JP2010078329A - Contact type atomic force microscope - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a contact type atomic force microscope capable of rapidly obtaining a stable image of surface shape of a specimen in a state of an atmospheric pressure not in environmental control when the surface shape is measured by a contact mode having high sensitivity for irregularities. <P>SOLUTION: A non-measuring region is provided outside a measuring region used to measure the surface shape, a modulation signal from a modulation signal oscillator 18 is given to a Z-scanner 6 to vibrate it in a Z-axis direction while a probe 2 is scanning the non-measuring region, thereby preventing an adsorption force acting between the specimen S and the probe 2. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、原子間力顕微鏡に関わり、詳しくは、コンタクトモード（接触式）により大気中で試料の表面形状観察を行なう方法の改良及びその測定を行なう原子間力顕微鏡に関する。   The present invention relates to an atomic force microscope, and more particularly to an improvement in a method for observing a surface shape of a sample in the atmosphere by a contact mode (contact type) and an atomic force microscope for performing the measurement.

原子間力顕微鏡（AFM；Atomic Force Microscope）は、カンチレバ先端に取り付けられたプローブと試料表面の間に働く原子間力を検出し、この原子間力が一定になるようにフィードバックを行ないながら試料上を走査し、試料の表面形状を得る装置である。AFMの測定手法としては、大別して、カンチレバ先端のプローブを試料表面に接触させるコンタクトモード（Contact Mode）とプローブを試料表面に接触させず測定するノンコンタクトモード（Non Contact Mode）に分けることができる。コンタクトモードは、試料表面の斥力領域において試料表面を測定する手法で、ノンコンタクトモードは引力領域で測定する手法である。   The atomic force microscope (AFM) detects the atomic force acting between the probe attached to the tip of the cantilever and the sample surface, and feeds back the sample so that this atomic force is constant. To obtain the surface shape of the sample. AFM measurement methods can be broadly divided into contact mode (Contact Mode) in which the probe at the tip of the cantilever is in contact with the sample surface and non-contact mode (Non Contact Mode) in which the probe is not in contact with the sample surface. . The contact mode is a method of measuring the sample surface in the repulsive region of the sample surface, and the non-contact mode is a method of measuring in the attractive region.

また、両者の中間の測定法として、カンチレバを振動させながら試料に近づけ、カンチレバの振幅が一定なるように測定するタッピングモード (Tapping Mode)がある。タッピングモードの名称は各種あり、例えばＡＣモード、サイクリックモードあるいはダイナミックフォースモード等がある。   In addition, as an intermediate measurement method, there is a tapping mode (Tapping Mode) in which the cantilever is moved close to the sample while being vibrated and the amplitude of the cantilever is constant. There are various names of tapping modes, for example, AC mode, cyclic mode, dynamic force mode, and the like.

図７は、コンタクトモードで測定を行なう従来のＡＦＭの概略構成と信号の流れを示す図である。図７において、Ｓは試料、１はカンチレバ、２はカンチレバ１の先端に取り付けられたプローブ、３は試料ステージ、４はレーザ光源、５は光検出器である。カンチレバ１先端部にレーザ光源（LD）４から照射されたレーザ光がくるように調整し、反射したレーザ光を光検出器（PD）５で検出する。光検出器５に入射するレーザスポットの位置はカンチレバの撓み方により変化する。光検出器５は４分割（少なくとも２分割）されていて、カンチレバの撓み方に応じた信号を出力する。光検出器５からの信号は前置増幅器９で増幅され、カンチレバ１の撓み方の大きさに応じたフォース信号として誤差増幅器１０に送られる。   FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration and signal flow of a conventional AFM that performs measurement in the contact mode. In FIG. 7, S is a sample, 1 is a cantilever, 2 is a probe attached to the tip of the cantilever 1, 3 is a sample stage, 4 is a laser light source, and 5 is a photodetector. Adjustment is made so that the laser light emitted from the laser light source (LD) 4 comes to the tip of the cantilever 1, and the reflected laser light is detected by the photodetector (PD) 5. The position of the laser spot incident on the photodetector 5 changes depending on how the cantilever bends. The photodetector 5 is divided into four parts (at least two parts) and outputs a signal corresponding to how the cantilever bends. The signal from the photodetector 5 is amplified by the preamplifier 9 and sent to the error amplifier 10 as a force signal corresponding to the amount of bending of the cantilever 1.

