JPH06273158A - Interatomic force microscope - Google Patents
Interatomic force microscopeInfo
- Publication number
- JPH06273158A JPH06273158A JP6403293A JP6403293A JPH06273158A JP H06273158 A JPH06273158 A JP H06273158A JP 6403293 A JP6403293 A JP 6403293A JP 6403293 A JP6403293 A JP 6403293A JP H06273158 A JPH06273158 A JP H06273158A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sample
- probe
- shape
- scale
- cantilever
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、試料の表面形状を測定
する原子間力顕微鏡に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atomic force microscope for measuring the surface shape of a sample.
【０００２】[0002]
【従来の技術】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）はＳＴＭの発
明者であるＧ．Ｂｉｎｎｉｇらによって考案（Ｐｈｙｓ
ｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．５
６ ｐ９３０ １９８６）されて以来、新規な絶縁性物
質の表面形状観察手段として期待され、研究が進められ
ている。このＡＦＭでは、探針は柔軟なカンチレバーに
よって支持されている。探針が試料表面に近付くと、探
針先端の原子と試料表面の原子との間には、ファンデル
・ワールス（Ｖａｎ ｄｅｒ ｗａａｌｓ）相互作用に
よる引力が働き、さらに原子の結合距離程度まで近付け
ると、パウリ（Ｐａｕｌｉ）の排他律による斥力が働
く。2. Description of the Related Art Atomic Force Microscopes (AFMs) are G.M. Devised by Binnig et al. (Phys
ical Review Letters vol. 5
6 p930 1986), it has been expected as a new means for observing the surface shape of insulating materials, and research has been advanced. In this AFM, the probe is supported by a flexible cantilever. When the probe approaches the sample surface, an attractive force due to Van der Waals interaction acts between the atom at the tip of the probe and the atom on the sample surface, and when the atom further approaches the bond distance. , Pauli's exclusion law works.
【０００３】これらの引力および斥力（原子間力）は１
０-9〜１０-12 ［Ｎ］と非常に小さい。また、原子間力
は試料表面に対し法線方向に働くため、図３に示すよう
に、試料表面の平坦部では原子間力はＺ方向に働き、傾
斜部では、見かけ上Ｚ方向とＸ方向（走査方向）の２方
向に働く。カンチレバーに支持された探針が試料表面に
近付くと、原子間力のＺ成分の作用によりカンチレバー
は縦変位し、Ｘ成分の作用により捻れ変位する。These attractive force and repulsive force (atomic force) are 1
0 -9 to 10 -12 Very small [N]. Further, since the atomic force acts in the direction normal to the sample surface, as shown in FIG. 3, the atomic force acts in the Z direction at the flat portion of the sample surface, and apparently in the Z direction and the X direction at the inclined portion. It works in two directions (scanning direction). When the probe supported by the cantilever approaches the sample surface, the cantilever is vertically displaced by the action of the Z component of the atomic force, and is twisted by the action of the X component.
【０００４】また、カンチレバーの変位量は原子間力の
大きさ（探針と試料表面の距離）に応じて変化する。Ａ
ＦＭは、この原子間力を利用して試料表面形状を調べ
る。その概要を述べると、探針を試料表面に沿って走査
させカンチレバーの変位量を検出する。そして、カンチ
レバー、又は試料を駆動する圧電体等の微動素子をフィ
ードバック制御してカンチレバーの変位量を一定に保
つ。このときの圧電体への印加電圧は表面形状に依存し
ているので、印加電圧情報より試料表面の凹凸像が得ら
れる。Further, the amount of displacement of the cantilever changes according to the magnitude of the atomic force (distance between the probe and the sample surface). A
The FM uses this interatomic force to examine the surface shape of the sample. In summary, the probe is scanned along the surface of the sample to detect the amount of displacement of the cantilever. Then, the cantilever or a fine movement element such as a piezoelectric body that drives the sample is feedback-controlled to keep the displacement amount of the cantilever constant. Since the voltage applied to the piezoelectric body at this time depends on the surface shape, an uneven image of the sample surface can be obtained from the applied voltage information.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うなＡＦＭは、試料表面形状を圧電体への印加電圧によ
り生成しているため圧電体のヒステリシスの影響を受
け、試料表面形状を正確に得られないという問題点があ
った。By the way, in the above-described AFM, since the sample surface shape is generated by the voltage applied to the piezoelectric body, it is affected by the hysteresis of the piezoelectric body, and the sample surface shape can be accurately obtained. There was a problem that I could not do it.
