JP3588701B2

JP3588701B2 - Scanning probe microscope and its measuring method

Info

Publication number: JP3588701B2
Application number: JP07981595A
Authority: JP
Inventors: 浩史黒田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: JPH08248040A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法に関し、特に、高速な走査を行い測定時間を短縮する走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ（探針）顕微鏡は原子オーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などがある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディスクなどの表面形状の測定に利用されている。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡の測定方法の一例として特開平１−１６９３０４号公報に示される方法がある。この文献に示される測定方法は、ＳＴＭの測定方法であり、測定時における探針の走査移動において試料表面との衝突を避けると共に高速な移動を可能にするものである。その測定方法の具体的な内容は、試料表面に沿って移動するときには、試料表面から十分に離れた距離で移動し、測定すべき位置に到達したときに試料表面にトンネル電流が流れる程度の距離まで接近移動し、所定のトンネル電流を流れるのを測定した後試料表面から離れて上記距離まで移動し、その後、同様に測定箇所間の走査移動と測定箇所での測定移動とを繰り返す。このように測定を行う箇所以外は、試料表面から離れて衝突を心配することなく高速で移動できるので、走査時間を短縮し、大きな面積の試料面を測定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
試料の表面において大きな範囲を走査型プローブ顕微鏡で測定する場合、測定に要する時間を短くすることが望まれる。この要望を満たすために、前述した特開平１−１６９３０４号公報に示される走査型トンネル顕微鏡の測定方法を利用することができる。しかし、この測定方法によれば、試料表面に接近したり試料表面から離れたりする移動を各測定箇所で多く行わなければならないため、走査速度をそれ程高めることができず、測定時間の短縮について或る程度の制限を受けるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題に鑑み、試料表面における例えば数百ミクロンの大きな範囲を測定する場合、高速に走査して短時間で測定できる走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、この探針を試料表面に沿って走査移動させて試料表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡であり、探針を走査移動させる際に探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに離散的に設定されたデータ取得点では探針に大きな振幅の振動を与える加振手段と、探針を試料に接近・退避させる移動手段と、探針の位置変化を検出する位置検出手段と、位置検出手段の検出信号を入力し、各データ取得点では大きな振幅で加振された探針の振幅が小さい振幅と大きな振幅の間の所定の一定値となるように移動手段を制御し、データ取得点の間の走査移動時には特別な退避動作を行わずに、探針の振幅が小さい振幅の時には直前の移動手段の駆動信号を保持すると共に探針の振幅が小さい振幅以下になった時には探針の振幅が前記小さい振幅になるように移動手段を制御する制御手段と、制御手段の制御信号に基づき試料の表面形状に関する情報を求める処理手段とによって構成される。
【０００７】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定方法は、カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、探針を試料表面に沿って走査移動させて試料表面の形状に関する情報を得る方法であり、探針を走査移動させる際に探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに離散的に設定されたデータ取得点では探針に大きな振幅の振動を与え、各データ取得点では大きな振幅で加振された探針の振幅が小さい振幅と大きな振幅の間の所定の一定値となるようにして探針を試料に接近させ、データ取得点の間の走査移動時には特別な退避動作を行わずに、探針の振幅が小さい振幅の時にはその状態を保持すると共に探針の振幅が小さい振幅以下になった時には探針の振幅が小さい振幅になるように制御し、試料の表面形状に関する情報を求めるようにした方法である。
【０００８】
上記の測定方法では、各測定予定箇所で大きな振幅の振動が前記探針に対して与えられる。
【０００９】
【作用】
本発明では、走査移動の間一定の小さい振幅の振動が定常的に与えられる探針対してデータ取得点ごとに断続的に大きな振幅を有する振動を与えてその振幅を変化させ、かつ大きな振幅で振動する探針を試料表面に接近させて当該振動の振幅を所望の状態に制御することにより試料表面の凹凸形状の測定を可能にする。探針に与えた大きな振幅の振動とカンチレバーの試料方向への移動を組み合わせることによって各測定箇所で試料表面の高さに関する情報を得ることができるので、カンチレバーの全体を単に試料に対して接近・退避させる測定方法に比較して走査速度を高めることができる。従って、走査移動に要する時間を短縮でき、大きな測定範囲を高速に測定できる。
