JPH09145723A - Scanning probe microscope - Google Patents
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- JPH09145723A JPH09145723A JP30421295A JP30421295A JPH09145723A JP H09145723 A JPH09145723 A JP H09145723A JP 30421295 A JP30421295 A JP 30421295A JP 30421295 A JP30421295 A JP 30421295A JP H09145723 A JPH09145723 A JP H09145723A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、試料の表面情報を
測定する際にプローブと試料との間に作用する摩擦力を
検出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 detecting a frictional force acting between a probe and a sample when measuring surface information of the sample.
【０００２】[0002]
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、走査型トンネ
ル顕微鏡や原子間力顕微鏡など、プローブを用いて試料
表面の情報を得る装置の総称であり、その一例としてプ
ローブ先端と試料表面との間に働く相互作用力に基づい
て試料表面の情報を測定する水平力顕微鏡 (ＬＦＭ；La
teral Force Microscope) が知られている。2. Description of the Related Art A scanning probe microscope is a general term for a device for obtaining information on a sample surface by using a probe, such as a scanning tunnel microscope or an atomic force microscope. One example is a device between a probe tip and a sample surface. A horizontal force microscope (LFM; La) that measures information on the surface of a sample based on the interaction force that acts.
teral Force Microscope) is known.
【０００３】このようなＬＦＭにおいて、プローブの変
位は、例えば光てこ方式によって検出することが可能で
ある。即ち、光てこ方式の変位検出光学系は、半導体レ
ーザから射出したレーザー光をプローブの反射面に集光
させた際、この反射面からの反射光が、フォトディテク
タの中心に集光するように構成されている。In such an LFM, the displacement of the probe can be detected by an optical lever method, for example. That is, the optical lever type displacement detection optical system is configured so that when the laser light emitted from the semiconductor laser is focused on the reflecting surface of the probe, the reflected light from the reflecting surface is focused on the center of the photodetector. Has been done.
【０００４】このような構成によれば、プローブの撓み
量は、フォトディテクタからの出力信号に対して所定の
信号処理を施すことによって得られる撓み信号（ＡＦ
Ｍ）に基づいて測定され、一方、プローブのねじれ量
は、フォトディテクタからの出力信号に対して所定の信
号処理を施すことによって得られるねじれ信号（ＬＦ
Ｍ）に基づいて測定されることになる。According to such a configuration, the deflection amount of the probe is determined by subjecting the output signal from the photodetector to a predetermined deflection signal (AF signal).
M), on the other hand, the amount of twist of the probe is obtained by subjecting the output signal from the photodetector to predetermined signal processing to obtain the twist signal (LF).
It will be measured based on M).
【０００５】実際のＬＦＭ測定では、撓み信号ＡＦＭが
一定の値となるように、プローブに対する試料の位置を
Ｚ方向に制御しながら、試料に対するＸＹ走査が行われ
る。このとき同時に、ねじれ信号ＬＦＭを測定すること
によって、試料とプローブとの間に働く水平方向（ＸＹ
方向）の力が測定される。In actual LFM measurement, XY scanning is performed on the sample while controlling the position of the sample with respect to the probe in the Z direction so that the deflection signal AFM has a constant value. At this time, by simultaneously measuring the twist signal LFM, the horizontal direction (XY
Force) is measured.
【０００６】そして、このような関係に基づいて、カン
チレバーのねじれ量を測定することによって、試料とプ
ローブ先端との間に働く摩擦力が測定されることになる
（特開平６−１９４１５４号公報参照）。By measuring the amount of twist of the cantilever based on such a relationship, the frictional force acting between the sample and the tip of the probe can be measured (see Japanese Patent Laid-Open No. 6-194154). ).
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、大気中にお
いて、試料の表面には、水分や塵埃等の吸着層が存在す
る。このため、荷重が加えられた状態で試料表面上に走
査されるプローブには、ねじれ変位を解消させてプロー
ブを安定化させる（即ち、吸着層の表面張力が緩和され
る）ように、吸着層からの吸着力が作用する。By the way, in the atmosphere, an adsorbed layer of water, dust or the like exists on the surface of the sample. Therefore, the probe that is scanned on the sample surface in a state where a load is applied, eliminates the twist displacement and stabilizes the probe (that is, the surface tension of the adsorption layer is relaxed). The attraction force from
【０００８】このような吸着力が作用した場合、プロー
ブには、余剰の垂直効力が加わるだけでなく、水平方向
のモーメント力が加わってねじれ変位が生じてしまう。
この場合、従来のように単に荷重を一定に保ちながらプ
ローブのねじれ量を測定するだけでは、試料とプローブ
先端との間に働く摩擦力を高感度に測定することができ
なくなってしまうといった問題がある。When such an attracting force acts, not only an extra vertical effect is applied to the probe, but also a moment force in a horizontal direction is applied to the probe, which causes torsional displacement.
