JPH0843409A - Interatomic forces microscope - Google Patents

Interatomic forces microscope

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Publication number
JPH0843409A
JPH0843409A JP6175563A JP17556394A JPH0843409A JP H0843409 A JPH0843409 A JP H0843409A JP 6175563 A JP6175563 A JP 6175563A JP 17556394 A JP17556394 A JP 17556394A JP H0843409 A JPH0843409 A JP H0843409A
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JP
Japan
Prior art keywords
cantilever
scanning
inclination
sample
angle
Prior art date
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JP6175563A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Sato
健一 佐藤
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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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Abstract

PURPOSE:To obtain an interatomic forces microscope equipped with a mechanism which can make the surface of a sample and a scanning plane of a cantilever be parallel to each other. CONSTITUTION:A frame 1 supporting a cantilever 5, etc., is set on four shaft screws 32 of which height positions of the respective upper end faces can be regulated independently. The frame 1 is provided with a reference plane 10 parallel to a scanning plane of the cantilever 5 beforehand. On the other hand, the surface of a sample (s) is made horizontal beforehand. The inclination of the reference plane 10 is measured by a clinometer 4 and positions of the shaft screws 32 are regulated by operating a motor 31 so that the reference plane 10 be horizontal.

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す
る。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an atomic force microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年開発された原子間力顕微鏡(AF
M:Atomic Force Microscope)は、非導電物質である
生物、有機分子、絶縁物質(例えば、セラミックス)等
を、ナノメートルスケールで観察を行うことができるた
め、広範囲な応用が期待されている。
2. Description of the Related Art Recently developed atomic force microscopes (AF
M: Atomic Force Microscope) is capable of observing non-conductive substances such as living things, organic molecules, and insulating substances (for example, ceramics) on a nanometer scale, and thus is expected to have a wide range of applications.

【0003】AFMの原理および要部の構成を図5を用
いて説明する。
The principle of the AFM and the structure of the main part will be described with reference to FIG.

【0004】AFMは、架台1、台座2、3軸上下微動
機構3、サンプルホルダ20、カンチレバー5、スキャ
ナ6、光源7、ディテクタ8を含んで構成される。
The AFM comprises a pedestal 1, a pedestal 2, a triaxial vertical fine movement mechanism 3, a sample holder 20, a cantilever 5, a scanner 6, a light source 7, and a detector 8.

【0005】サンプルホルダ20は、試料sを載せるた
めの台である。
The sample holder 20 is a table on which the sample s is placed.

【0006】カンチレバー5は、試料表面との距離を、
カンチレバー5自身のたわみの量として検出するもので
ある。このカンチレバー5は、板バネ状に構成されてお
り、その先端部には、探針50を備えている。カンチレ
バー5は、探針20と、試料表面との間に作用する原子
間力によってたわみを生じる。
The distance between the cantilever 5 and the sample surface is
This is detected as the amount of deflection of the cantilever 5 itself. The cantilever 5 is formed in a leaf spring shape and has a probe 50 at its tip. The cantilever 5 is bent by an atomic force acting between the probe 20 and the sample surface.

【0007】スキャナ6は、試料表面上において、カン
チレバー5をXY方向に走査するためのものである。カ
ンチレバー5は、探針50を力学的に試料表面に接触さ
せられた状態で、スキャナ6によってXY方向に走査さ
れる。
The scanner 6 is for scanning the cantilever 5 in the XY directions on the sample surface. The cantilever 5 is scanned in the XY directions by the scanner 6 with the probe 50 being in mechanical contact with the sample surface.

【0008】光源7、ディテクタ8は、カンチレバー5
のたわみ量を検出するためのものである。光源7の発す
る光を、カンチレバー5に照射し、その反射光をディテ
クタ8によって検出する。この反射光を測定することに
よって、カンチレバーのたわみ量を測定することができ
る。
The light source 7 and the detector 8 are the cantilever 5.
This is for detecting the amount of deflection. The light emitted from the light source 7 is applied to the cantilever 5, and the reflected light is detected by the detector 8. By measuring this reflected light, the amount of deflection of the cantilever can be measured.

【0009】試料表面と探針との間に作用する原子間力
の大きさは、両者の間隔によって変化する。一般に物質
表面では、遠距離では引力が働き、近距離では、斥力が
働く。従って、原子間力を一定に保ちつつ(すなわち、
カンチレバーのたわみ量を一定に保ちつつ)、試料表面
上、探針50を移動させることによって、試料表面の凹
凸を観察することができる。
The magnitude of the interatomic force acting between the sample surface and the probe changes depending on the distance between the two. Generally, on the surface of a substance, attractive force works at a long distance, and repulsive force works at a short distance. Therefore, keeping the atomic force constant (ie,
By moving the probe 50 on the sample surface while keeping the amount of deflection of the cantilever constant, it is possible to observe the unevenness of the sample surface.

【0010】このようにして得た測定データに対し適当
な処理を施すことで、AFMでは試料表面の凹凸を表し
た画像を得ることができる。
By subjecting the measurement data thus obtained to an appropriate treatment, an image showing the unevenness of the sample surface can be obtained by the AFM.