表面形状測定に先立ってプローブ２を試料Ｓの表面に近づける（アプローチ）ときは、基準信号発生器１１からの基準信号とフォース信号が同じ値になるまで、モータ８を使用して試料ステージ３を上昇させ、試料表面をプローブ２に近づける。   When the probe 2 is brought close to the surface of the sample S prior to the surface shape measurement (approach), the sample stage 3 is moved using the motor 8 until the reference signal and the force signal from the reference signal generator 11 become the same value. The sample surface is moved closer to the probe 2.

表面形状測定のときは、アプローチが完了した状態で、走査信号発振器１７からＸＹアンプ１６を介してＸＹスキャナ７に走査電圧が印可される。誤差増幅器１０に入力されるフォース信号と基準信号との差分がゼロとなるようにフィードバック回路１２が動作する。フィードバック回路１２からの出力はＺアンプ１５に送られ、試料Ｓの表面とプローブ２との距離が一定となるようにスキャナ６が制御される。   At the time of surface shape measurement, a scanning voltage is applied from the scanning signal oscillator 17 to the XY scanner 7 via the XY amplifier 16 in a state where the approach is completed. The feedback circuit 12 operates so that the difference between the force signal input to the error amplifier 10 and the reference signal becomes zero. The output from the feedback circuit 12 is sent to the Z amplifier 15, and the scanner 6 is controlled so that the distance between the surface of the sample S and the probe 2 is constant.

このときのフィードバック回路１２からの出力が表面形状信号として、Ａ／Ｄ変換器１３を介してコンピュータ（ＰＣ）１４に送られ、コンピュータ１４に付属する表示装置（図示しない）に表面形状像として表示される。   The output from the feedback circuit 12 at this time is sent as a surface shape signal to a computer (PC) 14 via an A / D converter 13 and displayed as a surface shape image on a display device (not shown) attached to the computer 14. Is done.

ところで、環境制御がされていない大気圧の状態で、試料表面は、水分などで被われており、試料表面とカンチレバ先端の間で吸着力が発生する。このような試料表面の吸着力と表面形状の測定を同時に行なう技術が、例えば特許文献１の特開平９−７２９２５号公報に開示されている。   By the way, the sample surface is covered with moisture in an atmospheric pressure state where environmental control is not performed, and an adsorption force is generated between the sample surface and the tip of the cantilever. A technique for simultaneously measuring the adsorption force and the surface shape of the sample surface is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-72925.

特開平９−７２９２５号公報JP-A-9-72925

原子間力顕微鏡でコンタクトモードを使用する測定において、試料表面とカンチレバ先端の間で吸着力が発生する場合、特に試料表面の凹凸が小さいと、試料とプローブを相対的に移動させた往復の画像で、吸着力の影響により表面形状像が異なるという現象が表れる。   In the measurement using the contact mode with the atomic force microscope, when adsorption force is generated between the sample surface and the tip of the cantilever, especially when the unevenness of the sample surface is small, a reciprocating image of the sample and the probe moved relatively Thus, the phenomenon that the surface shape image differs due to the influence of the adsorption force appears.

図２と図３は、試料表面に吸着力が無い場合と有る場合で、カンチレバを往復させて測定した表面形状像が異なるという現象を説明するための図である。以下の説明で、便宜上、図２（ａ）と図３（ａ）に示すカンチレバの走査方向を「順方向」、図２（ｂ）と図３（ｂ）に示すカンチレバの走査方向を「逆方向」と呼ぶことにする。
図２は試料表面に吸着力が無い場合を示している。順方向、逆方向の何れにカンチレバを走査しても、得られる表面形状像は、試料表面の高さに依存した情報を正しく得ることができる。一方、図３は試料表面に吸着力が有る場合を示している。プローブ２の先端には吸着力が働いているため、カンチレバの走査方向が順方向と逆方向とでは、得られる表面形状像の凹凸が逆転している。 FIG. 2 and FIG. 3 are diagrams for explaining the phenomenon that the surface shape images measured by reciprocating the cantilever differ depending on whether the sample surface has no adsorption force or not. In the following description, for convenience, the scanning direction of the cantilever shown in FIGS. 2A and 3A is “forward”, and the scanning direction of the cantilever shown in FIGS. 2B and 3B is “reverse”. It will be called "direction".
FIG. 2 shows a case where there is no adsorption force on the sample surface. Regardless of whether the cantilever is scanned in the forward direction or the reverse direction, the obtained surface shape image can correctly obtain information depending on the height of the sample surface. On the other hand, FIG. 3 shows a case where the sample surface has an adsorption force. Since the suction force acts on the tip of the probe 2, the unevenness of the obtained surface shape image is reversed when the cantilever scanning direction is the forward direction and the reverse direction.