In this case, there is a problem in that the frictional force acting between the sample and the probe tip cannot be measured with high sensitivity simply by measuring the twist amount of the probe while keeping the load constant as in the conventional case. is there.
【０００９】特に、試料表面が傾斜している場合におい
て、傾斜面を走査する際に生じるプローブの変位状態か
ら実際の摩擦力に起因したねじれ変位のみを分離して測
定することが困難になっている。Particularly, when the sample surface is inclined, it becomes difficult to measure only the twist displacement caused by the actual frictional force from the displacement state of the probe generated when scanning the inclined surface. There is.
【００１０】また、従来の方法によれば、プローブは、
試料表面に対して所定の荷重で押し付けられた状態で長
距離走査されるため、試料表面やプローブにダメージを
与える場合があると共に、プローブ先端に吸着層の塵埃
等が付着することによって、プローブの分解能や再現性
を劣化させてしてしまう場合もある。According to the conventional method, the probe is
Since it is scanned for a long distance while being pressed against the sample surface with a predetermined load, it may damage the sample surface or the probe, and dust on the adsorption layer may adhere to the probe tip, causing In some cases, the resolution and reproducibility are deteriorated.
【００１１】本発明は、このような課題を解決するため
になされており、その目的は、試料表面とプローブ先端
との間に働く摩擦力のみを高感度に測定することが可能
な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is a scanning probe capable of highly sensitively measuring only a frictional force acting between a sample surface and a probe tip. To provide a microscope.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、先端に尖
鋭化した探針を有する片持ち梁と、試料の表面に対して
前記探針の先端を相対的に走査させる走査手段と、前記
探針の先端が前記試料の表面に対して相対的に所望の２
次元軌道を描くように、前記片持ち梁の先端又は試料の
いずれか一方を互いに垂直方向に単振動させる振動手段
と、前記試料の表面に対して前記探針の先端を相対的に
走査させた際に生じる前記片持ち梁の撓み変位及びねじ
れ変位を光学的に検出する変位センサと、この変位セン
サによって検出されたねじれ変位に基づいて、前記探針
の先端と前記試料の表面との間の摩擦力を測定する摩擦
力測定手段とを備えている。In order to achieve such an object, a scanning probe microscope of the present invention comprises a cantilever having a sharpened probe at its tip and the probe for the surface of a sample. A scanning unit that relatively scans the tip of the needle, and the tip of the probe is a desired two relative to the surface of the sample.
A vibrating means that oscillates either the tip of the cantilever or the sample in a direction perpendicular to each other so as to draw a dimensional trajectory, and the tip of the probe was scanned relative to the surface of the sample. A displacement sensor that optically detects the bending displacement and the torsional displacement of the cantilever that occurs at this time, and based on the torsional displacement detected by this displacement sensor, the tip between the tip of the probe and the surface of the sample And a frictional force measuring means for measuring the frictional force.
【００１３】また、本発明において、前記振動手段は、
第１の変調周波数ｆｚの電圧を印加することによって前
記片持ち梁の先端又は試料を相対的に第１の方向へ単振
動させる第１の振動ユニットと、第２の変調周波数ｆｘ
の電圧を印加することによって前記片持ち梁の先端又は
試料を相対的に前記第１の方向に直交した第２の方向へ
単振動させる第２の振動ユニットとを備えており、前記
第１及び第２の変調周波数ｆｚ，ｆｘは、ｆｚ：ｆｘ＝
３：２なる関係を満足するように設定され、且つ、前記
第１及び第２の変調周波数ｆｚ，ｆｘの位相差は、（ｎ
−１）π（ｎ；自然数）なる関係を満足するように調整
されている。In the present invention, the vibrating means is
A first vibrating unit that single-vibrates the tip of the cantilever beam or the sample relatively in a first direction by applying a voltage having a first modulation frequency fz; and a second modulation frequency fx.
And a second vibrating unit that single-vibrates the tip of the cantilever or the sample relatively in a second direction orthogonal to the first direction by applying the voltage. The second modulation frequencies fz and fx are fz: fx =
The phase difference between the first and second modulation frequencies fz and fx is set to (n
-1) It is adjusted so as to satisfy the relationship of π (n; natural number).