【００１０】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成を示す。測定対象である試料１１は、ＸＹＺスキャナ１２の上に配置される。ＸＹＺスキャナ１２は、Ｘ軸方向への変位を生じる圧電素子、Ｙ軸方向への変位を生じる圧電素子、Ｚ軸方向への変位を生じる圧電素子を備え、制御装置から各圧電素子に対して駆動信号を与えられることによって、試料１１を任意の方向に微小に移動させる。ＸＹＺスキャナ１２はＺ軸粗動機構２６を介してフレーム１３の下部に固定される。Ｚ軸粗動機構２６は圧電素子を内蔵し、Ｚ軸方向の比較的に大きな距離で移動させるための機構である。他方、フレーム１３の上部には加振器１４を介してカンチレバー１５が配置される。加振器１４は圧電素子を用いて構成される。カンチレバー１５の先端には探針１６が設けられる。探針１６の先端は試料１１の表面に臨む。ＸＹＺスキャナ１２で試料１１の位置をＸ軸、Ｙ軸の各方向に移動させることによって、相対的に試料１１の表面上で探針１６を走査移動させることができる。またカンチレバー１５は加振器１４によって加振され、その結果探針１６が振動する。カンチレバー１５の上方にはレーザ光源１７と光検出器１８が配置される。レーザ光源１７から出射されたレーザ光１９は、カンチレバー１５の背面に設けられた反射面に照射され、そこで反射して光検出器１８に入射するように設定される。カンチレバー１５の先部が図中高さ方向すなわちＺ軸方向に移動すると、光検出器１８におけるレーザ光１９の入射位置が変化する。光検出器１８におけるレーザ光１９の入射位置を検出することによって、探針１６のＺ軸方向の位置変位を検出することができる。レーザ光源１７と光検出器１８によって探針１６の位置を検出するための位置検出装置が構成される。
【００１２】
上記の機構的部分に対して制御・演算処理部分が設けられる。２０は制御・演算処理装置、２１は表示装置である。制御・演算処理装置２０は、ＸＹＺスキャナ１２に含まれるＸ軸方向圧電素子とＹ軸方向圧電素子に対して駆動制御信号を与え、この駆動制御信号はＸＹ駆動回路２２を経由して駆動信号Ｖｘ，Ｖｙとして供給される。また制御・演算処理装置２０は、Ｚ軸粗動機構２６のＺ軸方向圧電素子に対して駆動制御信号を直接的に駆動信号Ｖｚ２として供給する。制御・演算処理装置２０の制御に基づき生成される駆動信号Ｖｘ，Ｖｙによって試料１１の表面における測定範囲が設定され、当該測定範囲の探針１６による走査が可能となる。また制御・演算処理装置２０の制御に基づき生成される駆動信号Ｖｚ２によって探針１６と試料１１の表面との距離が調整される。
【００１３】
また制御・演算処理装置２０は加振用制御信号を出力し、この加振用制御信号はカンチレバー加振回路２４で加振用駆動信号（以下加振信号という）Ｖｏｕｔに変換され、加振信号Ｖｏｕｔは加振器１４に与えられる。加振信号Ｖｏｕｔを与えられた加振器１４は、加振信号Ｖｏｕｔに基づいて後述するような特性を有する振動をカンチレバー１５に与える。上記加振信号Ｖｏｕｔの波形の例を、図２の（Ａ）に示す。
【００１４】
一方、加振信号Ｖｏｕｔに基づいて加振器１４によってカンチレバー１５が振動し、その結果探針１６が振動すると、前述の光検出器１８から位置検出信号Ｖｉｎが出力される。位置検出信号Ｖｉｎは探針１６が試料表面から原子間力の影響を受けないとき、図２の（Ｂ）に示すような波形で生じる。この位置検出信号Ｖｉｎは振幅検出回路２５に入力される。振幅検出回路２５では位置検出信号Ｖｉｎの振幅が検出される。振幅検出回路２５で検出された振幅に関する信号はサーボ回路２７に入力される。サーボ回路２７は、振幅検出回路２５で検出される振幅に関する信号が予め設定された値に保持されるようにＺ駆動回路２３に対して制御信号を供給する。Ｚ駆動回路２３から出力される駆動信号Ｖｚ１はＸＹＺスキャナ１２に内蔵されるＺ軸方向圧電素子に供給され、振幅検出回路２５で検出される振幅に関する信号が予め設定された値に保持される。またサーボ回路２７から出力される制御信号は制御・演算処理装置２０にも供給される。当該制御信号は、制御・演算処理装置２０において試料１１の表面の高さに関する情報として扱われる。なお当該制御信号の代わりに駆動信号Ｖｚ１を用いてもよい。
【００１５】
以上の構成を有するＡＦＭの測定動作を、上記の図１と図２〜図４を参照して説明する。
【００１６】
このＡＦＭの測定によれば、駆動信号Ｖｘ，ＶｙによってＸＹＺスキャナ１２を作動させることにより試料１１の表面において設定された測定範囲で探針１６による走査を行う時、上記の加振信号Ｖｏｕｔを加振器１４に与えてカンチレバー１５を加振する。カンチレバー加振回路２４から出力される加振信号Ｖｏｕｔの波形を図２の（Ａ）と図３に示す。加振信号Ｖｏｕｔは、カンチレバー１５の共振周波数またはその近傍の周波数を有する交流信号であり、一定の小さい振幅Ｖｏｍｉｎを有する振動が定常的に与えれる状態において、一定の時間間隔Ｔ２で断続的に期間Ｔ１の間振幅Ｖｏｍｉｎよりも大きな振幅Ｖｏｍａｘを有する振動で加振されて生じる交流信号である。図２の（Ａ）や図３に示される加振信号が加振器１４からカンチレバー１５に与えられると、探針１６は加振信号と同じ振幅特性で振動することになる。
【００１７】
