JPH07248334A - Interatomic force microscope - Google Patents

Interatomic force microscope

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JPH07248334A
JPH07248334A JP6039819A JP3981994A JPH07248334A JP H07248334 A JPH07248334 A JP H07248334A JP 6039819 A JP6039819 A JP 6039819A JP 3981994 A JP3981994 A JP 3981994A JP H07248334 A JPH07248334 A JP H07248334A
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JP
Japan
Prior art keywords
cantilever
sample
frictional force
predetermined
probe
Prior art date
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Pending
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JP6039819A
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Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Uchida
忠 打田
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of JPH07248334A publication Critical patent/JPH07248334A/en
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Abstract

PURPOSE:To prevent any damage to a cantilever from occurring by stopping any movement of a sample when the measured frictional force has exceeded the preset reference value, reducing an amount of flexure to control the cantilever so as to make the frictional force become smaller than another reference value, and starting from measurement in shifting the sample. CONSTITUTION:A frictional force signal control circuit 15 feeds a scanner control circuit 9 with a scan stopping signal at a time when a frictional force signal, being outputted by a frictional force signal conversion circuit 12, is larger than the preset first reference value. After scanning stoppage, the control circuit 15 imparts an interruption signal to a central processing unit 14 which feeds a signal to the scanner control circuit 9 to drive a three-dimensional actuator 8 so to reduce an amount of flexure in a cantilever till the frictional force becomes smaller than the preset second reference value. In succession, in a state that the cantilever 2 is shifted to the right direction as long as the specified distance, sample scanning is carried out again. With this constitution, any possible damage to the cantilever is preventable from occurring.

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、原子間力顕微鏡に関
し、特に、溝形状等の壁面を有する試料の形状を、先端
に探針を備えるカンチレバーで測定する際に、ねじれに
より探針が破損するのを防止する手段に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atomic force microscope, and in particular, when measuring the shape of a sample having a wall surface such as a groove shape with a cantilever having a tip at the tip, the tip is damaged by twisting. It relates to a means to prevent.

【0002】[0002]

【従来の技術】原子間力顕微鏡は、先端が非常に鋭利な
形状を有する探針をを備えるカンチレバーと、試料表面
との間の作用する原子間力を一定にするよう、すなわ
ち、カンチレバーの撓み量を、常に一定にするように制
御し、試料とカンチレバーとを相対的に移動させる。そ
して、前記制御量を、探針による試料の走査と同時に計
測していき、制御量に基づいて、試料の表面形状を、原
子の大きさのレベルの分解能で、計測し、表示装置に表
示することによって、試料の形状の観察を可能とする。
2. Description of the Related Art Atomic force microscopes are designed so that the acting atomic force between a cantilever having a probe having a very sharp tip and a sample surface is constant, that is, the bending of the cantilever is constant. The amount is controlled to be always constant, and the sample and the cantilever are moved relatively. Then, the control amount is measured at the same time as the sample is scanned by the probe, and the surface shape of the sample is measured based on the control amount with a resolution of the atomic size level and displayed on the display device. This makes it possible to observe the shape of the sample.

【0003】試料とカンチレバーとの相対的な移動は、
圧電素子を用いたアクチュエータに設けた電極に、所定
の電圧を印加することによって行う。
The relative movement between the sample and the cantilever is
It is performed by applying a predetermined voltage to electrodes provided on an actuator using a piezoelectric element.

【0004】例えば、載置された試料の表面形状を観察
する際には、アクチュエータの各軸方向における移動量
を制御し、試料表面における、XY平面上の所定領域
で、探針に対し試料を相対移動させ、試料の形状を計測
するための走査を行う。かかる走査によって、探針と試
料との間に、いわゆる原子間力が作用し、この力の大き
さによって、カンチレバーがたわみ、探針がZ軸方向に
変位するので、カンチレバーの撓み量が、一定になるよ
うに、フィードバック制御しながら、試料を走査してい
くことにより、前記フィードバック制御量に対応して、
試料の表面形状が求まることになる。
For example, when observing the surface shape of a mounted sample, the amount of movement of the actuator in each axial direction is controlled so that the sample is placed against the probe in a predetermined region on the XY plane on the sample surface. Relative movement is performed and scanning for measuring the shape of the sample is performed. By such scanning, a so-called interatomic force acts between the probe and the sample, the cantilever bends due to the magnitude of this force, and the probe is displaced in the Z-axis direction, so that the amount of bending of the cantilever is constant. In accordance with the feedback control amount, by scanning the sample while performing feedback control so that
The surface shape of the sample will be obtained.

【0005】なお、カンチレバーの撓み量を一定にする
ためには、光源から放射され、レンズにて集光されて、
カンチレバーの反射面に照射され反射したレーザ光を、
4つの受光部から構成される4分割光検出器で受光し、
各受光部からの出力信号に基づいて所定の演算を行っ
て、アクチュエータの移動量を求め、該移動量に対応す
るように試料をZ方向に移動する制御を行えば良い。な
お、このような光学系は、通常、光テコ方式と称されて
いる。
In order to make the amount of bending of the cantilever constant, the light is emitted from the light source and condensed by the lens,
The laser light radiated and reflected on the reflecting surface of the cantilever,
Light is received by a four-division photodetector composed of four light receiving parts,
It suffices to perform a predetermined calculation based on the output signal from each light receiving unit to obtain the movement amount of the actuator, and perform control to move the sample in the Z direction so as to correspond to the movement amount. Note that such an optical system is usually called an optical lever system.

