectric body is obtained in the form of a detection signal corresponding to the brightness per unit area.

【0045】そして、この場合、フォトデティクタの検
出特性は、光量検出であるがゆえに微小なZ変位に対し
ては検知能力が低い。従って、分解能は低いが、その反
面、図12(b)に示すように、円筒型圧電体のZ変位
量に対して、フォトデティクタの検出特性は飽和特性を
示すものの、リニアな範囲が広い。このことは、試料の
マクロ的な変化の度合いは精度良く検出できることを意
味する。
In this case, the detection characteristic of the photodetector is low in its ability to detect a minute Z displacement because it detects the amount of light. Therefore, although the resolution is low, on the other hand, as shown in FIG. 12B, the detection characteristic of the photodetector shows a saturation characteristic with respect to the Z displacement amount of the cylindrical piezoelectric body, but the linear range is wide. . This means that the degree of macroscopic change of the sample can be accurately detected.

【0046】そのため、試料の表面が全体的に大きな凹
凸を持ち、しかも、微細な凹凸を含む場合に、上記いず
れの方式においても、試料の凹凸像を精度良く観察する
ことができない。
Therefore, in the case where the surface of the sample has large unevenness as a whole and includes fine unevenness, the uneven image of the sample cannot be accurately observed by any of the above methods.

【0047】そこで、この発明の目的とするところは、
試料の表面が全体的に大きな凹凸を持ち、しかも、微細
な凹凸を含む場合においても、その凹凸像を精度良く観
察することができるようにした走査型プローブ顕微鏡を
提供することにある。
Therefore, the object of the present invention is to
An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of accurately observing an uneven image even when the surface of the sample has large unevenness as a whole and further includes fine unevenness.

【0048】[0048]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明はつぎのように構成した。すなわち、本発明
は試料台を圧電体のXYZ方向への変位制御によりXY
走査およびZ方向位置制御を行い、試料台上の試料の表
面をカンチレバーにより走査し、その際、カンチレバー
のZ方向変位を検出し、この検出信号をもとにカンチレ
バー先端の探針と試料表面との距離を一定に保つよう
に、圧電体のZ方向位置制御を行うと共に、このZ方向
位置の情報に基づいて試料の表面の凹凸像を再現するよ
うにした走査型プローブ顕微鏡において、上記圧電体の
Z方向変位を光学的に検出する圧電体Z方向変位検出手
段と、この圧電体Z方向変位検出手段の検出出力から高
周波成分を除去する第1の手段と、上記Z方向位置制御
の情報を用い、この情報の低周波成分を除去する第2の
手段と、これら第1および第2の手段を介して得た出力
を加算してZ方向位置の情報とする加算手段とを具備し
て構成した。
In order to achieve the above object, the present invention has the following constitution. That is, according to the present invention, the sample stage is controlled by the displacement control of the piezoelectric body in the XYZ directions.
Scanning and Z position control are performed, the surface of the sample on the sample table is scanned by the cantilever, the Z direction displacement of the cantilever is detected at that time, and the probe at the tip of the cantilever and the sample surface are detected based on this detection signal. In the scanning probe microscope, the piezoelectric body is controlled in the Z direction so as to keep a constant distance, and an uneven image on the surface of the sample is reproduced based on the information on the Z direction. The piezoelectric body Z-direction displacement detection means for optically detecting the Z-direction displacement, the first means for removing high-frequency components from the detection output of the piezoelectric body Z-direction displacement detection means, and the Z-direction position control information. A second means for removing the low frequency component of this information and an adding means for adding the outputs obtained through the first and second means to obtain the Z-direction position information are configured. did.

【0049】[0049]

【作用】このような構成において、圧電体Z方向変位検
出手段の検出出力から高周波成分を除去して得たもの
と、上記Z方向位置制御の情報の低周波成分を除去した
ものとを加算し、この加算して得られたZ変位位置の合
成データを試料表面の凹凸情報とすることで、上記圧電
体の変位特性による低周波成分の信頼性低下(試料表面
のミクロ的変化に対する精度は良いが、マクロ的変化に
対する精度の悪さ)と、上記圧電体Z方向変位検出手段
の持つ高周波成分の信頼性の悪さ(試料表面のマクロ的
変化に対する精度は良いが、ミクロ的変化に対する精度
の悪さ)を相互補間して高精度かつ高分解能な凹凸情報
が得られるようにした。
In such a configuration, the one obtained by removing the high frequency component from the detection output of the piezoelectric body Z direction displacement detecting means and the one obtained by removing the low frequency component of the Z direction position control information are added. By using the synthetic data of the Z displacement position obtained by this addition as the unevenness information of the sample surface, the reliability of the low frequency component due to the displacement characteristics of the piezoelectric body is lowered (the accuracy for the microscopic change of the sample surface is good. However, the precision with respect to macroscopic changes) and the reliability of the high frequency component of the piezoelectric body Z-direction displacement detection means (the precision with respect to macroscopic changes on the sample surface is good, but the precision with respect to microscopic changes is poor). Is mutually interpolated so that highly accurate and high resolution unevenness information can be obtained.

【0050】本発明では、試料微動走査機構である圧電
体のZ変位を光学的に検出するZ方向変位検出手段を設
け、試料表面とカンチレバー探針先端を一定距離に保つ
ように、Z制御(Zサーボ)系によって圧電体を伸縮変
位させて、試料をZ方向に移動しながら2次元方向に走
査するとき、Z変位検出手段で検出したZ変位信号の低
周波成分とZ制御信号の高周波成分を合成した信号を、
試料表面の凹凸情報として画像形成に供するようにした
ものである。
In the present invention, the Z direction displacement detecting means for optically detecting the Z displacement of the piezoelectric body, which is the sample fine movement scanning mechanism, is provided, and the Z control (so as to keep the sample surface and the tip of the cantilever probe at a constant distance). (Z servo) system, the piezoelectric body is expanded and contracted and displaced, and when the sample is scanned in the two-dimensional direction while moving in the Z direction, the low frequency component of the Z displacement signal and the high frequency component of the Z control signal detected by the Z displacement detection means. Of the combined signal
This is used for image formation as unevenness information of the sample surface.

【0051】これによって、高精度かつ高分解能な凹凸
情報を得ることができることから、本発明によれば、試
料の表面が全体的に大きな凹凸を持ち、しかも、微細な
凹凸を含む場合においても、その凹凸像を精度良く観察
することができるようにした走査型プローブ顕微鏡を提
供することができる。
This makes it possible to obtain highly accurate and high-resolution ruggedness information. Therefore, according to the present invention, even when the surface of the sample has large ruggedness as a whole, and includes fine ruggedness, It is possible to provide a scanning probe microscope capable of accurately observing the unevenness image.

【0052】[0052]

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

【0053】(第1実施例)図1に、本発明の第1実施
例の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す。図において、
1はホストコンピュータ、2はマイコン(マイクロコン
ピュータ)、3はA/D変換部、4はZ方向制御をする
ためのD/A変換部である。また、5はX方向制御する
ためのD/A変換部、6はY方向制御をするためのD/
A変換部、7はカンチレバーZ変位を検出するカンチレ
バー変位検出部、8はカンチレバー、8aは探針であ
る。
(First Embodiment) FIG. 1 shows the arrangement of a scanning probe microscope according to the first embodiment of the present invention. In the figure,
Reference numeral 1 is a host computer, 2 is a microcomputer (microcomputer), 3 is an A / D converter, and 4 is a D / A converter for controlling the Z direction. Further, 5 is a D / A converter for controlling the X direction, and 6 is a D / A converter for controlling the Y direction.
A conversion unit, 7 is a cantilever displacement detection unit that detects the displacement of the cantilever Z, 8 is a cantilever, and 8a is a probe.

【0054】また、12は圧電体変位検出部、21はA
/D変換部、22は加算器、23はハイパスフィルタ
(HPF)、24はローパスフィルタ(LPF)であ
る。
Reference numeral 12 is a piezoelectric displacement detection unit, and 21 is A.
A / D converter, 22 is an adder, 23 is a high-pass filter (HPF), and 24 is a low-pass filter (LPF).

