JP2002296168A - Scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、先端に探針を有す
るカンチレバーを備え、探針と試料との間に働く力でカ
ンチレバーが撓むようになっている走査型プローブ顕微
鏡の技術分野に属し、特に、探針から試料への電界放出
量の測定をも行う走査型プローブ顕微鏡の技術分野に属
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the technical field of a scanning probe microscope provided with a cantilever having a probe at the tip, wherein the cantilever is bent by a force acting between the probe and the sample. It belongs to the technical field of a scanning probe microscope that also measures the amount of field emission from a probe to a sample.
【０００２】[0002]
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡である原子間力顕
微鏡においては、カンチレバー先端の探針を試料にそれ
らの間の距離が数ｎｍ程度になるまで近づけて探針と試
料間に引力もしくは斥力が働くようにし、カンチレバー
のＺ方向への撓みが一定となるように探針のＺ方向位置
をフィードバックしながらＸＹ方向に走査する。そし
て、このときのＺ方向の位置のフィードバックを画像化
することによって試料表面の凹凸を測定する。また、カ
ンチレバーと試料間の力は、探針を試料にコンタクトさ
せたコンタクトモードを用いる場合はカンチレバーと試
料間に斥力が働くようにして、このときのカンチレバー
の撓みから測定され、ＡＣモードを用いる場合はカンチ
レバーを共振点付近で振動させて、カンチレバーの振幅
や共振周波数の変化から測定する。2. Description of the Related Art In an atomic force microscope, which is a scanning probe microscope, an attractive force or repulsive force is applied between a probe and a sample by bringing a probe at the tip of the cantilever close to the sample until the distance between them becomes about several nm. The scanning is performed in the X and Y directions while feeding back the Z position of the probe so that the bending of the cantilever in the Z direction is constant. Then, the unevenness on the sample surface is measured by imaging the feedback of the position in the Z direction at this time. When the contact mode in which the probe is in contact with the sample is used, a repulsive force acts between the cantilever and the sample, and the force between the cantilever and the sample is measured from the bending of the cantilever at this time, and the AC mode is used. In this case, the cantilever is vibrated near the resonance point, and the measurement is performed based on changes in the amplitude and resonance frequency of the cantilever.
【０００３】更に、試料の磁気力の測定を行う場合は、
リフトモードが使用される。このリフトモードは、図４
（ａ）ないし（ｃ）に示すように、試料の表面形状を得
るために前述の方法で磁性材料でコーティングしたカン
チレバーと試料間の距離を一定として試料表面の凹凸を
測定し、その後一定の高さ分を加えた距離だけカンチレ
バーを試料に対してリフトして、そのときのカンチレバ
ーの共振から位相の変化を画像化することにより磁気力
を測定する手法である。その場合、図４（ａ）に示すリ
フト方式は、１点、１点で探針を試料に対してリフトす
る方式でPointby Point方式と呼ばれるものであり、ま
た、図４（ｂ）に示すリフト方式は、１ライン毎に１回
目の凹凸分に一定の距離だけ探針を試料に対してリフト
する方式でLine by Line方式と呼ばれるものであり、更
に、図４（ｃ）に示すリフト方式は、１画面毎に一定の
距離だけ探針を試料に対してリフトする方式でFrame by
Frame方式と呼ばれるものである。Further, when measuring the magnetic force of a sample,
Lift mode is used. This lift mode is shown in FIG.
As shown in (a) to (c), in order to obtain the surface shape of the sample, the distance between the cantilever coated with the magnetic material by the above-described method and the sample is kept constant, and the unevenness of the sample surface is measured. This method measures the magnetic force by lifting the cantilever with respect to the sample by a distance added to the sample and imaging the change in phase from the resonance of the cantilever at that time. In this case, the lift method shown in FIG. 4A is a method in which the probe is lifted at one point and one point with respect to the sample, which is called a Pointby Point method, and the lift method shown in FIG. The method is a method in which the probe is lifted from the sample by a fixed distance for the first unevenness for each line with respect to the sample, which is called a line-by-line method. Further, the lift method shown in FIG. Frame by the method of lifting the probe tip to the sample by a certain distance for each screen
This is called the Frame method.