【0006】また、前記4つの受光部から構成される4
分割光検出器の各受光部からの出力に所定の演算を行っ
て、カンチレバーのねじれ量も同時に検出する方法も知
られており、探針と試料表面との間に作用する摩擦力
も、同時に検出すること可能である。
[0006] In addition, 4 which is composed of the four light receiving portions
A method is also known in which the amount of torsion of the cantilever is detected at the same time by performing a predetermined calculation on the output from each light receiving part of the split photodetector, and the frictional force acting between the probe and the sample surface is also detected at the same time. It is possible to

【0007】[0007]

【発明が解決しようとしている課題】ところで、原子間
力顕微鏡の測定対象となる試料は、原子レベルの大きさ
を有する、非常に平坦な形状を有する有体物に限られな
い。
The sample to be measured by the atomic force microscope is not limited to a tangible object having an atomic level size and a very flat shape.

【0008】例えば、溝の深さが、0.1(μm)程度であ
る、光磁気ディスクのピット、さらには、溝幅が、0.5
(μm)、深さが1.5(μm)程度のコンタクトホールのよ
うな形状を有した溝を備える計測対象も数多く存在す
る。
For example, the depth of the groove is about 0.1 (μm), the pit of the magneto-optical disk, and the groove width is 0.5.
(μm) and a depth of about 1.5 (μm), there are many measurement targets provided with a groove having a shape like a contact hole.

【0009】このような試料の表面形状を測定するため
には、先端部が非常に鋭利で、細長い探針を備えるカン
チレバーを使用して、測定を行うことが必要となってく
る。
In order to measure the surface shape of such a sample, it becomes necessary to perform the measurement using a cantilever having an extremely sharp tip and an elongated probe.

【0010】しかしながら、コンタクトホールのよう
な、垂直に近い壁面を有する溝が試料に存在する場合、
前述した探針を備えるカンチレバーを使用して測定する
とき、探針が壁面より力をうけて、カンチレバーのねじ
り方向の限界弾性力よりも、大きな力が働くと、カンチ
レバーが破損してしまうという問題点があった。
However, when the sample has a groove having a wall surface close to vertical, such as a contact hole,
When measuring using a cantilever equipped with the above-mentioned probe, the probe receives a force from the wall surface, and if a force greater than the limit elastic force in the torsion direction of the cantilever acts, the cantilever will be damaged. There was a point.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、以下の手段が考えられる。
In order to solve the above problems, the following means are considered.

【0012】与えられた試料の形状を計測する探針を備
えるカンチレバーと、試料を載置する試料台と、光源
と、該光源から放射した光を集光するレンズと、集光さ
れた光のカンチレバーによる反射光を受光する、4つの
分割受光部を備える受光器と、与えられた信号によっ
て、試料台と探針とを相対的に、3軸方向に移動可能な
移動手段と、前記4つの分割受光部からの出力信号を用
い、予め定められた第1の演算により、前記カンチレバ
ーの撓み量を所定量に制御するために、前記移動手段に
与える制御量を求め、該制御量にもとづき、試料の形状
を計測する第1の処理、および、前記4つの分割受光部
からの出力信号を用い、予め定められた第2の演算によ
り、カンチレバーがねじれることにより発生する摩擦力
を計測する第2の処理を少なくとも行う処理手段と、計
測された形状を少なくとも出力する出力手段と、前記移
動手段に所定の信号を与え、前記探針と試料台とを相対
的に移動させる処理を少なくとも行う制御手段とを備え
る。
A cantilever equipped with a probe for measuring the shape of a given sample, a sample stage on which the sample is placed, a light source, a lens for collecting the light emitted from the light source, and a collected light A light receiver having four divided light receiving portions for receiving the reflected light from the cantilever, a moving means capable of relatively moving the sample stage and the probe in three axis directions by a given signal, and the four Using the output signal from the divided light-receiving unit, a predetermined first calculation is performed to obtain a control amount given to the moving means in order to control the deflection amount of the cantilever to a predetermined amount, and based on the control amount, A first process for measuring the shape of the sample, and a second process for measuring the frictional force generated by the torsion of the cantilever by a second predetermined calculation using the output signals from the four divided light receiving parts. Processing It comprises at least processing means, output means for outputting at least the measured shape, and control means for giving a predetermined signal to the moving means and at least processing for moving the probe and the sample stage relatively. .

【0013】そして前記制御手段は、前記第2の処理に
て計測された摩擦力が、予め定めた第1の基準値をこえ
たときに、試料台と探針との相対移動を止め、摩擦力
が、予め定めた第2の基準値より小さくなるように、前
記カンチレバーの撓み量を低減するように前記移動手段
を制御し、さらに、試料台を試料に対し所定距離移動さ
せ、前記第1の処理を開始する原子間力顕微鏡である。
Then, the control means stops the relative movement between the sample stage and the probe when the frictional force measured in the second processing exceeds a predetermined first reference value, and the frictional force is reduced. The moving means is controlled so as to reduce the bending amount of the cantilever so that the force becomes smaller than a second predetermined reference value, and further, the sample stage is moved by a predetermined distance with respect to the sample, It is an atomic force microscope for starting the treatment of.

【0014】[0014]

【作用】本発明による原子間力顕微鏡はカンチレバーと
試料間で働く原子間力と摩擦力を検出することができ
る。計測される摩擦力が、予め定めた基準値をこえたと
き、試料の移動を止め、摩擦力が予め定めた基準値以下
になるまで、カンチレバーの撓み量を低減するようにカ
ンチレバーの制御量を低減し、測定を繰り返すことによ
り表面形状を得る。
The atomic force microscope according to the present invention can detect the atomic force and frictional force acting between the cantilever and the sample. When the measured frictional force exceeds a predetermined reference value, stop the movement of the sample and adjust the control amount of the cantilever so that the deflection amount of the cantilever is reduced until the frictional force becomes less than the predetermined reference value. The surface shape is obtained by reducing and repeating the measurement.