図２の（Ａ）に示す加振信号Ｖｏｕｔで探針１６が振動したとすると、探針１６が、試料１１の表面から、原子間力という物理的作用の影響を当該表面から受けない十分な距離で離れているときには、図２の（Ｂ）に示す検出信号Ｖｉｎが光検出器１８から得られる。この検出信号Ｖｉｎは、基本的に加振信号Ｖｏｕｔと同じ波形を有する交流信号であり、小さい振幅の振動部分（振幅Ｖｉｍｉｎ）と大きな振幅部分（振幅Ｖｉｍａｘ）を含んでいる。加振信号Ｖｏｕｔで探針１６が振動した場合に、大きな振幅の振動を与え、探針１６を試料表面に対して所定距離になるように接近させ、試料表面から原子間力の影響を受けるときには、図２の（Ｃ）に示すように、大きな振幅の振動部分の振幅が減少する状態になる。このときの大きな振幅の値はＶｉｓｅｔとなっており、また振幅値ＶｉｓｅｔがＶｉｍｉｎ＜Ｖｉｓｅｔ＜Ｖｉｍａｘの条件を満たすように探針１６を試料表面に接近させる。試料表面の測定を行うときには、このように小さい振幅の振動状態にあるカンチレバー１５を測定予定箇所（データ取得点）で大きな振幅で加振し、そのたびに大きな振幅が上記の値Ｖｉｓｅｔとなるようにサーボ回路２７によってＺ軸方向の位置を調整し、探針１６と試料１１の間の距離を測定に適した距離にする。これによって、サーボ回路２７から出力される制御信号（駆動信号Ｖｚ１であってもよい）を用いて試料表面の凹凸形状に関する情報を得ることができる。
【００１８】
図３は、Ｘ軸方向の一部の探針走査区間と、この区間における加振信号Ｖｏｕｔの発生状態、および駆動信号Ｖｘ，Ｖｚ１の発生状態とを示す。図３において横軸は時間軸ｔを示し、縦軸は電圧軸を示す。なお縦軸の電圧では加振信号Ｖｏｕｔ、駆動信号Ｖｘ，Ｖｚ１の間の大小関係を示すものではなく、図３は単に各信号の時間経過に伴う変化状態を示すものである。
【００１９】
ＸＹＺスキャナ１２内のＸ軸方向の圧電素子に印加される駆動信号（電圧信号）Ｖｘの電圧値は次第に大きくなる。従って、相対的な位置変化によって探針１６は試料表面上でＸ軸方向に変位し、走査移動を行う。そのような走査移動中に、カンチレバー１５は加振信号Ｖｏｕｔによって加振される。すなわち、カンチレバー１５（探針１６）は、加振器１４によって定常的に小さい振幅の振動を与えられ、その上に測定箇所ごとに大きな振幅の振動を与えられる。ＡＦＭが測定状態にあるときには、サーボ回路２７は、前述のごとく探針１６と試料１１の表面との距離が振幅の大きい振動の加振時に振幅検出回路２５の出力信号がＶｉｓｅｔとなるようにサーボ制御を行うよう設定されている。その結果、サーボ回路２７は制御信号をＺ駆動回路２３に出力し、当該制御信号に対応する駆動信号Ｖｚ１をＸＹＺスキャナ１２内のＺ軸方向の圧電素子に与える。試料表面を走査する間に得られるサーボ回路２７から出力される制御信号（これに対応する駆動信号Ｖｚ１）によって試料１１の表面の凹凸形状に関する高さ情報を得ることができる。
【００２０】
大きな振幅の振動は時間間隔Ｔ２で繰り返し与えられる。大きな振幅の振動期間が終了すると、探針１６の振幅は小さい値Ｖｏｍｉｎになり、またサーボ回路２７によるサーボ目標値はＶｉｍｉｎに設定される。走査移動中にサーボ回路２７の入力がサーボ目標値Ｖｉｍｉｎを満たしている限り、出力される制御信号すなわち駆動信号Ｖｚ１は一定値に保持され、次の測定箇所すなわちデータ取得点に移動する。仮に走査移動中に探針１６が試料１１に接近し過ぎ衝突のおそれがあるときには、サーボ回路２７のサーボ制御の働きによって試料１１は探針１６から退避するように動作が行われる。
【００２１】
図４は探針１６の走査移動の一例を示し、走査移動３１におけるサーボ制御が効いた非測定状態で移動を行うための移動区間３２と、測定箇所すなわちデータ取得点３３を示す。図４に示されるように、誇張して示されたカンチレバー１５の中心位置（振動の中心、例えば基端の位置）は試料１１の表面の凹凸形状に応じてそのＺ軸方向の高さ位置を変化し、離散的に設定されたデータ取得点３３で前述の測定動作を行う。こうして飛び越し走査が行われる。この走査方法では、或るデータ取得点から次のデータ取得点に移動するまでの間、探針と試料との最接近距離は、図２の（Ｃ）の（Ｖｉｓｅｔ−Ｖｉｍｉｎ）に相当する距離だけ離れており、あえてＺ軸方向の移動機構を用いて試料を退避する必要がないので、高速に移動を行うことができる。またこの移動の間、サーボ回路２７のサーボ制御は働いているので、位置検出装置の出力信号すなわち光検出器１８の出力がＶｉｍｉｎになるような場合には、試料１１を探針１６から退避させるので、カンチレバーや探針および試料が破損するのを防止できる。
【００２２】
前記実施例ではＡＦＭについて説明したが、上記の測定方法は走査型プローブ顕微鏡に一般的に適用することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡において走査移動時および測定時にカンチレバーや探針を所定の振動状態で加振すると共にサーボ制御の作動状態に保持するようにしたため、探針と試料の間を適切な距離に保って各データ取得点の間を移動することができ、かつＺ軸方向の移動を少なくできるため高速に走査移動を行うことができ、またサーボ制御は常に働いている状態にあるので、探針と試料の衝突を避けることができ、カンチレバーや探針、および試料の破損を防ぐことができる。このように、測定時の走査移動を高速化でき、測定時間を短縮化できると共に、広い測定範囲であっても短時間で測定を行うことができる。
【００２４】
また或る測定箇所から次の測定箇所に移動するときにカンチレバーを小さい振幅で振動させているため、衝突回避の動作を行う時に反応良く動作させることができ、かつ高速化に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図である。
【図２】カンチレバーに与えられる振動（加振信号）の波形、位置検出装置で得られる検出信号の波形、実際測定時に発生する検出信号の波形を示す波形図である。
【図３】加振信号とＸ軸方向駆動信号とＺ軸方向駆動信号の変化状態を示す図である。
【図４】走査時のカンチレバーの振動状態と移動区間とデータ取得点の関係を示す図である。
【符号の説明】
１１試料
１２ＸＹＺスキャナ
１３フレーム
１４加振器
１５カンチレバー
１６探針
１７レーザ光源
１８光検出器
１９レーザ光
２０制御・演算処理装置
２１表示装置
２２ＸＹ駆動回路
２３Ｚ駆動回路
２４カンチレバー加振回路
２５振幅検出回路
２６Ｚ軸粗動機構
