JPH08178933A - Surface measuring device - Google Patents

Surface measuring device

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Publication number
JPH08178933A
JPH08178933A JP31816894A JP31816894A JPH08178933A JP H08178933 A JPH08178933 A JP H08178933A JP 31816894 A JP31816894 A JP 31816894A JP 31816894 A JP31816894 A JP 31816894A JP H08178933 A JPH08178933 A JP H08178933A
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JP
Japan
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sample
probe
output
displacement
displacement sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP31816894A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Nakamura
泰 中村
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
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Publication of JPH08178933A publication Critical patent/JPH08178933A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE: To measure the surface having elastic properties or viscosity of a sample by accurately detecting the force acting between a probe and the sample. CONSTITUTION: The surface measuring device has a probe 3 supported by a spring member 2 fixed at its one end and a displacement sensor 4 detecting the displacement of the probe 3 and is constituted so that the surface of a sample 1 is inspected by the probe 3 and the displacement of the probe 3 is detected by the displacement sensor 4 to measure the surface state of the sample 1. Further, a vibration element 5 exciting the spring member 2, an oscillator 6 vibrating the vibration element 5, a signal processing circuit 12 processing the output of the displacement sensor 4 to detect the vibration amplitude or phase thereof and recorders 14, 15 recording and displaying the output of the signal processing circuit 12 are provided.

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、原子間力顕微鏡などの
走査型プローブ顕微鏡に係わり、詳しくは試料の表面に
探針を接近、あるいは接触させて試料から受ける物理量
から試料の表面状態を測定する表面測定器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope such as an atomic force microscope, and more specifically, measuring the surface condition of a sample from the physical quantity received from the sample by bringing a probe close to or in contact with the sample surface. To a surface measuring instrument.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、試料の表面に探針を接近させて、
試料から受ける物理量から試料の表面状態を測定する走
査型プローブ顕微鏡として、特開昭62−130302
号公報所載の原子間力顕微鏡が開示されている。図7は
この原子間力顕微鏡を示す。この原子間力顕微鏡の主な
構成は例えばアルミニウム・ブロックよりなる剛体ベー
ス101より成る。ベース101のアーム102はXY
Z駆動装置103に取付けられていて、これによってサ
ンプル104は定置尖点105に関してX、Y及びZ方
向に変位できる様になっている。尖点105はベース1
01から突出し、片持ちばり107を支持するアーム1
06上に支持されている。好ましい実施例で、片持ちば
り107は板ばねの形をなし、尖点105は該ばね10
7の上端に固定されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a probe is brought close to the surface of a sample,
As a scanning probe microscope for measuring the surface condition of a sample from the physical quantity received from the sample, JP-A-62-130302
An atomic force microscope disclosed in Japanese Patent Publication is disclosed. FIG. 7 shows this atomic force microscope. The main structure of this atomic force microscope is composed of a rigid base 101 made of, for example, an aluminum block. The arm 102 of the base 101 is XY
Mounted on the Z drive 103, this allows the sample 104 to be displaced in the X, Y and Z directions with respect to the stationary cusp 105. The cusp 105 is the base 1
The arm 1 that projects from 01 and supports the cantilever 107
It is supported on 06. In the preferred embodiment, the cantilever 107 is in the form of a leaf spring and the cusps 105 are the spring 10.
It is fixed to the upper end of 7.

【0003】ばね107の裏にはトンネリング・チップ
108が面していて、チップ108は、ばね107とは
相対的に前進及び後退させるZ駆動装置109に支持さ
れている。Z駆動装置109はベース101から突出す
るアーム110に固定されている。この装置は、建物の
振動の様なすべての周囲の振動を除去する装置を与える
必要がある。この振動除去はベース101のアーム10
2及び110から駆動装置103及び109を分離する
ビトンゴムのクッション111、112によってある程
度達成できる。
A tunneling tip 108 faces the back of the spring 107, and the tip 108 is supported by a Z drive device 109 that advances and retracts relative to the spring 107. The Z drive device 109 is fixed to an arm 110 protruding from the base 101. This device needs to provide a device that eliminates all ambient vibrations such as building vibrations. This vibration is removed by the arm 10 of the base 101.
This can be achieved in part by the cushions 111, 112 of Viton rubber separating the drives 103 and 109 from 2 and 110.

【0004】動作を説明すると、検査すべきサンプル1
04はXYZ駆動装置103上にその表面が尖点105
に向き合う様に取付けられる。サンプル104が尖点1
05に向かって、尖点105の頂点の原子の電子雲がサ
ンプル104の表面上の原子の電子雲に接触する距離迄
近づくと、原子間力が発生する。反撥性のこれらの力は
10-12 Nの程度であり、尖点105を固定したばねを
たわませる。
In operation, sample 1 to be tested
No. 04 has a cusp 105 on its surface on the XYZ driving device 103.
It is installed so that it faces each other. Sample 104 has cusp 1
When the electron cloud of the atom at the apex of the cusp 105 approaches the distance of 05 to the distance of contacting the electron cloud of the atom on the surface of the sample 104, an interatomic force is generated. These repulsive forces are of the order of 10 −12 N, which causes the spring with the cusps 105 to flex.