【００１４】更に、本発明において、前記変位センサ
は、前記探針の先端が前記試料の表面に接触した際に生
じた前記片持ち梁の先端のねじれ変位を光学的に検出
し、その検出信号を前記摩擦力測定手段に出力し、この
摩擦力測定手段は、入力した検出信号の振幅値に所定の
演算処理を施すことによって、前記試料の表面状態に影
響されることなく、前記探針の先端と前記試料の表面と
の間の摩擦力のみを測定する。Further, in the present invention, the displacement sensor optically detects a torsional displacement of the tip of the cantilever which is generated when the tip of the probe comes into contact with the surface of the sample, and a detection signal thereof. Is output to the frictional force measuring means, and the frictional force measuring means performs predetermined arithmetic processing on the amplitude value of the input detection signal so that the tip of the probe is not affected by the surface state of the sample. Only the frictional force between the tip and the surface of the sample is measured.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る走査型プローブ顕微鏡について、図１〜図４を参照し
て説明する。なお、図中のＸＹＺ軸は、相互に直交する
直交座標系を示している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. The XYZ axes in the figure show orthogonal coordinate systems which are orthogonal to each other.
【００１６】図１に示すように、本実施の形態の走査型
プローブ顕微鏡は、先端に尖鋭化した探針２を有する片
持ち梁４と、試料６の表面に対して探針２の先端を相対
的に走査させる走査手段と、探針２の先端が所望の２次
元軌道を描くように、片持ち梁４の先端を互いに垂直方
向に単振動させる振動手段と、試料６の表面に対して探
針２の先端を相対的に走査させた際に生じる片持ち梁４
の撓み変位及びねじれ変位を光学的に検出する変位セン
サ８と、この変位センサ８によって検出されたねじれ変
位に基づいて、探針２の先端と試料６の表面との間の摩
擦力を測定する摩擦力測定手段とを備えている。As shown in FIG. 1, the scanning probe microscope of this embodiment has a cantilever 4 having a sharpened probe 2 at its tip and a tip of the probe 2 with respect to the surface of a sample 6. With respect to the surface of the sample 6, a scanning means for relatively scanning, a vibrating means for vibrating the tips of the cantilever 4 in the directions perpendicular to each other so that the tip of the probe 2 draws a desired two-dimensional trajectory. Cantilever 4 generated when the tip of the probe 2 is relatively scanned
Displacement sensor 8 for optically detecting the bending displacement and the torsional displacement of the sample, and the frictional force between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 is measured based on the torsional displacement detected by the displacement sensor 8. And a frictional force measuring means.
【００１７】走査手段は、試料６を載置可能であって且
つ所定の印加電圧によって図中ＸＹＺ軸方向へ変位可能
な圧電体スキャナ１０と、この圧電体スキャナ１０をＸ
軸方向に変位制御するＸ走査回路１２と、圧電体スキャ
ナ１０をＹ軸方向に変位制御するＹ走査回路１４と、探
針２の先端と試料６の表面との間の距離が所望の距離に
維持されるように、変位センサ８によって検出された片
持ち梁４の先端の撓み変位に基づいて、圧電体スキャナ
１０をＺ軸方向へ変位制御するＺサーボ回路１６とを備
えている。The scanning means is a piezoelectric scanner 10 on which the sample 6 can be placed and which can be displaced in the XYZ axis directions in the figure by a predetermined applied voltage, and this piezoelectric scanner 10 is X-shaped.
The X scanning circuit 12 that controls the displacement in the axial direction, the Y scanning circuit 14 that controls the displacement of the piezoelectric scanner 10 in the Y axis direction, and the distance between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 become a desired distance. A Z servo circuit 16 that controls displacement of the piezoelectric scanner 10 in the Z-axis direction based on the bending displacement of the tip of the cantilever 4 detected by the displacement sensor 8 is maintained.
【００１８】変位センサ８は、片持ち梁４の先端のＺ軸
方向上方に配置されており、この変位センサ８から出力
された検出データは、コンピュータ１８及び振幅測定回
路２０に入力されるように構成されている。この場合、
コンピュータ１８には、摩擦力測定手段（図示しない）
が内蔵されており、変位センサ８によって検出された片
持ち梁４のねじれ変位に基づいて、探針２の先端と試料
６の表面との間の摩擦力が測定されるように構成されて
いる。また、振幅測定回路２０は、Ｚサーボ回路１６を
介して圧電体スキャナ１０に接続されており、変位セン
サ８によって検出された片持ち梁４の撓み変位に基づい
て、所定の測定信号をＺサーボ回路１６へ出力するよう
に構成されている。Ｚサーボ回路１６は、入力した測定
信号に基づいて、探針２の先端と試料６の表面との間の
距離が所望の距離に維持されるように、圧電体スキャナ
１０をＺ軸方向へ変位制御するように構成されている。The displacement sensor 8 is arranged above the tip of the cantilever 4 in the Z-axis direction, and the detection data output from the displacement sensor 8 is input to the computer 18 and the amplitude measuring circuit 20. It is configured. in this case,
The computer 18 has a frictional force measuring means (not shown).
