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JPH1038900A - Probe / sample approach mechanism of scanning probe microscope - Google Patents

Probe / sample approach mechanism of scanning probe microscope

Info

Publication number
JPH1038900A
JPH1038900A JP20778196A JP20778196A JPH1038900A JP H1038900 A JPH1038900 A JP H1038900A JP 20778196 A JP20778196 A JP 20778196A JP 20778196 A JP20778196 A JP 20778196A JP H1038900 A JPH1038900 A JP H1038900A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe
sample
cantilever
approach
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP20778196A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Kuroda
浩史 黒田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority to JP20778196A priority Critical patent/JPH1038900A/en
Publication of JPH1038900A publication Critical patent/JPH1038900A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 カンチレバーが硬い場合に、当該カンチレバ
ーに微振動と大振動を与え、カンチレバーの応答性を高
め、探針・試料間の接近動作で高速自動接近を安全に行
う走査型プローブ顕微鏡の探針・試料接近機構を提供す
る。 【解決手段】 探針12と試料16を接近させ、両者の相互
作用で表面の微細性状を測定する走査型プローブ顕微鏡
に適用され、カンチレバー11に微振動を与える発振器55
と、微振動を利用してカンチレバーに大振動を与える信
号生成機構51,52,53,54 と、大振動に対応する低周波信
号に基づいてパルス76を発生するパルス発生機構42と、
パルス信号で制御されるモータドライバ43と、探針と試
料を接近させるZステージ31とから構成される。
(57) [Summary] [PROBLEMS] When a cantilever is hard, a small vibration and a large vibration are applied to the cantilever to enhance the responsiveness of the cantilever, and a high-speed automatic approach is safely performed by an approach operation between a probe and a sample. To provide a probe / sample approach mechanism for a scanning probe microscope. SOLUTION: The oscillator 55 is applied to a scanning probe microscope in which a probe 12 and a sample 16 are brought close to each other, and the fine property of the surface is measured by an interaction between the two, and a micro vibration is applied to the cantilever 11.
A signal generating mechanism 51, 52, 53, 54 that gives a large vibration to the cantilever using micro vibration, a pulse generating mechanism 42 that generates a pulse 76 based on a low frequency signal corresponding to the large vibration,
It comprises a motor driver 43 controlled by a pulse signal, and a Z stage 31 for bringing the probe and the sample closer.

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】本発明は走査型プローブ顕微
鏡の探針・試料接近機構に関し、特に、探針・試料の接
近動作がパルス信号で制御されるステッピングモータ等
で行われるように構成され、高速接近を安全に行える走
査型プローブ顕微鏡の探針・試料接近機構に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a probe / sample approaching mechanism of a scanning probe microscope, and more particularly to a probe / sample approaching mechanism which is operated by a stepping motor or the like controlled by a pulse signal. The present invention relates to a probe / sample approach mechanism of a scanning probe microscope capable of safely approaching at high speed.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば原子間力顕微鏡で、試料の表面の
観察を行うとき、その前の段階で試料表面に対して、カ
ンチレバーの先部に設けた探針を所定の微小距離まで接
近させることが必要である。そのため、原子間力顕微鏡
は探針・試料接近機構を備える。この探針・試料接近機
構の動作の制御では、探針が試料に衝突することにより
探針および試料が損傷することを避けることが重要であ
る。このような機能を有する従来の探針・試料接近機構
の一例として、特開平5−45111号公報に開示され
る技術を挙げる。当該技術文献は、走査型プローブ顕微
鏡においてプローブ(探針)を、試料に衝突させること
なく、自動的に接近させるプローブ自動接近機構を開示
する。このプローブ自動接近機構は、プローブを微動さ
せる微動機構と、試料台を移動させる粗動機構と、これ
らの微動機構と粗動機構の各動作を制御する制御手段と
からなり、この制御手段は、試料とプローブとの間隔を
検出し、当該距離が所定の距離になったと判断すると、
粗動機構の動作を停止させ、かつ微動機構を、当該プロ
ーブが試料から離れる方向に退避させる。このように、
大きな動作を生じる粗動機構を停止させることと、微動
機構によってプローブを退避させることによってプロー
ブと試料との衝突を避けるようにしている。微動機構に
退避動作を行わせるときには、通常の制御のときに使用
されるフィードバック回路を使用しないようにし、応答
性を高めている。
2. Description of the Related Art For example, when observing the surface of a sample with an atomic force microscope, a probe provided at the tip of a cantilever is brought close to a predetermined minute distance from the surface of the sample in a stage before the observation. is required. Therefore, the atomic force microscope has a probe / sample approach mechanism. In controlling the operation of the probe / sample approach mechanism, it is important to avoid damage to the probe and the sample due to collision of the probe with the sample. As an example of a conventional probe / sample approach mechanism having such a function, there is a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-45111. This technical document discloses a probe automatic approach mechanism that automatically causes a probe (tip) to approach a sample in a scanning probe microscope without colliding with a sample. The probe automatic approach mechanism includes a fine movement mechanism for finely moving the probe, a coarse movement mechanism for moving the sample stage, and control means for controlling each operation of these fine movement mechanism and coarse movement mechanism. When the distance between the sample and the probe is detected and it is determined that the distance has reached a predetermined distance,
The operation of the coarse movement mechanism is stopped, and the fine movement mechanism is retracted in a direction in which the probe moves away from the sample. in this way,
The collision between the probe and the sample is avoided by stopping the coarse movement mechanism that causes a large motion and retracting the probe by the fine movement mechanism. When the fine movement mechanism performs the retreat operation, the feedback circuit used in the normal control is not used, and the responsiveness is improved.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記の従来装置では、
粗動機構の動作と微動機構の動作を組合せて試料への探
針の接近を急停止し、探針と試料の接触を防止してい
る。かかる構成では、微動機構の動作特性によってその
応答性が決まるが、当該応答性に関する周波数は一般的
には数kHzである。しかしながら、現在、原子間力顕
微鏡の測定は、さらなる高速化が要求されており、上記
微動機構の応答性によれば接近速度の高速化の障害にな
っていた。このことは、原子間力顕微鏡だけではなく、
類似の構成を有する走査型プローブ顕微鏡にとって一般
的な問題である。
In the above-mentioned conventional apparatus,
The approach of the probe to the sample is suddenly stopped by combining the operation of the coarse movement mechanism and the operation of the fine movement mechanism to prevent contact between the probe and the sample. In such a configuration, the responsiveness is determined by the operating characteristics of the fine movement mechanism, and the frequency related to the responsiveness is generally several kHz. However, at present, the atomic force microscope is required to have a higher speed, and the responsiveness of the fine movement mechanism is an obstacle to the increase in the approach speed. This is not only an atomic force microscope,
This is a common problem for a scanning probe microscope having a similar configuration.