【0015】すなわち、計測された摩擦力が、予め定め
た第1の基準値をこえたときに、試料の移動を止め、摩
擦力が、予め定めた第2の基準値より小さくなるよう
に、カンチレバーの撓み量を低減するようにカンチレバ
ーの制御量を低減し、さらに、試料を所定距離移動さ
せ、形状計測処理を開始するものである。
That is, when the measured frictional force exceeds a predetermined first reference value, the movement of the sample is stopped so that the frictional force becomes smaller than the predetermined second reference value. The control amount of the cantilever is reduced so as to reduce the bending amount of the cantilever, the sample is moved by a predetermined distance, and the shape measuring process is started.

【0016】なお、計測された摩擦力が、予め定めた第
1の基準値をこえたときに、移動手段の駆動を停止し、
形状測定処理を行うための、カンチレバーの試料に対す
る相対移動方向とは逆方向に、カンチレバーと試料とを
所定距離だけ、相対移動させる処理を行うことにより、
さらに確実に、カンチレバーの破損を防止することがで
きる。
When the measured frictional force exceeds a predetermined first reference value, the driving of the moving means is stopped,
In order to perform the shape measurement process, in the direction opposite to the relative movement direction of the cantilever with respect to the sample, by performing a process of relatively moving the cantilever and the sample by a predetermined distance,
Furthermore, the cantilever can be prevented from being damaged.

【0017】このように、本発明では、摩擦力信号が、
予め定めた基準値より大きくならないようにして、溝形
状等の垂直に近い壁面を有する試料を測定する際にも、
カンチレバーの破損を防止することができる。その他、
テーパ形状を有する試料や、粗い表面と粗くない表面と
を有する試料の計測の際にも、カンチレバーの破損を防
止することができる。
As described above, in the present invention, the frictional force signal is
Even when measuring a sample that has a wall surface that is close to vertical such as a groove shape so that it does not become larger than a predetermined reference value,
It is possible to prevent the cantilever from being damaged. Other,
Even when measuring a sample having a tapered shape or a sample having a rough surface and a surface not rough, the cantilever can be prevented from being damaged.

【0018】[0018]

【実施例】図1に、本発明にかかる原子間力顕微鏡の構
成例を示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a constitutional example of an atomic force microscope according to the present invention.

【0019】図1は、光テコ方式を使用した走査型原子
間力顕微鏡の一例である。
FIG. 1 shows an example of a scanning atomic force microscope using the optical lever method.

【0020】1は探針、2はカンチレバー、3は試料、
5はレーザダイオード、6は集光レンズ、7は4分割光
電検出器、8は三次元アクチュエータ、9はスキャナ制
御回路、10は高さ信号変換回路、11は高さ信号制御
回路、12は摩擦力信号変換回路、13はメモリ、14
はCPU、15は摩擦力信号制御回路、16は画像化処
理装置、17は表示装置である。
1 is a probe, 2 is a cantilever, 3 is a sample,
5 is a laser diode, 6 is a condenser lens, 7 is a four-division photoelectric detector, 8 is a three-dimensional actuator, 9 is a scanner control circuit, 10 is a height signal conversion circuit, 11 is a height signal control circuit, and 12 is friction. Force signal conversion circuit, 13 is a memory, 14
Is a CPU, 15 is a frictional force signal control circuit, 16 is an image processing device, and 17 is a display device.

【0021】なお、撓みが発生するカンチレバー2は、
カンチレバー固定板に備え付けられている。
In addition, the cantilever 2 which causes bending is
It is attached to the cantilever fixing plate.

【0022】三次元アクチュエータ8は、PZT等の圧
電素子を円筒形状に構成したものであり、内側には共通
電極、表面には、X、Y、Z軸方向に、試料3を載置し
た試料台4を移動させるための電極が設けられている。
The three-dimensional actuator 8 is formed by forming a piezoelectric element such as PZT into a cylindrical shape, a common electrode on the inside, and a sample 3 on the surface in the X, Y, and Z axis directions. An electrode for moving the table 4 is provided.

【0023】電極「X+」、「X−」に、大きさが同じ
で符号の異なる電圧を印加することによって、試料3
は、X軸方向に変位するため、探針1による、試料3の
X軸方向の走査が可能になる。同様に、電極「Y+」
(図示せず)、「Y−」に、大きさが同じで符号の異な
る電圧を印加することによって、試料3は、Y軸方向に
変位するため、探針1による試料3のY軸方向の走査が
可能になる。また、共通電極と、すべての電極「X
+」、「X−」、「Y+」(図示せず)、「Y−」との
間に、電圧を印加することによって、圧電素子をZ方向
に伸縮させることも可能である。
By applying voltages having the same magnitude but different signs to the electrodes "X +" and "X-", the sample 3
Is displaced in the X-axis direction, so that the probe 1 can scan the sample 3 in the X-axis direction. Similarly, the electrode "Y +"
By applying voltages having the same magnitude but different signs to “Y−” (not shown), the sample 3 is displaced in the Y-axis direction, so that the sample 1 is moved in the Y-axis direction by the probe 1. Scanning is possible. In addition, the common electrode and all electrodes "X
It is also possible to expand / contract the piezoelectric element in the Z direction by applying a voltage between “+”, “X−”, “Y +” (not shown), and “Y−”.

【0024】なお、このような走査のために三次元アク
チュエータ8に印加される電圧は、CPU14の指示に
より、スキャナ制御回路9から所定の電極に与えられ
る。このように、試料3と探針1とを相対的に移動さ
せ、探針1による試料3のX軸、およびY軸方向走査を
可能としている。
The voltage applied to the three-dimensional actuator 8 for such scanning is given from the scanner control circuit 9 to a predetermined electrode according to an instruction from the CPU 14. In this way, the sample 3 and the probe 1 are moved relatively to each other, so that the sample 1 can be scanned in the X-axis and Y-axis directions.