【0011】上述のカンチレバー5、スキャナ6、光源
7、ディテクタ8は、架台1に設置されている。さら
に、該架台1自身は台座2に載せられている。従って、
3軸上下微動機構3を作動させることによって、カンチ
レバー5、スキャナ6、光源7、ディテクタ8等の相対
的位置関係を変えることなく、その傾きなどを調整可能
にされている。一方、サンプルホルダ20は、台座2に
設置されているため、該3軸上下微動機構3の動作の影
響を受けることなく、常に一定の位置に保たれる。
The cantilever 5, the scanner 6, the light source 7, and the detector 8 described above are installed on the mount 1. Further, the gantry 1 itself is placed on the pedestal 2. Therefore,
By operating the triaxial vertical fine movement mechanism 3, the inclination and the like of the cantilever 5, the scanner 6, the light source 7, the detector 8 and the like can be adjusted without changing their relative positional relationship. On the other hand, since the sample holder 20 is installed on the pedestal 2, it is always kept at a fixed position without being affected by the operation of the triaxial vertical fine movement mechanism 3.

【0012】このような構成からなるAFMにおいて
は、試料sの表面と、カンチレバー5の走査面とが、平
行になっているか否かが、凹凸像の検出精度に影響す
る。該傾きの影響の大きさを図6を用いて説明する。
In the AFM having such a structure, whether or not the surface of the sample s and the scanning surface of the cantilever 5 are parallel to each other affects the detection accuracy of the uneven image. The magnitude of the influence of the tilt will be described with reference to FIG.

【0013】以下、カンチレバーの走査面と、試料表面
とが、平行になっていないことを、単に、"試料表面の
傾き"、"試料の傾き"と表現する(注:これは、あくまで
もカンチレバーの走査面を基準としてのものであり、水
平面に対する傾きではない)。
Hereinafter, the fact that the scanning surface of the cantilever and the surface of the sample are not parallel is simply referred to as "inclination of the sample surface" or "inclination of the sample". (It is based on the scanning plane, not the inclination with respect to the horizontal plane).

【0014】AFMにおいて検出可能な最小の凹凸は、
カンチレバー5の検出した試料表面の高低差ΔH(=H
max − Hmin)の大きさによって決まってくる。
The smallest irregularity that can be detected by the AFM is
Height difference of sample surface detected by cantilever 5 ΔH (= H
It depends on the size of (max − Hmin).

【0015】例えば、データのサンプリングを8ビット
(つまり、256段階)で行っている場合を考える。こ
の場合には、観察可能な凹凸の最小高さhminは、下記
数1で決定される。
For example, consider a case where data sampling is performed with 8 bits (that is, 256 steps). In this case, the minimum height h min of the observable unevenness is determined by the following formula 1.

【0016】[0016]

【数1】hmin=(Hmax − Hmin)/256 Hmax:走査範囲内において、カンチレバー5の検出し
た高さの最大値 Hmin:走査範囲内において、カンチレバー5の検出し
た高さの最小値 カンチレバー5の検出した高低差ΔHが大きい場合、例
えば、ΔH=5000nmである場合には、hmin=2
0nmとなる。つまり、試料表面にある20nm以下の
凹凸は検出できないことになる。仮に、試料の表面に高
さh=10nmの凹凸があってもこれを凹凸として観察
することができない。一方、カンチレバー5の検出した
高低差ΔHが小さい場合、例えば、ΔH=100nmで
ある場合には、hmin=0.4nmとなり、高さh=1
0nmの凹凸を観察することができる。なお、試料表面
が傾いていると、高さ位置H測定の軸方向と、凹凸の高
さhの測定の方向がずれるため、厳密にはこの方向のず
れを考慮する必要がある。
## EQU1 ## h min = (Hmax-Hmin) / 256 Hmax: maximum value of height detected by cantilever 5 in scanning range Hmin: minimum value of height detected by cantilever 5 in scanning range Cantilever 5 If the detected difference in height ΔH is large, for example, if ΔH = 5000 nm, then h min = 2
It becomes 0 nm. That is, the unevenness of 20 nm or less on the sample surface cannot be detected. Even if the surface of the sample has unevenness with a height h = 10 nm, it cannot be observed as unevenness. On the other hand, when the height difference ΔH detected by the cantilever 5 is small, for example, when ΔH = 100 nm, h min = 0.4 nm and the height h = 1.
Unevenness of 0 nm can be observed. If the surface of the sample is tilted, the axial direction for measuring the height position H and the measuring direction for the height h of the unevenness are deviated from each other.

【0017】ところで、カンチレバー5自身は、観察に
よって得られた高低差が、試料表面の凹凸に起因したも
のか、あるいは、試料表面全体の傾きに起因したものか
を区別することはできない。従って、試料表面の傾きが
大きい場合には、上述の高低差ΔHが試料表面の傾きに
起因して決定されてしまう。そして、これでは、顕微鏡
は本来の性能を発揮することができない。最悪の場合に
は、カンチレバー5が試料表面に達かなくなり、途中か
ら、観察できないようなことも考えられる。理想的に
は、上述のHmax,Hminが、試料表面の凹凸自身によっ
て決定されているような状態(すなわち、傾きが全くな
い状態あるいは、極めて小さい状態)が好ましい。
By the way, the cantilever 5 itself cannot distinguish whether the height difference obtained by observation is caused by the unevenness of the sample surface or the inclination of the entire sample surface. Therefore, when the inclination of the sample surface is large, the above-mentioned height difference ΔH is determined due to the inclination of the sample surface. And, with this, the microscope cannot exert its original performance. In the worst case, the cantilever 5 may not reach the surface of the sample and may not be observed from the middle. Ideally, it is preferable that the above-mentioned Hmax and Hmin are determined by the unevenness of the sample surface itself (that is, there is no inclination or an extremely small state).