【0055】また、10は試料、11は試料台、9はX
YZ駆動用円筒型圧電体であって、上記D/A変換部4
〜6の出力を受けてXYZ軸方向に変位できるものであ
る。
Further, 10 is a sample, 11 is a sample stand, and 9 is X.
A cylindrical piezoelectric body for YZ drive, comprising the D / A converter 4
It is possible to displace in the XYZ axis directions by receiving the outputs of ~ 6.

【0056】試料台11は試料10を載置して保持する
ためのものであって、この試料台11は移動ステージを
構成する円筒型圧電体9上に固定して設けられている。
試料台11および円筒型圧電体9により、試料10の移
動ステージを構成しており、試料台11上の試料10を
XYZ軸方向に位置調整できる。
The sample table 11 is for mounting and holding the sample 10, and the sample table 11 is fixedly provided on the cylindrical piezoelectric body 9 constituting the moving stage.
The sample stage 11 and the cylindrical piezoelectric body 9 constitute a moving stage for the sample 10, and the position of the sample 10 on the sample stage 11 can be adjusted in the XYZ axis directions.

【0057】圧電体9は図8で説明したように、圧電材
料を円筒形に形成した円筒型圧電体9を用い、その内周
面全体に内周面電極9aを形成してあり、また、円筒型
圧電体9の外周面には周面を円筒の軸線方向に沿って四
分割したそれぞれの領域に、外周側電極9bを形成した
構成としてある。
As described with reference to FIG. 8, the piezoelectric body 9 is a cylindrical piezoelectric body 9 formed by forming a piezoelectric material into a cylindrical shape, and an inner peripheral surface electrode 9a is formed on the entire inner peripheral surface thereof. On the outer peripheral surface of the cylindrical piezoelectric body 9, the outer peripheral side electrode 9b is formed in each of the regions obtained by dividing the peripheral surface into four along the axial direction of the cylinder.

【0058】内周面電極9aは共通電極であり、この共
通電極9aと外周側電極9bとの間に、電圧を印加する
ことにより、円筒型圧電体9にはこの印加電圧に応じた
変形(歪み)が生じるよう構成されている。なお、円筒
型圧電体9の下部はしっかりした基盤に固定されて保持
される。また、円筒型圧電体9の上端には試料台11を
固定して取り付けてある。
The inner peripheral surface electrode 9a is a common electrode, and by applying a voltage between the common electrode 9a and the outer peripheral side electrode 9b, the cylindrical piezoelectric body 9 is deformed according to the applied voltage ( Distortion). The lower part of the cylindrical piezoelectric body 9 is fixed and held by a solid base. A sample base 11 is fixedly attached to the upper end of the cylindrical piezoelectric body 9.

【0059】移動ステージ部分を構成する円筒型圧電体
9の4つの電極9aのうち、対向する一対の電極をそれ
ぞれペアとして一組にはX方向用の、他方の組にはY方
向用の駆動電圧を印加することにより、X方向、Y方向
に変形させることができる。また、4つの電極9aに同
時に同レベルの電圧を印加することにより、Z方向に変
形させることができる。
Of the four electrodes 9a of the cylindrical piezoelectric body 9 constituting the moving stage portion, a pair of electrodes facing each other are paired to drive one set for the X direction and the other set for the Y direction. By applying a voltage, it can be deformed in the X and Y directions. Further, by applying the same voltage level to the four electrodes 9a at the same time, the electrodes can be deformed in the Z direction.

【0060】このような円筒型圧電体9を用いた移動ス
テージは、制御信号(Z制御信号S3、X制御信号S
4、Y制御信号S5)に応じて試料台2をX軸、Y軸、
Z軸方向に移動できる。これにより、試料1はカンチレ
バー8の探針8aに対してX軸、Y軸方向に走査され、
また、Z軸方向に位置制御される。
The moving stage using such a cylindrical piezoelectric body 9 has control signals (Z control signal S3, X control signal S).
4, the Y-control signal S5),
It can move in the Z-axis direction. As a result, the sample 1 is scanned in the X-axis and Y-axis directions with respect to the probe 8a of the cantilever 8.
Further, the position is controlled in the Z-axis direction.

【0061】カンチレバー8は、その基端側が定位置に
固定されている。そして、カンチレバー9は、その自由
端先端側のZ軸方向の変位をカンチレバーZ変位検出用
の変位検出部7により検出される構成となっている。
The cantilever 8 has its base end side fixed to a fixed position. Then, the cantilever 9 is configured so that the displacement of the free end tip side in the Z-axis direction is detected by the displacement detection unit 7 for detecting the cantilever Z displacement.

【0062】カンチレバー変位検出部7はZ軸方向変位
を検出してその検出量に対応した出力であるZ変位信号
S1を発生するものである。
The cantilever displacement detector 7 detects the displacement in the Z-axis direction and generates the Z displacement signal S1 which is an output corresponding to the detected amount.

【0063】マイコン2は本システムの制御の中枢を担
うものであり、試料10の観測時に試料台11をXY走
査するために、XY走査用の走査駆動信号を発生してX
方向用,Y方向用のD/A変換部5,6に与え、また、
試料台11をZ軸方向(円筒型圧電体9の軸方向)に制
御するために、その制御量を演算してZ制御用のD/A
変換部4に与えたり、また、当該Z軸方向制御量に対応
したデータを試料表面の凹凸データの情報に変換してホ
ストコンピュータ1に与える機能を有する。
The microcomputer 2 plays a central role in controlling the present system, and in order to perform XY scanning of the sample table 11 when observing the sample 10, generates a scanning drive signal for XY scanning to generate X.
To the D / A converters 5 and 6 for the direction and the Y direction, and
In order to control the sample table 11 in the Z-axis direction (axial direction of the cylindrical piezoelectric body 9), the control amount is calculated and the D / A for Z control is used.
It has a function of supplying the data to the conversion unit 4 or converting data corresponding to the Z-axis direction control amount into information of unevenness data of the sample surface and supplying the information to the host computer 1.

【0064】X方向用,Y方向用のD/A変換部5,6
はマイコン2からのX方向用,Y方向用の走査指令出力
D3,D4によりX制御信号S3、Y制御信号S4を発
生させて圧電体9へ与えるものであり、圧電体9はこの
X制御信号S3、Y制御信号S4に応じて、X軸方向、
Y軸方向に変位するように構成されていて、圧電体9の
このような変位により、探針8aに対する試料10のX
Y走査を行わせることができるようにしてある。
D / A converters 5 and 6 for the X and Y directions
Is for generating an X control signal S3 and a Y control signal S4 by scanning command outputs D3 and D4 for the X direction and the Y direction from the microcomputer 2 and giving them to the piezoelectric body 9. The piezoelectric body 9 is the X control signal. According to S3 and Y control signal S4, X-axis direction,
The piezoelectric body 9 is configured to be displaced in the Y-axis direction, and the displacement of the piezoelectric body 9 causes the X-axis of the sample 10 with respect to the probe 8a.
The Y scanning can be performed.

【0065】A/D変換部3はカンチレバー変位検出部
7からのZ変位信号S1を受けて、これをディジタルデ
ータD1に変換する装置であり、マイコン2には当該デ
ィジタルデータD1を受けて、Z変位信号S1を基準値
に保つようにするために、円筒型圧電体9をZ軸方向に
伸縮させるZ制御信号S2のディジタルデータD2を出
力する機能を持たせてある。
The A / D converter 3 is a device for receiving the Z displacement signal S1 from the cantilever displacement detector 7 and converting it into digital data D1. The microcomputer 2 receives the digital data D1 and outputs the Z signal. In order to keep the displacement signal S1 at the reference value, it has a function of outputting the digital data D2 of the Z control signal S2 for expanding and contracting the cylindrical piezoelectric body 9 in the Z-axis direction.

