JPH07159418A - Scan type probe microscope - Google Patents
Scan type probe microscopeInfo
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- JPH07159418A JPH07159418A JP30285993A JP30285993A JPH07159418A JP H07159418 A JPH07159418 A JP H07159418A JP 30285993 A JP30285993 A JP 30285993A JP 30285993 A JP30285993 A JP 30285993A JP H07159418 A JPH07159418 A JP H07159418A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、探針（プローブ）と試
料との間に作用する力を検出し、これに基づいて試料を
観察する走査型プローブ顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope which detects a force acting between a probe and a sample and observes the sample based on the detected force.
【０００２】[0002]
【従来の技術】このように、探針と試料の間に作用する
力に基づいて試料を観察する走査型プローブ顕微鏡とし
ては、原子間力顕微鏡と磁気力顕微鏡がよく知られてい
る。この種の走査型プローブ顕微鏡では、探針と試料の
間に作用する力の検出は、通常、弾性変形する柔軟なカ
ンチレバーの自由端部に探針を設け、探針が力を受ける
ために生じるカンチレバーの自由端部の変位を調べるこ
とで行なっている。2. Description of the Related Art Atomic force microscopes and magnetic force microscopes are well known as scanning probe microscopes for observing a sample based on the force acting between the probe and the sample. In this type of scanning probe microscope, the detection of the force acting between the probe and the sample usually occurs because the probe is provided at the free end of the flexible cantilever that elastically deforms and the probe receives the force. This is done by examining the displacement of the free end of the cantilever.
【０００３】この変位を検出するカンチレバー変位検出
系としては、干渉法を利用したもの、合焦検出法を利用
したもの、角度検出法を利用したものがある。干渉法
は、探針の反対側のカンチレバーの自由端部の面に設け
たミラーにレーザービームを照射し、カンチレバーの変
位により生じる光路長の変化を干渉計を用いて干渉縞の
明暗強度の変化として検出し、その光路長変化に基づい
てカンチレバーの変位を求める方法である。合焦検出法
は、臨界角プリズムやシリンドリカルレンズやナイフエ
ッジなどの光学素子を介して、カンチレバーのミラーか
ら光受光器に投影されるビームの合焦状態を検出し、そ
の合焦状態に基づいてカンチレバーの変位を求める方法
である。角度検出法は、カンチレバーで反射されたビー
ムの角度変化を二分割受光素子で検出し、この角度変化
に基づいてカンチレバーの変位を求める方法である。As a cantilever displacement detection system for detecting this displacement, there are a cantilever displacement detection system, an interferometry method, a focusing detection method, and an angle detection method. The interferometry method irradiates a laser beam on a mirror provided on the surface of the free end of the cantilever on the opposite side of the probe, and changes the optical path length caused by the displacement of the cantilever using an interferometer. Is detected and the displacement of the cantilever is obtained based on the change in the optical path length. The focus detection method detects the focus state of the beam projected from the cantilever mirror to the optical receiver through an optical element such as a critical angle prism, a cylindrical lens, or a knife edge, and based on the focus state. This is a method of obtaining the displacement of the cantilever. The angle detection method is a method in which an angle change of the beam reflected by the cantilever is detected by a two-divided light receiving element, and the displacement of the cantilever is obtained based on this angle change.
【０００４】これら、各種検出法の中で角度検出法の一
つである光てこ法は、構造が簡単な上に検出感度が高い
ことで一般によく利用されている。図５に、光てこ法を
利用したカンチレバー変位検出系の一例を示す。レーザ
ーダイオード１２からのレーザービーム１４は、コリメ
ータレンズ１６を通って平行光となり、対物レンズ１８
を通って集光され、その焦点位置で探針２２の反対側の
カンチレバー２０の自由端部に設けたミラー２４に照射
される。カンチレバー２０は、カンチレバー保持台２６
に例えば１０度程度傾けて取り付けられている。レーザ
ービーム１４は、ミラー２４で反射されたのち、固定鏡
３０で再度反射され、二分割受光素子３２に入射する。Among these various detection methods, the optical lever method, which is one of the angle detection methods, is generally used because of its simple structure and high detection sensitivity. FIG. 5 shows an example of a cantilever displacement detection system using the optical lever method. The laser beam 14 from the laser diode 12 passes through the collimator lens 16 to become parallel light, and the objective lens 18
The light is focused on the mirror 24 and is focused on the mirror 24 provided at the free end of the cantilever 20 on the opposite side of the probe 22. The cantilever 20 has a cantilever holding base 26.