ここで、図４と図５を参照しながら、試料表面に吸着力が有ると、得られる表面形状像が異なる場合がある理由を説明する。図４と図５は、試料表面に吸着力が無い場合と有る場合で、カンチレバの撓み方とＺスキャナ移動方向が変化する様子を示す図である。   Here, with reference to FIG. 4 and FIG. 5, the reason why the obtained surface shape image may be different when there is an adsorption force on the sample surface will be described. 4 and 5 are diagrams showing how the cantilever bends and the Z scanner moving direction change depending on whether the sample surface has no adsorption force or not.

図４は、吸着力が無い場合を示している。試料表面の凹凸は数十ｎｍ程度と非常に小さいとし、基準信号発生器１１からの基準信号として用いる値は、光検出器５の中心位置で０Ｖとする。試料の測定面高さが、図４（a）に示す高さから図４（b）に示す高さに変化（プローブ先端と試料間の距離が減少）した際、カンチレバ１は図４（b）に示す様に撓み、光検出器５上のレーザスポット位置は、マイナス（−）側に移動する。Ｚスキャナ６には、光検出器５上のレーザスポット位置が中心位置に来るようにフィードバックがかかっている。そのためＺスキャナ６は、図４（b）に示す状態から図４（c）に示す状態に、即ち試料Ｓがプローブ２から離れる方向に動作する。なお、吸着力が有る場合でも、図３（ａ）に示す方向（順方向）にカンチレバを走査させて測定を行なうときは、図４に示されるようなカンチレバの撓み方とＺスキャナの移動が行なわれる。   FIG. 4 shows a case where there is no attracting force. The unevenness of the sample surface is as small as about several tens of nm, and the value used as the reference signal from the reference signal generator 11 is 0 V at the center position of the photodetector 5. When the measurement surface height of the sample changes from the height shown in FIG. 4 (a) to the height shown in FIG. 4 (b) (the distance between the probe tip and the sample decreases), the cantilever 1 is shown in FIG. ) And the laser spot position on the photodetector 5 moves to the minus (−) side. Feedback is applied to the Z scanner 6 so that the laser spot position on the photodetector 5 comes to the center position. Therefore, the Z scanner 6 operates from the state shown in FIG. 4B to the state shown in FIG. 4C, that is, the direction in which the sample S moves away from the probe 2. Even when there is an attractive force, when the measurement is performed by scanning the cantilever in the direction (forward direction) shown in FIG. 3A, the method of bending the cantilever and the movement of the Z scanner as shown in FIG. Done.

これに対し、図５は吸着力が有る場合で、図３（ｃ）に示す方向（逆方向）にカンチレバを走査させて測定を行なうときの様子を示している。吸着力が有る場合、試料の測定面高さが、図５（a）に示す高さから図５（b）に示す高さに変化（プローブ先端と試料間の距離が減少）した際、カンチレバ１は吸着力により図５（b）に示す様に撓み、光検出器５上のレーザスポット位置は、プラス（＋）側に移動する。Ｚスキャナ６は、光検出器５上のレーザスポット位置が０Ｖ（基準信号）になる様にフィードバックがかかっている。光検出器５の出力がプラス（＋）側に移動するということは、プローブ２と試料Ｓとの間が、離れる方向に移動したと見なされる。そのため、Ｚスキャナ６は図５（b）の状態から図５（c）に示す状態になるように、即ちプローブ２により近づく方向に動作する。   On the other hand, FIG. 5 shows a state where measurement is performed by scanning the cantilever in the direction (reverse direction) shown in FIG. When there is adsorption force, when the measurement surface height of the sample changes from the height shown in FIG. 5 (a) to the height shown in FIG. 5 (b) (the distance between the probe tip and the sample decreases), the cantilever 1 is bent as shown in FIG. 5 (b) by the attractive force, and the laser spot position on the photodetector 5 moves to the plus (+) side. The Z scanner 6 is fed back so that the laser spot position on the photodetector 5 becomes 0V (reference signal). The fact that the output of the photodetector 5 moves to the plus (+) side is considered that the probe 2 and the sample S have moved in a direction away from each other. Therefore, the Z scanner 6 operates so as to change from the state shown in FIG. 5B to the state shown in FIG.