【0066】圧電体変位検出部12は円筒型圧電体9の
Z方向変位量を検出して、その変位量に対応した信号を
アナログ信号として出力するものであり、図10で説明
した如き構成のものを用いている。ローパスフィルタ2
4はこの圧電体変位検出部12の検出出力S5の低周波
数成分を通すフィルタである。
The piezoelectric body displacement detector 12 detects the displacement amount of the cylindrical piezoelectric body 9 in the Z direction and outputs a signal corresponding to the displacement amount as an analog signal. I am using one. Low pass filter 2
Reference numeral 4 is a filter that passes the low frequency component of the detection output S5 of the piezoelectric body displacement detection unit 12.

【0067】また、ハイパスフィルタ23はD/A変換
部4の出力するZ変位制御のための信号S2を受けて、
その高周波数成分を通すフィルタであり、加算器22は
これら両フィルタ23,24を通過した信号を加算する
ものである。A/D変換部21はこの加算器22の出力
S8をA/D変換して出力するためのものであり、この
A/D変換部21でA/D変換されたデータは、マイコ
ン2に与える構成としてある。
The high pass filter 23 receives the signal S2 for Z displacement control output from the D / A converter 4,
The adder 22 is a filter that passes the high frequency component, and the adder 22 adds the signals that have passed through the filters 23 and 24. The A / D converter 21 is for A / D converting and outputting the output S8 of the adder 22, and the data A / D converted by the A / D converter 21 is given to the microcomputer 2. It is as a configuration.

【0068】マイコン2ではZ制御信号S2のデータ
を、ホストコンピュータ1へ凹凸デ−タとして転送する
かわりに、A/D変換部21からのディジタルデータ
を、ホストコンピュータ1へ凹凸デ−タとして転送する
構成とする。
In the microcomputer 2, instead of transferring the data of the Z control signal S2 to the host computer 1 as uneven data, the digital data from the A / D converter 21 is transferred to the host computer 1 as uneven data. The configuration is

【0069】また、ホストコンピュータ1はこの凹凸デ
ータとXY走査の指令情報とをもとに、試料10の表面
凹凸を画像形成してディスプレイ装置やプリンタ等の出
力装置に出力表示するものである。
Further, the host computer 1 forms an image of the surface unevenness of the sample 10 based on the unevenness data and the XY scanning command information, and outputs and displays it on an output device such as a display device or a printer.

【0070】つぎに上記構成の装置の動作を説明する。Next, the operation of the apparatus having the above configuration will be described.

【0071】上記の構成において、試料10を試料台1
1上にセットしてスタートさせると、マイコン2はD/
A変換部5,6を介してX制御信号S3、Y制御信号S
3を円筒型圧電体9へ出力し、円筒型圧電体9をXY方
向に変位させて、試料10を2次元走査させる。これに
よって、カンチレバー8探針8aは、試料10の表面を
所定の距離が保持されるように、以下のようなZ軸制御
のもとでXY走査されることになる。
In the above structure, the sample 10 is placed on the sample table 1
Set it on 1 and start it.
The X control signal S3 and the Y control signal S are transmitted through the A conversion units 5 and 6.
3 is output to the cylindrical piezoelectric body 9, the cylindrical piezoelectric body 9 is displaced in the XY directions, and the sample 10 is two-dimensionally scanned. As a result, the cantilever 8 probe 8a is XY-scanned under the following Z-axis control so that the surface of the sample 10 is held at a predetermined distance.

【0072】すなわち、試料10の表面に探針8aを近
付けて走査することにより、試料10の表面の凹凸に従
って探針先端が原子間力あるいは磁気力の影響により吸
引あるいは反発されてカンチレバー8が変位する。
That is, when the probe 8a is brought close to the surface of the sample 10 for scanning, the tip of the probe is attracted or repelled by the influence of the atomic force or the magnetic force according to the unevenness of the surface of the sample 10, and the cantilever 8 is displaced. To do.

【0073】カンチレバー変位検出部7はカンチレバー
8先端のZ軸方向の変位を検出し、Z変位信号S1を出
力する。Z変位信号S1はA/D変換部3に入力され、
ディジタルデータに変換してマイコン2に入力する。マ
イコン2ではこのZ変位信号S1に応じて、これを基準
値に保つようなZ軸の変位量を求め、これをZ制御信号
S2として出力する。
The cantilever displacement detector 7 detects the displacement of the tip of the cantilever 8 in the Z-axis direction and outputs a Z displacement signal S1. The Z displacement signal S1 is input to the A / D conversion unit 3,
It is converted into digital data and input to the microcomputer 2. The microcomputer 2 obtains a Z-axis displacement amount that keeps the Z-displacement signal S1 at a reference value in accordance with the Z-displacement signal S1 and outputs it as a Z control signal S2.

【0074】このようにして、マイコン2はZ変位信号
S1に応じて、これを基準値に保つようなZ軸の変位量
を得て、Z制御信号S2として出力し、円筒型圧電体9
に与えるので、円筒型圧電体9は探針8aの試料表面に
対する距離に従って、Z軸方向伸縮制御がなされ、試料
10と探針8aの先端との間の距離が制御される。
In this way, the microcomputer 2 obtains a Z-axis displacement amount that keeps the Z-displacement signal S1 at a reference value in accordance with the Z-displacement signal S1 and outputs it as a Z control signal S2.
Therefore, the cylindrical piezoelectric body 9 is controlled to expand and contract in the Z-axis direction according to the distance of the probe 8a to the sample surface, and the distance between the sample 10 and the tip of the probe 8a is controlled.

【0075】また、円筒型圧電体9のZ方向の変位は圧
電体変位検出部12で検出される。そして、Z制御信号
S2の低周波成分をハイパスフィルタ23で除去した信
号S6と、Z変位信号S5の高周波成分をローパスフィ
ルタ24で除去した信号S7を、加算器22で加算し、
その加算した信号をZ合成信号S8としてA/D変換部
21へ入力し、ディジタルデータに変換する。このA/
D変換部21からのZ変位合成データは、マイコン2に
入力され、マイコン2はこのZ変位合成データを試料表
面の凹凸情報としてコンピュータ1へ転送すると共に、
また、XY走査の位置情報を合わせて位置データとして
ホストコンピュータ1に送る。ホストコンピュータ1は
これらの情報をもとに、試料10の表面凹凸を画像形成
して表示する。
The displacement of the cylindrical piezoelectric body 9 in the Z direction is detected by the piezoelectric body displacement detector 12. Then, the signal S6 obtained by removing the low frequency component of the Z control signal S2 by the high pass filter 23 and the signal S7 obtained by removing the high frequency component of the Z displacement signal S5 by the low pass filter 24 are added by the adder 22,
The added signal is input to the A / D converter 21 as a Z composite signal S8 and converted into digital data. This A /
The Z displacement combined data from the D conversion unit 21 is input to the microcomputer 2, and the microcomputer 2 transfers this Z displacement combined data to the computer 1 as unevenness information of the sample surface.
Also, the position information of the XY scanning is combined and sent as position data to the host computer 1. The host computer 1 forms an image of the surface irregularities of the sample 10 based on these information and displays it.

【0076】ここで、D/A変換部4からのZ制御信号
S2は分解能が良いものの、精度が悪い。そこで、Z制
御信号S2の低周波成分をハイパスフィルタ23で除去
することにより、細かい凹凸の情報のみを抽出し、その
情報の信号S6を得る。
Here, the Z control signal S2 from the D / A converter 4 has good resolution but poor accuracy. Therefore, by removing the low-frequency component of the Z control signal S2 with the high-pass filter 23, only the information on the fine unevenness is extracted, and the signal S6 of that information is obtained.