【０００６】本発明の原子間力顕微鏡はこのような課題
に着目してなされたものであり、その目的とするところ
は、探針に作用する原子間力のＺ成分、およびＸ成分の
大きさを検出し、それらの値に基づき試料表面形状を生
成することで測定精度の向上を図ることが可能な原子間
力顕微鏡を提供することにある。The atomic force microscope of the present invention has been made in view of such a problem, and its purpose is to determine the magnitudes of the Z component and the X component of the atomic force acting on the probe. To provide an atomic force microscope capable of improving the measurement accuracy by detecting and detecting the surface shape of the sample based on these values.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の原子間力顕微鏡は、試料表面を走査する
探針と、この探針を支持するとともに探針に作用する力
を受けて変位する探針支持部材と、試料を任意の少なく
とも２次元方向に駆動する駆動手段と、試料の表面に垂
直なＺ方向に沿った探針の変位を検出する第１の変位検
出手段と、探針の試料移動方向の変位を検出する第２の
変位検出手段と、第１及び第２の変位検出手段の出力に
基づき試料表面形状を算出する形状算出手段と、第１の
変位検出手段の出力に基づき試料表面形状のＺ方向のス
ケールを算出するスケール算出手段と、上記形状算出手
段、及び上記スケール算出手段の出力に基づき試料表面
測定像を生成し、表示するための測定像表示手段とを具
備する。In order to achieve the above object, the atomic force microscope of the present invention provides a probe for scanning a sample surface and a force for supporting the probe and acting on the probe. A probe supporting member that receives and displaces, a driving unit that drives the sample in at least an arbitrary two-dimensional direction, and a first displacement detecting unit that detects displacement of the probe along the Z direction perpendicular to the surface of the sample. Second displacement detecting means for detecting the displacement of the probe in the sample movement direction, shape calculating means for calculating the sample surface shape based on the outputs of the first and second displacement detecting means, and the first displacement detecting means. Scale calculating means for calculating the Z-direction scale of the sample surface shape based on the output of the above, the shape calculating means, and the measurement image display means for generating and displaying the sample surface measurement image based on the output of the scale calculating means. And.
【０００８】[0008]
【作用】すなわち、本発明の原子間力顕微鏡において
は、試料の表面に垂直なＺ方向に沿った探針の変位を検
出して第１の検出結果を得るとともに、探針の試料移動
方向の変位を検出して第２の検出結果を得る。そして、
第１及び第２の検出結果に基づいて試料表面形状を算出
するとともに、第１の検出結果の出力に基づき試料表面
形状のＺ方向のスケールを算出し、さらに、算出された
試料表面形状とＺ方向のスケールに基づき試料表面測定
像を生成して表示する。In the atomic force microscope of the present invention, the displacement of the probe along the Z direction perpendicular to the surface of the sample is detected to obtain the first detection result, and The second detection result is obtained by detecting the displacement. And
The sample surface shape is calculated based on the first and second detection results, the Z-direction scale of the sample surface shape is calculated based on the output of the first detection result, and the calculated sample surface shape and Z A sample surface measurement image is generated and displayed based on the directional scale.
【０００９】このように構成することで、探針に作用す
る原子間力のＺ成分、及びＸ成分の大きさを検出する。
そして、それらの値に所定の演算を行うことにより試料
表面形状を生成する。その結果、試料表面の精密測定が
可能となる。With this configuration, the magnitudes of the Z component and the X component of the atomic force acting on the probe are detected.
Then, the sample surface shape is generated by performing a predetermined calculation on these values. As a result, precise measurement of the sample surface becomes possible.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１１】図１は本発明に係る原子間力顕微鏡の第１
実施例を示す構成図である。同図において、１０は基台
で、この基台１０は徐振装置（図示せず）によって外部
振動を受けない構造とされる。１３は基台１０上に配置
された圧電体で、この圧電体１３は駆動回路２６により
Ｘ，Ｙ，Ｚ方向にそれぞれ独立に移動制御されるように
構成され、上面にサンプル１４が設置されている。１１
は一端を基台１０に片持支持されて配置され、他端に探
針１２が設けられたカンチレバー１１で、このカンチレ
バー１１は、原子間力等の微小な力に対して、大きな変
位を得るためにできるだけ軽量且つ弾性係数の大きい物
質を用いて薄板状に形成されている。FIG. 1 shows a first atomic force microscope according to the present invention.
It is a block diagram which shows an Example. In the figure, reference numeral 10 is a base, and the base 10 is structured so as not to be subjected to external vibration by a vibration damping device (not shown). Reference numeral 13 denotes a piezoelectric body placed on the base 10. The piezoelectric body 13 is configured to be independently controlled to move in the X, Y, and Z directions by a drive circuit 26, and a sample 14 is placed on the upper surface. There is. 11
Is a cantilever 11 whose one end is supported by a base 10 in a cantilevered manner and a probe 12 is provided at the other end. The cantilever 11 obtains a large displacement with respect to a minute force such as an atomic force. Therefore, it is formed in a thin plate shape using a material that is as light as possible and has a large elastic coefficient.
【００１２】カンチレバー１１の上方には半導体レーザ
ー１６が設置されており、半導体レーザー１６から出た
レーザー１８は不図示のレンズ等を経てカンチレバー１
１の先端部上面に導かれ、そこに当って反射し２分割デ
ィテクタ１９に入光する。２分割ディテクタ１９は、カ
ンチレバー１１の縦変位を検出するためのもので、２つ
の受光素子１９ａ及び１９ｂを備えており、レーザー１
８が２分割ディテクタ１９に入光すると、２つの受光素
子１９ａ，１９ｂから電流Ｉ3 ，Ｉ4 がそれぞれ出力さ
れる。A semiconductor laser 16 is installed above the cantilever 11, and a laser 18 emitted from the semiconductor laser 16 passes through a lens or the like (not shown) and the like.