【0005】ばね107のたわみは固定したトンネル顕
微鏡によって測定する。ばね107は圧電素子113を
介してアーム106に支持する。トンネリング・チップ
108をZ駆動装置109によって金のばね107に向
けてトンネリング距離内、即ち約0.3nm以内に近づ
け、トンネル電流をばね107とチップ108間に流
す。この時これらの間には適切な電位差が存在するもの
とする。このトンネル電流はトンネル電極間の距離の指
数関数である。従ってトンネル電流は定レベル即ちホー
ム・レベルからの実際の検査位置の表面の高さを導くの
に使用できる。
The deflection of the spring 107 is measured by a fixed tunnel microscope. The spring 107 supports the arm 106 via the piezoelectric element 113. The tunneling tip 108 is moved toward the gold spring 107 by the Z drive device 109 within a tunneling distance, that is, within about 0.3 nm, and a tunnel current is passed between the spring 107 and the tip 108. At this time, it is assumed that an appropriate potential difference exists between them. This tunnel current is an exponential function of the distance between the tunnel electrodes. Therefore, the tunnel current can be used to derive the surface height of the actual inspection location from a constant or home level.

【0006】この原子間力顕微鏡はその通常の動作にお
いて表面の大部分、例えば半導体ウェハもしくは回路板
の表面の大部分を写像するために使用される。従って尖
点105はサンプルを横切ってマトリックス状に走査さ
れる。サンプルの表面の各スポットのトンネル電流の値
をそのスポットの位置上方に対してプロットすると、サ
ンプルの表面上の地形学的な像が得られる。(通常平坦
でない)表面の走査から生ずるトンネル電流の変化が修
正信号を発生するのに使用される。この修正信号をフィ
ードバック・ループによってXYZ駆動装置103のZ
部に印加し、尖点105とサンプル104間の距離を制
御して、原子間力を一定値に保持する。この原子力間顕
微鏡によれば、高エネルギもしくは準備金属被覆を必要
としないで原子的分解能を有する表面の像を形成するこ
とができる。
This atomic force microscope is used in its normal operation to map most of the surface, for example most of the surface of a semiconductor wafer or circuit board. Thus, the cusps 105 are scanned in a matrix across the sample. Plotting the tunneling current values for each spot on the surface of the sample against the location of that spot yields a topographical image on the surface of the sample. The change in tunneling current resulting from the scanning of the (usually non-planar) surface is used to generate the correction signal. This correction signal is fed back to the Z of the XYZ driving device 103 by a feedback loop.
Applied to the part to control the distance between the cusp 105 and the sample 104 to maintain the atomic force at a constant value. This atomic force microscope allows the formation of images of the surface with atomic resolution without the need for high energy or preparatory metal coatings.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記従来技
術による原子力間顕微鏡では、例えば、溶液中に置かれ
た生体試料の表面測定など試料表面が柔らかい場合に
は、探針と試料表面との間に働く力は、表面付近の弾性
および粘性による力により決定されるため、表面の弾性
および粘性による時定数により、探針と試料との間に働
く力が不安定となり、正確な表面測定ができないという
問題点があった。
However, in the atomic force microscope according to the above-mentioned conventional technique, for example, when the sample surface is soft, such as when measuring the surface of a biological sample placed in a solution, a space between the probe and the sample surface is used. The force acting on the surface is determined by the elastic and viscous forces in the vicinity of the surface, so the force acting between the probe and the sample becomes unstable due to the time constant due to the elastic and viscous properties of the surface, making accurate surface measurement impossible. There was a problem.

【0008】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので、請求項1、2、3または4に係る発明の目
的は、少なくとも表面が弾性的性質または粘性をもつ試
料であっても、探針と試料との間に働く力を正確に検出
し、表面測定することができる表面測定器を提供するこ
とである。
The present invention has been made in view of the above conventional problems, and an object of the invention according to claim 1, 2, 3 or 4 is to provide a sample having at least a surface having elastic properties or viscosity. Another object of the present invention is to provide a surface measuring instrument capable of accurately detecting the force acting between the probe and the sample and measuring the surface.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1、2、3または4に係る発明は、一端を固
定したバネ部材に支持された探針と、該探針の変位を検
出する変位センサとを有し、前記探針で試料の表面を探
査し、その変位を前記変位センサにより検出して、前記
試料の表面状態を測定する表面測定器において、前記バ
ネ部材を励振する振動素子と、該振動素子を複数の周波
数で振動させる発振器と、前記変位センサの出力を処理
し、その振動振幅または位相を検出する信号処理回路
と、該信号処理回路の出力を記録表示するレコーダとを
設けたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1, 2, 3 or 4 discloses a probe supported by a spring member having one end fixed, and a displacement of the probe. And a displacement sensor for detecting the surface of the sample with the probe, the displacement is detected by the displacement sensor, in the surface measuring instrument for measuring the surface state of the sample, the spring member is excited. A vibrating element, an oscillator that vibrates the vibrating element at a plurality of frequencies, a signal processing circuit that processes the output of the displacement sensor and detects the vibration amplitude or phase thereof, and records and displays the output of the signal processing circuit. A recorder is provided.