【0004】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、応答性を高め、探針と試料の間の接近動作に
おいて高速の自動接近を安全に達成でき、特にカンチレ
バーが比較的に硬い(ばね定数が大きい)場合におい
て、当該カンチレバーに、微振動と、大振動に相当する
動きを生じさせ、カンチレバーの応答性を高めた走査型
プローブ顕微鏡の探針・試料接近機構を提供することに
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to enhance responsiveness and to safely achieve high-speed automatic approach in the approach operation between the probe and the sample. To provide a probe / sample approach mechanism of a scanning probe microscope in which, when hard (having a large spring constant), the cantilever generates microvibration and movement corresponding to large vibration, thereby increasing the response of the cantilever. It is in.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段および作用】第1の本発明
(請求項1に対応)に係る走査型プローブ顕微鏡の探針
・試料接近機構は、上記の目的を達成するため、先部に
探針を有するカンチレバーを備え、探針と試料を接近さ
せ、探針と試料の表面との間の相互作用に基づき当該表
面の微細性状を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用さ
れ、カンチレバーに微振動を与える発振手段(発振器)
と、カンチレバーの微振動を利用して低周波信号を生成
し、この低周波信号でカンチレバーに大振動を与える信
号生成手段(HPF、波形成形器、アップ/ダウンカウ
ンタ等)と、カンチレバーの大振動を利用して低周波信
号を取り出し、この低周波信号に基づいてパルス信号を
発生するパルス発生手段(LPF,パルス発生器等)
と、パルス信号に基づいて動作が制御されるように構成
され(モータドライバ等)、探針と試料を接近させる接
近装置(粗動機構であるZステージ)とから構成され
る。かかる構成において、接近装置を駆動して探針と試
料を接近させるとき、カンチレバーの微振動に基づき低
周波信号が生成されると共に低周波信号を利用して上記
パルス信号が生成される。
A probe and sample approaching mechanism of a scanning probe microscope according to a first aspect of the present invention (corresponding to claim 1) has a probe at a leading end to achieve the above object. It has a cantilever with a needle, is applied to a scanning probe microscope that moves a probe and a sample close together and measures the fine property of the surface based on the interaction between the probe and the surface of the sample. Oscillating means (oscillator)
And a signal generating means (HPF, waveform shaper, up / down counter, etc.) for generating a low frequency signal using the micro vibration of the cantilever and applying a large vibration to the cantilever with the low frequency signal, and a large vibration of the cantilever. Pulse generating means (LPF, pulse generator, etc.) for extracting a low-frequency signal using the signal and generating a pulse signal based on the low-frequency signal
And an approach device (Z stage which is a coarse movement mechanism) configured to control the operation based on the pulse signal (a motor driver or the like) and to approach the probe and the sample. In such a configuration, when the approaching device is driven to approach the probe and the sample, a low-frequency signal is generated based on the fine vibration of the cantilever, and the pulse signal is generated using the low-frequency signal.

【0006】第2の本発明(請求項2に対応)に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針・試料接近機構は、第1の発
明において、低周波信号によるカンチレバーの大振動で
カンチレバーが試料から離れるように変位するとき、パ
ルス発生手段は上記の駆動用のパルスを発生することを
特徴とする。
According to a second aspect of the present invention (corresponding to claim 2), in the probe / sample approach mechanism of the scanning probe microscope according to the first aspect, the cantilever separates from the sample due to large vibration of the cantilever due to a low frequency signal. When the displacement is made as described above, the pulse generating means generates the above-described driving pulse.

【0007】第3の本発明(請求項3に対応)に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針・試料接近機構は、第1の発
明において、接近装置による探針と試料との間の接近動
作は大気環境で行われ、探針が試料の表面に形成された
吸着層に引き込まれたとき、カンチレバーの微振動が停
止し、さらに、大振動が停止すると共に、接近装置によ
る接近動作が停止することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention (corresponding to claim 3), in the probe / sample approaching mechanism of the scanning probe microscope according to the first aspect, the approaching operation between the tip and the sample by the approaching device is performed. In the atmospheric environment, when the probe is pulled into the adsorption layer formed on the surface of the sample, the micro vibration of the cantilever stops, the large vibration stops, and the approach operation by the approach device stops. It is characterized by.

【0008】第4の本発明(請求項4に対応)に係る走
査型プローブ顕微鏡の探針・試料接近機構は、第1の発
明において、接近機構による接近の単位移動量(動作ス
テップ)は、信号生成手段による大振動に基づく探針・
試料間距離の単位変化量(動作ステップ)よりも小さい
ことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention (corresponding to claim 4), in the probe / sample approach mechanism of the scanning probe microscope according to the first aspect, the unit movement amount (operation step) of approach by the approach mechanism is: Tip based on large vibration by signal generation means
It is characterized in that it is smaller than the unit change amount (operation step) of the inter-sample distance.

【0009】以上の構成に基づき、カンチレバーは、数
nmから数百nmの振幅で微振動され、かつ、微振動の
波形に基づいて当該微振動より低い周波数であって振幅
が数μmの大振動が与えられ、かかる状態で、カンチレ
バーの大振動波形より生成される低周波信号により粗動
機構である接近装置を駆動する。この際、接近装置を駆
動するためのパルス信号の出力タイミングは大振動の波
形より生成される。従って、カンチレバーの微振動が停
止すれば、この微振動波形により生成される大振動も停
止する。さらに、大振動波形が停止すれば、これにより
生成される接近装置の駆動信号も停止し、接近動作は止
まる。特に、カンチレバーが試料近傍まで接近し、探針
が試料表面の吸着層に吸着されると、その微振動は停止
するので、微振動波形より生成される接近装置の駆動信
号も出力されず、接近動作は停止する。
[0009] Based on the above configuration, the cantilever is finely vibrated with an amplitude of several nm to several hundred nm, and based on the waveform of the fine vibration, a large vibration having a frequency lower than the fine vibration and an amplitude of several µm. In such a state, the approach device, which is a coarse movement mechanism, is driven by a low frequency signal generated from a large vibration waveform of the cantilever. At this time, the output timing of the pulse signal for driving the approach device is generated from the waveform of the large vibration. Therefore, when the micro vibration of the cantilever stops, the large vibration generated by the micro vibration waveform also stops. Further, when the large vibration waveform stops, the drive signal of the approach device generated by the stop also stops, and the approach operation stops. In particular, when the cantilever approaches the vicinity of the sample and the probe is adsorbed on the adsorption layer on the sample surface, the micro-vibration stops. The operation stops.

【0010】カンチレバーの探針と試料との接近を、微
振動とこの微振動によって生成される大振動とをカンチ
レバーに与え、かつ大振動に基づいて作られるパルス信
号で接近装置を動作させることにより行うことは、特に
カンチレバーのばね定数が大きいときに適している。
The approach between the probe of the cantilever and the sample is given to the cantilever by applying a micro-vibration and a large vibration generated by the micro-vibration, and by operating the approach device with a pulse signal generated based on the large vibration. This is particularly suitable when the spring constant of the cantilever is large.