【０００４】ところで、リフトモードのこれらの方式を
応用して、探針から試料への電界放出量を測定する方法
が考えられる。この電界放出量の測定方法では、導電性
のカンチレバーを使用して探針を試料の表面にコンタク
トした状態で斥力を一定に制御する斥力一定モード（コ
ンタクトモード）を用いて、試料にバイアス電圧を加え
て走査を行い、このときのカンチレバーの撓みに基づい
て試料の凹凸像を得、また、前述のように試料にバイア
ス電圧を加えた状態で探針を試料からリフトさせたリフ
トモードを用いて探針を流れる電流量を測定することに
より、電界放出による電流量を測定することが可能とな
る。この電流量は、試料表面の電界放出のしやすさを表
し、ダイヤモンド薄膜等の研究に利用される。By the way, a method of measuring the amount of field emission from the probe to the sample by applying these methods in the lift mode can be considered. In this method for measuring the amount of field emission, a bias voltage is applied to a sample by using a constant repulsion mode (contact mode) in which a probe is in contact with the surface of the sample using a conductive cantilever to control the repulsion constant. In addition, scanning is performed, and a concave-convex image of the sample is obtained based on the bending of the cantilever at this time, and a lift mode in which the probe is lifted from the sample with the bias voltage applied to the sample as described above is used. By measuring the amount of current flowing through the probe, the amount of current due to field emission can be measured. This amount of current indicates the ease of field emission on the sample surface, and is used for research on diamond thin films and the like.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電界放
出に必要なバイアス電圧には数Ｖから数百Ｖの電圧が必
要となるが、前述のような電界放出量の測定をも行う場
合には、試料の凹凸像を得るにあたりコンタクトモード
で走査を行うため、コンタクト時にこれだけの電圧を試
料に加えると、試料−探針間に大きな電流が流れ、試料
もしくは探針が損傷してしまう。そこで、バイアス電圧
をこの損傷が起こらない程度まで下げると、今度は電界
放出が起こらなくなり、電界放出量の測定ができなくな
ってしまう。なお、コンタクトモードではカンチレバー
を流れる電流を測定して電流像をえることもある。However, a bias voltage required for field emission requires a voltage of several volts to several hundred volts. However, when the field emission amount is also measured as described above, Since a scan is performed in the contact mode to obtain a concavo-convex image of the sample, when such a voltage is applied to the sample during contact, a large current flows between the sample and the probe, and the sample or the probe is damaged. Therefore, if the bias voltage is reduced to such an extent that this damage does not occur, then the field emission does not occur and the field emission amount cannot be measured. In the contact mode, a current image may be obtained by measuring the current flowing through the cantilever.
【０００６】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、コンタクトモードで試料の
凹凸像の測定およびカンチレバーの電流の測定を行い、
またリフトモードで電界放出のような高バイアス電圧を
必要とする測定を、探針、カンチレバーや試料に損傷を
与えることなく行うことのできる走査型プローブ顕微鏡
を提供することである。The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to measure a concavo-convex image of a sample and a current of a cantilever in a contact mode,
It is another object of the present invention to provide a scanning probe microscope capable of performing a measurement requiring a high bias voltage such as a field emission in a lift mode without damaging a probe, a cantilever or a sample.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、先端に探針を有する可撓性の
カンチレバーと、前記探針が試料に対してリフトするよ
うに前記試料を前記探針に対して相対移動する試料移動
手段とを備え、バイアス電圧を加えられる試料と前記探
針との間に働く力でカンチレバーが撓むようになってい
る走査型プローブ顕微鏡において、前記探針が前記試料
にコンタクトした状態で前記試料の測定を行うコンタク
トモードと、前記探針が前記試料からリフトされた状態
で前記試料と前記探針との間の電界放出量の測定を行う
リフトモードとが設定されており、更に、前記コンタク
トモード時に前記バイアス電圧を低電圧に設定するとと
もに、前記リフトモード時に前記バイアス電圧を高電圧
に設定するようバイアス電圧切替手段を備えていること
を特徴としている。In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention is to provide a flexible cantilever having a probe at a tip thereof, such that the probe is lifted with respect to a sample. A scanning probe microscope, comprising: a sample moving unit that relatively moves the sample with respect to the probe, wherein a cantilever is bent by a force applied between the sample to which a bias voltage is applied and the probe. A contact mode for measuring the sample with the probe in contact with the sample, and a lift for measuring the amount of field emission between the sample and the probe with the probe lifted from the sample And the bias voltage is set to a low voltage in the contact mode and the bias voltage is set to a high voltage in the lift mode. It is characterized in that it comprises a Ass voltage switching means.