【0018】そのため、この傾きを修正するための各種
機構が従来から提案されている。
Therefore, various mechanisms for correcting this inclination have been conventionally proposed.

【0019】例えば、上述した例(図5)と同様の機構
(それぞれ独立に上下させることのできる3軸を備えた
上下微動機構3によって、架台1を支えた機構)を備え
たAFMは、例えば、米国特許(USP).US515
7251(1991.3.13:ParkScient
ific Instruments)公報に開示されて
いる(以下”従来技術A”という)。
For example, an AFM equipped with a mechanism similar to that of the above-described example (FIG. 5) (mechanism in which the pedestal 1 is supported by the vertical fine movement mechanism 3 having three axes that can be independently moved up and down) is, for example, , USP. US515
7251 (1991.3.13: ParkScient)
It is disclosed in ific Instruments (hereinafter referred to as "prior art A").

【0020】また、特開平4−212001号公報に
は、試料を観察する前に試料の表面における測定領域で
探針を走査させて試料面の傾きを計算で求め、その求め
た傾きに基づいて支持機構を駆動する機能(補正プログ
ラム)を備えた走査型トンネル顕微鏡が記載されている
(以下”従来技術B”という)。
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 212001/1992, before observing the sample, the probe is scanned in the measurement region on the surface of the sample to obtain the inclination of the sample surface by calculation, and based on the obtained inclination A scanning tunneling microscope having a function (correction program) for driving a support mechanism is described (hereinafter referred to as "prior art B").

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来から
提案されている傾き修正、補正の技術には以下のような
問題があった。
However, there are the following problems in the tilt correction and correction techniques proposed above.

【0022】上述の従来技術Aは、3軸上下微動機構を
手動で作動させているため操作性が悪かった。特に、水
平になっているか否かの基準あるいは目安がないため、
正確な設定が困難であった。
In the prior art A described above, the operability was poor because the triaxial vertical fine movement mechanism was manually operated. Especially, since there is no standard or standard for whether or not it is horizontal,
The exact setting was difficult.

【0023】従来技術Bにおいてもやはり、観察を開始
するまでに試料の表面を走査しなければならず、余計な
時間、操作が必要であった。
In the prior art B as well, the surface of the sample must be scanned before starting the observation, which requires extra time and operation.

【0024】本発明は、カンチレバーの走査面と試料表
面とを、迅速かつ容易に平行にすることのできる機構を
備えた、走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的と
する。
It is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope having a mechanism capable of quickly and easily making the scanning surface of the cantilever and the surface of the sample parallel to each other.

【0025】[0025]

【課題を解決するための手段】一般に、AFM等の高分
解能の顕微鏡では、サンプルホルダ20に入れて台座2
に置かれた試料の表面が水平となるように、予め十分な
注意を払って台座2が設置されている。また、観察に供
される試料sも、サンプルホルダ20に入れて台座2に
置いた状態で、その表面が水平となるように十分な注意
を払って作成されている。そこで、本発明では、サンプ
ルホルダ20に入れて台座2に載せ置かれた試料sの表
面は、水平になっているとの仮定のもとになされたもの
である。
Generally, in a high resolution microscope such as AFM, the pedestal 2 is placed in a sample holder 20.
The pedestal 2 is installed with sufficient care in advance so that the surface of the sample placed on is horizontal. Further, the sample s to be observed is also prepared with sufficient care so that the surface of the sample s placed in the sample holder 20 and placed on the pedestal 2 becomes horizontal. Therefore, the present invention is based on the assumption that the surface of the sample s placed in the sample holder 20 and placed on the pedestal 2 is horizontal.

【0026】本発明は前記目的を達成するためになされ
たものでその一態様としては、試料表面との間において
生じる原子間力によって変形可能に構成されたカンチレ
バーと、前記カンチレバーの変形量を検出する検出手段
と、前記カンチレバーを走査させる走査手段と、前記カ
ンチレバーを取り付けられたフレームと、前記カンチレ
バーの走査される面(以下”走査面”という)の傾きを
検出する傾斜角度検出手段と、前記走査面の傾きを調整
する角度調整手段と、前記傾斜角度検出手段の検出結果
に基づいて、前記角度調整手段を作動させ、前記走査面
を予め定められた角度に保つ制御手段と、を有すること
を特徴とする原子間力顕微鏡が提供される。
The present invention has been made in order to achieve the above object, and in one aspect thereof, a cantilever configured to be deformable by an atomic force generated between the cantilever and a sample surface, and the amount of deformation of the cantilever is detected. Detecting means, a scanning means for scanning the cantilever, a frame to which the cantilever is attached, an inclination angle detecting means for detecting an inclination of a surface of the cantilever to be scanned (hereinafter referred to as "scanning surface"), An angle adjusting unit that adjusts the inclination of the scanning surface, and a control unit that operates the angle adjusting unit based on the detection result of the inclination angle detecting unit and keeps the scanning surface at a predetermined angle. An atomic force microscope is provided.

【0027】前記走査面と平行な基準面を備え、前記傾
斜角度検出手段は、前記基準面の傾きを検出するもので
あってもよい。
The reference plane parallel to the scanning plane may be provided, and the inclination angle detecting means may detect the inclination of the reference plane.

【0028】前記基準面は、前記フレームに設定された
ものであり、前記角度調整手段は、前記フレーム全体の
傾きを変更することによって、前記走査面の傾きを調整
するものであってもよい。
The reference plane may be set on the frame, and the angle adjusting means may adjust the inclination of the scanning surface by changing the inclination of the entire frame.