Is built in, and the frictional force between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 is measured based on the torsional displacement of the cantilever 4 detected by the displacement sensor 8. . Further, the amplitude measuring circuit 20 is connected to the piezoelectric scanner 10 via the Z servo circuit 16, and based on the flexural displacement of the cantilever 4 detected by the displacement sensor 8, a predetermined measurement signal is generated by the Z servo. It is configured to output to the circuit 16. The Z servo circuit 16 displaces the piezoelectric scanner 10 in the Z-axis direction based on the input measurement signal so that the distance between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 is maintained at a desired distance. Is configured to control.
【００１９】振動手段は、片持ち梁４の基端に設けられ
ており、Ｚ変調電源２２に接続されたＺ変調圧電体２４
と、遅延回路２６を介してＸ変調電源２８に接続された
Ｘ変調圧電体３０とを備えている。Ｚ変調圧電体２４
は、Ｚ変調電源２２から所定の変調周波数ｆｚの交流電
圧を印加することによって、片持ち梁４の先端を試料６
に対して鉛直方向（図中Ｚ軸方向）へ単振動させるよう
に構成されている。また、Ｘ変調圧電体３０は、Ｘ変調
電源２８から遅延回路２６を介して所定の変調周波数ｆ
ｘの交流電圧を印加することによって、片持ち梁４の先
端を試料６に対して水平方向（図中Ｘ軸方向）へ単振動
させるように構成されている。The vibrating means is provided at the base end of the cantilever 4 and is connected to the Z modulation power source 22 and the Z modulation piezoelectric body 24.
And an X modulation piezoelectric body 30 connected to an X modulation power supply 28 via a delay circuit 26. Z modulation piezoelectric body 24
Applies an AC voltage of a predetermined modulation frequency fz from the Z modulation power source 22 to move the tip of the cantilever 4 to the sample 6
On the other hand, a simple vibration is made in the vertical direction (Z-axis direction in the figure). In addition, the X-modulation piezoelectric body 30 receives a predetermined modulation frequency f from the X-modulation power source 28 via the delay circuit 26.
By applying an AC voltage of x, the tip of the cantilever 4 is configured to be simply vibrated in the horizontal direction (X-axis direction in the drawing) with respect to the sample 6.
【００２０】次に、本実施の形態の動作について、図１
〜図４を参照して説明する。まず、Ｚ変調電源２２から
Ｚ変調圧電体２４に所定の変調周波数ｆｚの交流電圧を
印加して、片持ち梁４の先端を試料６に対して鉛直方向
（図中Ｚ軸方向）へ単振動させると同時に、Ｘ変調電源
２８から遅延回路２６を介してＸ変調圧電体３０に所定
の変調周波数ｆｘの交流電圧を印加して、片持ち梁４の
先端を試料６に対して水平方向（図中Ｘ軸方向）へ単振
動させる。Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIGS. First, an AC voltage having a predetermined modulation frequency fz is applied from the Z modulation power source 22 to the Z modulation piezoelectric body 24 to subject the tip of the cantilever 4 to simple vibration in the vertical direction (Z axis direction in the figure) with respect to the sample 6. At the same time, an AC voltage having a predetermined modulation frequency fx is applied from the X modulation power source 28 to the X modulation piezoelectric body 30 via the delay circuit 26, so that the tip of the cantilever 4 is horizontally oriented with respect to the sample 6 (see FIG. Single vibration in the middle X-axis direction.
【００２１】本実施の形態において、Ｚ変調圧電体２４
及びＸ変調圧電体３０に印加される交流電圧の変調周波
数ｆｚ，ｆｘは、 ｆｚ：ｆｘ＝３：２ なる関係を満足するように設定されている。In the present embodiment, the Z modulation piezoelectric body 24
The modulation frequencies fz and fx of the AC voltage applied to the X modulation piezoelectric body 30 are set so as to satisfy the relationship of fz: fx = 3: 2.
【００２２】更に、Ｘ変調圧電体３０に印加される交流
電圧の変調周波数ｆｘの位相とＺ変調圧電体２４に印加
される交流電圧の変調周波数ｆｚの位相とを遅延回路２
６によって整合させている。即ち、２つの変調周波数ｆ
ｚ，ｆｘの位相差が、 （ｎ−１）π （ｎ；自然数） なる関係を満足するように調整されている。Further, the phase of the modulation frequency fx of the AC voltage applied to the X modulation piezoelectric body 30 and the phase of the modulation frequency fz of the AC voltage applied to the Z modulation piezoelectric body 24 are delayed.
6 is matched. That is, the two modulation frequencies f
The phase difference between z and fx is adjusted so as to satisfy the relationship of (n-1) π (n; natural number).