【０００８】また、請求項２の発明は、前記バイアス電
圧切替手段が、前記探針の前記試料に対するリフトに同
期して前記バイアス電圧を切り替えることを特徴として
いる。更に、請求項３の発明は、前記探針が前記試料に
対して前記試料移動手段より大きくリフトするように前
記試料を前記探針に対して大きく相対移動する第２の試
料移動手段とを備えていることを特徴としている。更
に、請求項４の発明は、前記コンタクトモード時には、
前記試料の凹凸像の測定および前記カンチレバーを流れ
る電流像の測定の少なくとも１つを行うことを特徴とし
ている。The invention according to a second aspect is characterized in that the bias voltage switching means switches the bias voltage in synchronization with a lift of the probe with respect to the sample. Further, the invention according to claim 3 includes a second sample moving means for moving the sample relatively to the probe so that the probe lifts the sample more than the sample moving means. It is characterized by having. Further, in the invention of claim 4, in the contact mode,
At least one of measurement of a concavo-convex image of the sample and measurement of a current image flowing through the cantilever is performed.
【０００９】[0009]
【作用】このように構成された本発明の走査型プローブ
顕微鏡においては、試料の測定時には、走査型プローブ
顕微鏡が、探針を試料にコンタクトさせたコンタクトモ
ードに設定される。このときには、バイアス電圧切替手
段から低バイアス電圧が試料に加えられる。したがっ
て、探針と試料とがコンタクトした状態で試料に高バイ
アス電圧が加えられなく、試料−探針間に大きな電流が
流れないので、試料や探針等の損傷が防止される。この
ようにして、試料や探針等が損傷することなく、試料の
測定像が得られるようになる。In the scanning probe microscope according to the present invention, the scanning probe microscope is set to the contact mode in which the probe is in contact with the sample when measuring the sample. At this time, a low bias voltage is applied to the sample from the bias voltage switching means. Accordingly, a high bias voltage is not applied to the sample in a state where the probe and the sample are in contact with each other, and a large current does not flow between the sample and the probe, thereby preventing damage to the sample, the probe, and the like. In this way, a measurement image of the sample can be obtained without damaging the sample, the probe, and the like.
【００１０】一方、電界放出量の測定時には、走査型プ
ローブ顕微鏡は、探針を試料からリフトさせたリフトモ
ードに設定される。このときには、バイアス電圧切替手
段からのバイアス電圧が切り替えられ、高バイアス電圧
が試料に加えられる。したがって、試料−探針間で電界
放出が確実に起こるようになって、電界放出量が測定可
能となり、電界放出像が確実に得られる。On the other hand, when measuring the field emission amount, the scanning probe microscope is set in a lift mode in which the probe is lifted from the sample. At this time, the bias voltage from the bias voltage switching means is switched, and a high bias voltage is applied to the sample. Accordingly, the field emission is reliably generated between the sample and the probe, the field emission amount can be measured, and the field emission image can be reliably obtained.