【0025】また、上述の走査と同時に、高さ信号制御
回路11は、スキャナ制御回路9を駆動し、所定の電極
に電圧を印加し、カンチレバー2の撓み量を一定にする
ように、すなわち、原子間力が一定になるような制御を
行っており、かかる制御量(電極Zへの印加電圧)は、
順次、メモリ13に格納されていく。
Simultaneously with the above-mentioned scanning, the height signal control circuit 11 drives the scanner control circuit 9 to apply a voltage to a predetermined electrode so that the amount of bending of the cantilever 2 becomes constant, that is, The control is performed so that the interatomic force is constant, and the control amount (voltage applied to the electrode Z) is
The data is sequentially stored in the memory 13.

【0026】そして画像化処理装置16は、メモリ13
内に格納された制御量に基づいて、試料の表面形状を表
示するための処理を行い、試料の表面形状を表示装置1
7に表示する。これにより、試料の表面形状を観察する
ことができる。なお、メモリ13は、RAM、ROMを
有して構成される。RAMには、制御量等を格納し、R
OMには、CPUが所定の動作するためのプログラム等
が予め内蔵されている。
Then, the image processing device 16 includes a memory 13
A process for displaying the surface shape of the sample is performed based on the control amount stored in the display device 1 to display the surface shape of the sample.
Display on 7. Thereby, the surface shape of the sample can be observed. The memory 13 has a RAM and a ROM. The RAM stores the control amount and the like, and R
A program or the like for the CPU to perform a predetermined operation is built in the OM in advance.

【0027】ところで、カンチレバー2の撓み量を一定
にするためには、以下の処理を行えば良い。
By the way, in order to make the amount of bending of the cantilever 2 constant, the following processing may be performed.

【0028】レーザダイオード5から放射され、集光レ
ンズ6により集光され、カンチレバー2が備える反射面
に照射、および反射されたレーザ光を、4分割光電検出
器7で受光する構成にしておく。
The laser light emitted from the laser diode 5, condensed by the condenser lens 6, applied to the reflecting surface of the cantilever 2 and reflected is received by the four-division photoelectric detector 7.

【0029】そして、4分割光電検出器7を構成する各
受光部(図示したように、a、b、c、dの4つの受光
部が配置されている)の出力電流を、図示しない、I/
V変換器(高さ信号変換回路10に内蔵されている)に
より電圧に変換し、高さ信号変換回路10が、以下の式
で示される値を計算し、この値が等しくなるように制御
を行うために、高さ信号制御回路11は、試料3をZ軸
方向に移動すべく、スキャナ制御回路9を駆動する。
The output current of each light receiving portion (four light receiving portions a, b, c and d are arranged as shown in the figure) constituting the four-division photoelectric detector 7 is represented by I, which is not shown. /
A V converter (built in the height signal conversion circuit 10) converts the voltage into a voltage, and the height signal conversion circuit 10 calculates a value represented by the following equation, and controls so that this value becomes equal. To do so, the height signal control circuit 11 drives the scanner control circuit 9 to move the sample 3 in the Z-axis direction.

【0030】各受光部a、b、c、dに対応する出力電
圧を、Va、Vb、Vc、Vdとすると、高さ信号変換
回路10は、H=(Va+Vb)−(Vc+Vd)なる
演算を行い、上述のように、この値(H)が等しくなる
ように制御を行うために、高さ信号制御回路11は、試
料3をZ軸方向に移動すべく、スキャナ制御回路9を駆
動する。このときの制御量が、前述した、メモリ13に
格納される制御量である。
When the output voltages corresponding to the respective light receiving portions a, b, c, d are Va, Vb, Vc, Vd, the height signal conversion circuit 10 performs an operation of H = (Va + Vb)-(Vc + Vd). Then, as described above, the height signal control circuit 11 drives the scanner control circuit 9 to move the sample 3 in the Z-axis direction in order to perform control so that this value (H) becomes equal. The control amount at this time is the control amount stored in the memory 13 described above.

【0031】なお、レーザダイオード5から放射され、
集光レンズ6により集光され、カンチレバー2が備える
反射面にて反射したレーザ光を、4分割光電検出器7で
受光する、光学系は、いわゆる「光テコ」を構成してい
るため、図1に示すような構成は、光テコを用いた原子
間力顕微鏡と称される。なお、図示していないが、例え
ば、これらの構成要素は、筐体の所定の位置に配置可能
となっている。
The laser diode 5 emits light,
The optical system that collects the laser beam that is condensed by the condensing lens 6 and that is reflected by the reflecting surface of the cantilever 2 is received by the four-division photoelectric detector 7 constitutes a so-called "optical lever". The configuration as shown in 1 is called an atomic force microscope using an optical lever. Although not shown, for example, these constituent elements can be arranged at predetermined positions in the housing.

【0032】また、摩擦力信号変換回路12は、受光部
a、b、c、dに対応する出力電圧を、Va、Vb、V
c、Vdとすると、F=(Va+Vb)−(Vc+V
d)なる演算を行い、これが摩擦力となる。なお、受光
部a、b、c、dに対応するI/V変換器は、摩擦力信
号変換回路12に内蔵されているものとする。
Further, the frictional force signal conversion circuit 12 outputs the output voltages corresponding to the light receiving portions a, b, c and d as Va, Vb and V.
If c and Vd, then F = (Va + Vb) − (Vc + V
The calculation of d) is performed, and this becomes the frictional force. It is assumed that the I / V converters corresponding to the light receiving parts a, b, c, d are built in the frictional force signal conversion circuit 12.