【0077】また、圧電体変位検出部12からの圧電体
9のZ方向変位量検出信号S5は全体的精度すなわち、
マクロ的な変位については対応しているが、細かい変化
には対応せず、分解能が悪い。そこで、圧電体変位検出
部12からのZ変位信号S5の高周波成分をローパスフ
ィルタ24で除去することにより、細かい凹凸成分の情
報は除去して、精度の高い全体的な変化分を抽出した信
号S7を得る。
Further, the Z direction displacement amount detection signal S5 of the piezoelectric body 9 from the piezoelectric body displacement detection section 12 is the overall accuracy, that is,
Although it deals with macro displacement, it does not deal with small changes and has poor resolution. Therefore, the high-frequency component of the Z displacement signal S5 from the piezoelectric body displacement detection unit 12 is removed by the low-pass filter 24 to remove the information of the fine unevenness component, and the highly accurate overall change signal S7 is extracted. To get

【0078】そして、加算器22により信号S6と信号
S7とを合成し、Z変位合成信号S8として得ることに
より、このZ変位合成信号S8は走査した試料10の実
際の表面の凹凸情報を反映した信号となる。従って、こ
のZ変位合成信号S8をA/D変換部21でディジタル
データに変換し、これをホストコンピュ−タ1に与えて
試料10の表面凹凸の画像形成を行えば、試料の走査面
の状態を精度良く捕らえた画像が得られることになる。
Then, the signal S6 and the signal S7 are combined by the adder 22 to obtain the Z displacement combined signal S8, and this Z displacement combined signal S8 reflects the unevenness information of the actual surface of the scanned sample 10. Become a signal. Therefore, if the Z displacement composite signal S8 is converted into digital data by the A / D converter 21, and this data is given to the host computer 1 to form an image of the surface unevenness of the sample 10, the state of the scanning surface of the sample will be obtained. An image that accurately captures is obtained.

【0079】すなわち、走査型プローブ顕微鏡は、試料
表面と探針先端を一定距離に保つように、試料をZ方向
に制御しながら、2次元方向に走査し、このときの圧電
体Z方向変位量対応の情報を、試料表面の凹凸情報とし
て用い、画像形成している。
That is, the scanning probe microscope scans the sample in the two-dimensional direction while controlling the sample in the Z direction so that the sample surface and the tip of the probe are kept at a constant distance. An image is formed by using the corresponding information as the unevenness information of the sample surface.

【0080】そして、カンチレバー変位検出部7から得
られるZ変位信号S1が一定の値になるようにZ制御信
号S2を発生して圧電体9のZ方向変位制御をするにあ
たり、そのZ制御信号S2のレベルは、圧電体の特性の
影響を受ける。すなわち、圧電体の特性として、印加電
圧に対する変位との関係が図12(a)に示すようなヒ
ステリシス特性があるために、Z制御信号S2のレベル
は、このヒステリシス特性に合わせたものとなることか
ら、このヒステリシス特性に沿った歪みを有することと
なり、試料の実際の凹凸を正確に反映したものとならな
い。
Then, when the Z control signal S2 is generated so that the Z displacement signal S1 obtained from the cantilever displacement detection unit 7 becomes a constant value and the Z direction displacement control of the piezoelectric body 9 is performed, the Z control signal S2 is generated. Level is affected by the characteristics of the piezoelectric body. That is, as the characteristic of the piezoelectric body, there is a hysteresis characteristic as shown in FIG. 12A in which the relationship with the displacement with respect to the applied voltage is present, and therefore the level of the Z control signal S2 is adapted to this hysteresis characteristic. Therefore, there is distortion along this hysteresis characteristic, and it does not accurately reflect the actual unevenness of the sample.

【0081】そして、ヒステリシス特性の性質上、ミク
ロ的な変化である微細な凹凸については余り影響はない
が、試料のマクロ的な高さ変化については直接的に大き
な影響を受けることになる。故に、本来、図2(a)の
ような凹凸のある試料に対して、図2(b)のような信
号となり、分解能は良いが、全体的な精度が問題にな
る。
Due to the nature of the hysteresis characteristics, there is little effect on microscopic unevenness, which is a microscopic change, but it is directly affected by a macroscopic height change of the sample. Therefore, originally, for a sample having irregularities as shown in FIG. 2A, the signal becomes as shown in FIG. 2B and the resolution is good, but the overall accuracy becomes a problem.

【0082】一方、圧電体のZ変位を検出する圧電体変
位検出部12は、上述したように、円筒型圧電体の筒空
間に設けた光学系により、円筒型圧電体上部の試料台下
部に設けたフォトデティクタに光スポットを集光させる
構成であり、その単位面積あたりの明るさに対応した検
出信号の形で円筒型圧電体のZ方向変位量を得る構成で
ある。
On the other hand, as described above, the piezoelectric body displacement detection unit 12 for detecting the Z displacement of the piezoelectric body is provided below the sample table above the cylindrical piezoelectric body by the optical system provided in the cylindrical space of the cylindrical piezoelectric body. The configuration is such that a light spot is focused on the provided photodetector, and the displacement amount of the cylindrical piezoelectric body in the Z direction is obtained in the form of a detection signal corresponding to the brightness per unit area.

【0083】そして、この場合、フォトデティクタの検
出特性は、光量検出であるがゆえに微小なZ変位に対し
ては雑音成分が主体となってしまい、検知能力が低い。
従って、分解能は低いが、その反面、図12(b)に示
すように、円筒型圧電体のZ変位量に対して、フォトデ
ティクタの検出特性は飽和特性を示すものの、リニアな
範囲が広い。このことは、試料のマクロ的な変化の度合
いは精度良く検出できることを意味する。そのため、図
2(a)のような凹凸のある試料に対して、図2(c)
のような信号となり、分解能が低い。
In this case, since the detection characteristic of the photodetector is the detection of the amount of light, the noise component becomes the main component for a minute Z displacement, and the detection capability is low.
Therefore, although the resolution is low, on the other hand, as shown in FIG. 12B, the detection characteristic of the photodetector shows a saturation characteristic with respect to the Z displacement amount of the cylindrical piezoelectric body, but the linear range is wide. . This means that the degree of macroscopic change of the sample can be accurately detected. Therefore, for a sample having irregularities as shown in FIG.
And the resolution is low.

【0084】そのため、図2(a)に示すような、試料
の表面が全体的に大きな凹凸を持ち、しかも、微細な凹
凸を含む場合に、Z制御信号S2においても、圧電体変
位検出部12の出力S5においても、試料の表面の状況
を精度良く反映した信号とはなっていない。
Therefore, when the surface of the sample has large unevenness as a whole as shown in FIG. 2 (a) and includes fine unevenness, the piezoelectric body displacement detection unit 12 also receives the Z control signal S2. Also in the output S5 of 1., the signal does not accurately reflect the condition of the surface of the sample.

【0085】そこで、この実施例では分解能が良い反
面、精度の悪いZ制御信号S2は低周波成分をハイパス
フィルタ23で除去することにより、図2(d)の如き
信号S6を得る。この信号S6は、精度の保証された細
かい凹凸の情報のみが抽出され、精度の保証されていな
い成分を除去したものとなる。
Therefore, in this embodiment, although the resolution is good, the low-precision Z control signal S2 having a low precision is removed by the high-pass filter 23 to obtain a signal S6 as shown in FIG. 2D. This signal S6 is obtained by extracting only the information on the fine unevenness for which the accuracy is guaranteed and removing the component for which the accuracy is not guaranteed.

【0086】また、試料のマクロ的な変化の度合いにつ
いては精度が保証されるが、分解能の低いZ変位信号S
5について、その高周波成分をローパスフィルタ24で
除去することにより、図2(e)に示すように細かい凹
凸成分の情報は除去して、精度の高い全体的な変化分を
抽出した信号S7を得る。
The accuracy of the degree of macroscopic change of the sample is guaranteed, but the Z displacement signal S with low resolution is obtained.
5 is removed by the low-pass filter 24, the information of the fine unevenness component is removed as shown in FIG. 2 (e), and the signal S7 in which a highly accurate overall variation is extracted is obtained. .