上記したように、凹凸に対する感度の高いコンタクトモードで測定する場合、環境制御がされていない大気圧の状態では、試料表面の吸着力の影響を受けて正しい試料表面像を得ることが困難であるという問題がある。   As described above, when measuring in contact mode with high sensitivity to unevenness, it is difficult to obtain a correct sample surface image under the influence of the adsorption force of the sample surface in an atmospheric pressure state where environmental control is not performed. There is a problem.

特許文献１の特開平９−７２９２５号公報に開示されているように、試料上の測定点毎にカンチレバを試料と非接触の状態から接触の状態に移り、更に非接触の状態に戻るという動作を繰り返して、測定点毎に吸着力と表面形状を同時に測定する方法はある。しかし、高精度で試料の表面形状のみを測定したい場合は余計な時間が掛かってしまうという問題がある。   As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-72925 of Patent Document 1, for each measuring point on the sample, the cantilever is moved from a non-contact state to a contact state and then returned to a non-contact state. There is a method of repeating the above and simultaneously measuring the adsorption force and the surface shape for each measurement point. However, there is a problem that it takes extra time when it is desired to measure only the surface shape of the sample with high accuracy.

本発明は上記した問題を解決するためになされたものであって、その目的は、環境制御がされていない大気圧の状態にある試料の表面形状を、凹凸に対する感度の高いコンタクトモードによって測定するとき、吸着力の影響を回避して安定した表面形状像を迅速に得ることのできる原子間力顕微鏡を提供することに有る。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to measure the surface shape of a sample in an atmospheric pressure state where environmental control is not performed by a contact mode having high sensitivity to unevenness. In some cases, an atomic force microscope capable of quickly obtaining a stable surface shape image while avoiding the influence of adsorption force is provided.

上記の問題を解決するために、
請求項１に記載の発明は、カンチレバ先端に取り付けられたプローブを試料表面に接触させて試料の表面形状測定を行なう原子間力顕微鏡において、
プローブと試料の間の距離を制御するＺ軸制御手段と、
該試料と前記プローブとの間に働く原子間力が一定になるように前記Ｚ軸制御手段にフィードバックをかけながら前記試料と前記プローブとを相対移動させるＸＹ走査手段と、
前記Ｚ軸制御手段に前記原子間力が働く方向に振動させるための変調信号を与えるＺ軸変調手段と、
前記Ｚ軸制御手段に対してＺ軸変調を行なう動作を制御する計測制御手段とを備え、
前記計測制御手段は、前記ＸＹ走査手段によって走査される領域について、前記プローブが予め設定された試料の表面形状測定を行なう計測領域に位置するか該計測領域の外側の非計測領域に位置するかを判別し、
判別結果に基づいて、前記プローブが前記計測領域を走査しているときは前記Ｚ軸変調手段を動作させずに試料の表面形状測定を行ない、前記プローブが前記非計測領域を走査しているときは前記Ｚ軸制御手段に前記変調信号を与えるように、前記Ｚ軸変調手段の動作を制御することを特徴とする。 To solve the above problem,
The invention according to claim 1 is an atomic force microscope for measuring the surface shape of a sample by bringing a probe attached to the tip of the cantilever into contact with the sample surface.
Z-axis control means for controlling the distance between the probe and the sample;
XY scanning means for relatively moving the sample and the probe while applying feedback to the Z-axis control means so that the atomic force acting between the sample and the probe is constant;
Z-axis modulation means for providing a modulation signal for causing the Z-axis control means to vibrate in the direction in which the atomic force acts;
Measurement control means for controlling the operation of performing Z-axis modulation on the Z-axis control means,
Whether the measurement control unit is located in a measurement region where the surface shape of the sample is set in advance or in a non-measurement region outside the measurement region with respect to the region scanned by the XY scanning unit. Determine
Based on the determination result, when the probe is scanning the measurement area, the surface shape of the sample is measured without operating the Z-axis modulation means, and the probe is scanning the non-measurement area Controls the operation of the Z-axis modulation means so as to give the modulation signal to the Z-axis control means.

また請求項２に記載の発明は、前記試料が大気中に置かれていることを特徴とする。
The invention described in claim 2 is characterized in that the sample is placed in the atmosphere.

