JPH08166392A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

Info

Publication number
JPH08166392A
JPH08166392A JP6311859A JP31185994A JPH08166392A JP H08166392 A JPH08166392 A JP H08166392A JP 6311859 A JP6311859 A JP 6311859A JP 31185994 A JP31185994 A JP 31185994A JP H08166392 A JPH08166392 A JP H08166392A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
displacement
probe
scanning
actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP6311859A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shuichi Ito
修一 伊東
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP6311859A priority Critical patent/JPH08166392A/en
Publication of JPH08166392A publication Critical patent/JPH08166392A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

PURPOSE: To provide the scanning probe microscope, which can accurately measure the irregularities of the surface of a sample, wherein large irregularities of about several μm and minute irregularities of about several nm are mixed, without distortion. CONSTITUTION: The scanning probe microscope has a tube scanner 12 for moving a sample 8, a probe 14, which is supported by a cantilever 16, a driver 20 for driving the scanner 12, a displacement sensor 30 for detecting the displacement of the scanner, an operating circuit 34, which forms the irregularity image of the surface of the sample, and a monitor 36 for displaying the irregularity image. Furthermore, the following parts are provided. A low-pass filter 40 removes the high-frequency component from a Z displacement signal dz outputted from the displacement sensor 30. A bypass filter 42 removes the low-frequency component from a Z driving signal Zdrv outputted from the driver 20. An adder 44 adds the low-frequency signal ZL and the high-frequency signal ZH. A switch 52 selects the signal of the height information, which is inputted into the operating circuit 34.

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、試料の表面の凹凸を測
定する走査型プローブ顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope for measuring irregularities on the surface of a sample.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は試料表面の微細
形状を原子レベルで観察できる装置として知られ、走査
型トンネル顕微鏡(STM: Scanning Tunneling Microsco
pe)と原子間力顕微鏡(AFM: Atomic Force Microscop
e)が特に良く知られている。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope is known as an apparatus capable of observing a fine shape of a sample surface at an atomic level, and is known as a scanning tunneling microscope (STM).
pe) and Atomic Force Microscop (AFM)
e) is particularly well known.

【0003】STMは、米国特許4,343,993号
などに記載されているように、導電性プローブと導電性
試料の間にバイアス電圧を印加し、プローブを試料に数
nm程度の距離に近づけた際にプローブと試料の間に流
れるトンネル電流を検出し、このトンネル電流を一定に
保つようにプローブ試料間距離を制御しながらプローブ
を試料表面に沿って走査する。トンネル電流はその大き
さがプローブ試料間距離に指数関数的に依存しており、
プローブ試料間距離の微小な変化に対しても大きく変化
するため、これに基づいて制御されるプローブの高さ情
報と試料表面に対するプローブの位置情報とから形成さ
れる試料表面の像は原子レベルの分解能を持つものとな
る。
As described in US Pat. No. 4,343,993, the STM applies a bias voltage between a conductive probe and a conductive sample to bring the probe close to the sample at a distance of about several nm. At this time, a tunnel current flowing between the probe and the sample is detected, and the probe is scanned along the sample surface while controlling the distance between the probe and the sample so as to keep the tunnel current constant. The magnitude of the tunnel current exponentially depends on the distance between the probe samples,
The image of the sample surface formed from the height information of the probe and the position information of the probe with respect to the sample surface, which is controlled based on this, changes greatly even with a minute change in the distance between the sample and the probe, and the image of the sample surface is at the atomic level. It will have resolution.

【0004】またAFMは、米国特許4,724,31
8号などに記載されているように、柔軟なカンチレバー
の先端に支持したプローブを試料に数nm程度の距離ま
で近づけた際にプローブ先端と試料表面の原子間に発生
する原子間力と呼ばれる微小な力により生じるカンチレ
バーの先端の変位を検出し、この変位を一定に保つよう
にプローブと試料の間隔を制御しながらプローブを試料
表面に平行に走査する。原子間力はその大きさがプロー
ブ試料間距離の微小な変化に対しても大きく変化するた
め、これに基づいて制御されるプローブの高さ情報と試
料表面に対するプローブの位置情報とから形成される試
料表面の像は原子レベルの分解能を持つものとなる。
AFM is also disclosed in US Pat. No. 4,724,31.
As described in No. 8 etc., when a probe supported by the tip of a flexible cantilever is brought close to a sample up to a distance of about several nm, a minute force called atomic force generated between atoms on the probe tip and the sample surface is called. The displacement of the tip of the cantilever caused by various forces is detected, and the probe is scanned parallel to the sample surface while controlling the distance between the probe and the sample so as to keep this displacement constant. Since the magnitude of the interatomic force greatly changes even with a minute change in the distance between the probe and the sample, it is formed from the height information of the probe controlled based on this and the position information of the probe with respect to the sample surface. The image of the sample surface has atomic resolution.

【0005】このような走査型プローブ顕微鏡において
は、走査に関してはプローブを移動させて行なうものと
試料を移動させて行なうものとがあり、またプローブ試
料間距離の制御に関してもプローブを移動させて行なう
ものと試料を移動させて行なうものとがある。いずれの
タイプであっても、走査とプローブ試料間距離制御には
nm単位の精度で制御が可能な圧電アクチュエーターが
一般に使用される。
In such a scanning probe microscope, scanning is performed by moving the probe and moving the sample, and the probe is also moved by controlling the distance between the probes. Some are performed by moving the sample. Regardless of the type, a piezoelectric actuator that can be controlled with an accuracy of nm unit is generally used for scanning and controlling the distance between probe samples.