【0033】摩擦力信号制御回路15は、予め、複数種
類の基準値を設定可能な構成となっており、摩擦力信号
変換回路12から、与えられるカンチレバー2の摩擦力
の大きさと、予め定めた基準値とを比較して、試料3の
カンチレバー2による走査の中止を含む所定の処理を行
う手段であり、この動作については、後に、図面を参照
して説明する。
The frictional force signal control circuit 15 has a structure capable of setting a plurality of types of reference values in advance, and determines the magnitude of the frictional force of the cantilever 2 given from the frictional force signal conversion circuit 12 and the predetermined value. It is a means for performing a predetermined process including a stop of scanning of the sample 3 by the cantilever 2 by comparing it with a reference value. This operation will be described later with reference to the drawings.

【0034】なお、図1に示す構成では、試料3を三次
元アクチュエータ8によって3軸方向に移動可能な構成
にしたが、探針1を備えるカンチレバー2を、三次元ア
クチュエータ8によって3軸方向に移動可能な構成にし
て、探針1を走査し、試料3の形状測定を行う構成にし
てもよいことは言うまでもない。
In the structure shown in FIG. 1, the sample 3 is configured to be movable in the three-axis directions by the three-dimensional actuator 8. However, the cantilever 2 having the probe 1 is moved in the three-axis directions by the three-dimensional actuator 8. It goes without saying that a movable structure may be used to scan the probe 1 and measure the shape of the sample 3.

【0035】さて、以下、本発明にかかる主要な動作に
ついて詳細に説明する。
Now, the main operation of the present invention will be described in detail below.

【0036】図2、図3、および、図4は、コンタクト
ホールのような深い凹凸を有する試料に対し、カンチレ
バーを、各図において右方向に走査するときの、カンチ
レバーのねじれの様子と、その時に発生する高さ信号、
摩擦力信号を示したものである。
FIGS. 2, 3 and 4 show the state of twisting of the cantilever when the cantilever is scanned rightward in each figure with respect to a sample having deep unevenness such as a contact hole, and at that time. Height signal, which occurs in
It shows the frictional force signal.

【0037】図2(b)、図3(b)、および、図4
(b)には、高さ信号の変化の様子を示す。かかる高さ
信号は、高さ信号変換回路10から出力される。
2 (b), 3 (b) and 4
(B) shows how the height signal changes. The height signal is output from the height signal conversion circuit 10.

【0038】また、図2(c)、図3(c)、および、
図4(c)には、摩擦力信号の変化の様子を示す。かか
る摩擦力信号は、摩擦力信号変換回路12から出力され
る。
Further, FIG. 2 (c), FIG. 3 (c), and
FIG. 4C shows how the frictional force signal changes. The frictional force signal is output from the frictional force signal conversion circuit 12.

【0039】さて、図2は、カンチレバーが備える探針
が、壁面に衝突して、ねじれが発生する直前までの状態
を示したものである。
Now, FIG. 2 shows a state in which the probe of the cantilever collides with the wall surface and immediately before the twist occurs.

【0040】この状態から、さらに、図面右方向への走
査を継続すると、図3(a)に示すように、カンチレバ
ーに、ねじれが発生し、大きな摩擦力信号が検出され
る。
From this state, when the scanning in the right direction of the drawing is further continued, as shown in FIG. 3A, the cantilever is twisted and a large frictional force signal is detected.

【0041】そこで、摩擦力信号制御回路15に、ある
基準値1を、予め設定しておく。かかる値は、ディップ
スイッチ回路を設けて、かかるスイッチの設定操作によ
り、任意の基準値を設定可能な構成としておけば良い。
Therefore, a certain reference value 1 is preset in the frictional force signal control circuit 15. For such a value, a dip switch circuit may be provided and an arbitrary reference value may be set by setting the switch.

【0042】さて、摩擦力信号制御回路15は、摩擦力
信号変換回路12から出力された摩擦力信号が、前記基
準値1よりも大きいな場合、スキャナ制御回路9に走査
を止める旨の信号(STOP信号)を送る。なお、基準値1
は、予め実験等により、カンチレバーが破壊するときの
摩擦力の大きさ等を求めておき、これに基づいて決定し
ておけばよい。
Now, when the frictional force signal output from the frictional force signal conversion circuit 12 is larger than the reference value 1, the frictional force signal control circuit 15 instructs the scanner control circuit 9 to stop the scanning ( Send a STOP signal). In addition, standard value 1
Can be determined in advance by experiments or the like to find the magnitude of the frictional force when the cantilever breaks, and determine based on this.

【0043】次に、走査を止めた地点で、摩擦力信号制
御回路15は、CPU14に割込み処理を行うべく、C
PU14に割込み信号を与える。CPU14は、図4に
示すように、摩擦力信号が、基準値1と同様に予め定め
てある基準値2よりも小さくなるまで、カンチレバーの
撓み量が低減するように、三次元アクチュエータを駆動
するために、スキャナ制御回路9に信号を送る。CPU
14の指示により、例えば、カンチレバーを図中上方に
引き上げるように、試料3を相対的に移動させるべく、
スキャナ制御回路9から三次元アクチュエータ8に印加
電圧を与えるようにすればよい。
Next, at the point where the scanning is stopped, the frictional force signal control circuit 15 causes the CPU 14 to interrupt the CPU 14 so as to perform an interrupt process.
An interrupt signal is given to the PU 14. As shown in FIG. 4, the CPU 14 drives the three-dimensional actuator so that the bending amount of the cantilever is reduced until the frictional force signal becomes smaller than a predetermined reference value 2 similar to the reference value 1. Therefore, a signal is sent to the scanner control circuit 9. CPU
According to the instruction of 14, for example, to move the sample 3 relatively so that the cantilever is pulled up in the figure,
An applied voltage may be applied from the scanner control circuit 9 to the three-dimensional actuator 8.