本発明によれば、表面形状を測定する計測領域の外側に非計測領域を設けて、プローブが非計測領域を走査しているとき、ＺスキャナをＺ軸方向に変調をかけて振動させることによって、試料とプローブの間に働く吸着力を切るようにしたので、環境制御がされていない大気圧の状態にある試料の表面形状を、凹凸に対する感度の高いコンタクトモードによって測定するとき、吸着力の影響を回避して安定した表面形状像を迅速に得ることができる。   According to the present invention, by providing a non-measurement region outside the measurement region for measuring the surface shape and vibrating the Z scanner in the Z-axis direction while the probe is scanning the non-measurement region, Since the adsorption force acting between the sample and the probe is cut off, when measuring the surface shape of the sample in an atmospheric pressure state where environmental control is not performed, using the contact mode with high sensitivity to unevenness, A stable surface shape image can be quickly obtained while avoiding the influence.

以下図１及び図６を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。但し、この例示によって本発明の技術範囲が制限されるものでは無い。図１において、図７と同一または類似の動作を行なうものには共通の符号を付し、詳しい説明の重複を避ける。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 6. However, the technical scope of the present invention is not limited by this illustration. In FIG. 1, components that perform the same or similar operations as those in FIG.

図１は、本発明を実施するＡＦＭの概略構成と信号の流れを示す図である。図１において本発明を実施するために、図７に示した従来のＡＦＭから新たに加えられたものは、Ｚスキャナに変調信号を印加するための変調信号発振器１８、フィードバック回路１２とＺアンプ１５との間に設けられた加算器２０、
変調信号発振器１８と加算器２０の間に設けられたスイッチ１９、コンピュータ１４内に設けられた計測制御手段２１、走査信号発振器１７と計測制御手段２１とを繋ぐ信号ライン１７ａ、及び計測制御手段２１とスイッチ１９とを繋ぐ信号ライン１９ａである。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration and signal flow of an AFM embodying the present invention. In order to implement the present invention in FIG. 1, a new addition from the conventional AFM shown in FIG. 7 is a modulation signal oscillator 18, a feedback circuit 12 and a Z amplifier 15 for applying a modulation signal to a Z scanner. , An adder 20 provided between
A switch 19 provided between the modulation signal oscillator 18 and the adder 20, a measurement control means 21 provided in the computer 14, a signal line 17a connecting the scanning signal oscillator 17 and the measurement control means 21, and a measurement control means 21 And a signal line 19 a connecting the switch 19 and the switch 19.

図１に示すＡＦＭは、カンチレバ１の先端に取り付けられたプローブ２を試料Ｓの表面に接触させて（コンタクトモード）、試料の表面形状像を測定する。レーザ光源４から照射されたレーザ光は、カンチレバ１の先端部で反射して光検出器（PD）５によって検出される。光検出器５に入射するレーザスポットの位置はカンチレバの撓み方により変化する。光検出器５は、カンチレバの撓み方の大きさに応じた信号を出力する。光検出器５からの信号は前置増幅器９で増幅され、カンチレバ１の撓み方の大きさに応じたフォース信号として誤差増幅器１０に送られる。   The AFM shown in FIG. 1 measures the surface shape image of the sample by bringing the probe 2 attached to the tip of the cantilever 1 into contact with the surface of the sample S (contact mode). The laser light emitted from the laser light source 4 is reflected by the tip of the cantilever 1 and detected by the photodetector (PD) 5. The position of the laser spot incident on the photodetector 5 changes depending on how the cantilever bends. The photodetector 5 outputs a signal corresponding to the size of how the cantilever bends. The signal from the photodetector 5 is amplified by the preamplifier 9 and sent to the error amplifier 10 as a force signal corresponding to the amount of bending of the cantilever 1.

図６は本発明の動作原理を説明するための図である。コンタクトモードで試料表面形状を測定するとき、カンチレバ１の走査方向に関して、予め計測領域の外側に非計測領域を設けておく。図６は計測領域の両側に非計測領域を設ける例を示しているが、少なくとも左右どちらかの側に設けられていれば良い。プローブ２が非計測領域にあるとき、Ｚスキャナに高さ方向の変調信号を加えることによって、試料表面とプローブ２との間に働いている吸着力を切る。このときＺスキャナ６に加える変調信号の周波数は例えば数キロヘルツ〜数十キロヘルツ、振幅は例えば数十ミリボルト〜数ボルト程度である。   FIG. 6 is a diagram for explaining the operating principle of the present invention. When the sample surface shape is measured in the contact mode, a non-measurement region is provided in advance outside the measurement region in the scanning direction of the cantilever 1. FIG. 6 shows an example in which non-measurement areas are provided on both sides of the measurement area, but it is sufficient that they are provided on at least one of the left and right sides. When the probe 2 is in the non-measurement region, the adsorption force acting between the sample surface and the probe 2 is cut by applying a modulation signal in the height direction to the Z scanner. At this time, the frequency of the modulation signal applied to the Z scanner 6 is, for example, several kilohertz to several tens of kilohertz, and the amplitude is, for example, several tens of millivolts to several volt.

