JPH09304405A - Composite type probe microscope - Google Patents

Composite type probe microscope

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JPH09304405A
JPH09304405A JP8126092A JP12609296A JPH09304405A JP H09304405 A JPH09304405 A JP H09304405A JP 8126092 A JP8126092 A JP 8126092A JP 12609296 A JP12609296 A JP 12609296A JP H09304405 A JPH09304405 A JP H09304405A
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JP
Japan
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probe
sample
force
cantilever
change
Prior art date
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Application number
JP8126092A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuhito Ishii
信人 石井
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Publication of JPH09304405A publication Critical patent/JPH09304405A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable simultaneously measuring a plurality of physical properties, at completely the same position, in a minute range at an arbitrary position on a specimen, by detecting the change of deflection of a cantilever having a probe on the free end, and calculating the change amount of a force applied to the probe. SOLUTION: A specimen stand 6 is installed on the upper surface of a tube scanner 7 constituted of a cylindrical piezoelectric driving element. A cantilever 2 having a probe 21 on the free end is fixed to a post 13, and irradiated with a light from a light source 3. The light reflected by the back of the cantilever 2 is received by a quartered light receiving element 4. By detecting the center of gravity of a light spot received by the light receiving element 4, the displacement of the deflection of the cantilever 2 can be known. The displacement of the cantilever 2 changes in accordance with the force which the probe 21 receives from a specimen, so that the displacement can be made the force applied to the probe. A signal of the center of gravity of the light spot which is detected by the light receiving element 4 is subjected to A/D conversion 12 and inputted in the input detection part of a computer 8.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面の微小な
範囲における各種物理的性質を同時に測定できる測定機
と試料表面の様子を観察する顕微鏡の複合型プローブ顕
微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measuring instrument capable of simultaneously measuring various physical properties in a minute range of a sample surface and a composite probe microscope for observing the state of the sample surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、試料表面の微小な凹凸を観察する
ために、原子間力顕微鏡というものがある。この原子間
力顕微鏡とは、微小な先端を有した探針を試料に近接さ
せ、探針と試料との間に働く原子間力の大きさを検出し
て、試料表面の形状を測定する技術である。この原子間
力顕微鏡の一般的な構成は、探針をカンチレバーに固定
し、このカンチレバーの撓み量を検出するための光源
と、カンチレバーの反射光を検出する2分割のフォトデ
ィテクターとで構成され、探針に対して試料を走査する
ことの出来るアクチュエーターを備えている。そして、
カンチレバーの撓み量の検出については、光源から照射
された光をカンチレバーに照射し、その光を2分割のフ
ォトディテクターで受光する。このとき、フォトディテ
クターのそれぞれの受光面に照射された光強度をそれぞ
れのフォトディテクターからの電流値の差を取ることに
よって、カンチレバーの撓み量を検出する。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is an atomic force microscope for observing minute irregularities on a sample surface. This atomic force microscope is a technology that measures the shape of the sample surface by bringing a probe with a minute tip close to the sample and detecting the magnitude of the atomic force that acts between the probe and the sample. Is. The general structure of this atomic force microscope consists of a light source for fixing the probe to a cantilever, detecting the amount of bending of the cantilever, and a two-part photodetector for detecting the reflected light of the cantilever, The probe is equipped with an actuator that can scan the sample. And
Regarding the detection of the bending amount of the cantilever, the light emitted from the light source is applied to the cantilever, and the light is received by the two-divided photodetector. At this time, the deflection amount of the cantilever is detected by taking the difference between the current values from the respective photodetectors with respect to the light intensity applied to the respective light receiving surfaces of the photodetector.

【0003】また、このような原子間力顕微鏡を用い
て、試料を走査する瞬間に発生するカンチレバーの捻れ
を検出して、原子間力顕微鏡と同じシステムで検出し、
その捻れ量で試料表面の微小領域における摩擦力を検出
する摩擦力顕微鏡が存在する。また、探針を試料表面に
近接させ、そして、探針を垂直に離したときに得られる
カンチレバーの撓み量の変化を捉えて、試料表面の微小
領域の粘着力を検出する吸着力顕微鏡や、試料に探針を
接触させたときに得られる弾性力を同じくカンチレバー
の撓み量の変化として捉えて、試料表面の微小領域の弾
性力を検出する弾性力顕微鏡などがある。
Further, by using such an atomic force microscope, the torsion of the cantilever which occurs at the moment of scanning the sample is detected and detected by the same system as the atomic force microscope.
There is a friction force microscope that detects the frictional force in a minute area on the surface of a sample by the amount of twist. Also, an adsorption force microscope that detects the adhesive force of a microscopic area on the sample surface by capturing the change in the amount of bending of the cantilever obtained when the probe is brought close to the sample surface and when the probe is vertically separated, There is an elastic force microscope or the like that detects the elastic force of a microscopic region on the sample surface by also grasping the elastic force obtained when the probe is brought into contact with the sample as a change in the amount of bending of the cantilever.