The light is guided to the upper surface of the front end portion of No. 1, hits there, is reflected, and enters the two-divided detector 19. The two-divided detector 19 is for detecting the vertical displacement of the cantilever 11 and includes two light receiving elements 19a and 19b.
When 8 enters the two-divided detector 19, the two light receiving elements 19a and 19b output currents I 3 and I 4 , respectively.
【００１３】また、カンチレバー１１の上方には半導体
レーザー１５が設置されており、半導体レーザー１５か
ら出たレーザー１７は不図示のレンズ等を経てカンチレ
バー１１の先端部上面に導かれ、そこに当って反射し２
分割ディテクタ２０に入光する。A semiconductor laser 15 is installed above the cantilever 11, and a laser 17 emitted from the semiconductor laser 15 is guided to the upper surface of the tip of the cantilever 11 via a lens (not shown) and hits there. Reflected 2
Light enters the split detector 20.
【００１４】図４に示すように、２分割ディテクタ２０
は、カンチレバー１１の捻れ変位を検出するためのもの
で、２つの受光素子２０ａ及び２０ｂを備えており、レ
ーザー１７が２分割ディテクタ２０に入光すると、２つ
の受光素子２０ａ，２０ｂから電流Ｉ1 ，Ｉ2 がそれぞ
れ出力される。As shown in FIG. 4, a two-divided detector 20 is provided.
Is for detecting the torsional displacement of the cantilever 11, and is provided with two light receiving elements 20a and 20b. When the laser 17 enters the two-divided detector 20, the current I 1 is supplied from the two light receiving elements 20a and 20b. , I 2 are output.
【００１５】２１は、２分割ディテクタ１９の２つの受
光素子からの出力電流Ｉ3 ，Ｉ4 を電圧Ｖ3 ，Ｖ4 にそ
れぞれ変換し、それらを引算してカンチレバー１１の縦
変位信号（ΔＺ）として出力する差動回路である。Reference numeral 21 converts the output currents I 3 and I 4 from the two light receiving elements of the two-divided detector 19 into voltages V 3 and V 4 , respectively, and subtracts them to obtain a vertical displacement signal (ΔZ) of the cantilever 11. ) Is output as a differential circuit.
【００１６】２２は、２分割ディテクタ２０の２つの受
光素子からの出力電流Ｉ1 ，Ｉ2 を電圧Ｖ1 ，Ｖ2 にそ
れぞれ変換し、それらを引算してカンチレバー１１の捻
れ変位信号（Δθ）として出力する差動回路である。A reference numeral 22 converts output currents I 1 and I 2 from the two light receiving elements of the two-divided detector 20 into voltages V 1 and V 2 , respectively, and subtracts them to obtain a torsion displacement signal (Δθ) of the cantilever 11. ) Is output as a differential circuit.
【００１７】２３は、差動回路２１から出力された縦変
位信号（ΔＺ）、および差動回路２２から出力された捻
れ変位信号（Δθ）から、探針１２に作用した原子間力
のＺ成分の大きさ（Ｆｚ）、およびＸ成分の大きさ（Ｆ
ｘ）をそれぞれ算出する力算出回路である。Ｆｚ、およ
びＦｘは、 Ｆｚ＝Ｋｚ・ΔＺ Ｆｘ・Ｌ＝Ｋθ・ΔＸReference numeral 23 denotes a Z component of the atomic force acting on the probe 12 from the longitudinal displacement signal (ΔZ) output from the differential circuit 21 and the torsional displacement signal (Δθ) output from the differential circuit 22. (Fz) and the magnitude of the X component (Fz
x) is a force calculation circuit for calculating each. Fz and Fx are as follows: Fz = Kz · ΔZ Fx · L = Kθ · ΔX
【００１８】で求められる。なお、Ｋｚはカンチレバー
１１のばね定数、Ｋθはカンチレバー１１の捻ればね定
数、Ｌはカンチレバー１１の厚みを含む探針１２の長さ
である。Is calculated by Note that Kz is the spring constant of the cantilever 11, Kθ is the twisting constant of the cantilever 11, and L is the length of the probe 12 including the thickness of the cantilever 11.
【００１９】２４は、力算出回路２３の出力Ｆｚ、およ
びＦｘによりサンプル１４表面形状を算出する形状算出
回路である。ここではサンプル１４表面形状を次のよう
に算出している。サンプル１４表面形状をｆｓとする。
まず、ｆｓの測定点での微分値（傾き）を求めると、 ｄｆｓ／ｄｘ＝−Ｆｘ／Ｆｚ となる。次に、この式をｘで積分すると、Reference numeral 24 is a shape calculation circuit for calculating the surface shape of the sample 14 from the outputs Fz and Fx of the force calculation circuit 23. Here, the surface shape of the sample 14 is calculated as follows. The surface shape of sample 14 is fs.