【0011】また、接近機構を駆動する信号の出力タイ
ミングは、好ましくは、大振動によって探針が試料表面
から最も遠ざかった時に設定されている。また接近装置
の動作ステップは大振動による動作ステップよりも小さ
く設定されている。従って、接近装置の接近動作に起因
して探針が試料表面に吸着する心配はない。探針が試料
表面に吸着される場合は、大振動により探針が試料に近
づいている場合に限られる。このため、接近装置の動作
により探針を試料表面に大きな力で押しつけて破壊する
ことはない。
The output timing of the signal for driving the approach mechanism is preferably set when the probe is farthest from the sample surface due to large vibration. The operation step of the approaching device is set smaller than the operation step due to large vibration. Therefore, there is no fear that the probe is attracted to the sample surface due to the approach operation of the approach device. The case where the probe is attracted to the sample surface is limited to the case where the probe is approaching the sample due to large vibration. For this reason, there is no possibility that the probe is pressed against the sample surface with a large force by the operation of the approaching device and is broken.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0013】図1は、本発明の代表的な実施形態を示
し、本発明による探針・試料接近機構が装備された通常
の接触(コンタクト)モードの例えば原子間力顕微鏡
(以下AFMという)の実施形態を示す。当該AFM
は、試料表面を観察する場合に接触モードで動作する。
また当該AFMは大気中の環境で測定が行われるもので
あることを前提としている。従って、測定を開始する前
の段階で、大気中に置かれた試料の表面には吸着層が形
成されている。この吸着層は、大気中の水分子が試料表
面に着くことに層状に形成されるものであり、およそ数
nm(ナノメータ)の層となっている。探針・試料接近
機構は、AFMによって大気環境でかつ接触モードで試
料表面の測定・観察を行う前の段階で、探針と試料を所
要の距離に接近させるための装置であり、比較的に大き
な移動距離で接近動作(粗動)を行う。図1に従って、
本実施形態による探針・試料接近機構を備えた接触モー
ドのAFMの構成および動作を説明する。
FIG. 1 shows a typical embodiment of the present invention, which is a conventional contact (contact) mode equipped with a probe-sample approach mechanism according to the present invention, for example, of an atomic force microscope (AFM). 1 shows an embodiment. The AFM
Operates in contact mode when observing the sample surface.
In addition, it is assumed that the AFM is to be measured in an atmospheric environment. Therefore, before the start of the measurement, an adsorption layer is formed on the surface of the sample placed in the atmosphere. The adsorption layer is formed in a layered manner when water molecules in the atmosphere reach the surface of the sample, and is a layer of about several nanometers (nanometers). The probe / sample approach mechanism is a device for bringing the probe and the sample closer to a required distance at a stage before the measurement and observation of the sample surface in the air environment and in the contact mode by the AFM. The approach operation (coarse movement) is performed at a large moving distance. According to FIG.
The configuration and operation of the contact mode AFM including the probe / sample approach mechanism according to the present embodiment will be described.

【0014】11カンチレバーで、その先部に探針12
が設けられている。カンチレバー11は加振用圧電素子
13を介してフレーム14の上部のホルダに固定され
る。フレーム14の下部にはXYZスキャナ15とZス
テージ31が設けられる。XYZスキャナ15はZステ
ージ31の上に設けられ、Zステージ31はフレーム1
4の下部に固定される。XYZスキャナ15の上面には
試料16が配置される。XYZスキャナ15は、直交す
る3軸(X軸、Y軸、Z軸)の各軸方向に微細な変位を
発生するための圧電素子等からなる微動駆動部(X軸方
向駆動部、Y軸方向駆動部、Z軸方向駆動部)を内蔵し
ている。これによって、試料16を任意の方向に微小距
離だけ移動させることができる。XYZスキャナ15
は、測定・観測時における探針・試料間の距離の調整や
XY走査移動のための微動機構として働く。Zステージ
31は、XYZスキャナ15および試料16をZ軸方向
に比較的に大きな距離で移動(粗動)させるもので、探
針12と試料16を接近させる場合に当該動作を行う。
Zステージ31は接近動作用の粗動機構として働く。Z
ステージ31の具体的構造は、例えばステッピングモー
タのごとくパルス信号で動作するモータを内蔵し、この
モータによって上記移動のための動作を行う。従って、
Zステージ31には、外部から当該モータを動作させる
駆動信号としてのパルス信号S7が入力される。
11 cantilever, the tip of which is a probe 12
Is provided. The cantilever 11 is fixed to a holder above the frame 14 via the piezoelectric element 13 for vibration. An XYZ scanner 15 and a Z stage 31 are provided below the frame 14. The XYZ scanner 15 is provided on a Z stage 31, and the Z stage 31
4 is fixed to the lower part. A sample 16 is arranged on the upper surface of the XYZ scanner 15. The XYZ scanner 15 includes a fine movement drive unit (X-axis direction drive unit, Y-axis direction drive unit) including a piezoelectric element for generating minute displacement in each of three orthogonal axes (X-axis, Y-axis, Z-axis). Drive section, Z-axis direction drive section). Thus, the sample 16 can be moved by a small distance in an arbitrary direction. XYZ scanner 15
Functions as a fine movement mechanism for adjusting the distance between the probe and the sample during measurement / observation and for XY scanning movement. The Z stage 31 moves (coarsely moves) the XYZ scanner 15 and the sample 16 at a relatively large distance in the Z-axis direction, and performs the operation when the probe 12 and the sample 16 approach each other.
The Z stage 31 functions as a coarse movement mechanism for the approach operation. Z
The specific structure of the stage 31 includes, for example, a motor that operates with a pulse signal, such as a stepping motor, and the motor performs the above-described movement. Therefore,
A pulse signal S7 as a drive signal for operating the motor is input to the Z stage 31 from outside.

【0015】上記の構成において、試料16の表面を測
定する場合、探針12は試料16に接近し、その先端が
試料16の測定表面に実質的に接触した状態で試料16
に対向する。探針12と試料16の接近状態は、通常の
接触モードの測定が開始される前の段階で、粗動機構で
あるZステージ31を動作させることにより設定され
る。
In the above configuration, when measuring the surface of the sample 16, the probe 12 approaches the sample 16 and its tip is substantially in contact with the measurement surface of the sample 16.
Oppose. The approach state between the probe 12 and the sample 16 is set by operating the Z stage 31 which is a coarse movement mechanism before the measurement in the normal contact mode is started.

【0016】また図1中、カンチレバー11、探針1
2、圧電素子13は説明の便宜上多少誇張して描かれて
いる。実際的な構成は図2を参照して後で説明される。
In FIG. 1, the cantilever 11, the probe 1
2. The piezoelectric element 13 is somewhat exaggerated for convenience of explanation. The actual configuration will be described later with reference to FIG.

【0017】一方、カンチレバー11の上方にはレーザ
光源17が配置され、レーザ光源17から出射されたレ
ーザ光18は、カンチレバー11の背面先部付近の反射
面に照射される。当該反射面で反射されたレーザ光18
は位置センサ(光検出器)19の受光面に入射される。
レーザ光源17とカンチレバー11と位置センサ19に
よって光てこ方式の変位検出器(検出光学系)が構成さ
れる。カンチレバー11の先端部が、探針12と試料1
6の表面との間に生じる原子間力(物理的作用)に基づ
いて図1中Z軸方向へ変位すると、位置センサ19の受
光面内で反射光のスポット位置が変位する。位置センサ
19は、反射光のスポット位置の変位を電圧値の変化に
変換して出力する。こうして、カンチレバー11の先端
部のZ軸方向の変化すなわち探針12のZ軸方向の変化
は、位置センサ19の出力電圧の変化として取り出され
る。
On the other hand, a laser light source 17 is disposed above the cantilever 11, and a laser beam 18 emitted from the laser light source 17 is applied to a reflection surface near the back end of the cantilever 11. The laser beam 18 reflected by the reflecting surface
Is incident on a light receiving surface of a position sensor (photodetector) 19.
The laser light source 17, the cantilever 11, and the position sensor 19 constitute an optical lever type displacement detector (detection optical system). The tip of the cantilever 11 is the probe 12 and the sample 1
When it is displaced in the Z-axis direction in FIG. 1 based on the interatomic force (physical action) generated between itself and the surface of the position sensor 6, the spot position of the reflected light is displaced within the light receiving surface of the position sensor 19. The position sensor 19 converts the displacement of the spot position of the reflected light into a change in the voltage value and outputs the change. Thus, a change in the Z-axis direction of the tip of the cantilever 11, that is, a change in the Z-axis direction of the probe 12 is extracted as a change in the output voltage of the position sensor 19.

【0018】次に、制御系(または信号処理系)につい
て説明する。位置センサ19から出力される電圧信号
は、切換えスイッチ33の接続状態によって下記の2つ
の系統のいずれかに供給される。切換えスイッチ33の
切換え動作は、自動または手動によって行われる。
Next, a control system (or a signal processing system) will be described. The voltage signal output from the position sensor 19 is supplied to one of the following two systems depending on the connection state of the changeover switch 33. The switching operation of the changeover switch 33 is performed automatically or manually.