なお、試料表面とプローブ２との間に働いている吸着力を切るだけならば、非測定領域においてＺスキャナをカンチレバから最大距離分だけ離す動作（一般に「リトラクト」と称される）を行なえばよい。しかし、Ｚスキャナにリトラクト動作を行なわせると、Ｚスキャナを構成する圧電素子のクリープ現象により、表面形状像を継続して安定に測定することが困難となる。そのため、本発明では、Ｚスキャナのリトラクトを回避し且つ試料表面とプローブとの間に働く吸着力を効果的に切るため、Ｚスキャナを高さ方向に振動させるようにしている。   If the adsorption force acting between the sample surface and the probe 2 is simply cut off, an operation (generally referred to as “retract”) for separating the Z scanner from the cantilever by the maximum distance in the non-measurement region is performed. Good. However, if the Z scanner performs a retracting operation, it becomes difficult to continuously and stably measure the surface shape image due to the creep phenomenon of the piezoelectric elements constituting the Z scanner. Therefore, in the present invention, the Z scanner is vibrated in the height direction in order to avoid retraction of the Z scanner and effectively cut off the adsorption force acting between the sample surface and the probe.

表面形状測定に先立ってプローブ２を試料Ｓの表面に近づける（アプローチ）ときは、基準信号発生器１１からの基準信号とフォース信号が同じ値になるまで、モータ８を使用して試料ステージ３を上昇させ、試料表面をプローブ２に近づける。基準信号発生器１１からの出力がゼロになればアプローチ完了である。   When the probe 2 is brought close to the surface of the sample S prior to the surface shape measurement (approach), the sample stage 3 is moved using the motor 8 until the reference signal and the force signal from the reference signal generator 11 become the same value. The sample surface is moved closer to the probe 2. If the output from the reference signal generator 11 becomes zero, the approach is complete.

表面形状測定のときは、アプローチが完了した状態で、計測領域及びその外側の非計測領域を走査するように、走査信号発振器１７からＸＹアンプ１６を介してＸＹスキャナ７に走査電圧が印可される。プローブ２が試料表面を走査している間、フォース信号が誤差増幅器１０に送られ、誤差増幅器１０からの出力がゼロになるようにフィードバック回路１２を動作させ、表面形状測定を行なう。   At the time of surface shape measurement, a scanning voltage is applied to the XY scanner 7 from the scanning signal oscillator 17 via the XY amplifier 16 so as to scan the measurement region and the non-measurement region outside the measurement region with the approach completed. . While the probe 2 is scanning the sample surface, a force signal is sent to the error amplifier 10, and the feedback circuit 12 is operated so that the output from the error amplifier 10 becomes zero, thereby measuring the surface shape.

表面形状測定が行なわれているあいだ、測定制御手段２１は走査信号発振器１７から信号ライン１７ａを通じて受ける走査信号に基づいて、プローブ２の走査位置が表面形状の計測領域にあるか非計測領域にあるかを判別している。   While the surface shape measurement is being performed, the measurement control means 21 determines whether the scanning position of the probe 2 is in the surface shape measurement region or in the non-measurement region based on the scanning signal received from the scanning signal oscillator 17 through the signal line 17a. Is determined.

プローブ２の走査位置が計測領域内にあると判別されたとき、計測制御手段２１は信号ライン１９ａを通じてスイッチ１９をオープンの状態に切り替えて、変調信号発振器１８が発生させる変調信号が加算器２０に加えられないようにする。なお、図１に示すスイッチ１９はオープンの状態を示している。   When it is determined that the scanning position of the probe 2 is within the measurement region, the measurement control means 21 switches the switch 19 to the open state through the signal line 19a, and the modulation signal generated by the modulation signal oscillator 18 is supplied to the adder 20. Prevent it from being added. Note that the switch 19 shown in FIG. 1 is in an open state.

