JPH10239328A - 走査プローブ顕微鏡におけるプローブの粗動方法および装置 - Google Patents
走査プローブ顕微鏡におけるプローブの粗動方法および装置Info
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- JPH10239328A JPH10239328A JP9041195A JP4119597A JPH10239328A JP H10239328 A JPH10239328 A JP H10239328A JP 9041195 A JP9041195 A JP 9041195A JP 4119597 A JP4119597 A JP 4119597A JP H10239328 A JPH10239328 A JP H10239328A
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- G—PHYSICS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 コンタクトモードＡＦＭに使用することがで
き、かつ粗動速度を高速に行うことのできるプローブの
粗動方法および装置を提供することにある。 【解決手段】 変位検出装置２で検出された変位信号ａ
は変位検出手段６に入力する。該変位検出手段６、変位
基準信号源７、差動増幅器８、ＰＩ（比例積分）制御回
路９、駆動回路１１からなるフィードバック制御系に
は、クランプ回路等からなる粗動速度切替回路１０が接
続されている。駆動回路１１からの駆動出力はＸＹＺ駆
動装置１に供給される。制御回路１２は、変位検出手段
６から流体力学力検知信号を受けるまで、バイモルフ３
を振動させる信号と、粗動速度切替回路１０をオフにす
る制御信号を出力し、該流体力学力検知信号を受ける
と、バイモルフ３の振動を停止させる信号と、粗動速度
切替回路１０をオンにする制御信号を出力する。また、
制御回路１２は、変位検出手段６から原子間力検知信号
を受けると、粗動速度切替回路１０をオフにし、粗動を
終了する。
き、かつ粗動速度を高速に行うことのできるプローブの
粗動方法および装置を提供することにある。 【解決手段】 変位検出装置２で検出された変位信号ａ
は変位検出手段６に入力する。該変位検出手段６、変位
基準信号源７、差動増幅器８、ＰＩ（比例積分）制御回
路９、駆動回路１１からなるフィードバック制御系に
は、クランプ回路等からなる粗動速度切替回路１０が接
続されている。駆動回路１１からの駆動出力はＸＹＺ駆
動装置１に供給される。制御回路１２は、変位検出手段
６から流体力学力検知信号を受けるまで、バイモルフ３
を振動させる信号と、粗動速度切替回路１０をオフにす
る制御信号を出力し、該流体力学力検知信号を受ける
と、バイモルフ３の振動を停止させる信号と、粗動速度
切替回路１０をオンにする制御信号を出力する。また、
制御回路１２は、変位検出手段６から原子間力検知信号
を受けると、粗動速度切替回路１０をオフにし、粗動を
終了する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は走査プローブ顕微
鏡におけるプローブの粗動方法および装置に関し、特に
コンタクトモードＡＦＭで用いることのできるプローブ
の粗動方法および装置に関する。
鏡におけるプローブの粗動方法および装置に関し、特に
コンタクトモードＡＦＭで用いることのできるプローブ
の粗動方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のＡＦＭ（原子力間顕微鏡）では、
プローブを試料表面に粗動接近させるために、ステッピ
ングモータ等のモータを用い、微動接近のためにピエゾ
素子を用いる方法がある。また、他の方法として、プロ
ーブに振動を与えながら、流体力学的な力が働くまで該
プローブを試料表面に接近させ、次いで該プローブに与
える振動を維持しながら、ファン・デル・ワールス力が
検知できる距離までプローブを試料表面に粗動接近させ
る方法等が提案されている。後者の方法は、例えば、特
開平６−７４７５４号公報等に開示されている。
プローブを試料表面に粗動接近させるために、ステッピ