【0004】これらの顕微鏡は、特定の物理量の測定し
かできなかった。従って、数種類の物理量を検出するた
めには、求める物理量を検出するための顕微鏡(測定装
置)に試料を写し替えて、探針が試料の所望の位置に来
るよう、試料の載置場所を変えて調節し、そして、測定
を行っていた。
These microscopes were only able to measure specific physical quantities. Therefore, in order to detect several types of physical quantities, the sample is transferred to a microscope (measuring device) for detecting the desired physical quantity, and the sample placement location is changed so that the probe is at the desired position on the sample. Was adjusted and measured.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
微小な探針を用いた各種顕微鏡によって、試料表面の同
一地点における物理量を検出するには、非常に困難を極
めた。この様な微小な探針を用いた各種顕微鏡の測定範
囲は、数nmの範囲における物理量の測定であるので、
探針をこの様な範囲内で試料表面の所定の位置におさめ
るの非常に困難である。また、その位置に納められたか
どうかは、光学顕微鏡で確認するのほぼ不可能であり、
他の代替手段を用いても、そのための設備に多大な投資
が必要である。
However, it has been extremely difficult to detect a physical quantity at the same point on the sample surface by various conventional microscopes using a minute probe. Since the measurement range of various microscopes using such a minute probe is the measurement of the physical quantity in the range of several nm,
It is very difficult to hold the probe at a predetermined position on the sample surface within such a range. Also, it is almost impossible to confirm with an optical microscope whether it has been placed in that position,
Even if other alternatives are used, a large investment is required in the equipment for that purpose.

【0006】また、その所定の位置に試料を動かして
も、微小に任意の方向に試料を移動することは、とても
技術的に難しく、その位置合わせに非常に多大な時間を
要してしまう。
Further, even if the sample is moved to the predetermined position, it is technically difficult to minutely move the sample in an arbitrary direction, and it takes a very long time to position the sample.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに本発明では、可撓性の片持ち梁と、片持ち梁の自由
端に微小な先端径を有した探針と、片持ち梁の撓み量の
変化を検出する力検出手段と、少なくとも試料の表面と
平行な方向に変位する第1の走査駆動部材と、試料の表
面に対して垂直な方向に変位する第2の走査駆動部材
と、探針の片持ち梁部分が所定の撓み量になるまで探針
と試料と近接させ、その後探針と試料とを離す第2の走
査駆動部材を制御する走査駆動部材制御手段と、走査駆
動部材制御手段から探針の存在する方向に対する前記試
料の移動距離に関する情報をえ、更に力検出手段から探
針に作用する力に関する情報を得て、探針の存在する方
向に対する試料の移動距離の変化に対する探針に作用す
る力の変化量を算出する演算手段と、演算手段から出力
された演算結果を前記試料の物理的性質として表示する
表示手段とを備えたこの様に探針と試料とを近接または
離す動作を行い、探針と試料との間隔の変化に対する探
針に作用する力の変化量を算出することで、その地点に
おける試料の物理的性質を得ることができる。
In order to solve the above-mentioned problems, according to the present invention, a flexible cantilever, a probe having a minute tip diameter at the free end of the cantilever, and a cantilever are provided. A force detection unit that detects a change in the amount of bending of the beam, a first scanning drive member that is displaced at least in a direction parallel to the surface of the sample, and a second scanning drive that is displaced in a direction perpendicular to the surface of the sample. A member and a scanning drive member control means for controlling a second scanning drive member that brings the probe and the sample close to each other until the cantilever portion of the probe has a predetermined deflection amount, and then separates the probe and the sample; The information about the moving distance of the sample with respect to the direction in which the probe is present is obtained from the scanning drive member control means, and the information about the force acting on the probe is obtained from the force detecting means to move the sample in the direction in which the probe is present. Calculates the amount of change in force acting on the probe with respect to changes in distance And a display means for displaying the calculation result output from the calculation means as the physical property of the sample, thus performing the operation of bringing the probe and the sample close to or apart from each other. By calculating the amount of change in the force acting on the probe with respect to the change in the interval, the physical properties of the sample at that point can be obtained.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を挙げ
て、本発明を更に詳しく説明することとする。ところ
で、図1は本発明の実施の形態である複合型プローブ顕
微鏡の概念構成図である。この複合型プローブ顕微鏡
は、円筒型の圧電駆動素子で構成されたチューブスキャ
ナー7の上面に試料台6が備えられている。また、柱1
3にはカンチレバー2が固定されている。カンチレバー
2の自由端には探針21が備えられている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, the present invention will be described in more detail with reference to the embodiments of the present invention. By the way, FIG. 1 is a conceptual configuration diagram of a compound probe microscope according to an embodiment of the present invention. In this composite probe microscope, a sample stage 6 is provided on the upper surface of a tube scanner 7 composed of a cylindrical piezoelectric drive element. Also, pillar 1
The cantilever 2 is fixed to 3. A probe 21 is provided at the free end of the cantilever 2.

