JP2001228072A - Scanning probe microscope - Google Patents
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- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡に係り、特
に、従来のコンタクトモードおよびタッピングモードが
抱える問題を補完して、表面が極めて柔らかい試料を安
定して観察でき、かつＳＮ比の良好な測定を実現できる
走査型プローブ顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope such as a scanning atomic force microscope (AFM), and more particularly to a method for complementing the problems of the conventional contact mode and tapping mode and having an extremely soft surface. The present invention relates to a scanning probe microscope capable of stably observing a sample and realizing good measurement of an SN ratio.
【０００２】[0002]
【従来の技術】表面が極めて柔らかい試料をコンタクト
モードで観察するためには、探針を試料表面に非常に弱
い力で接触させなければならず、探針に作用する原子間
力を非常に弱くする必要がある。探針に作用する原子間
力を弱くするために、従来からカンチレバーのばね定数
を極めて小さい値にするか、もしくは探針をフォースカ
ーブ上の原子間力の弱い位置に設置することが行われて
いる。2. Description of the Related Art In order to observe a sample having a very soft surface in a contact mode, the probe must be brought into contact with the surface of the sample with a very small force, and the atomic force acting on the probe must be extremely weak. There is a need to. In order to weaken the atomic force acting on the probe, the spring constant of the cantilever was conventionally made extremely small, or the probe was installed at a position on the force curve where the atomic force was weak. I have.
【０００３】しかしながら、前者の場合には、カンチレ
バーの厚みを極めて薄くしなければならず、製造が難し
いという問題、および横方向から働く摩擦力の影響を受
けて検出信号のＳＮ比を劣化させるという問題があっ
た。後者の場合には、探針をフォースカーブ上の引力が
一番強く働く位置近傍（図４のＡ領域付近）に設定する
必要がある。しかしながら、通常のフィードバック制御
では、試料表面の急峻な傾斜部分を走査した場合には、
探針が図４のＢ位置を越えてＣ領域に移ってしまい、制
御の極性が反転して探針の追従が不安定になるという問
題があった。なお、図４の横軸はＺ軸方向の探針の変
位、縦軸は原子間力を表している。[0003] However, in the former case, the thickness of the cantilever must be made extremely thin, making it difficult to manufacture, and deteriorating the S / N ratio of the detection signal under the influence of the frictional force acting from the lateral direction. There was a problem. In the latter case, it is necessary to set the probe near the position on the force curve where the attractive force acts most strongly (around the area A in FIG. 4). However, with normal feedback control, when scanning a steep slope portion of the sample surface,
The probe moves to the region C beyond the position B in FIG. 4, and there is a problem that the polarity of the control is reversed and the tracking of the probe becomes unstable. The horizontal axis in FIG. 4 represents the displacement of the probe in the Z-axis direction, and the vertical axis represents the interatomic force.
【０００４】一方、表面が極めて柔らかい試料を観察す
るのに適した他の測定方法として、タッピングモード
（tapping mode）が知られている。この測定方法では、
カンチレバーを自励振動させて試料表面を軽く叩き、こ
の叩き具合が一定になるようにサーボ系でカンチレバー
のＺ方向の位置をフィードバックすることにより、試料
表面の形状データを得ることができ、例えば、特開平７
−２７０４３４号公報に開示されている。On the other hand, a tapping mode is known as another measuring method suitable for observing a sample whose surface is extremely soft. In this measurement method,
By self-oscillating the cantilever and lightly tapping the sample surface, and feeding back the position of the cantilever in the Z direction by a servo system so that the hitting condition is constant, shape data of the sample surface can be obtained. JP 7
-270434.
【０００５】このタッピングモードでは、表面が極めて
柔らかい試料に探針を近付けると、探針が試料に近付く
に従い、カンチレバーの自励振動が減衰していく。この
ため、カンチレバーの振幅が小さくなり、探針が試料に
極めて近付いた状態では、検出信号のＳＮ比が低下し、
かつフィードバック制御自体が不安定になるという問題
がある。In this tapping mode, when the probe approaches a sample having a very soft surface, the self-excited vibration of the cantilever is attenuated as the probe approaches the sample. For this reason, the amplitude of the cantilever becomes small, and when the probe is extremely close to the sample, the SN ratio of the detection signal decreases,
In addition, there is a problem that the feedback control itself becomes unstable.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
測定方法で、表面が極めて柔らかい試料を観察しようと
すると、コンタクトモードおよびタッピングモードのい
ずれの方法でも、検出信号のＳＮ比が良好とならず、か
つフィードバック制御を安定的に行うことができないと
いう問題があった。As described above, when an attempt is made to observe a sample having an extremely soft surface by the conventional measuring method, the S / N ratio of the detection signal is not satisfactory in both the contact mode and the tapping mode. In addition, there is a problem that the feedback control cannot be stably performed.
【０００７】本発明の目的は、上記した従来技術の課題
を解決し、表面が極めて柔らかい試料等を、検出信号の
精度（ＳＮ比）が高く、かつ信頼性の高いフィードバッ
ク制御で観察することのできる走査型プローブ顕微鏡を
提供することにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to observe a sample or the like having a very soft surface by feedback control with high detection signal accuracy (SN ratio) and high reliability. It is to provide a scanning probe microscope which can be used.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明は、探針をＺ方向に微動させて試料表面
に近接させたままＸＹ方向に走査して表面形状を観察す
る走査型プローブ顕微鏡において、以下のような手段を
講じた点に特徴がある。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a scanning method for finely moving a probe in the Z direction and scanning in the XY directions while keeping the probe close to the sample surface to observe the surface shape. The feature of the scanning probe microscope is that the following means are taken.
【０００９】(1) 探針をＺ方向へ駆動する第１のアクチ
ュエータを有し、前記探針の検出体から出力される検出
信号を目標値と比較しながら前記第１のアクチュエータ
をフィードバック制御する第１の制御系と、前記探針を
Ｚ方向へ駆動する第２のアクチュエータを有し、前記検
出体から出力される検出信号が予定の範囲内に納まるよ
うに前記第２のアクチュエータを制御する第２の制御系
とを具備した。(1) A first actuator for driving the probe in the Z direction is provided, and feedback control of the first actuator is performed while comparing a detection signal output from a detector of the probe with a target value. A first control system; and a second actuator that drives the probe in the Z direction, and controls the second actuator so that a detection signal output from the detection object falls within a predetermined range. A second control system.
【００１０】(2) 探針を試料表面で振動させる加振手段
を第２の制御系に設けた。(2) A vibration means for vibrating the probe on the sample surface is provided in the second control system.
【００１１】上記した特徴(1) によれば、検出体から出
力される検出信号が一定値幅の中に納まるように第２の
アクチュエータを駆動することができるので、探針をフ
ォースカーブ上の原子間力の弱い位置に安定的に設置お
よび維持できるようになる。このため、コンタクトモー
ドと同様の制御でありながら、従来のコンタクトモード
では観察が難しかった、表面が極めて柔らかい試料を、
傷つけることなく高い精度で観察できるようになる。According to the above feature (1), the second actuator can be driven so that the detection signal output from the detection object falls within a fixed value width. It can be stably installed and maintained at a position where the force is weak. For this reason, a sample with an extremely soft surface, which is difficult to observe in the conventional contact mode, while having the same control as the contact mode,
Observation can be made with high accuracy without damage.
【００１２】上記した特徴(2) によれば、試料表面の形
状変化に対する探針の応答性、追従性が向上するのみな
らず、試料の表面形状を代表する低周波成分のみを検出
信号から選択的に抽出できるようになるので、ＳＮ比の
高い観察像を得られるようになる。According to the above feature (2), not only is the response and followability of the probe to the change in the shape of the sample surface improved, but also only low-frequency components representing the sample surface shape are selected from the detection signal. It is possible to obtain an observation image with a high S / N ratio, since it is possible to extract the target image.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１は、本発明を適用した走査型プロー
ブ顕微鏡の第１実施形態のブロック図であり、第１およ
び第２の制御系を備えている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of a scanning probe microscope to which the present invention is applied, and includes first and second control systems.
【００１４】第１の制御系は、カンチレバー１０の撓み
量を検出する検出器１１、検出器１１から出力された検
出信号Ｖs から高周波成分を除去するローパスフィルタ
１２、カンチレバー１０の先端に設けられた探針９の位
置に関する目標値（設定電圧ＶR ）を設定する目標値設
定部１３、前記検出信号Ｖs と前記目標値ＶR とを比較
する比較器１４、ＰＩ（比例積分）制御部１５、Ｚ軸制
御用の第１のアクチュエータ１６およびそのドライバ回
路である電流源１７から構成されている。The first control system is provided at a tip of the cantilever 10, a detector 11 for detecting the amount of deflection of the cantilever 10, a low-pass filter 12 for removing high-frequency components from the detection signal Vs output from the detector 11. A target value setting unit 13 for setting a target value (set voltage VR) relating to the position of the probe 9; a comparator 14 for comparing the detection signal Vs with the target value VR; a PI (proportional integration) control unit 15; It comprises a first actuator 16 for control and a current source 17 which is a driver circuit thereof.
【００１５】前記第１の制御系は、Ｚ方向のフィードバ
ック制御系を構成しており、電流源１７は、ＰＩ制御部
１５からの制御信号に対応した電流をボイスコイル２１
に流し、探針９と試料３１の表面との距離が常に一定に
なるように、スピンドル８を介して撓み量検出器１１の
位置を制御する。ＰＩ制御部１５は、探針９のＺ方向変
位に対応した制御信号を電流源１７および画像信号増幅
器１８に出力する。画像信号増幅器１８で増幅された信
号は、図示されていないモニタ装置に送られ、モニタ装
置の画面上に試料表面の観察像が映し出される。The first control system constitutes a feedback control system in the Z direction. The current source 17 supplies a current corresponding to a control signal from the PI control unit 15 to the voice coil 21.