ングモータ等のモータを用い、微動接近のためにピエゾ
素子を用いる方法がある。また、他の方法として、プロ
ーブに振動を与えながら、流体力学的な力が働くまで該
プローブを試料表面に接近させ、次いで該プローブに与
える振動を維持しながら、ファン・デル・ワールス力が
検知できる距離までプローブを試料表面に粗動接近させ
る方法等が提案されている。後者の方法は、例えば、特
開平６−７４７５４号公報等に開示されている。
【０００３】後者の方法の流体力学力およびファン・デ
ル・ワールス力は、プローブを構成するカンチレバーの
振幅をモニタすることで検知することができる。このた
め、気体または液中環境におけるノンコンタクトＡＦＭ
測定において、カンチレバーの先端を傷めることなく、
粗動の速度を速めることができる。
ル・ワールス力は、プローブを構成するカンチレバーの
振幅をモニタすることで検知することができる。このた
め、気体または液中環境におけるノンコンタクトＡＦＭ
測定において、カンチレバーの先端を傷めることなく、
粗動の速度を速めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た粗動にモータを用いる第１の方法では、試料表面上の
所定の位置まで正確に粗動接近させることが難しく、ま
た時間がかかるという問題があった。一方、前記の第２
の方法は、プローブに振動を与えながら粗動を行うた
め、コンタクトモードＡＦＭに使用すると、カンチレバ
ーの先端にある探針が試料に当り、該探針を傷めるとい
う問題があった。このため、この方法はコンタクトモー
ドＡＦＭには使用できないという問題があった。
た粗動にモータを用いる第１の方法では、試料表面上の
所定の位置まで正確に粗動接近させることが難しく、ま
た時間がかかるという問題があった。一方、前記の第２
の方法は、プローブに振動を与えながら粗動を行うた
め、コンタクトモードＡＦＭに使用すると、カンチレバ
ーの先端にある探針が試料に当り、該探針を傷めるとい
う問題があった。このため、この方法はコンタクトモー
ドＡＦＭには使用できないという問題があった。
【０００５】この発明の目的は、前記した従来技術の問
題点を除去し、コンタクトモードＡＦＭに使用すること
ができ、かつ粗動速度を高速に行うことのできるプロー
ブの粗動方法および装置を提供することにある。
題点を除去し、コンタクトモードＡＦＭに使用すること
ができ、かつ粗動速度を高速に行うことのできるプロー
ブの粗動方法および装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、コンタクトモードで使用する走査プローブ顕微
鏡におけるプローブの粗動方法において、第１の駆動電
圧をＸＹＺ駆動装置に供給し、かつ前記プローブに振動
を与えながら、該プローブを流体力学力が検知されるま
で試料面に近付け、続いて、前記第１の駆動電圧より小
さい第２の駆動電圧をＸＹＺ駆動装置に供給し、前記プ
ローブの振動を停止して、該プローブを原子間力が検知
されるまで試料面に近付けるようにした点に第１の特徴
がある。
ために、コンタクトモードで使用する走査プローブ顕微
鏡におけるプローブの粗動方法において、第１の駆動電
圧をＸＹＺ駆動装置に供給し、かつ前記プローブに振動
を与えながら、該プローブを流体力学力が検知されるま
で試料面に近付け、続いて、前記第１の駆動電圧より小
さい第２の駆動電圧をＸＹＺ駆動装置に供給し、前記プ
ローブの振動を停止して、該プローブを原子間力が検知
されるまで試料面に近付けるようにした点に第１の特徴
がある。
【０００７】また、プローブの変位を検出し該プローブ
の粗動を制御するフィードバック制御系に設けられ、該
プローブの粗動装置に印加する駆動出力の大きさを制御
する駆動出力制御手段と、該プローブに振動を与える振
動付与手段と、前記駆動出力制御手段と振動付与手段と
の動作を制御する制御手段とを具備した点に第２の特徴
がある。
の粗動を制御するフィードバック制御系に設けられ、該
プローブの粗動装置に印加する駆動出力の大きさを制御
する駆動出力制御手段と、該プローブに振動を与える振
動付与手段と、前記駆動出力制御手段と振動付与手段と
の動作を制御する制御手段とを具備した点に第２の特徴