【００１１】特に、請求項２の発明においては、バイア
ス電圧切替手段によりバイアス電圧が探針のリフトと同
期して切り替えられる。したがって、試料に加えられる
バイアス電圧が各モードに応じてより確実に切り替えら
れるようになる。また、請求項３の発明においては、試
料が載置されるステージが第２の試料移動手段によっ
て、探針が試料に対して前述の試料移動手段より大きく
リフトするように移動させることが可能となる。これに
より、リフトモードでの電界放出の測定を行う際に、探
針のリフト量を、小さいリフト量の試料移動手段の駆動
範囲を超えて更に大きく設定することができるようにな
る。更に、請求項４の発明においては、試料や探針等が
損傷することなく、試料の凹凸像および試料表面の導電
性を表すカンチレバーを流れる電流像が測定されるよう
になる。In particular, in the invention of claim 2, the bias voltage is switched by the bias voltage switching means in synchronization with the lift of the probe. Therefore, the bias voltage applied to the sample can be more reliably switched according to each mode. According to the third aspect of the present invention, the stage on which the sample is placed can be moved by the second sample moving means so that the probe is lifted with respect to the sample more than the sample moving means. Become. Accordingly, when measuring the field emission in the lift mode, the lift amount of the probe can be set to be larger than the driving range of the sample moving means having a small lift amount. Furthermore, according to the invention of claim 4, the unevenness image of the sample and the current image flowing through the cantilever representing the conductivity of the sample surface can be measured without damaging the sample or the probe.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について説明する。図１は、本発明に係る走査型
プローブ顕微鏡の実施の形態の一例を示す図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an example of an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.
【００１３】図１に示すように、この例の走査型プロー
ブ顕微鏡は試料１が載置されるスキャナ２（本発明の試
料移動手段に相当）を備えている。このスキャナ２は、
Ｘ方向スキャナ２ａ、Ｙ方向スキャナ２ｂ、およびＺ方
向スキャナ２ｃから構成され、各スキャナ２ａ,２ｂ,２
ｃはいずれも圧電素子から形成されている。ＸおよびＹ
方向スキャナ２ａ,２ｂは、それぞれ、ＸおよびＹ走査
波形回路３,４からＸおよびＹ走査波形信号が入力され
るようになっているとともに、これらのＸおよびＹ走査
波形信号に基づいてそれぞれＸおよびＹ方向に試料１を
スキャンするようになっている。また、Ｚ方向スキャナ
２ｃは、Ｚ制御回路５からｚ方向制御信号が入力される
ようになっているとともに、このｚ方向制御信号に基づ
いてＸおよびＹ方向に試料１をスキャンするようになっ
ている。As shown in FIG. 1, the scanning probe microscope of this embodiment includes a scanner 2 on which a sample 1 is placed (corresponding to a sample moving means of the present invention). This scanner 2
Each of the scanners 2a, 2b, and 2 includes an X-direction scanner 2a, a Y-direction scanner 2b, and a Z-direction scanner 2c.
Each of c is formed from a piezoelectric element. X and Y
The direction scanners 2a and 2b receive X and Y scanning waveform signals from the X and Y scanning waveform circuits 3 and 4, respectively, and based on these X and Y scanning waveform signals, respectively. The sample 1 is scanned in the Y direction. The Z-direction scanner 2c receives a z-direction control signal from the Z control circuit 5 and scans the sample 1 in the X and Y directions based on the z-direction control signal. I have.
【００１４】一方、試料１の表面を走査する探針６が可
撓性でかつ導電性のカンチレバー７の先端に設けられて
いる。このカンチレバー７にはレーザ光が照射されると
ともに、その反射光がフォトダイオード（ＰＤ）８で検
出されるようになっている。この反射光はカンチレバー
７の撓み量に関係している。このフォトダイオード（Ｐ
Ｄ）８で検出された反射光は電気信号に変換されてＺ制
御回路５に供給され、Ｚ制御回路５はこの電気信号に基
づいて試料表面の凹凸像を形成する。更に、カンチレバ
ー７に流れる電流をプリアンプ９を介して検出され、検
出した電流に基づいて電流像が得られるようになってい
る。この電流像は、後述するコンタクトモードでは試料
１表面の導電性を示す像であり、また、後述するリフト
モードでは試料１ー探針６間の電界放出量を示す像であ
る。On the other hand, a probe 6 for scanning the surface of the sample 1 is provided at the tip of a flexible and conductive cantilever 7. The cantilever 7 is irradiated with a laser beam, and the reflected light is detected by a photodiode (PD) 8. This reflected light is related to the amount of deflection of the cantilever 7. This photodiode (P
D) The reflected light detected in 8 is converted into an electric signal and supplied to the Z control circuit 5, and the Z control circuit 5 forms an uneven image of the sample surface based on the electric signal. Further, a current flowing through the cantilever 7 is detected via the preamplifier 9, and a current image is obtained based on the detected current. This current image is an image showing the conductivity of the surface of the sample 1 in the contact mode described later, and is an image showing the amount of field emission between the sample 1 and the probe 6 in the lift mode described later.