For example, it is attached at an angle of about 10 degrees. After being reflected by the mirror 24, the laser beam 14 is reflected again by the fixed mirror 30 and enters the two-divided light receiving element 32.
【０００５】カンチレバー２０は、長さ１００〜２００
μｍ、幅５０μｍ、厚さ０．４〜４μｍといったＳｉ3
Ｎ4 薄膜の微小部品であり、その自由端部の探針２２の
長さは６μｍと短い。レーザービーム１４は、レーザー
ダイオード１２の移動装置およびＺ移動装置等を駆使し
て、入射ビームがミラー２４に確実に照射し、反射ビー
ムが二分割受光素子３２の二分割線をまたぐように調整
される。The cantilever 20 has a length of 100 to 200.
μm, width 50 μm, thickness 0.4 to 4 μm Si 3
It is a minute component of N 4 thin film, and the length of the probe 22 at its free end is as short as 6 μm. The laser beam 14 is adjusted by using the moving device of the laser diode 12, the Z moving device, etc. so that the incident beam surely irradiates the mirror 24 and the reflected beam straddles the bisector of the bisected light receiving element 32. It
【０００６】カンチレバー２０が長方形の薄板の時、そ
の長さをＬ、厚さをａ、幅をｂとし、また弾性係数をＥ
とすると、力ｆと変位ΔＺの関係は次式で与えられる。 ΔＺ＝４Ｌ3 ｆ／ａ3 ｂＥ …（１） 作用する力ｆは、探針２２の先端の原子構造と試料２８
の表面の原子的構造の組み合わせ、およびその接近距離
により決まる物理・化学的力（摩擦力、吸着力、凝着
力、静電気力、クーロン力、ファンデルワールス力な
ど）で、その大きさは１０-5Ｎ／ｍから１０-12 Ｎ／ｍ
と広範囲にわたり、カンチレバー２０およびその変位検
出系には様々な対応が求められる。このように、広い範
囲の力に対応するために、カンチレバー２０の寸法が選
択される。When the cantilever 20 is a rectangular thin plate, its length is L, its thickness is a, its width is b, and its elastic coefficient is E.
Then, the relationship between the force f and the displacement ΔZ is given by the following equation. ΔZ = 4L 3 f / a 3 bE (1) The acting force f is the atomic structure of the tip of the probe 22 and the sample 28.
The combination of atomic structure of the surface of, and physical and chemical force determined by the approach distance (frictional force, the suction force, adhesion force, electrostatic force, Coulomb force, van der Waals forces, etc.), its size is 10 - 5 N / m to 10 -12 N / m
In a wide range, the cantilever 20 and its displacement detection system are required to have various measures. Thus, the size of the cantilever 20 is selected to accommodate a wide range of forces.
【０００７】図６は、図５の探針２２を試料２８の表面
に接近および退避させたときの両者間の距離Ｚとカンチ
レバーの自由端部の変位（両者間に作用する力ｆ）の関
係を示すｆ−Ｚ曲線（フォースカーブ、移動サイクル
図）を示すもので、同図では縦軸に変位（力ｆ）をと
り、横軸に距離Ｚをとっている。FIG. 6 shows the relationship between the distance Z between the probe 22 and the displacement of the free end of the cantilever (the force f acting between the two) when the probe 22 of FIG. Is a f-Z curve (force curve, movement cycle diagram) in which the vertical axis represents the displacement (force f) and the horizontal axis represents the distance Z.
【０００８】図６において、両者間に力が作用していな
い（すなわちｆ＝０の）一点、たとえばＺ＝１μｍの点
を点Ｏとし、この点Ｏから探針１２を試料２８に近づけ
ていくと、点Ａを過ぎたところから力ｆを受けるように
なり、カンチレバー２０が変位し始める。最初に受ける
力ｆは引力で、ｆは負の符号で示される。In FIG. 6, a point where no force is applied between them (that is, f = 0), for example, a point where Z = 1 μm is set as a point O, and the probe 12 is brought closer to the sample 28 from this point O. Then, the force f is received from a point after passing the point A, and the cantilever 20 starts to be displaced. The force f initially received is an attractive force, and f is indicated by a negative sign.
【０００９】さらに探針２２を試料２８に近づけていく
と、引力は負の方向に強まるが、偏極点Ｂを経て、点Ｃ
でピークに達する。このＡ→Ｂ→Ｃの領域を第一引力領
域ＦＳ１と呼ぶ。点Ｂを過ぎた辺りから、探針２２が斥
力の影響を受け始め、引力の増加勾配が弱まると共に斥
力の増加勾配が強まる。点Ｃを過ぎると今度は斥力が支
配的となり、点Ｃ以降ではｆ−Ｚ曲線は急勾配な直線と
なる。引力と斥力が相殺する点Ｄまでを第二引力領域Ｆ
Ｓ２と呼び、点Ｄ以降を斥力領域ＦＲと呼ぶ。When the probe 22 is further brought closer to the sample 28, the attractive force is increased in the negative direction, but the point C passes through the polarization point B and then the point C.