【0006】圧電アクチュエーターの変位すなわちプロ
ーブや試料の移動量は、通常、圧電アクチュエーターの
駆動電圧対変位の特性が線形であるものとして駆動電圧
から推定している。しかし実際には駆動電圧対変位の特
性は厳密には線形ではなくヒステリシスを有しており、
駆動電圧から推定される変位と実際の変位との間にはず
れがある。このずれは、ヒステリシスループが小さい場
合つまり変位の変動が僅かな範囲に限られる場合には、
ヒステリシスループの両端を通る近似直線とヒステリシ
スループとがほとんど重なるので十分に無視できる。し
かし、ヒステリシスループが大きい場合つまり変位の変
動が広い範囲に渡る場合には、近似直線とヒステリシス
曲線とのずれが大きくなるため、ヒステリシスによる誤
差が無視できない。
The displacement of the piezoelectric actuator, that is, the amount of movement of the probe or the sample is usually estimated from the drive voltage assuming that the characteristic of the drive voltage of the piezoelectric actuator versus the displacement is linear. However, in reality, the characteristics of drive voltage vs. displacement are not linear in a strict sense, and have hysteresis.
There is a gap between the displacement estimated from the drive voltage and the actual displacement. If the hysteresis loop is small, that is, if the displacement variation is limited to a small range, this deviation is
Since the approximate straight line passing through both ends of the hysteresis loop and the hysteresis loop almost overlap, they can be sufficiently ignored. However, when the hysteresis loop is large, that is, when the displacement variation covers a wide range, the deviation between the approximate straight line and the hysteresis curve becomes large, and the error due to hysteresis cannot be ignored.

【0007】このため最近では、圧電アクチュエーター
の変位を駆動電圧から推定するのではなく、プローブや
試料の移動量を光学的手段等により直接測定する構成の
走査型プローブ顕微鏡が提案されている。そのような走
査型プローブ顕微鏡は一例が特開平6−174460号
に開示されている。その装置は、円筒型圧電アクチュエ
ーターいわゆるチューブスキャナーを用いて試料を移動
させる構成で、試料ステージの周囲に配置した四つの二
分割フォトダイオードを利用して試料のxyz方向の移
動量を検出し、この移動量に基づいて試料表面の像を得
ている。また、試料のxy方向の移動量に基づいて、円
筒型圧電スキャナーの非線形性の補正も行なっている。
For this reason, recently, there has been proposed a scanning probe microscope having a structure in which the displacement of the piezoelectric actuator is not directly estimated from the drive voltage but the movement amount of the probe or the sample is directly measured by an optical means or the like. An example of such a scanning probe microscope is disclosed in JP-A-6-174460. The apparatus is configured to move a sample using a cylindrical piezoelectric actuator, a so-called tube scanner, and detects the amount of movement of the sample in the xyz directions by using four two-division photodiodes arranged around the sample stage. An image of the sample surface is obtained based on the amount of movement. Moreover, the non-linearity of the cylindrical piezoelectric scanner is also corrected based on the amount of movement of the sample in the xy directions.

【0008】ここで、特開平6−174460号に代表
されるこのような構成の走査型プローブ顕微鏡について
図1を参照しながら説明する。図1に示すように、この
走査型プローブ顕微鏡は、試料8をxyz方向に移動さ
せるための円筒型圧電アクチュエーターいわゆるチュー
ブスキャナー12、カンチレバー16に支持されたプロ
ーブ14、プローブ14と試料8の間隔を一定に保つよ
うにチューブスキャナー12を駆動するz駆動手段、プ
ローブ14をxy走査するようにチューブスキャナー1
2を駆動するxy駆動手段、チューブスキャナー12の
変位を検出するスキャナー変位検出手段、試料表面の像
を形成する演算回路34、試料表面の像を表示するモニ
ター36を有している。z駆動手段はプローブ変位セン
サー18とドライバー20で構成される。xy駆動手段
は波形発生器22と波形発生器24と補正回路26とド
ライバー20とで構成される。また、スキャナー変位検
出手段はスキャナー変位センサー30とプリアンプ32
で構成される。
A scanning probe microscope having such a structure, which is represented by JP-A-6-174460, will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, this scanning probe microscope has a cylindrical piezoelectric actuator for moving the sample 8 in the xyz directions, a so-called tube scanner 12, a probe 14 supported by a cantilever 16, and a space between the probe 14 and the sample 8. Z driving means for driving the tube scanner 12 so as to keep it constant, and the tube scanner 1 for performing xy scanning of the probe 14.
It has an xy drive means for driving 2, a scanner displacement detection means for detecting the displacement of the tube scanner 12, an arithmetic circuit 34 for forming an image of the sample surface, and a monitor 36 for displaying the image of the sample surface. The z drive means is composed of a probe displacement sensor 18 and a driver 20. The xy driving means includes a waveform generator 22, a waveform generator 24, a correction circuit 26, and a driver 20. Further, the scanner displacement detecting means includes a scanner displacement sensor 30 and a preamplifier 32.
Composed of.

【0009】スキャナー変位センサー30は、チューブ
スキャナー12の自由端のx方向とy方向とz方向の変
位を検出し、その変位を示す信号はプリアンプ32で増
幅され、x変位信号dxとy変位信号dyとz変位信号
dzとして出力される。
The scanner displacement sensor 30 detects displacements of the free end of the tube scanner 12 in the x-direction, the y-direction, and the z-direction. A signal indicating the displacement is amplified by the preamplifier 32 to generate the x-displacement signal dx and the y-displacement signal. It is output as dy and z displacement signal dz.

【0010】測定時、プローブ14と試料8の間隔は、
両者間に所定の大きさの原子間力が発生した状態となる
ように調整される。つまり、プローブ変位センサー14
の出力するプローブ変位信号zprv が予め定めた所定値
となるように調整される。
At the time of measurement, the distance between the probe 14 and the sample 8 is
It is adjusted so that an atomic force of a predetermined magnitude is generated between them. That is, the probe displacement sensor 14
Is adjusted so that the probe displacement signal z prv output by the above-mentioned signal has a predetermined value.