First, when the differential value (slope) of fs at the measurement point is obtained, dfs / dx = −Fx / Fz is obtained. Then, integrating this equation with x,
【００２０】[0020]
【数１】 となりｆｓが求められる。[Equation 1] Then fs is required.
【００２１】２７は、差動回路２１から出力された信号
（ΔＺ）の測定間における最大値と最小値の差を求め、
それを基にサンプル１４表面形状のスケール（凹凸の大
きさ）を算出するスケール算出回路であり、ここで求め
られた結果は、サンプル１４表面形状を表示するときに
スケールとして使われる。尚、力算出回路２３、形状算
出回路２４及びスケール算出回路２７で行われる演算
は、例えばマイコン等で処理している。次に、上述した
ような原子間力顕微鏡の動作の流れについて説明する。Numeral 27 obtains the difference between the maximum value and the minimum value during the measurement of the signal (ΔZ) output from the differential circuit 21,
This is a scale calculation circuit that calculates the scale (size of the unevenness) of the surface shape of the sample 14 based on it, and the result obtained here is used as the scale when displaying the surface shape of the sample 14. The calculations performed by the force calculation circuit 23, the shape calculation circuit 24, and the scale calculation circuit 27 are processed by, for example, a microcomputer. Next, a flow of operation of the atomic force microscope as described above will be described.
【００２２】カンチレバー１１の探針１２がサンプル１
４から離間している初期状態において、半導体レーザー
１６から出たレーザー１８はカンチレバー１１の先端部
上面に当って反射し、２分割ディテクタ１９の中心部に
入光している。このとき２分割ディテクタ１９の２つの
受光素子１９ａ，１９ｂからの出力電流Ｉ3 ，Ｉ4 は等
しくなり、ΔＺ＝０すなわちＦｚ＝０となる。The probe 12 of the cantilever 11 is the sample 1
In the initial state in which the laser 18 is separated from the laser beam 4, the laser 18 emitted from the semiconductor laser 16 hits the upper surface of the tip of the cantilever 11 and is reflected, and enters the center of the two-divided detector 19. At this time, the output currents I 3 and I 4 from the two light receiving elements 19a and 19b of the two-divided detector 19 become equal, and ΔZ = 0, that is, Fz = 0.
【００２３】同様に、半導体レーザー１５から出たレー
ザー１７はカンチレバー１１の先端部上面に当って反射
し、２分割ディテクタ２０の中心部に入光している。こ
のとき２分割ディテクタ２０の２つの受光素子２０ａ，
２０ｂからの出力電流Ｉ1 ，Ｉ2 は等しくなり、Δθ＝
０すなわちＦｘ＝０となる。Similarly, the laser 17 emitted from the semiconductor laser 15 strikes the upper surface of the tip of the cantilever 11 and is reflected, and enters the center of the two-divided detector 20. At this time, the two light receiving elements 20a of the two-divided detector 20,
The output currents I 1 and I 2 from 20b become equal, and Δθ =
0, that is, Fx = 0.
【００２４】次に、駆動回路２６によりサンプル１４を
Ｚ方向に移動して、カンチレバー１１の探針１２に近付
ける。このとき探針１２とサンプル１４の間には原子間
力が働き、カンチレバー１１は軽量の薄板状に形成さ
れ、一端が基台１０に固定されているため、カンチレバ
ー１１の他端は原子間力の作用により縦変位及び捻れ変
位する（図２参照）。この状態において、レーザー１８
はカンチレバー１１の縦変位により２分割ディテクタ１
９の２つの受光面の境界線と直交する方向に移動し、Ｉ
3 とＩ4 は異なる値をとる。即ちＦｚは０以外の値をと
る。また、レーザー１７はカンチレバー１１の捻れ変位
により２分割ディテクタ２０の２つの受光面の境界線と
直交する方向に移動し、Ｉ1 とＩ2 は異なる値をとる。
即ちＦｘは０以外の値をとる。Next, the drive circuit 26 moves the sample 14 in the Z direction to bring it closer to the probe 12 of the cantilever 11. At this time, an atomic force acts between the probe 12 and the sample 14, and the cantilever 11 is formed in a lightweight thin plate shape, and one end thereof is fixed to the base 10. Therefore, the other end of the cantilever 11 has an atomic force. The vertical displacement and the twist displacement are caused by the action (see FIG. 2). In this state, the laser 18
Is a two-divided detector 1 due to the vertical displacement of the cantilever 11.
9 in the direction orthogonal to the boundary line between the two light-receiving surfaces of
3 and I 4 have different values. That is, Fz takes a value other than 0. Further, the laser 17 moves in a direction orthogonal to the boundary line between the two light receiving surfaces of the two-divided detector 20 due to the torsional displacement of the cantilever 11, and I 1 and I 2 have different values.
That is, Fx takes a value other than 0.