Reaches the peak at. This area of A → B → C is referred to as a first attractive area FS1. From around the point B, the probe 22 begins to be affected by the repulsive force, and the increasing gradient of the attractive force weakens and the increasing gradient of the repulsive force increases. After passing the point C, the repulsive force becomes dominant this time, and after the point C, the fZ curve becomes a steep straight line. The second attractive area F up to the point D where the attractive force and the repulsive force cancel each other out.
It is called S2, and the point D and the points thereafter are called repulsive force region FR.
【００１０】次に、斥力領域ＦＲ内の適当な点Ｅから探
針２２を試料２８から遠ざけていくと、最初は接近時の
直線を逆進するが、第二引力領域ＦＳ２に入った後から
は点Ｃに向かわず、探針２２の側面に沿う表面張力や分
極による吸着力による引力の支配による曲線Ｄ→Ｆ→Ｇ
を経て、カンチレバー２０は作用力から解放され、Ｈ点
でｆ＝０の線上に戻る。Next, when the probe 22 is moved away from the sample 28 from an appropriate point E in the repulsive force region FR, the straight line when approaching is first moved backward, but after entering the second attractive force region FS2. Does not go to the point C, but is a curve D → F → G due to the control of the attractive force due to the surface tension along the side surface of the probe 22 and the attraction force due to polarization.
After that, the cantilever 20 is released from the acting force and returns to the line of f = 0 at the point H.
【００１１】これらｆ−Ｚ曲線の特徴点のＡ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの値（ｆ、Ｚ）は、探針２２と試料
２８の組み合わせや物理・化学的条件によって種々の数
値をとる。原子間力顕微鏡による測定は、試料２８上の
一点において所定の物理・化学的条件のもとでフォース
カーブをとりそれを分析すること、さらにフォースカー
ブ上の所定の領域（第一引力領域ＦＳ１、第二引力領域
ＦＳ２、斥力領域ＦＲ）内に基準点を設定し、その領域
内においてこの基準点を維持するようにフィードバック
制御しつつ探針２２を試料２８の表面に沿って走査する
ことにより、表面の物理・化学的特性を得て多次元像を
得ることができる。A, B, C of the characteristic points of these fZ curves,
The values of D, E, F, G, and H (f, Z) take various numerical values depending on the combination of the probe 22 and the sample 28 and the physical / chemical conditions. In the measurement by the atomic force microscope, a force curve is taken at one point on the sample 28 under a predetermined physical / chemical condition, and the force curve is analyzed. Further, a predetermined region on the force curve (first attractive region FS1, By setting a reference point in the second attractive region FS2, repulsive force region FR) and scanning the probe 22 along the surface of the sample 28 while performing feedback control so as to maintain this reference point in the region, Multi-dimensional images can be obtained by obtaining physical and chemical properties of the surface.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】光てこ法では、例えば
図５において、レーザーダイオード１２からのレーザー
ビーム１４をカンチレバー２０のミラー２４に入射さ
せ、その反射ビームを二分割受光素子３２の二分割線上
に入射させる必要があり、従来ではレーザーダイオード
１２をＸＹ方向に移動させると共に二分割受光素子３２
をＺ方向に移動させることで対処している。このような
手法による調整には以下に述べるようないくつかの問題
がある。In the optical lever method, for example, in FIG. 5, the laser beam 14 from the laser diode 12 is made incident on the mirror 24 of the cantilever 20, and the reflected beam is on the bisector of the bisected light receiving element 32. It is necessary to make the laser diode 12 move in the XY directions and to divide the light into the two-divided photodetector 32.
Is dealt with by moving in the Z direction. The adjustment by such a method has some problems as described below.
【００１３】カンチレバーとレーザーダイオードと受光
素子の三者は相関干渉が強いため、これらの各々を独立
に無造作に動かして調整することは容易でない。また、
レーザービームの位置が移動してしまうと、カンチレバ
ーを交換する度に走査の中心と探針の位置がずれてしま
う。Since the three elements, the cantilever, the laser diode and the light receiving element, have strong correlation interference, it is not easy to adjust each of them independently and randomly. Also,
If the position of the laser beam moves, the scanning center and the position of the probe will shift each time the cantilever is replaced.