【００２３】この場合、互いに直交するＺ，Ｘ軸方向の
単振動が合成されることによって、片持ち梁４の先端に
設けられた探針２の先端は、図２（ａ）に示すように、
一定の振幅値（例えば、１００ｎｍ以上）を有するリサ
ージュ軌道Ｌを描くことになる。In this case, the tips of the probe 2 provided at the tip of the cantilever 4 are combined as shown in FIG. ,
A Lissajous trajectory L having a constant amplitude value (for example, 100 nm or more) will be drawn.
【００２４】この状態において、変位センサ８によって
片持ち梁４の図中Ｚ軸方向の撓み変位を光学的に検出し
ながら、Ｚサーボ回路１６によって圧電体スキャナ１０
を図中Ｚ軸方向へ変位させて、探針２の先端と試料６の
表面を相対的に接近させる。In this state, while the displacement sensor 8 optically detects the bending displacement of the cantilever 4 in the Z-axis direction in the figure, the Z servo circuit 16 causes the piezoelectric scanner 10 to move.
Is displaced in the Z-axis direction in the figure to bring the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 relatively close to each other.
【００２５】そして、図中Ｚ軸方向の撓み変位が所望の
値となったとき、即ち、本実施の形態では、リサージュ
軌道を描いている探針２の先端の上下振幅値が、 （３−３1/2 ）／６〜（３−３1/2 ）／４ 程度減少したとき、Ｚサーボ回路１６によって圧電体ス
キャナ１０にＺサーボをかける。When the flexural displacement in the Z-axis direction in the figure reaches a desired value, that is, in the present embodiment, the vertical amplitude value of the tip of the probe 2 that draws the Lissajous trajectory is (3- When it decreases by about 3 1/2 ) / 6 to (3-3 1/2 ) / 4, the Z servo circuit 16 applies Z servo to the piezoelectric scanner 10.
【００２６】この結果、図２（ｂ）に示すように、探針
２の先端は、変調周波数の１周期毎に、試料６の表面に
接触しながら図面向って左右方向へ往復動（例えば、振
り子のように往復動）するようになる。As a result, as shown in FIG. 2B, the tip of the probe 2 reciprocates in the left-right direction toward the drawing while coming into contact with the surface of the sample 6 for each cycle of the modulation frequency. It reciprocates like a pendulum).
【００２７】このとき、探針２には、この探針２の先端
が試料６の表面に接触した際に生じる水平方向（図中Ｘ
軸方向）の摩擦力が作用する。このため、片持ち梁４の
先端には、所定量だけねじれ変位が発生する。At this time, the probe 2 is horizontally moved when the tip of the probe 2 comes into contact with the surface of the sample 6 (X in the figure).
Friction force in the axial direction acts. Therefore, the tip of the cantilever 4 is twisted and displaced by a predetermined amount.
【００２８】このようなねじれ変位は、変位センサ８に
よって光学的に検出され、その検出データ即ちねじれ信
号が、コンピュータ１８に入力される。そして、コンピ
ュータ１８に入力されたねじれ信号には、摩擦力測定手
段（図示しない）によって所定の演算処理が施される。
この結果、探針２の先端と試料６の表面との間の摩擦力
が測定されることになる。Such torsional displacement is optically detected by the displacement sensor 8 and the detection data, that is, the torsional signal is input to the computer 18. Then, the twist signal input to the computer 18 is subjected to predetermined arithmetic processing by friction force measuring means (not shown).
As a result, the frictional force between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 is measured.
【００２９】具体的には、図４に示すような表面形状を
有する試料６に対して探針２を走査させる場合、水平方
向（図中Ｘ軸方向）に平行な領域Ａ，Ｃでは、探針２に
作用する左右方向の接触摩擦力は、相互に均等であるた
め、片持ち梁４の先端のねじれ変位も左右均等となる。
この場合、変位センサ８から出力されるねじれ信号は、
図３（ａ）に示すように、その最大値 (max)と最小値
(min)が相対的に等しい値となって現れる。そして、こ
れら最大値と最小値の差をとることによって、探針２の
先端と試料６の表面との間の摩擦力を高感度に測定する
ことができる。Specifically, when the probe 2 is made to scan a sample 6 having a surface shape as shown in FIG. 4, in the regions A and C parallel to the horizontal direction (X-axis direction in the figure), Since the lateral contact frictional forces acting on the needle 2 are equal to each other, the torsional displacement of the tip of the cantilever 4 is also equal to the left and right.
In this case, the twist signal output from the displacement sensor 8 is
As shown in Fig. 3 (a), its maximum value (max) and minimum value
(min) appears as relatively equal values. Then, by taking the difference between the maximum value and the minimum value, the frictional force between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 can be measured with high sensitivity.
