JPH116965A - 走査型プローブ顕微鏡、その制御方法及びその操作方法 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡、その制御方法及びその操作方法

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JPH116965A
JPH116965A JP9159973A JP15997397A JPH116965A JP H116965 A JPH116965 A JP H116965A JP 9159973 A JP9159973 A JP 9159973A JP 15997397 A JP15997397 A JP 15997397A JP H116965 A JPH116965 A JP H116965A
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JP
Japan
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probe
sample
distance
scanning probe
sample surface
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JP9159973A
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Masahiro Kimura
昌弘 木村
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JAPAN ENERG BUNSEKI CENTER KK
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JAPAN ENERG BUNSEKI CENTER KK
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06Circuits or algorithms therefor

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プローブの接近方向が、試料表面の法線方向
からずれていることによって起こるプローブ顕微鏡像の
歪みを低減し、鮮明な像を得ることである。 【解決手段】 試料台平面のx軸の傾き、試料台平面の
y軸の傾き及び試料台平面とプローブ間の距離を制御す
るための微動機構を有する装置を使用し、プローブを試
料表面に一定距離接近させ、試料表面とプローブ間の距
離に相当する物理量の変化量を測定し、この変化量が極
大となるようにプローブと試料表面の接近角度を調節
し、この状態で測定を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料台の角度を補
正し、走査型プローブ顕微鏡像に現れる偽構造及び歪み
を低減する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、走査型プローブ顕微鏡では、装置
の共振周波数を高めるために小型化すると共に、装置全
体の剛性を高めるために可動部品は必要最低限とするの
が通常であった。また、測定対象が、試料表面の原子レ
ベルの情報であり、試料台周辺の角度調節は必要ないと
思われていた。
【0003】しかし、走査型プローブ顕微鏡は、原理的
にトンネル電流・原子間力といった物理量の距離依存性
を利用しているために、プローブz軸の動きが試料表面
の法線方向とわずかにずれていると、それが偽構造や歪
み、あるいはピンぼけなどの原因となることが明らかに
なってきた。
【0004】また、走査型トンネル分光法(STS)を
始めとする分析法では、探針のz軸方向の絶対移動距離
が重要になってくるが、観察視野と垂直になっていない
(90−θ)場合、図1に示すプローブ1の移動距離
(d)とプローブ−表面間の距離変化(d・cosθ)
がずれ、正確な数値が導き出せないばかりか、観察位置
も移動する(d・sinθ)ことになり、STS技術の
最大のメリットである、原子オーダーの空間分解能まで
生かされないことになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
に述べたことによって起こるプローブ顕微鏡像の歪みを
低減し、鮮明な像を得ることであり、同じ技術によって
トンネル分光法など周辺技術に対する技術上の問題点に
対し解決法を示唆することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者等が鋭意検討し
た結果、試料台平面のx軸の傾き、試料台平面のy軸の
傾き及び試料台平面とプローブ間の距離を制御するため
の微動機構を有する装置を使用し、プローブを試料表面
に一定距離接近させ、試料表面とプローブ間の距離に相
当する物理量の変化量を測定し、プローブと試料表面の
距離によって変化する物理量と移動距離の比が極大とな
るようにプローブと試料表面の接近角度を調節し、試料
表面の法線方向を確認した上で測定を行なうことで上記
課題を解決できることを見出した。上記微動機構は、プ
ローブ支持構造に設けられた2個以上の圧電素子、試料
台支持構造に設けられた2個以上の圧電素子、又はプロ
ーブ支持構造及び試料台支持構造の両方に設けられた2
個以上の圧電素子からなるものである。上記プローブが
移動する軸と、試料表面が移動する軸がなす角度(図1
のθ)は0°〜0.1°である。また、前記物理量は、
トンネル電流、原子間力である。
【0007】すなわち、本発明は、(1)試料台平面の
x軸の傾き、試料台平面のy軸の傾き及び試料台平面と
プローブ間の距離を制御するための微動機構を有するこ
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡、(2)上記微動
機構が、プローブ支持構造に設けられた2個以上の圧電
素子、試料台支持構造に設けられた2個以上の圧電素
子、又はプローブ支持構造及び試料台支持構造の両方に
設けられた2個以上の圧電素子からなることを特徴とす
る上記(1)記載の走査型プローブ顕微鏡、(3)試料
台上の試料とプローブの接近する方向を種々変化させ、
プローブと試料表面の距離によって変化する物理量と移
動距離の比が極大となる方向を決定し、その方向を試料
表面の法線方向とするようにプローブを移動させること
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡の制御方法、(4)
上記物理量が、トンネル電流、原子間力であることを特
徴とする上記(3)記載の走査型プローブ顕微鏡の制御
方法、(5)試料台上の試料とプローブの接近する方向
を種々変化させ、プローブと試料表面の距離によって変
化する物理量と移動距離の比が極大となる方向を決定
し、その方向を試料表面の法線方向として試料表面の測
定を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の操作