２７サーボ回路[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a scanning probe microscope and a method for measuring the same, and more particularly to a scanning probe microscope that performs high-speed scanning to reduce a measurement time and a method for measuring the same.
[0002]
[Prior art]
Scanning probe microscopes have a measurement resolution on the order of atoms, and are used in various fields such as surface shape measurement. The scanning probe microscope includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), a magnetic force microscope (MFM), and the like according to the physical quantity of a detection target. Among them, the atomic force microscope is suitable for detecting the shape of the sample surface with high resolution, and is used for measuring the surface shape of a semiconductor, an optical disk, or the like.
[0003]
As an example of a measuring method of a scanning probe microscope, there is a method disclosed in JP-A-1-169304. The measurement method disclosed in this document is an STM measurement method, which avoids collision with the sample surface during scanning movement of the probe at the time of measurement and enables high-speed movement. The specific content of the measurement method is that when moving along the sample surface, it moves at a distance sufficiently away from the sample surface, and when it reaches the position to be measured, the distance that the tunnel current flows on the sample surface After measuring the flow of a predetermined tunnel current, it moves away from the sample surface to the above-mentioned distance, and thereafter, the scanning movement between the measurement points and the measurement movement at the measurement points are similarly repeated. Since the portion other than the portion where the measurement is performed can be moved away from the sample surface at high speed without worrying about collision, the scanning time can be reduced and the sample surface having a large area can be measured.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When measuring a large area on the surface of a sample with a scanning probe microscope, it is desired to reduce the time required for the measurement. In order to satisfy this demand, the measuring method of a scanning tunneling microscope described in JP-A-1-169304 described above can be used. However, according to this measurement method, since a large number of movements approaching or leaving the sample surface must be performed at each measurement point, the scanning speed cannot be increased so much, and a reduction in measurement time is required. There was a problem of being restricted to a certain extent.