【0019】第1の系統は、図1において切換えスイッ
チ33が下側の端子33aに接続される場合で、信号増
幅器34とサーボ装置35から構成される。この第1系
統は、試料16の表面の通常測定に関連する制御系であ
る。測定の際の位置センサ19から出力される電圧信号
S0は、探針12のZ軸方向の位置、すなわちカンチレ
バー11のたわみ量を表す信号であり、当該電圧信号
は、信号増幅器34とサーボ装置35を経由して、XY
Zスキャナ15のZ軸方向駆動部を動作させる駆動信号
Vzに変換され、XYZスキャナ15に供給される。信
号増幅器34は、位置センサ19の出力信号を所要のレ
ベルまで増幅する。信号増幅器34の出力信号はサーボ
装置35に入力される。このサーボ装置35は、演算制
御部36aと表示部36bを備える演算処理装置36か
らバス37を経由して指示されるサーボ制御条件に従っ
て、入力された信号を上記駆動信号Vzに変換する。こ
の駆動信号VzによってXYZスキャナ15内のZ軸方
向駆動部が動作し、試料16のZ軸方向の位置が調整さ
れ、探針12と試料16との距離が所定距離(実質的な
接触状態)に保持され、試料16の表面の凹凸形状が測
定される。
The first system is a case where the changeover switch 33 is connected to the lower terminal 33a in FIG. 1, and comprises a signal amplifier 34 and a servo device 35. The first system is a control system related to the normal measurement of the surface of the sample 16. The voltage signal S0 output from the position sensor 19 at the time of measurement is a signal representing the position of the probe 12 in the Z-axis direction, that is, the amount of deflection of the cantilever 11, and the voltage signal is a signal amplifier 34 and a servo device 35. Via XY
The drive signal Vz for operating the Z-axis direction drive unit of the Z scanner 15 is converted and supplied to the XYZ scanner 15. The signal amplifier 34 amplifies the output signal of the position sensor 19 to a required level. The output signal of the signal amplifier 34 is input to the servo device 35. The servo device 35 converts an input signal into the drive signal Vz according to a servo control condition instructed via the bus 37 from the arithmetic processing device 36 including the arithmetic control unit 36a and the display unit 36b. The drive signal Vz causes the Z-axis drive unit in the XYZ scanner 15 to operate, the position of the sample 16 in the Z-axis direction is adjusted, and the distance between the probe 12 and the sample 16 becomes a predetermined distance (substantial contact state). And the uneven shape of the surface of the sample 16 is measured.

【0020】より詳しくは、演算処理装置36はコンピ
ュータで構成され、CPUと記憶部を内蔵する。その記
憶部には、試料表面の所望箇所を測定するためAFMの
動作を制御するプログラム(測定プログラム)と、測定
データを記憶して、この測定データから試料16の観察
表面の微細形状に関する画像を上記表示部36bに表示
するための画像データを作成するための処理を行うプロ
グラム(画像作成プログラム)が格納される。サーボ装
置35は、探針・試料の間が所定距離になるように、X
YZスキャナ15に対してそのZ軸方向駆動部の駆動信
号Vzを与える。XYZスキャナ15のZ軸方向駆動部
によるZ軸方向の動作に関してサーボ装置35にサーボ
動作を行わせた状態で、XY走査回路部を用いてXYZ
スキャナ15のXとYの各軸方向の駆動部を動作させ、
探針12に試料16のXY平面を走査させる。このと
き、XY平面内の測定点の座標と、各測定点のVz(サ
ーボ装置35の出力電圧値)が、演算処理装置36の記
憶部に測定データとして格納される。記憶部に格納され
た測定データは、上記の画像作成プログラムによって逐
次にあるいは一括して処理され、試料16における測定
箇所の表面形状に関する画像データを作成し、この画像
データを用いて表示部36bの画面に測定画像を表示す
る。こうして、試料16の測定箇所の表面形状が得られ
る。
More specifically, the arithmetic processing unit 36 is constituted by a computer, and includes a CPU and a storage unit. The storage unit stores a program (measurement program) for controlling the operation of the AFM for measuring a desired portion of the sample surface, and measurement data, and from this measurement data, an image relating to the fine shape of the observation surface of the sample 16 is stored. A program (image creation program) for performing processing for creating image data to be displayed on the display unit 36b is stored. The servo device 35 controls the distance between the probe and the sample so that the distance between the probe and the sample is a predetermined distance.
A drive signal Vz of the Z-axis direction drive unit is given to the YZ scanner 15. With the servo device 35 performing the servo operation with respect to the operation in the Z-axis direction by the Z-axis direction drive unit of the XYZ scanner 15, the XYZ scanning circuit unit is used.
Operate the drive units in the X and Y axis directions of the scanner 15,
The probe 12 is caused to scan the XY plane of the sample 16. At this time, the coordinates of the measurement points on the XY plane and Vz (output voltage value of the servo device 35) at each measurement point are stored as measurement data in the storage unit of the arithmetic processing device 36. The measurement data stored in the storage unit is sequentially or collectively processed by the above-described image creation program, creates image data relating to the surface shape of the measurement location on the sample 16, and uses this image data to display the display unit 36b. Display the measurement image on the screen. Thus, the surface shape of the measurement location of the sample 16 is obtained.

【0021】なお試料表面の通常の測定においては、上
記の通り、上記探針・試料間の距離の調整のためのZ軸
方向の制御に併せて、探針で試料表面を走査するための
位置制御が必要となる。この走査の位置制御のための駆
動信号は、演算処理装置36に内蔵される上記XY走査
回路部から信号Vx,VyとしてXYZスキャナ15に
与えられる。
In the normal measurement of the sample surface, as described above, in addition to the control in the Z-axis direction for adjusting the distance between the probe and the sample, a position for scanning the sample surface with the probe is used. Control is required. A drive signal for controlling the scanning position is provided to the XYZ scanner 15 as signals Vx and Vy from the XY scanning circuit section built in the arithmetic processing unit 36.

【0022】接触モードAFMでは、その測定動作の際
にはカンチレバー11は非振動状態にあり、探針12と
試料16の間は実質的に接触状態に保持される。また、
接近動作の際には、後述するように、カンチレバー11
は圧電素子13によって加振されて微振動の状態にあ
り、当該微振動状態に基づいて得られる交流信号を利用
して高速自動接近の機能が実現される。圧電素子13の
加振作用でカンチレバー11では微振動が発生するが、
このとき、カンチレバー11の振幅はピーク・ピーク間
で例えば数nmから数百nm程度で、比較的に振幅は小
さいものとなる。またカンチレバー11のばね定数は大
きく、その剛性はその製作上比較的に硬いものとなるの
で、振幅が小さくなる。なお、上記の微振動状態によっ
て得られる交流信号を利用して接近動作を行うようにし
たため、接触時のフェイルセーフの機能も実現される。
In the contact mode AFM, the cantilever 11 is in a non-vibrating state during the measurement operation, and the probe 12 and the sample 16 are kept substantially in contact. Also,
In the approaching operation, as described later, the cantilever 11 is moved.
Is vibrated by the piezoelectric element 13 and is in a state of micro-vibration. A function of high-speed automatic approach is realized using an AC signal obtained based on the state of micro-vibration. Micro vibration is generated in the cantilever 11 by the vibration action of the piezoelectric element 13,
At this time, the amplitude of the cantilever 11 is, for example, about several nm to several hundred nm between the peaks, and the amplitude is relatively small. Further, the spring constant of the cantilever 11 is large and its rigidity is relatively hard due to its manufacture, so that the amplitude becomes small. Since the approaching operation is performed using the AC signal obtained by the above-described micro-vibration state, a fail-safe function at the time of contact is also realized.