【0044】そして、所定距離だけ右方向に、カンチレ
バーを移動させた状態から、再び、試料の走査をおこな
う。なお、所定距離だけ右方向に、カンチレバーを移動
させるには、試料3を左方向に移動させれば良い。この
ような所定距離の移動を行うのは、カンチレバーを図中
上方に、相対的に引き上げた地点から、走査を開始する
場合、カンチレバーが相対的に下方に引き下げられて
も、摩擦力が基準値1を越えた地点を、再度走査するの
を避けるためである。
Then, the sample is scanned again from the state where the cantilever is moved rightward by a predetermined distance. In addition, in order to move the cantilever rightward by a predetermined distance, the sample 3 may be moved leftward. The movement of such a predetermined distance is performed when the scanning is started from a point where the cantilever is relatively pulled up in the figure, and when the cantilever is pulled down relatively, the friction force is the reference value. This is to avoid rescanning the points exceeding 1.

【0045】このように、カンチレバーに加わる摩擦力
が、予め定めた第1基準値をこえたときに、試料の移動
を止め、摩擦力が、予め定めた第2基準値より小さくな
るように、カンチレバの撓み量を低減した後、さらに、
試料を所定距離移動させ、走査を開始することにより、
カンチレバーの破損を防止することが可能である。
Thus, when the frictional force applied to the cantilever exceeds the predetermined first reference value, the movement of the sample is stopped and the frictional force becomes smaller than the predetermined second reference value. After reducing the amount of bending of the cantilever,
By moving the sample for a predetermined distance and starting scanning,
It is possible to prevent damage to the cantilever.

【0046】また、さらに、確実な方法として、カンチ
レバーに大きな摩擦力が加わった後、摩擦力信号が、
0、あるいは、基準値2より、小さくなるまで走査をも
どす(逆方向に、カンチレバーを、試料に対し相対的に
移動させる)。それから、カンチレバの撓み量を低減す
ることにより、カンチレバーの破壊を防止することがで
きる。
Further, as a reliable method, after a large frictional force is applied to the cantilever, the frictional force signal is
The scanning is returned until it becomes 0 or smaller than the reference value 2 (the cantilever is moved in the opposite direction relative to the sample). Then, the cantilever can be prevented from being broken by reducing the amount of bending of the cantilever.

【0047】すなわち、さらに、摩擦力が、予め定めた
第1基準値をこえたときに、三次元アクチュエータの駆
動を停止させ、表面形状計測処理を行うための、カンチ
レバーの試料に対する相対移動方向とは逆方向に、カン
チレバーと試料とを所定距離だけ、相対移動させること
によって、カンチレバーの破壊を確実に防止することが
できる。
In other words, when the frictional force exceeds the predetermined first reference value, the drive of the three-dimensional actuator is stopped and the relative movement direction of the cantilever with respect to the sample for performing the surface shape measurement process. By moving the cantilever and the sample in the opposite direction relative to each other by a predetermined distance, it is possible to reliably prevent the cantilever from being broken.

【0048】なお、一連の動作のなかで高さ信号だけを
画像化する事により、深い凹凸を有する試料表面の形状
を測定することができる。もし、カンチレバーと試料と
の引き離し処理等により、連続した高さ信号が得られな
い場合には、例えば、カンチレバーに、基準値1以上の
大きな摩擦力が加わった地点での形状は、深さ1.5(μ
m)であると定めておき、画像化処理装置16が画像処
理を行う方法や、高さデータがとぎれた区間を、多項式
で補間すること等が考えられる。
By imaging only the height signal in a series of operations, the shape of the sample surface having deep irregularities can be measured. If a continuous height signal cannot be obtained due to the separation process between the cantilever and the sample, for example, the shape at the point where a large frictional force of 1 or more is applied to the cantilever has a depth of 1.5. (μ
It is conceivable that the image processing device 16 performs image processing, and that a section where height data is interrupted is interpolated by a polynomial.

【0049】図5は、カンチレバーが深い凹凸の壁面に
衝突し、ねじれが発生したときに、試料からカンチレバ
ーを引き離すまでの処理を示すフローチャートである。
FIG. 5 is a flow chart showing the processing until the cantilever is separated from the sample when the cantilever collides with the wall surface of deep unevenness and twists.

【0050】ステップ100において、摩擦力信号変換
回路12により測定された、摩擦力が、摩擦力信号制御
回路15に、設定してある基準値1を越えたとする。
In step 100, it is assumed that the frictional force measured by the frictional force signal conversion circuit 12 exceeds the reference value 1 set in the frictional force signal control circuit 15.

【0051】このとき、ステップ200において、摩擦
力信号制御回路15は、スキャナ制御回路9に、その起
動を停止させる信号を送信し、形状計測のための走査は
停止される。
At this time, in step 200, the frictional force signal control circuit 15 sends a signal for stopping the activation to the scanner control circuit 9, and the scanning for shape measurement is stopped.

【0052】次に、ステップ300において、摩擦力
が、所定値以下になるまで、三次元アクチュエータ8を
駆動する。
Next, in step 300, the three-dimensional actuator 8 is driven until the frictional force becomes equal to or less than a predetermined value.

【0053】具体的には、CPU14の割込み処理によ
り、摩擦力が、予め定めた第2基準値より小さくなるよ
うに、カンチレバーの撓み量を低減するように、三次元
アクチュエータ8を駆動した後、さらに、試料を所定距
離移動させる。このとき、カンチレバーと試料とを完全
に引き離すのも良い。
Specifically, by the interrupt processing of the CPU 14, after the three-dimensional actuator 8 is driven so that the frictional force becomes smaller than the predetermined second reference value and the amount of bending of the cantilever is reduced, Further, the sample is moved by a predetermined distance. At this time, it is also possible to completely separate the cantilever and the sample.