【0087】そして、加算器22により信号S6と信号
S7とを合成し、図2(f)のようなZ変位合成信号S
8として得ることにより、このZ変位合成信号S8は走
査した試料10の実際の表面の凹凸情報を反映した信号
となる。従って、このZ変位合成信号S8をA/D変換
部21でディジタルデータに変換し、これをホストコン
ピュ−タ1に与えて試料10の表面凹凸の画像形成を行
えば、試料の走査面の状態を精度良くとらえた画像が得
られることになる。
Then, the signal S6 and the signal S7 are combined by the adder 22, and the Z displacement combined signal S as shown in FIG.
By being obtained as 8, the Z displacement combined signal S8 becomes a signal reflecting the unevenness information of the actual surface of the scanned sample 10. Therefore, if the Z displacement composite signal S8 is converted into digital data by the A / D converter 21, and this data is given to the host computer 1 to form an image of the surface unevenness of the sample 10, the state of the scanning surface of the sample will be obtained. It is possible to obtain an image that accurately captures.

【0088】このように、第1の実施例の場合、カンチ
レバー変位検出部7により、カンチレバー8の変位を検
出し、Z変位信号S1を得、マイコン2によりこのZ変
位信号S1を一定値に保つようなZ制御信号を発生し、
XYZ駆動用円筒型圧電体9をZ変位させると共に、X
Y制御信号を与えて2次元走査させるが、XYZ駆動用
の円筒型圧電体9のZ方向伸縮量を圧電体変位検出部1
2で検出し、このとき、Z制御信号S2の低周波成分を
ハイパスフィルタ23で除去した信号S6と、Z変位信
号S5の高周波成分をローパスフィルタ24で除去した
信号S7を、加算器22で加算した信号をZ変位合成信
号S8として得て、これを試料表面の凹凸情報としてマ
イコン2からコンピュータ1へ転送して画像形成するよ
うにした。
As described above, in the case of the first embodiment, the displacement of the cantilever 8 is detected by the cantilever displacement detection unit 7, the Z displacement signal S1 is obtained, and the Z displacement signal S1 is kept at a constant value by the microcomputer 2. Generate a Z control signal such as
The XYZ driving cylindrical piezoelectric body 9 is displaced by Z, and
A Y control signal is given to perform two-dimensional scanning.
2, the signal S6 obtained by removing the low frequency component of the Z control signal S2 by the high pass filter 23 and the signal S7 obtained by removing the high frequency component of the Z displacement signal S5 by the low pass filter 24 are added by the adder 22. The obtained signal is obtained as a Z displacement combined signal S8, which is transferred as the unevenness information of the sample surface from the microcomputer 2 to the computer 1 to form an image.

【0089】そのため、図2から明らかなように、Z変
位合成信号S8は試料表面の状況を精度良く反映した信
号となり、これを凹凸情報として画像形成に利用するこ
とで、従来の欠点を解消した高精度かつ高分解能な凹凸
情報が得られる装置となる。
Therefore, as is clear from FIG. 2, the Z-displacement composite signal S8 is a signal that accurately reflects the condition of the sample surface, and by utilizing this as unevenness information for image formation, the conventional drawbacks are eliminated. The device can obtain highly accurate and high resolution unevenness information.

【0090】なお、本実施例において、ハイパスフィル
タ23や、ローパスフィルタ24は、通過周波数帯域の
異なるバンドパスフィルタ等のフィルタに置き換えるこ
ともできる。そこで、この場合の実施例をつぎに第2実
施例として説明する。
In this embodiment, the high pass filter 23 and the low pass filter 24 can be replaced with filters such as band pass filters having different pass frequency bands. Therefore, an embodiment in this case will be described next as a second embodiment.

【0091】(第2実施例)図3にその構成を示す。こ
の実施例の場合、第1の実施例のものにおけるハイパス
フィルタ23をバンドパスフィルタ25に、そして、ロ
ーパスフィルタ24をバンドパスフィルタ26に置き換
えた構成である。
(Second Embodiment) FIG. 3 shows the configuration. In the case of this embodiment, the high-pass filter 23 in the first embodiment is replaced with a band-pass filter 25, and the low-pass filter 24 is replaced with a band-pass filter 26.

【0092】この第2実施例の場合、Z変位に対する制
御、XY走査に関する制御、合成信号S8を得てこれを
ホストコンピュータ1における画像形成に供する点は第
1実施例と同様である。第1実施例と異なる点は、円筒
型圧電体9のZ方向伸縮量を圧電体変位検出部12で検
出し、このとき、圧電体変位検出部12からのZ変位信
号S5をローパスフィルタ24を通して高周波成分を除
去した信号S7を得たのに対し、バンドパスフィルタ2
6を介して取り出して信号S9として得るようにした点
と、Z制御信号S2を第1実施例ではハイパスフィルタ
23を通して低周波成分を除去した信号S6として得た
のに対し、バンドパスフィルタ25を介して取り出して
信号S10として得るようにした点、そして、これらの
信号S10とS9とを加算器22で加算してZ変位合成
信号S8として得るようにした点である。
The second embodiment is the same as the first embodiment in that the Z displacement control, the XY scanning control, and the composite signal S8 are obtained and used for image formation in the host computer 1. The difference from the first embodiment is that the amount of expansion and contraction of the cylindrical piezoelectric body 9 in the Z direction is detected by the piezoelectric body displacement detection unit 12, and at this time, the Z displacement signal S5 from the piezoelectric body displacement detection unit 12 is passed through the low pass filter 24. While the signal S7 from which the high frequency component has been removed is obtained, the bandpass filter 2
In the first embodiment, the Z control signal S2 is obtained as the signal S6 from which the low frequency component is removed through the high pass filter 23, whereas the band pass filter 25 is obtained. The signal S10 is taken out via the adder 22 and the signals S10 and S9 are added by the adder 22 to obtain the Z displacement combined signal S8.

【0093】つまり、Z変位検出信号S1を一定値に保
つように、D/A変換部(Z)4を介してXYZ駆動用
の円筒型圧電体9をZ方向に伸縮させるが、その際の圧
電体9のZ方向の変位を圧電体変位検出部12で検出し
ており、このとき、Z制御信号S2の凹凸信号として有
効な周波数成分(凹凸信号として不適当な高周波ノイズ
成分や圧電体のヒステリシスの影響がある低周波成分を
除いた帯域)のみを、バンドパスフィルタ25で取り出
した信号S8と、Z変位信号S5の凹凸信号として有効
な周波数成分(凹凸信号として不適当な高周波ノイズ成
分や熱ドリフト等の影響がある低周波成分を除いた帯
域)のみを、バンドパスフィルタ26で取り出した信号
S9とを加算器22で加算し、この加算した信号をZ変
位合成信号S8とする。
That is, in order to keep the Z displacement detection signal S1 at a constant value, the XYZ driving cylindrical piezoelectric body 9 is expanded and contracted in the Z direction via the D / A conversion section (Z) 4. The displacement of the piezoelectric body 9 in the Z direction is detected by the piezoelectric body displacement detection unit 12, and at this time, a frequency component effective as the unevenness signal of the Z control signal S2 (a high frequency noise component unsuitable as the unevenness signal or the piezoelectric body) is detected. Only the signal S8 extracted by the band pass filter 25 and the frequency component effective as the uneven signal of the Z displacement signal S5 (a high-frequency noise component unsuitable as the uneven signal or Only the band (excluding the low frequency component affected by thermal drift) is added by the adder 22 to the signal S9 extracted by the bandpass filter 26, and this added signal is referred to as the Z displacement combined signal S8. .

【0094】これにより、凹凸信号として不適当な高周
波ノイズ成分や圧電体のヒステリシスの影響がある低周
波成分を除き、また、凹凸信号として不適当な高周波ノ
イズ成分や熱ドリフト等の影響がある低周波成分を除い
た有効な周波数成分のみの、しかも、両信号S2,S5
の精度の保証された成分による試料表面状況を精度良く
反映した合成信号として再現することができる。
As a result, high frequency noise components unsuitable for the concavo-convex signal and low frequency components affected by the hysteresis of the piezoelectric body are removed, and high frequency noise components unsuitable for the concavo-convex signal and low influences such as thermal drift. Both signals S2, S5 of only effective frequency components excluding frequency components
It is possible to reproduce as a synthetic signal that accurately reflects the sample surface condition due to the component whose accuracy is guaranteed.

