JP2000346782A - Scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 走査型プローブ顕微鏡による表面形状観察及
び吸着力測定において、試料に対する過剰な力の作用を
防止すると共に測定精度を高める。
【解決手段】 カンチレバー2と試料Sとの間に働く作
用力の圧縮及び引っ張りの限界値を設定し、測定される
作用力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカ
ンチレバーあるいは試料の位置制御を行い、カンチレバ
ーの変位に基づいてカンチレバーと試料との間に働く作
用力を測定するフォースカーブ測定手段11を備え、圧
縮設定限界値となる位置データを用いた表面形状測定
と、引っ張り設定限界値となる位置データを用いた吸着
力測定とを、カンチレバーを試料表面上で各測定点ごと
に移動させながら行う。フォースカーブを測定する範囲
を、カンチレバーのたわみ量で指定し、試料に加わる作
用力を設定した限界値内に制限して過剰な力が作用する
のを防止する
PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the action of an excessive force on a sample and to improve measurement accuracy in surface shape observation and adsorption force measurement by a scanning probe microscope. Kind Code: A1 A limit value of compression and tension of an acting force acting between a cantilever 2 and a sample S is set, and the position of the cantilever or the sample is adjusted so that the measured acting force falls within a range defined by the set limit value. A force curve measuring means 11 for performing control and measuring an acting force acting between the cantilever and the sample based on the displacement of the cantilever is provided. The adsorption force measurement using the position data as a value is performed while moving the cantilever on the sample surface at each measurement point. Specify the range for measuring the force curve by the amount of deflection of the cantilever, and limit the applied force to the sample within the set limit value to prevent excessive force from acting
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に関し、表面形状の観察、及び吸着力マッピング測
定に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a scanning probe microscope, and more particularly to observation of a surface shape and measurement of adsorption force mapping.
【0002】[0002]
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡として、プローブ
と試料表面間に働く原子間力を用いた走査型原子間力顕
微鏡(AFM)が知られている。走査型原子間力顕微鏡
は、探針,探針を支持するカンチレバー,及びカンチレ
バーの曲がりを検出する変位測定系を備え、探針と試料
との間の原子間力(引力または斥力)を検出して、試料
表面の形状観察を行うものであり、生物,有機分子,絶
縁体等の非導電物質の観察を行うことができる。走査型
原子間力顕微鏡による観察では、コンタクトモード、コ
ンタクトハイトモード、ノンコンタクトモード、ダイナ
ミックモード等の各種の測定モードによって表面形状の
測定に適用することができる。コンタクトモードによる
表面形状測定ではカンチレバーのたわみを検出し、ダイ
ナミックモードによる表面形状測定ではカンチレバーの
振幅を検出している。2. Description of the Related Art As a scanning probe microscope, a scanning atomic force microscope (AFM) using an atomic force acting between a probe and a sample surface is known. A scanning atomic force microscope is equipped with a probe, a cantilever supporting the probe, and a displacement measurement system for detecting bending of the cantilever, and detects an atomic force (attractive force or repulsive force) between the probe and the sample. Thus, the shape of the sample surface is observed, and non-conductive substances such as living organisms, organic molecules, and insulators can be observed. Observation with a scanning atomic force microscope can be applied to measurement of a surface shape in various measurement modes such as a contact mode, a contact height mode, a non-contact mode, and a dynamic mode. The surface shape measurement in the contact mode detects the deflection of the cantilever, and the surface shape measurement in the dynamic mode detects the amplitude of the cantilever.
【0003】また、走査型原子間力顕微鏡は上記の表面
形状観察の他に、試料とカンチレバーとの間に働く作用
力を測定するフォースカーブ測定機能を備えている。フ
ォースカーブ測定では、試料とカンチレバーとの距離を
変化させ、試料とカンチレバーとの間に働く作用力を測
定し、距離に対する作用力の変化を求める。フォースカ
ーブを測定することによって、試料の吸着力を測定する
ことができる。The scanning atomic force microscope has a force curve measuring function for measuring the acting force acting between the sample and the cantilever, in addition to the surface shape observation. In the force curve measurement, the distance between the sample and the cantilever is changed, the acting force acting between the sample and the cantilever is measured, and the change in the acting force with respect to the distance is determined. By measuring the force curve, the adsorption force of the sample can be measured.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
において、コンタクトモードやダイナミックモードによ
って表面形状測定する場合には、試料に対してnNオー
ダーの力でカンチレバーの探針を押し込むため、非常に
柔らかな試料の場合にはこの探針の押圧力よって破壊さ
れるおそれがある。また、カンチレバーと試料とを相対
的に移動させて走査すると、探針が試料に対して作用す
る力の方向は表面形状や走査方向等によって変化し、試
料に対して必ずしも垂直方向とはならず、表面形状観察
の測定条件が同一とならないという問題もある。In a scanning probe microscope, when the surface shape is measured by the contact mode or the dynamic mode, the probe of the cantilever is pushed into the sample with a force of the order of nN, so that it is very soft. In the case of a sample, the sample may be broken by the pressing force of the probe. When the cantilever and the sample are relatively moved and scanned, the direction of the force applied to the sample by the probe changes depending on the surface shape, the scanning direction, and the like, and is not necessarily perpendicular to the sample. Another problem is that the measurement conditions for observing the surface shape are not the same.