【００３０】一方、水平方向に対して傾斜した領域Ｂで
は、試料６の表面吸着力等のねじれ分Ｗ（図３（ｂ）参
照）が加算される関係上、探針２に作用する左右方向の
接触摩擦力は、相互に不均等となるため、片持ち梁４の
先端のねじれ変位も左右不均等となる。この場合、変位
センサ８から出力されるねじれ信号は、図３（ｂ）に示
すように、その最大値 (max)と最小値 (min)が相対的に
変位した値となって現れる。しかしながら、これら最大
値と最小値の差をとることによって、上記ねじれ分Ｗを
キャンセルすることができるため、探針２の先端と試料
６の表面との間の実際の摩擦力を高感度に測定すること
ができる。On the other hand, in the region B inclined with respect to the horizontal direction, the twisting amount W (see FIG. 3B) such as the surface attraction force of the sample 6 is added, so that the horizontal direction acting on the probe 2 is exerted. Since the contact frictional forces of No. 1 are non-uniform with respect to each other, the torsional displacement of the tip of the cantilever 4 is also non-uniform on the left and right. In this case, the twist signal output from the displacement sensor 8 appears as a value in which the maximum value (max) and the minimum value (min) are relatively displaced, as shown in FIG. However, by taking the difference between the maximum value and the minimum value, the twisted portion W can be canceled, so that the actual frictional force between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 can be measured with high sensitivity. can do.
【００３１】このように本実施の形態によれば、探針２
の先端をリサージュ状に振動させたことによって、試料
６に対する探針２の接触距離及び接触時間を短くするこ
とができると共に、接触圧を小さくすることができる。
この結果、試料６の表面や探針２の先端にダメージを与
えることなく、試料６の表面と探針２の先端との間に働
く摩擦力のみを高感度に測定することが可能となる。As described above, according to this embodiment, the probe 2
By vibrating the tip of the probe in a Lissajous shape, the contact distance and the contact time of the probe 2 with respect to the sample 6 can be shortened and the contact pressure can be reduced.
As a result, only the frictional force acting between the surface of the sample 6 and the tip of the probe 2 can be measured with high sensitivity without damaging the surface of the sample 6 or the tip of the probe 2.
【００３２】なお、本発明は、上記実施の形態の構成に
限定されることはなく新規事項を追加しない範囲で種々
変更することが可能である。例えば、遅延回路２６をＺ
変調電源２２とＺ変調圧電体２４との間に配設しても上
記同様の作用効果を奏する。The present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment and can be variously modified without adding new matter. For example, if the delay circuit 26 is set to Z
Even if it is arranged between the modulation power source 22 and the Z modulation piezoelectric body 24, the same effect as the above can be obtained.
【００３３】また、上記一実施の形態では、片持ち梁４
の基端に振動手段を設けたが、図５に示された変形例で
は、圧電体スキャナ１０を振動手段の一構成として兼用
させている。即ち、本変形例に適用した振動手段は、圧
電体スキャナ１０と、この圧電体スキャナ１０に遅延回
路２６を介して接続されたＸ変調電源２８と、圧電体ス
キャナ１０に接続されたＺ変調電源２２とから構成され
ている。なお、他の構成は、上記一実施の形態と同一で
あるため、その説明は省略する。Further, in the above embodiment, the cantilever 4 is used.
Although the vibrating means is provided at the base end of the above, in the modification shown in FIG. 5, the piezoelectric scanner 10 is also used as one configuration of the vibrating means. That is, the vibrating means applied to this modification is the piezoelectric scanner 10, the X modulation power supply 28 connected to the piezoelectric scanner 10 via the delay circuit 26, and the Z modulation power supply connected to the piezoelectric scanner 10. 22 and 22. Note that the other configuration is the same as that of the above-described one embodiment, and therefore its description is omitted.
【００３４】上記一実施の形態において、片持ち梁４の
探針２の先端は、例えば、１００ｎｍ以上の大きな振幅
値を有するリサージュ軌道Ｌを描くように制御されてい
る。このため、圧電体スキャナ１０に変調電圧を印加す
ることによって、試料６をスキャンさせる方法を適用し
ても、上記一実施の形態と同様の作用効果を充分に達成
させることができる。In the above embodiment, the tip of the probe 2 of the cantilever 4 is controlled so as to draw a Lissajous trajectory L having a large amplitude value of 100 nm or more, for example. Therefore, even if the method of scanning the sample 6 by applying the modulation voltage to the piezoelectric scanner 10 is applied, it is possible to sufficiently achieve the same effect as that of the above-described embodiment.