【0011】波形発生器22は単波形のx走査信号x
ref を生成し、これを補正回路26に出力する。波形発
生器24は単波形のy走査信号yref を生成し、これを
補正回路26に出力する。補正回路26は、チューブス
キャナー12のx方向の移動速度が一定になるように、
x変位信号dxに基づいてx走査信号xref を補正し、
補正したx走査信号xcmp をドライバー20に出力す
る。また補正回路26は、チューブスキャナー12のy
方向の移動速度が一定になるようにy変位信号dyに基
づいてy走査信号yref を補正し、補正したy走査信号
cmp をドライバー20に出力する。ドライバー20は
補正x走査信号xcmp と補正y走査信号ycmp に基づい
てx駆動信号xdrv とy駆動信号ydrv を生成し、チュ
ーブスキャナー12に供給する。チューブスキャナー1
2はx駆動信号xdrv とy駆動信号ydrv に従って上端
がx方向とy方向に移動する。この結果、プローブ14
が試料8の表面に沿って走査される。
The waveform generator 22 is a single waveform x scan signal x.
The ref is generated and output to the correction circuit 26. The waveform generator 24 generates a single-waveform y scanning signal y ref and outputs it to the correction circuit 26. The correction circuit 26 adjusts the moving speed of the tube scanner 12 in the x direction to be constant.
correcting the x scan signal x ref based on the x displacement signal dx,
The corrected x scan signal x cmp is output to the driver 20. Further, the correction circuit 26 uses the y of the tube scanner 12.
The y scanning signal y ref is corrected based on the y displacement signal dy so that the moving speed in the direction becomes constant, and the corrected y scanning signal y cmp is output to the driver 20. The driver 20 generates the x drive signal x drv and the y drive signal y drv based on the corrected x scan signal x cmp and the corrected y scan signal y cmp , and supplies them to the tube scanner 12. Tube scanner 1
2, the upper end moves in the x direction and the y direction according to the x drive signal x drv and the y drive signal y drv . As a result, the probe 14
Are scanned along the surface of the sample 8.

【0012】走査の間、プローブ14は試料8の表面の
凹凸に応じてz方向に変位し、その変位はプローブ変位
センサー18でモニターされる。ドライバー20は、プ
ローブ変位信号zprv を一定に保つように、チューブス
キャナー12を駆動する。これにより、プローブ14は
試料表面から一定の間隔を保ったまま表面に沿って移動
することになる。プローブ14のz方向の位置および試
料表面に対するプローブ14のx方向とy方向の位置
は、チューブスキャナー12の自由端の変位から求めら
れる。チューブスキャナー12の自由端の変位はスキャ
ナー変位センサー30により検出される。演算回路34
は、スキャナー変位センサー30の出力するx変位信号
dx、y変位信号dy、z変位信号dzに基づいて試料
表面の像を形成し、モニター36はその像を表示する。
During scanning, the probe 14 is displaced in the z direction according to the unevenness of the surface of the sample 8, and the displacement is monitored by the probe displacement sensor 18. The driver 20 drives the tube scanner 12 so as to keep the probe displacement signal z prv constant. As a result, the probe 14 moves along the surface of the sample while keeping a constant distance from the surface. The position of the probe 14 in the z direction and the position of the probe 14 in the x direction and the y direction with respect to the sample surface are obtained from the displacement of the free end of the tube scanner 12. The displacement of the free end of the tube scanner 12 is detected by the scanner displacement sensor 30. Arithmetic circuit 34
Forms an image of the sample surface based on the x displacement signal dx, y displacement signal dy, and z displacement signal dz output from the scanner displacement sensor 30, and the monitor 36 displays the image.

【0013】この構成の走査型プローブ顕微鏡では、変
位信号dx、dy、dzは共にチューブスキャナーのヒ
ステリシスとは無関係であり、歪みの無い試料表面の像
が得られる。
In the scanning probe microscope having this structure, the displacement signals dx, dy, and dz are all unrelated to the hysteresis of the tube scanner, and an image of the sample surface without distortion can be obtained.

【0014】ここで、z方向の分解能について考える。
スキャナー変位センサー30は、装置の小型化という要
求に応えるため、一般に三軸方向の変位を同時に検出す
る構成となっており、その検出精度はそれほど高くはな
い。一方、プローブ変位センサー18は対象の変位が一
次元に限られているためスキャナー変位センサー30に
比べて精度が高い。そして、試料表面の凹凸が数nm程
度に限られる場合には、チューブスキャナー12のヒス
テリシスの影響は無視できるため、z駆動電圧zdrv
基づいて求められる高さ情報の方が、スキャナー変位セ
ンサー30の変位信号dzに基づいて求められる高さ情
報よりも精度が高い。したがって、このように試料表面
の凹凸が数nm程度に限られる場合は、スキャナー変位
センサー30からのz変位信号dzではなく、これまで
同様、チューブスキャナー12に供給するz駆動信号z
drv に基づいて高さ情報を求める方が好ましい。
Now, the resolution in the z direction will be considered.
The scanner displacement sensor 30 is generally configured to simultaneously detect displacements in three axial directions in order to meet the demand for downsizing of the apparatus, and its detection accuracy is not so high. On the other hand, the probe displacement sensor 18 has higher accuracy than the scanner displacement sensor 30 because the displacement of the target is limited to one dimension. When the unevenness of the sample surface is limited to about several nm, the influence of the hysteresis of the tube scanner 12 can be ignored, so the height information obtained based on the z drive voltage z drv is the scanner displacement sensor 30. The accuracy is higher than the height information obtained based on the displacement signal dz. Therefore, when the unevenness of the sample surface is limited to about several nm as described above, not the z displacement signal dz from the scanner displacement sensor 30 but the z drive signal z supplied to the tube scanner 12 as before.
It is preferable to obtain the height information based on drv .

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】このような走査型プロ
ーブ顕微鏡では、数μm程度の大きな凹凸と数nm程度
の微小な凹凸が混在する試料の凹凸像をz方向に歪み無
く求めることは難しい。なぜならば、z変位信号を高さ
情報の信号としてモニターした場合には、大きな凹凸は
歪み無く測定できるが、微小な凹凸はセンサーノイズに
埋もれて測定できず、またチューブスキャナー12のz
駆動信号zdrv を高さ情報の信号としてモニターした場
合には、すべての凹凸を測定できるが、圧電体の非直線
性のために、得られる像はz方向に歪んだものとなるか
らである。
With such a scanning probe microscope, it is difficult to obtain a concavo-convex image of a sample in which large concavities and convexities of about several μm and minute concavities and convexes of about several nm coexist in the z direction without distortion. This is because when the z displacement signal is monitored as a signal of height information, large irregularities can be measured without distortion, but minute irregularities cannot be measured because they are buried in sensor noise, and the z of the tube scanner 12 cannot be measured.
When the drive signal z drv is monitored as a height information signal, all the irregularities can be measured, but the obtained image is distorted in the z direction due to the nonlinearity of the piezoelectric body. .