【0029】前記予め定められた角度は水平であること
が好ましい。
It is preferable that the predetermined angle is horizontal.

【0030】[0030]

【作用】傾斜角度検出手段は、走査面の傾きを検出す
る。この傾きの検出は、例えば、走査面と平行に設定さ
れているフレームの基準面の傾きを検出することによっ
てなされる。
The tilt angle detecting means detects the tilt of the scanning surface. The tilt is detected, for example, by detecting the tilt of the reference plane of the frame set parallel to the scanning plane.

【0031】制御手段は、この傾斜角度検出手段の検出
結果に基づき、走査面が予め定められた角度(例えば、
水平)となるように、角度調整手段を作動させる。角度
調整手段は、例えば、フレーム全体の傾きを変更するこ
とによって、走査面の傾きを調整する。
The control means, based on the detection result of the tilt angle detection means, causes the scanning surface to have a predetermined angle (for example,
The angle adjusting means is operated so that it becomes horizontal). The angle adjusting unit adjusts the inclination of the scanning surface by changing the inclination of the entire frame, for example.

【0032】[0032]

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて説明する。An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0033】本実施例のAFMは、図1に示すとおり、
架台1と、台座2と、4軸上下微動機構3と、角度検出
器4と、カンチレバー5と、スキャナ6と、光源7と、
ディテクタ8と、制御部9(図2参照)と、を含んで構
成される。
The AFM of this embodiment is as shown in FIG.
A pedestal 1, a pedestal 2, a 4-axis vertical fine movement mechanism 3, an angle detector 4, a cantilever 5, a scanner 6, a light source 7,
The detector 8 and the control unit 9 (see FIG. 2) are included.

【0034】架台1は、カンチレバー5、スキャナ6、
光源7、ディテクタ8等を、互いの位置関係が変化しな
いように保持するためのものである。該架台1の上に設
けられた基準面10には、角度検出器4が設置されてい
る。該基準面10は、カンチレバー5の走査されるX−
Y面と平行にされている。また、該架台1は、カンチレ
バー5の走査方向X,Yと、軸ネジ32の構成する四角
形の辺の方向とが一致するような向きで、軸ネジ32の
上に置かれている(図3参照)。
The gantry 1 includes a cantilever 5, a scanner 6,
This is for holding the light source 7, the detector 8 and the like so that their positional relationship does not change. An angle detector 4 is installed on a reference plane 10 provided on the gantry 1. The reference surface 10 is scanned by the X- of the cantilever 5.
It is parallel to the Y plane. Further, the gantry 1 is placed on the shaft screw 32 in such a direction that the scanning directions X and Y of the cantilever 5 and the directions of the sides of the quadrangle formed by the shaft screw 32 coincide with each other (FIG. 3). reference).

【0035】角度検出器(傾斜計)4は、架台1の基準
面10の傾き角度およびその向きを検出するためのもの
である。上述したとおり、本発明では、試料sの表面は
水平にされているとの前提をおいている。従って、該基
準面10が水平となるように架台1の傾きを調整すれ
ば、カンチレバー5の走査面と、試料sの表面とは、互
いに平行にできる。角度検出器4は、検出結果を制御部
9(図2参照)に出力している。本実施例では、角度検
出器4として、傾きを0.1゜の精度で検出できる、株
式会社ケミカライジング製のデジタル傾斜計(商品名”
TD−2B)を2つ使用している。この2つの傾斜計を
互いに直交して配置することで、4軸上下微動機構3に
より傾き調整を行なう方向(X方向,Y方向)それぞれ
についての傾きを検出できる。但し、使用する傾斜計は
これに限定されるものではない。
The angle detector (inclinometer) 4 is for detecting the tilt angle of the reference plane 10 of the gantry 1 and its direction. As described above, the present invention is premised on that the surface of the sample s is horizontal. Therefore, if the tilt of the gantry 1 is adjusted so that the reference surface 10 is horizontal, the scanning surface of the cantilever 5 and the surface of the sample s can be made parallel to each other. The angle detector 4 outputs the detection result to the control unit 9 (see FIG. 2). In this embodiment, the angle detector 4 is a digital inclinometer manufactured by Chemika Rising Co., Ltd. (trade name) capable of detecting an inclination with an accuracy of 0.1 °.
Two TD-2B) are used. By arranging these two inclinometers at right angles to each other, it is possible to detect the tilt in each of the directions (X direction, Y direction) in which the tilt adjustment is performed by the 4-axis vertical fine movement mechanism 3. However, the inclinometer used is not limited to this.

【0036】カンチレバー5は、試料表面との距離を、
カンチレバー5自身のたわみの量として検出するもので
ある。このカンチレバー5は、板バネ状に構成されてお
り、その先端部には、探針50を備えている。カンチレ
バー5は、探針50と、試料表面との間に作用する原子
間力によってたわみを生じる。
The cantilever 5 measures the distance from the sample surface by
This is detected as the amount of deflection of the cantilever 5 itself. The cantilever 5 is formed in a leaf spring shape and has a probe 50 at its tip. The cantilever 5 is bent by the interatomic force acting between the probe 50 and the sample surface.