[0005]
In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope capable of scanning at high speed and measuring in a short time when measuring a large range of, for example, several hundred microns on a sample surface, and to provide a measuring method thereof. is there.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a scanning probe microscope according to the present invention moves a probe provided at the tip of a cantilever close to the surface of the sample, and scans and moves the probe along the surface of the sample. This is a scanning probe microscope that obtains information on the shape of the probe.It constantly gives a small amplitude vibration to the probe when scanning and moving the probe, and furthermore , applies a large amplitude to the probe at discretely set data acquisition points. and given El vibration means the vibration, type moving means for approach and retract the probe to the sample, a position detecting means for detecting a positional change of the probe, a detection signal of the position detecting means, each data acquisition point in controlling the moving means to a predetermined constant value between the amplitude of vibration have been probe with a large amplitude is small amplitude and large amplitude, a special evacuation operation during scanning movement between the data acquisition points Without doing so, the tip amplitude And control means for controlling the moving means so that the amplitude of the probe is the small amplitude when the amplitude of the probe becomes smaller amplitude below with when the Sai amplitude holding a driving signal of the movement means just before, the control means And processing means for obtaining information on the surface shape of the sample based on the control signal.
[0007]
The measuring method of the scanning probe microscope according to the present invention, the probe provided at the tip of the cantilever is brought close to the surface of the sample, and the probe is moved along the surface of the sample to scan the information on the shape of the sample surface. may be a method, giving vibration of low amplitude to the probe constantly during which scanning movement of the probe, e given a vibration of large amplitude to the probe in yet discretely set data acquisition points, each data At the acquisition point, the probe vibrated with a large amplitude is brought to a predetermined constant value between the small amplitude and the large amplitude, and the probe is brought close to the sample. When the probe amplitude is small, the state is maintained without performing a retreat operation, and when the probe amplitude falls below the small amplitude, control is performed so that the probe amplitude becomes small. Information on surface shape It is a method to determine.
[0008]
In the above-described measurement method, a vibration having a large amplitude is given to the probe at each measurement scheduled position.
[0009]
[Action]
In the present invention, a vibration having a large amplitude is intermittently given to a probe to which a vibration having a constant small amplitude is constantly given during a scanning movement at each data acquisition point to change the amplitude, and the amplitude is changed at a large amplitude. By bringing the vibrating probe close to the sample surface and controlling the amplitude of the vibration to a desired state, it is possible to measure the uneven shape of the sample surface. By combining the large-amplitude vibration applied to the probe with the movement of the cantilever in the direction of the sample, information on the height of the sample surface can be obtained at each measurement point. The scanning speed can be increased as compared with the retreating measuring method. Therefore, the time required for the scanning movement can be reduced, and a large measurement range can be measured at high speed.
[0010]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0011]
FIG. 1 shows a configuration of an atomic force microscope (AFM) as an example of a scanning probe microscope according to the present invention. A sample 11 to be measured is placed on an XYZ scanner 12. The XYZ scanner 12 includes a piezoelectric element that generates displacement in the X-axis direction, a piezoelectric element that generates displacement in the Y-axis direction, and a piezoelectric element that generates displacement in the Z-axis direction. The control device drives each piezoelectric element. By receiving the signal, the sample 11 is slightly moved in an arbitrary direction. The XYZ scanner 12 is fixed to a lower portion of the frame 13 via a Z-axis coarse movement mechanism 26. The Z-axis coarse movement mechanism 26 has a built-in piezoelectric element and is a mechanism for moving a relatively large distance in the Z-axis direction. On the other hand, a cantilever 15 is disposed above the frame 13 via a vibrator 14. The vibrator 14 is configured using a piezoelectric element. A probe 16 is provided at the tip of the cantilever 15. The tip of the probe 16 faces the surface of the sample 11. By moving the position of the sample 11 in each of the X-axis and Y-axis directions by the XYZ scanner 12, the probe 16 can be relatively scanned and moved on the surface of the sample 11. The cantilever 15 is vibrated by the vibrator 14, and as a result, the probe 16 vibrates. Above the cantilever 15, a laser light source 17 and a photodetector 18 are arranged. The laser light 19 emitted from the laser light source 17 is applied to a reflecting surface provided on the back surface of the cantilever 15, and is set so as to be reflected there and incident on the photodetector 18. When the tip of the cantilever 15 moves in the height direction in the drawing, that is, in the Z-axis direction, the incident position of the laser beam 19 on the photodetector 18 changes. By detecting the incident position of the laser beam 19 on the photodetector 18, the displacement of the probe 16 in the Z-axis direction can be detected. The laser light source 17 and the photodetector 18 constitute a position detecting device for detecting the position of the probe 16.