【0016】本発明の目的は、数μm程度の大きな凹凸
と数nm程度の微小な凹凸が混在する試料の表面を殆ど
歪み無く正確に測定できる走査型プローブ顕微鏡を提供
することである。
An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of accurately measuring the surface of a sample in which large irregularities of about several μm and minute irregularities of about several nm coexist with almost no distortion.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、試料表面の凹凸形状に対応して、試料表面に
垂直な方向(z方向)に変位するプローブと、プローブ
を試料表面に平行な方向(xy方向)に走査するxy走
査手段と、プローブのz方向変位を検出し、それに対応
した信号を出力するプローブ変位検出手段と、プローブ
と試料の間隔を調整するための、圧電素子からなるzア
クチュエーターと、プローブ変位検出手段の出力信号に
基づき、プローブと試料表面の間隔を一定に保つように
zアクチュエーターを駆動するz駆動信号を出力するz
ドライバーと、zアクチュエーターにより移動される物
体のz方向の位置を検出し、それに対応したz変位信号
を出力するz変位検出手段と、z駆動信号から低周波成
分を除去する低周波成分除去手段と、z変位信号から高
周波成分を除去する高周波成分除去手段と、低周波成分
除去手段の出力と高周波成分除去手段の出力を加算する
加算手段とを備えている。
A scanning probe microscope according to the present invention comprises a probe that is displaced in a direction (z direction) perpendicular to the sample surface in accordance with the uneven shape of the sample surface, and the probe is parallel to the sample surface. Xy scanning means for scanning in various directions (xy directions), probe displacement detection means for detecting the displacement of the probe in the z direction and outputting a signal corresponding thereto, and a piezoelectric element for adjusting the distance between the probe and the sample. And a z drive signal for driving the z actuator so that the distance between the probe and the sample surface is kept constant based on the output signals of the z actuator and the probe displacement detection means.
A driver, a z-displacement detecting means for detecting a z-direction position of an object moved by a z-actuator, and outputting a z-displacement signal corresponding thereto, and a low-frequency component removing means for removing a low-frequency component from the z-driving signal. , Z displacement signal for removing high frequency components from the z displacement signal, and addition means for adding the output of the low frequency component removing means and the output of the high frequency component removing means.

【0018】[0018]

【作用】zドライバーはプローブ変位検出手段の出力信
号を一定に保つようにzアクチュエーターを制御する。
zドライバーが出力するz駆動信号は試料表面の数nm
程度の微小な凹凸に対応する高周波成分と数μm程度の
大きな凹凸に対応する低周波成分とを含んでおり、この
低周波成分は圧電体のヒステリシスによる歪みを含んで
いる。この低周波成分はハイパスフィルター等の低周波
成分除去手段により除去される。したがって、低周波除
去手段の出力信号は試料表面の数nm程度の微小な凹凸
を殆ど歪み無く表したものとなる。一方、z変位検出手
段が出力するz変位信号は試料表面の数μm程度の大き
な凹凸に対応する低周波成分と高い周波数のノイズ成分
とを含んでいる。このノイズ成分はローパスフィルター
等の高周波成分除去手段によって除去される。したがっ
て、高周波除去手段の出力信号は試料表面の数μm程度
の大きな凹凸を正確に表したものとなる。低周波除去手
段の出力信号と高周波除去手段の出力信号は加算手段に
より加算される。したがって、加算手段の出力信号は試
料表面の数nm程度の微小な凹凸と数μm程度の大きな
凹凸を共に正確に表したものとなる。
The z driver controls the z actuator so that the output signal of the probe displacement detecting means is kept constant.
The z drive signal output by the z driver is a few nm on the sample surface.
It includes a high frequency component corresponding to a minute unevenness of a certain degree and a low frequency component corresponding to a large unevenness of a few μm, and this low frequency component includes a distortion due to hysteresis of the piezoelectric body. This low frequency component is removed by low frequency component removing means such as a high pass filter. Therefore, the output signal of the low-frequency removing means represents minute irregularities of about several nm on the sample surface with almost no distortion. On the other hand, the z displacement signal output by the z displacement detecting means includes a low frequency component corresponding to a large unevenness of about several μm on the sample surface and a high frequency noise component. This noise component is removed by high frequency component removing means such as a low pass filter. Therefore, the output signal of the high frequency removing means accurately represents a large unevenness of about several μm on the sample surface. The output signal of the low frequency removing means and the output signal of the high frequency removing means are added by the adding means. Therefore, the output signal of the adding means accurately represents both minute irregularities of about several nm and large irregularities of several μm on the sample surface.

【0019】[0019]

【実施例】本発明の実施例の走査型プローブ顕微鏡につ
いて図2と図3を用いて説明する。図2から分かるよう
に本実施例の構成は図1を用いて説明した前述の従来例
に似ており、既に説明した部材と同じ部材は図2に同一
符号で示し、以下の説明ではその詳しい説明は省略す
る。
EXAMPLE A scanning probe microscope according to an example of the present invention will be described with reference to FIGS. As can be seen from FIG. 2, the configuration of this embodiment is similar to the above-described conventional example described with reference to FIG. 1, and the same members as those already described are denoted by the same reference numerals in FIG. 2 and will be described in detail in the following description. The description is omitted.