【0037】スキャナ6は、カンチレバー5をX方向、
Y方向に走査するためのものである。本実施例では、ピ
エゾ素子を用いて構成している。カンチレバー5は、探
針50を力学的に試料sの表面に接触させられた状態
で、該スキャナ60によってX方向およびY方向に走査
される。既に述べたとおり、この走査面(XY面)は、
架台1の基準面10と平行とされている。この走査面の
傾きは、該架台1全体の傾きを後述の4軸上下微動機構
3によって調整される。
The scanner 6 moves the cantilever 5 in the X direction,
It is for scanning in the Y direction. In this embodiment, a piezo element is used. The cantilever 5 is scanned by the scanner 60 in the X direction and the Y direction while the probe 50 is mechanically brought into contact with the surface of the sample s. As mentioned above, this scanning plane (XY plane) is
It is parallel to the reference plane 10 of the gantry 1. The tilt of the scanning plane is adjusted by the four-axis vertical fine movement mechanism 3 which will be described later.

【0038】スキャナ6は、さらに、カンチレバー5に
検知される原子間力が一定となるように(すなわち、カ
ンチレバー5のたわみが一定となるように)、カンチレ
バー5全体をZ軸方向にも移動可能に構成されている。
The scanner 6 can also move the entire cantilever 5 in the Z-axis direction so that the atomic force detected by the cantilever 5 becomes constant (that is, the deflection of the cantilever 5 becomes constant). Is configured.

【0039】光源7、ディテクタ8は、カンチレバー5
のたわみ量を検出するためのものである。光源7の発す
る光を、カンチレバー5に照射し、その反射光をディテ
クタ9によって検出する。この反射光を測定することに
よって、カンチレバーのたわみ量を測定することができ
る。本実施例では光源7として、半導体レーザを使用し
ている。
The light source 7 and the detector 8 are the cantilever 5.
This is for detecting the amount of deflection. The light emitted from the light source 7 is applied to the cantilever 5, and the reflected light is detected by the detector 9. By measuring this reflected light, the amount of deflection of the cantilever can be measured. In this embodiment, a semiconductor laser is used as the light source 7.

【0040】台座2は、顕微鏡全体を支えるためのもの
であり、容易には動かないように重くかつ硬い材質の材
料を用いて構成されている。該台座2の上面中央には、
試料sを載せるためのサンプルホルダ20が設置されて
いる。該台座2の4隅には、上下を貫通した穴22が設
けられ、後述するモータ31の軸ネジ32が通されてい
る。
The pedestal 2 is for supporting the entire microscope, and is made of a heavy and hard material so as not to move easily. At the center of the upper surface of the pedestal 2,
A sample holder 20 for mounting the sample s is installed. Holes 22 penetrating vertically are provided at four corners of the pedestal 2, and shaft screws 32 of a motor 31, which will be described later, are passed therethrough.

【0041】4軸上下微動機構3は、架台1の傾きを調
整するためのものである。該4軸上下微動機構3は、図
2に示すとおり、モータ31a,b,c,d、ドライバ
30a,30b,30c,30dを含んで構成される。
以下、モータ31a,モータ31b,モータ31c,モ
ータ31dを総称して、単に、”モータ31”という。
同様に”ドライバ30”という。モータ31の軸ネジ3
2は、モータの回転にともなって、図1における上下方
向に移動可能に構成されている。モータ31は、それぞ
れ、軸ネジ32を上述の穴22を通され、その先端で架
台1を支えている。図1の上側から見た場合の、軸ネジ
32とカンチレバー5の走査方向との位置関係を図3に
示した。軸ネジ32は、それぞれ正方形(図中、一点鎖
線で示す)の頂点位置に配置されている。そして、後述
するとおり、架台1はカンチレバー5が走査されるX方
向,Y方向が、それぞれ該正方形の辺の方向と一致する
ような向きで、4本の軸ネジ32の上に載せ置かれてい
る。従って、該モータ31を、それぞれ互いに独立して
作動させることによって、架台1の傾きを、X方向およ
びY方向それぞれについて、独立的に調整することがで
きる。つまり、モータ31a,31bと、モータ31
c,31dとの組合せに分けて作動させることによっ
て、X方向の傾きを調整可能になっている。同様に、モ
ータ31a,31cと、モータ31b,31dとの組合
せに分けて作動させることによって、Y方向の傾きを調
整可能にしている。
The four-axis vertical fine movement mechanism 3 is for adjusting the inclination of the gantry 1. As shown in FIG. 2, the four-axis vertical fine movement mechanism 3 includes motors 31a, b, c, d and drivers 30a, 30b, 30c, 30d.
Hereinafter, the motor 31a, the motor 31b, the motor 31c, and the motor 31d are collectively referred to simply as "motor 31".
Similarly, it is called "driver 30". Shaft screw 3 of motor 31
2 is configured to be movable in the vertical direction in FIG. 1 in accordance with the rotation of the motor. Each of the motors 31 has a shaft screw 32 passed through the hole 22 described above, and the tip end thereof supports the gantry 1. The positional relationship between the shaft screw 32 and the scanning direction of the cantilever 5 when viewed from the upper side of FIG. 1 is shown in FIG. The shaft screws 32 are respectively arranged at the apexes of a square (indicated by a chain line in the figure). Then, as will be described later, the gantry 1 is placed on the four shaft screws 32 in such an orientation that the X and Y directions in which the cantilever 5 is scanned correspond to the directions of the sides of the square, respectively. There is. Therefore, by operating the motors 31 independently of each other, the inclination of the gantry 1 can be adjusted independently in each of the X direction and the Y direction. That is, the motors 31a and 31b and the motor 31
The tilt in the X direction can be adjusted by separately operating the combination of c and 31d. Similarly, the tilt in the Y direction can be adjusted by separately operating the motors 31a and 31c and the motors 31b and 31d in combination.