がある。
【０００８】本発明によれば、プローブは流体力学力が
検知されるまで大きな第１の駆動電圧で振動を受けなが
ら粗動され、それ以降は振動を停止されかつ小さな第２
の駆動電圧で低速で試料面に接触するまで粗動されるの
で、プローブが破損されることなく、かつ高速に試料の
表面に近付けることができる。このため、コンタクトモ
ードで使用する走査プローブ顕微鏡の操作性を向上させ
ることができる。
検知されるまで大きな第１の駆動電圧で振動を受けなが
ら粗動され、それ以降は振動を停止されかつ小さな第２
の駆動電圧で低速で試料面に接触するまで粗動されるの
で、プローブが破損されることなく、かつ高速に試料の
表面に近付けることができる。このため、コンタクトモ
ードで使用する走査プローブ顕微鏡の操作性を向上させ
ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の構成
を示すブロック図である。図において、１はＸＹＺ駆動
装置、２は変位検出装置、３はバイモルフ、４はカンチ
レバー、５は測定試料であり、これらによりプローブの
走査機構が構成されている。次に、６は変位検出手段、
７は変位基準信号源、８は差動増幅器、９はＰＩ（比例
積分）制御回路、１０はクランプ回路等からなる粗動速
度切替回路、１１は駆動回路であり、これらの回路によ
り、フィードバック制御系が構成されている。また、１
２は前記バイモルフ３の駆動信号と粗動速度切替回路１
０のオンオフ信号を出力する制御回路である。
を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の構成
を示すブロック図である。図において、１はＸＹＺ駆動
装置、２は変位検出装置、３はバイモルフ、４はカンチ
レバー、５は測定試料であり、これらによりプローブの
走査機構が構成されている。次に、６は変位検出手段、
７は変位基準信号源、８は差動増幅器、９はＰＩ（比例
積分）制御回路、１０はクランプ回路等からなる粗動速
度切替回路、１１は駆動回路であり、これらの回路によ
り、フィードバック制御系が構成されている。また、１
２は前記バイモルフ３の駆動信号と粗動速度切替回路１
０のオンオフ信号を出力する制御回路である。
【００１０】前記粗動速度切替回路１０は、図示されて
いるように、ＰＩ制御回路９の出力線９ａと電源電圧間
に接続された第１の定電圧ダイオード１０ａおよび第１
のスイッチ１０ｃと、該出力線９ａと接地間に接続され
た第２の定電圧ダイオード１０ｂおよび第２のスイッチ
１０ｄとから構成されている。また、前記変位検出手段
６は、図３に示されているように、変位検出部６１と、
流体力学力判定部６２と、原子間力判定部６３とから構
成されている。該変位検出手段６はソフト的にも、ハー
ド的にも作成することができる。
いるように、ＰＩ制御回路９の出力線９ａと電源電圧間
に接続された第１の定電圧ダイオード１０ａおよび第１
のスイッチ１０ｃと、該出力線９ａと接地間に接続され
た第２の定電圧ダイオード１０ｂおよび第２のスイッチ
１０ｄとから構成されている。また、前記変位検出手段
６は、図３に示されているように、変位検出部６１と、
流体力学力判定部６２と、原子間力判定部６３とから構
成されている。該変位検出手段６はソフト的にも、ハー
ド的にも作成することができる。
【００１１】次に、本実施形態の動作を、図２のタイミ
ングチャ−トを参照して説明する。図２は、変位信号
ａ、駆動出力信号ｂおよび探針と試料表面間の距離ｃを
示す。変位信号ａは変位検出装置２から出力される信号
であり、駆動出力信号ｂは駆動回路１１から出力される
信号である。まず、目視等により、カンチレバー４の先
端に取付けられている探針を試料表面上の１〜２ｍｍの
距離まで近付ける。そして、図２の時刻ｔ0 において、
制御回路１２からバイモルフ３を振動させるための交流
の制御信号を出力する。また、粗動速度切替回路１０の
第１および第２のスイッチ１０ｃ，１０ｄをオフにし
て、駆動回路１１から例えば１０Ｖ程度の電圧をＸＹＺ
駆動装置１に印加する。この結果、カンチレバー４は図
２のｃに示されているように、速い速度で、かつ振動を
しながら試料５の表面に近付く。
ングチャ−トを参照して説明する。図２は、変位信号
ａ、駆動出力信号ｂおよび探針と試料表面間の距離ｃを
示す。変位信号ａは変位検出装置２から出力される信号
であり、駆動出力信号ｂは駆動回路１１から出力される
信号である。まず、目視等により、カンチレバー４の先
端に取付けられている探針を試料表面上の１〜２ｍｍの
距離まで近付ける。そして、図２の時刻ｔ0 において、
制御回路１２からバイモルフ３を振動させるための交流
の制御信号を出力する。また、粗動速度切替回路１０の
第１および第２のスイッチ１０ｃ，１０ｄをオフにし
て、駆動回路１１から例えば１０Ｖ程度の電圧をＸＹＺ
駆動装置１に印加する。この結果、カンチレバー４は図
２のｃに示されているように、速い速度で、かつ振動を
しながら試料５の表面に近付く。
【００１２】カンチレバー４は、試料に接近するにつれ
て、流体力学力を強く受けるようになるので、図２に示
されているように、変位検出装置２から出力される変位
信号ａは急速に低下する。変位検出手段６は、該変位信
号ａが予め定められた大きさより小さくなると（図２の
時刻ｔ1 ）流体力学力を検知したと判断し、制御回路１
２に流体力学力検知信号ｄを出力する。この時、カンチ
レバー４と試料５の表面までの距離は、約５０μｍにな
っている。
て、流体力学力を強く受けるようになるので、図２に示
されているように、変位検出装置２から出力される変位
信号ａは急速に低下する。変位検出手段６は、該変位信
号ａが予め定められた大きさより小さくなると（図２の
時刻ｔ1 ）流体力学力を検知したと判断し、制御回路１
２に流体力学力検知信号ｄを出力する。この時、カンチ
レバー４と試料５の表面までの距離は、約５０μｍにな
っている。
【００１３】制御回路１２は、該流体力学力検知信号ｄ
を受け取ると、バイモルフ３へ出力していた該バイモル
フを振動させるための制御信号の送出を停止する。一
方、粗動速度切替回路１０の第１および第２のスイッチ
１０ｃ，１０ｄをオンにする制御信号を出力する。この
結果、時刻ｔ1 において、駆動回路１１から出力される
駆動信号ｂはクランプされ、例えば約３Ｖ程度の駆動信
号ｂがＸＹＺ駆動装置１に印加される。
を受け取ると、バイモルフ３へ出力していた該バイモル
フを振動させるための制御信号の送出を停止する。一
方、粗動速度切替回路１０の第１および第２のスイッチ
１０ｃ，１０ｄをオンにする制御信号を出力する。この
結果、時刻ｔ1 において、駆動回路１１から出力される
駆動信号ｂはクランプされ、例えば約３Ｖ程度の駆動信
号ｂがＸＹＺ駆動装置１に印加される。
【００１４】時刻ｔ1 以降は、前記変位検出手段６、変
位基準信号源７、差動増幅器８、ＰＩ制御回路９、粗動
速度切替回路１０、駆動回路１１からなるフィードバッ
ク制御系により、従来と同様の動作により、カンチレバ
ー４の先端に取付けられた探針が試料面の原子間力を検
知するまで、低速で粗動する。時刻ｔ2 に、該原子間力
が検知されたとすると、変位検出手段６は原子間力検知
信号を制御回路１２に送出する。制御回路１２は該原子
間力検知信号を受信すると、粗動速度切替回路１０の第
１および第２のスイッチ１０ｃ，１０ｄをオフにする信
号を出力する。この結果、前記第１、第２の定電圧ダイ
オード１０ａ、１０ｂはＰＩ制御回路９の出力線９ａか
ら切り離される。
位基準信号源７、差動増幅器８、ＰＩ制御回路９、粗動
速度切替回路１０、駆動回路１１からなるフィードバッ
ク制御系により、従来と同様の動作により、カンチレバ
ー４の先端に取付けられた探針が試料面の原子間力を検
知するまで、低速で粗動する。時刻ｔ2 に、該原子間力
が検知されたとすると、変位検出手段６は原子間力検知
信号を制御回路１２に送出する。制御回路１２は該原子
間力検知信号を受信すると、粗動速度切替回路１０の第
１および第２のスイッチ１０ｃ，１０ｄをオフにする信
号を出力する。この結果、前記第１、第２の定電圧ダイ
オード１０ａ、１０ｂはＰＩ制御回路９の出力線９ａか
ら切り離される。
【００１５】前記した時刻ｔ1 〜ｔ2 の動作は、粗動速
度切替回路１０すなわちクランプ回路を用いた低速動作
であるため、時刻ｔ2 におけるプローブの位置は、微動
機構の作動範囲の中央付近になる。時刻ｔ2 以降は、コ
ンタクトモードによる試料の観察に移る。以上のよう
に、本実施形態によれば、時刻ｔ0 〜ｔ1 の間は大きな
駆動電圧をＸＹＺ駆動装置１に印加して粗動を行わせる
ので、図２のｃから明らかなように、高速で行うことが
できる。また、この動作は、流体力学力の検知により停
止されるので、探針と試料表面間の距離が５０μｍ程度
になった所で確実に停止することができ、探針が試料表
面に当って破損されるのを防止することができる。
度切替回路１０すなわちクランプ回路を用いた低速動作
であるため、時刻ｔ2 におけるプローブの位置は、微動
機構の作動範囲の中央付近になる。時刻ｔ2 以降は、コ
ンタクトモードによる試料の観察に移る。以上のよう
に、本実施形態によれば、時刻ｔ0 〜ｔ1 の間は大きな
駆動電圧をＸＹＺ駆動装置１に印加して粗動を行わせる
ので、図２のｃから明らかなように、高速で行うことが
できる。また、この動作は、流体力学力の検知により停
止されるので、探針と試料表面間の距離が５０μｍ程度
になった所で確実に停止することができ、探針が試料表
面に当って破損されるのを防止することができる。
【００１６】また、時刻ｔ1 〜ｔ2 の間は、プローブの
振動を停止し、かつＸＹＺ駆動装置１に小さい駆動電圧
を印加して低速で試料に接近させるので、プローブを破
損することなく、試料に接触させることができるように
なる。前記した実施形態のＸＹＺ駆動装置はプローブを
下降させるものであったが、本発明はこれに限定され
ず、ＸＹＺ駆動装置を試料側に設けるようにし、試料が
プローブに接近する形態のものにも使用することができ
る。
振動を停止し、かつＸＹＺ駆動装置１に小さい駆動電圧
を印加して低速で試料に接近させるので、プローブを破
損することなく、試料に接触させることができるように
なる。前記した実施形態のＸＹＺ駆動装置はプローブを
下降させるものであったが、本発明はこれに限定され
ず、ＸＹＺ駆動装置を試料側に設けるようにし、試料が
プローブに接近する形態のものにも使用することができ
る。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、コンタクトモードにお
けるプローブの粗動を、探針を破損することなく、従来
よりも短い時間で自動的に行うことができるという効果
がある。また、測定の前段階にかかる時間を短縮できる
という効果がある。また、従来のノンコンタクトＡＦＭ
のカンチレバーホルダを用いると、装置を改修すること
なく、本発明のコンタクトＡＦＭを実現できる効果があ
る。
けるプローブの粗動を、探針を破損することなく、従来
よりも短い時間で自動的に行うことができるという効果
がある。また、測定の前段階にかかる時間を短縮できる
という効果がある。また、従来のノンコンタクトＡＦＭ
のカンチレバーホルダを用いると、装置を改修すること
なく、本発明のコンタクトＡＦＭを実現できる効果があ
る。
【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図で
ある。
ある。
【図２】本実施形態の動作を説明するタイミングチャー
トである。
トである。
【図３】図１の変位検出手段の一具体例を示すブロック
図である。
図である。
１ ＸＹＺ駆動装置 ２ 変位検出装置 ３ バイモルフ ４ カンチレバー ５ 測定試料 ６ 変位検出手段 ７ 変位基準信号源 ８ 差動増幅器 ９ ＰＩ制御回路 １０ 粗動速度切替回路 １０ａ，１０ｂ 第１、第２の定電圧ダイオード １１ 駆動回路 １２ 制御回路
Claims (4)
- 【請求項１】 コンタクトモードで使用する走査プロー
ブ顕微鏡におけるプローブの粗動方法において、 第１の駆動電圧をＸＹＺ駆動装置に供給し、かつ前記プ
ローブに振動を与えながら、該プローブを流体力学力が
検知されるまで試料面に近付け、 続いて、前記第１の駆動電圧より小さい第２の駆動電圧
をＸＹＺ駆動装置に供給し、前記プローブの振動を停止
して、該プローブを原子間力が検知されるまで試料面に
近付けるようにしたことを特徴とする走査プローブ顕微
鏡におけるプローブの粗動方法。 - 【請求項２】 走査プローブ顕微鏡におけるプローブの
粗動装置において、 プローブの変位を検出し該プローブの粗動を制御するフ
ィードバック制御系に設けられ、該プローブの粗動装置
に印加する駆動出力の大きさを制御する駆動出力制御手
段と、 該プローブに振動を与える振動付与手段と、 前記駆動出力制御手段と振動付与手段との動作を制御す
る制御手段とを設けたことを特徴とする走査プローブ顕
微鏡におけるプローブの粗動装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の走査プローブ顕微鏡にお
けるプローブの粗動装置において、 前記制御手段は、
前記プローブから流体力学力が検知されるまで、前記駆
動出力制御手段をオフ、前記振動付与手段をオンにし、
該流体力学力が検知された後は該駆動出力制御手段をオ
ン、前記振動付与手段をオフにすることを特徴とする走
査プローブ顕微鏡におけるプローブの粗動装置。 - 【請求項４】 請求項２記載の走査プローブ顕微鏡にお
けるプローブの粗動装置において、 前記駆動出力制御
手段はクランプ回路から構成されていることを特徴とす
る走査プローブ顕微鏡におけるプローブの粗動装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9041195A JPH10239328A (ja) | 1997-02-25 | 1997-02-25 | 走査プローブ顕微鏡におけるプローブの粗動方法および装置 |
| DE19807911A DE19807911A1 (de) | 1997-02-25 | 1998-02-25 | Verfahren und Vorrichtung zur Grobeinstellung einer Sonde eines Rastermikroskops |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9041195A JPH10239328A (ja) | 1997-02-25 | 1997-02-25 | 走査プローブ顕微鏡におけるプローブの粗動方法および装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10239328A true JPH10239328A (ja) | 1998-09-11 |
Family
ID=12601650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9041195A Pending JPH10239328A (ja) | 1997-02-25 | 1997-02-25 | 走査プローブ顕微鏡におけるプローブの粗動方法および装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10239328A (ja) |
| DE (1) | DE19807911A1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007033321A (ja) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Jeol Ltd | 走査型プローブ顕微鏡の探針と試料表面との距離測定方法及び走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2009019943A (ja) * | 2007-07-11 | 2009-01-29 | Sii Nanotechnology Inc | 走査プローブ顕微鏡 |
| CN102692518A (zh) * | 2012-06-15 | 2012-09-26 | 济南鑫贝西生物技术有限公司 | 一种检验仪器的取液针 |
-
1997
- 1997-02-25 JP JP9041195A patent/JPH10239328A/ja active Pending
-
1998
- 1998-02-25 DE DE19807911A patent/DE19807911A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
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