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JPH11326347A - Scan type probe microscope - Google Patents

Scan type probe microscope

Info

Publication number
JPH11326347A
JPH11326347A JP14833498A JP14833498A JPH11326347A JP H11326347 A JPH11326347 A JP H11326347A JP 14833498 A JP14833498 A JP 14833498A JP 14833498 A JP14833498 A JP 14833498A JP H11326347 A JPH11326347 A JP H11326347A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
signal
probe
edge
control
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
JP14833498A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Morimoto
高史 森本
Hiroshi Kuroda
浩史 黒田
Takeshi Murayama
健 村山
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 JP14833498A priority Critical patent/JPH11326347A/en
Publication of JPH11326347A publication Critical patent/JPH11326347A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To correctly measure a breadth, etc., of a bumpy part of a sample surface by representing a shape of the bumpy part and specifying an edge of the bumpy part. SOLUTION: This microscope has a probe 15 opposite to a sample 11, a tripod 12 for applying a relative shift between the sample 11 and probe 15, and an optical shift detection device (17, 18) for detecting a physical amount generated between the probe 15 and sample 11. The microscope further includes a control circuit 20 which keeps the physical amount generated between the probe 15 and sample 11 at a set value s0, and a subtractor 22 which combines a signal s2 obtained from the control circuit 20 and a deviation signal Δs between the physical amount generated between the probe 15 and sample 11 and the set value, thereby outputting a signal s3 including a bump information and an edge specification information.

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、試料表面における
測定対象部のエッジを容易に特定でき、測定対象部の形
状寸法の測定に適した走査型プローブ顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope capable of easily specifying the edge of a measurement target portion on a sample surface and suitable for measuring the shape and size of the measurement target portion.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、先
端の尖った探針(プローブ)を試料に対してナノメート
ル(nm)オーダの距離で接近させ、そのとき探針と試
料との間に生じる原子間力等の物理的な相互作用を測定
することにより、試料表面の形状などを原子寸法レベル
で計測する装置である。その中でも走査型原子間力顕微
鏡(以下AFMと記す)に代表される力顕微鏡は、カン
チレバーと呼ばれる非常にバネ定数の低い片持ち梁を用
い、カンチレバー先端に備えた探針と試料の間に作用す
る原子間力によるカンチレバーのたわみ変形による変位
量を検出することにより、試料表面の凹凸形状を測定す
る装置である。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope (SPM) is a technique in which a probe having a sharp tip is brought close to a sample at a distance of the order of nanometers (nm). This is a device that measures the shape and the like of the sample surface at the atomic dimension level by measuring the physical interaction such as the generated atomic force. Among them, a force microscope typified by a scanning atomic force microscope (hereinafter referred to as AFM) uses a cantilever having a very low spring constant, and acts between a probe provided at the tip of the cantilever and a sample. This is a device that measures the unevenness of the sample surface by detecting the amount of displacement due to the bending deformation of the cantilever due to the interatomic force.

【0003】図6を参照して従来のAFMの機械系およ
び制御系の要部構成とその動作を説明する。このAFM
は一般的なコンタクトモードのAFMである。
With reference to FIG. 6, a description will be given of the configuration and operation of a main part of a mechanical system and a control system of a conventional AFM. This AFM
Is a general contact mode AFM.

【0004】先端に探針81を有するカンチレバー82
はその基端で固定されている。カンチレバー82のたわ
み変形で生じる変位は、レーザ光源83と光検出器84
からなる光テコと呼ばれる光学的変位検出装置により計
測される。光テコは、AFMのカンチレバーの変位検出
手段として一般的に広く用いられている。トライポッド
85は、試料86を載置する試料台87と、試料台87
を支持する3軸(直交するX,Y,Zの各軸)の圧電素
子88a,88b(Y軸圧電素子は図示せず)を備え、
XY方向の走査、および探針・試料間の距離を制御する
Z軸方向の動作を行うための3次元アクチュエータであ
る。測定の際、探針81は試料86の表面に接近して配
置される。
A cantilever 82 having a probe 81 at its tip
Is fixed at its proximal end. The displacement caused by the bending deformation of the cantilever 82 is caused by the laser light source 83 and the photodetector 84.
It is measured by an optical displacement detection device called an optical lever made of. Optical levers are generally and widely used as means for detecting the displacement of the cantilever of the AFM. The tripod 85 includes a sample table 87 on which a sample 86 is placed, and a sample table 87.
And piezoelectric elements 88a and 88b (Y-axis piezoelectric elements are not shown) of three axes (X, Y, and Z axes orthogonal to each other) that support
This is a three-dimensional actuator for performing scanning in the XY directions and operation in the Z-axis direction for controlling the distance between the probe and the sample. At the time of measurement, the probe 81 is arranged close to the surface of the sample 86.