【0042】本実施例では、微調整を可能とするため、
モータ31としてステップモータを使用している。
In this embodiment, since fine adjustment is possible,
A step motor is used as the motor 31.

【0043】ドライバ30は、制御部9からの信号にし
たがって、実際にモータ31を作動させるための制御回
路である。
The driver 30 is a control circuit for actually operating the motor 31 in accordance with a signal from the control section 9.

【0044】本実施例の制御上の構成を図2を用いて説
明する。
The control configuration of this embodiment will be described with reference to FIG.

【0045】図2は、主に、カンチレバー5の走査面を
水平に調整するための制御構成について示し、他の構成
部分については省略している。
FIG. 2 mainly shows a control structure for horizontally adjusting the scanning surface of the cantilever 5, and omits other parts.

【0046】制御部9は、角度検出器4から入力される
検出結果に従って、モータ31を作動させ、架台1を水
平にするためのものである。
The control unit 9 operates the motor 31 according to the detection result input from the angle detector 4 to make the gantry 1 horizontal.

【0047】制御部9は、プリアンプ90と、演算処理
部91、分配器92と、を備えている。プリアンプ90
は、角度検出器4の出力信号を、増幅するとともに、演
算処理部91で処理可能な信号に変換する処理(例え
ば、A/D変換)を行うためのものである。
The control unit 9 includes a preamplifier 90, an arithmetic processing unit 91, and a distributor 92. Preamplifier 90
Is for amplifying the output signal of the angle detector 4 and converting it into a signal processable by the arithmetic processing unit 91 (for example, A / D conversion).

【0048】演算処理部91は、プリアンプ90を通じ
て入力される角度情報に基づいて、モータ31の操作量
を求める機能を有している。本実施例では演算処理部9
1は、マイクロプロセッサ、ROM,RAM、また、こ
れらのメモリに格納されたプログラム、データを含んで
構成している。演算処理により演算の詳細については、
後ほど動作説明において行う。
The arithmetic processing unit 91 has a function of obtaining the operation amount of the motor 31 based on the angle information input through the preamplifier 90. In this embodiment, the arithmetic processing unit 9
1 includes a microprocessor, ROM, RAM, and programs and data stored in these memories. For details of calculation by calculation processing,
The operation will be described later.

【0049】分配器92は、演算処理部91から出力さ
れる信号を、当該信号の対応するドライバ30に振り分
けて出力するためのものである。
The distributor 92 is for distributing the signal output from the arithmetic processing section 91 to the driver 30 corresponding to the signal and outputting it.

【0050】なお、特許請求の範囲においていう”フレ
ーム”は、本実施例においては、架台1に相当する。”
傾斜角度検出手段”とは、角度検出器4に相当する。”
角度調整手段”とは、4軸上下微動機構3に相当する。
制御手段とは、制御部9に相当する。
The "frame" referred to in the claims corresponds to the gantry 1 in this embodiment. ”
The tilt angle detecting means "corresponds to the angle detector 4."
The “angle adjusting means” corresponds to the 4-axis vertical fine movement mechanism 3.
The control means corresponds to the control unit 9.

【0051】次に、架台1(すなわち、カンチレバー5
の走査面)を水平に調整する動作を、図4のフローチャ
ートを用いて説明する。
Next, the gantry 1 (that is, the cantilever 5
The operation of horizontally adjusting the scanning surface) will be described with reference to the flowchart of FIG.

【0052】動作開始後、制御部9は、角度検出器4の
検出する角度信号に基づいて、X方向、Y方向、それぞ
れについての傾斜角度を検出する。そして、それぞれの
傾斜角度が、0.5°以上であるか否かを判定する(ス
テップ71)。その結果、いずれか一方でも、0.5°
以上であった場合には、傾きの粗調整を行う(ステップ
72)。該粗調整においては、ステップモータ31の作
動量をある程度大きくしている。X方向の傾きが0.5
°以上であった場合には、モータ31a,b(あるい
は、モータ31c,d)を同量だけ作動させる。上述の
説明では、特に述べなかったが、軸ネジ32a,32
b,32c,32dのねじのピッチは、同じとされてい
る。そのため、Y方向の傾きに影響を与えることなく、
X方向の傾きのみを減少させることができる。
After starting the operation, the control section 9 detects the tilt angles in the X direction and the Y direction based on the angle signal detected by the angle detector 4. Then, it is determined whether or not each inclination angle is 0.5 ° or more (step 71). As a result, 0.5 ° on either side
If it is above, the coarse adjustment of the inclination is performed (step 72). In the rough adjustment, the operation amount of the step motor 31 is increased to some extent. Tilt in X direction is 0.5
When it is equal to or more than 0 °, the motors 31a and 31b (or the motors 31c and 31d) are operated by the same amount. Although not particularly mentioned in the above description, the shaft screws 32a, 32a
The pitches of the screws b, 32c, 32d are the same. Therefore, without affecting the tilt in the Y direction,
Only the tilt in the X direction can be reduced.