スイッチ１９がオープンの状態にあるとき、試料表面の凹凸に応じて変化する光検出器５の出力は前置増幅器９によって増幅され、フォース信号として誤差増幅器１０に入力する。誤差増幅器１０に入力されるフォース信号と基準信号との差分がゼロとなるようにフィードバック回路１２が動作する。フィードバック回路１２からの出力はＺアンプ１５に送られ、試料Ｓの表面とプローブ２との距離が一定となるようにスキャナ６が制御される。   When the switch 19 is in an open state, the output of the photodetector 5 that changes according to the unevenness of the sample surface is amplified by the preamplifier 9 and input to the error amplifier 10 as a force signal. The feedback circuit 12 operates so that the difference between the force signal input to the error amplifier 10 and the reference signal becomes zero. The output from the feedback circuit 12 is sent to the Z amplifier 15, and the scanner 6 is controlled so that the distance between the surface of the sample S and the probe 2 is constant.

このときのフィードバック回路１２からの出力が表面形状信号として、Ａ／Ｄ変換器１３を介してコンピュータ（ＰＣ）１４に送られ、コンピュータ１４に付属する表示装置（図示しない）に表面形状像として表示される。   The output from the feedback circuit 12 at this time is sent as a surface shape signal to a computer (PC) 14 via an A / D converter 13 and displayed as a surface shape image on a display device (not shown) attached to the computer 14. Is done.

プローブ２の走査位置が非計測領域にあると判別されたとき、計測制御手段２１は信号ライン１９ａを通じてスイッチ１９をクローズの状態に切り替えて、変調信号発振器１８の発生させる変調信号を換算器２０に加えるようにする。これによってＺスキャナ６には、Ｚアンプ１５を介して高さ方向の変調が加えられ、Ｚスキャナ６は上下に細かく振動することになる。この振動により、試料表面とプローブ２との間に働いている吸着力が切れ、正常な状態に戻る。   When it is determined that the scanning position of the probe 2 is in the non-measurement region, the measurement control means 21 switches the switch 19 to the closed state through the signal line 19a, and sends the modulation signal generated by the modulation signal oscillator 18 to the converter 20. Try to add. As a result, the Z scanner 6 is modulated in the height direction via the Z amplifier 15, and the Z scanner 6 vibrates finely in the vertical direction. Due to this vibration, the attraction force acting between the sample surface and the probe 2 is cut off, and the normal state is restored.

再びプローブ２の走査位置が計測領域内にあると判別されたとき、計測制御手段２１は信号ライン１９ａを通じてスイッチ１９をオープンの状態に切り替える。これにより、変調信号発振器１８の発生させる変調信号が換算器２０に加えられない状態で試料の表面形状測定が行なわれる。   When it is determined again that the scanning position of the probe 2 is within the measurement region, the measurement control means 21 switches the switch 19 to the open state through the signal line 19a. Thereby, the surface shape of the sample is measured in a state where the modulation signal generated by the modulation signal oscillator 18 is not applied to the converter 20.

以上述べたように本発明によれば、表面形状を測定する計測領域の外側に非計測領域を設け、プローブが非計測領域にあるとき、Ｚスキャナを高さ方向に振動させる変調信号を加えることによって、試料表面とプローブとの間に働く吸着力を切るようにしたので、吸着力が有る場合でも、コンタクトモードによる表面形状測定を素早く安定して行なうことができる。   As described above, according to the present invention, a non-measurement region is provided outside the measurement region for measuring the surface shape, and when the probe is in the non-measurement region, a modulation signal for vibrating the Z scanner in the height direction is added. Thus, the adsorption force acting between the sample surface and the probe is cut off, so that even when there is an adsorption force, the surface shape measurement by the contact mode can be performed quickly and stably.

本発明を実施するＡＦＭの概略構成例と信号の流れを示す図である。It is a figure which shows the schematic structural example and signal flow of AFM which implements this invention. 吸着力が無い場合の往復測定と表面形状像との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a reciprocating measurement and surface shape image in case there is no adsorption power. 吸着力が有る場合の往復測定と表面形状像との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a reciprocation measurement and surface shape image in case there exists adsorption power. 吸着力が無い場合のカンチレバの撓み方とＺスキャナ移動方向の変化を示す図。The figure which shows the change of the bending method of a cantilever and Z scanner moving direction when there is no adsorption power. 吸着力が有る場合のカンチレバの撓み方とＺスキャナ移動方向の変化を示す図。The figure which shows the change of the bending method of a cantilever and a Z scanner moving direction in case there exists adsorption | suction power. 本発明の動作原理を説明するための図。The figure for demonstrating the principle of operation of this invention. コンタクトモードで測定を行なう従来のＡＦＭの概略構成例と信号の流れを示す図である。It is a figure which shows the example of schematic structure of the conventional AFM which performs a measurement in contact mode, and the flow of a signal.