【００１５】更に、試料１には、バイアス電圧切替回路
１０からバイアス電圧が加えられる。その場合、図２に
示すようにこのバイアス電圧切替回路１０は、探針６が
試料１の表面に接触したコンタクトモードが設定されて
いるときには比較的低電圧のバイアス電圧（例えば、０
〜０.１Ｖ）を試料１に加え、また、探針６が試料１か
らリフトしたリフトモードが設定されているときには比
較的高電圧のバイアス電圧（例えば、１００Ｖ）を試料
１に加えるように、試料１に加えるバイアス電圧を切り
替えるようになっている。図２に示すように、リフト量
は一定となっている。Further, a bias voltage is applied to the sample 1 from the bias voltage switching circuit 10. In this case, as shown in FIG. 2, when the contact mode in which the probe 6 is in contact with the surface of the sample 1 is set, the bias voltage switching circuit 10 sets a relatively low bias voltage (for example, 0).
0.1 V) to the sample 1, and a relatively high bias voltage (for example, 100 V) is applied to the sample 1 when the lift mode in which the probe 6 is lifted from the sample 1 is set. The bias voltage applied to the sample 1 is switched. As shown in FIG. 2, the lift amount is constant.
【００１６】ＸおよびＹ走査波形回路３,４、Ｚ制御回
路５、およびバイアス電圧切替回路１０には、クロック
発生回路１１からクロック信号がそれぞれ供給されるよ
うになっており、これらのＸおよびＹ走査波形回路３,
４、Ｚ制御回路５、およびバイアス電圧切替回路１０は
そのクロック信号に基づいて作動制御される。特に、Ｚ
制御回路５には、クロック発生回路１１からのクロック
信号がリフト信号として供給され、Ｚ制御回路５はこの
リフト信号に基づいて探針６のリフト量、つまり探針６
と試料１との間の距離を設定し、Ｚ方向スキャナ２ｃに
リフト制御信号を出力する。Ｚ方向スキャナ２ｃはこの
リフト制御信号に基づいて試料１を降下する、つまり探
針６を試料１に対してリフト制御信号に基づいてリフト
する。これと同時に、バイアス電圧切替回路１０はＺ制
御回路５へのクロック信号の供給と同時にクロック発生
回路１１から供給されるクロック信号に基づいて、Ｚ制
御回路５へのクロック信号がリフト信号であるときはリ
フト時の高バイアス電圧を試料１に加え、また、Ｚ制御
回路５へのクロック信号がコンタクト信号であるときは
コンタクト時の低バイアス電圧を試料１に加えるよう
に、試料１に加えるバイアス電圧を探針６のリフトに同
期して切替制御する。The X and Y scanning waveform circuits 3 and 4, the Z control circuit 5, and the bias voltage switching circuit 10 are supplied with a clock signal from a clock generation circuit 11, respectively. Scanning waveform circuit 3,
4, the operation of the Z control circuit 5 and the bias voltage switching circuit 10 are controlled based on the clock signal. In particular, Z
A clock signal from the clock generation circuit 11 is supplied to the control circuit 5 as a lift signal, and the Z control circuit 5 determines the lift amount of the probe 6, that is, the probe 6 based on the lift signal.