【0009】また、このカンチレバー2の上方には、光
源3と4分割受光素子4が備えられている。これらは本
体1に固定されている。光源3からの光はカンチレバー
2に照射されている。そして、カンチレバー2に照射さ
れた光は、カンチレバー2の背面を反射して4分割受光
素子4で受光される。この4分割受光素子4で受光され
る光スポットに重心位置を検出することで、カンチレバ
ー2の撓み量の変位を検出することができる。このカン
チレバー2の変位はカンチレバー2に設けられた探針2
1が試料から受ける力に応じて変位するので、カンチレ
バー2の変位量は探針21が受けた力とすることが出来
る。また、4分割受光素子4で検出された光スポットの
重心位置に関する信号は、A/D変換コンバーター12
に入力され、デジタル信号としてコンピューター8内の
力検出部に入力される。
Above the cantilever 2, a light source 3 and a four-division light receiving element 4 are provided. These are fixed to the main body 1. The light from the light source 3 is applied to the cantilever 2. Then, the light emitted to the cantilever 2 is reflected by the back surface of the cantilever 2 and is received by the four-division light receiving element 4. By detecting the position of the center of gravity in the light spot received by the four-division light receiving element 4, the displacement of the bending amount of the cantilever 2 can be detected. This displacement of the cantilever 2 is caused by the probe 2 provided on the cantilever 2.
Since 1 is displaced according to the force received from the sample, the displacement amount of the cantilever 2 can be the force received by the probe 21. In addition, the signal relating to the position of the center of gravity of the light spot detected by the four-division light receiving element 4 is sent to the A / D conversion converter 12
Is input to the force detection unit in the computer 8 as a digital signal.

【0010】また、チューブスキャナー7には、円筒の
表面に複数に分割された電極が張りつけられている。ま
た、円筒の裏面には全面的に電極が張りつけられてい
る。これらの円筒の裏面に設けられた電極に対する各表
面の電極に、それぞれ所望の電圧が印加出来るようにな
っている。なお、チューブスキャナー7に印加する電圧
は、コンピューター8内のチューブスキャナ制御部によ
って制御される。
The tube scanner 7 has a plurality of divided electrodes attached to the surface of a cylinder. Further, electrodes are attached to the entire back surface of the cylinder. A desired voltage can be applied to the electrodes on each surface with respect to the electrodes provided on the back surface of these cylinders. The voltage applied to the tube scanner 7 is controlled by the tube scanner control unit in the computer 8.

【0011】ところで、このコンピューター8は、図2
の様な構成を有している。このコンピューター8には、
チューブスキャナー7の走査駆動を制御するスキャナー
制御部81と、カンチレバー7の変位量を出力するA/
Dコンバーター12からのデジタル信号から探針の受け
る力を検出し、探針の受ける力に関する情報を出力する
力検出部82と、スキャナー制御部81から出力される
試料5の位置に関する信号である位置制御信号から試料
の移動距離の情報を得、そして更に力検出部82から出
力される探針の受ける力の情報を得て、探針の存在する
方向または正反対の方向に対する試料5の移動距離と探
針の受ける力との相関を作成するフォースカーブ作成部
83と、フォースカーブ作成部83で得られたフォース
カーブのグラフについて、2階微分を行う2階微分処理
部84と、2階微分処理部で処理された情報を加味して
フォースカーブ作成部で得られたフォースカーブを記憶
する記憶部85と、記憶部で記憶されたフォースカーブ
から各種の物理的特性を演算し出力する演算部86と、
演算部で得られた情報を画像化する画像手段87とを有
している。
By the way, the computer 8 is shown in FIG.
It has the following configuration. In this computer 8,
The scanner control unit 81 that controls the scanning drive of the tube scanner 7 and the A / that outputs the displacement amount of the cantilever 7
A force detection unit 82 that detects the force received by the probe from the digital signal from the D converter 12 and outputs information regarding the force received by the probe, and a position that is a signal regarding the position of the sample 5 that is output from the scanner control unit 81. The information about the moving distance of the sample is obtained from the control signal, and further the information about the force received by the probe output from the force detecting unit 82 is obtained, and the moving distance of the sample 5 with respect to the direction in which the probe is present or the opposite direction is obtained. A force curve creating unit 83 that creates a correlation with the force received by the probe, and a second differential processing unit 84 that performs second differential of the graph of the force curve obtained by the force curve creating unit 83 and a second differential processing. The storage unit 85 that stores the force curve obtained by the force curve creation unit in consideration of the information processed by the storage unit and various physical curves from the force curve stored in the storage unit. A calculation unit 86 for calculating the sex output,
It has an image means 87 for imaging the information obtained by the arithmetic unit.