【００３５】具体的には、Ｚ変調電源２２から圧電体ス
キャナ１０に所定の変調周波数ｆｚの交流電圧を印加し
て、試料６を鉛直方向（図中Ｚ軸方向）へ単振動させる
と同時に、Ｘ変調電源２８から遅延回路２６を介して圧
電体スキャナ１０に所定の変調周波数ｆｘの交流電圧を
印加して、試料６を水平方向（図中Ｘ軸方向）へ単振動
させる。Specifically, an AC voltage having a predetermined modulation frequency fz is applied from the Z modulation power source 22 to the piezoelectric scanner 10 to subject the sample 6 to simple vibration in the vertical direction (Z axis direction in the figure), and at the same time. An AC voltage having a predetermined modulation frequency fx is applied to the piezoelectric scanner 10 from the X modulation power source 28 via the delay circuit 26, and the sample 6 is simply vibrated in the horizontal direction (X axis direction in the drawing).
【００３６】そして、これら変調周波数ｆｚ，ｆｘが、
ｆｚ：ｆｘ＝３：２なる関係を満足するように設定する
と共に、変調周波数ｆｚ，ｆｘの位相差が、（ｎ−１）
π（ｎ；自然数）なる関係を満足するように調整する。Then, these modulation frequencies fz and fx are
The setting is made so as to satisfy the relationship of fz: fx = 3: 2, and the phase difference between the modulation frequencies fz and fx is (n-1).
Adjustment is made so as to satisfy the relationship of π (n; natural number).
【００３７】この結果、互いに直交するＺ，Ｘ軸方向の
単振動が合成されることによって、試料６は、探針２の
先端に対して、一定の振幅値を有するリサージュ軌道を
描くことになる。As a result, the simple vibrations in the Z and X axis directions that are orthogonal to each other are combined, so that the sample 6 draws a Lissajous trajectory having a constant amplitude value with respect to the tip of the probe 2. .
【００３８】この後、上記一実施の形態と同様に、試料
６の表面を探針２の先端に所定量だけ接触させながら、
試料６を探針２に対して相対的に走査させることによっ
て、探針２の先端と試料６の表面との間の摩擦力が測定
されることになる。なお、本変形例において、変調周波
数ｆｚは、通常、１ｋ〜１０ｋＨｚ程度でよいが、これ
以上にすれば、サーボ時の応答性が向上する。After that, as in the above-described one embodiment, while the surface of the sample 6 is brought into contact with the tip of the probe 2 by a predetermined amount,
By causing the sample 6 to scan relative to the probe 2, the frictional force between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 6 is measured. In this modification, the modulation frequency fz is usually about 1 kHz to 10 kHz, but if it is higher than this, the response at the time of servo is improved.
【００３９】[0039]
【発明の効果】本発明によれば、探針の先端を２次元軌
道を描くように振動させたことによって、試料に対する
探針の接触距離及び接触時間を短くすることができると
共に、接触圧を小さくすることができる。この結果、試
料の表面や探針の先端にダメージを与えることなく、試
料の表面と探針の先端との間に働く摩擦力のみを高感度
に測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供す
ることができる。According to the present invention, by vibrating the tip of the probe so as to draw a two-dimensional trajectory, the contact distance and contact time of the probe with respect to the sample can be shortened, and the contact pressure can be reduced. Can be made smaller. As a result, we provide a scanning probe microscope that can measure only the frictional force acting between the surface of the sample and the tip of the probe with high sensitivity without damaging the surface of the sample or the tip of the probe. can do.
【図１】本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕
微鏡の構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention.
【図２】（ａ）は、探針先端が描くリサージュ軌道を示
す図、（ｂ）は、探針先端を試料表面に接触させた際、
探針先端が描くリサージュ軌道を示す図。FIG. 2A is a diagram showing a Lissajous trajectory drawn by the tip of the probe, and FIG. 2B is a diagram showing the Lissajous trajectory drawn by the tip of the probe when the tip of the probe is brought into contact with the sample surface.
The figure which shows the Lissajous orbit drawn by the tip of the probe.
【図３】（ａ）は、平行な試料表面に探針先端を走査さ
せた際、変位センサから出力されるねじれ信号の特性を
示す図、（ｂ）は、傾斜した試料表面に探針先端を走査
させた際、変位センサから出力されるねじれ信号の特性
を示す図。FIG. 3A is a diagram showing characteristics of a twist signal output from a displacement sensor when a probe tip is scanned on a parallel sample surface, and FIG. 3B is a probe tip on an inclined sample surface. FIG. 6 is a diagram showing characteristics of a twist signal output from a displacement sensor when scanning is performed.
【図４】試料表面に沿って探針先端を走査させている状
態を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a state in which the tip of the probe is being scanned along the sample surface.
【図５】本発明の変形例に係る走査型プローブ顕微鏡の
構成を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a scanning probe microscope according to a modification of the present invention.