【0010】[0010]

【作用】請求項1、2、3または4に係る発明の作用は
以下の通りである。バネ部材を複数の周波数で振動させ
ることにより、各周波数での同一測定点の出力を検出
し、信号処理回路にて各周波数間における出力の勾配を
算出してその測定点の弾性力または粘性を測定する。試
料の全表面を走査することにより弾性力または粘性の分
布を得る。請求項2に係る発明の作用では、上記作用に
加え、単パルス波による振動により処理速度を速める。
請求項3に係る発明の作用では、上記作用に加え、信号
処理回路の出力を予め定めた指示値になるように発信器
の発信周波数を制御し、試料の表面弾性または粘性に対
応した出力が検出できる。請求項4に係る発明の作用で
は、上記作用に加え、信号処理回路の出力を予め定めた
指示値になるように試料をZ方向に制御し、予め定めた
表面弾性および粘性値に対応した試料の表面の高さが検
出できる。
The operation of the invention according to claim 1, 2, 3 or 4 is as follows. By vibrating the spring member at multiple frequencies, the output at the same measurement point at each frequency is detected, and the signal processing circuit calculates the output gradient between the frequencies to determine the elastic force or viscosity at that measurement point. taking measurement. An elastic force or viscosity distribution is obtained by scanning the entire surface of the sample. In the operation of the invention according to claim 2, in addition to the above operation, the processing speed is increased by the vibration due to the single pulse wave.
In the operation of the invention according to claim 3, in addition to the above operation, the oscillation frequency of the oscillator is controlled so that the output of the signal processing circuit becomes a predetermined instruction value, and the output corresponding to the surface elasticity or viscosity of the sample is generated. Can be detected. In the operation of the invention according to claim 4, in addition to the above operation, the sample is controlled in the Z direction so that the output of the signal processing circuit becomes a predetermined instruction value, and the sample corresponding to the predetermined surface elasticity and viscosity values. The height of the surface of can be detected.

【0011】[0011]

【実施例1】図1〜図2は実施例1を示し、図1は表面
測定器の構成図、図2は試料表面の弾性曲線を示す図表
である。
Example 1 FIGS. 1 and 2 show Example 1, FIG. 1 is a block diagram of a surface measuring device, and FIG. 2 is a table showing elastic curves of a sample surface.

【0012】図1において、40は基台であり、変位セ
ンサ4、振動素子5およびZ調整機構11をそれぞれ支
持している。Z調整機構11は、ボールネジとステージ
ガイドとで構成し、XYスキャナ10と試料1とをZ方
向に微動させる。XYスキャナー10は、試料1を保持
するとともにXおよびY方向に微動でき、圧電素子を材
料にしたチューブスキャナーまたはトライポット形状に
形成した積層PZTで構成する。探針3は試料1の表面
に対向するように配置し、この探針3をバネ部材2の一
端に固着する。また、バネ部材2の他の一端は振動素子
5に保持される。バネ部材2は、数μm〜数百μm厚の
燐青銅の薄片などの弾性部材で形成する。探針3は、ダ
イヤモンドの先端を加工して、尖鋭化し、バネ部材2に
接着剤などで固着する。また、探針3とバネ部材2と
を、半導体製作プロセスにより一体化して形成してもよ
い。振動素子5は微動可能な圧電素子からなり、発振器
6からの複数の周波数で励振される。
In FIG. 1, reference numeral 40 denotes a base, which supports the displacement sensor 4, the vibration element 5, and the Z adjusting mechanism 11, respectively. The Z adjustment mechanism 11 is composed of a ball screw and a stage guide, and finely moves the XY scanner 10 and the sample 1 in the Z direction. The XY scanner 10 holds the sample 1 and can be finely moved in the X and Y directions, and is composed of a tube scanner using a piezoelectric element as a material or a laminated PZT formed in a tripot shape. The probe 3 is arranged so as to face the surface of the sample 1, and the probe 3 is fixed to one end of the spring member 2. The other end of the spring member 2 is held by the vibrating element 5. The spring member 2 is formed of an elastic member such as a thin piece of phosphor bronze having a thickness of several μm to several hundred μm. The probe 3 processes the tip of diamond to sharpen it and fixes it to the spring member 2 with an adhesive or the like. Further, the probe 3 and the spring member 2 may be integrally formed by a semiconductor manufacturing process. The vibrating element 5 is composed of a finely movable piezoelectric element, and is excited by a plurality of frequencies from the oscillator 6.

【0013】変位センサ4は、探針3の変位を測定でき
る位置たる探針3の上部に配設され、市販の光変位セン
サ、光てこセンサ、静電容量変位センサまたは臨界角セ
ンサを用いる。発振器6は、周波数可変の正弦波発振器
からなり、コンピュータ14の指令で周波数を変化する
ようにコンピュータ14に接続している。コンピュータ
14は、D/Aコンバータ22を介してXYスキャナ1
0をX,Y方向に駆動させ試料1を微動する。変位セン
サ4の出力は、実効値回路12で実効値を検出した後、
A/Dコンバータ13に入力され、アナログからデジタ
ルに変換されてコンピュータ14に入力されるように互
いに接続している。この入力信号は、コンピュータ14
に記憶され、表示器15に出力するように構成されてい
る。
The displacement sensor 4 is arranged above the probe 3 at a position where the displacement of the probe 3 can be measured, and uses a commercially available optical displacement sensor, optical lever sensor, capacitance displacement sensor or critical angle sensor. The oscillator 6 is composed of a variable frequency sine wave oscillator, and is connected to the computer 14 so as to change the frequency according to a command from the computer 14. The computer 14 receives the XY scanner 1 via the D / A converter 22.
The sample 1 is slightly moved by driving 0 in the X and Y directions. The output of the displacement sensor 4 is, after detecting the effective value by the effective value circuit 12,
They are connected to each other so that they are input to the A / D converter 13, converted from analog to digital, and input to the computer 14. This input signal is sent to the computer 14
And is configured to be output to the display unit 15.