【００１４】その移動調整機構は、その測定を実現する
ために剛性が高くなければならない。従来、この移動調
整機構は、二段のスライダーを持ったステージであった
り、磁石で固定したり、三点支持のねじ止めであったり
する。二段のスライダーを持つステージは、その剛性を
高くすることが難しく、それ自体大きなものとなる。磁
石で固定する場合、カンチレバーの向きが回転してしま
ったり、調整方向を規定する面を設けるなど、その構成
が大きくなる。また調整方向を規定する面がない場合、
カンチレバーを交換するときに以前にカンチレバーがあ
った位置がずれてしまいその位置を探すのが困難とな
る。三点支持のねじ止めの場合も同様でカンチレバーの
向きが回転してしまい、さらにその移動方向を把握して
調整することは非常に困難である。The movement adjustment mechanism must be stiff to achieve the measurement. Conventionally, this movement adjusting mechanism is a stage having two sliders, is fixed by a magnet, or is screwed by three-point support. It is difficult to increase the rigidity of a stage having two sliders, and the stage itself becomes large. In the case of fixing with a magnet, the structure of the cantilever becomes large, such that the direction of the cantilever rotates or a surface that defines the adjustment direction is provided. If there is no surface that defines the adjustment direction,
When the cantilever is replaced, the position where the cantilever was before is displaced and it becomes difficult to find the position. Similarly, in the case of screwing with three-point support, the direction of the cantilever also rotates, and it is very difficult to grasp and adjust the moving direction.
【００１５】また、カンチレバーにレーザービームを照
射する光学系のＮＡが大きいほど、カンチレバー上での
レーザービームのスポットは小さくなり、スポットがカ
ンチレバーの背面からはみ出してしまうといった事態は
避け易くなるが、その反面、カンチレバーからの反射レ
ーザービームの広がり角も大きくなり、受光素子にその
受光面が大きなものを使用しなければならなくなる。Further, the larger the NA of the optical system for irradiating the cantilever with the laser beam, the smaller the spot of the laser beam on the cantilever, and it becomes easier to avoid the situation where the spot protrudes from the back surface of the cantilever. On the other hand, the divergence angle of the reflected laser beam from the cantilever also becomes large, and a light receiving element having a large light receiving surface must be used.
【００１６】さらに、カンチレバーの加工の誤差のそり
による反射位置の補正量は、反射ビームを受光素子に直
接入射させる構成では受光素子の必要な調整移動量が大
きくなり構成全体が大きくなる。その調整移動量が大き
いと、その移動調整機構の剛性を上げることは難しい。
本発明は、カンチレバーの交換を再現性良く行なえ、そ
の変位検出系の光学調整も容易に行なえる走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することを目的とする。Further, in the correction amount of the reflection position due to the warp due to the processing error of the cantilever, in the structure in which the reflected beam is directly incident on the light receiving element, the necessary adjustment movement amount of the light receiving element becomes large, and the entire structure becomes large. If the amount of adjustment movement is large, it is difficult to increase the rigidity of the movement adjustment mechanism.
It is an object of the present invention to provide a scanning probe microscope in which cantilevers can be replaced with good reproducibility and the optical adjustment of the displacement detection system can be easily performed.
【００１７】[0017]
【課題を解決するための手段】本発明は、カンチレバー
の自由端に支持された探針を用いて試料を観察する走査
型プローブ顕微鏡において、探針を有する側と反対側の
カンチレバーの自由端部に設けた反射面と、レーザービ
ームを射出する光源を含み、レーザービームをカンチレ
バーの反射面に所定の角度で入射させるビーム照射手段
と、反射面で反射された反射レーザービームを受ける受
光素子を含み、反射レーザービームの角度変化を検出し
これに基づいて探針の変位を検出する検出手段とを有す
る光てこセンサーを備え、光源が固定されていて、受光
素子とカンチレバーが光学調整のために移動可能に支持
されている。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a scanning probe microscope for observing a sample using a probe supported at the free end of a cantilever, and the free end of the cantilever opposite to the side having the probe. A reflection surface provided on the light source, a light source for emitting a laser beam, a beam irradiation means for making the laser beam incident on the reflection surface of the cantilever at a predetermined angle, and a light receiving element for receiving the reflected laser beam reflected by the reflection surface. , Equipped with an optical lever sensor having a detection means for detecting the angle change of the reflected laser beam and detecting the displacement of the probe based on this, the light source is fixed, the light receiving element and the cantilever move for optical adjustment Supported as possible.