The distance between the sample and the sample 1 is set, and a lift control signal is output to the Z-direction scanner 2c. The Z-direction scanner 2c lowers the sample 1 based on the lift control signal, that is, lifts the probe 6 with respect to the sample 1 based on the lift control signal. At the same time, when the clock signal to the Z control circuit 5 is a lift signal based on the clock signal supplied from the clock generation circuit 11 simultaneously with the supply of the clock signal to the Z control circuit 5, Is a bias voltage applied to the sample 1 such that a high bias voltage at the time of lift is applied to the sample 1, and a low bias voltage at the time of contact is applied to the sample 1 when the clock signal to the Z control circuit 5 is a contact signal. Is switched in synchronization with the lift of the probe 6.
【００１７】このように構成されたこの例の走査型プロ
ーブ顕微鏡においては、試料１の凹凸像およびカンチレ
バー７を流れる電流の電流像の測定時には、走査型プロ
ーブ顕微鏡は、探針６を試料１にコンタクトさせたコン
タクトモードに設定される。このときには、前述のよう
にバイアス電圧切替回路１０から低バイアス電圧が試料
１に加えられる。したがって、探針６と試料１とがコン
タクトした状態で試料１に高バイアス電圧が加えられな
く、試料１−探針６間に大きな電流が流れないので、試
料１や探針６等の損傷が防止される。このようにして、
試料１や探針６等が損傷することなく、試料１の凹凸像
および試料表面の導電性を表すカンチレバー７を流れる
電流像を得ることができるようになる。In the thus configured scanning probe microscope of this example, when measuring the uneven image of the sample 1 and the current image of the current flowing through the cantilever 7, the scanning probe microscope moves the probe 6 to the sample 1. The contact mode is set to the contact mode. At this time, a low bias voltage is applied to the sample 1 from the bias voltage switching circuit 10 as described above. Therefore, a high bias voltage is not applied to the sample 1 in a state where the probe 6 and the sample 1 are in contact with each other, and a large current does not flow between the sample 1 and the probe 6, so that the sample 1 and the probe 6 are not damaged. Is prevented. In this way,
It is possible to obtain an uneven image of the sample 1 and a current image flowing through the cantilever 7 indicating the conductivity of the sample surface without damaging the sample 1, the probe 6, and the like.
【００１８】一方、電界放出量の測定時には、走査型プ
ローブ顕微鏡は、探針６を試料１からリフトさせたリフ
トモードに設定される。このときには、前述のようにバ
イアス電圧切替回路１０からのバイアス電圧が探針６の
リフトと同期して切り替えられ、高バイアス電圧が試料
１に加えられる。したがって、試料１−探針６間で電界
放出が確実に起こるようになって、電界放出量が測定可
能となり、電界放出像が確実に得られる。この例の走査
型プローブ顕微鏡は、前述の図４（ａ）ないし（ｃ）に
示すどの方式にも適用することができる。On the other hand, when measuring the field emission amount, the scanning probe microscope is set in a lift mode in which the probe 6 is lifted from the sample 1. At this time, the bias voltage from the bias voltage switching circuit 10 is switched in synchronization with the lift of the probe 6 as described above, and a high bias voltage is applied to the sample 1. Therefore, the field emission is reliably generated between the sample 1 and the probe 6, the field emission amount can be measured, and the field emission image can be obtained reliably. The scanning probe microscope of this example can be applied to any of the methods shown in FIGS. 4A to 4C.
【００１９】図３は、本発明の走査型プローブ顕微鏡の
変形例を部分的に示す図である。前述の例では、探針６
のリフトつまり試料１と探針６とのＺ方向の距離を、Ｚ
方向スキャナ２ｃのみによって設定しているが、この例
の走査型プローブ顕微鏡では、図３に示すように探針６
のリフトを、Ｚ方向スキャナ２ｃに加えて、試料を支持
するステージ（不図示）を第２の試料移動手段（不図
示）によってＺ方向に移動させることでも設定可能にし
ている。FIG. 3 is a view partially showing a modified example of the scanning probe microscope of the present invention. In the above example, the probe 6
Lift, that is, the distance between the sample 1 and the probe 6 in the Z direction
Although the direction is set only by the direction scanner 2c, in the scanning probe microscope of this example, as shown in FIG.
Can be set by moving the stage (not shown) supporting the sample in the Z direction by the second sample moving means (not shown) in addition to the Z-direction scanner 2c.