【0014】つぎに、本実施例の作用を説明する。試料
1は表面が柔らかい弾性体である。コンピュータ14か
らの出力により、発振器6を発振させ、振動素子5で探
針3を励振させる。この状態で、Z調整機構11によ
り、試料1を探針3に接近させると、試料1の表面と探
針3の先端との間に物理的な力が働く。この状態で図2
に示す弾性曲線を得るため、発振器6の発振周波数を変
化させ、変位センサ4で探針3の振動変位の状態を測定
する。振動の変位は、試料1の表面と探針3の先端との
働く物理的な力、とくに表面弾性力により振動振幅が変
化する。これを検出するため実効値回路12により、変
位センサ4の出力の実効値を求め、A/Dコンバータ1
3によりアナログ量をデジタル量に変換し、コンピュー
タ14に記憶させる。つぎに、コンピュータ14で指令
し、XYスキャナ10をX,Y方向に微動させ、試料1
を微動することにより、測定点を移動させ、上記弾性曲
線をコンピュータ14に記憶させる。この動作を順次繰
り返して、試料表面の全面にわたり、データを記憶させ
る。この記憶データより、図2で示す周波数fc,f
b,および周波数fcfb間の出力の勾配をコンピュー
タ14で処理し、表示器15にて2次元画像として、試
料表面の弾性分布を表示する。
Next, the operation of this embodiment will be described. Sample 1 is an elastic body having a soft surface. The oscillator 6 is oscillated by the output from the computer 14, and the probe 3 is excited by the vibrating element 5. In this state, when the sample 1 is brought closer to the probe 3 by the Z adjustment mechanism 11, a physical force acts between the surface of the sample 1 and the tip of the probe 3. Figure 2 in this state
In order to obtain the elastic curve shown in (1), the oscillation frequency of the oscillator 6 is changed and the displacement sensor 4 measures the vibration displacement state of the probe 3. The displacement of the vibration is such that the vibration amplitude changes due to the physical force acting on the surface of the sample 1 and the tip of the probe 3, particularly the surface elastic force. In order to detect this, the effective value circuit 12 calculates the effective value of the output of the displacement sensor 4, and the A / D converter 1
The analog quantity is converted into a digital quantity by 3, and is stored in the computer 14. Next, a command is given by the computer 14, and the XY scanner 10 is finely moved in the X and Y directions, and the sample 1
By slightly moving, the measurement point is moved, and the elasticity curve is stored in the computer 14. This operation is sequentially repeated to store data on the entire surface of the sample. From the stored data, the frequencies fc and f shown in FIG.
The gradient of the output between b and the frequency fcfb is processed by the computer 14, and the elasticity distribution on the sample surface is displayed on the display 15 as a two-dimensional image.

【0015】ここで、図2の弾性曲線について説明す
る。横軸は、発振器6の発振周波数、縦軸は、信号処理
回路たる実効値回路12の出力たる振動振幅を表示す
る。低周波側では、試料1の表面の弾性の影響を受けな
いため、バネ部材2の振動振幅は振動素子5の振幅と一
致しているが、周波数を上げていくと、周波数fc付近
より試料1の表面弾性の影響を受けて振幅が徐々に低下
し、周波数fb付近では、振動振幅がほぼ零に接近して
いる。この周波数fc,fb,およびfcfb間の出力
の勾配により、測定部位における弾性力を検出する。
Now, the elastic curve of FIG. 2 will be described. The horizontal axis represents the oscillation frequency of the oscillator 6, and the vertical axis represents the vibration amplitude that is the output of the effective value circuit 12 that is the signal processing circuit. On the low frequency side, the vibration amplitude of the spring member 2 matches the amplitude of the vibrating element 5 because it is not affected by the elasticity of the surface of the sample 1. However, as the frequency is increased, the vibration amplitude of the sample 1 becomes closer to the frequency fc. The amplitude gradually decreases under the influence of the surface elasticity of, and the vibration amplitude approaches zero near the frequency fb. The elastic force at the measurement site is detected by the gradient of the output between the frequencies fc, fb and fcfb.

【0016】本実施例によれば、生体試料のような弾性
体の試料であっても、その表面の弾性力を検出すること
ができる。また、XYスキャナを装備したので、試料表
面の走査が可能となり、2次元的な弾性分布を観測する
ことができる。
According to this embodiment, the elastic force of the surface of an elastic sample such as a biological sample can be detected. Further, since the XY scanner is equipped, the sample surface can be scanned and the two-dimensional elastic distribution can be observed.