【００１８】[0018]
【作用】レーザービームを射出する光源たとえばレーザ
ーダイオードが固定されているため、高い剛性が確保さ
れる。カンチレバーは、その耐久性の低さから頻繁に交
換され、交換の度にカンチレバー、レーザーダイオー
ド、受光素子の相対位置を調整する必要がある。このた
め、レーザーダイオードと受光素子を移動させて光学調
整を行なう従来の手法では、カンチレバーの位置および
加工精度に準じて交換の度にレーザーダイオードと受光
素子の両方を動かして調整しなければならない。本発明
では、レーザーダイオードは固定されており、光てこセ
ンサーの光学調整は、カンチレバーと受光素子の位置を
調節することで行なっているので、カンチレバーは交換
の前後の間のカンチレバーの取付誤差と加工誤差の違い
の分だけ移動させるだけで済み、受光素子は交換の前後
のカンチレバーのそりの加工誤差の違いの分だけ移動さ
せるだけで済む。Since the light source for emitting the laser beam, for example, the laser diode is fixed, high rigidity is secured. The cantilever is frequently replaced due to its low durability, and it is necessary to adjust the relative positions of the cantilever, the laser diode, and the light receiving element each time it is replaced. For this reason, in the conventional method in which the laser diode and the light receiving element are moved to perform optical adjustment, both the laser diode and the light receiving element must be moved and adjusted for each replacement according to the position and processing accuracy of the cantilever. In the present invention, the laser diode is fixed, and the optical adjustment of the optical lever sensor is performed by adjusting the positions of the cantilever and the light receiving element. It only needs to be moved by the difference in the error, and the light-receiving element need only be moved by the difference in the machining error of the cantilever sled before and after the replacement.
【００１９】また、レーザービームのスポットの落ちる
位置が一定となり、カンチレバーの探針の位置を常に一
定に保つことができ、走査の中心と探針の位置を一定に
することができる。Further, the position where the spot of the laser beam falls becomes constant, the position of the probe of the cantilever can be always kept constant, and the center of scanning and the position of the probe can be made constant.
【００２０】カンチレバーは二軸移動可能なカンチレバ
ー取り付けのあてつけ面を持った平行ばねによって支持
されているとより好ましい。このように、平行ばね上の
カンチレバー取付位置にあてつけ面があると、交換前の
カンチレバーの取付位置と交換後のカンチレバーの取付
位置とがほぼ一致するようになる。このためカンチレバ
ーとレーザービームの位置調整は少なくて済み、カンチ
レバーの必要な移動量は平行ばねの移動量程度で十分で
ある。平行ばねはストロークは小さいが、剛性が高くコ
ンパクトに作ることができる。また、このカンチレバー
の位置決め機構は回転などによる軸ずれなどは無視でき
るほど小さい。特にカンチレバーの周辺はコンパクトに
剛性高く作ることが肝要であり、この構成によって安定
した原子間力顕微鏡の測定が可能となる。More preferably, the cantilever is supported by a parallel spring having a bearing surface for biaxially movable cantilever mounting. In this way, if there is an abutment surface at the cantilever mounting position on the parallel spring, the mounting position of the cantilever before the replacement and the mounting position of the cantilever after the replacement become substantially coincident with each other. Therefore, the position adjustment of the cantilever and the laser beam is small, and the required moving amount of the cantilever is about the moving amount of the parallel spring. Although the parallel spring has a small stroke, it has high rigidity and can be made compact. Further, this cantilever positioning mechanism is so small that the axis shift due to rotation or the like can be ignored. In particular, it is important to make the periphery of the cantilever compact and highly rigid, and this configuration enables stable atomic force microscope measurements.
【００２１】また、受光素子とカンチレバーの間に凸レ
ンズを配置するとなお好ましい。カンチレバーで反射さ
れたレーザービームは凸レンズで集光されて受光素子に
入射するため、カンチレバーからの反射光の反射角度が
小さくなるので、カンチレバーのそりの加工誤差があっ
ても調整量が少なくて済む。It is more preferable to dispose a convex lens between the light receiving element and the cantilever. Since the laser beam reflected by the cantilever is condensed by the convex lens and is incident on the light receiving element, the reflection angle of the reflected light from the cantilever becomes small, so even if there is a processing error in the cantilever warpage, the adjustment amount is small. .