【００２０】このようにステージをＺ方向に移動させる
ことにより、リフトモードでの電界放出の測定を行う際
に、探針６のリフト量をＺ方向スキャナ２ｃの駆動範囲
を超えて、更に大きく設定することができるようにな
る。その場合、リフト量はステージのＺ方向移動量とＺ
方向スキャナ２ｃによるリフト分を加えてもよいし、特
にステージのＺ方向移動量がＺ方向スキャナ２ｃの駆動
範囲に比べて大きいときは、Ｚ方向スキャナ２ｃによる
リフト分は無視できるのでリフト量に加えなくてもよ
い。この変形例の走査型プローブ顕微鏡の他の構成およ
び他の作用効果は、前述の例と同じである。また、この
変形例の走査型プローブ顕微鏡も前述の図４（ａ）ない
し（ｃ）に示すどの方式にも適用することができる。By moving the stage in the Z direction in this way, when measuring the field emission in the lift mode, the lift amount of the probe 6 is set larger than the driving range of the Z direction scanner 2c. Will be able to In that case, the lift amount is the Z-direction movement amount of the stage and Z
The lift by the direction scanner 2c may be added, and particularly when the movement amount of the stage in the Z direction is larger than the driving range of the Z direction scanner 2c, the lift by the Z direction scanner 2c can be neglected. It is not necessary. Other configurations and other operational effects of the scanning probe microscope of this modified example are the same as those of the above-described example. Further, the scanning probe microscope of this modification can also be applied to any of the systems shown in FIGS. 4A to 4C.
【００２１】[0021]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る走査プローブ顕微鏡によれば、コンタクトモード
での試料の測定時には、低バイアス電圧を試料に加える
ようにしているので、試料や探針等の損傷を防止でき
る。したがって、試料や探針等を損傷させることなく、
試料の測定像を得ることができる。一方、リフトモード
での電界放出量の測定時には、高バイアス電圧を試料に
加えるようにしているので、試料−探針間で電界放出を
確実に起こさせることができるようになる、したがっ
て、電界放出像を確実に得ることができる。As is apparent from the above description, according to the scanning probe microscope of the present invention, a low bias voltage is applied to the sample when measuring the sample in the contact mode. Damage to the needle and the like can be prevented. Therefore, without damaging the sample, probe, etc.
A measurement image of the sample can be obtained. On the other hand, when measuring the field emission amount in the lift mode, a high bias voltage is applied to the sample, so that the field emission can be reliably generated between the sample and the probe. An image can be reliably obtained.
【００２２】特に、請求項２の発明によれば、バイアス
電圧を探針のリフトと同期して切り替えるようにしてい
るので、試料に加えるバイアス電圧を各モードに応じて
より確実に切り替えることができる。また、請求項３の
発明によれば、試料が載置されるステージを大きく移動
できるようにしているので、リフトモードでの電界放出
の測定を行う際に、探針のリフト量を、小さいリフト量
の試料移動手段の駆動範囲を超えて更に大きく設定する
ことができるようになる。更に、請求項４の発明によれ
ば、試料や探針等を損傷させることなく、試料の凹凸像
および試料表面の導電性を表すカンチレバーを流れる電
流像を測定することができるようになる。In particular, according to the second aspect of the present invention, the bias voltage is switched in synchronization with the lift of the probe, so that the bias voltage applied to the sample can be switched more reliably according to each mode. . According to the third aspect of the present invention, the stage on which the sample is placed can be largely moved. Therefore, when measuring the field emission in the lift mode, the lift amount of the probe is reduced by a small amount. The amount can be set larger than the driving range of the sample moving means. Further, according to the invention of claim 4, it is possible to measure a concavo-convex image of the sample and a current image flowing through the cantilever representing the conductivity of the sample surface without damaging the sample, the probe, or the like.
【図１】 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の実施の
形態の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention.
【図２】 コンタクトモード時およびリフトモード時で
のバイアス電圧を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating bias voltages in a contact mode and a lift mode.
【図３】 本発明の変形例を部分的に示す図である。FIG. 3 is a diagram partially showing a modification of the present invention.