方法、(6)上記物理量が、トンネル電流、原子間力で
あることを特徴とする上記(5)記載の走査型プローブ
顕微鏡の操作方法。
【0008】(7)試料台上の試料とプローブの接近す
る方向を種々変化させ、プローブと試料表面の距離によ
って変化する物理量と移動距離の比が極大となる方向を
決定し、その方向を試料表面の法線方向とし、その法線
方向から0〜60°プローブの接近方向を傾けて試料表
面の測定を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
の操作方法、(8)上記物理量が、トンネル電流、原子
間力であることを特徴とする上記(7)記載の走査型プ
ローブ顕微鏡の操作方法、に関する。
【0009】
【発明の実施の形態】ハードウェアの改良として、通常
の走査型プローブ顕微鏡(SPM)の試料台下部に、角
度補正のための圧電素子4,5を取り付ける(図2)。
この際、圧電素子は円筒型のものでもトライポッド型の
ものでも使用できる。円筒型の場合、x(正)、x
(負)、y(正)、y(負)の4極を、トライポッド型
の場合、x、y、zの3極をそれぞれ試料台に固定す
る。原子間力顕微鏡などのように、平面走査のための圧
電素子が既に同位置にある場合、その圧電素子を覆うの
に十分大きい角度補正用円筒型圧電素子を用いるか、角
度補正用圧電素子を平面走査用圧電素子の内側に組み込
む。また、プローブ側に任意の形状の圧電素子を取り付
けることもできる。
【0010】ソフトウェアには、試料台をある範囲内で
任意に傾けられる機能、帰還制御を一時的に無効にする
機能、プローブ位置を平面内で固定しz軸方向に沿って
ある一定距離移動させつつ物理量をモニタする機能、等
を付け加える。
【0011】以上のハードソフトを、次のように組み合
わせて動作させる。プローブ1を試料表面2に近づけ、
観察できる状態にする。プローブを平面内で固定し、帰
還制御を切る。プローブをz軸方向に一定距離移動さ
せ、物理量の変化を取得する。図2において試料台3角
度補正用圧電素子5をx軸方向に動かして試料台を傾
け、上記の測定を繰り返す。物理量の変化が極大になっ
た位置に固定した後、y軸方向で同様に圧電素子4によ
り微調整を行なう。ここで定まる試料台の位置が、プロ
ーブに対してほぼ垂直となるから、測定中、この角度補
正用圧電素子を固定する。この場合、プローブが移動す
る軸と、試料表面が移動する軸がなす角度は、0°〜
0.1°、好ましくは0°〜0.02°である。通常は
上記の操作で0°〜0.05°の範囲に納まるように前
記圧電素子の移動量をÅ単位で制御する。その後、再び
帰還制御を行ない、通常のSPM測定に移る。
【0012】例として、走査型トンネル顕微鏡(ST
M)を改良する方法を挙げる。STMの場合、通常、試
料台は固定されているから、下部に角度補正用円筒型圧
電素子を取り付ける。試料台は図2のように圧電素子
5,5(x軸方向調整用)および4,4(y軸方向調整
用)の各電極に固定する。4点で平面を規定することに
なるので、歪みが起きないよう、前記4,4,5,5は
絶対値の等しい両電極で駆動する。
【0013】また、本機構を用いることで、回折格子な
ど、試料表面に斜面を持つ表面がより観察しやすくな
る。原子間力顕微鏡では、カンチレバー上面で反射する
レーザー光を検出してプローブ−試料間の距離を測定す
る。その際、試料表面に一定角度のピッチが刻まれてい
ると、図3に示すように、光センサー7に試料表面で反
射したレーザーが入光し、カンチレバー6の位置が検出
できなくなる。その結果、カンチレバーが試料表面に衝
突することがある。本機構を用いて意図的に試料を斜め
にセットすることでカンチレバーから反射される光を選
択的に観測でき、光軸合わせが容易になる。
【0014】以上の方法を用いれば、斜面を水平に補正
した測定も容易になる。さらに、試料表面を斜め方向か
ら観測したり、段差の構造を斜め方向からより正確に評
価したい場合でも、本発明の装置、制御方法を用いる
と、容易に測定が可能になる。すなわち、前述のような
方法で試料表面の法線方向を決定した後、その法線方向
から0〜60°プローブの接近方向を傾けることで、斜
め方向からの測定が可能となる。
【0015】
【実施例】
(実施例1)あらかじめ観察領域を走査し、通常行なわ
れているように平面走査用圧電素子の特性分を補正する
ことで、試料表面の観察領域が平面走査用圧電素子の軸
に対して垂直な平面に対し、x−x軸方向とy−y軸方
向にどれだけずれているかを算出した。いったんプロー
ブをトンネル領域内より退避させ、前記算出した値を用
い、角度補正用圧電素子で試料表面角度を補正して決定
した試料表面の法線方向から、再度、プローブを接近さ
せ観察を行なったところ、歪みがなく、鮮明なSTM像
が得られた。
【0016】(実施例2)あらかじめ、観察領域内で選
ばれた複数の格子点位置において、次の一連の測定を行
なう。1nAのトンネル電流が流れるまでプローブを近
づけ、その後に平面走査用圧電素子を50mV分縮ませ
る。その際、トンネル電流の減衰分を記録する。各測定
点の減衰分の総和が最大になるよう、x−x軸を調整
し、しかる後にy−y軸で調整する。こうして決定した
試料表面の法線方向から観察を行ない、その結果、実施
例1よりも更に鮮明な像が得られた。
【0017】(比較例1)実施例1の前半と同様に平面
走査用圧電素子の特性分を補正したところ、試料平面が
傾いていたので、観察後、数値演算によって水平処理を
行なったところ、STM像は全体に歪み、(実施例1、
2)に比べてコントラストの弱い像しか得られなかっ
た。
【0018】
【発明の効果】以上、詳述したように、この発明によっ
て、試料やプローブの取り付け法によらず、常にプロー
ブ動作軸を試料表面にほぼ垂直にできるため、歪みがな
く、鮮明な像が得られるようになり、表面の微細構造を
決定するのに大いに役立つ。像の凹凸はプローブのz軸
方向の移動量を元に算出されるため、プローブの移動量
を正確に評価できれば、像の凹凸からより正しい実際の
凹凸を見積もることができることになる。
【0019】また、派生技術であるトンネル分光法(S
TS)において、プローブ−試料間の距離が重要なトン
ネル顕微鏡におけるI−z測定、原子間力顕微鏡におけ
るフォースカーブの取得など、本発明によってθ=0に
できれば距離変化分(△z)を正確に見積もることがで
きるため、より精度の高い解析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】傾いたプローブと試料表面の関係概略図、
【図2】試料台の駆動方法概略図、
【図3】一定角度のピッチが刻まれている試料表面にお
いて、試料表面から反射したレーザー光が光センサーに
入り、試料表面とプローブ(カンチレバー)間の距離測
定が不能に至る様子の概略図。
【符号の説明】
1.プローブ 2.試料 3.試料台 4.角度補正用圧電素子(Y軸方向) 5.角度補正用圧電素子(X軸方向) 6.原子力間顕微鏡のカンチレバー 7.光センサー(試料表面−プローブ間距離測定用) 8.入射レーザー光

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料台平面のx軸の傾き、試料台平面の
    y軸の傾き及び試料台平面とプローブ間の距離を制御す
    るための微動機構を有することを特徴とする走査型プロ
    ーブ顕微鏡。
  2. 【請求項2】 上記微動機構が、プローブ支持構造に設
    けられた2個以上の圧電素子、試料台支持構造に設けら
    れた2個以上の圧電素子、又はプローブ支持構造及び試
    料台支持構造の両方に設けられた2個以上の圧電素子か
    らな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. 【請求項3】 試料台上の試料とプローブの接近する方
    向を種々変化させ、プローブと試料表面の距離によって
    変化する物理量と移動距離の比が極大となる方向を決定
    し、その方向を試料表面の法線方向とするようにプロー
    ブを移動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
    の制御方法。
  4. 【請求項4】 上記物理量が、トンネル電流、原子間力
    であることを特徴とする請求項3に記載の走査型プロー
    ブ顕微鏡の制御方法。
  5. 【請求項5】 試料台上の試料とプローブの接近する方
    向を種々変化させ、プローブと試料表面の距離によって
    変化する物理量と移動距離の比が極大となる方向を決定
    し、その方向を試料表面の法線方向として試料表面の測
    定を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の操作
    方法。
  6. 【請求項6】 上記物理量が、トンネル電流、原子間力
    であることを特徴とする請求項5に記載の走査型プロー
    ブ顕微鏡の操作方法。
  7. 【請求項7】 試料台上の試料とプローブの接近する方
    向を種々変化させ、プローブと試料表面の距離によって
    変化する物理量と移動距離の比が極大となる方向を決定
    し、その方向を試料表面の法線方向とし、その法線方向
    から0〜60°プローブの接近方向を傾けて試料表面の
    測定を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の操
    作方法。
  8. 【請求項8】 上記物理量が、トンネル電流、原子間力
    であることを特徴とする請求項7に記載の走査型プロー
    ブ顕微鏡の操作方法。
JP9159973A 1997-06-17 1997-06-17 走査型プローブ顕微鏡、その制御方法及びその操作方法 Pending JPH116965A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003027748A1 (de) * 2001-09-19 2003-04-03 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung und verfahren zur planparallelen ausrichtung einer zu inspizierenden ebenen objektoberfläche zu einer fokusebene eines objektives

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003027748A1 (de) * 2001-09-19 2003-04-03 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung und verfahren zur planparallelen ausrichtung einer zu inspizierenden ebenen objektoberfläche zu einer fokusebene eines objektives

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