【0020】図2に示すように、本実施例の走査型プロ
ーブ顕微鏡は、スキャナー12のz変位を求める構成が
図1の従来例と異なっており、従来例の構成に加えて、
プリアンプ32から出力されるz変位信号dzから高周
波成分を除去するローパスフィルター40と、ドライバ
ー20から出力されるz駆動信号zdrv から低周波成分
を除去するハイパスフィルター42と、ローパスフィル
ター40からの低周波信号zL とハイパスフィルター4
2からの高周波信号zH を加算する加算器44と、演算
回路34に入力する高さ情報の信号を選択するための切
換スイッチ52とを有している。
As shown in FIG. 2, the scanning probe microscope of this embodiment is different from the conventional example of FIG. 1 in the structure for obtaining the z displacement of the scanner 12, and in addition to the structure of the conventional example,
A low-pass filter 40 that removes high-frequency components from the z displacement signal dz output from the preamplifier 32, a high-pass filter 42 that removes low-frequency components from the z drive signal z drv output from the driver 20, and a low-pass filter from the low-pass filter 40. Frequency signal z L and high pass filter 4
It has an adder 44 for adding the high frequency signal z H from 2 and a changeover switch 52 for selecting the height information signal input to the arithmetic circuit 34.

【0021】x方向とy方向に関する制御およびx変位
信号とy変位信号の検出は従来例と全く同じである。ま
たz方向に関する制御も従来例と同じで、z変位信号の
検出が従来例と異なる。以下ではz変位信号の検出につ
いて図3を参照しながら説明する。
The control concerning the x direction and the y direction and the detection of the x displacement signal and the y displacement signal are exactly the same as the conventional example. The control in the z direction is also the same as the conventional example, and the detection of the z displacement signal is different from the conventional example. The detection of the z displacement signal will be described below with reference to FIG.

【0022】測定の間、ドライバー20は、プローブ変
位信号zprv を一定に保つように、チューブスキャナー
12をz方向に制御する。ドライバー20が出力するz
駆動信号zdrv は、試料表面の数nm程度の微小な凹凸
に対応する高周波成分58と、緩やかに変化する数μm
程度の大きな凹凸に対応する低周波成分60とを含んで
いる。この低周波成分60は、圧電体のヒステリシスの
影響による歪みを含んでいる。z駆動信号zdrv は、適
当なカットオフ周波数(たとえば100Hz)を持つハ
イパスフィルター42に入力され、大きな凹凸に対応す
る低周波成分60が除去され、微小な凹凸に対応する高
周波成分58からなる高周波信号zH になる。この高周
波信号zH は端子50と加算器44に供給される。
During the measurement, the driver 20 controls the tube scanner 12 in the z direction so as to keep the probe displacement signal z prv constant. Z output by the driver 20
The drive signal z drv has a high frequency component 58 corresponding to minute irregularities of about several nm on the surface of the sample and several μm that changes gently.
And a low frequency component 60 corresponding to a large unevenness. The low frequency component 60 contains distortion due to the effect of hysteresis of the piezoelectric body. The z drive signal z drv is input to the high pass filter 42 having an appropriate cutoff frequency (for example, 100 Hz), the low frequency component 60 corresponding to the large unevenness is removed, and the high frequency component 58 including the high frequency component 58 corresponding to the minute unevenness is removed. It becomes the signal z H. The high frequency signal z H is supplied to the terminal 50 and the adder 44.

【0023】一方、スキャナー変位センサー30から出
力されたz変位信号dzは、緩やかに変化する大きな凹
凸に対応する低周波成分56と、スキャナー変位センサ
ー30やプリアンプ32により生じるノイズ成分54を
含んだ信号になっている。このノイズはホワイトノイズ
のように周波数がランダムなノイズである。数ナノメー
トル程度の微小な凹凸はノイズ成分54に埋もれて見え
ない。z変位信号dzはチューブスキャナー12の実際
のz方向変位を測定したものなので、信号と変位の関係
は直線的なものである。このz変位信号dzはローパス
フィルター40に入力され、高い周波数のノイズ成分5
4が除去され、大きな凹凸に対応した低周波成分56か
らなる低周波信号zL となる。低周波信号zL は端子4
6と加算器44に供給される。
On the other hand, the z displacement signal dz output from the scanner displacement sensor 30 includes a low frequency component 56 corresponding to a large unevenness that changes gently and a noise component 54 generated by the scanner displacement sensor 30 and the preamplifier 32. It has become. This noise is noise with a random frequency like white noise. The minute irregularities of about several nanometers are buried in the noise component 54 and cannot be seen. Since the z displacement signal dz is a measurement of the actual displacement of the tube scanner 12 in the z direction, the relationship between the signal and the displacement is linear. This z displacement signal dz is input to the low pass filter 40, and the high frequency noise component 5
4 is removed, and a low-frequency signal z L composed of a low-frequency component 56 corresponding to large unevenness is formed. Low frequency signal z L is terminal 4
6 and the adder 44.

【0024】加算器44は低周波信号zL と高周波信号
H を加算する。その加算信号zHLは、大きな凹凸に対
応する低周波成分56と微小な凹凸に対応する高周波成
分58を含んだものとなっている。高周波成分58は、
微小な凹凸に対応するチューブスキャナー12の駆動電
圧で、圧電体に固有の非直線性の影響は無視できる。従
って、加算信号zHLは、試料表面の実際の凹凸を非常に
正確に表現している。
The adder 44 adds the low frequency signal z L and the high frequency signal z H. The added signal z HL includes a low frequency component 56 corresponding to large unevenness and a high frequency component 58 corresponding to minute unevenness. The high frequency component 58 is
With the drive voltage of the tube scanner 12 corresponding to minute irregularities, the influence of non-linearity inherent in the piezoelectric body can be ignored. Therefore, the added signal z HL very accurately represents the actual unevenness on the sample surface.