【図４】 従来のリフト方式を示し、（ａ）はPoint by
Point方式を示す図、（ｂ）はLine by Line方式を示す
図、（ｃ）はFrame by Frame方式を示す図である。FIG. 4 shows a conventional lift method, in which (a) is a Point by
FIG. 3B is a diagram illustrating the Point system, FIG. 3B is a diagram illustrating the Line by Line system, and FIG. 3C is a diagram illustrating the Frame by Frame system.
１…試料、２…スキャナ、２ｃ…Ｚ方向スキャナ、５…
Ｚ制御回路、６…探針、７…カンチレバー、８…フォト
ダイオード（ＰＤ）、１０…バイアス電圧切替回路、１
１…クロック発生回路1 sample, 2 scanner, 2c Z-direction scanner, 5
Z control circuit, 6 probe, 7 cantilever, 8 photodiode (PD), 10 bias voltage switching circuit, 1
1. Clock generation circuit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 13/22 Ｇ０１Ｎ 13/22 Ａ (72)発明者 中本圭一 東京都昭島市武蔵野三丁目１番２号 日本 電子株式会社内 Ｆターム(参考） 2F063 AA43 CA28 DA01 DA02 DA05 DB06 DD02 EA16 EB15 EB23 LA09 LA30 ZA03 2F069 AA60 CC06 DD01 GG01 GG04 GG06 GG21 GG62 HH05 JJ15 LL03 MM23 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G01N 13/22 G01N 13/22 A (72) Inventor Keiichi Nakamoto 3-1-2 Musashino, Akishima-shi, Tokyo No. Japan Electronics Corporation F term (reference) 2F063 AA43 CA28 DA01 DA02 DA05 DB06 DD02 EA16 EB15 EB23 LA09 LA30 ZA03 2F069 AA60 CC06 DD01 GG01 GG04 GG06 GG21 GG62 HH05 JJ15 LL03 MM23
Claims (4)
ーと、前記探針が試料に対してリフトするように前記試
料を前記探針に対して相対移動する試料移動手段とを備
え、バイアス電圧を加えられる試料と前記探針との間に
働く力でカンチレバーが撓むようになっている走査型プ
ローブ顕微鏡において、 前記探針が前記試料にコンタクトした状態で前記試料の
測定を行うコンタクトモードと、前記探針が前記試料か
らリフトされた状態で前記試料と前記探針との間の電界
放出量の測定を行うリフトモードとが設定されており、 更に、前記コンタクトモード時に前記バイアス電圧を低
電圧に設定するとともに、前記リフトモード時に前記バ
イアス電圧を高電圧に設定するようバイアス電圧切替手
段を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。A biasing device comprising: a flexible cantilever having a probe at a tip thereof; and a sample moving means for moving the sample relative to the probe so that the probe lifts with respect to the sample. In a scanning probe microscope in which a cantilever is bent by a force acting between a sample to which a voltage is applied and the probe, a contact mode for measuring the sample in a state where the probe is in contact with the sample, A lift mode for measuring the amount of field emission between the sample and the probe in a state where the probe is lifted from the sample is set, and the bias voltage is set to a low voltage during the contact mode. And a bias voltage switching means for setting the bias voltage to a high voltage in the lift mode. Microscope.
の前記試料に対するリフトに同期して前記バイアス電圧
を切り替え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 bias voltage switching means switches said bias voltage in synchronization with a lift of said probe with respect to said sample.
動手段より大きくリフトするように前記試料を前記探針
に対して大きく相対移動する第２の試料移動手段とを備
えている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. A sample moving means for moving the sample relatively to the probe so that the probe lifts the sample more than the sample moving means. The scanning probe microscope according to claim 1 or 2, wherein:
の凹凸像の測定および前記カンチレバーを流れる電流像
の測定の少なくとも１つを行うことを特徴とする請求項
１ないし３のいずれか１記載の走査型プローブ顕微鏡。4. The scanning type according to claim 1, wherein in the contact mode, at least one of measurement of an uneven image of the sample and measurement of a current image flowing through the cantilever is performed. Probe microscope.
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