【0054】また、さらに、確実な方法として、カンチ
レバーに大きな摩擦力が加わった後、摩擦力信号が、
「0」(すなわち、試料とカンチレバーとを引き離
す)、あるいは、基準値2より、小さくなるまで走査を
もどす(逆方向に、カンチレバーを、試料に対し相対的
に移動させる)。それから、カンチレバーと試料とを引
き離すことも考えられる。
Further, as a reliable method, after a large frictional force is applied to the cantilever, the frictional force signal is
The scan is returned to "0" (that is, the sample and the cantilever are separated) or becomes smaller than the reference value 2 (the cantilever is moved in the opposite direction relative to the sample). Then, it is possible to separate the cantilever and the sample.

【0055】そして、ステップ400において、試料の
形状計測のための走査を開始する。
Then, in step 400, scanning for measuring the shape of the sample is started.

【0056】以上の、一連の処理によって、コンタクト
ホールのような深い凹凸を有する試料を測定する際に、
探針が破壊するのを防止することができる。
When a sample having deep irregularities such as a contact hole is measured by the above series of processing,
It is possible to prevent the probe from breaking.

【0057】なお、本発明は、図6に、テーパ形状を有
する試料に対する、カンチレバーの走査を示す。すなわ
ち、カンチレバーの走査の最中に、摩擦力が、予め定め
られた基準値1を越えた場合、図5で説明してきたよう
な一連の処理を行えば良い。これにより、図6に示すよ
うな試料に対しても、深い凹凸を有する試料の測定時と
同様に、探針が破壊するのを防止することができる。
In the present invention, FIG. 6 shows scanning of a cantilever with respect to a sample having a tapered shape. That is, if the frictional force exceeds the predetermined reference value 1 during the scanning of the cantilever, the series of processes described with reference to FIG. 5 may be performed. This makes it possible to prevent the probe from breaking even with respect to the sample as shown in FIG. 6 as in the case of measuring a sample having deep unevenness.

【0058】また、表面が平坦であっても、粗い表面と
粗くない表面を有する試料に対しても、同様な効果が得
られる。
Further, the same effect can be obtained for a sample having a rough surface and a non-rough surface even if the surface is flat.

【0059】なお、カンチレバーの、大きなねじれの発
生を防止できるため、表面形状の測定精度も向上する。
Since it is possible to prevent a large twist of the cantilever, the accuracy of measuring the surface shape is also improved.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、コンタクトホールのような深い凹凸を有する試料を
測定する際に、探針が破壊するのを防止することができ
る。さらに、表面形状を精度良く測定することも可能と
なる。
As described above, according to the present invention, it is possible to prevent the probe from breaking when measuring a sample having deep irregularities such as a contact hole. Further, it becomes possible to measure the surface shape with high accuracy.

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

【図1】本発明にかかる原子間力顕微鏡の構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram of an atomic force microscope according to the present invention.

【図2】カンチレバーが備える探針が、試料の壁面にあ
たる直前の状態と、その時の出力信号の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a state immediately before a probe included in a cantilever hits a wall surface of a sample and an output signal at that time.

【図3】カンチレバーが備える探針が試料の壁面にあた
り、ねじれている状態と、その時の出力信号の説明図で
ある。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a state in which a probe provided in a cantilever hits a wall surface of a sample and is twisted, and an output signal at that time.

【図4】カンチレバーの撓み量を低減した後の状態と、
その時の出力信号の説明図である。
FIG. 4 shows a state after reducing the amount of bending of the cantilever,
It is explanatory drawing of the output signal at that time.

【図5】本発明にかかる処理を示すフローチャートであ
る。
FIG. 5 is a flowchart showing a process according to the present invention.

【図6】テーパ形状を有する試料に対する本発明の効果
の説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of the effect of the present invention on a sample having a tapered shape.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…探針、2…カンチレバー、3…試料、5…レーザダ
イオード、6…集光レンズ、7…4分割光電検出器、8
…三次元アクチュエータ、9…スキャナ制御回路、10
…高さ信号変換回路、11…高さ信号制御回路、12…
摩擦力信号変換回路、13…メモリ、14…CPU、1
5…摩擦力信号制御回路、16…画像化処理装置、17
…表示装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Probe, 2 ... Cantilever, 3 ... Sample, 5 ... Laser diode, 6 ... Condensing lens, 7 ... Quadrant photoelectric detector, 8
... three-dimensional actuator, 9 ... scanner control circuit, 10
... Height signal conversion circuit, 11 ... Height signal control circuit, 12 ...
Frictional force signal conversion circuit, 13 ... Memory, 14 ... CPU, 1
5 ... Friction force signal control circuit, 16 ... Imaging processing device, 17
... Display device

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】原子間力顕微鏡において、 与えられた試料の形状を計測する探針を備えるカンチレ
バーと、試料を載置する試料台と、光源と、該光源から
放射した光を集光するレンズと、集光された光のカンチ
レバーによる反射光を受光する、4つの分割受光部を備
える受光器と、与えられた信号によって、試料台と探針
とを相対的に、3軸方向に移動可能な移動手段と、前記
4つの分割受光部からの出力信号を用い、予め定められ
た第1の演算により、前記カンチレバーの撓み量を所定
量に制御するために、前記移動手段に与える制御量を求
め、該制御量にもとづき、試料の形状を計測する第1の
処理、および、前記4つの分割受光部からの出力信号を
用い、予め定められた第2の演算により、カンチレバー
がねじれることにより発生する摩擦力を計測する第2の
処理を少なくとも行う処理手段と、計測された形状を少
なくとも出力する出力手段と、前記移動手段に所定の信
号を与え、前記探針と試料台とを相対的に移動させる処
理を少なくとも行う制御手段とを備え、 該制御手段は、前記第2の処理にて計測された摩擦力
が、予め定めた第1の基準値をこえたときに、試料台と
探針との相対移動を止め、試料からカンチレバーを引き
離すことを特徴とする原子間力顕微鏡。
1. In an atomic force microscope, a cantilever having a probe for measuring the shape of a given sample, a sample stage for mounting the sample, a light source, and a lens for condensing light emitted from the light source. And a light receiver having four divided light-receiving units for receiving the reflected light of the condensed light by the cantilever, and the sample stage and the probe can be relatively moved in three-axis directions by a given signal. The moving amount and the output signals from the four divided light receiving units are used to calculate the control amount to be given to the moving unit in order to control the bending amount of the cantilever to a predetermined amount by a first predetermined calculation. Generated when the cantilever is twisted by the first process of measuring the shape of the sample based on the control amount and the output signal from the four divided light-receiving units, and the predetermined second calculation. Suma A processing unit that performs at least a second process for measuring the rubbing force, an output unit that outputs at least the measured shape, and a predetermined signal to the moving unit to relatively move the probe and the sample stage. And a control means for performing at least the processing, wherein the control means, when the frictional force measured in the second processing exceeds a predetermined first reference value, the sample stage and the probe. Atomic force microscope characterized by stopping the relative movement of the cantilever and separating the cantilever from the sample.
【請求項2】原子間力顕微鏡において、 与えられた試料の形状を計測する探針を備えるカンチレ
バーと、試料を載置する試料台と、光源と、該光源から
放射した光を集光するレンズと、集光された光のカンチ
レバーによる反射光を受光する、4つの分割受光部を備
える受光器と、与えられた信号によって、試料台と探針
とを相対的に、3軸方向に移動可能な移動手段と、前記
4つの分割受光部からの出力信号を用い、予め定められ
た第1の演算により、前記カンチレバーの撓み量を所定
量に制御するために、前記移動手段に与える制御量を求
め、該制御量にもとづき、試料の形状を計測する第1の
処理、および、前記4つの分割受光部からの出力信号を
用い、予め定められた第2の演算により、カンチレバー
がねじれることにより発生する摩擦力を計測する第2の
処理を少なくとも行う処理手段と、計測された形状を少
なくとも出力する出力手段と、前記移動手段に所定の信
号を与え、前記探針と試料台とを相対的に移動させる処
理を少なくとも行う制御手段とを備え、 該制御手段は、前記第2の処理にて計測された摩擦力
が、予め定めた第1の基準値をこえたときに、試料台と
探針との相対移動を止め、摩擦力が、予め定めた第2の
基準値より小さくなるように、前記カンチレバーの撓み
量を低減するように前記移動手段を制御し、さらに、試
料台を試料に対し所定距離移動させ、前記第1の処理を
開始することを特徴とする原子間力顕微鏡。
2. In an atomic force microscope, a cantilever provided with a probe for measuring the shape of a given sample, a sample stage on which the sample is placed, a light source, and a lens for condensing light emitted from the light source. And a light receiver having four divided light-receiving units for receiving the reflected light of the condensed light by the cantilever, and the sample stage and the probe can be relatively moved in three-axis directions by a given signal. The moving amount and the output signals from the four divided light receiving units are used to calculate the control amount to be given to the moving unit in order to control the bending amount of the cantilever to a predetermined amount by a first predetermined calculation. Generated when the cantilever is twisted by the first process of measuring the shape of the sample based on the control amount and the output signal from the four divided light-receiving units, and the predetermined second calculation. Suma A processing unit that performs at least a second process for measuring the rubbing force, an output unit that outputs at least the measured shape, and a predetermined signal to the moving unit to relatively move the probe and the sample stage. And a control means for performing at least the processing, wherein the control means, when the frictional force measured in the second processing exceeds a predetermined first reference value, the sample stage and the probe. Of the cantilever is controlled so that the frictional force becomes smaller than the second reference value set in advance, and the moving means is controlled so that the frictional force becomes smaller than the predetermined second reference value. An atomic force microscope characterized by moving the distance and starting the first process.
【請求項3】請求項1および2のいずれかにおいて、前
記制御手段は、前記第2の処理にて計測された摩擦力
が、予め定めた第1の基準値をこえたときに、前記第1
の処理を行うための、カンチレバーの試料台に対する相
対移動方向とは逆方向に、カンチレバーと試料台とを所
定距離だけ、相対移動させることを特徴とする原子間力
顕微鏡。
3. The control device according to claim 1, wherein the control means sets the frictional force measured in the second process when the frictional force exceeds a predetermined first reference value. 1
The atomic force microscope characterized in that the cantilever and the sample stage are moved relative to each other by a predetermined distance in a direction opposite to the relative movement direction of the cantilever with respect to the sample stage.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012167928A (en) * 2011-02-09 2012-09-06 Sii Nanotechnology Inc Surface property measurement device and scanning method thereof
EP3226009A1 (en) * 2016-03-29 2017-10-04 Hitachi High-Tech Science Corporation Scanning probe microscope and probe contact detection method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012167928A (en) * 2011-02-09 2012-09-06 Sii Nanotechnology Inc Surface property measurement device and scanning method thereof
EP3226009A1 (en) * 2016-03-29 2017-10-04 Hitachi High-Tech Science Corporation Scanning probe microscope and probe contact detection method
CN107238733A (en) * 2016-03-29 2017-10-10 日本株式会社日立高新技术科学 Scanning type probe microscope and its probe contact detecting method
US10151773B2 (en) 2016-03-29 2018-12-11 Hitachi High-Tech Science Corporation Scanning probe microscope and probe contact detection method
CN107238733B (en) * 2016-03-29 2020-07-03 日本株式会社日立高新技术科学 Scanning probe microscope and probe contact detection method thereof

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