【0005】また、走査型プローブ顕微鏡によってフォ
ースカーブを測定する場合には、カンチレバーあるいは
試料の位置を制御する機構によって、カンチレバーが試
料から最も離れた位置と最も接近した位置、あるいは試
料がカンチレバーから最も離れた位置と最も接近した位
置を指定し、これらの設定位置の範囲内で試料とカンチ
レバーとの距離を変化させている。従来の走査型プロー
ブ顕微鏡では、カンチレバーの位置あるいは試料の位置
を指定することによって、フォースカーブの測定範囲を
定めているため、指定位置からの位置ずれによってカン
チレバーや試料が破損するおそれがある。When a force curve is measured by a scanning probe microscope, a mechanism for controlling the position of the cantilever or the sample causes a position where the cantilever is farthest from and closest to the sample, or a case where the sample is closest to the cantilever. The distant position and the closest position are designated, and the distance between the sample and the cantilever is changed within the range of these set positions. In the conventional scanning probe microscope, since the measurement range of the force curve is determined by specifying the position of the cantilever or the position of the sample, there is a possibility that the cantilever or the sample may be damaged due to a positional deviation from the specified position.
【0006】図5はカンチレバーと試料との位置関係を
説明するための概略断面図である。カンチレバー2と試
料Sとの間の距離を縮めると、図5(a)に示すよう
に、カンチレバー2の探針20は試料Sと点Paで接触
する。カンチレバー2と試料Sとの間の距離が変動する
と、図5(b)あるいは図5(c)に示すように、試料
Sやカンチレバー2に破損が生じる場合がある。図5
(b)では、カンチレバー2と試料Sとが接近しすぎる
ため、接触点Pbにおいて試料Sやカンチレバー2に過
大な圧縮力が作用する。また、カンチレバー2と試料S
が接触した後に両者が離れる場合には、試料Sの表面に
存在する液体Lによるメニスカスフォース(凝着力)に
よって、図5(c)に示すように試料Sに引っ張り力が
作用する。FIG. 5 is a schematic sectional view for explaining the positional relationship between the cantilever and the sample. When the distance between the cantilever 2 and the sample S is reduced, the probe 20 of the cantilever 2 comes into contact with the sample S at a point Pa as shown in FIG. When the distance between the cantilever 2 and the sample S fluctuates, the sample S and the cantilever 2 may be damaged as shown in FIG. 5B or 5C. FIG.
In (b), since the cantilever 2 and the sample S are too close to each other, an excessive compressive force acts on the sample S and the cantilever 2 at the contact point Pb. Also, the cantilever 2 and the sample S
When the two are separated after contacting with each other, a tensile force acts on the sample S as shown in FIG. 5C by the meniscus force (adhesive force) of the liquid L present on the surface of the sample S.
【0007】図6のフォースカーブ測定における位置と
作用力との関係を示す図において、最接近位置Zu及び
最離隔位置Zlのように位置を指定することによって測
定範囲を定めている。そのため、温度ドリフト等による
位置ずれによって、Zu(最接近位置)を越える場合に
は最大圧縮限界Fuを越えた作用力が印加され、また、
Zl(最離隔位置)を越える場合には最大引っ張り限界
Fuを越えた作用力が印加されることになる。したがっ
て、従来の位置指定による場合では、不要な作用力が加
わるおそれがる。In the diagram showing the relationship between the position and the acting force in the force curve measurement of FIG. 6, the measurement range is determined by designating the position such as the closest position Zu and the farthest position Zl. Therefore, when the position exceeds Zu (closest position) due to a position shift due to temperature drift or the like, an acting force exceeding the maximum compression limit Fu is applied.
If it exceeds Zl (the most distant position), an acting force exceeding the maximum pulling limit Fu will be applied. Therefore, in the case of the conventional position designation, unnecessary acting force may be applied.