符号の説明Explanation of symbols

（同一または類似の動作を行なうものには共通の符号を付す。）
Ｓ…試料
１…カンチレバ
２…プローブ
３…試料ステージ
４…レーザ光源（ＬＤ）
５…光検出器（ＰＤ）
６…Ｚスキャナ
７…ＸＹスキャナ
８…モータ
９…前置増幅器
１０…誤差増幅器
１１…基準信号発生器
１２…フィードバック回路
１３…Ａ／Ｄ変換器
１４…コンピュータ（ＰＣ）
１５…Ｚアンプ
１６…ＸＹアンプ
１７…走査信号発振器
１７ａ…信号ライン
１８…変調信号発振器
１９…スイッチ
１９ａ…信号ライン
２０…加算器
２１…計測制御手段 (Common reference numerals are used for the same or similar operations.)
S ... Sample 1 ... Cantilever 2 ... Probe 3 ... Sample stage 4 ... Laser light source (LD)
5 ... Photodetector (PD)
6 ... Z scanner 7 ... XY scanner 8 ... Motor 9 ... Preamplifier 10 ... Error amplifier 11 ... Reference signal generator 12 ... Feedback circuit 13 ... A / D converter 14 ... Computer (PC)
15 ... Z amplifier 16 ... XY amplifier 17 ... scanning signal oscillator 17a ... signal line 18 ... modulation signal oscillator 19 ... switch 19a ... signal line 20 ... adder 21 ... measurement control means

Claims (2)

カンチレバ先端に取り付けられたプローブを試料表面に接触させて試料の表面形状測定を行なう原子間力顕微鏡において、
プローブと試料の間の距離を制御するＺ軸制御手段と、
該試料と前記プローブとの間に働く原子間力が一定になるように前記Ｚ軸制御手段にフィードバックをかけながら前記試料と前記プローブとを相対移動させるＸＹ走査手段と、
前記Ｚ軸制御手段に前記原子間力が働く方向に振動させるための変調信号を与えるＺ軸変調手段と、
前記Ｚ軸制御手段に対してＺ軸変調を行なう動作を制御する計測制御手段とを備え、
前記計測制御手段は、前記ＸＹ走査手段によって走査される領域について、前記プローブが予め設定された試料の表面形状測定を行なう計測領域に位置するか該計測領域の外側の非計測領域に位置するかを判別し、
判別結果に基づいて、前記プローブが前記計測領域を走査しているときは前記Ｚ軸変調手段を動作させずに試料の表面形状測定を行ない、前記プローブが前記非計測領域を走査しているときは前記Ｚ軸制御手段に前記変調信号を与えるように、前記Ｚ軸変調手段の動作を制御することを特徴とする原子間力顕微鏡。 In an atomic force microscope that measures the surface shape of a sample by bringing the probe attached to the tip of the cantilever into contact with the sample surface,
Z-axis control means for controlling the distance between the probe and the sample;
XY scanning means for relatively moving the sample and the probe while applying feedback to the Z-axis control means so that the atomic force acting between the sample and the probe is constant;
Z-axis modulation means for providing a modulation signal for causing the Z-axis control means to vibrate in the direction in which the atomic force acts;
Measurement control means for controlling the operation of performing Z-axis modulation on the Z-axis control means,
Whether the measurement control unit is located in a measurement region where the surface shape of the sample is set in advance or in a non-measurement region outside the measurement region with respect to the region scanned by the XY scanning unit. Determine
Based on the determination result, when the probe is scanning the measurement area, the surface shape of the sample is measured without operating the Z-axis modulation means, and the probe is scanning the non-measurement area The atomic force microscope controls the operation of the Z-axis modulation means so as to give the modulation signal to the Z-axis control means. 前記試料が大気中に置かれていることを特徴とする請求項１に記載の原子間力顕微鏡。 The atomic force microscope according to claim 1, wherein the sample is placed in the atmosphere.

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