【0095】このようにして、再現されたZ変位合成信
号S8をA/D変換部21へ出力し、A/D変換部21
から読み出したZ変位合成データを、試料表面の凹凸情
報としてマイコン2からコンピュータ1へ転送して画像
形成する。
The Z displacement composite signal S8 reproduced in this way is output to the A / D conversion unit 21, and the A / D conversion unit 21 is output.
The Z displacement combined data read from the device is transferred from the microcomputer 2 to the computer 1 as image information on the sample surface to form an image.

【0096】Z変位合成信号S8を試料表面の凹凸情報
とすることで、高精度かつ高分解能な凹凸情報を持つ画
像が得られる。
By using the Z displacement combined signal S8 as the unevenness information of the sample surface, an image having the unevenness information with high accuracy and high resolution can be obtained.

【0097】(第3実施例)図4に本発明の第3実施例
の走査型プローブ顕微鏡を示す。第3実施例では第2実
施例におけるバンドパスフィルタ25をハイパスフィル
タ27とローパスフィルタ28の直列回路に置き換え、
また、バンドパスフィルタ26をハイパスフィルタ29
とローパスフィルタ30の直列回路に置き換えた構成で
ある。
(Third Embodiment) FIG. 4 shows a scanning probe microscope according to a third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the bandpass filter 25 in the second embodiment is replaced with a series circuit of a highpass filter 27 and a lowpass filter 28,
Further, the bandpass filter 26 is replaced by a highpass filter 29.
And the low pass filter 30 is replaced with a series circuit.

【0098】この第3実施例の場合、Z変位に対する制
御、XY走査に関する制御、合成信号S8を得てこれを
ホストコンピュータ1における画像形成に供する点は第
1実施例と同様である。第2実施例と異なる点は、円筒
型圧電体9のZ方向伸縮量を圧電体変位検出部12で検
出し、このとき、圧電体変位検出部12からのZ変位信
号S5をバンドパスフィルタ26を介して取り出してい
たのをハイパスフィルタ27とローパスフィルタ30を
介して取り出して信号S11として得、また、Z制御信
号S2を第2実施例ではバンドパスフィルタ25を介し
て取り出していたのを、ハイパスフィルタ29とローパ
スフィルタ30を通して信号S12として得るようにし
た点と、これらの信号S11とS12とを加算器22で
加算してZ変位合成信号S8として得るようにした点で
ある。
The third embodiment is the same as the first embodiment in that the Z displacement control, the XY scanning control, and the composite signal S8 are obtained and used for image formation in the host computer 1. The difference from the second embodiment is that the amount of expansion and contraction of the cylindrical piezoelectric body 9 in the Z direction is detected by the piezoelectric body displacement detection unit 12, and at this time, the Z displacement signal S5 from the piezoelectric body displacement detection unit 12 is sent to the bandpass filter 26. What has been taken out via the high pass filter 27 and the low pass filter 30 is taken out as a signal S11, and the Z control signal S2 is taken out via the band pass filter 25 in the second embodiment. The points are obtained as a signal S12 through the high-pass filter 29 and the low-pass filter 30, and the points where these signals S11 and S12 are added by an adder 22 to obtain a Z displacement combined signal S8.

【0099】つまり、Z変位検出信号S1を一定値に保
つように、D/A変換部(Z)4を介してXYZ駆動用
の円筒型圧電体9をZ方向に伸縮させるが、その際の圧
電体9のZ方向の変位を圧電体変位検出部12で検出し
ており、このとき、Z制御信号S2の凹凸信号として有
効な周波数成分(凹凸信号として不適当な高周波ノイズ
成分や圧電体のヒステリシスの影響がある低周波成分を
除いた帯域)のみを、ハイパスフィルタ27とローパス
フィルタ28を通すことにより抽出し(信号S11)、
これらを加算器22で加算し、この加算した信号をZ変
位合成信号S8とする。
That is, the cylindrical piezoelectric body 9 for XYZ driving is expanded and contracted in the Z direction via the D / A converter (Z) 4 so as to keep the Z displacement detection signal S1 at a constant value. The displacement of the piezoelectric body 9 in the Z direction is detected by the piezoelectric body displacement detection unit 12, and at this time, a frequency component effective as the unevenness signal of the Z control signal S2 (a high frequency noise component unsuitable as the unevenness signal or the piezoelectric body) is detected. Only the band excluding the low frequency component affected by the hysteresis) is extracted by passing through the high pass filter 27 and the low pass filter 28 (signal S11),
These are added by the adder 22, and the added signal is set as the Z displacement combined signal S8.

【0100】Z変位信号S5の凹凸信号として有効な周
波数成分(凹凸信号として不適当な高周波ノイズ成分や
熱ドリフト等の影響がある低周波成分を除いた帯域)の
みを、ハイパスフィルタ29とローパスフィルタ30を
通すことにより抽出し(信号S12)、バンドパスフィ
ルタ26で取り出した信号S9とを加算器22で加算
し、この加算した信号をZ変位合成信号S8とする。
The high-pass filter 29 and the low-pass filter of only the frequency component effective as the uneven signal of the Z displacement signal S5 (the band excluding the high-frequency noise component unsuitable as the uneven signal and the low-frequency component that is affected by thermal drift etc.) The signal S9 is extracted by passing through 30 (signal S12), and the signal S9 extracted by the bandpass filter 26 is added by the adder 22, and the added signal is taken as the Z displacement combined signal S8.

【0101】これにより、凹凸信号として不適当な高周
波ノイズ成分や圧電体のヒステリシスの影響がある低周
波成分を除き、また、凹凸信号として不適当な高周波ノ
イズ成分や熱ドリフト等の影響がある低周波成分を除い
た有効な周波数成分のみの、しかも、両信号S2,S5
の精度の保証された成分による試料表面状況を精度良く
反映した合成信号として再現することができる。
As a result, high frequency noise components unsuitable for the concavo-convex signal and low frequency components affected by the hysteresis of the piezoelectric body are removed, and high frequency noise components unsuitable for the concavo-convex signal, thermal drift, etc. are low. Both signals S2, S5 of only effective frequency components excluding frequency components
It is possible to reproduce as a synthetic signal that accurately reflects the sample surface condition due to the component whose accuracy is guaranteed.

【0102】このようにして、再現されたZ変位合成信
号S8をA/D変換部21へ出力し、A/D変換部21
から読み出したZ変位合成データを、試料表面の凹凸情
報としてマイコン2からコンピュータ1へ転送して画像
形成する。
The Z displacement composite signal S8 reproduced in this way is output to the A / D conversion unit 21.
The Z displacement combined data read from the device is transferred from the microcomputer 2 to the computer 1 as image information on the sample surface to form an image.

【0103】Z変位合成信号S8を試料表面の凹凸情報
とすることで、高精度かつ高分解能な凹凸情報を持つ画
像が得られる。
By using the Z displacement combined signal S8 as the unevenness information of the sample surface, an image having the unevenness information with high accuracy and high resolution can be obtained.