【0012】スキャナー制御部81では、探針21に対
する試料5の移動量に関する信号をD/Aコンバーター
9、10、11に出力している。D/Aコンバーター1
0、11は、試料表面と略平行なX,Y方向における駆
動量に関する信号をD/A変換する。また、D/Aコン
バーター9は、試料5の試料表面に対して垂直な方向に
おける駆動量についての信号を出力する。試料5の試料
表面に対して垂直な方向における移動距離に対する探針
21の受ける力の量を検出するために必要な動作の制御
をスキャナー制御部81で行う。このスキャナー制御部
81では探針21が試料5に接触し、試料5の移動時に
生ずる駆動量とカンチレバー2の撓み量の変化が同じに
なるまで、試料5を探針21の存在する方向に駆動制御
を行い、探針21で受ける力とチューブスキャナー7が
駆動して生み出された力とが同じになったときに、反対
方向に駆動制御を行う。この様にしてフォースカーブを
得るためのスキャナーの動作を制御している。
The scanner controller 81 outputs a signal relating to the amount of movement of the sample 5 with respect to the probe 21 to the D / A converters 9, 10, 11. D / A converter 1
Reference numerals 0 and 11 perform D / A conversion on a signal related to the driving amount in the X and Y directions substantially parallel to the sample surface. Further, the D / A converter 9 outputs a signal regarding the drive amount of the sample 5 in the direction perpendicular to the sample surface. The scanner controller 81 controls the operation required to detect the amount of force received by the probe 21 with respect to the moving distance of the sample 5 in the direction perpendicular to the sample surface. In this scanner control unit 81, the probe 21 is driven in the direction in which the probe 21 exists until the probe 21 comes into contact with the sample 5 and the drive amount generated when the sample 5 moves and the change in the deflection amount of the cantilever 2 become the same. Control is performed, and when the force received by the probe 21 and the force generated by driving the tube scanner 7 become the same, drive control is performed in the opposite direction. In this way, the operation of the scanner for obtaining the force curve is controlled.

【0013】次に、フォースカーブ作成部83には、ス
キャナー制御部81から出力される試料の移動距離に関
する信号と、力検出部82から出力される探針21が受
ける力に関する信号とが入力される。そして、フォース
カーブ作成部83では、試料5を探針21の存在する方
向又は正反対の方向についての移動距離に対する探針2
1が受ける力の相関をとり、図3に示される様なフォー
スカーブを作成する。ところで、この図3の横軸は探針
21と試料5の試料表面に対して垂直な方向における移
動距離を示しており、縦軸は探針21が受ける力を示し
ている。また、縦軸について、力が0に対してマイナス
側が探針12を試料5の方に引き込む力(マイナスの
力)であり、プラス側が探針12を反らせる力(プラス
の力)である。そして、横軸については、左側が探針2
1と試料5とが近づく方向で、右側が遠ざかる方向であ
る。このフォースカーブについて説明する。チューブス
キャナーを駆動して、試料5を探針12に近接させてゆ
くと、フォースカーブは点bで急に探針12が試料5に
引き込まれるようにマイナスの力を受ける。そして、探
針12で受ける力が点cになると探針12と試料5の距
離に比例してプラス側に大きくなってゆく。そして、最
終的にはチューブスキャナー7が駆動のために生み出す
力と探針12で受ける力とが同じになる(点d)。ま
た、つぎに探針12を試料5から離してゆくと、試料の
移動距離に対して探針12で受ける力が比例してマイナ
ス側の力となってゆき、最終的に元の力に戻る。ところ
で、図3におけるフォースカーブについて、力が0とな
る位置は丁度点aとなる位置となる。
Next, the force curve creating section 83 is supplied with a signal output from the scanner control section 81 regarding the moving distance of the sample and a signal output from the force detection section 82 regarding the force received by the probe 21. It Then, in the force curve creation unit 83, the probe 2 with respect to the moving distance of the sample 5 in the direction in which the probe 21 exists or in the opposite direction.
By taking the correlation of the force that 1 receives, the force curve as shown in FIG. 3 is created. By the way, the horizontal axis of FIG. 3 shows the moving distance of the probe 21 and the sample 5 in the direction perpendicular to the sample surface, and the vertical axis shows the force received by the probe 21. Further, on the vertical axis, when the force is 0, the minus side is the force (negative force) for pulling the probe 12 toward the sample 5, and the plus side is the force for bending the probe 12 (plus force). Then, on the horizontal axis, the probe 2 is on the left side.
1 is the direction in which the sample 5 approaches, and the right side is in the direction away from each other. The force curve will be described. When the tube scanner is driven to bring the sample 5 close to the probe 12, the force curve receives a negative force so that the probe 12 is suddenly drawn into the sample 5 at the point b. Then, when the force received by the probe 12 reaches the point c, it increases in the positive direction in proportion to the distance between the probe 12 and the sample 5. Finally, the force generated by the tube scanner 7 for driving and the force received by the probe 12 become the same (point d). Further, when the probe 12 is then separated from the sample 5, the force received by the probe 12 becomes proportional to the moving distance of the sample and becomes a negative force, and finally returns to the original force. . By the way, in the force curve shown in FIG. 3, the position where the force is 0 is exactly the position a.

【0014】この様なフォースカーブには、試料に関す
る物理的性質に関する情報が含まれている。図3の点e
の距離と点bの距離と差は、試料表面に付着している吸
着水の膜厚である。また、点bの力と点cの力の差は、
試料表面の吸着力であり、また、点cと点dとを結ぶ直
線の試料の移動距離に対する力の勾配は、丁度、試料の
弾性力を示している。このように試料を試験して得られ
たフォースカーブから、試料の同地点における3つの物
理量を計測することが出来る。
Such a force curve contains information on the physical properties of the sample. Point e in FIG.
The difference between the distance and the point b is the film thickness of the adsorbed water adhering to the sample surface. Also, the difference between the force at point b and the force at point c is
The suction force on the sample surface, and the gradient of the force with respect to the moving distance of the sample on the straight line connecting the points c and d just indicates the elastic force of the sample. From the force curve obtained by testing the sample in this way, three physical quantities at the same point of the sample can be measured.