【0025】演算回路34に入力する高さ情報の信号
は、切換スイッチ52により選択される。すなわち、切
換スイッチ52で端子46を選択した場合には低周波信
号zLが高さ情報の信号として演算回路34に入力さ
れ、端子48を選択した場合には加算信号zHLが高さ情
報の信号として演算回路34に入力され、端子50を選
択した場合には低周波信号zH が高さ情報の信号として
演算回路34に入力される。演算回路34は入力される
高さ情報の信号をチューブスキャナー12のx変位信号
dxとy変位信号dyに同期させて処理し、試料表面の
凹凸像を形成する。この凹凸像はモニター36に表示さ
れる。
The height information signal input to the arithmetic circuit 34 is selected by the changeover switch 52. That is, when the terminal 46 is selected by the changeover switch 52, the low frequency signal z L is input to the arithmetic circuit 34 as the height information signal, and when the terminal 48 is selected, the addition signal z HL is the height information signal. The signal is input to the arithmetic circuit 34 as a signal, and when the terminal 50 is selected, the low frequency signal z H is input to the arithmetic circuit 34 as a signal of height information. The arithmetic circuit 34 processes the input height information signal in synchronization with the x displacement signal dx and the y displacement signal dy of the tube scanner 12 to form an uneven image of the sample surface. This uneven image is displayed on the monitor 36.

【0026】切換スイッチ52を端子48に切り換え
て、高さ情報の信号として加算信号zHLを選択した場
合、試料表面に数nm程度の微小な凹凸と数μm程度の
大きな凹凸が混在する場合にも、上述したように加算信
号zHLの性質から分かるように、歪みの少ない試料表面
の凹凸像が得られる。
When the changeover switch 52 is switched to the terminal 48 and the addition signal z HL is selected as the height information signal, when minute irregularities of several nm and large irregularities of several μm are mixed on the sample surface. Also, as described above, as can be seen from the property of the added signal z HL , a concavo-convex image of the sample surface with less distortion can be obtained.

【0027】なお、試料表面の数μm程度の大きな凹凸
だけを正確に測定したい場合には、切換スイッチ52を
端子46に切り換えて、高さ情報の信号として低周波信
号zL を選択するとよい。また、試料表面の数nm程度
の微小な凹凸だけを正確に測定したい場合には、切換ス
イッチ52を端子50に切り換えて、高さ情報の信号と
して低周波信号zL を選択するとよい。このように測定
の対象を限定した場合には、高さ情報の信号に加算器4
4によるノイズが含まれないので、この方が精度の面で
好ましい。
When it is desired to accurately measure only large irregularities of several μm on the sample surface, the changeover switch 52 may be switched to the terminal 46 to select the low frequency signal z L as the height information signal. Further, when it is desired to accurately measure only minute irregularities of about several nm on the sample surface, the changeover switch 52 may be switched to the terminal 50 to select the low frequency signal z L as the height information signal. When the measurement target is limited in this way, the adder 4 is added to the height information signal.
This is preferable in terms of accuracy because noise due to 4 is not included.

【0028】本実施例では、x方向とy方向に関して、
スキャナー変位センサー30の出力する変位信号dxと
dyに基づいてチューブスキャナー12をフィードバッ
ク制御しているが、フィードバック制御は必ずしも行な
う必要はない。つまり、x方向とy方向はオープン制御
としてもよく、この場合、一定のタイミングでサンプリ
ングを行なった際に測定点の間隔が不均等になるという
違いが生じるだけで、試料表面の像は上述した実施例と
同様に殆ど歪み無く得られる。
In this embodiment, with respect to the x and y directions,
The tube scanner 12 is feedback-controlled based on the displacement signals dx and dy output from the scanner displacement sensor 30, but the feedback control is not necessarily required. That is, the x-direction and the y-direction may be open-controlled, and in this case, the only difference is that the intervals between the measurement points become uneven when sampling is performed at a constant timing, and the image of the sample surface is as described above. Similar to the embodiment, it can be obtained with almost no distortion.

【0029】また、実施例では試料を移動させるタイプ
の走査型プローブ顕微鏡を例にあげて説明したが、本発
明の技術思想はプローブを移動させるタイプの走査型プ
ローブ顕微鏡にも適用できることは勿論である。
Further, in the embodiment, the scanning probe microscope of the type in which the sample is moved has been described as an example, but the technical idea of the present invention can of course be applied to the scanning probe microscope in the type of moving the probe. is there.