【0023】次に第2の系統は、図1において切換えス
イッチ33が上側の端子33bに接続される場合の系統
であり、高速の自動接近モードに関連する制御系であ
る。この第2の系統は、さらに並列な回路で設けられた
2つの回路ルートから構成される。第2系統において、
一方の回路ルート(図1中下側部分)は、ローパスフィ
ルタ(LPF)41とパルス発生器42とモータドライ
ブ43から構成され、他方の回路ルート(図1中上側部
分)はハイパスフィル(HPF)51と波形成形器52
とアップ/ダウンカウンタ53と混合器54から構成さ
れる。LPF41によって端子33bから出力される検
出信号S4から低周波の信号S5を取出し、この低周波
信号S5を用いてパルス発生器42はパルス信号S6を
発生する。モータドライバ43は、パルス信号S6を駆
動用信号(駆動用パルス信号)S7に変換し、Zステー
ジ31に与える。またHPF51によって検出信号S4
から高周波の信号S1を取出し、この高周波信号S1を
用いて波形成形器52は矩形波信号S2を生成し、この
矩形波信号S2を入力信号としてアップ/ダウンカウン
タ53でカウント信号S3を作成する。カウント信号S
3によって相対的に大きな振幅を有する振動の信号が生
成される。カウント信号S3は、混合器54で、発振器
55から出力される発振信号と混合され、カンチレバー
11を振動(微振動および大振動)させるための圧電素
子13を駆動する駆動信号S8を生成する。この駆動信
号S8の波形は、前述の信号S4と実質的に同じであ
る。発振器55は、発振信号を生成するための周期信号
を演算処理装置36から与えられる。
Next, a second system is a system when the changeover switch 33 is connected to the upper terminal 33b in FIG. 1, and is a control system related to a high-speed automatic approach mode. This second system is composed of two circuit routes provided in parallel circuits. In the second system,
One circuit route (lower part in FIG. 1) is composed of a low-pass filter (LPF) 41, a pulse generator 42, and a motor drive 43, and the other circuit route (upper part in FIG. 1) is a high-pass filter (HPF). 51 and waveform shaper 52
And an up / down counter 53 and a mixer 54. The low-frequency signal S5 is extracted from the detection signal S4 output from the terminal 33b by the LPF 41, and the pulse generator 42 generates a pulse signal S6 using the low-frequency signal S5. The motor driver 43 converts the pulse signal S6 into a driving signal (driving pulse signal) S7 and supplies the signal to the Z stage 31. The detection signal S4 is output by the HPF 51.
The waveform shaper 52 generates a rectangular wave signal S2 using the high frequency signal S1, and the up / down counter 53 generates a count signal S3 using the rectangular wave signal S2 as an input signal. Count signal S
3 generates a vibration signal having a relatively large amplitude. The count signal S3 is mixed with the oscillation signal output from the oscillator 55 by the mixer 54 to generate a drive signal S8 for driving the piezoelectric element 13 for causing the cantilever 11 to vibrate (fine vibration and large vibration). The waveform of the drive signal S8 is substantially the same as the signal S4 described above. The oscillator 55 is supplied with a periodic signal for generating an oscillation signal from the arithmetic processing unit 36.

【0024】図2を参照して、カンチレバー11と圧電
素子13の構造を詳述する。図2の(A)において、6
1は下部電極であり、カンチレバー11の背面に設けら
れている。62は例えばZnO薄膜で、下部電極61と
上部電極63で挟まれている。64はホルダで、カンチ
レバー11をフレーム14に固定する部分である。65
はランドであり、上部電極63と下部電極61ヘボンデ
ィングワイヤ66により接続される。図1で示された駆
動信号S8に関する混合器54から圧電素子13への信
号線は、ランド65の箇所に接続される。かかる構成
で、下部電極61と上部電極63の間に所定電圧が印加
されると、ZnO薄膜62はカンチレバー11の長手方
向に対して縮み、その結果、図2(B)に示されるよう
にカンチレバー11は上方に曲がる。上記所定電圧の印
加がなくなると、カンチレバー11の曲がり変位はなく
なる。
Referring to FIG. 2, the structures of the cantilever 11 and the piezoelectric element 13 will be described in detail. In FIG. 2A, 6
Reference numeral 1 denotes a lower electrode, which is provided on the back surface of the cantilever 11. Reference numeral 62 denotes a ZnO thin film, for example, which is sandwiched between the lower electrode 61 and the upper electrode 63. Reference numeral 64 denotes a holder, which is a portion for fixing the cantilever 11 to the frame 14. 65
Are lands, which are connected to the upper electrode 63 and the lower electrode 61 by bonding wires 66. A signal line from the mixer 54 to the piezoelectric element 13 relating to the drive signal S8 shown in FIG. 1 is connected to a land 65. In this configuration, when a predetermined voltage is applied between the lower electrode 61 and the upper electrode 63, the ZnO thin film 62 contracts in the longitudinal direction of the cantilever 11, and as a result, as shown in FIG. 11 bends upward. When the application of the predetermined voltage is stopped, the bending displacement of the cantilever 11 disappears.

【0025】次に、高速の自動接近モードに関連する制
御系の動作と制御手順を、上記の図1と、図3〜図5を
参照して説明する。
Next, the operation and control procedure of the control system related to the high-speed automatic approach mode will be described with reference to FIG. 1 and FIGS.

【0026】探針12と試料16を接近させるときに
は、切換えスイッチ33が上側の端子33bに接続され
る。今、試料16をXYZスキャナ15の上に取り付け
た状態であるとする。このとき、試料16とカンチレバ
ー11は数mm(ミリメートル)離れた状態にある。こ
の状態で、発振器55から出力される発振信号(発振電
圧)を、カンチレバー11の背面に設けた圧電素子13
に含まれる上部電極63と下部電極61の間に印加し、
カンチレバー11を振動させる。発振器55の発振電圧
は、混合器54を介して駆動信号S8として圧電素子1
3に付与されるが、この段階ではアップ/ダウンカウン
タ53からのカウント信号S3は0の状態にあると仮定
する。圧電素子13のZnO薄膜62に発振電圧が与え
られると、カンチレバー11はその共振周波数(f0
で微振動する。カンチレバー11の微振動は、光てこ方
式の変位検出器(検出光学系)によって検出され、位置
センサ19からカンチレバー11の微振動を表す信号S
4が出力される。信号S4は、図4の(a)に示され
る。なお、図4の(a)の波形では、微振動を表す高周
波の細かい波形(発振器55からの発振信号によるも
の)と、大きな振動を表す低周波の波形(アップ/ダウ
ンカウンタ53からのカウント信号S3によるもの)と
が合成され重畳された状態で示されているが、前述の通
り最初の段階では微振動のみが存在する。
When the probe 12 and the sample 16 are brought closer to each other, the changeover switch 33 is connected to the upper terminal 33b. Now, it is assumed that the sample 16 is mounted on the XYZ scanner 15. At this time, the sample 16 and the cantilever 11 are apart from each other by several mm (mm). In this state, an oscillation signal (oscillation voltage) output from the oscillator 55 is transmitted to the piezoelectric element 13 provided on the back of the cantilever 11.
Is applied between the upper electrode 63 and the lower electrode 61 included in
The cantilever 11 is vibrated. The oscillation voltage of the oscillator 55 is supplied to the piezoelectric element 1 as a drive signal S8 via the mixer 54.
At this stage, it is assumed that the count signal S3 from the up / down counter 53 is 0. When an oscillation voltage is applied to the ZnO thin film 62 of the piezoelectric element 13, the cantilever 11 has its resonance frequency (f 0 ).
Vibrates slightly. The minute vibration of the cantilever 11 is detected by an optical lever type displacement detector (detection optical system), and a signal S representing the minute vibration of the cantilever 11 is output from the position sensor 19.
4 is output. The signal S4 is shown in FIG. In the waveform of FIG. 4A, a high-frequency fine waveform (caused by an oscillation signal from the oscillator 55) representing a minute vibration and a low-frequency waveform (a count signal from the up / down counter 53) representing a large vibration are shown. S3) is shown in a superimposed and superimposed state, but only microvibration exists at the initial stage as described above.

【0027】位置センサ19で検出された信号S4から
は、ハイパスフィルタ51によって、カンチレバー11
の固有な振動周波数成分(周波数f0 :信号S1として
図3の(a)に示される)が取り出される。次に、信号
S1は波形成形器52により矩形波(信号S2:図3の
(b)に示される)に変換される。この矩形波信号S2
はアップ/ダウンカウンタ53に入力され、階段波形の
カウント信号S3(図3の(c)に示される)に変換さ
れる。アップ/ダウンカウンタ53は、演算制御部36
aによって設定された上限値と下限値の間において、ア
ップカウント動作とダウンカウント動作を繰り返し、上
記のカウント信号S3を生成する。カウント信号S3の
全体的な波形形状を、時間軸を縮小し数周期分を描いて
示すと、図3の(d)のごとくなる。図3(c)に示す
波形は、図3(d)の波形の一部71を拡大して示した
ものである。かかるカウント信号S3は、カンチレバー
11において相対的に大きな振幅で低周波の大振動を生
じさせるための駆動信号として用いられる。カウント信
号S3は、混合器54で、発振器55からの発振信号と
加算され、駆動信号S8(図4(a)の信号S4に相似
する)として圧電素子13に供給される。
From the signal S 4 detected by the position sensor 19, the cantilever 11 is filtered by the high-pass filter 51.
(Frequency f 0 : shown as (a) in FIG. 3 as a signal S1). Next, the signal S1 is converted by the waveform shaper 52 into a rectangular wave (signal S2: shown in FIG. 3B). This square wave signal S2
Is input to the up / down counter 53 and is converted into a count signal S3 having a staircase waveform (shown in FIG. 3C). The up / down counter 53 includes an arithmetic control unit 36
Between the upper limit value and the lower limit value set by a, the up-count operation and the down-count operation are repeated to generate the count signal S3. FIG. 3D shows the overall waveform shape of the count signal S3 when the time axis is reduced and several periods are drawn. The waveform shown in FIG. 3C is an enlarged view of a part 71 of the waveform shown in FIG. The count signal S3 is used as a drive signal for causing the cantilever 11 to generate a large vibration with a relatively large amplitude and a low frequency. The count signal S3 is added to the oscillation signal from the oscillator 55 by the mixer 54, and supplied to the piezoelectric element 13 as a drive signal S8 (similar to the signal S4 in FIG. 4A).

【0028】上記のようにして、混合器54から出力さ
れる駆動信号S8において、微振動のための発振信号
と、低周波の大振動のためのカウント信号S3を含むよ
うになる。かかる駆動信号S8が圧電素子13に与えら
れると、圧電素子13によって、カンチレバー11では
微振動と低周波の大振動とが合成された状態で生じる。
図4(a)の検出信号S4で明らかなように、小さい波
形の部分が上記微振動に対応し、全体的に生じる大きな
波形(包絡線として)が上記大振動に対応している。微
振動の周波数は例えば20KHzで振幅は好ましくは数
十〜数百nmであり、大振動の周波数は例えば1KHz
で振幅は好ましくは数μmである。
As described above, the drive signal S8 output from the mixer 54 includes the oscillation signal for micro vibration and the count signal S3 for low frequency large vibration. When such a drive signal S8 is applied to the piezoelectric element 13, the piezoelectric element 13 causes the cantilever 11 to combine a micro vibration and a large vibration at a low frequency.
As is clear from the detection signal S4 in FIG. 4A, a small waveform portion corresponds to the fine vibration, and a large waveform (as an envelope) generated as a whole corresponds to the large vibration. The frequency of the micro-vibration is, for example, 20 KHz and the amplitude is preferably several tens to several hundreds of nm, and the frequency of the large vibration is, for example, 1 KHz.
And the amplitude is preferably several μm.

【0029】また、図4(a)に示された信号S4とカ
ンチレバー11との対応関係(矢印72,73,74で
示される)から明らかなように、発振器55から出力さ
れる発振信号によって微振動75を行うカンチレバー1
1において、低周波の信号S3に基づく圧電素子13の
曲げ作用でカンチレバー11は大振動を行っている。信
号S3の電圧値が所定値以上になってZnO薄膜62が
縮むと、カンチレバー11で上方への曲がり変位が生じ
る。上方への曲り変位は周期的に生じ、全体として上下
に大きな振動を生じさせる。
Also, as is apparent from the correspondence between the signal S4 and the cantilever 11 (indicated by arrows 72, 73 and 74) shown in FIG. Cantilever 1 that performs vibration 75
In 1, the bending action of the piezoelectric element 13 based on the low frequency signal S3 causes the cantilever 11 to vibrate greatly. When the voltage value of the signal S3 becomes equal to or more than a predetermined value and the ZnO thin film 62 contracts, the cantilever 11 causes upward bending displacement. The upward bending displacement occurs periodically, and generates large vertical vibrations as a whole.

【0030】次に、ローパスフィルタ41によって、位
置センサ19で検出された上記信号S4から、周波数f
0 の基本波(信号S1)よりも低い周波数の信号成分
(信号S5:図4(b)に示される)が取り出される。
当該信号S5はパルス発生器42に入力される。パルス
発生器42は、信号S5に関して、演算処理装置36の
演算制御部36aにより設定されたしきい値に達する値
が入力されると、パルス76を発生する。パルス76か
らなる信号を上記パルス信号S6とする。この状態は、
図4の(b)と(c)に示される。信号S5が最大値に
達した時(t1)、パルス発生器42からパルス信号S
6としてのパルス76が出力される。パルス信号S6は
モータドライバ43に供給される。モータドライバ43
から出力される駆動用信号S7(図4(d))の変化で
明らかなように、パルス信号S6でパルス76が立ち上
がった時、モータドライバ43からパルス76に対応す
る駆動用信号S7が生成される。この駆動用信号S7は
Zステージ31に与えられ、これにより、内部のステッ
ピングモータが動作してZステージ31が上方に移動
し、試料16が探針12の側へ所定距離だけ接近する。
Next, the low-pass filter 41 calculates the frequency f from the signal S4 detected by the position sensor 19.
A signal component (signal S5: shown in FIG. 4B) having a lower frequency than the 0 fundamental wave (signal S1) is extracted.
The signal S5 is input to the pulse generator 42. The pulse generator 42 generates a pulse 76 when a value that reaches a threshold value set by the arithmetic control unit 36a of the arithmetic processing unit 36 is input for the signal S5. The signal composed of the pulse 76 is referred to as the pulse signal S6. This state is
This is shown in FIGS. 4B and 4C. When the signal S5 reaches the maximum value (t1), the pulse signal S
A pulse 76 as 6 is output. The pulse signal S6 is supplied to the motor driver 43. Motor driver 43
As is apparent from the change in the driving signal S7 (FIG. 4D) output from the motor driver 43, when the pulse 76 rises with the pulse signal S6, the driving signal S7 corresponding to the pulse 76 is generated from the motor driver 43. You. The driving signal S7 is given to the Z stage 31, whereby the internal stepping motor operates to move the Z stage 31 upward, and the sample 16 approaches the probe 12 by a predetermined distance.

【0031】かかる制御に基づけば、カンチレバー11
が上方に曲がり探針12が試料16から離れた後におい
て探針12が試料16に近付くように変位するときに、
試料16が上方に変位し、探針12に近付く。
Based on this control, the cantilever 11
Is bent upward, and after the probe 12 is separated from the sample 16, when the probe 12 is displaced so as to approach the sample 16,
The sample 16 is displaced upward and approaches the probe 12.

【0032】次に、図5を参照して、試料16と探針1
2が接近する状態および接触する状態について説明す
る。図5(a)では、試料16の表面の近くで、カンチ
レバー11が微振動しながら、さらに上下に曲がり変位
により大きな振動を行っている状態を示している。カン
チレバー11の微振動と大振動は、混合器54から供給
される駆動信号S8で動作する圧電素子13によって作
られる。かかるカンチレバー11に対して試料16がZ
ステージ31の動作によって接近していく。Zステージ
31に内蔵されるモータはパルス76に対応して接近動
作を行い、パルスごとに所定距離(例えば0.5μm)
接近する。図4の各波形の関係で明らかなように、時刻
t1で低周波信号S5の振幅が最大になり、その結果、
カンチレバー11はもっとも大きく曲がり、試料16に
対する探針12の距離が大きくなる。その時点でパルス
76が発生して、Zステージ31の接近動作が開始され
るので、試料16は、カンチレバー11が大振動にて試
料16の側に近づいてくるときに、当該カンチレバー1
1に接近するように移動する。試料16の表面には、当
該試料16が大気中に存在するため、吸着層81が形成
されている。図5(b)の状態では、カンチレバー11
の大振動で下方に移動し、さらに試料16側に曲がり、
探針12が試料16に接近したところであり、試料表面
の吸着層81に触れようとしている。図5(c)では、
吸着層81の表面張力のため、探針12が吸着層81に
引き込まれた状態を示す。このとき、カンチレバー11
の微振動は停止する。その結果、高周波信号S1が消滅
するので、アップ/ダウンカウンタ53の出力がなくな
り、カンチレバー11の曲がり変位が停止する。同時
に、低周波信号S5も生じなくなるので、Zステージ3
1が接近動作することはなく、試料16の探針12への
接近動作は完全に停止する。
Next, referring to FIG. 5, the sample 16 and the probe 1
The state in which 2 comes close and the state in which they come into contact will be described. FIG. 5A shows a state in which the cantilever 11 is slightly vibrating near the surface of the sample 16 and further bends up and down to perform large vibration due to displacement. The fine vibration and the large vibration of the cantilever 11 are generated by the piezoelectric element 13 operated by the drive signal S8 supplied from the mixer 54. The sample 16 is Z with respect to the cantilever 11.
It approaches by the operation of the stage 31. The motor built in the Z stage 31 performs an approach operation in response to the pulse 76, and a predetermined distance (for example, 0.5 μm) for each pulse
approach. As is clear from the relationship between the waveforms in FIG. 4, at time t1, the amplitude of the low-frequency signal S5 becomes maximum, and as a result,
The cantilever 11 bends most, and the distance of the probe 12 to the sample 16 increases. At that time, a pulse 76 is generated, and the approach operation of the Z stage 31 is started. Therefore, when the cantilever 11 approaches the sample 16 due to large vibration, the cantilever 1
Move to approach 1. Since the sample 16 exists in the atmosphere on the surface of the sample 16, an adsorption layer 81 is formed. In the state of FIG. 5B, the cantilever 11
It moves downward by the large vibration of
The probe 12 has just approached the sample 16 and is about to touch the adsorption layer 81 on the sample surface. In FIG. 5C,
The state where the probe 12 is drawn into the adsorption layer 81 due to the surface tension of the adsorption layer 81 is shown. At this time, the cantilever 11
Micro vibration stops. As a result, since the high-frequency signal S1 disappears, the output of the up / down counter 53 disappears, and the bending displacement of the cantilever 11 stops. At the same time, the low frequency signal S5 is not generated, so that the Z stage 3
1 does not perform the approach operation, and the approach operation of the sample 16 to the probe 12 is completely stopped.

【0033】上記実施形態の探針・試料接近機構によれ
ば、ステッピングモータ等のパルス駆動型モータを含む
接近装置(Zステージ31)を用いて、AFMとして動
作可能な距離までカンチレバー11すなわち探針12と
試料16とを自動的に接近させることのできるシステム
を実現できると共に、当該システムを、極めて簡単に構
成するできる。さらに、本探針・試料接近機構の動作
は、それ自体でフェイルセーフの働きを有する。例え
ば、レーザ光源の不良によりカンチレバー11の動きを
モニタできなくなった場合でも、高周波信号S1が消滅
するので、前述のとおり、Zステージ31による試料1
6の接近動作は停止する。また通常、探針12は吸着層
81から抜け出そうとした状態で発振動作を停止するの
で、探針12に大きな斥力が加わりダメージを受ける可
能性は低い。
According to the probe / sample approach mechanism of the above embodiment, the cantilever 11, that is, the probe, is moved to a distance operable as an AFM by using an approach device (Z stage 31) including a pulse drive type motor such as a stepping motor. A system capable of automatically bringing the sample 12 and the sample 16 into close proximity can be realized, and the system can be configured very simply. Further, the operation of the present probe / sample approach mechanism has a fail-safe function by itself. For example, even when the movement of the cantilever 11 cannot be monitored due to a defect in the laser light source, the high-frequency signal S1 disappears.
The approaching operation of 6 stops. In addition, since the probe 12 normally stops oscillating in a state of trying to escape from the adsorption layer 81, there is a low possibility that the probe 12 is damaged by a large repulsive force.

【0034】また上記構成を有する探針・試料接近機構
では、発振器55による発振周波数を調整したり、また
アップ/ダウンカウンタ53のカウント動作を調整する
ことにより、Zステージ31の接近動作を制御するパル
ス76の発生周期を適切に変更することができる。これ
により高速であって、探針・試料の間で接触状態が生じ
るときには振動が消え、自動的に停止できる自動接近が
行われる。
In the probe / sample approach mechanism having the above structure, the approach operation of the Z stage 31 is controlled by adjusting the oscillation frequency of the oscillator 55 or adjusting the count operation of the up / down counter 53. The generation cycle of the pulse 76 can be appropriately changed. Thus, at high speed, when a contact state occurs between the probe and the sample, the vibration disappears, and an automatic approach that can automatically stop is performed.

【0035】前述の実施形態では、粗動機構であるZス
テージ31を試料側に設けたが、カンチレバー側に設け
ることができるのは勿論である。
In the above-described embodiment, the Z stage 31, which is a coarse movement mechanism, is provided on the sample side. However, it is needless to say that the Z stage 31 can be provided on the cantilever side.

【0036】また前述の実施形態では、カンチレバー1
1の微振動を圧電素子13による曲がり変位で生じさせ
るようにしたが、曲がり変位ではなく、カンチレバー1
1を平行に変位させる変位発生装置を用いることもでき
る。
In the above embodiment, the cantilever 1
1 is caused by the bending displacement by the piezoelectric element 13, but the bending vibration is not caused by the bending displacement but by the cantilever 1.
It is also possible to use a displacement generating device for displacing 1 in parallel.

【0037】また前述の実施形態ではAFMで説明した
が、同様な構成および作用を有する走査型プローブ顕微
鏡に対して本発明に係る探針・試料接近装置を適用でき
るのは勿論である。
In the above embodiment, the AFM has been described. However, the probe / sample approaching device according to the present invention can be applied to a scanning probe microscope having a similar configuration and operation.

【0038】さらに、上記実施形態では測定時の動作を
接触モードとしたが、必ずこれに限定されるというもの
ではなく、非接触モードや周期的に接触するモードのA
FMであっても、測定・観察を開始する前の段階におい
て、探針・試料間の距離を所望のものに設定するため
に、本発明による探針・試料接近機構を適用できるのは
勿論である。
Further, in the above-described embodiment, the operation at the time of measurement is set to the contact mode. However, the operation is not necessarily limited to this.
Even in the case of FM, the probe / sample approach mechanism according to the present invention can be applied to set the desired distance between the probe and the sample at the stage before starting the measurement / observation. is there.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査型プローブ顕微鏡で探針・試料間の接近を行
うに当たって、カンチレバーに微振動を与え、さらにこ
の微振動を利用して生成された大振動をカンチレバーに
与え、大振動に基づいて生成されたパルス信号によって
接近装置を駆動して探針・試料間の接近を行うようにし
たため、当該パルス信号を適宜に作ることにより、応答
性を高め、高速に接近動作を行えると共に、カンチレバ
ーの振動動作が停止するとパルスが消滅するため、自動
的に停止することができ、高速な自動接近を行うことが
できる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, when approaching between the probe and the sample with the scanning probe microscope, micro-vibration is given to the cantilever, and this micro-vibration is used. The generated large vibration is given to the cantilever, and the approaching device is driven by the pulse signal generated based on the large vibration to perform the approach between the probe and the sample.By appropriately generating the pulse signal, The responsiveness is improved, and the approach operation can be performed at a high speed, and when the vibration operation of the cantilever stops, the pulse disappears, so that the operation can be stopped automatically, and the high-speed automatic approach can be performed.

【0040】特に大気環境で測定が行われる場合には、
試料の表面には吸着層が形成されているので、探針と試
料が十分な距離で接近したときには、探針は試料表面の
吸着層に捕らえられ、カンチレバーの微振動は自動的に
停止し、そのために、探針と試料の接近動作は自動的に
停止する。
In particular, when the measurement is performed in an atmospheric environment,
Since an adsorption layer is formed on the surface of the sample, when the probe and the sample approach each other at a sufficient distance, the probe is caught by the adsorption layer on the surface of the sample, and the micro vibration of the cantilever stops automatically. Therefore, the approach operation between the probe and the sample automatically stops.

【0041】さらに本発明の構成によれば、特に、ばね
定数が相対的に大きな硬いカンチレバーを用いたAFM
において、安全に高速接近を実現できる。
Further, according to the structure of the present invention, in particular, an AFM using a hard cantilever having a relatively large spring constant.
, Safe high-speed approach can be realized.

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

【図1】本発明の代表的な実施形態を示す構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a typical embodiment of the present invention.

【図2】カンチレバーの詳細な構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a detailed structure of a cantilever.

【図3】信号処理系の回路各部の信号S1〜S3を示す
波形図である。
FIG. 3 is a waveform diagram showing signals S1 to S3 of various parts of a circuit of a signal processing system.

【図4】信号処理系の回路各部の信号S4〜S7を示す
タイミング図である。
FIG. 4 is a timing chart showing signals S4 to S7 of each section of the circuit of the signal processing system.

【図5】カンチレバーの振動停止を説明するための図で
ある。
FIG. 5 is a diagram for explaining stop of vibration of a cantilever.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 カンチレバー 12 探針 13 圧電素子 14 フレーム 15 XYZスキャナ 16 試料 17 レーザ光源 19 位置センサ 31 Zステージ 33 切換えスイッチ 36 演算処理装置 55 混合器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Cantilever 12 Probe 13 Piezoelectric element 14 Frame 15 XYZ scanner 16 Sample 17 Laser light source 19 Position sensor 31 Z stage 33 Changeover switch 36 Arithmetic processing unit 55 Mixer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 先部に探針を有するカンチレバーを備
え、前記探針と試料を接近させ、前記探針と前記試料の
表面との間の相互作用に基づき当該表面の微細性状を測
定する走査型プローブ顕微鏡において、 前記カンチレバーに微振動を与える発振手段と前記カン
チレバーの前記微振動を利用して低周波信号を生成し、
この低周波信号で前記カンチレバーに大振動を与える信
号生成手段と、 前記カンチレバーの前記大振動を利用して前記低周波信
号を取り出し、この低周波信号に基づいてパルス信号を
発生するパルス発生手段と、 前記パルス信号に基づいて動作が制御されるように構成
され、前記探針と前記試料を接近させる接近装置を備
え、 前記接近装置を駆動して前記探針と前記試料を接近させ
るとき、前記カンチレバーの前記微振動に基づき前記低
周波信号が生成されると共に、前記低周波信号を利用し
て前記パルス信号が生成されることを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡の探針・試料接近機構。
1. A scan for providing a cantilever having a probe at a tip thereof, approaching the probe and a sample, and measuring fine properties of the surface based on an interaction between the probe and the surface of the sample. In the scanning probe microscope, a low-frequency signal is generated by using an oscillating unit that applies a minute vibration to the cantilever and the minute vibration of the cantilever,
Signal generating means for giving a large vibration to the cantilever with the low frequency signal, and a pulse generating means for extracting the low frequency signal using the large vibration of the cantilever and generating a pulse signal based on the low frequency signal, An operation device is configured to be controlled based on the pulse signal, comprising an approach device for approaching the probe and the sample, when the approach device is driven to approach the probe and the sample, The probe / sample approaching mechanism of a scanning probe microscope, wherein the low frequency signal is generated based on the fine vibration of the cantilever, and the pulse signal is generated using the low frequency signal.
【請求項2】 前記低周波信号による前記カンチレバー
の大振動で前記カンチレバーが前記試料から離れるよう
に変位するとき、前記パルス発生手段は前記パルスを発
生することを特徴とする請求項1記載の走査型プローブ
顕微鏡の探針・試料接近機構。
2. The scanning according to claim 1, wherein said pulse generating means generates said pulse when said cantilever is displaced away from said sample by a large vibration of said cantilever due to said low frequency signal. Probe / sample approach mechanism of a scanning probe microscope.
【請求項3】 前記接近装置による前記探針と前記試料
との間の接近動作は大気環境で行われ、前記探針が前記
試料の表面に形成された吸着層に引き込まれたとき、前
記カンチレバーの前記微振動が停止し、さらに、前記大
振動が停止すると共に前記接近装置による前記接近動作
が停止することを特徴とする請求項1記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡の探針・試料接近機構。
3. An approach operation between the probe and the sample by the approach device is performed in an atmospheric environment, and when the probe is drawn into an adsorption layer formed on a surface of the sample, the cantilever is moved. 2. The probe / sample approach mechanism for a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the micro-vibration stops, and the large vibration stops, and the approach operation by the approach device stops.
【請求項4】 前記接近機構による接近の単位移動量
は、前記信号生成手段による前記大振動に基づく探針・
試料間距離の単位変化量よりも小さいことを特徴とする
請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡の探針・試料接近
機構。
4. The probe according to claim 1, wherein the unit movement amount of the approach by the approach mechanism is based on the probe based on the large vibration by the signal generating means.
2. The probe / sample approaching mechanism of a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the distance between the samples is smaller than a unit change amount.
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