【0008】上記したように、従来の走査型プローブ顕
微鏡では、表面形状観察及び吸着力測定において、試料
に過剰な力が加わるという問題点がある。また、フォー
スカーブ測定によって吸着力を測定する場合には、カン
チレバーが試料から離れる直前の作用力を測定してい
る。図6において、引っ張り力に耐えられなくなって探
針が試料から離れる直前のFp を吸着力としており、こ
のときのカンチレバーのたわみをフォトディテクターで
検出している。しかしながら、P点は作用力の変化点で
あって急激な変化であるため、フォトディテクターによ
る測定では高い分解能を望めないという問題がある。As described above, the conventional scanning probe microscope has a problem that an excessive force is applied to the sample in observing the surface shape and measuring the attraction force. Further, when the adsorption force is measured by force curve measurement, the acting force immediately before the cantilever separates from the sample is measured. In FIG. 6, Fp immediately before the probe leaves the sample because it cannot withstand the pulling force is used as the adsorption force, and the deflection of the cantilever at this time is detected by the photodetector. However, since the point P is a point where the acting force changes and is abrupt, there is a problem that high resolution cannot be expected in the measurement by the photodetector.
【0009】そこで、本発明は前記した従来の問題点を
解決し、走査型プローブ顕微鏡による表面形状観察及び
吸着力測定において、試料に対する過剰な力の作用を防
止すると共に、測定精度を高めることを目的とする。Accordingly, the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and in the observation of the surface shape and the measurement of the attraction force using a scanning probe microscope, it is necessary to prevent the action of an excessive force on the sample and to improve the measurement accuracy. Aim.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は、走査型プロー
ブ顕微鏡を用いた表面形状観察及び吸着力測定において
行なうフォースカーブ測定において、フォースカーブを
測定する範囲を、カンチレバーの位置あるいは試料の位
置を指定することに代えて、カンチレバーと試料との間
に働く作用力を指定する。これによって、試料に加わる
作用力を設定した限界値内に制限して過剰な力が作用す
るのを防止する。また、各測定点ごとで測定を行うこと
によって、試料に対する作用力を垂直方向として同一の
測定条件での測定を行うことによって測定精度を高め
る。According to the present invention, in a force curve measurement performed in surface shape observation and adsorption force measurement using a scanning probe microscope, a range for measuring a force curve is determined by a position of a cantilever or a position of a sample. Instead of specifying, the action force acting between the cantilever and the sample is specified. Thereby, the acting force applied to the sample is limited within a set limit value, thereby preventing an excessive force from acting. In addition, by performing measurement at each measurement point, measurement accuracy is increased by performing measurement under the same measurement condition with the acting force on the sample being vertical.
【0011】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチ
レバーと試料との間に働く作用力の圧縮及び引っ張りの
限界値を設定し、測定される作用力が設定限界値で定め
られる範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の
位置制御を行い、カンチレバーの変位に基づいてカンチ
レバーと試料との間に働く作用力を測定するフォースカ
ーブ測定手段を備え、圧縮設定限界値となる位置データ
を用いた表面形状測定と、引っ張り設定限界値となる位
置データを用いた吸着力測定とを、カンチレバーを試料
表面上で各測定点ごとに移動させながら行う構成とす
る。In the scanning probe microscope of the present invention, the limit value of the compression and the tension of the acting force acting between the cantilever and the sample is set so that the measured acting force is within the range defined by the set limit value. Equipped with force curve measuring means that controls the position of the cantilever or sample and measures the acting force acting between the cantilever and the sample based on the displacement of the cantilever, and measures the surface shape using the position data that is the compression set limit value And the measurement of the attraction force using the position data serving as the pull setting limit value are performed while the cantilever is moved at each measurement point on the sample surface.
【0012】本発明の走査型プローブ顕微鏡のフォース
カーブ測定手段は、カンチレバーと試料との間に働く作
用力の上限と下限を圧縮設定限界値及び引っ張り設定限
界値として設定し、該作用力が設定限界値で定められる
範囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置制
御を行う。なお、作用力とカンチレバーのたわみは比例
するため、作用力に代えてカンチレバーのたわみ量で設
定及び測定を行うことができる。The force curve measuring means of the scanning probe microscope according to the present invention sets the upper and lower limits of the acting force acting between the cantilever and the sample as a compression set limit value and a tension set limit value, and the action force is set. The position of the cantilever or the sample is controlled so as to be within the range defined by the limit value. Since the acting force is proportional to the deflection of the cantilever, the setting and measurement can be performed using the amount of deflection of the cantilever instead of the acting force.
【0013】本発明は、フォースカーブ測定手段におい
て、圧縮設定限界値となる位置データから表面形状に係
わるデータを測定し、引っ張り設定限界値となる位置デ
ータから吸着力に係わるデータを測定する。取得した表
面形状データ及び吸着力データを、試料表面の複数測定
点で求めることによって、表面形状及び吸着力マッピン
グを得ることができる。本発明の走査型プローブ顕微鏡
によれば、フォースカーブの測定中にカンチレバーと試
料との間に働く作用力を制限し、設定された限界値の範
囲内となるようにカンチレバーあるいは試料の位置を制
御することによって、試料あるいはカンチレバーに破損
を与えることなく表面形状及び吸着力マッピングを得る
ことができる。According to the present invention, in the force curve measuring means, data relating to the surface shape is measured from the position data serving as the compression set limit value, and data relating to the attraction force is measured from the position data serving as the pull set limit value. By obtaining the acquired surface shape data and adsorption force data at a plurality of measurement points on the sample surface, surface shape and adsorption force mapping can be obtained. According to the scanning probe microscope of the present invention, the force acting between the cantilever and the sample during the measurement of the force curve is limited, and the position of the cantilever or the sample is controlled so as to be within a set limit value. By doing so, surface shape and adsorption force mapping can be obtained without damaging the sample or the cantilever.
【0014】また、各測定を、測定点ごとに行うことに
よって、カンチレバーによる試料の損傷を防止すると共
に、作用力の作用方向を各測定で同一として測定精度を
高めることができる。Further, by performing each measurement for each measurement point, it is possible to prevent the sample from being damaged by the cantilever and to increase the measurement accuracy by making the acting direction of the acting force the same in each measurement.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の走
査型プローブ顕微鏡の構成図であり、走査型原子間力顕
微鏡を例とした図である。図1に示す走査型プローブ顕
微鏡は、探針20,探針20を支持するカンチレバー
2,カンチレバー2の曲がりを検出する変位測定系3,
及び試料SをZ軸方向、及びX軸,Y軸方向に移動させ
る駆動系4を備え、探針20と試料Sとの間の原子間力
(引力または斥力)を、カンチレバーのたわみ量で検出
し、取得したたわみ量を用いて試料表面の形状観察及び
吸着力マッピングを行う。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning probe microscope of the present invention, and is a diagram illustrating a scanning atomic force microscope as an example. The scanning probe microscope shown in FIG. 1 includes a probe 20, a cantilever 2 supporting the probe 20, a displacement measuring system 3 for detecting the bending of the cantilever 2,
And a drive system 4 for moving the sample S in the Z-axis direction and the X-axis and Y-axis directions, and detects an atomic force (attractive force or repulsive force) between the probe 20 and the sample S by the amount of deflection of the cantilever. Then, the shape of the sample surface is observed and the adsorption force is mapped using the obtained deflection amount.
【0016】変位測定系3は、レーザー発振器31等の
光源、ミラー32,33等の光学系、フォトダイオード
34等の光検出器を備え、レーザー発振器31から発せ
られカンチレバー2で反射されたレーザー光をフォトダ
イオード34で検出することによって、カンチレバー2
の変位を測定する。カンチレバー2の変位からフォース
カーブを測定する。フォトダイオード34で検出された
変位信号はA/D変換器35でデジタル信号に信号変換
された後、測定手段1のフォースカーブ測定手段1に送
られる。The displacement measuring system 3 includes a light source such as a laser oscillator 31, an optical system such as mirrors 32 and 33, and a photodetector such as a photodiode 34. Laser light emitted from the laser oscillator 31 and reflected by the cantilever 2 is provided. Is detected by the photodiode 34, so that the cantilever 2
Measure the displacement of A force curve is measured from the displacement of the cantilever 2. The displacement signal detected by the photodiode 34 is converted into a digital signal by the A / D converter 35 and then sent to the force curve measuring means 1 of the measuring means 1.
【0017】測定手段1は、フォースカーブを測定する
フォースカーブ測定手段11と、該フォースカーブ測定
手段11で取得したデータに基づいて、表面形状を求め
る表面形状測定手段12及び吸着力を求める吸着力マッ
ピング測定手段13を備える。フォースカーブ測定手段
11はカンチレバー2の変位に対応した作用力を算出す
るとともに、駆動系4に対して制御信号を出力する。駆
動系4は、フォースカーブ測定手段1からのデジタルの
制御信号をアナログ信号に変換するD/A変換器41
と、該アナログ信号によってスキャナ43をZ軸方向に
駆動するスキャナドライバ42とを備える。なお、スキ
ャナドライバ42は、図示しない制御装置から制御信号
を受けてスキャナ43をX軸方向,Y軸方向に駆動し、
試料Sを走査することができる。The measuring means 1 includes a force curve measuring means 11 for measuring a force curve, a surface shape measuring means 12 for obtaining a surface shape based on data acquired by the force curve measuring means 11, and an attraction force for obtaining an attraction force. A mapping measurement unit 13 is provided. The force curve measuring means 11 calculates an acting force corresponding to the displacement of the cantilever 2 and outputs a control signal to the drive system 4. The drive system 4 includes a D / A converter 41 that converts a digital control signal from the force curve measuring unit 1 into an analog signal.
And a scanner driver 42 for driving the scanner 43 in the Z-axis direction by the analog signal. The scanner driver 42 receives a control signal from a control device (not shown) and drives the scanner 43 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
The sample S can be scanned.
【0018】本発明の走査型プローブ顕微鏡が備えるフ
ォースカーブ測定手段11は、カンチレバー2と試料S
との間に働く作用力の限界値を設定し、測定される作用
力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチ
レバー2あるいは試料Sの位置制御を行う。なお、作用
力の設定限界値としてカンチレバーのたわみ量を用いる
ことができる。以下では、たわみ量によって設定限界値
を定める例を説明する。The force curve measuring means 11 provided in the scanning probe microscope of the present invention comprises a cantilever 2 and a sample S
Is set, and the position of the cantilever 2 or the sample S is controlled so that the measured acting force falls within a range defined by the set limit value. Note that the amount of deflection of the cantilever can be used as the set limit value of the acting force. Hereinafter, an example in which the set limit value is determined based on the deflection amount will be described.
【0019】図2は、カンチレバーに働くたわみ量ΔZ
(作用力)の限界値及び位置制御の関係を説明するため
の図である。図2において縦軸はカンチレバーに働くた
わみ量ΔZを示し、横軸は試料に対するカンチレバーの
位置を示し、スキャナのZ軸方向の位置で示している。
なお、図2において、Aで示される部分は、カンチレバ
ーが試料に接近する際に、試料表面に存在する液体層に
よるメニスカスフォースによってカンチレバーが試料側
に引きつけられた状態を示し、Bで示される部分は試料
を圧縮したカンチレバーを戻す状態を示し、Cで示され
る部分はカンチレバーが試料から離れる際に試料表面に
存在する液体層によるメニスカスフォースによってカン
チレバーが試料側に引きつけられた状態を示している。FIG. 2 shows the amount of deflection ΔZ acting on the cantilever.
It is a figure for explaining the relation of the limit value of (action force), and position control. In FIG. 2, the vertical axis indicates the amount of deflection ΔZ acting on the cantilever, and the horizontal axis indicates the position of the cantilever with respect to the sample, which is indicated by the position of the scanner in the Z-axis direction.
In FIG. 2, a portion indicated by A indicates a state where the cantilever is attracted to the sample side by a meniscus force due to a liquid layer existing on the sample surface when the cantilever approaches the sample, and a portion indicated by B Indicates a state in which the cantilever which has compressed the sample is returned, and a portion indicated by C indicates a state in which the cantilever is attracted to the sample side by a meniscus force due to a liquid layer existing on the sample surface when the cantilever separates from the sample.
【0020】本発明では、カンチレバーに働くたわみ量
に限界値を設定することによって、フォースカーブの測
定範囲を定めている。図2において、カンチレバーが試
料を圧縮する方向に加わるたわみ量の限界値として上限
値ΔZ(max)を定め、カンチレバーが試料を引っ張る
方向に加わる作用力の限界値として下限値ΔZ(min)
を定める。この上限値ΔZ(max)び下限値ΔZ(min)
は、カンチレバーと試料との間に発生する作用力によっ
てカンチレバーあるいは試料に損傷が生じない最大値、
あるいはその最大値に所定の安全率を乗じた値を用いる
ことができる。カンチレバーのたわみ量ΔZが、設定し
た上限値ΔZ(max)と下限値ΔZ(min)との間の範囲
内となるように、試料及びカンチレバーの位置制御を行
い、この位置制御によって、スキャナのZ方向の位置は
Zi(max)とZi(min)の範囲内を移動する。これに
よって、カンチレバーと試料との間に働く作用力は、上
限値ΔZ(max)と下限値Z(min)のたわみ量で表され
る作用力の間に制限される。In the present invention, the measurement range of the force curve is determined by setting a limit value for the amount of deflection acting on the cantilever. In FIG. 2, an upper limit value ΔZ (max) is defined as a limit value of a deflection amount applied to the direction in which the cantilever compresses the sample, and a lower limit value ΔZ (min) is set as a limit value of the acting force applied in the direction in which the cantilever pulls the sample.
Is determined. The upper limit ΔZ (max) and the lower limit ΔZ (min)
Is the maximum value at which the cantilever or sample is not damaged by the action force generated between the cantilever and the sample,
Alternatively, a value obtained by multiplying the maximum value by a predetermined safety factor can be used. The position control of the sample and the cantilever is performed so that the deflection amount ΔZ of the cantilever falls within a range between the set upper limit value ΔZ (max) and the lower limit value ΔZ (min). The position in the direction moves within the range between Zi (max) and Zi (min). As a result, the acting force acting between the cantilever and the sample is limited to the acting force represented by the amount of deflection between the upper limit ΔZ (max) and the lower limit Z (min).
【0021】次に、図3のブロック図を用いて測定手段
の構成を説明する。図3において、測定手段1はフォー
スカーブ測定手段11と、表面形状測定手段12と、吸
着力マッピング測定手段13と、記憶手段14とを備え
る。フォースカーブ測定手段11は、たわみ量(作用
力)の制限及び該制限による位置制御に基づいてフォー
スカーブの測定範囲を定める機能を備える部分であり、
限界値における位置を測定する構成として、比較手段1
1a及びスキャナ位置算出手段11bを備える。比較手
段11aは、検出したたわみ量ΔZと限界値ΔZ(ma
x),ΔZ(min)とを比較し、スキャナ位置算出手段1
1bは、比較手段11aの比較結果に基づいて該限界値
におけるスキャナ位置Zi(max),Zi(min)を算出
する。なお、比較手段11a及びスキャナ位置算出手段
11bで用いる設定値Zs(スキャナの初期位置)及び
限界値ΔZ(max),ΔZ(min)は設定手段5から設定
することができる。また、フォースカーブ測定手段11
は、たわみ量に対応するスキャナ位置Ziを算出し、該
スキャナ位置Ziをドライバ側に(D/A変換器41,
スキャナドライバ42)に送ってZ方向の制御を行う。
スキャナ位置算出手段11bで算出したスキャナ位置Z
i(max),Zi(min)は記憶手段15に記憶する。Next, the configuration of the measuring means will be described with reference to the block diagram of FIG. 3, the measuring means 1 includes a force curve measuring means 11, a surface shape measuring means 12, an attraction force mapping measuring means 13, and a storage means 14. The force curve measuring means 11 is a part having a function of limiting the amount of deflection (action force) and determining a measurement range of the force curve based on position control based on the limitation.
As a configuration for measuring the position at the limit value, the comparing means 1
1a and a scanner position calculating means 11b. The comparing means 11a compares the detected deflection amount ΔZ with the limit value ΔZ (ma
x), ΔZ (min) and scanner position calculating means 1
1b calculates the scanner positions Zi (max) and Zi (min) at the limit value based on the comparison result of the comparing means 11a. The setting value Zs (initial position of the scanner) and the limit values ΔZ (max) and ΔZ (min) used by the comparing means 11a and the scanner position calculating means 11b can be set by the setting means 5. Further, the force curve measuring means 11
Calculates the scanner position Zi corresponding to the amount of deflection, and sends the scanner position Zi to the driver side (D / A converter 41,
The data is sent to the scanner driver 42) to perform control in the Z direction.
Scanner position Z calculated by scanner position calculation means 11b
i (max) and Zi (min) are stored in the storage unit 15.
【0022】表面形状測定手段12は、試料高さ算出手
段12aにおいてスキャナ位置Zi(max)を用いて試
料表面の高さデータDiを算出し、測定点のX,Y座標
データと共に表面形状記憶手段12bに記憶する。ま
た、吸着力マッピング測定手段13は、吸着力算出手段
13aにおいてスキャナ位置Zi(min)を用いて等し
い吸着力を有する試料表面の高さデータdiを算出し、
測定点のX,Y座標データと共に吸着力分布として吸着
力分布記憶手段13bに記憶する。表面形状記憶手段1
2b及び吸着力分布記憶手段13bに格納するデータ
は、表示手段6において画像表示することができる。The surface shape measuring means 12 calculates height data Di of the sample surface using the scanner position Zi (max) in the sample height calculating means 12a, and stores the surface shape data together with the X and Y coordinate data of the measurement point. 12b. Further, the adsorption force mapping measurement means 13 calculates height data di of the sample surface having the same adsorption force using the scanner position Zi (min) in the adsorption force calculation means 13a,
It is stored in the suction force distribution storage means 13b as the suction force distribution together with the X and Y coordinate data of the measurement point. Surface shape storage means 1
The data stored in 2b and the suction force distribution storage means 13b can be displayed as an image on the display means 6.
【0023】次に、図4のフローチャートを用いて測定
手段が行う動作を説明する。はじめに、設定手段5から
スキャナ動作開始位置Zs,たわみ量の上限値ΔZ(ma
x)及び下限値Z(min)を入力する。スキャナ動作開始
位置Zsは、フォースカーブ測定におけるスキャナの最
初の位置であり、通常、カンチレバーと試料とが十分に
離隔した位置となるよう設定する。なお、図2におい
て、スキャナ位置Ziを示す座標は、図の左方向をZi
が増加する方向としている。Next, the operation performed by the measuring means will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the scanner operation start position Zs and the upper limit value of the deflection amount ΔZ (ma
x) and the lower limit Z (min) are input. The scanner operation start position Zs is the first position of the scanner in the force curve measurement, and is usually set to be a position where the cantilever and the sample are sufficiently separated. In FIG. 2, the coordinates indicating the scanner position Zi are indicated by Zi in the left direction of the figure.
Is increasing.
【0024】上限値ΔZ(max)は、カンチレバーの圧
縮時での最大のたわみ量であり、カンチレバーが試料を
圧縮する方向に加わる作用力の限界値に対応している。
また、下限値Z(min)は、カンチレバーの引っ張り時
での最大のたわみ量であり、カンチレバーが試料を引っ
張る方向に加わる作用力の限界値である。上限値ΔZ
(max)及び下限値Z(min)は、カンチレバーと試料と
の間に発生する作用力によってカンチレバーあるいは試
料に損傷が生じない最大値あるいはその最大値に所定の
安全率を乗じた値に対応してものを用いる(ステップS
1)。The upper limit value ΔZ (max) is the maximum amount of deflection when the cantilever is compressed, and corresponds to the limit value of the acting force applied in the direction in which the cantilever compresses the sample.
The lower limit Z (min) is the maximum amount of deflection when the cantilever is pulled, and is the limit value of the acting force applied in the direction in which the cantilever pulls the sample. Upper limit ΔZ
(Max) and the lower limit Z (min) correspond to the maximum value at which the cantilever or the sample is not damaged by the action force generated between the cantilever and the sample, or a value obtained by multiplying the maximum value by a predetermined safety factor. Use things (Step S
1).
【0025】スキャナをx,y方向の走査して測定点に
移動し(ステップS2)、スキャナのZ軸を動作させて
フォースカーブを測定するために、スキャナ位置Ziを
初期位置Zsに設定する。また、スキャナのZ軸の最初
の移動方向を設定する。ここでは、移動方向としてカン
チレバーと試料とが接近し、圧縮力が発生する移動方向
の極性Pを(+)とし、カンチレバーと試料とが離隔
し、引っ張り力が発生する移動方向の極性Pを(−)と
して、初期の移動方向を(+)に設定する(ステップS
3)。The scanner is moved in the x and y directions to a measurement point (step S2), and the scanner position Zi is set to the initial position Zs in order to operate the scanner's Z axis and measure a force curve. Also, the initial movement direction of the Z axis of the scanner is set. Here, as the moving direction, the cantilever and the sample approach each other, and the polarity P in the moving direction in which a compressive force is generated is (+), and the polarity P in the moving direction in which the cantilever is separated from the sample and a tensile force is generated is (+). As −), the initial movement direction is set to (+) (Step S)
3).
【0026】スキャナ位置Ziを移動させながら、カン
チレバーのたわみ量ΔZを測定し(ステップS4)、比
較手段11aにおいて上限値ΔZ(max)と比較する。
たわみ量ΔZが上限値ΔZ(max)となるまでスキャナ
位置Ziを移動させ、たわみ量ΔZが上限値ΔZ(ma
x)となった時点でスキャナ位置Ziの移動を停止し
(ステップS5)、このときのスキャナ位置Zi(ma
x)を記憶する(ステップS6)。While moving the scanner position Zi, the deflection amount ΔZ of the cantilever is measured (step S4), and compared with the upper limit value ΔZ (max) in the comparison means 11a.
The scanner position Zi is moved until the deflection amount ΔZ reaches the upper limit value ΔZ (max), and the deflection amount ΔZ is shifted to the upper limit value ΔZ (ma
x), the movement of the scanner position Zi is stopped (step S5), and the scanner position Zi (ma
x) is stored (step S6).
【0027】次に、スキャナの移動方向極性を(−)と
し、カンチレバーを試料から放す方向に移動させる(ス
テップS7)。スキャナ位置Ziを移動させながら、カ
ンチレバーのたわみ量ΔZを測定し(ステップS8)、
比較手段11aにおいて下限値ΔZ(min)と比較す
る。たわみ量ΔZが下限値ΔZ(min))となるまでス
キャナ位置Ziを移動させ、たわみ量ΔZが下限値ΔZ
(min))となった時点でスキャナ位置Ziの移動を停
止し(ステップS5)、このときのスキャナ位置Zi
(min)を記憶する(ステップS10)。ステップS3
からステップS10の工程を、測定点を移動させながら
繰り返すことによって、試料表面の測定領域の表面形状
及び吸着力分布を求めることができる。Next, the polarity of the scanner in the moving direction is set to (-), and the cantilever is moved in a direction of releasing from the sample (step S7). The deflection ΔZ of the cantilever is measured while moving the scanner position Zi (step S8),
The comparator 11a compares the value with the lower limit value ΔZ (min). The scanner position Zi is moved until the deflection amount ΔZ becomes the lower limit value ΔZ (min), and the deflection amount ΔZ is reduced to the lower limit value ΔZ.
(Min)), the movement of the scanner position Zi is stopped (step S5), and the scanner position Zi at this time is stopped.
(Min) is stored (step S10). Step S3
By repeating the steps from S10 to S10 while moving the measurement point, the surface shape and the adsorption force distribution of the measurement area on the sample surface can be obtained.
【0028】[0028]
【発明の効果】以上説明したように、走査型プローブ顕
微鏡による表面形状観察及び吸着力測定において、試料
に対する過剰な力の作用を防止すると共に、測定精度を
高めることができる。As described above, in the observation of the surface shape and the measurement of the attraction force by the scanning probe microscope, it is possible to prevent the action of an excessive force on the sample and to improve the measurement accuracy.
【図1】本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成図であ
り、走査型原子間力顕微鏡を例とした図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning probe microscope of the present invention, and is a diagram illustrating a scanning atomic force microscope as an example.
【図2】カンチレバーに働くたわみ量ΔZ(作用力)の
限界値及び位置制御の関係を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a relationship between a limit value of a deflection amount ΔZ (action force) acting on a cantilever and position control.
【図3】本発明の測定手段の構成を説明するブロック図
である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a measuring unit according to the present invention.
【図4】本発明の測定手段が行う動作を説明するための
フローチャートである。FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation performed by the measuring means of the present invention.
【図5】カンチレバーと試料との位置関係を説明するた
めの概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a positional relationship between a cantilever and a sample.
【図6】フォースカーブ測定における位置と作用力との
関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a position and an acting force in a force curve measurement.
1…測定部、2…カンチレバー、3…変位検出系、4…
駆動系、5…設定手段、6…表示部、11…フォースカ
ーブ測定手段、11a…比較手段、11b…スキャナ位
置算出手段、12…表面形状測定手段、12a…試料高
さ算出手段、12b…表面形状記憶手段、13…吸着力
マッピング測定手段、13a…吸着力算出手段、13b
…吸着力分布記憶手段、14…記憶手段、20…探針、
31…レーザー発振器、32,33…ミラー、34…フ
ォトダイオード、35…A/D変換器、41…D/A変
換器、42…スキャナドライバ、43…スキャナ、S…
試料。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measurement part, 2 ... Cantilever, 3 ... Displacement detection system, 4 ...
Drive system, 5 setting means, 6 display unit, 11 force curve measuring means, 11a comparing means, 11b scanner position calculating means, 12 surface shape measuring means, 12a sample height calculating means, 12b surface Shape memory means, 13 ... Attraction force mapping measurement means, 13a ... Attraction force calculation means, 13b
... attracting force distribution storage means, 14 ... storage means, 20 ... probe,
31 laser oscillator, 32, 33 mirror, 34 photodiode, 35 A / D converter, 41 D / A converter, 42 scanner driver, 43 scanner, S
sample.
Claims (1)
の圧縮及び引っ張りの限界値を設定し、測定される作用
力が設定限界値で定められる範囲内となるようにカンチ
レバーあるいは試料の位置制御を行い、カンチレバーの
変位に基づいてカンチレバーと試料との間に働く作用力
を測定するフォースカーブ測定手段を備え、圧縮設定限
界値となる位置データを用いた表面形状測定と、引っ張
り設定限界値となる位置データを用いた吸着力測定と
を、カンチレバーを試料表面上で各測定点ごとに移動さ
せながら行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。1. A method for controlling the position of a cantilever or a sample so as to set a limit value of compression and tension of an acting force acting between a cantilever and a sample, and to set a measured acting force within a range defined by a set limit value. Performing force curve measurement means for measuring the acting force acting between the cantilever and the sample based on the displacement of the cantilever, surface shape measurement using the position data serving as the compression set limit value, and the tension set limit value A scanning probe microscope characterized in that an adsorption force measurement using position data is performed while moving a cantilever at each measurement point on a sample surface.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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