[0012]
A control / arithmetic processing part is provided for the above mechanical part. Reference numeral 20 denotes a control / arithmetic processing device, and reference numeral 21 denotes a display device. The control / arithmetic processing device 20 supplies a drive control signal to the X-axis direction piezoelectric element and the Y-axis direction piezoelectric element included in the XYZ scanner 12, and the drive control signal is supplied to the drive signal Vx via the XY drive circuit 22. , Vy. Further, the control / arithmetic processing device 20 supplies a drive control signal directly to the Z-axis direction piezoelectric element of the Z-axis coarse movement mechanism 26 as a drive signal Vz2. The measurement range on the surface of the sample 11 is set by the drive signals Vx and Vy generated based on the control of the control / arithmetic processing device 20, and the probe 16 can scan the measurement range. Further, the distance between the probe 16 and the surface of the sample 11 is adjusted by the drive signal Vz2 generated based on the control of the control / arithmetic processing device 20.
[0013]
Further, the control / arithmetic processing unit 20 outputs a vibration control signal, and the vibration control signal is converted into a vibration drive signal (hereinafter referred to as a vibration signal) Vout by a cantilever vibration circuit 24, and the vibration signal is output. Vout is provided to the vibrator 14. The vibrator 14 to which the excitation signal Vout is given gives the cantilever 15 a vibration having characteristics as described later based on the excitation signal Vout. An example of the waveform of the excitation signal Vout is shown in FIG.
[0014]
On the other hand, when the cantilever 15 vibrates by the vibrator 14 based on the vibration signal Vout, and as a result, the probe 16 vibrates, the above-described photodetector 18 outputs the position detection signal Vin. When the probe 16 is not affected by the interatomic force from the sample surface, the position detection signal Vin has a waveform as shown in FIG. This position detection signal Vin is input to the amplitude detection circuit 25. The amplitude detection circuit 25 detects the amplitude of the position detection signal Vin. A signal related to the amplitude detected by the amplitude detection circuit 25 is input to the servo circuit 27. The servo circuit 27 supplies a control signal to the Z drive circuit 23 so that a signal related to the amplitude detected by the amplitude detection circuit 25 is held at a preset value. The drive signal Vz1 output from the Z drive circuit 23 is supplied to a Z-axis direction piezoelectric element incorporated in the XYZ scanner 12, and a signal related to the amplitude detected by the amplitude detection circuit 25 is held at a preset value. The control signal output from the servo circuit 27 is also supplied to the control / arithmetic processing device 20. The control signal is handled as information relating to the height of the surface of the sample 11 in the control / arithmetic processing device 20. Note that the drive signal Vz1 may be used instead of the control signal.
[0015]
The measurement operation of the AFM having the above configuration will be described with reference to FIG. 1 and FIGS.
[0016]
According to the AFM measurement, when the scanning is performed by the probe 16 in the measurement range set on the surface of the sample 11 by operating the XYZ scanner 12 by the drive signals Vx and Vy, the above-described excitation signal Vout is applied. The cantilever 15 is applied to the vibrator 14 to vibrate. The waveform of the excitation signal Vout output from the cantilever excitation circuit 24 is shown in FIG. 2A and FIG. The excitation signal Vout is an AC signal having a resonance frequency of the cantilever 15 or a frequency in the vicinity of the resonance frequency. In a state where vibration having a constant small amplitude Vomin is constantly applied, the excitation signal Vout is intermittently transmitted at a constant time interval T2. This is an AC signal generated by being excited by vibration having an amplitude Vomax greater than the amplitude Vomin during T1. When the excitation signal shown in FIG. 2A or FIG. 3 is given from the exciter 14 to the cantilever 15, the probe 16 vibrates with the same amplitude characteristics as the excitation signal.
[0017]
Assuming that the probe 16 vibrates with the excitation signal Vout shown in FIG. 2A, the probe 16 does not receive from the surface of the sample 11 a physical effect of an atomic force, which is sufficient to prevent the probe 16 from being affected by the physical action. When the distance is long, the detection signal Vin shown in FIG. 2B is obtained from the photodetector 18. The detection signal Vin is basically an AC signal having the same waveform as the excitation signal Vout, and includes a vibration portion having a small amplitude (amplitude Vimin) and a large amplitude portion (amplitude Vimax). When the probe 16 is vibrated by the excitation signal Vout, a large amplitude vibration is given, the probe 16 is brought close to the sample surface at a predetermined distance, and when the probe surface is affected by an atomic force from the sample surface. As shown in FIG. 2C, the amplitude of the vibrating portion having a large amplitude decreases. The value of the large amplitude at this time is Viset, and the probe 16 is made to approach the sample surface so that the amplitude value Vise satisfies the condition of Vimin <Viset <Vimax. When the measurement of the sample surface is performed, the cantilever 15 in the vibration state having such a small amplitude is vibrated with a large amplitude at a point to be measured (data acquisition point), and each time the large amplitude becomes the above value Vise. Then, the position in the Z-axis direction is adjusted by the servo circuit 27 to make the distance between the probe 16 and the sample 11 a distance suitable for measurement. As a result, it is possible to obtain information on the uneven shape of the sample surface using the control signal (may be the drive signal Vz1) output from the servo circuit 27.