【0030】本発明は以下に述べる技術思想を含んでお
り、この技術思想から逸脱しない範囲で変形や改良や修
正を施したものも当然の事ながら本発明に含まれる。 1. 試料の表面の凹凸形状を測定する走査型プローブ
顕微鏡であって、試料表面の凹凸形状に対応して、試料
表面に垂直な方向(z方向)に変位するプローブと、プ
ローブを試料表面に平行な方向(xy方向)に走査する
xy走査手段と、プローブのz方向変位を検出し、それ
に対応した信号を出力するプローブ変位検出手段と、プ
ローブと試料の間隔を調整するための、圧電素子からな
るzアクチュエーターと、プローブ変位検出手段の出力
信号に基づき、プローブと試料表面の間隔を一定に保つ
ようにzアクチュエーターを駆動するz駆動信号を出力
するzドライバーと、zアクチュエーターにより移動さ
れる物体のz方向の位置を検出し、それに対応したz変
位信号を出力するz変位検出手段と、z駆動信号から低
周波成分を除去する低周波成分除去手段と、z変位信号
から高周波成分を除去する高周波成分除去手段と、低周
波成分除去手段の出力と高周波成分除去手段の出力を加
算する加算手段とを備えている走査型プローブ顕微鏡。 2. 第1項において、xy走査手段は、プローブと試
料のxy方向の相対位置を変化させるための、圧電素子
からなるxyアクチュエーターと、xy走査を行なうよ
うにxyアクチュエーターを駆動するxy走査信号を出
力するxy駆動手段とを有し、走査型プローブ顕微鏡
は、xyアクチュエーターにより移動される物体のxy
方向の位置を検出し、それに対応したxy変位信号を出
力するxy変位検出手段を更に備え、xy駆動手段は、
xy走査信号を発生する走査信号発生手段と、xy変位
検出信号に基づいてxy走査信号を補正し、補正xy走
査信号を出力する補正手段と、補正xy走査信号に基づ
いてxyアクチュエーターを駆動するxyドライバーと
を含み、xyアクチュエーターとzアクチュエーターは
単一のxyzアクチュエーターを構成し、xy変位検出
手段とz変位検出手段は単一のxyz変位検出手段を構
成している、走査型プローブ顕微鏡。 3. 第2項において、xyzアクチュエーターが円筒
型圧電アクチュエーターである、走査型プローブ顕微
鏡。 4. 第2項において、走査型プローブ顕微鏡は、加算
手段から出力される加算信号と、xy変位検出手段から
出力されるxy変位信号とに基づいて、試料表面の像を
形成する演算手段を更に備えている、走査型プローブ顕
微鏡。 5. 第2項において、走査型プローブ顕微鏡は、加算
手段の出力と高周波成分除去手段の出力と低周波成分除
去手段の出力のいずれか一つと、xy変位信号とに基づ
いて、試料表面の像を形成する処理手段と、加算手段の
出力と高周波成分除去手段の出力と低周波成分除去手段
の出力のいずれか一つを選択して演算手段に入力するス
イッチ手段とを更に備えている、走査型プローブ顕微
鏡。 6. 第2項において、xyzアクチュエーターが試料
を移動させる、走査型プローブ顕微鏡。 7. 第2項において、xyzアクチュエーターがプロ
ーブを移動させる、走査型プローブ顕微鏡。
The present invention includes the technical ideas described below, and naturally, the present invention includes modifications, improvements, and modifications without departing from the technical ideas. 1. A scanning probe microscope for measuring unevenness of a surface of a sample, the probe being displaced in a direction (z direction) perpendicular to the surface of the sample corresponding to the unevenness of the surface of the sample, and the probe being parallel to the surface of the sample. Xy scanning means for scanning in the directions (xy directions), probe displacement detection means for detecting the displacement of the probe in the z direction and outputting a signal corresponding thereto, and a piezoelectric element for adjusting the distance between the probe and the sample. Based on the output signals of the z actuator and the probe displacement detection means, az driver that outputs az drive signal that drives the z actuator so as to keep the distance between the probe and the sample surface constant, and az of an object that is moved by the z actuator. Z-displacement detecting means for detecting a position in the direction and outputting a z-displacement signal corresponding thereto, and a low frequency for removing low-frequency components from the z-driving signal. And component removing means, z and the high frequency component removing means for removing high frequency components from the displacement signal, the low frequency component removing means and the output of the high frequency component removing means has a scanning probe microscope and an adding means for adding the output of. 2. In the first term, the xy scanning means outputs an xy actuator composed of a piezoelectric element for changing the relative position of the probe and the sample in the xy direction, and an xy scanning signal for driving the xy actuator to perform xy scanning. The scanning probe microscope has an xy driving means, and an xy of an object moved by an xy actuator.
The xy drive means further includes xy displacement detection means for detecting a position in the direction and outputting an xy displacement signal corresponding thereto.
Scanning signal generating means for generating an xy scanning signal, correction means for correcting the xy scanning signal based on the xy displacement detection signal and outputting a corrected xy scanning signal, and xy for driving an xy actuator based on the corrected xy scanning signal. A scanning probe microscope including a driver, wherein the xy actuator and the z actuator constitute a single xyz actuator, and the xy displacement detecting means and the z displacement detecting means constitute a single xyz displacement detecting means. 3. The scanning probe microscope according to the second item, wherein the xyz actuator is a cylindrical piezoelectric actuator. 4. In the second item, the scanning probe microscope further includes a calculation unit that forms an image of the sample surface based on the addition signal output from the addition unit and the xy displacement signal output from the xy displacement detection unit. Scanning probe microscope. 5. In the second item, the scanning probe microscope forms an image of the sample surface based on any one of the output of the addition unit, the output of the high frequency component removal unit, and the output of the low frequency component removal unit, and the xy displacement signal. And a switch means for selecting any one of the output of the adding means, the output of the high frequency component removing means and the output of the low frequency component removing means and inputting it to the computing means. microscope. 6. The scanning probe microscope according to the second item, wherein the xyz actuator moves the sample. 7. A scanning probe microscope according to the second item, wherein the xyz actuator moves the probe.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明によれば、数μm程度の大きな凹
凸と数nm程度の微小な凹凸が混在する試料に対して
も、表面の凹凸を殆ど歪み無く正確に測定することので
きる走査型プローブ顕微鏡が得られる。
According to the present invention, even for a sample in which large irregularities of about several μm and minute irregularities of about several nm are mixed, the irregularities on the surface can be accurately measured with almost no distortion. A probe microscope is obtained.

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

【図1】従来例の走査型プローブ顕微鏡の構成を概略的
に示している。
FIG. 1 schematically shows the configuration of a conventional scanning probe microscope.

【図2】本発明の走査型プローブ顕微鏡の一実施例の構
成を概略的に示している。
FIG. 2 schematically shows a configuration of an embodiment of a scanning probe microscope of the present invention.

【図3】高さ情報に関与する各種信号の波形を示してい
る。
FIG. 3 shows waveforms of various signals related to height information.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12…圧電チューブスキャナー、14…プローブ、18
…プローブ変位センサー、20…ドライバー、30…ス
キャナー変位センサー、40…ローパスフィルター、4
2…ハイパスフィルター、44…加算器。
12 ... Piezoelectric tube scanner, 14 ... Probe, 18
... probe displacement sensor, 20 ... driver, 30 ... scanner displacement sensor, 40 ... low pass filter, 4
2 ... High-pass filter, 44 ... Adder.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】試料表面の凹凸形状に対応して、試料表面
に垂直な方向(z方向)に変位するプローブと、 プローブを試料表面に平行な方向(xy方向)に走査す
るxy走査手段と、 プローブのz方向変位を検出し、それに対応した信号を
出力するプローブ変位検出手段と、 プローブと試料の間隔を調整するための、圧電素子から
なるzアクチュエーターと、 プローブ変位検出手段の出力信号に基づき、プローブと
試料表面の間隔を一定に保つようにzアクチュエーター
を駆動するz駆動信号を出力するzドライバーと、 zアクチュエーターにより移動される物体のz方向の位
置を検出し、それに対応したz変位信号を出力するz変
位検出手段と、 z駆動信号から低周波成分を除去する低周波成分除去手
段と、 z変位信号から高周波成分を除去する高周波成分除去手
段と、 低周波成分除去手段の出力と高周波成分除去手段の出力
を加算する加算手段とを備えている走査型プローブ顕微
鏡。
1. A probe which is displaced in a direction perpendicular to the sample surface (z direction) corresponding to the uneven shape of the sample surface, and an xy scanning means for scanning the probe in a direction parallel to the sample surface (xy directions). , A probe displacement detecting means for detecting the displacement of the probe in the z direction and outputting a signal corresponding thereto, a z actuator composed of a piezoelectric element for adjusting the distance between the probe and the sample, and an output signal of the probe displacement detecting means Based on this, the z driver that outputs the z drive signal that drives the z actuator so as to keep the distance between the probe and the sample surface constant, and the position in the z direction of the object that is moved by the z actuator are detected, and the corresponding z displacement A z displacement detecting means for outputting a signal, a low frequency component removing means for removing a low frequency component from the z drive signal, and a high frequency component for removing a high frequency component from the z displacement signal A scanning probe microscope comprising: high-frequency component removing means for removing; and adding means for adding the output of the low-frequency component removing means and the output of the high-frequency component removing means.
【請求項2】請求項1において、 xy走査手段は、プローブと試料のxy方向の相対位置
を変化させるための、圧電素子からなるxyアクチュエ
ーターと、xy走査を行なうようにxyアクチュエータ
ーを駆動するxy走査信号を出力するxy駆動手段とを
有し、 走査型プローブ顕微鏡は、xyアクチュエーターにより
移動される物体のxy方向の位置を検出し、それに対応
したxy変位信号を出力するxy変位検出手段を更に備
え、 xy駆動手段は、xy走査信号を発生する走査信号発生
手段と、xy変位検出信号に基づいてxy走査信号を補
正し、補正xy走査信号を出力する補正手段と、補正x
y走査信号に基づいてxyアクチュエーターを駆動する
xyドライバーとを含み、 xyアクチュエーターとzアクチュエーターは単一のx
yzアクチュエーターを構成し、 xy変位検出手段とz変位検出手段は単一のxyz変位
検出手段を構成している、走査型プローブ顕微鏡。
2. The xy scanning means according to claim 1, wherein the xy scanning means comprises an xy actuator made of a piezoelectric element for changing the relative position of the probe and the sample in the xy direction, and an xy actuator for driving the xy actuator to perform xy scanning. The scanning probe microscope further includes xy driving means for outputting a scanning signal, and the scanning probe microscope further includes xy displacement detecting means for detecting an xy position of an object moved by an xy actuator and outputting an xy displacement signal corresponding to the position. The xy driving means includes a scanning signal generating means for generating an xy scanning signal, a correcting means for correcting the xy scanning signal based on the xy displacement detection signal, and outputting a corrected xy scanning signal, and a correction x
an xy driver that drives an xy actuator based on the y scan signal, wherein the xy actuator and the z actuator are a single x
A scanning probe microscope that constitutes an yz actuator, and that the xy displacement detecting means and the z displacement detecting means constitute a single xyz displacement detecting means.
JP6311859A 1994-12-15 1994-12-15 Scanning probe microscope Withdrawn JPH08166392A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6311859A JPH08166392A (en) 1994-12-15 1994-12-15 Scanning probe microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6311859A JPH08166392A (en) 1994-12-15 1994-12-15 Scanning probe microscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH08166392A true JPH08166392A (en) 1996-06-25

Family

ID=18022284

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6311859A Withdrawn JPH08166392A (en) 1994-12-15 1994-12-15 Scanning probe microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH08166392A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010014591A (en) * 2008-07-04 2010-01-21 Mitsutoyo Corp Micro shape measuring apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010014591A (en) * 2008-07-04 2010-01-21 Mitsutoyo Corp Micro shape measuring apparatus

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fleming et al. Bridging the gap between conventional and video-speed scanning probe microscopes
US5077473A (en) Drift compensation for scanning probe microscopes using an enhanced probe positioning system
JP2915554B2 (en) Barrier height measurement device
JP3402512B2 (en) Scanning probe microscope
US8726409B2 (en) Method for driving a scanning probe microscope at elevated scan frequencies
JP2009525466A (en) This application claims priority to US Provisional Patent Application 60 / 763,659 filed on January 31, 2006, and is filed in the United States on November 28, 2006. And claims its priority in connection with patent application 11 / 563,822 (name of invention “variable density scanning”), which is hereby incorporated by reference in its entirety.
JPH10332713A (en) Control of interlocking of probe of scanning microscope and segmental piezo-electric actuator
US7041963B2 (en) Height calibration of scanning probe microscope actuators
US8869311B2 (en) Displacement detection mechanism and scanning probe microscope using the same
Schitter et al. Model-based signal conditioning for high-speed atomic force and friction force microscopy
EP0843175B1 (en) Scanning probe microscope and signal processing apparatus
US20020130658A1 (en) Magnetic head measuring apparatus and measuring method applied to the same apparatus
JP3515364B2 (en) Apparatus, method and recording medium for examining topographical characteristics of sample surface
Mazzeo et al. Atomic force microscope for accurate dimensional metrology
JP3070216B2 (en) Surface microscope and microscopic method
JPH08166392A (en) Scanning probe microscope
Fleming A method for reducing piezoelectric non-linearity in scanning probe microscope images
JP3091908B2 (en) Scanning probe microscope
JP3029504B2 (en) Scanning tunnel microscope and information recording / reproducing device
JPH06258014A (en) Scanning probe microscope and recorder and/or reproducer employing it
JP2002014025A (en) Probe scanning control device, scanning probe microscope by the same, probe scanning control method, and measuring method by the scanning control method
JP2024520387A (en) AFM imaging with creep correction
JPH10111300A (en) Scanning probe microscope
JP3123607B2 (en) Calibration device for fine movement mechanism using piezoelectric element
TW202307435A (en) Afm imaging with real time drift correction

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20020305