【0104】ここで、本実施例ではZ制御信号S2の凹
凸信号として不適当な高周波ノイズ成分はハイパスフィ
ルタ27で除去し、圧電体のヒステリシスの影響がある
低周波成分はローパスフィルタ28で除去し、これによ
って信号S11を得、また、Z変位信号S5の凹凸信号
として不適当な高周波ノイズ成分はハイパスフィルタ2
9で除去し、熱ドリフト等の影響がある低周波成分をロ
ーパスフィルタ30で除去し、これによって信号S12
を得る。
In this embodiment, the high-pass filter 27 removes high-frequency noise components that are inappropriate as the unevenness signal of the Z control signal S2, and the low-pass filter 28 removes low-frequency components affected by the hysteresis of the piezoelectric material. As a result, the signal S11 is obtained, and the high-frequency noise component unsuitable as the unevenness signal of the Z displacement signal S5 has a high pass filter 2
9 and the low-frequency component affected by the thermal drift is removed by the low-pass filter 30.
To get

【0105】ハイパスフィルタ27とローパスフィルタ
28の直列回路、ハイパスフィルタ29とローパスフィ
ルタ30の直列回路を通すことは、バンドパスフィルタ
を通すことと同じであるが、ハイパスフィルタ27、2
9、ローパスフィルタ28、30のカットオフ周波数は
各々独立に設定変更が可能であり、従って、バンドパス
フィルタのみで有効成分を抽出する第2実施例の方式よ
り、きめの細かい成分抽出が可能になって、より精度の
高い凹凸情報を再現できるようになる。
Passing the series circuit of the high-pass filter 27 and the low-pass filter 28 and the series circuit of the high-pass filter 29 and the low-pass filter 30 is the same as passing the band-pass filter.
9. The cutoff frequencies of the low-pass filters 28 and 30 can be changed independently, so that finer component extraction can be performed than the method of the second embodiment in which the effective component is extracted only by the bandpass filter. As a result, it becomes possible to reproduce more accurate unevenness information.

【0106】(第4実施例)なお、図4に示す第3実施
例の構成において、熱ドリフト等の影響がなければ、第
4実施例として図11に示すブロック図のように、図4
の構成からハイパスフィルタ29を取り外した構成とし
ても良い。
(Fourth Embodiment) In the structure of the third embodiment shown in FIG. 4, if there is no influence of thermal drift or the like, as shown in the block diagram of FIG.
The high-pass filter 29 may be removed from the above configuration.

【0107】(第5実施例)第1乃至第4実施例に示し
た走査型プローブ顕微鏡の構成では、いずれもアナログ
回路でZ変位合成信号S8を得るようにしていたが、第
5実施例では、マイコン2でのソフトウェアによる信号
処理によって、Z変位合成データD8として得るように
した。
(Fifth Embodiment) In the configurations of the scanning probe microscopes shown in the first to fourth embodiments, the Z displacement combined signal S8 is obtained by the analog circuit in all of them, but in the fifth embodiment. The Z displacement synthetic data D8 is obtained by signal processing by software in the microcomputer 2.

【0108】一例を第1実施例に適用するケースで説明
する。第1実施例に示したZ信号合成信号S8の生成系
を、マイコン2でのソフトウェアに信号処理で行う場合
について図6にフローチャートで示す。この場合、ハイ
パスフィルタ23、ローパスフィルタ24および加算器
22は不要であり、圧電体変位検出部12の出力S5は
A/D変換部21を介してマイコン2に与える構成とす
る。従って、A/D変換部21はZ信号合成信号S8の
ディジタル化のためのものではなくなり、専ら圧電体変
位検出部12の出力S5のディジタル化のためのものと
なる。
An example will be described in the case of being applied to the first embodiment. FIG. 6 is a flowchart showing a case where the generation system of the Z signal combined signal S8 shown in the first embodiment is applied to the software in the microcomputer 2 by signal processing. In this case, the high-pass filter 23, the low-pass filter 24, and the adder 22 are unnecessary, and the output S5 of the piezoelectric body displacement detection unit 12 is given to the microcomputer 2 via the A / D conversion unit 21. Therefore, the A / D converter 21 is not for digitizing the Z signal composite signal S8, but exclusively for digitizing the output S5 of the piezoelectric body displacement detector 12.

【0109】第5実施例について、図6を参照して説明
すると、カンチレバー変位検出部7から出力されたS1
をA/D変換部3でディジタル変換してカンチレバー変
位データD1を得(ST1)、これをもとにマイコン2
にてZ用のD/A変換部4に与えるS2のディジタルデ
ータであるZ制御データD2を求める(ST2)。
The fifth embodiment will be described with reference to FIG. 6. S1 output from the cantilever displacement detector 7
Is digitally converted by the A / D conversion unit 3 to obtain cantilever displacement data D1 (ST1). Based on this, the microcomputer 2
Then, the Z control data D2, which is the digital data of S2 given to the Z D / A converter 4, is obtained (ST2).

【0110】一方、マイコン2内でのソフトウェア処理
によりZ制御データD2をハイパスフィルタ処理し、こ
れによりデータD6を得(ST3)、また、Z変位信号
S5をA/D変換部21でA/D変換して入力されたZ
変位データD5を取得し(ST4)、この取得したZ変
位データD5をローパスフィルタ処理してデータD7を
得る(ST5)。
On the other hand, the Z control data D2 is high-pass filtered by software processing in the microcomputer 2 to obtain data D6 (ST3), and the Z displacement signal S5 is A / D converted by the A / D converter 21. Z converted and input
The displacement data D5 is acquired (ST4), and the acquired Z displacement data D5 is low-pass filtered to obtain data D7 (ST5).

【0111】このようにして得たデータD6と、データ
D7とを加算処理して、Z変位合成データD8を算出す
る(ST6)。そして、この算出したZ変位合成データ
D8を試料表面の凹凸情報としてマイコン2からコンピ
ュータ1へ転送する(ST7)。
The data D6 thus obtained and the data D7 are added together to calculate the Z displacement combined data D8 (ST6). Then, the calculated Z displacement combined data D8 is transferred from the microcomputer 2 to the computer 1 as the unevenness information of the sample surface (ST7).

【0112】つぎに測定終了か否かをチェックし(ST
8)、終了でなければつぎの走査位置を指定するため
に、X走査データD3とY走査データD4を作成して、
それぞれ対応するD/A変換部5、D/A変換部6に与
え、XY制御信号S3,S4を生成させ、ST1に戻っ
て上述の動作を繰り返す(ST9)。ST8のチェック
において、測定終了ならば上記の処理を終える。
Next, it is checked whether or not the measurement is completed (ST
8) If not, create X scan data D3 and Y scan data D4 to specify the next scan position,
The XY control signals S3 and S4 are generated by giving the corresponding D / A converters 5 and D / A converters 6, respectively, and the operation returns to ST1 to repeat the above operation (ST9). If the measurement is completed in the check of ST8, the above process is ended.

【0113】なお、本実施例において、マイコン2での
ソフトウェアによる信号処理は、ハイパスフィルタやロ
ーパスフィルタに限らず、第2実施例の通過周波数帯域
の異なるバンドパスフィルタ等のフィルタや、第3実施
例のカットオフ周波数が、独立に変更設定可能なハイパ
スフィルタ、ローパスフィルタ等を組み合わせたフィル
タに置き換えることもできる。
In the present embodiment, the signal processing by software in the microcomputer 2 is not limited to the high pass filter and the low pass filter, but may be a filter such as a band pass filter having a different pass frequency band in the second embodiment, or the third embodiment. The cutoff frequency in the example can be replaced with a filter in which a high-pass filter, a low-pass filter, and the like, which can be changed and set independently, are combined.

【0114】また、ソフトフィルタによる信号処理はマ
イコン2に限らず、ホストコンピュータ1で行なった
り、マイコン2をDSP等に置き換えて、更に複雑なフ
ィルタ処理を行うことも可能である。
Further, the signal processing by the soft filter is not limited to the microcomputer 2, but the host computer 1 may be used, or the microcomputer 2 may be replaced with a DSP or the like to perform more complicated filter processing.