[0018]
FIG. 3 shows a part of the probe scanning section in the X-axis direction, the generation state of the excitation signal Vout, and the generation state of the drive signals Vx and Vz1 in this section. 3, the horizontal axis indicates the time axis t, and the vertical axis indicates the voltage axis. Note that the voltage on the vertical axis does not indicate the magnitude relationship between the excitation signal Vout and the drive signals Vx and Vz1, and FIG. 3 merely shows the change state of each signal over time.
[0019]
The voltage value of the drive signal (voltage signal) Vx applied to the piezoelectric element in the X-axis direction in the XYZ scanner 12 gradually increases. Therefore, the probe 16 is displaced in the X-axis direction on the sample surface due to the relative position change, and performs scanning movement. During such a scanning movement, the cantilever 15 is vibrated by the vibration signal Vout. That is, the cantilever 15 (probe 16) is steadily given vibration of a small amplitude by the vibrator 14, and is provided with vibration of a large amplitude for each measurement point. When the AFM is in the measurement state, as described above, the servo circuit 27 sets the servo so that the output signal of the amplitude detection circuit 25 becomes Viset when a vibration having a large amplitude in the distance between the probe 16 and the surface of the sample 11 is applied. It is set to perform control. As a result, the servo circuit 27 outputs a control signal to the Z drive circuit 23, and supplies a drive signal Vz1 corresponding to the control signal to the piezoelectric element in the Z-axis direction in the XYZ scanner 12. A control signal (a corresponding drive signal Vz1) output from the servo circuit 27 obtained during the scanning of the sample surface can obtain height information on the unevenness of the surface of the sample 11.
[0020]
Vibrations of large amplitude are given repeatedly at time intervals T2. When the oscillation period of the large amplitude ends, the amplitude of the probe 16 becomes a small value Vomin, and the servo target value by the servo circuit 27 is set to Vimin. As long as the input of the servo circuit 27 satisfies the servo target value Vimin during the scanning movement, the output control signal, that is, the drive signal Vz1 is kept at a constant value, and moves to the next measurement point, that is, the data acquisition point. If the probe 16 is too close to the sample 11 during the scanning movement and there is a possibility of collision, the operation of the sample 11 is retracted from the probe 16 by the servo control of the servo circuit 27.
[0021]
FIG. 4 shows an example of the scanning movement of the probe 16, showing a movement section 32 for performing movement in a non-measurement state in which servo control is effective in the scanning movement 31, and a measurement point, that is, a data acquisition point 33. As shown in FIG. 4, the exaggerated center position of the cantilever 15 (the center of vibration, for example, the position of the base end) is the height position in the Z-axis direction according to the uneven shape of the surface of the sample 11. The above-described measurement operation is performed at the data acquisition points 33 that are changed and set discretely. Thus, the interlaced scanning is performed. In this scanning method, the closest approach distance between the probe and the sample until moving from a certain data acquisition point to the next data acquisition point is a distance corresponding to (Viset-Vimin) in FIG. , And there is no need to evacuate the sample using a Z-axis moving mechanism, so that the sample can be moved at high speed. Also, during this movement, the servo control of the servo circuit 27 is working, so that when the output signal of the position detecting device, that is, the output of the photodetector 18 becomes Vimin, the sample 11 is retracted from the probe 16. Therefore, it is possible to prevent the cantilever, the probe and the sample from being damaged.
[0022]
Although the AFM has been described in the above embodiment, the above-described measuring method can be generally applied to a scanning probe microscope.
[0023]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, in the scanning probe microscope, the cantilever and the probe are vibrated in a predetermined vibration state during the scanning movement and measurement, and the servo control operation state is maintained. In addition, it is possible to move between each data acquisition point while maintaining an appropriate distance between the probe and the sample, and to reduce the movement in the Z-axis direction so that high-speed scanning movement can be performed. Since is always in a working state, collision between the probe and the sample can be avoided, and damage to the cantilever, the probe, and the sample can be prevented. Thus, the scanning movement at the time of measurement can be speeded up, the measurement time can be shortened, and the measurement can be performed in a short time even in a wide measurement range.