【００２５】次に、上述のようにカンチレバー１１とサ
ンプル１４が近付いた状態で駆動回路２６により圧電体
１３を駆動させ、サンプル１４を−Ｘ方向に移動させ
る。言い替えれば、探針１２をサンプル１４に対してＸ
方向に走査させる。このとき、探針１２はサンプル１４
の表面から原子間力を受けながら表面形状に沿って移動
するため、カンチレバー１１の縦変位量、及び捻れ変位
量はサンプル１４の表面形状に応じて変化する。Next, as described above, the piezoelectric body 13 is driven by the drive circuit 26 while the cantilever 11 and the sample 14 are close to each other, and the sample 14 is moved in the -X direction. In other words, place the probe 12 against the sample 14
Scan in the direction. At this time, the probe 12 is the sample 14
Since it moves along the surface shape while receiving an atomic force from the surface of, the vertical displacement amount and the twist displacement amount of the cantilever 11 change according to the surface shape of the sample 14.
【００２６】そして、カンチレバー１１の縦変位量、及
び捻れ変位量が変化すると、それとともに差動回路２１
から出力される縦変位信号ΔＺ、差動回路２２から出力
される捻れ変位信号Δθ、およびそれらの変位信号から
算出されるＦｚ，Ｆｘが変化し、形状算出回路２４にお
いてＦｚ，Ｆｘの変化に基づいてサンプル１４の表面形
状が生成される。図５は形状算出回路２４で求められた
サンプル１４表面形状の一例を示す。この表面形状には
定量的データ（スケール）はない。すなわち、形状算出
回路２４ではスケールは算出できない。When the vertical displacement amount and the torsion displacement amount of the cantilever 11 change, the differential circuit 21
The vertical displacement signal ΔZ output from the differential circuit 22, the torsional displacement signal Δθ output from the differential circuit 22, and Fz and Fx calculated from those displacement signals change, and the shape calculation circuit 24 changes the vertical displacement signal ΔZ based on the changes in Fz and Fx. As a result, the surface shape of the sample 14 is generated. FIG. 5 shows an example of the surface shape of the sample 14 obtained by the shape calculation circuit 24. There is no quantitative data (scale) for this surface shape. That is, the shape calculation circuit 24 cannot calculate the scale.
【００２７】一方、差動回路２１から出力される縦変位
信号ΔＺはスケール算出回路２７に取り込まれる。そこ
では、１回の走査におけるΔＺの最大値、および最小値
が抽出され、その差からサンプル１４の表面形状のスケ
ールが算出される。図６はスケール算出回路２７で求め
られたサンプル１４表面形状のスケールの一例を示す。On the other hand, the vertical displacement signal ΔZ output from the differential circuit 21 is taken into the scale calculation circuit 27. There, the maximum value and the minimum value of ΔZ in one scan are extracted, and the scale of the surface shape of the sample 14 is calculated from the difference. FIG. 6 shows an example of the scale of the surface shape of the sample 14 obtained by the scale calculation circuit 27.
【００２８】そして、形状算出回路２４で算出されたサ
ンプル１４表面形状と、スケール算出回路２７で算出さ
れたスケールを測定像表示回路２５に取り込み、両者を
重ね合わせることにより完全なサンプル１４表面測定像
を得る。図７は測定像表示回路２５で得られたサンプル
１４表面測定像の一例である。Then, the surface shape of the sample 14 calculated by the shape calculation circuit 24 and the scale calculated by the scale calculation circuit 27 are taken into the measurement image display circuit 25, and the two are superposed on each other to form a complete measurement image of the surface of the sample 14. To get FIG. 7 shows an example of the measurement image of the surface of the sample 14 obtained by the measurement image display circuit 25.
【００２９】図８は本発明に係る原子間力顕微鏡の第２
実施例を示す構成図である。同図において１０〜２５は
第１実施例の図１の構成と同等のものである。３０は、
圧電体１３をＸ，Ｙ，Ｚ方向にそれぞれ独立に移動制御
できるように構成された駆動回路である。３１は、カン
チレバー１１の縦変位量ΔＺを一定に保つための制御回
路であり、その出力は駆動回路３０に入力される。３２
は、制御回路３１の出力からサンプル１４表面形状のス
ケールを算出するためのスケール算出回路であり、その
算出法は第１実施例の図１のスケール算出回路２７と同
じである。FIG. 8 is a second view of the atomic force microscope according to the present invention.
It is a block diagram which shows an Example. In the figure, 10 to 25 are equivalent to the configuration of FIG. 1 of the first embodiment. 30 is
This is a drive circuit configured to independently control the movement of the piezoelectric body 13 in the X, Y, and Z directions. Reference numeral 31 is a control circuit for keeping the vertical displacement amount ΔZ of the cantilever 11 constant, and its output is input to the drive circuit 30. 32
Is a scale calculation circuit for calculating the scale of the surface shape of the sample 14 from the output of the control circuit 31, and its calculation method is the same as that of the scale calculation circuit 27 of FIG. 1 of the first embodiment.