【００２２】受光素子の受光面積も小さくて済み、受光
素子自体も小さくすることができる。なお、凸レンズを
設けるによってカンチレバーからの反射光の反射角度は
小さくなるが、そのぶん受光素子上のレーザーの密度は
高くなるので、そのスポットの移動量に対するセンサー
の感度は上がる。このような構成にすることにより、全
体のレイアウトを小型化することができ、結果的に剛性
の高い安定した走査型プローブ顕微鏡が得られるように
なる。The light receiving area of the light receiving element can be small, and the light receiving element itself can be made small. Although the angle of reflection of the reflected light from the cantilever is reduced by providing the convex lens, the density of the laser on the light receiving element is correspondingly increased, so that the sensitivity of the sensor to the movement amount of the spot is increased. With such a configuration, the entire layout can be downsized, and as a result, a stable scanning probe microscope with high rigidity can be obtained.
【００２３】[0023]
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。図１と図２に本発明に係わる試料走査
型の原子間力顕微鏡の第一の実施例を示す。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 and 2 show a first embodiment of a sample scanning atomic force microscope according to the present invention.
【００２４】図１に示すように、センサー本体４０とス
キャナー本体６６は、センサー本体４０に固定されてい
る支柱４８と、スキャナー本体６６に設けた三つの溝６
８とによって、位置決めされている。As shown in FIG. 1, the sensor body 40 and the scanner body 66 are composed of a column 48 fixed to the sensor body 40 and three grooves 6 provided in the scanner body 66.
It is positioned by 8 and.
【００２５】センサー本体４０には、レーザーダイオー
ド１２、コリメートレンズ１６、対物レンズ１８が、そ
の光軸が鉛直となるように取り付けられている。これら
の光学素子の下方にはカンチレバー２０が配置されてい
る。カンチレバー２０は、水平面に対して１０度傾けた
状態で、カンチレバー支持台２６に取り付けられてい
る。The laser diode 12, the collimator lens 16, and the objective lens 18 are attached to the sensor body 40 so that their optical axes are vertical. A cantilever 20 is arranged below these optical elements. The cantilever 20 is attached to the cantilever support base 26 in a state of being tilted by 10 degrees with respect to the horizontal plane.
【００２６】カンチレバー支持体２６は、図２に示すよ
うに、二軸移動可能な平行ばね４２を介してセンサー本
体４０に固定されている。センサー本体４０には、回転
操作に伴なうそれ自体の進退によって、カンチレバー支
持体２６すなわちカンチレバー２０をＸ方向とＹ方向に
移動させるｘねじ４４とｙねじ４６が設けられている。As shown in FIG. 2, the cantilever support 26 is fixed to the sensor body 40 via a parallel spring 42 which is biaxially movable. The sensor body 40 is provided with x-screw 44 and y-screw 46 that move the cantilever support 26, that is, the cantilever 20 in the X direction and the Y direction by advancing and retracting itself in accordance with the rotation operation.
【００２７】再び図１に戻り、レーザーダイオード１２
からのレーザービームをカンチレバー２０が反射する方
向には、集光レンズ３４と二分割受光素子３２が配置さ
れている。集光レンズ３４と二分割受光素子３２は、セ
ンサー本体４０に固定された受光素子二軸ステージ３８
に取り付けられている。Returning to FIG. 1 again, the laser diode 12
A condenser lens 34 and a two-divided light receiving element 32 are arranged in the direction in which the cantilever 20 reflects the laser beam from. The condensing lens 34 and the two-divided light receiving element 32 are the light receiving element biaxial stage 38 fixed to the sensor body 40.
Is attached to.
【００２８】カンチレバー２０の下方には試料２８が配
置される。試料２８は、微動走査を行なうための圧電体
６２の上に載置される。圧電体６２は、粗動を行なうた
めの粗動アプローチ機構６４に取り付けられている。A sample 28 is arranged below the cantilever 20. The sample 28 is placed on the piezoelectric body 62 for performing fine movement scanning. The piezoelectric body 62 is attached to a coarse movement approach mechanism 64 for performing coarse movement.
【００２９】次に、カンチレバーの変位を検出するため
の光てこセンサーについて説明する。レーザーダイオー
ド１２からのレーザービーム１４は、コリメートレンズ
１６によって平行光になり、対物レンズ１８により絞ら
れ、その焦点位置でカンチレバー２０の背面に照射され
る。カンチレバー２０はカンチレバー保持台２６に１０
度傾けて取り付けられており、レーザービーム１４は反
射後、集光レンズ３４に入射し絞られ二分割受光素子３
２にその焦点位置より手前で受光面３６に到達する。Next, an optical lever sensor for detecting the displacement of the cantilever will be described. The laser beam 14 from the laser diode 12 is collimated by the collimator lens 16, collimated by the objective lens 18, and radiated to the back surface of the cantilever 20 at the focal position. The cantilever 20 is attached to the cantilever holding table 26 by 10
The laser beam 14 is reflected, and after being reflected, enters the condenser lens 34 and is narrowed down.