【0053】Y方向の傾きが0.5°以上であった場合
には、モータ31a,c(あるいは、モータ31b,
d)を同量だけ作動させる。これにより、X方向の傾き
に影響を与えることなく、Y方向の傾きのみを減少させ
ることができる。X,Y両方向について、傾きが0.5
°以上あった場合は、両方向についてそれぞれ行う。
When the inclination in the Y direction is 0.5 ° or more, the motors 31a and 31c (or the motors 31b and 31b,
Activate d) by the same amount. As a result, only the tilt in the Y direction can be reduced without affecting the tilt in the X direction. The inclination is 0.5 in both X and Y directions.
If there is more than °, perform in both directions.

【0054】該ステップ72の後は、再びステップ71
に戻り、X,Y両方向について傾きが0.5°未満にな
るまで同様の処理を繰り返す。
After step 72, step 71 is performed again.
Then, the same processing is repeated until the inclination becomes less than 0.5 ° in both X and Y directions.

【0055】X,Y両方向について傾きが0.5°未満
になると、続いて、ステップ73,74に進み、今度は
傾きが0.1度未満になるまで、傾き調整を繰り返す。
傾き調整の手法は基本的には、ステップ772と同様で
ある。但し、より微調整を可能とするため、ステップ7
4ではステップ72よりもモータ31の1回の作動量を
小さくしている。
When the inclination becomes less than 0.5 ° in both the X and Y directions, the process proceeds to steps 73 and 74, and the inclination adjustment is repeated until the inclination becomes less than 0.1 degree.
The method of adjusting the inclination is basically the same as that in step 772. However, in order to enable finer adjustment, step 7
In 4, the amount of one-time operation of the motor 31 is smaller than that in step 72.

【0056】ステップ73において、X,Y両方向につ
いて傾きが0.1°未満になっていた場合には、傾き調
整を終え、ステップ75に進む。ステップ75では、架
台1全体を水平を保ちつつ、カンチレバー5による観察
が可能な範囲まで、降下させる。そして、試料の観察を
行う(ステップ76)。
In step 73, if the inclination is less than 0.1 ° in both the X and Y directions, the inclination adjustment is completed and the process proceeds to step 75. In step 75, while keeping the entire gantry 1 horizontal, the gantry 1 is lowered to a range where observation by the cantilever 5 is possible. Then, the sample is observed (step 76).

【0057】最後に、本実施例において傾き調整を行っ
た場合の凹凸の検出精度について述べる。試料面の傾き
具合を、角度をパラメータとして議論する場合には、検
出可能な試料表面の凹凸高さは、下記数2で定義され
る。数2では、上述の例と同様に、データのサンプリン
グを8ビット(256段階)で行っているものとしてい
る。
Finally, the accuracy of detecting irregularities when tilt adjustment is performed in this embodiment will be described. When discussing the degree of inclination of the sample surface using the angle as a parameter, the height of the unevenness of the sample surface that can be detected is defined by the following mathematical expression 2. In Formula 2, it is assumed that data sampling is performed in 8 bits (256 steps), as in the above example.

【0058】[0058]

【数2】hmin=(L・tanθ)/256 θ:試料表面に対するカンチレバーの走査面の傾斜角度 hmin:観察可能な凹凸の高さの最小値 L:走査距離 本実施例では、傾きθを0.1゜の精度で設定可能であ
る。また、ここではL=20μm=20000nmとす
ると、hmin≒0.1nmとなり、実用上十分な検出精
度を得ることができる。
## EQU00002 ## h min = (L · tan θ) / 256 θ: inclination angle of the scanning surface of the cantilever with respect to the sample surface h min : minimum height of observable unevenness L: scanning distance In the present embodiment, inclination θ Can be set with an accuracy of 0.1 °. Further, here, if L = 20 μm = 20000 nm, then h min ≈0.1 nm, and practically sufficient detection accuracy can be obtained.

【0059】以上説明したとおり、本実施例では、容易
かつ正確に、カンチレバー5の走査面と、試料sの表面
とを平行にすることができる。従って、AFM本来の機
能を十分に発揮させることができる。
As described above, in the present embodiment, the scanning surface of the cantilever 5 and the surface of the sample s can be made parallel to each other easily and accurately. Therefore, the original function of the AFM can be fully exerted.

【0060】上記実施例では、4軸の上下微動機構を採
用していたが、3軸の上下微動機構でも傾きの調整は可
能である。但し、その場合には、X方向、Y方向それぞ
れの傾きに基づいて、いずれの軸ネジ32(モータ3
1)をどの程度作動させれば良いのかを、演算する処理
を行う必要がある。あるいは、角度検出器4を、軸ネジ
32それぞれに対応した3方向についての傾斜角度を検
出できるように、構成する必要がある。
In the above embodiment, the 4-axis vertical fine movement mechanism is adopted, but the inclination can be adjusted also by the 3-axis vertical fine movement mechanism. However, in that case, whichever axial screw 32 (motor 3
It is necessary to perform a process of calculating how much 1) should be operated. Alternatively, the angle detector 4 needs to be configured so as to be able to detect the tilt angles in the three directions corresponding to the respective shaft screws 32.

【0061】上記実施例では操作を容易とするため、角
度の調整を自動化していた。しかし、軸ネジ32を手動
で動かすようにしても良い。この場合には、制御部9は
角度調整のための構成が不要となり、低コスト化を図る
ことができる。この場合であっても、角度検出器4を見
ながら調整することで、従来に比べ、正確な角度調整が
可能である。
In the above embodiment, the angle adjustment is automated in order to facilitate the operation. However, the shaft screw 32 may be manually moved. In this case, the control unit 9 does not need a configuration for adjusting the angle, and the cost can be reduced. Even in this case, by adjusting the angle detector 4 while looking at it, the angle can be adjusted more accurately than before.