【0017】本実施例では、弾性体の試料を用いて説明
したが、試料が表面粘性を有するものであっても、探針
3に働く力は同様であり、表面粘性分布も本実施例の表
面測定器で観測することができる。
In this embodiment, the elastic sample is used for explanation. However, even if the sample has a surface viscosity, the force acting on the probe 3 is the same and the surface viscosity distribution of this example is also the same. It can be observed with a surface measuring instrument.

【0018】また、本実施例の発振器6に替えて、広い
範囲の周波数成分を有するパルス状の出力をもつ発振器
を用い、変位センサ4からの出力をロックインアンプま
たはFFTアナライザなどの波形解析装置で検出するこ
とでも、2次元的な弾性分布を観測することができる。
Further, instead of the oscillator 6 of this embodiment, an oscillator having a pulsed output having a wide range of frequency components is used, and the output from the displacement sensor 4 is a waveform analysis device such as a lock-in amplifier or an FFT analyzer. The two-dimensional elastic distribution can also be observed by detecting with.

【0019】[0019]

【実施例2】図3〜図4は実施例2を示し、図3は表面
測定器の構成図、図4は試料表面の弾性曲線を示す図表
である。本実施例の構成は、実施例1における変位セン
サ4とバネ部材2に替えて、これらを複合したものを用
いる点に特徴があり、他の部分は実施例1と同一なの
で、同一の部材には同一の符号をつけて説明を省略す
る。
[Embodiment 2] FIGS. 3 to 4 show Embodiment 2, FIG. 3 is a configuration diagram of a surface measuring device, and FIG. 4 is a table showing elastic curves of a sample surface. The configuration of the present embodiment is characterized in that a combination of the displacement sensor 4 and the spring member 2 in the first embodiment is used, and other parts are the same as those in the first embodiment. Are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

【0020】図3において、31は複合バネ部材であ
り、半導体プロセスを利用して、燐青銅の薄片などの弾
性部材の上面にピエゾ抵抗体を形成したものである。こ
のピエゾ抵抗体は、実効値回路12に接続されている。
複合バネ部材31の先端には探針3が固着され、他の一
端は振動素子5に保持されている。基台41は変位セン
サを要しないため、実施例1の変位センサの保持部が欠
落する形状に形成されている。他の構成は実施例1と同
様である。
In FIG. 3, reference numeral 31 is a composite spring member, which is formed by forming a piezoresistor on the upper surface of an elastic member such as a thin piece of phosphor bronze by using a semiconductor process. The piezoresistor is connected to the effective value circuit 12.
The probe 3 is fixed to the tip of the composite spring member 31, and the other end is held by the vibrating element 5. Since the base 41 does not require a displacement sensor, it is formed in a shape in which the holding portion of the displacement sensor of the first embodiment is missing. Other configurations are similar to those of the first embodiment.

【0021】本実施例の作用について説明する。試料1
は実施例1と同様の弾性体である。複合バネ部材31
は、試料1の表面と探針3の先端との間に働く物理的な
力により曲がり、複合バネ部材31の上面に形成された
ピエゾ抵抗体を歪ませる。この歪みにより、ピエゾ抵抗
体の抵抗値が変化し、この変化量をブリッジ回路などに
て検出することにより、複合バネ部材31の曲がり量を
検出する。この曲がり量は、試料1の表面より力を受け
ていない時は零であるため、力が作用し始めると弾性曲
線は図4のように、振動周波数の増加に従って、出力た
る振動振幅が増加する。このときの周波数fc,fb,
およびfcfb間の出力の勾配を求めることにより弾性
力を検出し、表面弾性分布を観測する。
The operation of this embodiment will be described. Sample 1
Is an elastic body similar to that of the first embodiment. Compound spring member 31
Bends due to a physical force acting between the surface of the sample 1 and the tip of the probe 3, and distorts the piezoresistor formed on the upper surface of the composite spring member 31. Due to this strain, the resistance value of the piezoresistor changes, and the amount of change is detected by a bridge circuit or the like to detect the amount of bending of the composite spring member 31. This amount of bending is zero when no force is applied from the surface of the sample 1, so that when the force begins to act, the elastic curve increases the output vibration amplitude as the vibration frequency increases as shown in FIG. . The frequencies fc, fb at this time,
The elastic force is detected by obtaining the gradient of the output between and ffcb, and the surface elastic distribution is observed.

【0022】本実施例によれば、実施例1の効果に加
え、変位センサが小型化でき、装置全体の構成が簡易化
され、装置の剛性が向上し、外部振動の影響が受け難く
なり、測定精度を向上させることができる。
According to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the displacement sensor can be downsized, the structure of the entire device can be simplified, the rigidity of the device can be improved, and the influence of external vibration can be reduced. The measurement accuracy can be improved.

【0023】本実施例でも、弾性体の試料を用いて説明
したが、実施例1で示した変形例は本実施例においても
適用することができる。また、振動子5による振動周波
数は数MHz まで向上できるため、より粘性の低い試料
に対しても高感度に測定することができる。
Also in the present embodiment, the elastic sample is used for explanation, but the modification shown in the first embodiment can be applied to the present embodiment. Further, since the vibration frequency of the vibrator 5 can be improved to several MHz, it is possible to measure with high sensitivity even a sample having a lower viscosity.