The position of the deflection detector 11 is controlled via the spindle 8 so that the distance between the probe 9 and the surface of the sample 31 is always constant. The PI control unit 15 outputs a control signal corresponding to the Z-direction displacement of the probe 9 to the current source 17 and the image signal amplifier 18. The signal amplified by the image signal amplifier 18 is sent to a monitor device (not shown), and an observation image of the sample surface is displayed on a screen of the monitor device.
【００１６】第２の制御系は、カンチレバー１０の撓み
量を検出する撓み量検出器１１、カンチレバー１０をＺ
方向に駆動する第２のアクチュエータ４１、前記撓み量
検出器１１から出力された検出信号Ｖs の上限値および
下限値を監視する上、下限値監視部４２、検出信号が上
限値または下限値に達すると検出信号を逆方向に変化さ
せるための駆動信号を発生する駆動信号発生部４３およ
びスイッチ手段４４から構成されている。The second control system includes a deflection detector 11 for detecting the deflection of the cantilever 10 and a Z-shaped cantilever 10.
The second actuator 41 that drives in the direction, the upper limit value and the lower limit value of the detection signal Vs output from the deflection amount detector 11 are monitored, and the lower limit value monitoring unit 42 detects that the detection signal reaches the upper limit value or the lower limit value. Then, it is composed of a drive signal generator 43 for generating a drive signal for changing the detection signal in the reverse direction, and switch means 44.
【００１７】前記第２のアクチュエータ４１は第１のア
クチュエータ１６よりも検出体１１に近い位置に配置さ
れている。第２のアクチュエータ４１の応答は第１のア
クチュエータ１６の応答よりも速く、第２のアクチュエ
ータ４１のＱ値（共振の選択性）は第１のアクチュエー
タ１６のＱ値よりも極めて高い。The second actuator 41 is arranged at a position closer to the detector 11 than the first actuator 16 is. The response of the second actuator 41 is faster than the response of the first actuator 16, and the Q value (resonance selectivity) of the second actuator 41 is much higher than the Q value of the first actuator 16.
【００１８】前記スイッチ手段４４がオンの時には、前
記駆動信号発生部４３から発生した駆動信号が、例えば
ピエゾ素子から構成された前記第２のアクチュエータ４
１に供給される。第２のアクチュエータ４１は、前記第
１のアクチュエータ１６よりもカンチレバー１０に近い
位置に設置され、第１のアクチュエータ１６より高い周
波数特性、つまり応答が速く、また第１のアクチュエー
タ１６より極めて高い共振周波数のＱ値を有している。
なお、前記上、下限値は、前記目標値設定部１３で設定
される設定電圧ＶR と連動して設定される。When the switch means 44 is turned on, the drive signal generated from the drive signal generator 43 is supplied to the second actuator 4 composed of, for example, a piezo element.
1 is supplied. The second actuator 41 is installed at a position closer to the cantilever 10 than the first actuator 16, and has a higher frequency characteristic, that is, a faster response, than the first actuator 16, and an extremely higher resonance frequency than the first actuator 16. Has a Q value of
The upper and lower limits are set in conjunction with the set voltage VR set by the target value setting unit 13.
【００１９】前記上、下限値監視部４２および駆動信号
発生部４３は、検出信号Ｖs にリミッタをかける働きを
するものであり、ソフト構成またはハード構成で実現で
きる。図２はソフトで構成する場合のフローチャートで
ある。ステップＳ１では、スイッチ手段４４がオンされ
たか否かを判断し、オフの場合にはオンされるまで待機
する。スイッチ手段４４がオンされると、ステップＳ２
では、検出信号ＶS が予め設定された上限値ＶH 以下か
否かが判断される。この判断が肯定であれば、ステップ
Ｓ３ににおいて、検出信号ＶS が予め設定された下限値
ＶL 以上であるか否かが判断される。この判断が肯定で
あれば、ステップＳ４において、駆動信号発生部４３が
０電圧の駆動信号Ｖ0 を第２のアクチュエータ４１へ出
力する。The upper and lower limit monitoring section 42 and the drive signal generation section 43 function to limit the detection signal Vs, and can be realized by a software configuration or a hardware configuration. FIG. 2 is a flowchart in the case of configuring by software. In step S1, it is determined whether or not the switch 44 has been turned on. If the switch has been turned off, the process waits until the switch is turned on. When the switch means 44 is turned on, step S2
Then, it is determined whether the detection signal VS is equal to or less than a preset upper limit value VH. If this determination is affirmative, in step S3, it is determined whether the detection signal VS is equal to or greater than a preset lower limit value VL. If this determination is affirmative, the drive signal generator 43 outputs a drive signal V0 of 0 voltage to the second actuator 41 in step S4.
【００２０】一方、前記ステップＳ２の判断が否定にな
ると、ステップＳ５に進んで、駆動信号発生部４３は駆
動信号Ｖ1 （例えば、＋１０Ｖ）を出力する。また、前
記前記ステップＳ３の判断が否定になると、ステップＳ
６に進んで、駆動信号発生部４３は駆動信号Ｖ2 （例え
ば、−１０Ｖ）を出力する。On the other hand, if the determination in step S2 is negative, the process proceeds to step S5, where the drive signal generator 43 outputs a drive signal V1 (for example, + 10V). If the determination in step S3 is negative, step S
Proceeding to 6, the drive signal generator 43 outputs a drive signal V2 (for example, -10 V).
【００２１】図３は、前記上、下限値監視部４２および
駆動信号発生部４３をハード構成で実現した場合の回路
図である。図３の回路は、検出信号Ｖs が上限値に達し
たか否かを検出し、上限値に達した時に駆動信号ＶP0
（＝Ｖ1 ）を出力する第１系統回路と、検出信号Ｖs が
下限値に達したか否かを検出し、下限値に達した時に駆
動信号ＶP0（Ｖ2 ）を出力する第２系統回路とから構成
されている。FIG. 3 is a circuit diagram in the case where the upper and lower limit value monitor 42 and the drive signal generator 43 are realized by a hardware configuration. The circuit of FIG. 3 detects whether the detection signal Vs has reached the upper limit value, and when the detection signal Vs reaches the upper limit value, the drive signal VP0
(= V1) and a second system circuit that detects whether the detection signal Vs has reached the lower limit and outputs a drive signal VP0 (V2) when the detection signal Vs reaches the lower limit. It is configured.
【００２２】前記第１系統回路は、非反転入力端子に検
出信号ＶS が入力し、反転入力端子に上限閾値ＶH （＝
ＶR ＋ΔＶH ）が入力する第１の比較器５１ａと、例え
ば＋１０Ｖのクランパを構成する第１のツェナダイオー
ド５２ａと、第１のバッファアンプ５３ａと、加算回路
５４とから構成されている。第２系統回路は、反転入力
端子に検出信号ＶS が入力し、非反転入力端子に下限閾
値ＶL （＝ＶR −ΔＶL ）が入力する第２の比較器５１
ｂと、例えば−１０Ｖのクランパを構成する第２のツェ
ナダイオード５２ｂと、第２のバッファアンプ５３ｂ
と、加算回路５４とから構成されている。In the first system circuit, the detection signal VS is input to the non-inverting input terminal, and the upper limit threshold VH (=
It comprises a first comparator 51a to which (VR + ΔVH) is input, a first zener diode 52a forming a + 10V clamper, a first buffer amplifier 53a, and an adder circuit 54, for example. The second system circuit includes a second comparator 51 in which the detection signal VS is input to the inverting input terminal and the lower limit threshold VL (= VR-.DELTA.VL) is input to the non-inverting input terminal.
b, for example, a second zener diode 52b forming a -10V clamper, and a second buffer amplifier 53b
And an adder circuit 54.
【００２３】加算回路５４の出力は、駆動増幅器５５で
増幅されて駆動信号ＶP0となり、前記第２のアクチュエ
ータ４１に供給される。なお、前記ΔＶH およびΔＶL
は、前記設定電圧ＶR と連動して決定される。The output of the adder circuit 54 is amplified by a drive amplifier 55 to become a drive signal VP0, which is supplied to the second actuator 41. Note that ΔVH and ΔVL
Is determined in conjunction with the set voltage VR.
【００２４】次に、本実施形態の動作を、図１〜図４を
参照して説明する。図１の目標値設定部１３では、探針
９の目標位置を図４のフォースカーブ上の原子間力の弱
い位置Ｓ点に設定するための設定電圧ＶR が登録され
る。また、このＳ点の前後の位置Ｓ−△Ｓ、Ｓ＋△Ｓに
対応する上限閾値ＶH および下限閾値ＶL が、図示のよ
うに登録される。Ｓ＋△ＳはＢ点を越えないようにする
必要がある。Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. In the target value setting unit 13 in FIG. 1, a set voltage VR for setting the target position of the probe 9 to the position S on the force curve in FIG. 4 where the atomic force is weak is registered. The upper threshold VH and the lower threshold VL corresponding to the positions S−ΔS and S + ΔS before and after the point S are registered as shown in the figure. S + △ S must not exceed point B.
【００２５】次いで、スイッチ手段４４をオフにした状
態で前記第１の制御系を動作させると、まず探針９のＺ
粗動が行われて探針９と試料３１との間隙は少しずつ接
近し、カンチレバー１０は、探針９が感知する試料３１
からの原子間力を検出する。探針９がフォースカーブ上
の前記目標位置Ｓに達したことをカンチレバー１０が検
知するとＺ粗動は停止する。Next, when the first control system is operated with the switch means 44 turned off, first, the Z
As a result of the coarse movement, the gap between the probe 9 and the sample 31 gradually approaches, and the cantilever 10 moves the sample 31 sensed by the probe 9.
To detect the interatomic force from. When the cantilever 10 detects that the probe 9 has reached the target position S on the force curve, the Z coarse movement stops.
【００２６】Ｚ粗動が終ると、スイッチ手段４４がオン
にされ、第２の制御系が有効にされる。次いで、Ｘ方向
のボイスコイル２２、およびＹ方向のボイスコイル（図
示せず）を動作させて、探針９を試料３１上でＸ，Ｙ方
向に走査させる。試料３１の表面形状の情報はカンチレ
バー１０の撓み量として検出され、撓み量検出器１１か
ら検出信号Ｖs として出力される。該検出信号Ｖs はロ
ーパスフィルタ１２および上、下限値監視部４２に入力
される。When the Z coarse movement is completed, the switch means 44 is turned on, and the second control system is activated. Next, the probe 9 is scanned in the X and Y directions on the sample 31 by operating the voice coil 22 in the X direction and the voice coil (not shown) in the Y direction. Information on the surface shape of the sample 31 is detected as the amount of bending of the cantilever 10 and is output from the bending amount detector 11 as a detection signal Vs. The detection signal Vs is input to the low-pass filter 12 and the upper and lower limit monitoring unit 42.
【００２７】上、下限値監視部４２は、前記検出信号Ｖ
s が上限値ＶH に達したか、あるいは下限値ＶL に達し
たかを監視し、上限値ＶH に達すると、検出信号Ｖs が
小さくなるようにカンチレバー１０を動作させる駆動信
号Ｖp0が第２のアクチュエータ４１へ出力されるように
駆動信号発生部４３を制御する。その結果、第２のアク
チュエータ４１が動作して、図４のＳ−ΔＳの位置に来
た探針９は、目標位置Ｓの方向に移動する。探針９が目
標位置Ｓの方向に移動すると、検出信号Ｖs ≦ＶH の条
件が満足され、第２のアクチュエータ４１に印加される
駆動信号は停止される。The upper and lower limit monitoring unit 42 detects the detection signal V
It monitors whether s has reached the upper limit value VH or the lower limit value VL, and when it reaches the upper limit value VH, the drive signal Vp0 for operating the cantilever 10 so as to reduce the detection signal Vs is supplied to the second actuator. The drive signal generator 43 is controlled so as to be output to the controller 41. As a result, the second actuator 41 operates, and the probe 9 that has reached the position of S-ΔS in FIG. 4 moves in the direction of the target position S. When the probe 9 moves in the direction of the target position S, the condition of the detection signal Vs ≦ VH is satisfied, and the drive signal applied to the second actuator 41 is stopped.
【００２８】一方、検出信号Ｖs が下限値ＶL に達した
場合には、駆動信号発生部４３は検出信号Ｖs が大きく
なるようにカンチレバー１０を動作させる駆動信号Ｖp0
を第２のアクチュエータ４１に出力する。第２のアクチ
ュエータ４１は、この駆動信号Ｖp0に応答して、Ｓ＋Δ
Ｓの位置に来た探針９を目標位置Ｓの方向に移動させ
る。探針９が目標位置Ｓの方向に移動すると、検出信号
Ｖs ≧ＶL の条件が満足され、第２のアクチュエータ４
１に印加される駆動信号は停止される。On the other hand, when the detection signal Vs has reached the lower limit value VL, the drive signal generator 43 drives the cantilever 10 so as to increase the detection signal Vs.
Is output to the second actuator 41. The second actuator 41 responds to this drive signal Vp0 by S + Δ
The probe 9 that has reached the position S is moved in the direction of the target position S. When the probe 9 moves in the direction of the target position S, the condition of the detection signal Vs ≧ VL is satisfied, and the second actuator 4
The drive signal applied to 1 is stopped.
【００２９】以上の動作により、撓み量検出器１１から
出力される検出信号Ｖs には、高周波信号が重畳される
ことになるが、この高周波信号は高周波成分を十分に遮
断するカットオフ値を有する前記ローパスフィルタ１２
で除去され、比較器１４の非反転入力端子に入力され
る。したがって、前記第１の制御系は、従来通りのフィ
ードバック制御を行うことができる。By the above operation, a high-frequency signal is superimposed on the detection signal Vs output from the deflection detector 11, and this high-frequency signal has a cut-off value for sufficiently blocking high-frequency components. The low-pass filter 12
And is input to the non-inverting input terminal of the comparator 14. Therefore, the first control system can perform the conventional feedback control.
【００３０】本実施形態によれば、前記第１の制御系の
みに着目すると、従来のコンタクトモードと同様な動作
が行われ、ＰＩ制御部１５から出力される制御信号が試
料表面の凹凸を反映させる観察画像信号となる。また、
第２の制御系を考えると、探針９がフォースカーブ上の
原子間力の弱い位置、すなわち図４のＳを中心とするＳ
±ΔＳの範囲内に置かれることになり、探針９は非常に
弱い力で安定的に、すなわち、前記フォースカーブ上の
Ｂ点を飛び越えることなく試料表面に接触することにな
る。したがって、表面が極めて柔らかい試料を傷つける
ことなく、高い精度で観察できるようになる。According to the present embodiment, focusing only on the first control system, the same operation as in the conventional contact mode is performed, and the control signal output from the PI control unit 15 reflects irregularities on the sample surface. Observed image signal. Also,
Considering the second control system, the probe 9 is positioned at a position where the atomic force is weak on the force curve, that is, at the center of S in FIG.
The probe 9 is placed within the range of ± ΔS, and the probe 9 comes into contact with the sample surface stably with a very small force, that is, without jumping over the point B on the force curve. Therefore, it is possible to observe with high accuracy without damaging the sample whose surface is extremely soft.
【００３１】図５は、本発明を適用した走査型プローブ
顕微鏡の第２実施形態のブロック図であり、前記と同一
の符号は同一または同等部分を表している。FIG. 5 is a block diagram of a second embodiment of the scanning probe microscope to which the present invention is applied, and the same reference numerals as those described above denote the same or equivalent parts.
【００３２】本実施形態では、第２の制御系の駆動信号
発生部４３の後段に、第２のアクチュエータ４１の共振
周波数およびその近傍の周波数を通過帯域とする、加振
手段としてのバンドパスフィルタ４９を設けている。こ
のような構成によれば、探針９を、前記上限値ＶH およ
び下限値ＶL の範囲内の振幅で、かつ第２のアクチュエ
ータ４１の共振周波数近傍の周波数で振動させることが
できる。In this embodiment, a band-pass filter as a vibrating means is provided downstream of the drive signal generating section 43 of the second control system, in which the resonance frequency of the second actuator 41 and a frequency near the resonance frequency are used as pass bands. 49 are provided. According to such a configuration, the probe 9 can be vibrated at an amplitude within the range of the upper limit value VH and the lower limit value VL and at a frequency near the resonance frequency of the second actuator 41.
【００３３】図６、７は、勾配が急峻な段差部を、第１
実施形態のように探針９を振動させることなく走査させ
た場合［図６］と、第２実施形態のように探針９を振動
させながら走査させた場合［図７］との、探針９と試料
表面との相対的な位置関係［同図(a) ］、アクチュエー
タ４１の出力信号の波形図［同図(b) ］およびその周波
数スペクトラム［同図(c) ］を模式的に示した図であ
る。FIGS. 6 and 7 show a step portion having a steep gradient as a first step.
The probe in the case of scanning without vibrating the probe 9 as in the embodiment [FIG. 6] and the probe in the case of scanning while vibrating the probe 9 as in the second embodiment [FIG. 7]. 9 schematically shows a relative positional relationship between the sample 9 and the sample surface [FIG. 6A], a waveform diagram of an output signal of the actuator 41 [FIG. 6B], and a frequency spectrum thereof [FIG. FIG.
【００３４】第１実施形態では、図６(a) に示したよう
に、試料表面の形状変化に応答して探針９と試料表面と
の間隙が比較的低い周波数で不規則に変化する。したが
って、アクチュエータ４１の出力信号のうち、段差部に
相当する周波数成分を除いた信号波形は、同図(b) に示
したようになる。このため、その周波数スペクトラム
は、同図(c) に示したように、ローパスフィルタ１２の
カットフ周波数ｆcut 以下にも低周波成分を含み、これ
がノイズとなってＳＮ比を低下させる場合がある。In the first embodiment, as shown in FIG. 6A, the gap between the probe 9 and the sample surface changes irregularly at a relatively low frequency in response to the change in the shape of the sample surface. Therefore, the signal waveform excluding the frequency component corresponding to the step portion in the output signal of the actuator 41 is as shown in FIG. Therefore, the frequency spectrum includes a low frequency component even below the cutoff frequency fcut of the low-pass filter 12, as shown in FIG. 3C, which may become noise and lower the SN ratio.
【００３５】これに対して、本発明の第２実施形態で
は、図７(a) に示したように、試料表面の形状変化にか
かわらず探針９が一定の周波数で振動し続ける。したが
って、アクチュエータ４１の出力信号のうち、段差部に
相当する周波数成分を除いた波形は、同図(b) に示した
ようになる。このため、その周波数スペクトラムは、同
図(c) に示したようにバンドパスフィルタ４９の中心周
波数ｆm を基本波とするため、ローパスフィルタ１２の
カットフ周波数ｆcut を図示したように設定すれば、ノ
イズの混入を大幅に低減させることができる。On the other hand, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7A, the probe 9 continuously vibrates at a constant frequency irrespective of a change in the shape of the sample surface. Accordingly, the waveform of the output signal of the actuator 41 excluding the frequency component corresponding to the step portion is as shown in FIG. For this reason, the frequency spectrum has a center frequency fm of the band-pass filter 49 as a fundamental wave as shown in FIG. 9C, so that if the cut-off frequency fcut of the low-pass filter 12 is set as shown in FIG. Can be significantly reduced.
【００３６】なお、上記した第２実施形態では、探針９
を振動させる加振手としてバンドパスフィルタ４９を第
２の制御系内に組み込むものとして説明したが、本発明
はこれのみに限定されるものではなく、Ｑ値の大きなロ
ーパスフィルタであっても良い。In the second embodiment described above, the probe 9
Has been described as incorporating the band-pass filter 49 into the second control system as a vibrator for vibrating, the present invention is not limited to this, and a low-pass filter having a large Q value may be used. .
【００３７】[0037]
【発明の効果】上記したように、本発明によれば、以下
のような効果が達成される。 (1) 第１のアクチュエータをフィードバック制御し、か
つ検出体から出力される検出信号が一定値幅の中に納ま
るように第２のアクチュエータを駆動するようにしてい
るので、探針をフォースカーブ上の原子間力の弱い位置
に安定的に設置および維持できるようになる。このた
め、コンタクトモードと同様の制御でありながら、従来
のコンタクトモードでは観察が難しかった極めて柔らか
い表面をもつ試料を、これを傷つけることなく、高い精
度で観察できるようになる。 (2) 検出体は自励振動ではないので、検出体試料に極め
て接近しても振動振幅は変化しない。このため、探針が
試料に極めて接近した場合でも、検出信号のＳＮ比は劣
化せず、検出特性を安定させることができるようにな
る。 (3) 第２の制御系の機能により、試料表面に粘性の高い
物質が付着していても、検出体の周波数応答が変化した
り、第１の制御系が不安定になったり、あるいは制御の
ループゲインが上げられなくなったりすることを防止で
きるので、試料の観察を安定的に行えるようになる。 (4) 第２の制御系の機能により、試料面に対する走査中
すなわち観察中に生じる第１の制御系における追従誤差
が吸収されるため、制御系全体の追従性が向上する。こ
のため、従来のコンタクトモードもしくはタッピングモ
ードに比較して、高速な走査が可能になり、観察時間を
短縮できるようになる。 (5) 探針を振動させながら試料表面で走査すれば、試料
表面の形状変化に対する探針の応答性（追従性）が向上
し、さらには、試料の表面形状を代表する低周波成分の
みを選択的に抽出できるようになるので、ＳＮ比の高い
観察像を得られるようになる。As described above, according to the present invention, the following effects are achieved. (1) The first actuator is feedback-controlled, and the second actuator is driven so that the detection signal output from the detection object falls within a fixed value range. It can be stably installed and maintained at a position where the atomic force is weak. For this reason, it is possible to observe a sample having an extremely soft surface, which is difficult to observe in the conventional contact mode, with high accuracy without damaging the sample, while performing the same control as in the contact mode. (2) Since the detector is not self-excited, the vibration amplitude does not change even if the detector comes very close to the sample. For this reason, even when the probe comes very close to the sample, the S / N ratio of the detection signal does not deteriorate and the detection characteristics can be stabilized. (3) Due to the function of the second control system, even when a highly viscous substance adheres to the sample surface, the frequency response of the detection object changes, the first control system becomes unstable, or the control is performed. Can be prevented from being unable to increase the loop gain, so that the sample can be stably observed. (4) The function of the second control system absorbs a tracking error in the first control system that occurs during scanning with respect to the sample surface, that is, during observation, thereby improving the tracking performance of the entire control system. For this reason, compared with the conventional contact mode or tapping mode, high-speed scanning becomes possible, and the observation time can be shortened. (5) Scanning the sample surface while oscillating the probe improves the responsiveness (followability) of the probe to changes in the shape of the sample surface. Since it becomes possible to selectively extract, an observation image with a high SN ratio can be obtained.
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示したブロック
図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.
【図２】図１の上、下限値監視部および駆動信号発生部
の一具体例を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing a specific example of the upper and lower limit monitoring units and the drive signal generation unit shown in FIG.
【図３】図１の上、下限値監視部および駆動信号発生部
の他の具体例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing another specific example of the upper and lower limit monitoring units and the drive signal generation unit in FIG. 1;
【図４】フォースカーブを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a force curve.
【図５】本発明の第２実施形態の構成を示したブロック
図である。FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a second embodiment of the present invention.
【図６】第１実施形態の動作を示した信号波形図であ
る。FIG. 6 is a signal waveform diagram illustrating an operation of the first embodiment.
【図７】第２実施形態の動作を示した信号波形図であ
る。FIG. 7 is a signal waveform diagram illustrating an operation of the second embodiment.
９…探針、１０…カンチレバー、１１…撓み量検出器、
１２…ローパスフィルタ、１３…目標値設定部、１４…
比較器、１５…ＰＩ制御部、１６…第１のアクチュエー
タ、１７…電流源、４１…２のアクチュエータ、４２…
上、下限値監視部、４３…駆動信号発生部、４４…スイ
ッチ手段9: Probe, 10: Cantilever, 11: Deflection detector
12 low-pass filter, 13 target value setting unit, 14
Comparator, 15 PI control unit, 16 first actuator, 17 current source, 41 2 actuator, 42
Upper and lower limit monitoring units, 43: drive signal generation unit, 44: switch means
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F069 AA54 AA57 AA60 DD08 DD19 GG02 GG06 GG52 GG62 HH01 HH04 JJ07 JJ25 MM01 MM32 5H303 AA20 BB02 BB07 BB12 CC01 DD04 DD14 DD19 EE03 EE07 FF04 HH01 KK02 KK03 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page F term (reference) 2F069 AA54 AA57 AA60 DD08 DD19 GG02 GG06 GG52 GG62 HH01 HH04 JJ07 JJ25 MM01 MM32 5H303 AA20 BB02 BB07 BB12 CC01 DD04 DD14 DD19 EE03 EE07 FF04 HH01KK02
Claims (11)
接させたままＸＹ方向に走査して表面形状を観察する走
査型プローブ顕微鏡において、 前記探針をＺ方向へ駆動する第１のアクチュエータを有
し、前記探針の検出体から出力される検出信号を目標値
と比較しながら前記第１のアクチュエータをフィードバ
ック制御する第１の制御系と、 前記探針をＺ方向へ駆動する第２のアクチュエータを有
し、前記検出体から出力される検出信号が予定の範囲内
に納まるように前記第２のアクチュエータを制御する第
２の制御系とを具備したことを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡。1. A scanning probe microscope for finely moving a probe in the Z direction and scanning in the XY directions while approaching the sample surface to observe the surface shape, wherein a first drive of the probe in the Z direction is performed. A first control system that has an actuator and performs feedback control on the first actuator while comparing a detection signal output from a detection body of the probe with a target value; and a second control system that drives the probe in the Z direction. And a second control system for controlling the second actuator so that a detection signal output from the detection object falls within a predetermined range. microscope.
力とするローパスフィルタを有し、前記ローパスフィル
タから出力された信号に対して前記目標値を設定するこ
とを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微
鏡。2. The system according to claim 1, wherein the first control system has a low-pass filter that receives the detection signal as input, and sets the target value for a signal output from the low-pass filter. 2. The scanning probe microscope according to 1.
の上限値および下限値と比較し、前記第２のアクチュエ
ータは、前記検出信号が下限値を下回らないように前記
検出体を試料に接近させ、前記検出信号が上限値を超え
ないように前記検出体を試料から遠ざけることを特徴と
する請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。3. The second control system compares the detection signal with a predetermined upper limit and a lower limit, and the second actuator samples the detector so that the detection signal does not fall below a lower limit. 2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the detector is moved away from the sample so that the detection signal does not exceed an upper limit value.
チュエータより前記検出体に近い位置に配置されたこと
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の走査
型プローブ顕微鏡。4. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the second actuator is arranged at a position closer to the detection body than the first actuator.
のアクチュエータの応答よりも速いことを特徴とする請
求項１ないし３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微
鏡。5. The response of the second actuator is a first actuator.
4. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the response is faster than the response of the actuator.
の選択性）が第１のアクチュエータのＱ値よりも極めて
高いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
載の走査型プローブ顕微鏡。6. The scanning probe according to claim 1, wherein the Q value (resonance selectivity) of the second actuator is much higher than the Q value of the first actuator. microscope.
目標値が設定されたことを特徴とする請求項１または２
に記載の走査型プローブ顕微鏡。7. The target value of the first control system is set within the predetermined range.
2. A scanning probe microscope according to claim 1.
定範囲内の振幅で振動させる加振手段を含むことを特徴
とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。8. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the second control system includes a vibrating unit that vibrates the probe with an amplitude within the predetermined range.
チュエータの共振周波数近傍の周波数で振動させること
を特徴とすることを特徴とする請求項８に記載の走査型
プローブ顕微鏡。9. The scanning probe microscope according to claim 8, wherein the vibrating means vibrates the probe at a frequency near a resonance frequency of the second actuator.
性）の大きなローパスフィルタであることを特徴とする
請求項８または９に記載の走査型プローブ顕微鏡。10. The scanning probe microscope according to claim 8, wherein said vibration means is a low-pass filter having a large Q value (resonance selectivity).
エータの共振周波数近傍を通過帯域とするバンドパスフ
ィルタであることを特徴とする請求項８または９に記載
の走査型プローブ顕微鏡。11. The scanning probe microscope according to claim 8, wherein said vibration means is a band-pass filter having a pass band near a resonance frequency of said second actuator.
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|---|---|---|---|---|
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2000
- 2000-07-05 JP JP2000204074A patent/JP3883790B2/en not_active Expired - Fee Related
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