【0015】ところで、フォースカーブ作成部83で得
られたフォースカーブでは、点bまたは点c及び点eの
位置を正確に検出することがたいへん困難である。普
通、得られるフォースカーブは、図3の様にはならな
い。したがって、点bまたは点c及び点eの位置を正確
に検出することができない。本発明の実施の形態である
複合型プローブ顕微鏡では、この点を鑑みて、2階微分
処理部を設けている。この2階微分処理部では、距離に
対する力の変化に対して2階微分を行うことで正確な点
b、点c、点eにおける試料の移動距離を算出すること
ができる。なお、点cをモデルにして2階微分処理部に
ついて説明する。この2階微分処理部では、図4の
(a)の様な得られたフォースカーブについて、まず微
分を行う。この様にすることで図4の(b)のような曲
線が得られる。そして、更にこの様な曲線について微分
を行うことで、図4(c)のような曲線が得られる。こ
の曲線の0クロス点がちょうど点cの距離となる。
By the way, it is very difficult to accurately detect the position of the point b or the point c and the point e in the force curve obtained by the force curve creating section 83. Normally, the force curve obtained will not be as shown in Fig. 3. Therefore, the positions of the point b or the points c and e cannot be accurately detected. In view of this point, the compound probe microscope according to the embodiment of the present invention is provided with the second-order differentiation processing unit. The second-order differentiation processing unit can accurately calculate the moving distance of the sample at the points b, c, and e by performing the second-order differentiation with respect to the change in the force with respect to the distance. The second-order differential processing unit will be described using the point c as a model. In the second-order differentiation processing unit, the obtained force curve as shown in FIG. 4A is first differentiated. By doing so, a curve as shown in FIG. 4B can be obtained. Then, by further differentiating such a curve, a curve as shown in FIG. 4C is obtained. The 0 cross point of this curve is exactly the distance of the point c.

【0016】この様にして点cにおける実質的な試料の
移動距離を算出する。また、本発明では他に点eの実質
的な試料の移動距離の算出にも用いられる。そして、2
階微分処理部84で得られた実質的な点cと点eにおけ
る試料の移動距離の値を用いて、フォースカーブ作成部
83で得られたフォースカーブを補正し、正規なフォー
スカーブを得て記憶部85でそのフォースカーブを記憶
する。そして、記憶部85で記憶されたフォースカーブ
に基づいて、演算部86で各種の物性値を演算する。
In this way, the substantial movement distance of the sample at the point c is calculated. Further, in the present invention, it is also used to calculate the substantial sample moving distance at the point e. And 2
The force curve obtained by the force curve creation unit 83 is corrected by using the values of the moving distances of the sample at the substantial points c and e obtained by the hierarchical differentiation processing unit 84 to obtain a normal force curve. The force curve is stored in the storage unit 85. Then, based on the force curve stored in the storage unit 85, the calculation unit 86 calculates various physical property values.

【0017】つぎに演算部86では、図3のような正規
なフォースカーブから点bと点cにおける探針21が受
ける力の差を検出する。ちょうど、この差から試料表面
における吸着力を示すことができる。また、演算部86
から点cと点d間におけるフォースカーブの傾きを算出
する。この点cと点dとの試料の移動距離に対する探針
で受ける力の変化の割合が、試料の弾性力として示すこ
とができる。そして、更に点bまたは点cにおける試料
の移動距離の値と点eにおける探針の移動距離の値との
差を算出する。この差が試料表面の吸着水の膜厚として
示すことができる。
Next, the computing unit 86 detects the difference in the force received by the probe 21 at the points b and c from the normal force curve as shown in FIG. Just from this difference, the adsorption force on the sample surface can be shown. In addition, the calculation unit 86
From this, the slope of the force curve between points c and d is calculated. The rate of change of the force received by the probe with respect to the moving distance of the sample between the points c and d can be indicated as the elastic force of the sample. Then, the difference between the value of the moving distance of the sample at the point b or the point c and the value of the moving distance of the probe at the point e is calculated. This difference can be shown as the film thickness of the adsorbed water on the sample surface.

【0018】この様に演算部86では、記憶部86で記
憶されたフォーズカーブから計測位置における試料の吸
着力、弾性力、吸着水の膜厚を算出することが出来る。
ところで、点bと点cにおける力の差は、一般的に粘性
と呼ばれる物性値と同等である。また、試料を微小にカ
ンチレバーの梁方向に対して垂直に移動させ、そのとき
の梁の捻れ量を検出することで、試料のその測定位置に
おける摩擦力を得ることが出来る。本発明の実施の形態
である複合型プローブ顕微鏡では、4分割受光素子4を
用いている。したがって、例えば4分割受光素子4につ
いて図5をモデルにすると、カンチレバー2の撓み量を
検出する際に、受光面Aと受光面Bからの信号の和と受
光面Cと受光面Dからの信号の和から差分を求めて
((A+B)−(C+D))検出していた場合には、摩
擦力を検出する場合には、受光面Aと受光面Cからの信
号の和と受光面Bと受光面Dからの信号の和から差分を
求めることでカンチレバー2の捻れ量と求めることが出
来る。
As described above, the computing unit 86 can calculate the adsorption force of the sample, the elastic force, and the film thickness of the adsorbed water at the measurement position from the Fores curve stored in the storage unit 86.
By the way, the difference in force between the points b and c is equivalent to a physical property value generally called viscosity. Further, by slightly moving the sample vertically to the beam direction of the cantilever and detecting the amount of twist of the beam at that time, the frictional force at the measurement position of the sample can be obtained. In the composite probe microscope according to the embodiment of the present invention, the four-division light receiving element 4 is used. Therefore, for example, when the four-division light receiving element 4 is modeled in FIG. 5, when detecting the bending amount of the cantilever 2, the sum of the signals from the light receiving surfaces A and B and the signals from the light receiving surfaces C and D are detected. When the difference is obtained from the sum of ((A + B)-(C + D)) and detected, the friction force is detected, the sum of the signals from the light receiving surface A and the light receiving surface C and the light receiving surface B are detected. By obtaining the difference from the sum of the signals from the light receiving surface D, the amount of twist of the cantilever 2 can be obtained.

【0019】この様にして、試料5を探針12へ近接ま
たはその反対方向に移動させ、吸着力、弾性力、吸着水
の膜厚を検出して、その後に試料5を微小に探針12へ
近接させる方向とは垂直方向に移動させることで、摩擦
力も検出できる。そして、演算部86では、演算部86
で得られた吸着力、弾性力、吸着水の膜厚、摩擦力に関
する情報を画像手段87で出力する。
In this manner, the sample 5 is moved toward or away from the probe 12, the adsorption force, the elastic force, and the film thickness of the adsorbed water are detected, and then the sample 5 is finely divided. The frictional force can also be detected by moving in the direction perpendicular to the direction in which the frictional force approaches. Then, in the calculation unit 86, the calculation unit 86
The image means 87 outputs the information about the adsorption force, the elastic force, the film thickness of the adsorbed water, and the frictional force, which are obtained in (1).

【0020】そして、画像手段では、これらの情報を表
示する。なお、本複合型プローブ顕微鏡ではこの手順を
図6で示すフローチャートで行った。まず、測定開始と
ともに、測定する所望の場所まで試料5をチューブスキ
ャナー7によって移動させる。次に、チューブスキャナ
ー制御部81から試料5を近接させるための信号をD/
Aコンバーター9に供給し、チューブスキャナー9を駆
動させ、試料5を探針21に近接させる。そして、近接
が完了したらチューブスキャナー制御部81から探針2
1から試料5を遠ざける信号をD/Aコンバーター9に
出力する。このときに、A/Dコンバーター12から出
力された信号を力検出部82で検出して、力検出部82
で検出した信号をフォースカーブ作成部83に出力し、
フォースカーブ作成部83で試料の移動距離に対する力
の変化を同時にモニターする。そして、フォースカーブ
作成部83でフォースカーブを作成する。そして、フォ
ースカーブ作成部83で作成されたフォースカーブを2
階微分処理部84に出力する。2階微分処理部84では
移動距離に対する力の変化について2階微分し、点b、
点cと点eの正規な移動距離を2階微分処理部84で得
て、フォースカーブ作成部で作成されたフォースカーブ
について補正を行い、正規なフォースカーブを得る。そ
して、2階微分処理部84で補正されたフォースカーブ
は記憶部85に記憶される。記憶されたフォースカーブ
を元に演算部86で、吸着力、弾性力、吸着水の膜厚を
算出する。
Then, the image means displays these pieces of information. In this composite probe microscope, this procedure was performed according to the flowchart shown in FIG. First, when the measurement is started, the sample 5 is moved by the tube scanner 7 to a desired position for measurement. Next, a signal for making the sample 5 approach from the tube scanner controller 81 is set to D /
The sample 5 is supplied to the A converter 9, and the tube scanner 9 is driven to bring the sample 5 close to the probe 21. Then, when the proximity is completed, the tube scanner control unit 81 moves the probe 2
A signal for moving the sample 5 away from 1 is output to the D / A converter 9. At this time, the force detection unit 82 detects the signal output from the A / D converter 12,
Outputs the signal detected in step 3 to the force curve creation part 83,
The force curve creating unit 83 simultaneously monitors changes in force with respect to the moving distance of the sample. Then, the force curve creation unit 83 creates a force curve. Then, the force curve created by the force curve creating unit 83 is set to 2
It is output to the differential processor 84. The second-order differentiation processing unit 84 performs second-order differentiation on the change in force with respect to the moving distance, and the point b,
The normal moving distance between the points c and e is obtained by the second-order differentiation processing unit 84, and the force curve created by the force curve creating unit is corrected to obtain a normal force curve. The force curve corrected by the second-order differentiation processing unit 84 is stored in the storage unit 85. Based on the stored force curve, the calculation unit 86 calculates the adsorption force, the elastic force, and the film thickness of the adsorbed water.

【0021】また、他に摩擦力も検出する場合は、スキ
ャナー制御部81で試料面と平行でかつカンチレバーの
梁の方向とは垂直方向に微小に走査する信号をD/Aコ
ンバーター10、11に出力し、そのときのカンチレバ
ーの捻れ量をA/Dコンバーター12から出力された信
号によって力検出部82で検出し、演算部86で摩擦力
を算出する。また、同時にそして、演算部86で算出さ
れた各物性値を画像手段87に出力し、表示する。
In addition, when frictional force is also detected, the scanner control unit 81 outputs to the D / A converters 10 and 11 a signal for scanning minutely in the direction parallel to the sample surface and perpendicular to the direction of the cantilever beam. Then, the amount of torsion of the cantilever at that time is detected by the force detection unit 82 by the signal output from the A / D converter 12, and the calculation unit 86 calculates the friction force. At the same time, the physical property values calculated by the calculation unit 86 are output to the image means 87 and displayed.

【0022】そして、試料の測定領域全体を測定したか
否かをスキャナー制御部81で判断し、測定が完了して
いない場合には、スキャナー制御部81からD/Aコン
バーター10、11に信号を出力し、チューブスキャナ
ー7を駆動させて、試料の測定領域が測定し終わるま
で、この一連の作業を行う。このときに、従来の原子間
力顕微鏡と同様に、各測定位置における試料表面の凹凸
を力検出部82で検出し、それを演算部86に出力し
て、画像手段87に出力して、先の各物性値と同様に凹
凸の高さの表示を行っても良い。
Then, the scanner controller 81 determines whether or not the entire measurement area of the sample has been measured. If the measurement is not completed, a signal is sent from the scanner controller 81 to the D / A converters 10 and 11. This output is performed, the tube scanner 7 is driven, and this series of operations is performed until the measurement area of the sample is measured. At this time, similarly to the conventional atomic force microscope, the unevenness of the sample surface at each measurement position is detected by the force detection unit 82, which is output to the calculation unit 86 and output to the image means 87. The height of the unevenness may be displayed in the same manner as each physical property value of.

【0023】そして、画像手段87では、試料上の測定
位置をX,Y座標で表し、吸着力、弾性力、吸着水の膜
厚、摩擦力、そして凹凸情報を数値化して表示する。ま
たは、これらの物性値のうち、一つの物性値をZ軸にと
り、X,Y,Z座標を用いて表示することでも構わな
い。このとき、他の物性値は複数種の色を用いて表示し
たり、数値を表示することでも良い。
Then, in the image means 87, the measurement position on the sample is represented by X and Y coordinates, and the adsorption force, the elastic force, the film thickness of the adsorbed water, the friction force, and the unevenness information are digitized and displayed. Alternatively, one of these physical property values may be displayed on the Z axis using X, Y, and Z coordinates. At this time, other physical property values may be displayed using a plurality of types of colors or numerical values may be displayed.

【0024】この様にして、本発明の複合型プローブ顕
微鏡では、試料の測定領域のおいて、試料表面の微小領
域における物理的性質の測定、複数種同時に測定するこ
とができるようになった。なお、本発明の実施の形態で
ある複合型プローブ顕微鏡では、吸着力、弾性力、吸着
水の膜厚、摩擦力、そして凹凸情報を同時に測定してい
るが、吸着力、弾性力、吸着水の膜厚のうちいづれか一
つの物理的性質とほかの物理的性質を同時に測定するこ
とでも構わない。
As described above, in the composite probe microscope of the present invention, in the measurement region of the sample, it becomes possible to measure the physical properties in a minute region on the sample surface and simultaneously measure a plurality of types. In the composite probe microscope according to the embodiment of the present invention, the adsorption force, the elastic force, the film thickness of the adsorbed water, the frictional force, and the unevenness information are simultaneously measured. It is also possible to simultaneously measure any one physical property and the other physical property among the film thicknesses of.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明では、試料上の任意の位置におけ
る微小範囲での複数の物理的性質を全く同じ位置で計測
することが出来る。さらに、この様に複数の物理的性質
を同時に計測することが出来るので、いままでのように
他の物理的性質を計測するために必要であった位置合わ
せが不要となり、測定の迅速化が計れるようになった。
According to the present invention, it is possible to measure a plurality of physical properties in a minute range at an arbitrary position on a sample at exactly the same position. Furthermore, since multiple physical properties can be measured simultaneously in this way, the alignment required for measuring other physical properties as before is no longer necessary, and measurement speed can be increased. It became so.

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

【図1】:本発明の実施の形態における複合型プローブ
顕微鏡の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a composite probe microscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】:本発明の実施の形態における複合型プローブ
顕微鏡のコンピューター8の概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a computer 8 of the composite probe microscope according to the embodiment of the present invention.

【図3】:本発明の実施の形態における複合型プローブ
顕微鏡で得られた計測結果の一例であるフォースカーブ
の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a force curve that is an example of measurement results obtained with the composite probe microscope according to the embodiment of the present invention.

【図4】:本発明の実施の形態における複合型プローブ
顕微鏡のコンピューター8の2階微分処理部84で行わ
れる2階微分処理の説明のための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining second-order differentiation processing performed by a second-order differentiation processing unit 84 of the computer 8 of the composite probe microscope according to the embodiment of the present invention.

【図5】:4分割受光素子4のモデル図である。FIG. 5 is a model diagram of a four-division light receiving element 4.

【図6】:本発明の実施の形態における複合型プローブ
顕微鏡で行われる処理に関するフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart regarding processing performed by the compound probe microscope according to the embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 本体 2 カンチレバー 3 光源 4 4分割受光素子 5 試料 6 試料台 7 チューブスキャナー 8 コンピューター 9 試料面に対して垂直方向制御用のD/Aコンバータ
ー 10、11 試料面に対して水平方向制御用のD/Aコ
ンバーター 12 4分割受光素子から得られる信号についてのA/
Dコンバーター
1 main body 2 cantilever 3 light source 4 4-split light receiving element 5 sample 6 sample stage 7 tube scanner 8 computer 9 D / A converter for vertical control with respect to sample surface 10 and 11 D for horizontal control with respect to sample surface / A converter 12 A / regarding the signal obtained from the 4-split light receiving element
D converter

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 可撓性の片持ち梁と、前記片持ち梁の自
由端に微小な先端径を有した探針と、 前記片持ち梁の撓み量の変化を検出する力検出手段と、 少なくとも前記試料の表面と平行な方向に変位する第1
の走査駆動部材と、 前記試料の表面に対して垂直な方向に変位する第2の走
査駆動部材と、 前記探針の片持ち梁部分が所定の撓み量になるまで前記
探針と前記試料と近接させ、その後前記探針と前記試料
とを離す前記第2の走査駆動部材を制御する走査駆動部
材制御手段と、 前記走査駆動部材制御手段から前記探針の存在する方向
に対する前記試料の移動距離に関する情報を得、更に前
記力検出手段から前記探針に作用する力に関する情報を
得て、前記探針の存在する方向に対する前記試料の移動
距離の変化に対する前記探針に作用する力の変化量を算
出する演算手段と、 前記演算手段から出力された演算結果を前記試料の物理
的性質として表示する表示手段とを備えたことを特徴と
する複合型プローブ顕微鏡
1. A flexible cantilever, a probe having a minute tip diameter at a free end of the cantilever, and force detection means for detecting a change in the bending amount of the cantilever. First displacing at least in a direction parallel to the surface of the sample
Scanning drive member, a second scanning drive member that is displaced in a direction perpendicular to the surface of the sample, and the probe and the sample until the cantilever portion of the probe has a predetermined deflection amount. Scanning drive member control means for controlling the second scanning drive member for bringing the probe and the sample apart from each other, and a movement distance of the sample from the scanning drive member control means in the direction in which the probe exists. Information about the force acting on the probe from the force detection means, and a change amount of the force acting on the probe with respect to a change in the moving distance of the sample in the direction in which the probe exists. And a display unit for displaying the calculation result output from the calculation unit as the physical property of the sample.
【請求項2】 前記演算手段は、前記探針の存在する方
向に対する前記試料の移動距離の変化に対する前記探針
に作用する力の変化量から、2階微分演算を行う2階微
分演算手段を備えていることを特徴とする請求項1記載
の複合型プローブ顕微鏡
2. The calculation means is a second differential calculation means for performing a second differential calculation from the amount of change in the force acting on the probe with respect to the change in the moving distance of the sample with respect to the direction in which the probe is present. The composite probe microscope according to claim 1, further comprising:
【請求項3】 前記演算手段は、前記探針と前記試料と
が近接または離されるときに得られる前記探針と前記試
料との間隔の変化に対する前記探針に作用する力の変化
量を記憶する記憶手段と、 前記記憶手段から得られる前記探針と前記試料との間隔
の変化に対する前記探針に作用する力の変化量から2階
微分演算を行う前記2階微分演算手段とを備えているこ
とを特徴とする請求項2記載の複合型プローブ顕微鏡
3. The calculation means stores a change amount of a force acting on the probe with respect to a change in a distance between the probe and the sample, which is obtained when the probe and the sample are brought close to or apart from each other. Storage means, and second-order differential operation means for performing second-order differential operation from the amount of change in the force acting on the probe with respect to the change in the distance between the probe and the sample obtained from the storage means. The composite probe microscope according to claim 2, wherein
【請求項4】 前記力検出手段は、前記片持ち梁の背面
に光を照射する光源と、前記片持ち梁から反射された光
を受光する4分割フォトディテクターであることを特徴
とする請求項1または3記載の複合型プローブ顕微鏡
4. The force detecting means is a light source that irradiates the back surface of the cantilever with light, and a four-division photo detector that receives the light reflected from the cantilever. 1 or 3 composite probe microscope
【請求項5】 前記第1の走査駆動部材を前記片持ち梁
の張り出し方向とは垂直な方向に駆動させる第1の走査
駆動部材制御手段を備えていることを特徴とする請求項
4記載の複合型プローブ顕微鏡
5. The first scan drive member control means for driving the first scan drive member in a direction perpendicular to the projecting direction of the cantilever, according to claim 4. Combined probe microscope
JP8126092A 1996-05-21 1996-05-21 Composite type probe microscope Pending JPH09304405A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010143042A (en) * 2008-12-18 2010-07-01 Dainippon Printing Co Ltd Method of detecting coating state of releasing agent for nanoprint mold and pattern forming method

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