【0115】以上、種々の実施例について説明したが、
本発明は試料台を圧電体のXYZ方向への変位制御によ
りXY走査およびZ方向位置制御を行い、試料台上の試
料の表面をカンチレバーにより走査し、その際、カンチ
レバーのZ方向変位を検出し、この検出信号をもとにカ
ンチレバー先端の探針と試料表面との距離を一定に保つ
ように、圧電体のZ方向位置制御を行うと共に、このZ
方向位置の情報に基づいて試料の表面の凹凸像を再現す
るようにした走査型プローブ顕微鏡において、上記圧電
体のZ方向変位を光学的に検出する圧電体Z方向変位検
出手段と、この圧電体Z方向変位検出手段の検出出力か
ら高周波成分を除去する第1の手段と、上記Z方向位置
制御の情報を用い、この情報の低周波成分を除去する第
2の手段と、これら第1および第2の手段を介して得た
出力を加算してZ方向位置の情報とする加算手段とを具
備して構成したものであり、加算して得られたZ変位位
置の合成データを試料表面の凹凸情報とすることで、上
記圧電体の変位特性による低周波成分の信頼性低下(試
料表面のミクロ的変化に対する精度は良いが、マクロ的
変化に対する精度の悪さ)と、上記圧電体Z方向変位検
出手段の持つ高周波成分の信頼性の悪さ(試料表面のマ
クロ的変化に対する精度は良いが、ミクロ的変化に対す
る精度の悪さ)を相互補間して高精度かつ高分解能な凹
凸情報が得られるようになる。
Although various embodiments have been described above,
The present invention performs XY scanning and position control in the Z direction by controlling the displacement of the piezoelectric body in the XYZ directions, scans the surface of the sample on the sample stage with a cantilever, and detects the Z direction displacement of the cantilever at that time. Based on this detection signal, the Z-direction position of the piezoelectric body is controlled so that the distance between the probe at the tip of the cantilever and the surface of the sample is kept constant.
In a scanning probe microscope that reproduces an uneven image of the surface of a sample based on information on the directional position, piezoelectric body Z-direction displacement detection means for optically detecting Z-direction displacement of the piezoelectric body, and this piezoelectric body. A first means for removing a high frequency component from the detection output of the Z direction displacement detecting means, a second means for removing a low frequency component of this information using the information of the Z direction position control, and the first and the second means. 2 is added to the output obtained via the means to obtain information on the position in the Z direction, and the combined data of the Z displacement position obtained by the addition is used as the unevenness of the sample surface. By using the information, the reliability of the low frequency component due to the displacement characteristic of the piezoelectric body is lowered (the accuracy is good for microscopic changes on the sample surface, but the accuracy is poor for macroscopic changes), and the displacement detection of the piezoelectric body in the Z direction is performed. High frequency of means Reliability of poor component (accuracy good for macroscopic change of the sample surface, poor accuracy for microscopic changes) so the by mutual interpolation high accuracy and high resolution unevenness information obtained.

【0116】[0116]

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、圧電体の変位電圧ヒステリシス特性の影響を受けな
いで、高精度かつ高分解能な試料表面形状測定が可能と
なる走査型プローブ顕微鏡を提供できる。
As described above in detail, according to the present invention, a scanning probe capable of performing highly accurate and high-resolution sample surface shape measurement without being affected by the displacement voltage hysteresis characteristic of the piezoelectric body. A microscope can be provided.

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

【図1】本発明の第1実施例の全体構成を示すブロック
図。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明による処理に基づくZ変位合成信号の生
成の様子を説明するための図。
FIG. 2 is a diagram for explaining how the Z displacement combined signal is generated based on the processing according to the present invention.

【図3】本発明の第2実施例の全体構成を示すブロック
図。
FIG. 3 is a block diagram showing the overall configuration of a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3実施例の全体構成を示すブロック
図。
FIG. 4 is a block diagram showing the overall configuration of a third embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第4実施例の全体構成を示すブロック
図。
FIG. 5 is a block diagram showing the overall configuration of a fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第5実施例を説明するフローチャー
ト。
FIG. 6 is a flowchart illustrating a fifth embodiment of the present invention.

【図7】従来例の構成を示すブロック図。FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a conventional example.

【図8】円筒型圧電体の構成を示す斜視図。FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of a cylindrical piezoelectric body.

【図9】従来例の構成を示すブロック図。FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a conventional example.

【図10】圧電体変位検出部12およびその近傍の構成
例を示す断面図。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example of the piezoelectric body displacement detection unit 12 and its vicinity.

【図11】圧電体変位検出部12の検出の様子を説明す
るための図。
FIG. 11 is a diagram for explaining how the piezoelectric body displacement detection unit 12 detects.

【図12】圧電体の変位特性と、圧電体変位検出部12
によって検出された出力信号と圧電体の変位の関係を示
す図。
FIG. 12 is a piezoelectric displacement characteristic and a piezoelectric displacement detection unit 12
The figure which shows the relationship between the output signal detected by and the displacement of a piezoelectric material.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ホストコンピュータ 2…マイコン 3…A/D変換部 4…Z方向制御用のD/A変換部 5…X方向制御用のD/A変換部 6…Y方向制御用のD/A変換部 7…カンチレバー変位検出部 8…カンチレバー 8a…探針 9…XYZ駆動用の円筒型圧電体 10…試料 11…試料台 12…圧電体変位検出部 21…A/D変換部 22…加算器 23…ハイパスフィルタ(HPF) 24,28,30…ローパスフィルタ(LPF) 25,26…バンドパスフィルタ(HPF) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Host computer 2 ... Microcomputer 3 ... A / D converter 4 ... D / A converter for Z direction control 5 ... D / A converter for X direction control 6 ... D / A converter for Y direction control 7 ... Cantilever displacement detector 8 ... Cantilever 8a ... Probe 9 ... XYZ driving cylindrical piezoelectric body 10 ... Sample 11 ... Sample stand 12 ... Piezoelectric displacement detector 21 ... A / D converter 22 ... Adder 23 ... High-pass filter (HPF) 24, 28, 30 ... Low-pass filter (LPF) 25, 26 ... Band-pass filter (HPF)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料台を圧電体のXYZ方向への変位制
御によりXY走査およびZ方向位置制御を行い、試料台
上の試料の表面をカンチレバーにより走査し、その際、
カンチレバーのZ方向変位を検出し、この検出信号をも
とにカンチレバー先端の探針と試料表面との距離を一定
に保つように、圧電体のZ方向位置制御を行うと共に、
このZ方向位置の情報に基づいて試料の表面の凹凸像を
再現するようにした走査型プローブ顕微鏡において、 上記圧電体のZ方向変位を光学的に検出する圧電体Z方
向変位検出手段と、 この圧電体Z方向変位検出手段の検出出力から高周波成
分を除去する第1の手段と、 上記Z方向位置制御の情報を用い、この情報の低周波成
分を除去する第2の手段と、 これら第1および第2の手段を介して得た出力を加算し
てZ方向位置の情報とする加算手段と、を具備して構成
することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1. A XY scanning and a Z-direction position control are performed on a sample stage by displacement control of a piezoelectric body in the XYZ directions, and a surface of a sample on the sample stage is scanned by a cantilever.
The Z-direction displacement of the cantilever is detected, and based on this detection signal, the Z-direction position of the piezoelectric body is controlled so that the distance between the probe at the tip of the cantilever and the sample surface is kept constant.
In a scanning probe microscope adapted to reproduce an uneven image of the surface of a sample based on the information on the Z-direction position, piezoelectric body Z-direction displacement detection means for optically detecting the Z-direction displacement of the piezoelectric body, First means for removing a high-frequency component from the detection output of the piezoelectric body Z-direction displacement detection means, second means for removing a low-frequency component of this information by using the information of the Z-direction position control, and these first means And a means for adding the outputs obtained through the second means to obtain information on the position in the Z direction, and a scanning probe microscope.
JP5072551A 1993-03-30 1993-03-30 Scanning probe microscope Withdrawn JPH06288759A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4220792A1 (en) * 1992-06-25 1994-01-05 Roland Man Druckmasch Gluing mechanism using double sided adhesive tape - has roller moved towards material to be glued and parting tape off
JP2010014591A (en) * 2008-07-04 2010-01-21 Mitsutoyo Corp Micro shape measuring apparatus
JP4676658B2 (en) * 2001-09-07 2011-04-27 株式会社ミツトヨ probe

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