【００３０】図９は第２実施例の信号の流れを示す図で
ある。第２実施例では制御回路３１の出力からスケール
を算出していることを特徴としている。第１実施例のＡ
ＦＭは制御をしないオープンループのＡＦＭであるため
スケールを縦変位信号ΔＺから算出しているが、スケー
ルとΔＺの関係は半導体レーザーのパワー、カンチレバ
ー１１から２分割フォトディテクタまでの距離および２
分割フォトディテクタの感度特性に大きく依存している
ため算出が複雑になるという欠点がある。その点、第１
実施例の算出法はそういった欠点がなく高精度な測定が
可能となっている。FIG. 9 is a diagram showing the signal flow of the second embodiment. The second embodiment is characterized in that the scale is calculated from the output of the control circuit 31. A of the first embodiment
Since the FM is an open-loop AFM that does not control, the scale is calculated from the vertical displacement signal ΔZ.
There is a drawback in that the calculation becomes complicated because it largely depends on the sensitivity characteristic of the split photodetector. That point, the first
The calculation method of the embodiment does not have such drawbacks and enables highly accurate measurement.
【００３１】ところで、探針１２に働く原子間力のＺ成
分の大きさＦｚが小さい値をとる場合（例えば、図１１
（ａ）のようなサンプル１４表面形状が垂直に近い角度
で立ち上がる部分、あるいは立ち下がる部分ではＦｚは
小さい値をとる。）は、形状算出回路２４で求める−Ｆ
ｘ／Ｆｚの絶対値が大きな値になり飽和する恐れがあ
る。形状算出回路２４で処理できるデータの大きさには
限界があるからである。図１０のフローチャートはこの
ような問題点を克服する形状算出回路２４による形状算
出工程の一実施例で、以下にその内容を説明する。By the way, when the magnitude Fz of the Z component of the atomic force acting on the probe 12 takes a small value (for example, FIG. 11).
Fz has a small value in a portion where the surface shape of the sample 14 rises at an angle close to vertical as in (a) or a portion where it falls. ) Is obtained by the shape calculation circuit 24 -F
There is a risk that the absolute value of x / Fz will be a large value and will be saturated. This is because the size of data that can be processed by the shape calculation circuit 24 is limited. The flowchart of FIG. 10 is an embodiment of the shape calculation process by the shape calculation circuit 24 that overcomes such problems, and the contents will be described below.
【００３２】第１実施例、または第２実施例のＡＦＭに
おいて、測定を開始し探針１２をサンプル１４表面に沿
って走査させ、カンチレバー１１の変位量から探針１２
に作用する力量Ｆｚ，Ｆｘを求める（ステップＳ１０
１）。次に−Ｆｘ／Ｆｚを求め、その絶対値｜Ｆｘ／Ｆ
ｚ｜を基準値と比較する。その基準値は、形状算出回路
２４で処理できる限界値で決る（ステップＳ１０２，１
０３）。｜Ｆｘ／Ｆｚ｜が基準値よりも小さければ、第
１実施例または第２実施例のように、−Ｆｘ／Ｆｚの値
に基づいてサンプル１４表面形状を算出する（ステップ
Ｓ１０４，１１１）。そして、全区間測定終了かどうか
を判断し（ステップＳ１１２）、終了になるまで上記工
程を繰り返す。In the AFM of the first or second embodiment, measurement is started, the probe 12 is scanned along the surface of the sample 14, and the probe 12 is determined from the displacement amount of the cantilever 11.
Forces Fz and Fx acting on are calculated (step S10).
1). Next, -Fx / Fz is calculated and its absolute value | Fx / F
Compare z | with a reference value. The reference value is determined by the limit value that can be processed by the shape calculation circuit 24 (steps S102, 1).
03). If | Fx / Fz | is smaller than the reference value, the surface shape of the sample 14 is calculated based on the value of −Fx / Fz as in the first or second embodiment (steps S104 and 111). Then, it is judged whether or not the measurement of all sections is completed (step S112), and the above steps are repeated until the measurement is completed.
【００３３】また、｜Ｆｘ／Ｆｚ｜が基準値よりも大き
い場合は、測定点の傾きである−Ｆｘ／Ｆｚと直行する
傾きＦｚ／Ｆｘを求める（ステップＳ１０５）。次にＦ
ｚ／Ｆｘの正負を判別する（ステップＳ１０６）。Ｆｚ
／Ｆｘが正の場合は、Ｆｚ／Ｆｘを基に形状を算出し、
この形状を時計回りに９０°回転させる（ステップＳ１
０８，１１０）。このとき算出された形状は実際のサン
プル１４表面形状を反時計回りに９０°回転させたもの
となる。言い替えれば、このとき算出された形状を時計
回りに９０°回転させればもとのサンプル１４表面形状
と一致する。また、Ｆｚ／Ｆｘが負の場合は、Ｆｚ／Ｆ
ｘを基に形状を算出し、その形状を反時計回りに９０°
回転させる（ステップＳ１０７，１０９）。次に、上述
した内容の具体例を図１１を用いて説明する。If | Fx / Fz | is larger than the reference value, the slope Fz / Fx orthogonal to -Fx / Fz which is the slope of the measurement point is calculated (step S105). Then F
The sign of z / Fx is determined (step S106). Fz
When / Fx is positive, the shape is calculated based on Fz / Fx,
This shape is rotated 90 ° clockwise (step S1).
08, 110). The shape calculated at this time is obtained by rotating the actual surface shape of the sample 14 counterclockwise by 90 °. In other words, if the shape calculated at this time is rotated 90 ° in the clockwise direction, it matches the original surface shape of the sample 14. When Fz / Fx is negative, Fz / F
Calculate the shape based on x and rotate the shape 90 degrees counterclockwise.
It is rotated (steps S107 and 109). Next, a specific example of the above content will be described with reference to FIG.
【００３４】（ａ）は、サンプル１４表面形状を表す。
測定区間２の形状は垂直に近い立ち上がりになってお
り、このサンプル１４表面形状に沿って探針１２を走査
させる。測定区間１では｜Ｆｘ／Ｆｚ｜が基準値以下で
あるため、図１０のステップＳ１０２→１０３→１０４
→１１１の流れに従って表面形状が算出される。(A) shows the surface shape of the sample 14.
The shape of the measurement section 2 is almost vertical, and the probe 12 is caused to scan along the surface shape of the sample 14. Since | Fx / Fz | is less than or equal to the reference value in the measurement section 1, steps S102 → 103 → 104 in FIG.
The surface shape is calculated according to the flow of → 111.
【００３５】測定区間２にはいると、形状が垂直に近い
立ち上がり（｜Ｆｘ／Ｆｚ｜≧基準値）になっており、
上述したように−Ｆｘ／Ｆｚが算出できなくなる。この
ため、Ｆｚ／Ｆｘを求め、その値を用いて形状を算出す
る。（ｂ）のｐはそうして生成された形状であり、その
傾きは実際の形状の傾きと直交する。次に、その形状ｐ
を測定区間１と測定区間２の境界点を軸に反時計回りに
９０°回転させる。（ｃ）のｑはそうして得られた形状
であり実際の形状と一致している。上述した測定区間２
の動作は、図１０ではステップＳ１０５→１０６→１０
７→１０９の流れとなる。In the measurement section 2, the shape rises nearly vertically (| Fx / Fz | ≧ reference value),
As described above, −Fx / Fz cannot be calculated. Therefore, Fz / Fx is calculated, and the value is used to calculate the shape. P in (b) is the shape thus generated, and its inclination is orthogonal to the inclination of the actual shape. Next, the shape p
Is rotated 90 ° counterclockwise around the boundary point between the measurement section 1 and the measurement section 2. The q in (c) is the shape obtained in this way and matches the actual shape. Measurement section 2 described above
The operation of step S105 → 106 → 10 in FIG.
The flow is 7 → 109.
【００３６】測定区間３では、｜Ｆｘ／Ｆｚ｜が基準値
以下にもどっており、図１０のステップＳ１０３→１０
４→１１１の流れに従って表面形状が算出される。
（ｄ）は、測定区間３の測定が終了した時点で得られた
表面形状である。この形状は実際の形状と一致してい
る。In the measurement section 3, | Fx / Fz | has returned to the reference value or less, and steps S103 → 10 in FIG.
The surface shape is calculated according to the flow of 4 → 111.
(D) is the surface shape obtained at the time when the measurement of the measurement section 3 is completed. This shape matches the actual shape.
【００３７】[0037]
【発明の効果】以上説明したように本発明の原子間力顕
微鏡は、試料表面形状を、探針に作用する原子間力のＺ
成分、およびＸ成分の大きさに所定の演算を行うことに
より生成することで試料表面の精密測定を可能としてい
る。As described above, in the atomic force microscope of the present invention, the sample surface shape is defined by the atomic force Z acting on the probe.
Precise measurement of the sample surface is possible by generating the components and the magnitude of the X component by performing a predetermined calculation.
【図１】本発明に係る原子間力顕微鏡の第１実施例を示
す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of an atomic force microscope according to the present invention.
【図２】カンチレバーが原子間力の影響を受けて変位す
るようすを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing how the cantilever is displaced under the influence of an atomic force.
【図３】試料表面に作用する原子間力のようすを示す図
である。FIG. 3 is a diagram showing a state of an atomic force acting on a sample surface.
【図４】図１の一部の詳細な構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of part of FIG.
【図５】形状算出回路で求められたサンプル表面形状の
一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a sample surface shape obtained by a shape calculation circuit.
【図６】スケール算出回路で求められたサンプル表面形
状のスケールの一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a scale of a sample surface shape obtained by a scale calculation circuit.
【図７】測定像表示回路で得られたサンプル表面測定像
の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a sample surface measurement image obtained by a measurement image display circuit.
【図８】本発明に係る原子間力顕微鏡の第２実施例を示
す構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram showing a second embodiment of the atomic force microscope according to the present invention.
【図９】図８の一部の詳細な構成を示す図である。9 is a diagram showing a detailed configuration of part of FIG.
【図１０】形状算出工程の一実施例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of a shape calculation step.
【図１１】形状算出をより具体的に説明するための図で
ある。FIG. 11 is a diagram for more specifically explaining shape calculation.
