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JP3883790B2 - Scanning atomic force microscope - Google Patents

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JP3883790B2
JP3883790B2 JP2000204074A JP2000204074A JP3883790B2 JP 3883790 B2 JP3883790 B2 JP 3883790B2 JP 2000204074 A JP2000204074 A JP 2000204074A JP 2000204074 A JP2000204074 A JP 2000204074A JP 3883790 B2 JP3883790 B2 JP 3883790B2
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JP
Japan
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actuator
probe
atomic force
force microscope
detection signal
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JP2000204074A
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昭彦 本間
隆一 松崎
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Hitachi High Tech Science Corp
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SII NanoTechnology Inc
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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
    • G01Q10/065Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
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  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型原子間力顕微鏡(AFM)等の走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、従来のコンタクトモードおよびタッピングモードが抱える問題を補完して、表面が極めて柔らかい試料を安定して観察でき、かつSN比の良好な測定を実現できる走査型プローブ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
表面が極めて柔らかい試料をコンタクトモードで観察するためには、探針を試料表面に非常に弱い力で接触させなければならず、探針に作用する原子間力を非常に弱くする必要がある。探針に作用する原子間力を弱くするために、従来からカンチレバーのばね定数を極めて小さい値にするか、もしくは探針をフォースカーブ上の原子間力の弱い位置に設置することが行われている。
【0003】
しかしながら、前者の場合には、カンチレバーの厚みを極めて薄くしなければならず、製造が難しいという問題、および横方向から働く摩擦力の影響を受けて検出信号のSN比を劣化させるという問題があった。後者の場合には、探針をフォースカーブ上の引力が一番強く働く位置近傍(図4のA領域付近)に設定する必要がある。しかしながら、通常のフィードバック制御では、試料表面の急峻な傾斜部分を走査した場合には、探針が図4のB位置を越えてC領域に移ってしまい、制御の極性が反転して探針の追従が不安定になるという問題があった。なお、図4の横軸はZ軸方向の探針の変位、縦軸は原子間力を表している。
【0004】
一方、表面が極めて柔らかい試料を観察するのに適した他の測定方法として、タッピングモード(tapping mode)が知られている。この測定方法では、カンチレバーを自励振動させて試料表面を軽く叩き、この叩き具合が一定になるようにサーボ系でカンチレバーのZ方向の位置をフィードバックすることにより、試料表面の形状データを得ることができ、例えば、特開平7−270434号公報に開示されている。
【0005】
このタッピングモードでは、表面が極めて柔らかい試料に探針を近付けると、探針が試料に近付くに従い、カンチレバーの自励振動が減衰していく。このため、カンチレバーの振幅が小さくなり、探針が試料に極めて近付いた状態では、検出信号のSN比が低下し、かつフィードバック制御自体が不安定になるという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の測定方法で、表面が極めて柔らかい試料を観察しようとすると、コンタクトモードおよびタッピングモードのいずれの方法でも、検出信号のSN比が良好とならず、かつフィードバック制御を安定的に行うことができないという問題があった。
【0007】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、表面が極めて柔らかい試料等を、検出信号の精度(SN比)が高く、かつ信頼性の高いフィードバック制御で観察することのできる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、探針をZ方向に微動させて試料表面に近接させたままXY方向に走査して表面形状を観察する走査型プローブ顕微鏡において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【0009】
(1) 探針をZ方向へ駆動する第1のアクチュエータを有し、前記探針の検出体から出力される検出信号を目標値と比較しながら前記第1のアクチュエータをフィードバック制御する第1の制御系と、前記探針をZ方向へ駆動する第2のアクチュエータを有し、前記検出体から出力される検出信号が予定の範囲内に納まるように前記第2のアクチュエータを制御する第2の制御系とを具備した。
【0010】
(2) 探針を試料表面で振動させる加振手段を第2の制御系に設けた。
【0011】
上記した特徴(1) によれば、検出体から出力される検出信号が一定値幅の中に納まるように第2のアクチュエータを駆動することができるので、探針をフォースカーブ上の原子間力の弱い位置に安定的に設置および維持できるようになる。このため、コンタクトモードと同様の制御でありながら、従来のコンタクトモードでは観察が難しかった、表面が極めて柔らかい試料を、傷つけることなく高い精度で観察できるようになる。
【0012】
上記した特徴(2) によれば、試料表面の形状変化に対する探針の応答性、追従性が向上するのみならず、試料の表面形状を代表する低周波成分のみを検出信号から選択的に抽出できるようになるので、SN比の高い観察像を得られるようになる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図1は、本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の第1実施形態のブロック図であり、第1および第2の制御系を備えている。
【0014】
第1の制御系は、カンチレバー10の撓み量を検出する検出器11、検出器11から出力された検出信号Vs から高周波成分を除去するローパスフィルタ12、カンチレバー10の先端に設けられた探針9の位置に関する目標値(設定電圧VR )を設定する目標値設定部13、前記検出信号Vs と前記目標値VR とを比較する比較器14、PI(比例積分)制御部15、Z軸制御用の第1のアクチュエータ16およびそのドライバ回路である電流源17から構成されている。
【0015】
前記第1の制御系は、Z方向のフィードバック制御系を構成しており、電流源17は、PI制御部15からの制御信号に対応した電流をボイスコイル21に流し、探針9と試料31の表面との距離が常に一定になるように、スピンドル8を介して撓み量検出器11の位置を制御する。PI制御部15は、探針9のZ方向変位に対応した制御信号を電流源17および画像信号増幅器18に出力する。画像信号増幅器18で増幅された信号は、図示されていないモニタ装置に送られ、モニタ装置の画面上に試料表面の観察像が映し出される。
【0016】
第2の制御系は、カンチレバー10の撓み量を検出する撓み量検出器11、カンチレバー10をZ方向に駆動する第2のアクチュエータ41、前記撓み量検出器11から出力された検出信号Vs の上限値および下限値を監視する上、下限値監視部42、検出信号が上限値または下限値に達すると検出信号を逆方向に変化させるための駆動信号を発生する駆動信号発生部43およびスイッチ手段44から構成されている。
【0017】
前記第2のアクチュエータ41は第1のアクチュエータ16よりも検出体11に近い位置に配置されている。第2のアクチュエータ41の応答は第1のアクチュエータ16の応答よりも速く、第2のアクチュエータ41のQ値(共振の選択性)は第1のアクチュエータ16のQ値よりも極めて高い。
【0018】
前記スイッチ手段44がオンの時には、前記駆動信号発生部43から発生した駆動信号が、例えばピエゾ素子から構成された前記第2のアクチュエータ41に供給される。第2のアクチュエータ41は、前記第1のアクチュエータ16よりもカンチレバー10に近い位置に設置され、第1のアクチュエータ16より高い周波数特性、つまり応答が速く、また第1のアクチュエータ16より極めて高い共振周波数のQ値を有している。なお、前記上、下限値は、前記目標値設定部13で設定される設定電圧VR と連動して設定される。
【0019】
前記上、下限値監視部42および駆動信号発生部43は、検出信号Vs にリミッタをかける働きをするものであり、ソフト構成またはハード構成で実現できる。図2はソフトで構成する場合のフローチャートである。ステップS1では、スイッチ手段44がオンされたか否かを判断し、オフの場合にはオンされるまで待機する。スイッチ手段44がオンされると、ステップS2では、検出信号VS が予め設定された上限値VH 以下か否かが判断される。この判断が肯定であれば、ステップS3ににおいて、検出信号VS が予め設定された下限値VL 以上であるか否かが判断される。この判断が肯定であれば、ステップS4において、駆動信号発生部43が0電圧の駆動信号V0 を第2のアクチュエータ41へ出力する。
【0020】
一方、前記ステップS2の判断が否定になると、ステップS5に進んで、駆動信号発生部43は駆動信号V1 (例えば、+10V)を出力する。また、前記前記ステップS3の判断が否定になると、ステップS6に進んで、駆動信号発生部43は駆動信号V2 (例えば、−10V)を出力する。
【0021】
図3は、前記上、下限値監視部42および駆動信号発生部43をハード構成で実現した場合の回路図である。図3の回路は、検出信号Vs が上限値に達したか否かを検出し、上限値に達した時に駆動信号VP0(=V1 )を出力する第1系統回路と、検出信号Vs が下限値に達したか否かを検出し、下限値に達した時に駆動信号VP0(V2 )を出力する第2系統回路とから構成されている。
【0022】
前記第1系統回路は、非反転入力端子に検出信号VS が入力し、反転入力端子に上限閾値VH (=VR +ΔVH )が入力する第1の比較器51aと、例えば+10Vのクランパを構成する第1のツェナダイオード52aと、第1のバッファアンプ53aと、加算回路54とから構成されている。第2系統回路は、反転入力端子に検出信号VS が入力し、非反転入力端子に下限閾値VL (=VR −ΔVL )が入力する第2の比較器51bと、例えば−10Vのクランパを構成する第2のツェナダイオード52bと、第2のバッファアンプ53bと、加算回路54とから構成されている。
【0023】
加算回路54の出力は、駆動増幅器55で増幅されて駆動信号VP0となり、前記第2のアクチュエータ41に供給される。なお、前記ΔVH およびΔVL は、前記設定電圧VR と連動して決定される。
【0024】
次に、本実施形態の動作を、図1〜図4を参照して説明する。図1の目標値設定部13では、探針9の目標位置を図4のフォースカーブ上の原子間力の弱い位置S点に設定するための設定電圧VR が登録される。また、このS点の前後の位置S−△S、S+△Sに対応する上限閾値VH および下限閾値VL が、図示のように登録される。S+△SはB点を越えないようにする必要がある。
【0025】
次いで、スイッチ手段44をオフにした状態で前記第1の制御系を動作させると、まず探針9のZ粗動が行われて探針9と試料31との間隙は少しずつ接近し、カンチレバー10は、探針9が感知する試料31からの原子間力を検出する。探針9がフォースカーブ上の前記目標位置Sに達したことをカンチレバー10が検知するとZ粗動は停止する。
【0026】
Z粗動が終ると、スイッチ手段44がオンにされ、第2の制御系が有効にされる。次いで、X方向のボイスコイル22、およびY方向のボイスコイル(図示せず)を動作させて、探針9を試料31上でX,Y方向に走査させる。試料31の表面形状の情報はカンチレバー10の撓み量として検出され、撓み量検出器11から検出信号Vs として出力される。該検出信号Vs はローパスフィルタ12および上、下限値監視部42に入力される。
【0027】
上、下限値監視部42は、前記検出信号Vs が上限値VH に達したか、あるいは下限値VL に達したかを監視し、上限値VH に達すると、検出信号Vs が小さくなるようにカンチレバー10を動作させる駆動信号Vp0が第2のアクチュエータ41へ出力されるように駆動信号発生部43を制御する。その結果、第2のアクチュエータ41が動作して、図4のS−ΔSの位置に来た探針9は、目標位置Sの方向に移動する。探針9が目標位置Sの方向に移動すると、検出信号Vs ≦VH の条件が満足され、第2のアクチュエータ41に印加される駆動信号は停止される。
【0028】
一方、検出信号Vs が下限値VL に達した場合には、駆動信号発生部43は検出信号Vs が大きくなるようにカンチレバー10を動作させる駆動信号Vp0を第2のアクチュエータ41に出力する。第2のアクチュエータ41は、この駆動信号Vp0に応答して、S+ΔSの位置に来た探針9を目標位置Sの方向に移動させる。探針9が目標位置Sの方向に移動すると、検出信号Vs ≧VL の条件が満足され、第2のアクチュエータ41に印加される駆動信号は停止される。
【0029】
以上の動作により、撓み量検出器11から出力される検出信号Vs には、高周波信号が重畳されることになるが、この高周波信号は高周波成分を十分に遮断するカットオフ値を有する前記ローパスフィルタ12で除去され、比較器14の非反転入力端子に入力される。したがって、前記第1の制御系は、従来通りのフィードバック制御を行うことができる。
【0030】
本実施形態によれば、前記第1の制御系のみに着目すると、従来のコンタクトモードと同様な動作が行われ、PI制御部15から出力される制御信号が試料表面の凹凸を反映させる観察画像信号となる。また、第2の制御系を考えると、探針9がフォースカーブ上の原子間力の弱い位置、すなわち図4のSを中心とするS±ΔSの範囲内に置かれることになり、探針9は非常に弱い力で安定的に、すなわち、前記フォースカーブ上のB点を飛び越えることなく試料表面に接触することになる。したがって、表面が極めて柔らかい試料を傷つけることなく、高い精度で観察できるようになる。
【0031】
図5は、本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の第2実施形態のブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【0032】
本実施形態では、第2の制御系の駆動信号発生部43の後段に、第2のアクチュエータ41の共振周波数およびその近傍の周波数を通過帯域とする、加振手段としてのバンドパスフィルタ49を設けている。このような構成によれば、探針9を、前記上限値VH および下限値VL の範囲内の振幅で、かつ第2のアクチュエータ41の共振周波数近傍の周波数で振動させることができる。
【0033】
図6、7は、勾配が急峻な段差部を、第1実施形態のように探針9を振動させることなく走査させた場合[図6]と、第2実施形態のように探針9を振動させながら走査させた場合[図7]との、探針9と試料表面との相対的な位置関係[同図(a) ]、アクチュエータ41の出力信号の波形図[同図(b) ]およびその周波数スペクトラム[同図(c) ]を模式的に示した図である。
【0034】
第1実施形態では、図6(a) に示したように、試料表面の形状変化に応答して探針9と試料表面との間隙が比較的低い周波数で不規則に変化する。したがって、アクチュエータ41の出力信号のうち、段差部に相当する周波数成分を除いた信号波形は、同図(b) に示したようになる。このため、その周波数スペクトラムは、同図(c) に示したように、ローパスフィルタ12のカットフ周波数fcut 以下にも低周波成分を含み、これがノイズとなってSN比を低下させる場合がある。
【0035】
これに対して、本発明の第2実施形態では、図7(a) に示したように、試料表面の形状変化にかかわらず探針9が一定の周波数で振動し続ける。したがって、アクチュエータ41の出力信号のうち、段差部に相当する周波数成分を除いた波形は、同図(b) に示したようになる。このため、その周波数スペクトラムは、同図(c) に示したようにバンドパスフィルタ49の中心周波数fm を基本波とするため、ローパスフィルタ12のカットフ周波数fcut を図示したように設定すれば、ノイズの混入を大幅に低減させることができる。
【0036】
なお、上記した第2実施形態では、探針9を振動させる加振手としてバンドパスフィルタ49を第2の制御系内に組み込むものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、Q値の大きなローパスフィルタであっても良い。
【0037】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) 第1のアクチュエータをフィードバック制御し、かつ検出体から出力される検出信号が一定値幅の中に納まるように第2のアクチュエータを駆動するようにしているので、探針をフォースカーブ上の原子間力の弱い位置に安定的に設置および維持できるようになる。このため、コンタクトモードと同様の制御でありながら、従来のコンタクトモードでは観察が難しかった極めて柔らかい表面をもつ試料を、これを傷つけることなく、高い精度で観察できるようになる。
(2) 検出体は自励振動ではないので、検出体試料に極めて接近しても振動振幅は変化しない。このため、探針が試料に極めて接近した場合でも、検出信号のSN比は劣化せず、検出特性を安定させることができるようになる。
(3) 第2の制御系の機能により、試料表面に粘性の高い物質が付着していても、検出体の周波数応答が変化したり、第1の制御系が不安定になったり、あるいは制御のループゲインが上げられなくなったりすることを防止できるので、試料の観察を安定的に行えるようになる。
(4) 第2の制御系の機能により、試料面に対する走査中すなわち観察中に生じる第1の制御系における追従誤差が吸収されるため、制御系全体の追従性が向上する。このため、従来のコンタクトモードもしくはタッピングモードに比較して、高速な走査が可能になり、観察時間を短縮できるようになる。
(5) 探針を振動させながら試料表面で走査すれば、試料表面の形状変化に対する探針の応答性(追従性)が向上し、さらには、試料の表面形状を代表する低周波成分のみを選択的に抽出できるようになるので、SN比の高い観察像を得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の構成を示したブロック図である。
【図2】図1の上、下限値監視部および駆動信号発生部の一具体例を示すフローチャートである。
【図3】図1の上、下限値監視部および駆動信号発生部の他の具体例を示す回路図である。
【図4】フォースカーブを示す図である。
【図5】本発明の第2実施形態の構成を示したブロック図である。
【図6】第1実施形態の動作を示した信号波形図である。
【図7】第2実施形態の動作を示した信号波形図である。
【符号の説明】
9…探針、10…カンチレバー、11…撓み量検出器、12…ローパスフィルタ、13…目標値設定部、14…比較器、15…PI制御部、16…第1のアクチュエータ、17…電流源、41…2のアクチュエータ、42…上、下限値監視部、43…駆動信号発生部、44…スイッチ手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning probe microscope such as a scanning atomic force microscope (AFM). In particular, the present invention complements the problems of the conventional contact mode and tapping mode, and can stably observe a sample with a very soft surface. In addition, the present invention relates to a scanning probe microscope that can realize measurement with a good SN ratio.
[0002]
[Prior art]
In order to observe a sample with an extremely soft surface in the contact mode, the probe must be brought into contact with the sample surface with a very weak force, and the atomic force acting on the probe must be made very weak. In order to weaken the interatomic force acting on the probe, conventionally, the spring constant of the cantilever has been made extremely small, or the probe has been installed at a position where the interatomic force is weak on the force curve. Yes.
[0003]
However, in the former case, there is a problem that the thickness of the cantilever has to be extremely thin, making it difficult to manufacture, and a problem of degrading the S / N ratio of the detection signal due to the influence of the frictional force acting from the lateral direction. It was. In the latter case, it is necessary to set the probe near the position where the attractive force on the force curve is the strongest (near the region A in FIG. 4). However, in normal feedback control, when a steeply inclined portion of the sample surface is scanned, the probe moves to the C region beyond the position B in FIG. There was a problem that the tracking became unstable. In FIG. 4, the horizontal axis represents the displacement of the probe in the Z-axis direction, and the vertical axis represents the atomic force.
[0004]
On the other hand, a tapping mode is known as another measurement method suitable for observing a sample having a very soft surface. In this measurement method, the cantilever is self-excited and the sample surface is struck lightly, and the shape data of the sample surface is obtained by feeding back the position of the cantilever in the Z direction with a servo system so that the tapping condition is constant. For example, it is disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 7-270434.
[0005]
In this tapping mode, when the probe approaches a sample with an extremely soft surface, the self-excited vibration of the cantilever attenuates as the probe approaches the sample. For this reason, when the amplitude of the cantilever is reduced and the probe is very close to the sample, there is a problem that the SN ratio of the detection signal is lowered and the feedback control itself becomes unstable.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when an attempt is made to observe a sample with a very soft surface using the conventional measurement method, the SN ratio of the detection signal is not good in both the contact mode and the tapping mode, and the feedback control is stable. There was a problem that could not be done.
[0007]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and a scanning type capable of observing a sample or the like having a very soft surface by feedback control with high detection signal accuracy (SN ratio) and high reliability. It is to provide a probe microscope.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a scanning probe microscope in which the probe is finely moved in the Z direction and scanned in the XY direction while being close to the sample surface to observe the surface shape as follows. Characterized by the measures taken.
[0009]
(1) a first actuator that drives the probe in the Z direction, and feedback-controls the first actuator while comparing a detection signal output from the detection body of the probe with a target value A second actuator for controlling the second actuator so that a detection signal output from the detection body falls within a predetermined range; and a second actuator for driving the probe in the Z direction. And a control system.
[0010]
(2) Excitation means for vibrating the probe on the sample surface was provided in the second control system.
[0011]
According to the above feature (1), since the second actuator can be driven so that the detection signal output from the detection body falls within a certain value width, the probe is moved by the atomic force on the force curve. It becomes possible to stably install and maintain a weak position. For this reason, while controlling in the same manner as in the contact mode, a sample with an extremely soft surface, which was difficult to observe in the conventional contact mode, can be observed with high accuracy without being damaged.
[0012]
According to the above feature (2), not only the responsiveness and followability of the probe to the shape change of the sample surface is improved, but also only the low frequency component representing the sample surface shape is selectively extracted from the detection signal. As a result, an observation image with a high S / N ratio can be obtained.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of a scanning probe microscope to which the present invention is applied, and includes first and second control systems.
[0014]
The first control system includes a detector 11 that detects the amount of bending of the cantilever 10, a low-pass filter 12 that removes a high-frequency component from the detection signal Vs output from the detector 11, and a probe 9 provided at the tip of the cantilever 10. A target value setting unit 13 for setting a target value (set voltage VR) relating to the position of the sensor, a comparator 14 for comparing the detection signal Vs with the target value VR, a PI (proportional integration) control unit 15, and a Z-axis control unit. It comprises a first actuator 16 and a current source 17 that is a driver circuit thereof.
[0015]
The first control system constitutes a feedback control system in the Z direction, and the current source 17 causes the current corresponding to the control signal from the PI control unit 15 to flow through the voice coil 21, and the probe 9 and the sample 31. The position of the deflection amount detector 11 is controlled via the spindle 8 so that the distance from the surface of the substrate is always constant. The PI control unit 15 outputs a control signal corresponding to the displacement of the probe 9 in the Z direction to the current source 17 and the image signal amplifier 18. The signal amplified by the image signal amplifier 18 is sent to a monitor device (not shown), and an observation image of the sample surface is displayed on the screen of the monitor device.
[0016]
The second control system includes a deflection amount detector 11 that detects the deflection amount of the cantilever 10, a second actuator 41 that drives the cantilever 10 in the Z direction, and an upper limit of the detection signal Vs output from the deflection amount detector 11. In addition to monitoring the value and the lower limit value, the lower limit value monitoring unit 42, the drive signal generating unit 43 for generating a drive signal for changing the detection signal in the reverse direction when the detection signal reaches the upper limit value or the lower limit value, and the switch means 44 It is composed of
[0017]
The second actuator 41 is disposed closer to the detection body 11 than the first actuator 16. The response of the second actuator 41 is faster than the response of the first actuator 16, and the Q value (resonance selectivity) of the second actuator 41 is much higher than the Q value of the first actuator 16.
[0018]
When the switch means 44 is on, the drive signal generated from the drive signal generator 43 is supplied to the second actuator 41 composed of, for example, a piezo element. The second actuator 41 is installed at a position closer to the cantilever 10 than the first actuator 16, and has a higher frequency characteristic than the first actuator 16, that is, a quick response, and an extremely high resonance frequency than the first actuator 16. Q value of The upper and lower limits are set in conjunction with the set voltage VR set by the target value setting unit 13.
[0019]
The upper and lower limit monitoring units 42 and the drive signal generating unit 43 serve to limit the detection signal Vs, and can be realized by a software configuration or a hardware configuration. FIG. 2 is a flowchart in the case of software configuration. In step S1, it is determined whether or not the switch means 44 is turned on, and if it is off, it waits until it is turned on. When the switch means 44 is turned on, it is determined in step S2 whether or not the detection signal VS is less than or equal to a preset upper limit value VH. If this determination is affirmative, it is determined in step S3 whether or not the detection signal VS is greater than or equal to a preset lower limit value VL. If this determination is affirmative, the drive signal generator 43 outputs a 0-voltage drive signal V0 to the second actuator 41 in step S4.
[0020]
On the other hand, if the determination in step S2 is negative, the process proceeds to step S5, where the drive signal generator 43 outputs a drive signal V1 (for example, + 10V). If the determination in step S3 is negative, the process proceeds to step S6, where the drive signal generator 43 outputs a drive signal V2 (for example, -10V).
[0021]
FIG. 3 is a circuit diagram in the case where the upper and lower limit monitoring units 42 and the drive signal generation unit 43 are realized by a hardware configuration. The circuit of FIG. 3 detects whether or not the detection signal Vs has reached the upper limit value, and outputs the drive signal VP0 (= V1) when the upper limit value is reached, and the detection signal Vs has the lower limit value. And a second system circuit that outputs a drive signal VP0 (V2) when the lower limit value is reached.
[0022]
The first system circuit constitutes a clamper of, for example, + 10V, with a first comparator 51a in which the detection signal VS is input to the non-inverting input terminal and the upper threshold value VH (= VR + ΔVH) is input to the inverting input terminal. 1 zener diode 52 a, first buffer amplifier 53 a, and adder circuit 54. The second system circuit constitutes a clamper of, for example, -10V, with a second comparator 51b in which the detection signal VS is input to the inverting input terminal and the lower limit threshold VL (= VR-.DELTA.VL) is input to the non-inverting input terminal. The second Zener diode 52b, the second buffer amplifier 53b, and the adder circuit 54 are included.
[0023]
The output of the adder circuit 54 is amplified by the drive amplifier 55 to become a drive signal VP0 and supplied to the second actuator 41. The ΔVH and ΔVL are determined in conjunction with the set voltage VR.
[0024]
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS. In the target value setting unit 13 of FIG. 1, a setting voltage VR for setting the target position of the probe 9 to the position S point where the atomic force is weak on the force curve of FIG. 4 is registered. Further, the upper limit threshold value VH and the lower limit threshold value VL corresponding to the positions S−ΔS and S + ΔS before and after the point S are registered as shown in the figure. S + ΔS must not exceed point B.
[0025]
Next, when the first control system is operated with the switch means 44 turned off, the probe 9 is first subjected to rough Z movement, and the gap between the probe 9 and the sample 31 gradually approaches, and the cantilever is moved. 10 detects an atomic force from the sample 31 sensed by the probe 9. When the cantilever 10 detects that the probe 9 has reached the target position S on the force curve, the Z coarse movement stops.
[0026]
When the Z coarse movement is finished, the switch means 44 is turned on, and the second control system is enabled. Then, the voice coil 22 in the X direction and the voice coil (not shown) in the Y direction are operated to scan the probe 9 on the sample 31 in the X and Y directions. Information on the surface shape of the sample 31 is detected as a deflection amount of the cantilever 10 and is output from the deflection amount detector 11 as a detection signal Vs. The detection signal Vs is input to the low-pass filter 12 and the upper / lower limit monitoring unit 42.
[0027]
The upper and lower limit monitoring unit 42 monitors whether the detection signal Vs has reached the upper limit value VH or the lower limit value VL. When the detection signal Vs reaches the upper limit value VH, the cantilever is set so that the detection signal Vs becomes smaller. The drive signal generator 43 is controlled so that the drive signal Vp0 for operating the motor 10 is output to the second actuator 41. As a result, the second actuator 41 operates, and the probe 9 that has reached the position of S−ΔS in FIG. 4 moves in the direction of the target position S. When the probe 9 moves in the direction of the target position S, the condition of the detection signal Vs ≦ VH is satisfied, and the drive signal applied to the second actuator 41 is stopped.
[0028]
On the other hand, when the detection signal Vs reaches the lower limit value VL, the drive signal generator 43 outputs a drive signal Vp0 for operating the cantilever 10 to the second actuator 41 so that the detection signal Vs becomes large. In response to the drive signal Vp0, the second actuator 41 moves the probe 9 that has reached the position of S + ΔS in the direction of the target position S. When the probe 9 moves in the direction of the target position S, the condition of the detection signal Vs ≧ VL is satisfied, and the drive signal applied to the second actuator 41 is stopped.
[0029]
As a result of the above operation, a high frequency signal is superimposed on the detection signal Vs output from the deflection amount detector 11, and the high frequency signal has a cutoff value that sufficiently blocks high frequency components. 12 is input to the non-inverting input terminal of the comparator 14. Therefore, the first control system can perform conventional feedback control.
[0030]
According to the present embodiment, focusing only on the first control system, an operation similar to that in the conventional contact mode is performed, and the control signal output from the PI control unit 15 reflects the unevenness of the sample surface. Signal. Considering the second control system, the probe 9 is placed on the force curve at a position where the interatomic force is weak, that is, within a range of S ± ΔS centering on S in FIG. 9 is in contact with the sample surface stably with a very weak force, that is, without jumping over the point B on the force curve. Therefore, it becomes possible to observe with high accuracy without damaging a sample whose surface is extremely soft.
[0031]
FIG. 5 is a block diagram of a second embodiment of a scanning probe microscope to which the present invention is applied. The same reference numerals as those described above represent the same or equivalent parts.
[0032]
In the present embodiment, a band-pass filter 49 as an excitation unit is provided in the subsequent stage of the drive signal generation unit 43 of the second control system, with the resonance frequency of the second actuator 41 and a frequency in the vicinity thereof as a pass band. ing. According to such a configuration, the probe 9 can be vibrated at an amplitude within the range between the upper limit value VH and the lower limit value VL and at a frequency near the resonance frequency of the second actuator 41.
[0033]
FIGS. 6 and 7 show a case where the stepped portion having a steep slope is scanned without vibrating the probe 9 as in the first embodiment [FIG. 6], and the probe 9 is moved as in the second embodiment. The relative positional relationship between the probe 9 and the sample surface [Fig. 7 (a)] and the waveform diagram of the output signal of the actuator 41 [Fig. 7 (b)] with respect to the case of scanning while vibrating [Fig. 7]. FIG. 3 is a diagram schematically showing the frequency spectrum [FIG. (C)].
[0034]
In the first embodiment, as shown in FIG. 6 (a), the gap between the probe 9 and the sample surface changes irregularly at a relatively low frequency in response to a change in the shape of the sample surface. Therefore, the signal waveform excluding the frequency component corresponding to the stepped portion of the output signal of the actuator 41 is as shown in FIG. For this reason, the frequency spectrum includes a low frequency component below the cut-off frequency fcut of the low-pass filter 12 as shown in FIG.
[0035]
On the other hand, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7A, the probe 9 continues to vibrate at a constant frequency regardless of the shape change of the sample surface. Therefore, the waveform excluding the frequency component corresponding to the step portion in the output signal of the actuator 41 is as shown in FIG. For this reason, the frequency spectrum is based on the center frequency fm of the band-pass filter 49 as shown in FIG. 5C, so that if the cut-off frequency fcut of the low-pass filter 12 is set as shown, noise Can be greatly reduced.
[0036]
In the second embodiment described above, the band pass filter 49 has been described as being incorporated in the second control system as a vibrator that vibrates the probe 9. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, a low-pass filter having a large Q value may be used.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects are achieved.
(1) Since the first actuator is feedback-controlled and the second actuator is driven so that the detection signal output from the detection body is within a certain value range, the probe is placed on the force curve. It will be possible to stably install and maintain at a position where the atomic force is weak. For this reason, it is possible to observe a sample having a very soft surface, which is difficult to observe in the conventional contact mode, with high accuracy without damaging the sample, although the control is similar to the contact mode.
(2) Since the detection body is not self-excited vibration, the vibration amplitude does not change even if it is very close to the detection body sample. For this reason, even when the probe is very close to the sample, the SN ratio of the detection signal does not deteriorate, and the detection characteristics can be stabilized.
(3) Due to the function of the second control system, even if a highly viscous substance adheres to the sample surface, the frequency response of the detection body changes, the first control system becomes unstable, or control It is possible to prevent the loop gain from being increased, so that the sample can be observed stably.
(4) The follow-up error in the first control system that occurs during scanning of the sample surface, that is, during observation is absorbed by the function of the second control system, so that the followability of the entire control system is improved. For this reason, compared with the conventional contact mode or tapping mode, high-speed scanning becomes possible and observation time can be shortened.
(5) Scanning the sample surface while vibrating the probe improves the probe's responsiveness (trackability) to changes in the shape of the sample surface. Furthermore, only low-frequency components that represent the sample surface shape are used. Since it can be selectively extracted, an observation image with a high S / N ratio can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a specific example of a lower limit monitoring unit and a drive signal generation unit in the upper part of FIG.
3 is a circuit diagram showing another specific example of the lower limit monitoring unit and the drive signal generation unit in the upper part of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a force curve.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a signal waveform diagram showing the operation of the first embodiment.
FIG. 7 is a signal waveform diagram showing the operation of the second embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Probe, 10 ... Cantilever, 11 ... Deflection detector, 12 ... Low pass filter, 13 ... Target value setting part, 14 ... Comparator, 15 ... PI control part, 16 ... 1st actuator, 17 ... Current source , 41... 2 actuator, 42... Upper and lower limit value monitoring unit, 43... Drive signal generating unit, 44.

Claims (10)

カンチレバーに設けられた探針をZ方向に微動させて試料表面に近接させたままXY方向に走査して表面形状を観察する走査型原子間力顕微鏡において、前記探針の位置に関する目標値を設定する目標値設定部と、前記探針をZ方向へ駆動する第1のアクチュエータを有し、前記カンチレバー撓み量検出体から出力される検出信号を前記目標値と比較しながら前記第1のアクチュエータをフィードバック制御する第1の制御系と、前記探針をZ方向へ駆動する、前記第 1 のアクチュエータよりも応答の速い第2のアクチュエータを有し、前記撓み量検出体から出力される検出信号が前記目標値の前後で予定の範囲内に納まるように前記第2のアクチュエータを制御する第2の制御系とを具備したことを特徴とする走査型原子間力顕微鏡。 In a scanning atomic force microscope that observes the surface shape by finely moving the probe provided on the cantilever in the Z direction and moving it close to the sample surface, the target value for the position of the probe is set. a target value setting unit that, first an actuator, the first actuator while the detection signal output from the deflection amount detector of the cantilever compared to the target value for driving the probe in the Z direction A detection signal output from the deflection amount detection body, and a first control system that feedback-controls, and a second actuator that drives the probe in the Z direction and has a faster response than the first actuator. There scanning atomic force microscope being characterized in that and a second control system for controlling the second actuator to fit within a predetermined range before and after said target value. 前記目標値は、フォースカーブ上の原子間力が一番弱く働く位置近傍であり、前記予定の範囲は前記原子間力が一番弱く働く位置を越えない範囲である請求項1記載の走査型原子間力顕微鏡。2. The scanning type according to claim 1, wherein the target value is in the vicinity of a position where the interatomic force on the force curve works most weakly, and the predetermined range is a range that does not exceed the position where the interatomic force works weakest. Atomic force microscope. 前記第1の制御系は、前記検出信号を入力とするローパスフィルタを有し、前記ローパスフィルタから出力された信号に対して前記目標値を設定することを特徴とする請求項1に記載の走査型原子間力顕微鏡。2. The scanning according to claim 1, wherein the first control system includes a low-pass filter that receives the detection signal, and sets the target value for a signal output from the low-pass filter. Type atomic force microscope. 前記第2の制御系は前記検出信号を予定の上限値および下限値と比較し、前記第2のアクチュエータは、前記検出信号が下限値を下回らないように前記検出体を試料に接近させ、前記検出信号が上限値を超えないように前記検出体を試料から遠ざけることを特徴とする請求項1に記載の走査型原子間力顕微鏡。The second control system compares the detection signal with a predetermined upper limit value and a lower limit value, and the second actuator causes the detection body to approach the sample so that the detection signal does not fall below the lower limit value. The scanning atomic force microscope according to claim 1, wherein the detection body is moved away from the sample so that a detection signal does not exceed an upper limit value. 前記第2のアクチュエータが第1のアクチュエータより前記撓み量検出体に近い位置に配置されたことを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載の走査型原子間力顕微鏡。It said second actuator is a scanning atomic force microscope according to any one of 4 to claims 1, characterized in that it is located closer to the deflection amount detecting body than the first actuator. 前記第2のアクチュエータのQ値(共振の選択性)が第1のアクチュエータのQ値よりも極めて高いことを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載の走査型原子間力顕微鏡。Said second actuator Q value (resonance selectivity) of the first than the Q value of the actuator, wherein the very high claims 1 to scanning atomic force microscope according to any one of 4. 前記第2の制御系は、前記探針を前記予定範囲内の振幅で振動させる加振手段を含むことを特徴とする請求項1に記載の走査型原子間力顕微鏡。2. The scanning atomic force microscope according to claim 1, wherein the second control system includes a vibrating unit that vibrates the probe with an amplitude within the predetermined range. 前記加振手段は、前記探針を第2のアクチュエータの共振周波数近傍の周波数で振動させることを特徴とすることを特徴とする請求項に記載の走査型原子間力顕微鏡。8. The scanning atomic force microscope according to claim 7 , wherein the vibration means vibrates the probe at a frequency near the resonance frequency of the second actuator. 前記加振手段が、Q値(共振の選択性)の大きなローパスフィルタであることを特徴とする請求項またはに記載の走査型原子間力顕微鏡。The scanning atomic force microscope according to claim 7 or 8 , wherein the excitation means is a low-pass filter having a large Q value (resonance selectivity). 前記加振手段が、前記第2のアクチュエータの共振周波数近傍を通過帯域とするバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項またはに記載の走査型原子間力顕微鏡。Said vibrating means, said second actuator scanning atomic force microscope according to claim 7 or 8, characterized in that the vicinity of the resonance frequency is a band-pass filter having a pass band of.
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