【0062】上記実施例では、台座2自体は水平である
との前提のもとに構成されていた。しかし、場合によっ
ては、必ずしも台座2が傾いていることもありうる。従
って、この場合には、台座2の傾きを検出する角度検出
器を別途備えるようにしてもよい。この場合には、制御
部9は、架台1の傾きと、を台座2の傾きとが、一致す
るように4軸上下微動機構を作動させる。但し、この場
合にも、試料sの表面は、台座2と平行にされているこ
とを前提とする。
In the above embodiment, the pedestal 2 itself is constructed on the premise that it is horizontal. However, in some cases, the pedestal 2 may necessarily be tilted. Therefore, in this case, an angle detector for detecting the inclination of the pedestal 2 may be separately provided. In this case, the control unit 9 operates the 4-axis vertical fine movement mechanism so that the tilt of the gantry 1 and the tilt of the pedestal 2 match. However, also in this case, it is assumed that the surface of the sample s is parallel to the pedestal 2.

【0063】[0063]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、試料の表
面と、カンチレバーの走査面と、を平行にすることがで
きるため、顕微鏡が本来有する能力(分解能)を最大限
発揮させることができる。また、自動化を図ったことに
より、操作は容易で、初心者にも調整できる。また、調
整に要する時間も短い。
As described above, according to the present invention, since the surface of the sample and the scanning surface of the cantilever can be made parallel to each other, the capability (resolution) originally possessed by the microscope can be maximized. it can. In addition, since it is automated, the operation is easy and even beginners can make adjustments. Also, the time required for adjustment is short.

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

【図1】本発明の一実施例の要部構成を示す模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a main configuration of an embodiment of the present invention.

【図2】制御上の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration on control.

【図3】軸ネジ32相互の位置関係と、カンチレバー5
の走査方向と、の関係を示す図である。
FIG. 3 is a positional relationship between the shaft screws 32 and the cantilever 5.
It is a figure which shows the relationship with the scanning direction of.

【図4】制御動作を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing a control operation.

【図5】従来のAFMの要部構成を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a main part configuration of a conventional AFM.

【図6】試料表面が傾斜している様子を示す模式図であ
る。
FIG. 6 is a schematic view showing how the sample surface is inclined.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…架台、2…台座、3…4軸上下微動機構、4…角度
検出器、5…カンチレバー、6…スキャナ、7…光源、
8…ディテクタ、9…制御部、20…サンプルホルダ、
30…ドライバ、31…モータ、32…軸ネジ、50…
探針、90…プリアンプ、91…演算処理部、92…分
配器
1 ... Frame, 2 ... Pedestal, 3 ... 4-axis vertical fine movement mechanism, 4 ... Angle detector, 5 ... Cantilever, 6 ... Scanner, 7 ... Light source,
8 ... Detector, 9 ... Control part, 20 ... Sample holder,
30 ... Driver, 31 ... Motor, 32 ... Shaft screw, 50 ...
Probe, 90 ... Preamplifier, 91 ... Arithmetic processing unit, 92 ... Distributor

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】試料表面との間において生じる原子間力に
よって変形可能に構成されたカンチレバーと、 前記カンチレバーの変形量を検出する検出手段と、 前記カンチレバーを走査させる走査手段と、 前記カンチレバーを取り付けられたフレームと、 前記走査において前記カンチレバーが作動される面(以
下”走査面”という)の傾きを検出する傾斜角度検出手
段と、 前記走査面の傾きを調整する角度調整手段と、 前記傾斜角度検出手段の検出結果に基づいて、前記角度
調整手段を作動させ、前記走査面を予め定められた角度
に保つ制御手段と、 を有することを特徴とする原子間力顕微鏡。
1. A cantilever configured to be deformable by an interatomic force generated between a sample surface, a detection unit for detecting a deformation amount of the cantilever, a scanning unit for scanning the cantilever, and a mounting unit for the cantilever. Frame, tilt angle detecting means for detecting the tilt of the surface on which the cantilever is operated in the scanning (hereinafter referred to as "scanning surface"), angle adjusting means for adjusting the tilt of the scanning surface, and the tilt angle. An atomic force microscope, comprising: a control unit that operates the angle adjustment unit based on a detection result of the detection unit to keep the scanning surface at a predetermined angle.
【請求項2】前記走査面と平行な基準面を備え、 前記傾斜角度検出手段は、前記基準面の傾きを検出する
ものであること、 を特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。
2. The atomic force microscope according to claim 1, further comprising a reference plane parallel to the scanning plane, wherein the inclination angle detecting means detects an inclination of the reference plane.
【請求項3】前記基準面は、前記フレームに設定された
ものであり、 前記角度調整手段は、前記フレーム全体の傾きを変更す
ることによって、前記走査面の傾きを調整するものであ
ること、 を特徴とする請求項2記載の原子間力顕微鏡。
3. The reference surface is set in the frame, and the angle adjusting means adjusts the inclination of the scanning surface by changing the inclination of the entire frame. The atomic force microscope according to claim 2.
【請求項4】前記予め定められた角度は水平であるこ
と、 を特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。
4. The atomic force microscope according to claim 1, wherein the predetermined angle is horizontal.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016033468A (en) * 2014-07-31 2016-03-10 株式会社島津製作所 Scanning probe microscope
CN109406829A (en) * 2017-08-17 2019-03-01 中国科学院物理研究所 The probe of scanning probe microscopy

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