【0005】試料86の表面形状を測定するときには、
カンチレバー82を、図示しない接近・退避機構によ
り、試料86に対して、探針81と試料86の間に原子
間力が生じる程度まで接近させる。その時、探針81が
試料86の表面から力を受け、カンチレバー82にたわ
み変形が生じる。カンチレバー82にたわみ変形が生じ
ると、制御回路89によって、光テコにより検出された
カンチレバー82のたわみ変形による変位量(探針81
の変位量)を表す変位信号s1と予め設定された設定値
s0との間の差としての偏差信号Δsが0となるよう
に、トライポッド85のZ軸方向の動作が制御される。
すなわち、カンチレバー82のたわみ変形による変位量
は常に設定値s0に一致するように制御され、そのた
め、探針81は試料86に対して一定の力で押しつけら
れた状態に保たれる。当該押し付け力が一定になるよう
に制御を行いながら、図示しないXY走査回路によりト
ライポッド85の各圧電素子を駆動して試料86の表面
を走査すると、Z軸方向の制御信号s2は試料表面の凹
凸に応じて変化する。従って制御信号s2によれば試料
表面の凹凸情報を得ることができる。
When measuring the surface shape of the sample 86,
The cantilever 82 is moved closer to the sample 86 by an approach / retreat mechanism (not shown) until an atomic force is generated between the probe 81 and the sample 86. At this time, the probe 81 receives a force from the surface of the sample 86, and the cantilever 82 is bent and deformed. When the bending deformation of the cantilever 82 occurs, the control circuit 89 causes the displacement amount of the bending deformation of the cantilever 82 detected by the optical lever (the probe 81).
The displacement of the tripod 85 in the Z-axis direction is controlled such that the deviation signal Δs as the difference between the displacement signal s1 representing the displacement amount of the tripod and a preset set value s0 becomes zero.
That is, the amount of displacement of the cantilever 82 due to the bending deformation is controlled so as to always coincide with the set value s0. Therefore, the probe 81 is kept pressed against the sample 86 with a constant force. When the piezoelectric element of the tripod 85 is driven by an XY scanning circuit (not shown) to scan the surface of the sample 86 while controlling the pressing force to be constant, the control signal s2 in the Z-axis direction becomes irregular on the surface of the sample. It changes according to. Therefore, according to the control signal s2, unevenness information on the sample surface can be obtained.

【0006】次に上記AFMによって図7に示すような
方形断面を有する凸部91を測定する例を説明する。凸
部91の断面の両側にはエッジ92,93が形成されて
いる。凸部91の測定において、探針81の先端は、図
7において左側から右側へ移動するものとする。探針8
1の移動は相対的なものであり、実際にはトライポッド
85によって試料86側が移動する。試料86の表面に
おける凸部91の測定では、前述のごとく、探針81の
試料86に対する押付け力が一定になるように制御が行
われる。従ってカンチレバー82では一定変位量でたわ
み変形を生じている。かかる状態で探針81が凸部91
を走査しながら凸部91の測定を行う時、トライポッド
85のZ軸圧電素子88bは、凸部91における段差に
相当する距離だけ縮み、再び元の長さまで伸びるように
制御される。従って制御信号s2では、凸部91のエッ
ジ92で信号レベルが低下し、エッジ93で信号レベル
が元の状態に戻るように変化する(図8)。実際の変化
では制御的な遅れが伴う。このため、制御信号s2の変
化は図8に示すように生じる。図8に示された制御信号
s2の変化状態は試料表面の凸部91の凹凸形状に対応
している。AFMでは図示しない画像処理装置によって
制御信号s2の画像処理が行われ、AFMの画像が作成
され、表示装置に当該画像が表示される。なお画像処理
の構成および方法についてはよく知られているので詳細
な説明を省略する。
Next, an example of measuring a convex portion 91 having a rectangular cross section as shown in FIG. 7 by the AFM will be described. Edges 92 and 93 are formed on both sides of the cross section of the convex portion 91. In the measurement of the protrusion 91, the tip of the probe 81 moves from left to right in FIG. Probe 8
The movement of 1 is relative, and the sample 86 is moved by the tripod 85 in practice. In the measurement of the convex portion 91 on the surface of the sample 86, as described above, control is performed so that the pressing force of the probe 81 against the sample 86 is constant. Accordingly, the cantilever 82 is deformed by a constant amount of displacement. In this state, the probe 81 is
When the measurement of the convex portion 91 is performed while scanning is performed, the Z-axis piezoelectric element 88b of the tripod 85 is controlled so as to contract by a distance corresponding to the step in the convex portion 91 and to extend to the original length again. Therefore, in the control signal s2, the signal level decreases at the edge 92 of the convex portion 91 and changes so as to return to the original state at the edge 93 (FIG. 8). The actual change is accompanied by a control delay. Therefore, the control signal s2 changes as shown in FIG. The change state of the control signal s2 shown in FIG. 8 corresponds to the uneven shape of the convex portion 91 on the sample surface. In the AFM, image processing of the control signal s2 is performed by an image processing device (not shown), an image of the AFM is created, and the image is displayed on the display device. Since the configuration and method of image processing are well known, detailed description will be omitted.