【0024】[0024]

【実施例3】図5は実施例3を示し、表面測定器の構成
図である。本実施例の構成は、制御回路のみが実施例1
と異なり、他の部分は実施例1と同一なので、同一の部
材には同一の符号をつけて説明を省略する。
Third Embodiment FIG. 5 shows a third embodiment and is a configuration diagram of a surface measuring instrument. In the configuration of this embodiment, only the control circuit is used in the first embodiment.
Since other parts are the same as those in the first embodiment, the same members are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

【0025】図5において、変位センサ4の出力は、オ
ペレーショナルアンプとダイオードなどからなる絶対値
回路17にて振幅検出され、差動アンプ18に入力する
ように互いに接続している。差動アンプ18は、この絶
対値回路17の出力信号と、コンピュータ14の出力で
変化するA/Dコンバータ20の出力信号とを差分し、
PID制御回路19に入力するように接続している。P
ID制御回路19の出力は、発振器6およびA/Dコン
バータ13に入力するように接続している。PID回路
19は、一般的なフィードバック回路であり、比例、積
分および微分回路により構成されている。他の回路構成
は実施例1と同様である。
In FIG. 5, the output of the displacement sensor 4 is amplitude-detected by the absolute value circuit 17 including an operational amplifier and a diode, and is connected to the differential amplifier 18 so as to be input to the differential amplifier 18. The differential amplifier 18 makes a difference between the output signal of the absolute value circuit 17 and the output signal of the A / D converter 20 which changes with the output of the computer 14,
The PID control circuit 19 is connected so as to be input. P
The output of the ID control circuit 19 is connected so as to be input to the oscillator 6 and the A / D converter 13. The PID circuit 19 is a general feedback circuit and is composed of a proportional, integral and differentiating circuit. The other circuit configuration is the same as that of the first embodiment.

【0026】本実施例の作用について説明する。試料1
は実施例1と同様の弾性体である。変位センサ4により
検出された探針3の振動信号は、絶対値回路17でその
振幅信号を検出され、差動アンプ18に入力される。差
動アンプ18は、コンピュータ14からの出力であるサ
ーボ指示値と絶対値回路17の信号とを比較し、この値
が零になるようにPID制御回路19で発振器6の発振
周波数を変化させ、振動素子5にフィードバック制御す
る。この結果、発振器6の発振周波数は、試料1の表面
と探針3の先端とに働く物理的な力に対応した周波数で
振動することになり、この周波数に対応した値のPID
制御回路19の出力を、XYスキャナ10により試料1
の表面を走査させ、コンピュータ14で取り込み、表示
器15に表示することにより、弾性分布を観測する。
The operation of this embodiment will be described. Sample 1
Is an elastic body similar to that of the first embodiment. The vibration signal of the probe 3 detected by the displacement sensor 4 has its amplitude signal detected by the absolute value circuit 17, and is input to the differential amplifier 18. The differential amplifier 18 compares the servo instruction value output from the computer 14 with the signal of the absolute value circuit 17, and changes the oscillation frequency of the oscillator 6 by the PID control circuit 19 so that this value becomes zero. Feedback control is performed on the vibration element 5. As a result, the oscillation frequency of the oscillator 6 vibrates at a frequency corresponding to the physical force acting on the surface of the sample 1 and the tip of the probe 3, and the PID having a value corresponding to this frequency.
The output of the control circuit 19 is supplied to the sample 1 by the XY scanner 10.
The surface of is scanned, taken in by the computer 14, and displayed on the display 15, so that the elastic distribution is observed.

【0027】本実施例によれば、実施例1の効果に加
え、変位センサの信号で発振器の発振周波数を変化し、
フィードバックすることにより、発振器の発振周波数を
測定点毎に変化させる必要がないため、測定速度を高速
にすることができる。
According to this embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, the oscillation frequency of the oscillator is changed by the signal of the displacement sensor,
By feeding back, it is not necessary to change the oscillation frequency of the oscillator for each measurement point, so that the measurement speed can be increased.

【0028】本実施例でも、弾性体の試料を用いて説明
したが、実施例1で示した変形例は本実施例においても
適用することができる。
Also in this embodiment, the elastic sample is used for explanation, but the modification shown in Embodiment 1 can be applied to this embodiment.

【0029】[0029]

【実施例4】図6は実施例4を示し、表面測定器の構成
図である。本実施例の構成は、試料の載置部および制御
回路のみが実施例1と異なり、他の部分は実施例1と同
一なので、同一の部材には同一の符号をつけて説明を省
略する。
[Embodiment 4] FIG. 6 shows Embodiment 4 and is a configuration diagram of a surface measuring instrument. The configuration of the present embodiment is different from that of the first embodiment only in the sample mounting portion and the control circuit, and the other parts are the same as those of the first embodiment. Therefore, the same members are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

【0030】まず、試料の載置部の構成を説明する。圧
電材料からなるチューブスキャナで構成されたスキャナ
26は、Z調整機構11に支持され、シャーレ27を保
持する。シャーレ27は、塩水などの液体28で満たさ
れ、この液体中に試料1を配置する。探針3とバネ部材
2とは液体28中に没して、試料1に接近する。また、
変位センサ4の先端も液体28中に没している。他の構
成は実施例1と同様である。
First, the structure of the sample mounting portion will be described. A scanner 26 composed of a tube scanner made of a piezoelectric material is supported by the Z adjustment mechanism 11 and holds a petri dish 27. The dish 27 is filled with a liquid 28 such as salt water, and the sample 1 is placed in this liquid. The probe 3 and the spring member 2 are submerged in the liquid 28 and approach the sample 1. Also,
The tip of the displacement sensor 4 is also submerged in the liquid 28. Other configurations are similar to those of the first embodiment.

【0031】つぎに、制御回路の構成について説明す
る。変位センサ4からの出力は、オペレーショナルアン
プとダイオードなどで構成された絶対値回路17で振幅
検出され、差動アンプ18に入力されるように互いに接
続されている。差動アンプ18は、この絶対値回路17
の出力信号と、コンピュータ14に出力で変化するA/
Dコンバータ20の出力信号とを差分し、PID制御回
路19に入力するように接続している。PID制御回路
19の出力は、スキャナ26およびA/Dコンバータ1
3に入力するように接続している。スキャナ26への入
力により資料1をZ方向に微動する。PID制御回路1
9は、一般的なフィードバック回路であり、比例、積分
および微分回路により構成されている。他の回路構成は
実施例3と同様である。
Next, the structure of the control circuit will be described. The output from the displacement sensor 4 is amplitude-detected by an absolute value circuit 17 including an operational amplifier and a diode, and is connected to each other so as to be input to a differential amplifier 18. The differential amplifier 18 uses the absolute value circuit 17
Output signal and A / that changes depending on the output to the computer 14
The output signal of the D converter 20 is connected to the PID control circuit 19 so as to be different from the output signal. The output of the PID control circuit 19 is the scanner 26 and the A / D converter 1
3 is connected to input. The material 1 is slightly moved in the Z direction by inputting to the scanner 26. PID control circuit 1
Reference numeral 9 is a general feedback circuit, which is composed of a proportional, integral, and derivative circuit. The other circuit configuration is the same as that of the third embodiment.

【0032】本実施例の作用について説明する。試料5
1は生体試料である。表面の状態をより実際に近づける
ため、試料51は溶液中にて測定される。このため、本
実施例では、シャーレ27と溶液28により試料51を
溶液中に沈めた。コンピュータ14により、発振器29
の発振周波数を所望の周波数で発振させ、探針3を励振
させる。Z調整機構11により試料51を探針3に近づ
けることにより、探針3の振動信号は、振幅変化が生じ
る。この振幅変化を、絶対値回路17で検出し、差動ア
ンプ18に入力する。差動アンプ18は、コンピュータ
14からの出力であるサーボ指示値により、絶対値回路
17の信号を比較し、この値が零になるように、PID
制御回路19でスキャナ26をZ方向に微動させ、試料
51の表面と探針3の先端との間に働く力を一定にする
ようにフィードバック制御する。
The operation of this embodiment will be described. Sample 5
1 is a biological sample. The sample 51 is measured in a solution in order to bring the surface condition closer to the actual condition. Therefore, in this example, the sample 51 was submerged in the solution by the dish 27 and the solution 28. The computer 14 causes an oscillator 29
The oscillation frequency of is oscillated at a desired frequency to excite the probe 3. When the sample 51 is moved closer to the probe 3 by the Z adjustment mechanism 11, the amplitude of the vibration signal of the probe 3 changes. This amplitude change is detected by the absolute value circuit 17 and input to the differential amplifier 18. The differential amplifier 18 compares the signals of the absolute value circuit 17 with the servo instruction value output from the computer 14, and sets the PID so that this value becomes zero.
The scanner 26 is finely moved in the Z direction by the control circuit 19, and feedback control is performed so that the force acting between the surface of the sample 51 and the tip of the probe 3 is constant.

【0033】この結果、スキャナ26のZ方向の制御
は、試料51と探針3との間に働く力を検出した絶対値
回路17の出力と、前期サーボ指示値とを一致させる。
同時に、スキャナ26により、試料51の表面を走査さ
せ、コンピュータ14でPID制御回路19の出力を取
り込み表示器15に表示することにより、試料51の表
面が凹凸の激しい3次元形状であっても、試料表面の弾
性および粘性に対応した表面形状の3次元分布を観測で
きる。発振器29の発振周波数を所望の周波数およびサ
ーボ指示値に決定するのは、実施例1で示した通り、図
2の弾性曲線を用いて行う。
As a result, the control of the scanner 26 in the Z direction matches the output of the absolute value circuit 17 which detects the force acting between the sample 51 and the probe 3 with the servo instruction value in the previous period.
At the same time, the surface of the sample 51 is scanned by the scanner 26, and the output of the PID control circuit 19 is captured by the computer 14 and displayed on the display unit 15. Therefore, even if the surface of the sample 51 has a three-dimensional shape with large irregularities, The three-dimensional distribution of the surface shape corresponding to the elasticity and viscosity of the sample surface can be observed. The oscillation frequency of the oscillator 29 is determined to the desired frequency and the servo instruction value by using the elastic curve of FIG. 2 as described in the first embodiment.

【0034】本実施例によれば、実施例1の効果に加
え、試料を溶液中に置いたままで測定することにより、
実際に近い測定環境で試料を測定することができる。ま
た、変位センサの信号で試料をZ方向に微動することに
より、凹凸の激しい3次元形状の試料表面であっても、
所望の弾性および粘性値に対応した表面形状の3次元分
布を観測することができる。
According to this example, in addition to the effect of Example 1, by performing measurement while the sample was placed in the solution,
The sample can be measured in a measurement environment close to the actual one. In addition, by slightly moving the sample in the Z direction by the signal of the displacement sensor,
It is possible to observe a three-dimensional distribution of surface shapes corresponding to desired elasticity and viscosity values.

【0035】[0035]

【発明の効果】請求項1、2、3または4に係る発明に
よれば、少なくとも表面弾性または粘性の大きな試料に
おいても、試料の表面と探針の先端に働く力を正確に検
出でき、正確な表面測定を行うことができる。請求項2
に係る発明によれば、上記効果に加え、パルス状に探針
を動作させ測定するため、高速に、表面弾性および粘性
特性を検出することができる。請求項3に係る発明によ
れば、上記効果に加え、測定点の少なくとも表面弾性ま
たは粘性に対応した出力を常時検出することができる。
請求項4に係る発明によれば、上記効果に加え、所望の
表面弾性および粘性値を持つ高さを検出し、試料の表面
形状を観測することができる。
According to the invention according to claim 1, 2, 3 or 4, the force acting on the surface of the sample and the tip of the probe can be accurately detected, even in the case of a sample having a large surface elasticity or viscosity. Various surface measurements can be performed. Claim 2
According to the invention of claim 1, in addition to the above effects, since the probe is operated in a pulsed manner to perform measurement, the surface elasticity and the viscosity characteristic can be detected at high speed. According to the invention of claim 3, in addition to the above effects, it is possible to constantly detect the output corresponding to at least the surface elasticity or the viscosity of the measurement point.
According to the invention of claim 4, in addition to the above effects, the height having a desired surface elasticity and viscosity can be detected, and the surface shape of the sample can be observed.

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

【図1】実施例1の表面測定器の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a surface measuring instrument according to a first embodiment.

【図2】実施例1の試料表面の弾性曲線を示す図表であ
る。
FIG. 2 is a table showing an elastic curve of a sample surface of Example 1.

【図3】実施例2の表面測定器の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a surface measuring device according to a second embodiment.

【図4】実施例2の試料表面の弾性曲線を示す図表であ
る。
FIG. 4 is a table showing an elastic curve of a sample surface of Example 2.

【図5】実施例3の表面測定器の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a surface measuring device according to a third embodiment.

【図6】実施例4の表面測定器の構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a surface measuring device according to a fourth embodiment.

【図7】従来技術の原子力間顕微鏡の構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional atomic force microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 試料 2 バネ部材 3 探針 4 変位センサ 5 振動素子 6 発振器 12 実効値回路 14 コンピュータ 15 表示器 1 sample 2 spring member 3 probe 4 displacement sensor 5 vibrating element 6 oscillator 12 effective value circuit 14 computer 15 indicator

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一端を固定したバネ部材に支持された探針
と、該探針の変位を検出する変位センサとを有し、前記
探針で試料の表面を探査し、その変位を前記変位センサ
により検出して、前記試料の表面状態を測定する表面測
定器において、 前記バネ部材を励振する振動素子と、該振動素子を複数
の周波数で振動させる発振器と、前記変位センサの出力
を処理し、その振動振幅または位相を検出する信号処理
回路と、該信号処理回路の出力を記録表示するレコーダ
とを設けたことを特徴とする表面測定器。
1. A probe having a fixed end and supported by a spring member, and a displacement sensor for detecting the displacement of the probe, the probe searches the surface of a sample, and the displacement is measured by the displacement. In a surface measuring instrument that detects the surface state of the sample by detecting with a sensor, a vibrating element that excites the spring member, an oscillator that vibrates the vibrating element at a plurality of frequencies, and an output of the displacement sensor are processed. A surface measuring instrument comprising: a signal processing circuit for detecting the vibration amplitude or phase thereof; and a recorder for recording and displaying the output of the signal processing circuit.
【請求項2】前記発振器は、前記バネ部材をパルス状に
変位させるものであることを特徴とする請求項1記載の
表面測定器。
2. The surface measuring device according to claim 1, wherein the oscillator displaces the spring member in a pulse shape.
【請求項3】前記信号処理回路の出力を前記発振器にフ
ィードバックさせる制御回路を設けたことを特徴とする
請求項1記載の表面測定器。
3. The surface measuring instrument according to claim 1, further comprising a control circuit for feeding back an output of the signal processing circuit to the oscillator.
【請求項4】前記試料の表面に垂直な方向に前記試料を
微動させる微動機構と、前記信号回路の出力を前記微動
機構にフィードバックさせる制御回路とを設けたことを
特徴とする請求項1記載の表面測定器。
4. A fine movement mechanism for finely moving the sample in a direction perpendicular to the surface of the sample, and a control circuit for feeding back the output of the signal circuit to the fine movement mechanism. Surface measuring instrument.
JP31816894A 1994-12-21 1994-12-21 Surface measuring device Withdrawn JPH08178933A (en)

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