１０…基台、１１…カンチレバー、１２…探針、１３…
圧電体、１４…サンプル、１５，１６…半導体レーザ
ー、１９，２０…２分割ディテクタ、２１，２２…差動
回路、２３…力算出回路、２４…形状算出回路、２５…
測定像表示回路、２６…駆動回路、２７…スケール算出
回路。10 ... Base, 11 ... Cantilever, 12 ... Probe, 13 ...
Piezoelectric body, 14 ... Sample, 15, 16 ... Semiconductor laser, 19, 20 ... Divided detector 21, 21, 22 ... Differential circuit, 23 ... Force calculation circuit, 24 ... Shape calculation circuit, 25 ...
Measurement image display circuit, 26 ... Driving circuit, 27 ... Scale calculation circuit.
Claims (1)
変位する探針支持部材と、 試料を任意の少なくとも２次元方向に駆動する駆動手段
と、 試料の表面に垂直なＺ方向に沿った探針の変位を検出す
る第１の変位検出手段と、 探針の試料移動方向の変位を検出する第２の変位検出手
段と、 第１及び第２の変位検出手段の出力に基づき試料表面形
状を算出する形状算出手段と、 第１の変位検出手段の出力に基づき試料表面形状のＺ方
向のスケールを算出するスケール算出手段と、 上記形状算出手段、及び上記スケール算出手段の出力に
基づき試料表面測定像を生成し、表示するための測定像
表示手段と、 を具備したことを特徴とする原子間力顕微鏡。1. A probe for scanning a sample surface, a probe supporting member for supporting the probe and being displaced by receiving a force acting on the probe, and a drive for driving the sample in at least two-dimensional directions. Means, first displacement detecting means for detecting displacement of the probe along the Z direction perpendicular to the surface of the sample, second displacement detecting means for detecting displacement of the probe in the sample moving direction, first And a shape calculation means for calculating a sample surface shape based on the output of the second displacement detection means, a scale calculation means for calculating a Z-direction scale of the sample surface shape based on the output of the first displacement detection means, and the shape described above. An atomic force microscope, comprising: a calculation means, and a measurement image display means for generating and displaying a sample surface measurement image based on the output of the scale calculation means.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6403293A JPH06273158A (en) | 1993-03-23 | 1993-03-23 | Interatomic force microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6403293A JPH06273158A (en) | 1993-03-23 | 1993-03-23 | Interatomic force microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06273158A true JPH06273158A (en) | 1994-09-30 |
Family
ID=13246385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6403293A Withdrawn JPH06273158A (en) | 1993-03-23 | 1993-03-23 | Interatomic force microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06273158A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003042931A (en) * | 2001-07-30 | 2003-02-13 | Univ Kanazawa | Scanning probe microscope |
-
1993
- 1993-03-23 JP JP6403293A patent/JPH06273158A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003042931A (en) * | 2001-07-30 | 2003-02-13 | Univ Kanazawa | Scanning probe microscope |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2730673B2 (en) | Method and apparatus for measuring physical properties using cantilever for introducing ultrasonic waves | |
| KR101268043B1 (en) | Microforce measurement device, microforce measurement method and probe for measuring shape of microsurface | |
| EP0410131B1 (en) | Near-field lorentz force microscopy | |
| JP2915554B2 (en) | Barrier height measurement device | |
| JPH06194154A (en) | Method and apparatus for two-dimensional profile description with contact force and atomic force microscope | |
| US8869311B2 (en) | Displacement detection mechanism and scanning probe microscope using the same | |
| Gates et al. | Atomic force microscope cantilever flexural stiffness calibration: Toward a standard traceable method | |
| US7975316B2 (en) | Atomic force microscope and interaction force measurement method using atomic force microscope | |
| JPH0642953A (en) | Interatomic force microscope | |
| JPH08233836A (en) | Scanning probe microscope, standard device for calibrating height direction thereof and calibration method | |
| JP3325258B2 (en) | Scanning probe microscope | |
| JPH06273158A (en) | Interatomic force microscope | |
| JPS62245131A (en) | Scratch testing machine | |
| JPH09251026A (en) | Scanning probe microscope | |
| JPH0915137A (en) | Frictional force measuring apparatus and scanning frictional force microscope | |
| JP3272314B2 (en) | measuring device | |
| JPH06174459A (en) | Inter-atomic force microscope | |
| Dai et al. | True 3D measurements of micro and nano structures | |
| JPH10232240A (en) | Surface observing device | |
| Pratt et al. | Probe-force calibration experiments using the NIST electrostatic force balance | |
| JPH0989550A (en) | High-accuracy surface configuration measuring method and device | |
| JP2694783B2 (en) | Atomic force microscope | |
| Xie et al. | Calibration and nonlinearity compensation for force application in AFM based nanomanipulation | |
| KR100298301B1 (en) | Scanning probe with built-in sensor for sensing bending state and apparatus for measuring the bending state by using the same | |
| JPH09171027A (en) | Scanning probe microscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000530 |