【0007】図8に示した制御信号s2における制御遅
れの程度は一例である。制御遅れについては制御系の状
態や走査速度の大小により様々に変化する。さらに図示
例では印加電圧の増加に伴って軸方向に伸びる圧電素子
の例について説明したが、逆の極性を持った圧電素子も
存在する。圧電素子の極性に関してはAFMの原理的部
分に影響を与えないので、ここで特に考慮する必要はな
い。
The degree of control delay in the control signal s2 shown in FIG. 8 is an example. The control delay varies variously depending on the state of the control system and the magnitude of the scanning speed. Further, in the illustrated example, an example of a piezoelectric element that extends in the axial direction with an increase in the applied voltage has been described. However, a piezoelectric element having the opposite polarity also exists. The polarity of the piezoelectric element does not affect the principle part of the AFM, and therefore does not need to be considered here.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】従来のAFMの測定の
仕方によれば、測定で得た凸部91の断面形状に関して
幅寸法を計算しようとする場合、制御信号s2でエッジ
92,93を特定することが実際上非常に困難であり、
幅寸法の計算が不可能であるという問題が起きる。図6
の回路構成から得られる測定信号すなわち制御回路89
から出力される制御信号s2では、図8に示すごとく制
御的な遅れが含まれるため、エッジ92,93に対応す
る部分で鈍りが生じ、エッジを明確に特定することがで
きないという問題が起きる。図7では説明の便宜上完全
に方形の凸部91としたので、エッジを比較的に特定し
やすいと考えられるが、実際にはエッジがはっきりしな
い丸みを有する凸部が多いので、エッジを特定すること
はいっそう困難であり、凸部の幅寸法を再現よく計測す
ることは困難となる。
According to the conventional AFM measurement method, when the width dimension is to be calculated for the cross-sectional shape of the convex portion 91 obtained by the measurement, the edges 92 and 93 are specified by the control signal s2. Very difficult to do in practice,
A problem arises in that it is impossible to calculate the width dimension. FIG.
Measurement signal obtained from the circuit configuration of FIG.
Since the control signal s2 output from the control signal includes a control delay as shown in FIG. 8, the portion corresponding to the edges 92 and 93 becomes dull, causing a problem that the edge cannot be clearly specified. In FIG. 7, it is considered that the edge is relatively easy to identify because the convex portion 91 is completely square for convenience of explanation. However, in actuality, there are many convex portions having rounded edges whose edges are not clear. This is more difficult, and it is difficult to measure the width dimension of the convex portion with good reproducibility.

【0009】本発明の目的は、上記問題を解決すること
にあり、試料表面の測定対象部の凹凸形状を表すことが
できかつ測定対象部のエッジを明確に特定でき、測定対
象部の幅寸法等を正確に測定できる走査型プローブ顕微
鏡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, and it is possible to represent the uneven shape of the measurement target portion on the sample surface, to clearly specify the edge of the measurement target portion, and to measure the width dimension of the measurement target portion. It is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope capable of accurately measuring the characteristics of a scanning probe microscope.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、次
のように構成される。第1の走査型プローブ顕微鏡(請
求項1に対応)は、試料に対向する探針と、試料と探針
の間に相対変位を与える手段(微動機構等)と、探針と
試料の間に生じる物理量を検出する検出手段(例えば光
テコ式の光学的変位検出装置)を有しており、さらに、
探針と試料の間に生じる物理量を設定値に保つ制御手段
と、当該制御手段から得られる信号と、探針・試料間に
生じる物理量および設定値の間の偏差信号とを合成して
凹凸情報とエッジ特定情報を含む信号を出力する合成手
段とを備えるように構成される。上記走査型プローブ顕
微鏡では、例えばAFMの場合、物理量として探針・試
料間に原子間力を発生させ、測定の際、当該原子間力の
変化を例えば光テコ式検出手段で検出し、原子間力が設
定値に一致するように制御手段で探針・試料間の距離を
調整し、探針・試料間の距離を一定に保つように制御す
る。上記光テコ式の検出手段は、探針を先部に設けたカ
ンチレバーと、カンチレバーのたわみ変形による変位量
を検出する位置検出器とから構成される。測定の際に試
料の表面は針によって走査され、その間、上記のごとく
制御手段から出力される制御信号によって探針と試料の
間の距離は一定に保持される。制御手段から出力される
制御信号は、探針を試料表面の凹凸形状に追従するよう
に制御するものであるから、制御信号によって試料表面
の凹凸情報を得ることができる。さらに探針・試料間に
生じる物理量および設定値の間の偏差信号から試料表面
の凹凸の変化率を反映した情報が得られる。何故なら、
凹凸の変化率が大きいほど制御手段による制御の遅れが
大きくなり、そのため偏差信号としては大きな信号が生
じるからである。試料の表面における測定対象部のエッ
ジは凹凸の変化率が最も大きい箇所であるから、制御遅
れは最大になり、偏差信号の絶対値は最大になり、測定
対象部のエッジを正確に検出することができる。従っ
て、制御手段から出力される信号と偏差信号とを合成す
ることにより、試料表面の凹凸形状を表すと共に凹凸形
状のエッジを特定できる信号を得ることができる。試料
表面の測定対象部のエッジを特定できれば、当該測定対
象部の幅寸法等を正確に測定することが可能となる。エ
ッジの部分が丸みを有している場合であっても、偏差信
号は試料表面の断面形状の微分係数を反映した信号にな
るので、エッジを特定する場合に有効な信号として利用
できる。第2の走査型プローブ顕微鏡(請求項2に対
応)は、上記の構成において、好ましくは、上記合成手
段は、制御手段から得られる信号と偏差信号との差を演
算する減算器である。第3の走査型プローブ顕微鏡(請
求項3に対応)は、上記の構成において、好ましくは、
上記制御手段から得られる信号に対して偏差信号の信号
レベルを調整する調整器を備える。
The scanning probe microscope according to the present invention is configured as follows to achieve the above object. The first scanning probe microscope (corresponding to claim 1) includes a probe facing the sample, a means (fine movement mechanism or the like) for giving a relative displacement between the sample and the probe, and a probe between the probe and the sample. It has detecting means (for example, an optical lever type optical displacement detecting device) for detecting the generated physical quantity,
Control means for maintaining a physical quantity generated between the probe and the sample at a set value; a signal obtained from the control means; a deviation signal between the physical quantity generated between the probe and the sample and a set value; And synthesizing means for outputting a signal including edge identification information. In the above-mentioned scanning probe microscope, for example, in the case of an AFM, an atomic force is generated between the probe and the sample as a physical quantity, and at the time of measurement, a change in the atomic force is detected by, for example, an optical lever type detection means, and the atomic force is detected. The distance between the probe and the sample is adjusted by the control means so that the force matches the set value, and control is performed so as to keep the distance between the probe and the sample constant. The optical lever-type detecting means includes a cantilever having a probe at a tip thereof, and a position detector for detecting a displacement amount of the cantilever due to bending deformation. During the measurement, the surface of the sample is scanned by the needle, and during that time, the distance between the probe and the sample is kept constant by the control signal output from the control means as described above. Since the control signal output from the control means controls the probe so as to follow the uneven shape of the sample surface, the control signal can obtain unevenness information of the sample surface. Further, information reflecting the change rate of the unevenness on the sample surface can be obtained from the deviation signal between the physical quantity generated between the probe and the sample and the set value. Because,
This is because the larger the rate of change of the unevenness, the greater the control delay by the control means, and thus a larger signal is generated as the deviation signal. Since the edge of the measurement target part on the surface of the sample is the point where the rate of change of unevenness is the largest, the control delay is maximized, the absolute value of the deviation signal is maximized, and the edge of the measurement target part is accurately detected. Can be. Therefore, by synthesizing the signal output from the control means and the deviation signal, it is possible to obtain a signal that indicates the uneven shape of the sample surface and can specify the edge of the uneven shape. If the edge of the measurement target portion on the sample surface can be specified, the width dimension and the like of the measurement target portion can be accurately measured. Even when the edge portion is rounded, the deviation signal is a signal reflecting the differential coefficient of the cross-sectional shape of the sample surface, and thus can be used as an effective signal when specifying the edge. In the second scanning probe microscope (corresponding to claim 2), in the above configuration, preferably, the synthesizing unit is a subtractor that calculates a difference between a signal obtained from the control unit and a deviation signal. In a third scanning probe microscope (corresponding to claim 3), in the above configuration, preferably,
An adjuster is provided for adjusting the signal level of the deviation signal with respect to the signal obtained from the control means.

【0011】[0011]

【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.

【0012】図1は本発明の第1実施形態を示す。本実
施形態の走査型プローブ顕微鏡(SPM)は一例として
カンチレバーを備えたものであり、特にコンタクトモー
ドの原子間力顕微鏡(AFM)の例を示している。また
カンチレバーのたわみ変形によって生じる変位量は一般
的な光テコ式の光学的変位検出装置を利用して検出され
る。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. The scanning probe microscope (SPM) of the present embodiment has a cantilever as an example, and particularly shows an example of a contact mode atomic force microscope (AFM). The amount of displacement caused by the bending deformation of the cantilever is detected by using a general optical lever type optical displacement detecting device.

【0013】図1において、試料11はトライポッド1
2の試料台13の上に載置されている。トライポッド1
2は、試料台13を支持する3軸方向の圧電素子すなわ
ちX軸圧電素子14aとY軸圧電素子(図示せず)とZ
軸圧電素子14bを備え、XY方向の走査および探針・
試料間(またはカンチレバー・試料間)の距離を制御す
るZ軸方向の駆動を行うための3次元アクチュエータで
ある。試料11の上側には、この試料11に対向する探
針15を先端に備えるカンチレバー16が配置される。
カンチレバー16の上方にはレーザ光源17と光検出器
18からなる光テコ式の光学的変位検出装置が配置され
る。レーザ光源17から出射されたレーザ光17aはカ
ンチレバー16の背面で反射され、光検出器18に入射
する。試料11の表面と探針15との間では原子間力が
作用し、当該原子間力に応じてカンチレバー16がたわ
み変形することによりカンチレバー16で生じる変位量
は光テコ式の光学的変位検出装置により計測される。
In FIG. 1, a sample 11 is a tripod 1
It is mounted on the second sample stage 13. Tripod 1
Reference numeral 2 denotes a three-axis piezoelectric element that supports the sample table 13, that is, an X-axis piezoelectric element 14a, a Y-axis piezoelectric element (not shown), and a Z-axis piezoelectric element (not shown).
XY direction scanning and probe
This is a three-dimensional actuator for driving in the Z-axis direction for controlling the distance between the samples (or between the cantilever and the sample). Above the sample 11, a cantilever 16 having a probe tip 15 facing the sample 11 at its tip is arranged.
Above the cantilever 16, an optical lever type optical displacement detecting device including a laser light source 17 and a photodetector 18 is arranged. The laser light 17 a emitted from the laser light source 17 is reflected on the back surface of the cantilever 16 and enters the light detector 18. An atomic force acts between the surface of the sample 11 and the probe 15, and the amount of displacement generated in the cantilever 16 when the cantilever 16 bends and deforms according to the atomic force is an optical lever type optical displacement detection device. Is measured by

【0014】次に、制御系の構成と測定に関する動作を
説明する。
Next, the configuration of the control system and the operation related to measurement will be described.

【0015】図1において、試料11の表面の形状を測
定するときには、探針15を、周知の接近・退避機構
(図示せず)により試料11に対し原子間力が作用する
領域まで接近させる。そのとき、探針15が試料表面か
ら力を受け、カンチレバー16にたわみ変形が生じる。
光学的変位検出装置により検出されたカンチレバー16
の変位量(探針15の変位量)は、光検出器18から変
位信号s1として取り出される。減算器19では、予め
設定された設定値s0と上記変位信号s1の差が偏差信
号Δsとして演算され、当該偏差信号Δsは制御回路2
0に供給される。制御回路20はトライポッド12のZ
軸方向の動作すなわちZ軸圧電素子14bを制御するも
ので、減算器19から出力される上記偏差信号Δsが0
になるように、制御信号s2を生成し出力する。すなわ
ち、カンチレバー16のたわみ変形による変位量は、常
に設定値s0に一致するように制御され、探針15は試
料11の表面に対し一定の力で押付けられた状態に保た
れる。押付け力を一定にする制御を行いながら、XY走
査回路21によりトライポッド12を駆動して試料11
を移動させ試料11の表面を探針15で走査すると、Z
軸方向の制御信号s2は試料11の表面の凹凸形状に応
じて変化する。
In FIG. 1, when measuring the shape of the surface of the sample 11, the probe 15 is brought close to a region where an atomic force acts on the sample 11 by a well-known approach / retreat mechanism (not shown). At that time, the probe 15 receives a force from the sample surface, and the cantilever 16 bends.
Cantilever 16 detected by optical displacement detection device
(The displacement of the probe 15) is extracted from the photodetector 18 as a displacement signal s1. In the subtractor 19, a difference between a preset set value s0 and the displacement signal s1 is calculated as a deviation signal Δs.
0 is supplied. The control circuit 20 determines the Z of the tripod 12
It controls the operation in the axial direction, that is, the Z-axis piezoelectric element 14b, and the deviation signal Δs output from the subtractor 19 is 0.
The control signal s2 is generated and output so that That is, the displacement amount of the cantilever 16 due to the bending deformation is controlled so as to always coincide with the set value s0, and the probe 15 is kept pressed against the surface of the sample 11 with a constant force. The XY scanning circuit 21 drives the tripod 12 to control the sample 11
Is moved and the surface of the sample 11 is scanned by the probe 15, Z
The control signal s2 in the axial direction changes according to the uneven shape of the surface of the sample 11.

【0016】上記の制御信号s2と偏差信号Δsは減算
器22に与えられ、減算器22から制御信号s2から偏
差信号Δsを減算した差信号s3が出力される。減算器
22から出力される差信号s3は信号処理装置23に入
力される。信号処理装置23では、当該差信号s3とX
Y走査回路21の出力信号s4とに基づいて画像信号を
生成し、この画像信号に基づいて試料11の表面の凹凸
情報を表示装置24に表示する。
The control signal s2 and the deviation signal Δs are supplied to a subtractor 22, which outputs a difference signal s3 obtained by subtracting the deviation signal Δs from the control signal s2. The difference signal s3 output from the subtractor 22 is input to the signal processing device 23. In the signal processing device 23, the difference signal s3 and X
An image signal is generated based on the output signal s <b> 4 of the Y-scanning circuit 21, and information on the unevenness of the surface of the sample 11 is displayed on the display device 24 based on the image signal.

【0017】減算器22から出力された差信号s3は、
試料11の表面の凹凸形状を表す信号であると共に当該
凹凸形状のエッジを明確に特定できる信号である。すな
わち差信号s3は試料表面の凹凸情報とエッジ特定情報
を含む信号である。次に差信号s3の特性について説明
する。
The difference signal s3 output from the subtractor 22 is
The signal is a signal representing the uneven shape of the surface of the sample 11 and a signal that can clearly specify the edge of the uneven shape. That is, the difference signal s3 is a signal including the unevenness information on the sample surface and the edge identification information. Next, the characteristics of the difference signal s3 will be described.

【0018】図1〜図3を参照して差信号s3を説明す
る。ここでは、一例として図7に示した凸部91を図中
左から右に探針15を相対的に移動して走査することに
より得られる差信号s3について説明する。図2および
図3において91は試料表面における凸部の断面形状の
一例を示しており、92,93は凸部91のエッジを示
している。試料11の表面における凸部91を測定する
場合、制御信号s2として得られる信号の変化状態は従
来のものと同じであり、図8に示したような制御信号s
2が制御回路20から出力される。この制御信号s2は
減算器22に入力される。一方、凸部91の測定におい
て生じる偏差信号Δsは図2に示される波形のごとく変
化する。図2では偏差信号Δsと凸部91の対応関係が
明確になっており、偏差信号Δsでは凸部91のエッジ
92に対応して下方向へピーク31が生じ、エッジ93
に対応して上方向にピーク32が生じている。なお図2
において0は基準電位(0ボルト)を示している。以上
のごとく偏差信号Δsでは図2で明らかなように凸部9
1のエッジ92,93に対応してピーク31,32が生
じるという特性を有している。次に、ピーク31,32
が生じる理由を説明する。
The difference signal s3 will be described with reference to FIGS. Here, as an example, a difference signal s3 obtained by relatively moving the probe 15 from the left to the right and scanning the protrusion 91 shown in FIG. 7 will be described. 2 and 3, reference numeral 91 denotes an example of the cross-sectional shape of the convex portion on the sample surface, and reference numerals 92 and 93 denote the edges of the convex portion 91. When measuring the convex portion 91 on the surface of the sample 11, the change state of the signal obtained as the control signal s2 is the same as the conventional one, and the control signal s as shown in FIG.
2 is output from the control circuit 20. This control signal s2 is input to the subtractor 22. On the other hand, the deviation signal Δs generated in the measurement of the convex portion 91 changes like the waveform shown in FIG. In FIG. 2, the correspondence between the deviation signal Δs and the convex portion 91 is clear. In the deviation signal Δs, a peak 31 occurs downward corresponding to the edge 92 of the convex portion 91 and the edge 93
, A peak 32 is generated in the upward direction. FIG. 2
In the above, 0 indicates a reference potential (0 volt). As described above, in the deviation signal Δs, as apparent from FIG.
It has a characteristic that peaks 31 and 32 are generated corresponding to the edges 92 and 93 of one. Next, peaks 31 and 32
The reason for the occurrence will be described.

【0019】試料11の表面に対して探針15を原子間
力が生じる程度に接近させ、当該探針15を試料表面の
凸部91に対して左から右に走査すると、凸部91の左
側のエッジ92でカンチレバー16にたわみ変形が生じ
る。カンチレバー16のたわみ変形は探針15の先端と
試料表面との距離が小さくなることにより生じる。探針
15に関してはカンチレバー16による押付け力が常に
一定になるように制御が行われるので、カンチレバー1
6にたわみ変形が生じると、トライポッド12のZ軸圧
電素子14bは探針15と試料表面の間の距離を大きく
すべく急速に縮むように制御される。しかし当該制御で
は、フィードバック制御上遅れが生じるため、実際には
従来技術の箇所で述べた通り図8に示すごとく制御信号
s2が変化する。従ってかかる制御においては、エッジ
における制御遅れが最も顕著に生じ、偏差信号Δsは図
2に示すごとく左側のエッジ92で下方向すなわちマイ
ナス側に最大になり、その後制御が追従を完了すると偏
差信号Δsは0になる。その結果ピーク31が生じる。
同様なことは凸部91の右側のエッジ93においても生
じる。エッジ93では、Z軸圧電素子14bは急速に伸
びるように制御される。しかしながら前述と同様に制御
の遅れが生じるため、偏差信号Δsにおいてはエッジ9
3に対応する部分で上方向すなわちプラス側に最大にな
るように変化する。その結果ピーク32が生じる。
When the probe 15 is brought close to the surface of the sample 11 to the extent that an atomic force is generated, and the probe 15 is scanned from left to right with respect to the convex portion 91 on the sample surface, the left side of the convex portion 91 is obtained. Is bent at the edge 92 of the cantilever 16. The bending deformation of the cantilever 16 is caused by a decrease in the distance between the tip of the probe 15 and the sample surface. The probe 15 is controlled so that the pressing force of the cantilever 16 is always constant.
When the flexure 6 is deformed, the Z-axis piezoelectric element 14b of the tripod 12 is controlled to contract rapidly so as to increase the distance between the probe 15 and the sample surface. However, in this control, since a delay occurs in the feedback control, the control signal s2 actually changes as shown in FIG. 8 as described in the related art. Therefore, in such control, the control delay at the edge occurs most remarkably, and the deviation signal Δs becomes maximum in the downward direction, that is, the minus side at the left edge 92 as shown in FIG. 2, and thereafter, when the control is completed, the deviation signal Δs Becomes 0. As a result, a peak 31 occurs.
The same occurs in the right edge 93 of the convex portion 91. At the edge 93, the Z-axis piezoelectric element 14b is controlled to extend rapidly. However, since the control is delayed as described above, the edge 9
In the portion corresponding to No. 3, it changes so as to be maximum in the upward direction, that is, on the plus side. As a result, a peak 32 occurs.

【0020】以上のようにして、探針15を左側から右
側に相対的に移動させて試料表面の凸部91を形状に沿
って走査させる時、図2に示すごとく、偏差信号Δsで
はエッジ92,93に対応してピーク31,32が生じ
ることになる。このことは偏差信号Δsをモニタするこ
とによって、試料表面の凸部91のエッジ92,93を
特定することができる。本実施形態の場合、試料表面の
凸部91は説明の便宜上完全な方形断面を有する凸部と
して偏差信号Δsにおいてピーク31,32が顕著に現
れる例を示したが、エッジが丸みを有する一般的な凸部
の場合であっても、そのエッジを特定できるピークを偏
差信号Δsにおいて生じさせることができる。
As described above, when the probe 15 is relatively moved from the left side to the right side to scan the convex portion 91 of the sample surface along the shape, as shown in FIG. , 93 corresponding to the peaks 31, 32. This means that the edges 92 and 93 of the projection 91 on the sample surface can be specified by monitoring the deviation signal Δs. In the case of the present embodiment, for the sake of convenience of explanation, the convex portion 91 on the sample surface is shown as a convex portion having a perfect rectangular cross section, and the peaks 31 and 32 appear remarkably in the deviation signal Δs. Even in the case of a convex portion, a peak that can specify the edge can be generated in the deviation signal Δs.

【0021】上記のごとき特性を有する偏差信号Δsを
減算器22に与え、制御信号s2から偏差信号Δsを減
算することによって減算器22から差信号s3を出力さ
せる。差信号s3を波形的に示すと図3のようになる。
図3において0は基準電位で、電位0のレベルである。
差信号s3においてもピーク33,34が発生する。こ
のピーク33,34はそれぞれ凸部91のエッジ92,
93に対応して生じている。従って差信号s3における
ピーク33,34を取り出せば、凸部91のエッジ9
2,93が存在する場所を見出すことができる。凸部9
1のエッジ92,93の場所を見出せば凸部91の幅寸
法を得ることができるのは明らかである。図8に示した
従来のAFMによって得られる測定信号(制御信号s
2)に対して、図3に示した本実施形態の構成によって
得られる差信号s3は、試料11の表面の凹凸形状の情
報を含むと共に試料11の表面の凹凸形状のエッジに対
応するピークを持つ信号であるので、測定対象部の幅寸
法を測定したい場合にはエッジの特定が容易になる。こ
のため、試料表面の凹凸形状の幅寸法等を正確に再現よ
く測定することが可能になる。
The difference signal Δs having the above-described characteristics is supplied to the subtractor 22, and the difference signal Δs is subtracted from the control signal s2 to output the difference signal s3. FIG. 3 shows a waveform of the difference signal s3.
In FIG. 3, 0 is a reference potential, which is the level of the potential 0.
Peaks 33 and 34 also occur in the difference signal s3. The peaks 33 and 34 respectively correspond to the edges 92 and
93. Therefore, if the peaks 33 and 34 in the difference signal s3 are extracted, the edge 9 of the convex portion 91 can be obtained.
The location where 2,93 exists can be found. Convex part 9
Obviously, if the locations of the edges 92 and 93 are found, the width dimension of the projection 91 can be obtained. The measurement signal (control signal s) obtained by the conventional AFM shown in FIG.
In contrast to 2), the difference signal s3 obtained by the configuration of the present embodiment shown in FIG. 3 includes the information of the uneven shape of the surface of the sample 11 and has a peak corresponding to the edge of the uneven shape of the surface of the sample 11. Since it is a signal possessed, it is easy to specify the edge when it is desired to measure the width dimension of the measurement target portion. For this reason, it becomes possible to accurately and reproducibly measure the width and the like of the uneven shape on the sample surface.

【0022】なお図2および図8に示した偏差信号およ
び制御信号は、制御系の状態や操作速度の大小により様
々に変化することは言うまでもない。本実施形態の説明
では説明の便宜上分かりやすくなるような例を示してい
る。
It goes without saying that the deviation signal and the control signal shown in FIGS. 2 and 8 change variously depending on the state of the control system and the magnitude of the operation speed. In the description of the present embodiment, an example that is easy to understand is shown for convenience of explanation.

【0023】前述の実施形態では、試料表面の凹凸形状
のエッジを特定するための信号を得るにあたって、減算
器22を用いて差信号s3として信号を作ったが、エッ
ジを特定するための信号は差信号に限定されるものでは
ない。試料11の表面における凹凸形状のエッジを特定
できる信号を生成できるのであれば、減算器以外に制御
信号と偏差信号を合成する任意の合成手段を用いること
ができるのは勿論である。
In the above-described embodiment, the signal for specifying the edge of the uneven shape on the sample surface is obtained as the difference signal s3 using the subtractor 22, but the signal for specifying the edge is It is not limited to the difference signal. As long as a signal capable of specifying the edge of the uneven shape on the surface of the sample 11 can be generated, it goes without saying that any combining means for combining the control signal and the deviation signal can be used other than the subtractor.

【0024】次に本発明の第2の実施形態を図4および
図5を参照して説明する。図4に示された構成の基本的
部分は実質的に図1に示された構成と同じである。図4
において、図1に示された要素と実質的に同じものにつ
いては同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。こ
の実施形態における特徴的な構成は減算器19から出力
される偏差信号Δsに対して調整器25(増幅器または
減衰器)を設け、偏差信号Δsの信号レベルを適宜に調
整するように構成した点である。減算器22では、調整
器25によって信号レベルを適宜に調整された偏差信号
Δsが、制御信号s2から減算される。調整器25とし
ては例えば偏差信号Δsのレベルを10分の1に減衰さ
せる減衰器が用いられる。なお信号レベルを10分の1
倍にするという意味では増幅器ということもできる。減
算器22で、制御信号s2から10分の1に減衰された
偏差信号Δsを減算すると、その差信号s3は図5に示
すように生じる。図5に示された差信号s3において
も、凸部91のエッジ92,93に対応してピーク4
1,42が生じている。従って図5に示された差信号s
3によれば、ピーク41,42を検出することによって
凸部91のエッジ92,93を特定することが可能にな
る。偏差信号Δsの大きさは制御の状態、走査速度、試
料表面の形状により様々生じるが、本実施形態の構成に
よれば調整器25を設けることによって偏差信号Δsを
適切な大きさに調整(増幅あるいは減衰)することがで
きる。また本実施形態の構成によれば、試料表面の凹凸
形状に関する情報を含む制御信号s2の波形を原形のま
ま維持しながら、凹凸形状のエッジを明確に特定するこ
とが可能になる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The basic part of the configuration shown in FIG. 4 is substantially the same as the configuration shown in FIG. FIG.
In FIG. 7, the same reference numerals are given to substantially the same elements as those shown in FIG. 1, and detailed description thereof will be omitted. The characteristic configuration of this embodiment is that an adjuster 25 (amplifier or attenuator) is provided for the deviation signal Δs output from the subtractor 19, and the signal level of the deviation signal Δs is appropriately adjusted. It is. The subtracter 22 subtracts the deviation signal Δs whose signal level has been appropriately adjusted by the adjuster 25 from the control signal s2. As the adjuster 25, for example, an attenuator that attenuates the level of the deviation signal Δs to 1/10 is used. Note that the signal level is 1/10
In the sense of doubling, it can also be called an amplifier. When the subtracter 22 subtracts the attenuated deviation signal Δs from the control signal s2 by 1/10, the difference signal s3 is generated as shown in FIG. Also in the difference signal s3 shown in FIG.
1, 42 have occurred. Therefore, the difference signal s shown in FIG.
According to 3, it is possible to identify the edges 92 and 93 of the convex portion 91 by detecting the peaks 41 and 42. The magnitude of the deviation signal Δs varies depending on the state of control, the scanning speed, and the shape of the sample surface. According to the configuration of the present embodiment, the deviation signal Δs is adjusted to an appropriate magnitude (amplification) by providing the adjuster 25. Or attenuation). Further, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to clearly specify the edge of the uneven shape while maintaining the waveform of the control signal s2 including the information on the uneven shape of the sample surface as it is.

【0025】上記の実施形態ではAFMについて説明し
たが、本発明の特徴的構成は、偏差信号を生じる同様な
制御系を備えたSPMに対して一般に適用できるのは勿
論である。
Although the AFM has been described in the above embodiment, it goes without saying that the characteristic configuration of the present invention can be generally applied to an SPM provided with a similar control system that generates a deviation signal.

【0026】[0026]

【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、次の効果を奏する。探針と試料表面の間の距離を
一定距離に保持する制御系を備えたSPMにおいて、制
御系で生じる偏差信号が試料表面の測定対象部のエッジ
を特定できるという特性を有することに着目し、この偏
差信号と試料表面の凹凸情報を含む制御信号とを合成す
ることによって、凹凸情報と凹凸のエッジに関する情報
を含む信号を生成するようにしたため、試料表面の凹凸
形状を画像化して表示する場合にエッジを明確に特定で
き、正確で再現性のよい測定を行うことができる。さら
に試料表面の変化率を反映した画像を得ることができ
る。
As apparent from the above description, the present invention has the following effects. Focusing on the SPM having a control system for maintaining the distance between the probe and the sample surface at a constant distance, a deviation signal generated in the control system has a characteristic that the edge of the measurement target portion on the sample surface can be specified. By synthesizing the deviation signal and a control signal including the unevenness information of the sample surface to generate a signal including the unevenness information and the information on the edge of the unevenness, the image of the unevenness shape of the sample surface is displayed. The edge can be specified clearly, and accurate and highly reproducible measurement can be performed. Further, an image reflecting the change rate of the sample surface can be obtained.

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

【図1】本発明の第1実施形態を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】偏差信号の変化状態を示す波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram showing a change state of a deviation signal.

【図3】制御信号から偏差信号を減算して得られるエッ
ジ特定信号の波形図である。
FIG. 3 is a waveform diagram of an edge specifying signal obtained by subtracting a deviation signal from a control signal.

【図4】本発明の第2実施形態を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing a second embodiment of the present invention.

【図5】第2実施形態で得られるエッジ特定信号の波形
図である。
FIG. 5 is a waveform diagram of an edge specifying signal obtained in a second embodiment.

【図6】従来の代表的な走査型プローブ顕微鏡の要部構
成図である。
FIG. 6 is a main part configuration diagram of a conventional typical scanning probe microscope.

【図7】試料表面における凸部の断面の一例を示す図で
ある。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a cross section of a convex portion on a sample surface.

【図8】従来の走査型プローブ顕微鏡で図7の凸部を測
定する時に生じる制御信号の変化を示す波形図である。
FIG. 8 is a waveform diagram showing a change in a control signal generated when measuring the projection of FIG. 7 with a conventional scanning probe microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 試料 12 トライポッド 13 試料台 15 探針 16 カンチレバー 17 レーザ光源 18 光検出器 19 減算器 22 減算器 31,32 ピーク 41,42 ピーク DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Sample 12 Tripod 13 Sample stand 15 Probe 16 Cantilever 17 Laser light source 18 Photodetector 19 Subtractor 22 Subtractor 31, 32 Peak 41, 42 Peak

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料に対向する探針と、前記試料と前記
探針の間に相対変位を与える手段と、前記探針と前記試
料の間に生じる物理量を検出する検出手段を有する走査
型プローブ顕微鏡において、 前記探針と前記試料の間に生じる前記物理量を設定値に
保つ制御手段と、 当該制御手段から得られる信号と、探針・試料間に生じ
る物理量および設定値の間の偏差信号とを合成して凹凸
情報とエッジ特定情報を含む信号を出力する合成手段
と、 を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1. A scanning probe having a probe facing a sample, means for giving a relative displacement between the sample and the probe, and detection means for detecting a physical quantity generated between the probe and the sample. In the microscope, control means for maintaining the physical quantity generated between the probe and the sample at a set value, a signal obtained from the control means, a deviation signal between the physical quantity generated between the probe and the sample and a set value, And a synthesizing means for synthesizing and outputting a signal including the unevenness information and the edge specifying information.
【請求項2】 前記合成手段は、前記制御手段から得ら
れる信号と前記偏差信号との差を演算する減算器である
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。
2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein said synthesizing means is a subtractor for calculating a difference between a signal obtained from said control means and said deviation signal.
【請求項3】 前記制御手段から得られる信号に対して
前記偏差信号の信号レベルを調整する調整器を備えたこ
とを特徴とする請求項1または2記載の走査型プローブ
顕微鏡。
3. The scanning probe microscope according to claim 1, further comprising an adjuster for adjusting a signal level of the deviation signal with respect to a signal obtained from the control unit.
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