２…探針、４…片持ち梁、６…試料、２２…Ｚ変調電
源、２４…Ｚ変調圧電体、２６…遅延回路、２８…Ｘ変
調電源、３０…Ｘ変調圧電体、ｆｘ，ｆｚ…変調周波
数。2 ... probe, 4 ... cantilever, 6 ... sample, 22 ... Z modulation power source, 24 ... Z modulation piezoelectric body, 26 ... delay circuit, 28 ... X modulation power source, 30 ... X modulation piezoelectric body, fx, fz ... Modulation frequency.
Claims (3)
と、 試料の表面に対して前記探針の先端を相対的に走査させ
る走査手段と、 前記探針の先端が前記試料の表面に対して相対的に所望
の２次元軌道を描くように、前記片持ち梁の先端又は試
料のいずれか一方を互いに垂直方向に単振動させる振動
手段と、 前記試料の表面に対して前記探針の先端を相対的に走査
させた際に生じる前記片持ち梁の撓み変位及びねじれ変
位を光学的に検出する変位センサと、 この変位センサによって検出されたねじれ変位に基づい
て、前記探針の先端と前記試料の表面との間の摩擦力を
測定する摩擦力測定手段とを備えていることを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡。1. A cantilever having a sharpened probe at its tip, a scanning means for relatively scanning the tip of the probe with respect to the surface of the sample, and the tip of the probe being the surface of the sample. A vibrating means that single-oscillates either the tip of the cantilever or the sample in a direction perpendicular to each other so as to draw a desired two-dimensional orbit relative to the probe; A displacement sensor for optically detecting the bending displacement and the torsional displacement of the cantilever generated when the tip of the probe is relatively scanned, and the tip of the probe based on the torsional displacement detected by the displacement sensor. And a frictional force measuring means for measuring a frictional force between the sample and the surface of the sample.
の電圧を印加することによって前記片持ち梁の先端又は
試料を相対的に第１の方向へ単振動させる第１の振動ユ
ニットと、第２の変調周波数ｆｘの電圧を印加すること
によって前記片持ち梁の先端又は試料を相対的に前記第
１の方向に直交した第２の方向へ単振動させる第２の振
動ユニットとを備えており、 前記第１及び第２の変調周波数ｆｚ，ｆｘは、 ｆｚ：ｆｘ＝３：２ なる関係を満足するように設定され、且つ、前記第１及
び第２の変調周波数ｆｚ，ｆｘの位相差は、 （ｎ−１）π （ｎ；自然数） なる関係を満足するように調整されていることを特徴と
する請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。2. The vibrating means has a first modulation frequency fz.
A first vibrating unit that relatively oscillates the tip of the cantilever or the sample relatively in a first direction by applying a voltage of 2; and the cantilever by applying a voltage of a second modulation frequency fx. A second vibrating unit that single-vibrates the tip of the beam or the sample relatively in a second direction orthogonal to the first direction, wherein the first and second modulation frequencies fz, fx are: fz: fx = 3: 2, and the phase difference between the first and second modulation frequencies fz and fx has a relationship of (n-1) π (n; natural number). The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the scanning probe microscope is adjusted to be satisfactory.
記試料の表面に接触した際に生じた前記片持ち梁の先端
のねじれ変位を光学的に検出し、その検出信号を前記摩
擦力測定手段に出力し、この摩擦力測定手段は、入力し
た検出信号の振幅値に所定の演算処理を施すことによっ
て、前記試料の表面状態に影響されることなく、前記探
針の先端と前記試料の表面との間の摩擦力のみを測定す
ることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕
微鏡。3. The displacement sensor optically detects the torsional displacement of the tip of the cantilever generated when the tip of the probe comes into contact with the surface of the sample, and outputs the detection signal as the friction force. The frictional force measuring means outputs the amplitude value of the input detection signal to the measuring means, and by performing a predetermined arithmetic process on the amplitude value, the tip of the probe and the sample are not affected by the surface condition of the sample. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein only the frictional force between the surface and the surface is measured.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30421295A JPH09145723A (en) | 1995-11-22 | 1995-11-22 | Scanning probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30421295A JPH09145723A (en) | 1995-11-22 | 1995-11-22 | Scanning probe microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09145723A true JPH09145723A (en) | 1997-06-06 |
Family
ID=17930366
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30421295A Withdrawn JPH09145723A (en) | 1995-11-22 | 1995-11-22 | Scanning probe microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09145723A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008122168A (en) * | 2006-11-10 | 2008-05-29 | Shimadzu Corp | Scanning probe microscope |
-
1995
- 1995-11-22 JP JP30421295A patent/JPH09145723A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008122168A (en) * | 2006-11-10 | 2008-05-29 | Shimadzu Corp | Scanning probe microscope |
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