[0024]
In addition, since the cantilever is vibrated with a small amplitude when moving from one measurement point to the next measurement point, the cantilever can be operated responsively when performing a collision avoidance operation, and is suitable for speeding up.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning probe microscope according to the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram showing a waveform of a vibration (excitation signal) applied to a cantilever, a waveform of a detection signal obtained by a position detecting device, and a waveform of a detection signal generated during actual measurement.
FIG. 3 is a diagram illustrating a change state of an excitation signal, an X-axis direction drive signal, and a Z-axis direction drive signal.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a vibration state of a cantilever, a movement section, and a data acquisition point during scanning.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 11 Sample 12 XYZ scanner 13 Frame 14 Vibrator 15 Cantilever 16 Probe 17 Laser light source 18 Photodetector 19 Laser light 20 Control / arithmetic processing device 21 Display device 22 XY drive circuit 23 Z drive circuit 24 Cantilever vibration circuit 25 Amplitude Detection circuit 26 Z-axis coarse movement mechanism 27 Servo circuit

Claims

カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、前記探針を前記試料表面に沿って走査移動させて前記試料表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、
探針を走査移動させる際に探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに離散的に設定されたデータ取得点では前記探針に大きな振幅の振動を与える加振手段と、
前記探針を前記試料に接近・退避させる移動手段と、
前記探針の位置変化を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段の検出信号を入力し、前記各データ取得点では前記大きな振幅で加振された前記探針の振幅が前記小さい振幅と前記大きな振幅の間の所定の一定値となるように前記移動手段を制御し、前記データ取得点の間の走査移動時には特別な退避動作を行わずに、前記探針の振幅が前記小さい振幅の時には直前の移動手段の駆動信号を保持すると共に前記探針の振幅が前記小さい振幅以下になった時には前記探針の振幅が前記小さい振幅になるように前記移動手段を制御する制御手段と、
前記制御手段の制御信号に基づき前記試料の表面形状に関する情報を求める処理手段と、
からなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。In a scanning probe microscope in which a probe provided at the tip of the cantilever is brought close to the surface of the sample, and the probe is moved by scanning along the surface of the sample to obtain information on the shape of the sample surface.
Applying vibration of a small amplitude to the probe when to scan moves the probe constantly, and more discretely set means vibrated El given vibration of a large amplitude to the probe in the data acquisition points,
Moving means for moving the probe close to and away from the sample,
Position detection means for detecting a change in the position of the probe,
It receives a detection signal of said position detecting means, so that the in each data acquisition point becomes a predetermined constant value between the said major amplitude vibration to the probe amplitude said lower amplitude large amplitude The moving means is controlled so that a special retreat operation is not performed during the scanning movement between the data acquisition points, and when the amplitude of the probe is the small amplitude, the drive signal of the immediately preceding moving means is held and the search is performed. Control means for controlling the moving means so that the amplitude of the probe becomes the small amplitude when the amplitude of the needle is equal to or less than the small amplitude ;
Processing means for obtaining information on the surface shape of the sample based on a control signal of the control means,
A scanning probe microscope characterized by comprising:

カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、前記探針を前記試料表面に沿って走査移動させて前記試料表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡の測定方法であり、
探針を走査移動させる際に探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに離散的に設定されたデータ取得点では前記探針に大きな振幅の振動を与え、
前記各データ取得点では前記大きな振幅で加振された前記探針の振幅が前記小さい振幅と前記大きな振幅の間の所定の一定値となるようにして前記探針を前記試料に接近させ、前記データ取得点の間の走査移動時には特別な退避動作を行わずに、前記探針の振幅が前記小さい振幅の時にはその状態を保持すると共に前記探針の振幅が前記小さい振幅以下になった時には前記探針の振幅が前記小さい振幅になるように制御し、
前記試料の表面形状に関する情報を求める、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。A scanning probe microscope measuring method in which a probe provided at a tip of a cantilever is brought close to the surface of a sample, and the probe is scanned and moved along the surface of the sample to obtain information on the shape of the surface of the sample. ,
Applying vibration of a small amplitude to the probe constantly the probe when to scanning movement, example given a vibration of large amplitude to the probe in yet discretely set data acquisition points,
At each of the data acquisition points, the probe approached to the sample so that the amplitude of the probe vibrated at the large amplitude becomes a predetermined constant value between the small amplitude and the large amplitude, No special retreat operation is performed during the scanning movement between the data acquisition points, and the state is maintained when the amplitude of the probe is the small amplitude, and when the amplitude of the probe is smaller than the small amplitude, Controlling the amplitude of the probe to be the small amplitude,
Finding information on the surface shape of the sample ,
A method for measuring with a scanning probe microscope, characterized in that: