JPH11271343A - Scanning type probe microscope - Google Patents

Scanning type probe microscope

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JPH11271343A
JPH11271343A JP7392498A JP7392498A JPH11271343A JP H11271343 A JPH11271343 A JP H11271343A JP 7392498 A JP7392498 A JP 7392498A JP 7392498 A JP7392498 A JP 7392498A JP H11271343 A JPH11271343 A JP H11271343A
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JP
Japan
Prior art keywords
directions
sample
scanner
scanning
probe
Prior art date
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JP7392498A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Nagaoka
秀樹 長岡
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH11271343A publication Critical patent/JPH11271343A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve lateral resolution, by detecting the displacement of a scanner in X and Y directions caused by a voltage impressed on Z-direction response and feeding back the displacement signal, and suppressing oscillations in the X and Y directions. SOLUTION: As oscillations in X and Y (two dimensional) directions are determined according to the mechanical natural frequency of a cylindrical scanner and is approximately constant, the detection signals of a lateral sensor only in the vicinity of the mechanical natural frequency are extracted by a band pass filter. Next, the difference between the oscillations in the X and Y directions and the target location of lateral scanning is amplified by an integrating amplifier K3 /S to obtain the amount of displacement E2 from the target location of scanning in the X and Y directions due to the oscillations in the X and Y directions. Then the amount E2 of displacement is subtracted from the first Z (vertical) direction movement instructing voltage E1 to obtain the final Z direction movement instructing voltage E3 . As the response of a servo in the Z direction is lowered, and the oscillations in the X and Y directions caused by the movement in the Z direction are reduced by this control, it is possible to obtain images with high lateral resolution.

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、探針(プローブ)
を観察対象の試料表面に平行な二次元(XY方向)に走
査しながら、試料の表面状態に従って試料表面に対して
垂直な方向(Z方向)に移動させて試料の表面状態を調
べる走査型プローブ顕微鏡に関する。
The present invention relates to a probe.
A scanning probe for examining the surface condition of a sample by moving the sample in a direction (Z direction) perpendicular to the sample surface according to the surface condition of the sample while scanning the sample in two dimensions (XY directions) parallel to the sample surface to be observed. For a microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の微
細形状を原子レベルで観察できる装置で、走査型トンネ
ル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)などが
あり、各種研究に使用されている。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope is a device capable of observing a fine shape of a sample surface at an atomic level, and includes a scanning tunnel microscope (STM) and an atomic force microscope (AFM). I have.

【0003】AFMは、特開昭62−130302号等
に記載されている通り、探針の頂点にある原子と試料表
面にある原子との間に働く原子間力を利用して試料の表
面形状を測定する装置である。探針を試料の表面に近づ
けると、図6に示されるように、引力域と斥力域のある
Lennard-Jones ポテンシャルで表される原子間力(斥
力、ファンデルワールスカ、共有結合力等)と呼ばれる
微小な力が生じる。AFMでは、探針を柔軟なカンチレ
バーの自由端で支持し、探針と試料間に働く原子間力を
カンチレバー(てこ)のたわみ量(探針の変位量)とし
て検出し、たわみ量すなわち力が一定になるように探針
と試料の位置関係を制御しながら探針を走査したときの
制御電圧を計測することにより、試料の表面形状および
相互作用(原子間力や接触力や磁気力など)の分布像を
原子レベルの分解能で測定している。このため、AFM
は、STMと異なり、試料の導電性と無関係に測定でき
る。
As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-130302, AFM utilizes the interatomic force acting between the atom at the tip of the probe and the atom at the surface of the sample to form the surface of the sample. Is a device for measuring When the probe is brought close to the surface of the sample, as shown in FIG.
A small force called interatomic force (repulsive force, van der Waalska, covalent force, etc.) is generated, which is represented by the Lennard-Jones potential. In the AFM, the probe is supported at the free end of a flexible cantilever, and the atomic force acting between the probe and the sample is detected as the amount of deflection of the cantilever (lever) (the amount of displacement of the probe). By measuring the control voltage when scanning the probe while controlling the positional relationship between the probe and the sample so as to be constant, the surface shape and interaction of the sample (atomic force, contact force, magnetic force, etc.) Is measured with atomic resolution. For this reason, AFM
Can be measured independently of the conductivity of the sample, unlike STM.

【0004】このような走査型プローブ顕微鏡におい
て、従来、特開昭63−189911号や特開平8−2
6237号など、2次元(XY)走査方向やZ方向の応
答性を各々で高めるための制御方法が提案されている。
In such a scanning probe microscope, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-189911 and Japanese Patent Application Laid-Open
No. 6237 has proposed a control method for improving the response in the two-dimensional (XY) scanning direction and the Z direction.

【0005】図7は原子間力顕微鏡の一例を示してい
る。XY方向とZ方向の3次元に駆動可能な円筒型スキ
ャナー1の先端には、柔軟で弾性を有するカンチレバー
3と、このカンチレバー3の自由端裏面5の上方に位置
するセンサー7とが設けられている。カンチレバー3の
自由端には鋭い針状の探針6が形成されており、この探
針6は試料8の表面に近接して配置される。センサー7
はカンチレバー3の先端部の移動量を検出する。カンチ
レバーのたわみ量が一定になるように、つまり、カンチ
レバー3と試料8の間に作用する力を一定に保つように
して、円筒型スキャナー1のZ方向移動するフィードバ
ック電圧が印加される。
FIG. 7 shows an example of an atomic force microscope. At the tip of the cylindrical scanner 1 that can be driven three-dimensionally in the XY and Z directions, a flexible and elastic cantilever 3 and a sensor 7 located above the free end back surface 5 of the cantilever 3 are provided. I have. A sharp needle-shaped probe 6 is formed at the free end of the cantilever 3, and the probe 6 is arranged close to the surface of the sample 8. Sensor 7
Detects the amount of movement of the tip of the cantilever 3. A feedback voltage for moving the cylindrical scanner 1 in the Z direction is applied so that the amount of deflection of the cantilever is constant, that is, the force acting between the cantilever 3 and the sample 8 is kept constant.

【0006】図8は円筒型スキャナー1をZ方向に制御
するための制御ブロック図である。図8において、カン
チレバー3がスキャナー1によってXY方向に走査され
ている間、Z方向の駆動信号e1 とカンチレバー3の変
形に対応したセンサー信号e2 の差e1 −e2 を積分増
幅器により圧電体への移動指令電圧Eに変換する。この
移動指令電圧Eによりスキャナー1はカンチレバーのた
わみ量の信号e1 を一定に保つようにZ方向へ伸縮す
る。この状態で、探針6とカンチレバー3とを同時に試
料8上で制御回路10によりXY方向に走査し、その時
のフィードバック電圧をコンピュータ11により記録す
ることにより、試料8の表面のAFM像(凹凸像)が測
定され、AFM画像表示手段12に表示される。
FIG. 8 is a control block diagram for controlling the cylindrical scanner 1 in the Z direction. In FIG. 8, while the cantilever 3 is scanned in the XY directions by the scanner 1, the difference e1-e2 between the drive signal e1 in the Z direction and the sensor signal e2 corresponding to the deformation of the cantilever 3 is moved to the piezoelectric body by the integrating amplifier. Convert to command voltage E. By this movement command voltage E, the scanner 1 expands and contracts in the Z direction so as to keep the signal e1 of the deflection amount of the cantilever constant. In this state, the probe 6 and the cantilever 3 are simultaneously scanned in the XY directions by the control circuit 10 on the sample 8 and the feedback voltage at that time is recorded by the computer 11, so that an AFM image (an uneven image) of the surface of the sample 8 is obtained. ) Is measured and displayed on the AFM image display means 12.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】これまで提案されてき
た制御方法は、XY方向はXY方向で、Z方向はZ方向
で各々独立にその応答性を高めるため、相互の共振の干
渉については、考慮されていない。一般に、3次元駆動
のうち表面の2次元(XY)に走査する量は、Z方向の
移動させる量よりも大きい。具体的には、走査範囲は、
XY方向の移動量はZ方向の移動量の10〜100倍程
度である。このため、Z方向の走査手段は小さく剛性が
高く作ることができるが、XY方向の走査手段は小さく
高剛性に作ることは難しく、大きく剛性が低いものとな
ってしまう。Z方向の応答性能は、XY方向のそれに比
べて100倍以上が必要である。このような3次元圧電
体スキャナーは、Z方向の応答によってXY方向にその
機械的固有振動数で振動してしまい、これまでのような
XY方向とZ方向を独立に制御する手法では、相互の共
振の干渉、XY方向の共振の干渉がZ及びXY方向の位
置精度へ影響してしまう問題が解決できない。
According to the control methods proposed so far, the XY directions are XY directions, and the Z direction is Z direction, and the responsiveness is increased independently of each other. Not considered. In general, the amount of two-dimensional (XY) scanning of the surface in the three-dimensional driving is larger than the amount of movement in the Z direction. Specifically, the scanning range is
The moving amount in the XY directions is about 10 to 100 times the moving amount in the Z direction. For this reason, the scanning means in the Z direction can be made small and high in rigidity, but the scanning means in the XY direction can be made small and high in rigidity, resulting in large and low rigidity. The response performance in the Z direction needs to be 100 times or more that of the XY direction. Such a three-dimensional piezoelectric scanner vibrates at its mechanical natural frequency in the XY direction due to the response in the Z direction, and the conventional method of independently controlling the XY direction and the Z direction causes mutual The problem that the interference of resonance and the interference of resonance in the XY directions affect the positional accuracy in the Z and XY directions cannot be solved.

【0008】本発明は、このような事情を考慮して成さ
れたものであり、その目的は、スキャナーのZ方向への
応答によって発生するXY方向の振動が低減された走査
型プローブ顕微鏡を提供することである。
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope in which the XY vibration generated by the response of the scanner in the Z direction is reduced. It is to be.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、探針を試料表
面に平行なXY方向に走査しながら、試料の表面状態に
従って試料表面に垂直なZ方向に移動して試料の表面状
態を調べる走査型プローブ顕微鏡において、Z方向の応
答印加電圧によって発生するスキャナーのXY方向の振
動を、XY方向の変位をモニターするXY変位センサー
により検出し、その信号をZ方向へのサーボ信号にフィ
ードバックしてXY方向のスキャナーの異常な振動を抑
制することを特徴とする。
According to the present invention, while scanning a probe in XY directions parallel to the surface of a sample, the probe is moved in a Z direction perpendicular to the surface of the sample in accordance with the surface state of the sample to check the surface state of the sample. In a scanning probe microscope, XY vibration of a scanner generated by a response applied voltage in the Z direction is detected by an XY displacement sensor that monitors displacement in the XY directions, and the signal is fed back to a servo signal in the Z direction. It is characterized in that abnormal vibration of the scanner in the XY directions is suppressed.

【0010】または、Z方向の応答印加電圧によって発
生するスキャナーのXY方向の振動を、XY方向の変位
を生成する圧電体の電荷量の信号から検知し、その信号
をZ方向へのサーボ信号にフィードバックしてXY方向
のスキャナーの異常な振動を抑制することを特徴とす
る。
Alternatively, the XY vibration of the scanner, which is generated by the response application voltage in the Z direction, is detected from the signal of the electric charge of the piezoelectric body that generates the displacement in the XY directions, and the signal is converted into a servo signal in the Z direction. It is characterized in that abnormal vibration of the scanner in the XY directions is suppressed by feedback.

【0011】あるいは、Z方向の応答印加電圧によって
発生するスキャナーのXY方向の振動を、XY方向のモ
デル化されたスキャナー規範モデルのXY振動をコント
ローラ内部で計算し、その信号をZ方向へのサーボ信号
にフィードバックしてXY方向のスキャナーの異常な振
動を抑制することを特徴とする。
Alternatively, the XY vibration of the scanner generated by the response application voltage in the Z direction is calculated in the controller, and the XY vibration of the scanner reference model modeled in the XY direction is calculated in the controller. It is characterized in that abnormal vibration of the scanner in the X and Y directions is suppressed by feeding back to a signal.

【0012】これにより、Z方向のサーボの応答はXY
方向の振動が止まるまで激しく応答しなくなり、一般的
にZ方向よりXY方向が機械的剛性が低い走査型プロー
ブ顕微鏡の圧電体スキャナーにおいてZ方向に応答する
ことによって引き起こされるXY方向の振動を低減でき
る。その結果、走査型プローブ顕微鏡の横方向の分解能
が向上する。
Thus, the servo response in the Z direction is XY
The XY direction stops responding violently until the directional vibration stops, and the XY direction generally caused by responding in the Z direction in the piezoelectric scanner of the scanning probe microscope having lower mechanical rigidity in the XY direction than the Z direction can be reduced. . As a result, the lateral resolution of the scanning probe microscope is improved.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。図1は第一の実施の形
態に係る走査型原子間力顕微鏡を示す。図1において、
XY方向とZ方向の3次元に駆動可能な円筒型スキャナ
ー1の先端には、柔軟で弾性を有するカンチレバー3が
設けられている。カンチレバー3の自由端5の裏面には
鋭い針状の探針6が形成されており、この探針6は試料
8の表面に近接して配置される。センサー7はカンチレ
バー3の先端の移動量を検出する。このとき用いられる
センサー7としては、光学式のセンサーが主流であり、
例えば、特開平3−296612号公報に記載された光
てこ方式の変位センサーが有効である。AFMユニット
14はZステージ15によって探針6と試料8の間に所
定の力が働くように位置決めされる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a scanning atomic force microscope according to the first embodiment. In FIG.
A flexible and elastic cantilever 3 is provided at the tip of the cylindrical scanner 1 that can be driven three-dimensionally in the XY and Z directions. A sharp needle-like probe 6 is formed on the back surface of the free end 5 of the cantilever 3, and the probe 6 is arranged close to the surface of the sample 8. The sensor 7 detects the amount of movement of the tip of the cantilever 3. As the sensor 7 used at this time, an optical sensor is mainly used,
For example, an optical lever type displacement sensor described in JP-A-3-296612 is effective. The AFM unit 14 is positioned by the Z stage 15 so that a predetermined force acts between the probe 6 and the sample 8.

【0014】探針6は円筒型スキャナー1によって試料
8の表面に対してXY方向に走査される。XY方向の変
位は横方向センサー4により測定される。横方向センサ
ー4はレーザー測長器や干渉計などで構成される。
The probe 6 is scanned by the cylindrical scanner 1 on the surface of the sample 8 in the XY directions. The displacement in the XY directions is measured by the lateral sensor 4. The lateral direction sensor 4 includes a laser length measuring device, an interferometer, and the like.

【0015】XY走査の間、探針6と試料8の間に働く
力は、試料8の表面の微細な凹凸に敏感に反応して変化
する。カンチレバー3は、この力の変化に応じて変形量
が変わり、このためカンチレバー3の裏面5とセンサー
7の間隔が変動し、その結果、センサー7の出力が変化
する。
During the XY scan, the force acting between the probe 6 and the sample 8 changes in response to minute irregularities on the surface of the sample 8. The amount of deformation of the cantilever 3 changes in accordance with the change in the force, so that the distance between the back surface 5 of the cantilever 3 and the sensor 7 changes, and as a result, the output of the sensor 7 changes.

【0016】円筒型スキャナー1は、Z方向に関して、
センサー7の出力からカンチレバー3の弾性変形を一定
に保つように、つまり、探針6と試料8の間に働く力を
一定に保つように、フィードバック制御される。
The cylindrical scanner 1 has a
Feedback control is performed so that the elastic deformation of the cantilever 3 is kept constant from the output of the sensor 7, that is, the force acting between the probe 6 and the sample 8 is kept constant.

【0017】図2は本実施形態の装置におけるスキャナ
ーの制御ブロック図である。この制御では、Z方向の移
動指令電圧E1 から、XY方向の振動によるXY方向の
走査目標位置からのずれ量E2 を引いている。
FIG. 2 is a control block diagram of a scanner in the apparatus of the present embodiment. In this control, the shift amount E2 from the scan target position in the XY direction due to the vibration in the XY directions is subtracted from the movement command voltage E1 in the Z direction.

【0018】図2において、Z方向の移動指令電圧E1
は、Z方向の駆動信号e1 とカンチレバー3の変形に対
応したセンサー信号e2 の差e1 −e2 を積分増幅器
(K1/S)で増幅して得られる。なお、カンチレバー
の基準状態においてe2 =0に設定される。XY方向の
振動は、円筒型スキャナー1の機械的固有振動数に応じ
て決まり、ほぼ一定であることから、横方向センサー4
の検出信号からバンドパスフィルタ13で機械的固有振
動の周波数近辺のみを取り出すことにより得られる。従
って、XY方向の振動によるXY方向の走査目標位置か
らのずれ量E2 は、前述のXY方向の振動と横方向走査
目標位置の差を積分増幅器(K3 /S)で増幅して得ら
れる。従って、最終的なZ方向の移動指令電圧E3 =E
1 −E2 が得られる。
In FIG. 2, a movement command voltage E1 in the Z direction is shown.
Is obtained by amplifying the difference e1-e2 between the drive signal e1 in the Z direction and the sensor signal e2 corresponding to the deformation of the cantilever 3 by an integrating amplifier (K1 / S). In the reference state of the cantilever, e2 = 0 is set. The vibration in the X and Y directions is determined according to the mechanical natural frequency of the cylindrical scanner 1 and is substantially constant.
Is obtained by extracting only the vicinity of the frequency of the mechanical natural vibration from the detection signal of Therefore, the deviation E2 from the XY scanning target position due to the XY vibration is obtained by amplifying the difference between the XY vibration and the horizontal scanning target position by an integrating amplifier (K3 / S). Therefore, the final Z-direction movement command voltage E3 = E
1-E2 is obtained.

【0019】積分増幅率K3 は、その制御対象である円
筒型スキャナー1のXY(横方向)の走査スピードや測
定する高さ方向の段差の大きさに応じて調整される。X
Y方向の振動のフィードバックが過剰に設定されないよ
うに、高さ方向の指令値電圧は|E1 |>|E2 |とす
る。
The integral amplification factor K3 is adjusted in accordance with the XY (horizontal) scanning speed of the cylindrical scanner 1 to be controlled and the size of the step in the height direction to be measured. X
The command value voltage in the height direction is | E1 |> | E2 | so that the feedback of the vibration in the Y direction is not excessively set.

【0020】この様な制御において、センサー7とカン
チレバー3を同時に試料7のXY方向に走査した際に、
円筒型スキャナー1にZ方向の移動のために印加される
フィードバック電圧をコンピュータ11に記録すること
により、試料8の表面のAFM像(凹凸像)が得られ、
AFM画像表示手段12に表示することができる。
In such control, when the sensor 7 and the cantilever 3 are simultaneously scanned in the XY directions of the sample 7,
By recording the feedback voltage applied to the cylindrical scanner 1 for movement in the Z direction in the computer 11, an AFM image (concavo-convex image) of the surface of the sample 8 is obtained,
It can be displayed on the AFM image display means 12.

【0021】上述した制御では、Z方向の移動によって
発生したXY方向の振動が激しくなると、Z方向のサー
ボの応答が低下し、XY方向の振動が低減される。従っ
て、このような制御によって得られるAFM像は、横方
向の分解能の高いものとなる。
In the above-described control, when the vibration in the XY directions caused by the movement in the Z direction becomes severe, the response of the servo in the Z direction is reduced, and the vibration in the XY directions is reduced. Therefore, the AFM image obtained by such control has a high horizontal resolution.

【0022】図3は第二の実施の形態に係る走査型原子
間力顕微鏡を示す。図3において、この原子間力顕微鏡
は、三次元スキャナーに、3つの積層圧電体16x,1
6y,16zを接合して作られたトライポッド型圧電体
スキャナー15を用いている。XY方向とZ方向の3次
元に駆動可能なトライポッド型圧電体スキャナー2の先
端には、柔軟で弾性を有するカンチレバー3が設けられ
ている。カンチレバー3の自由端5の裏面には鋭い針状
の探針6が形成されており、この探針6は試料8の表面
に近接して配置される。センサー7はカンチレバー3の
先端の移動量を検出する。このとき用いられるセンサー
7としては、光学式のセンサーが主流であり、例えば、
特開平3−296612号公報に記載された光てこ方式
の変位センサーが有効である。AFMユニット14はZ
ステージ15によって探針6と試料8の間に所定の力が
働くように位置決めされる。
FIG. 3 shows a scanning atomic force microscope according to the second embodiment. Referring to FIG. 3, this atomic force microscope uses a three-dimensional scanner to provide three laminated piezoelectric bodies 16x, 1
A tripod type piezoelectric scanner 15 made by joining 6y and 16z is used. A flexible and elastic cantilever 3 is provided at the tip of the tripod type piezoelectric scanner 2 which can be driven three-dimensionally in the XY and Z directions. A sharp needle-shaped probe 6 is formed on the back surface of the free end 5 of the cantilever 3, and the probe 6 is arranged close to the surface of the sample 8. The sensor 7 detects the amount of movement of the tip of the cantilever 3. An optical sensor is mainly used as the sensor 7 used at this time.
The displacement sensor of the optical lever type described in JP-A-3-296612 is effective. AFM unit 14 is Z
The stage 15 is positioned so that a predetermined force acts between the probe 6 and the sample 8.

【0023】探針6はトライポッド型圧電体スキャナー
15によって試料8の表面に対してXY方向に走査され
る。XY方向の変位は横方向センサー4により測定され
る。本実施形態では、横方向センサー4は、トライポッ
ド型圧電体スキャナー15のXY方向の積層圧電体16
x,16yの各々に蓄積された電荷から各方向の変位を
求める。
The probe 6 is scanned by the tripod type piezoelectric scanner 15 on the surface of the sample 8 in the XY directions. The displacement in the XY directions is measured by the lateral sensor 4. In the present embodiment, the lateral direction sensor 4 is a laminated piezoelectric body 16 in the X and Y directions of the tripod type piezoelectric scanner 15.
The displacement in each direction is obtained from the electric charge stored in each of x and 16y.

【0024】XY走査の間、探針6と試料8の間に働く
力は、試料8の表面の微細な凹凸に敏感に反応して変化
する。カンチレバー3は、この力の変化に応じて変形量
が変わり、このためカンチレバー3の裏面5とセンサー
7の間隔が変動し、その結果、センサー7の出力が変化
する。
During the XY scan, the force acting between the probe 6 and the sample 8 changes in response to minute irregularities on the surface of the sample 8. The amount of deformation of the cantilever 3 changes in accordance with the change in the force, so that the distance between the back surface 5 of the cantilever 3 and the sensor 7 changes, and as a result, the output of the sensor 7 changes.

【0025】トライポッド型圧電体スキャナー15のZ
方向用の積層圧電体16zは、センサー7の出力からカ
ンチレバー3の弾性変形を一定に保つように、つまり、
探針6と試料8の間に働く力を一定に保つように、フィ
ードバック制御される。
Z of the tripod type piezoelectric scanner 15
The laminated piezoelectric body 16z for the direction keeps the elastic deformation of the cantilever 3 constant from the output of the sensor 7, that is,
Feedback control is performed so that the force acting between the probe 6 and the sample 8 is kept constant.

【0026】トライポッド型圧電体スキャナー15の制
御は、第一の実施の形態と同じ図2の制御系を用いて行
なわれる。ただし、本実施形態では、横方向センサー
は、積層圧電体16x,16yの各々に蓄積された電荷
に基づいて、XY方向の変位を検出している。これ以外
は第一の実施の形態と同じでなので、以下では第一の実
施の形態と同じく図2を用いて説明する。
The control of the tripod type piezoelectric scanner 15 is performed using the same control system as in the first embodiment shown in FIG. However, in the present embodiment, the lateral sensor detects the displacement in the XY directions based on the electric charges accumulated in each of the laminated piezoelectric bodies 16x and 16y. The rest is the same as the first embodiment, so that the description will be made below with reference to FIG. 2 as in the first embodiment.

【0027】図2から分かるように、Z方向の移動指令
電圧E1 は、Z方向の駆動信号e1とカンチレバー3の
変形に対応したセンサー信号e2 の差e1 −e2 を積分
増幅器(K1 /S)で増幅して得られる。XY方向の振
動は、トライポッド型圧電体スキャナー15の機械的固
有振動数に応じて決まり、ほぼ一定であることから、横
方向センサー4の検出信号からバンドパスフィルタ13
で機械的固有振動の周波数近辺のみを取り出すことによ
り得られる。従って、XY方向の振動によるXY方向の
走査目標位置からのずれ量E2 は、前述のXY方向の振
動と横方向走査目標位置の差を積分増幅器(K3 /S)
で増幅して得られる。従って、最終的なZ方向の移動指
令電圧E3 =E1 −E2 が得られる。
As can be seen from FIG. 2, the movement command voltage E1 in the Z direction is obtained by integrating the difference e1-e2 between the drive signal e1 in the Z direction and the sensor signal e2 corresponding to the deformation of the cantilever 3 by an integrating amplifier (K1 / S). Obtained by amplification. The vibration in the X and Y directions is determined according to the mechanical natural frequency of the tripod type piezoelectric scanner 15 and is substantially constant.
By extracting only the vicinity of the frequency of the mechanical natural vibration. Therefore, the deviation E2 from the XY-direction scanning target position due to the XY-direction vibration is obtained by integrating the difference between the XY-direction vibration and the horizontal-direction scanning target position with the integrating amplifier (K3 / S).
Amplified by Therefore, a final movement command voltage E3 = E1 -E2 in the Z direction is obtained.

【0028】積分増幅率K3 は、その制御対象であるト
ライポッド型圧電体スキャナー15のXY(横方向)の
走査スピードや測定する高さ方向の段差の大きさに応じ
て調整される。XY方向の振動のフィードバックが過剰
に設定されないように、高さ方向の指令値電圧は|E1
|>|E2 |とする。
The integral amplification factor K3 is adjusted according to the XY (horizontal) scanning speed of the tripod type piezoelectric scanner 15 to be controlled and the size of the step in the height direction to be measured. The command voltage in the height direction is | E1 so that the feedback of the vibration in the XY directions is not set excessively.
|> | E2 |.

【0029】この様な制御において、センサー7とカン
チレバー3を同時に試料8のXY方向に走査した際に、
トライポッド型圧電体スキャナー15の積層圧電体16
zに印加されるフィードバック電圧をコンピュータ11
に記録することにより、試料8の表面のAFM像(凹凸
像)が得られ、AFM画像表示手段12に表示すること
ができる。
In such control, when the sensor 7 and the cantilever 3 are simultaneously scanned in the XY directions of the sample 8,
Multilayer piezoelectric body 16 of tripod type piezoelectric scanner 15
The feedback voltage applied to the z
The AFM image (concavo-convex image) of the surface of the sample 8 can be obtained by recording the information on the AFM image display unit 12 and can be displayed on the AFM image display unit 12.

【0030】上述した制御では、Z方向の移動によって
発生したXY方向の振動が激しくなると、Z方向のサー
ボの応答が低下し、XY方向の振動が低減される。従っ
て、このような制御によって得られるAFM像は、横方
向の分解能の高いものとなる。
In the above-described control, when the vibration in the XY directions caused by the movement in the Z direction becomes intense, the response of the servo in the Z direction is reduced, and the vibration in the XY directions is reduced. Therefore, the AFM image obtained by such control has a high horizontal resolution.

【0031】図4は第三の実施の形態に係る走査型原子
間力顕微鏡を示す。図4において、この原子間力顕微鏡
は、三次元スキャナーに、平行ばね式3次元スキャナー
24を用いている。XY方向とZ方向の3次元に駆動可
能な圧電体の移動量を拡大するスキャナー24の先端に
は、柔軟で弾性を有するカンチレバー3が設けられてい
る。カンチレバー3の自由端5の裏面には鋭い針状の探
針6が形成されており、この探針6は試料8の表面に近
接して配置される。センサー7はカンチレバー3の先端
の移動量を検出する。このとき用いられるセンサー7と
しては、光学式のセンサーが主流であり、例えば、特開
平3−296612号公報に記載された光てこ方式の変
位センサーが有効である。AFMユニット14はZステ
ージ15によって探針6と試料8の間に所定の力が働く
ように位置決めされる。
FIG. 4 shows a scanning atomic force microscope according to the third embodiment. In FIG. 4, this atomic force microscope uses a parallel spring type three-dimensional scanner 24 as a three-dimensional scanner. A flexible and elastic cantilever 3 is provided at the tip of the scanner 24 for expanding the amount of movement of the piezoelectric body that can be driven three-dimensionally in the XY and Z directions. A sharp needle-shaped probe 6 is formed on the back surface of the free end 5 of the cantilever 3, and the probe 6 is arranged close to the surface of the sample 8. The sensor 7 detects the amount of movement of the tip of the cantilever 3. As the sensor 7 used at this time, an optical sensor is mainly used, and for example, an optical lever type displacement sensor described in JP-A-3-296612 is effective. The AFM unit 14 is positioned by the Z stage 15 so that a predetermined force acts between the probe 6 and the sample 8.

【0032】探針6は平行ばね式3次元スキャナー24
によって試料8の表面に対してXY方向に走査される。
XY走査の間、探針6と試料8の間に働く力は、試料8
の表面の微細な凹凸に敏感に反応して変化する。カンチ
レバー3は、この力の変化に応じて変形量が変わり、こ
のためカンチレバー3の裏面5とセンサー7の間隔が変
動し、その結果、センサー7の出力が変化する。
The probe 6 is a parallel spring type three-dimensional scanner 24.
Scans the surface of the sample 8 in the X and Y directions.
During the XY scanning, the force acting between the probe 6 and the sample 8
Changes sensitively to minute irregularities on the surface. The amount of deformation of the cantilever 3 changes in accordance with the change in the force, so that the distance between the back surface 5 of the cantilever 3 and the sensor 7 changes, and as a result, the output of the sensor 7 changes.

【0033】平行ばね式3次元スキャナー24は、セン
サー7の出力からカンチレバー3の弾性変形を一定に保
つように、つまり、探針6と試料8の間に働く力を一定
に保つように、Z方向移動用の積層圧電体にフィードバ
ック電圧が印加され制御される。
The parallel spring type three-dimensional scanner 24 keeps the elastic deformation of the cantilever 3 constant from the output of the sensor 7, that is, keeps the force acting between the probe 6 and the sample 8 constant. A feedback voltage is applied to and controlled by the laminated piezoelectric body for moving in the direction.

【0034】図5は本実施形態の装置におけるスキャナ
ーの制御ブロック図である。この制御では、Z方向の移
動指令電圧E1 から、XY方向の振動によるXY方向の
走査目標位置からのずれ量E2 を引いている。
FIG. 5 is a control block diagram of a scanner in the apparatus of the present embodiment. In this control, the shift amount E2 from the scan target position in the XY direction due to the vibration in the XY directions is subtracted from the movement command voltage E1 in the Z direction.

【0035】図5において、Z方向の移動指令電圧E1
は、Z方向の駆動信号e1 とカンチレバー3の変形に対
応したセンサー信号e2 の差e1 −e2 を積分増幅器
(K1/S)で増幅して得られる。XY方向の振動は、
Z方向の移動によるXY方向の動作の規範モデルを制御
回路10の内部で計算することにより得られる。従っ
て、XY方向の振動によるXY方向の走査目標位置から
のずれ量E2 は、前述のXY方向の振動と横方向走査目
標位置の差を積分増幅器(K3 /S)で増幅して得られ
る。従って、最終的なZ方向の移動指令電圧E3 =E1
−E2 が得られる。
In FIG. 5, the movement command voltage E1 in the Z direction is shown.
Is obtained by amplifying the difference e1-e2 between the drive signal e1 in the Z direction and the sensor signal e2 corresponding to the deformation of the cantilever 3 by an integrating amplifier (K1 / S). The vibration in the XY directions is
It is obtained by calculating inside the control circuit 10 a reference model of the movement in the X and Y directions due to the movement in the Z direction. Accordingly, the deviation E2 from the XY-direction scanning target position due to the XY-direction vibration is obtained by amplifying the difference between the XY-direction vibration and the horizontal-direction scanning target position by an integrating amplifier (K3 / S). Therefore, the final Z-direction movement command voltage E3 = E1
-E2 is obtained.

【0036】積分増幅率K3 は、その制御対象である円
筒型スキャナー1のXY(横方向)の走査スピードや測
定する高さ方向の段差の大きさに応じて調整される。X
Y方向の振動のフィードバックが過剰に設定されないよ
うに、高さ方向の指令値電圧は|E1 |>|E2 |とす
る。
The integral amplification factor K3 is adjusted in accordance with the XY (lateral) scanning speed of the cylindrical scanner 1 to be controlled and the size of the step in the height direction to be measured. X
The command value voltage in the height direction is | E1 |> | E2 | so that the feedback of the vibration in the Y direction is not excessively set.

【0037】この様な制御において、センサー7とカン
チレバー3を同時に試料8のXY方向に走査した際に、
円筒型スキャナー1にZ方向の移動のために印加される
フィードバック電圧をコンピュータ11に記録すること
により、試料8の表面のAFM像(凹凸像)が得られ、
AFM画像表示手段12に表示することができる。
In such control, when the sensor 7 and the cantilever 3 are simultaneously scanned in the XY directions of the sample 8,
By recording the feedback voltage applied to the cylindrical scanner 1 for movement in the Z direction in the computer 11, an AFM image (concavo-convex image) of the surface of the sample 8 is obtained,
It can be displayed on the AFM image display means 12.

【0038】上述した制御では、Z方向の移動によって
発生したXY方向の振動が激しくなると、Z方向のサー
ボの応答が低下し、XY方向の振動が低減される。従っ
て、このような制御によって得られるAFM像は、横方
向の分解能の高いものとなる。
In the above-described control, when the vibration in the XY directions caused by the movement in the Z direction becomes severe, the response of the servo in the Z direction is reduced, and the vibration in the XY directions is reduced. Therefore, the AFM image obtained by such control has a high horizontal resolution.

【0039】本発明は上述した実施の形態に限定される
ものではなく、種々多くの変形が可能である。走査型顕
微鏡の種類やスキャナーの構造や横方向センサーの種類
などは上述した実施の形態以外のものであっても一向に
構わない。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. The type of the scanning microscope, the structure of the scanner, the type of the lateral sensor, and the like may be other than the above-described embodiment.

【0040】また、実施の形態では、探針のZ方向の変
位を検出する手段として、光てこ式の変位センサーの構
成を利用したが、他の変位検出手段、例えば、レーザー
干渉計や静電容量センサーなどを用いてもよい。つま
り、探針の変位検出手段には、変位を検出できるもので
あれば何を用いてもよい。さらに、規範モデルを、Z方
向だけでなく、XY方向に対しても構成し、Z方向のサ
ーボに対して、XYの挙動をフィードバックの情報とし
てもよい。
Further, in the embodiment, as the means for detecting the displacement of the probe in the Z direction, the configuration of the optical lever type displacement sensor is used. However, other displacement detecting means such as a laser interferometer and an electrostatic A capacitance sensor or the like may be used. That is, any means can be used for the displacement detection means of the probe as long as the displacement can be detected. Further, the reference model may be configured not only in the Z direction but also in the XY directions, and the XY behavior may be used as feedback information for the servo in the Z direction.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明によれば、スキャナーのZ方向へ
の応答によって発生するXY方向の振動が低減され、こ
れにより横方向の分解能が向上された走査型プローブ顕
微鏡が提供される。
According to the present invention, there is provided a scanning probe microscope in which vibrations in the X and Y directions generated by the response of the scanner in the Z direction are reduced and thereby the resolution in the horizontal direction is improved.

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

【図1】本発明の第一の実施の形態に係る走査型原子間
力顕微鏡を示す。
FIG. 1 shows a scanning atomic force microscope according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の装置におけるスキャナーの制御ブロック
図である。
FIG. 2 is a control block diagram of a scanner in the apparatus of FIG.

【図3】本発明の第二の実施の形態に係る走査型原子間
力顕微鏡を示す。
FIG. 3 shows a scanning atomic force microscope according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第三の実施の形態に係る走査型原子間
力顕微鏡を示す。
FIG. 4 shows a scanning atomic force microscope according to a third embodiment of the present invention.

【図5】図4の装置におけるスキャナーの制御ブロック
図である。
FIG. 5 is a control block diagram of a scanner in the apparatus of FIG.

【図6】原子間力を距離の関数として示した図である。FIG. 6 shows the interatomic force as a function of distance.

【図7】従来の走査型プローブ顕微鏡を示す。FIG. 7 shows a conventional scanning probe microscope.

【図8】図7の装置におけるスキャナーの制御ブロック
図である。
8 is a control block diagram of a scanner in the apparatus of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 円筒型圧電体スキャナー 3 カンチレバー 4 横方向センサー 6 探針 7 センサー 8 試料 9 電圧印加手段 10 制御回路 13 バンドパスフィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical piezoelectric scanner 3 Cantilever 4 Lateral sensor 6 Probe 7 Sensor 8 Sample 9 Voltage application means 10 Control circuit 13 Band pass filter

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】探針を試料表面に平行なXY方向に走査し
ながら、試料の表面状態に従って試料表面に垂直なZ方
向に移動して試料の表面状態を調べる走査型プローブ顕
微鏡において、 Z方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのX
Y方向の振動を、XY方向の変位をモニターするXY変
位センサーにより検出し、その信号をZ方向へのサーボ
信号にフィードバックしてXY方向のスキャナーの異常
な振動を抑制することを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。
1. A scanning probe microscope for examining the surface state of a sample by moving a probe in the Z direction perpendicular to the surface of the sample according to the surface state of the sample while scanning the probe in the XY directions parallel to the surface of the sample. Of the scanner generated by the applied voltage
Scanning characterized by detecting vibration in the Y direction by an XY displacement sensor that monitors displacement in the XY direction, and feeding back the signal to a servo signal in the Z direction to suppress abnormal vibration of the scanner in the XY direction. Probe microscope.
【請求項2】探針を試料表面に平行なXY方向に走査し
ながら、試料の表面状態に従って試料表面に垂直なZ方
向に移動して試料の表面状態を調べる走査型プローブ顕
微鏡において、 Z方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのX
Y方向の振動を、XY方向の変位を生成する圧電体の電
荷量の信号から検知し、その信号をZ方向へのサーボ信
号にフィードバックしてXY方向のスキャナーの異常な
振動を抑制することを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。
2. A scanning probe microscope for examining the surface condition of a sample by moving a probe in the Z direction perpendicular to the sample surface according to the surface condition of the sample while scanning the probe in the XY directions parallel to the sample surface. Of the scanner generated by the applied voltage
Vibration in the Y direction is detected from a signal of the amount of electric charge of the piezoelectric body that generates displacement in the XY directions, and the signal is fed back to a servo signal in the Z direction to suppress abnormal vibration of the scanner in the XY directions. Features scanning probe microscope.
【請求項3】探針を試料表面に平行なXY方向に走査し
ながら、試料の表面状態に従って試料表面に垂直なZ方
向に移動して試料の表面状態を調べる走査型プローブ顕
微鏡において、 Z方向の応答印加電圧によって発生するスキャナーのX
Y方向の振動を、XY方向のモデル化されたスキャナー
規範モデルのXY振動をコントローラ内部で計算し、そ
の信号をZ方向へのサーボ信号にフィードバックしてX
Y方向のスキャナーの異常な振動を抑制することを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡。
3. A scanning probe microscope for examining the surface condition of a sample by moving a probe in the Z direction perpendicular to the sample surface according to the surface condition of the sample while scanning the probe in the XY directions parallel to the sample surface. Of the scanner generated by the applied voltage
The vibration in the Y direction is calculated inside the controller by calculating the XY vibration of the scanner reference model modeled in the XY directions, and the signal is fed back to the servo signal in the Z direction to generate the X signal.
A scanning probe microscope characterized by suppressing abnormal vibration of a scanner in a Y direction.
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