2 reaches the light receiving surface 36 before the focal position.
【００３０】カンチレバー２０は、長さ１００〜２００
μｍ、幅５０μｍ、厚さ０．４〜４μｍの微小部品であ
り、カンチレバー交換の度にレーザービームのスポット
がカンチレバーの背面に乗るように、その位置が調整さ
れる。ここで、カンチレバーの位置決めするためにカン
チレバー２０は二軸のばね要素を持つ平行ばね４２とそ
の二軸を平行移動させるようｘねじ４４およびｙねじ４
６がセンサー本体４０に取り付けられている。ｘねじ４
４およびｙねじ４６はそれぞれ平行ばねの移動点４５、
４７に接しているだけであり、この二本のねじを回すこ
とによりカンチレバーを位置決めする。The cantilever 20 has a length of 100 to 200.
It is a micro component having a width of 50 μm, a width of 50 μm, and a thickness of 0.4 to 4 μm, and its position is adjusted so that the spot of the laser beam is placed on the back surface of the cantilever every time the cantilever is replaced. Here, in order to position the cantilever, the cantilever 20 has a parallel spring 42 having a biaxial spring element and an x screw 44 and a y screw 4 for translating the biaxial.
6 is attached to the sensor body 40. x screw 4
4 and the y-screw 46 are parallel spring travel points 45,
It is only in contact with 47 and the cantilever is positioned by turning these two screws.
【００３１】カンチレバーはその加工精度によって２０
０μｍのもので先端部が根元よりも最大±１０μｍそ
る。そこでそのそり及びカンチレバーの取り付け誤差に
より生じる二分割受光素子３２上のレーザービーム１４
の中心からのずれを受光素子二軸ステージ３８によって
移動調整する。カンチレバー２０から反射されたレーザ
ービームは集光レンズ３４で集光されているので、調整
の際の移動量は少なくて済む。The cantilever is 20 depending on its processing accuracy.
The tip is 0 μm, and the tip is warped up to ± 10 μm from the root. Therefore, the laser beam 14 on the two-divided photodetector 32 caused by the sled and the cantilever mounting error
The displacement from the center of the is adjusted by the light receiving element biaxial stage 38. Since the laser beam reflected from the cantilever 20 is condensed by the condenser lens 34, the amount of movement during adjustment can be small.
【００３２】所定の物理・化学的条件のもとで、試料２
８上の一点においてフォースカーブをとり、さらにフォ
ースカーブ上の領域で、測定点を設定し、それを基準と
して試料２８の表面を走査する。Sample 2 under predetermined physical and chemical conditions
A force curve is taken at one point on 8, and a measurement point is set in a region on the force curve, and the surface of the sample 28 is scanned with the measurement point as a reference.
【００３３】レーザーダイオード１２はレーザードライ
バー１０で駆動され、二分割受光素子３２で検出された
カンチレバー２０の変位信号５２はプリアンプ５０によ
って増幅されホストコンピューター５４に送られる。圧
電体駆動回路５６はホストコンピューター５４の指示に
より、カンチレバー２０の変位を一定に保つようなＺ駆
動信号６０を圧電体６２に供給する。これと同時に、圧
電体駆動回路５６は試料２８をＸＹ走査するためのＸＹ
駆動信号５８を圧電体６２に供給しており、ホストコン
ピューター５４は、このＸＹ駆動信号５８とＺ駆動信号
６０に基づいて試料２８の三次元凹凸像を構築し、これ
を記憶または表示する。The laser diode 12 is driven by the laser driver 10, and the displacement signal 52 of the cantilever 20 detected by the two-divided light receiving element 32 is amplified by the preamplifier 50 and sent to the host computer 54. In response to an instruction from the host computer 54, the piezoelectric body drive circuit 56 supplies the piezoelectric body 62 with a Z drive signal 60 for keeping the displacement of the cantilever 20 constant. At the same time, the piezoelectric body driving circuit 56 moves the XY for scanning the sample 28 in the XY direction.
The drive signal 58 is supplied to the piezoelectric body 62, and the host computer 54 constructs a three-dimensional uneven image of the sample 28 based on the XY drive signal 58 and the Z drive signal 60, and stores or displays this.
【００３４】このように、従来の原子間力顕微鏡よりも
コンパクトで剛性が高いセンサーを持ち、しかもカンチ
レバーの交換に伴なう調整も容易な原子間力顕微鏡を提
供することができる。As described above, it is possible to provide an atomic force microscope which has a sensor which is more compact and has higher rigidity than the conventional atomic force microscope and which can be easily adjusted when the cantilever is replaced.
【００３５】図３と図４に本発明の第二の実施例を示
す。本実施例は、センサーとカンチレバーを走査するタ
イプの原子間力顕微鏡である。本実施例では、センサー
本体４０が圧電体６２と粗動アプローチ機構６４によっ
て支持されており、走査時にセンサー本体４０全体が移
動され、この点だけが第一の実施例と異なっている。他
の動作原理は全く同様なので説明は省略する。FIG. 3 and FIG. 4 show a second embodiment of the present invention. The present embodiment is an atomic force microscope of the type in which a sensor and a cantilever are scanned. In this embodiment, the sensor body 40 is supported by the piezoelectric body 62 and the coarse movement approach mechanism 64, and the entire sensor body 40 is moved during scanning, which is the only difference from the first embodiment. The other operating principles are exactly the same, so the description is omitted.
【００３６】センサー及びカンチレバーの系は小型かつ
高剛性に構成されており、カンチレバー及びセンサーの
系を圧電体で駆動した際に系の大きさに起因して生じる
共振点低下や振動の問題など無視できるものとなってい
る。The system of the sensor and the cantilever is small in size and has high rigidity. When the system of the cantilever and the sensor is driven by a piezoelectric body, the resonance point lowering and vibration problems caused by the size of the system are ignored. It is possible.
【００３７】本実施例の原子間力顕微鏡は、走査の際に
センサー及びカンチレバーの系を駆動させているので、
試料の大きさに関する制約がなくなり、大きな試料も観
察できる。Since the atomic force microscope of this embodiment drives the system of the sensor and the cantilever during scanning,
There are no restrictions on sample size, and large samples can be observed.
【００３８】[0038]
【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーを再現性
良く交換できるとともに交換時に必要な調整も容易に行
なえるカンチレバー変位検出系を備えた走査型プローブ
顕微鏡が提供されるようになる。従って、カンチレバー
の探針の位置を常に一定に保つことができ、走査の中心
と探針の位置を一定に保てることから、その測定データ
は再現性が良く信頼性の高いものとなる。According to the present invention, it is possible to provide a scanning probe microscope having a cantilever displacement detection system capable of exchanging a cantilever with good reproducibility and easily performing necessary adjustment at the time of exchanging. Therefore, the position of the probe of the cantilever can always be kept constant, and the center of scanning and the position of the probe can be kept constant, so that the measurement data is reproducible and highly reliable.
【図１】本発明の第一の実施例である原子間力顕微鏡の
構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an atomic force microscope that is a first embodiment of the present invention.
【図２】図１の装置をII−II線で破断したときの断面図
である。FIG. 2 is a sectional view of the device of FIG. 1 taken along the line II-II.
【図３】本発明の第二の実施例である原子間力顕微鏡の
構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an atomic force microscope that is a second embodiment of the present invention.
【図４】図３の装置を矢印IVの方向から見た図である。FIG. 4 is a view of the device of FIG. 3 viewed from the direction of arrow IV.
【図５】光てこ法を利用したカンチレバー変位検出系の
従来例を示す。FIG. 5 shows a conventional example of a cantilever displacement detection system using an optical lever method.
【図６】探針を試料表面に接近および退避させた際に両
者間の距離Ｚと両者間に作用する力ｆの関係を示すｆ−
Ｚ曲線を示した図である。FIG. 6 shows a relationship between a distance Z between the probe and a force f acting between the probe and the probe when the probe approaches and retracts from the sample surface.
It is the figure which showed the Z curve.
１２…レーザーダイオード、２０…カンチレバー、３２
…二分割受光素子、３８…受光素子二軸ステージ、４４
…ｘねじ、４６…ｙねじ。12 ... Laser diode, 20 ... Cantilever, 32
... two-divided light-receiving element, 38 ... light-receiving element biaxial stage, 44
... x screw, 46 ... y screw.
Claims (3)
を用いて試料を観察する走査型プローブ顕微鏡におい
て、 探針を有する側と反対側のカンチレバーの自由端部に設
けた反射面と、 レーザービームを射出する光源を含み、レーザービーム
をカンチレバーの反射面に所定の角度で入射させるビー
ム照射手段と、 反射面で反射された反射レーザービームを受ける受光素
子を含み、反射レーザービームの角度変化を検出しこれ
に基づいて探針の変位を検出する検出手段とを有する光
てこセンサーを備え、 光源が固定されていて、受光素子とカンチレバーが光学
調整のために移動可能に支持されている走査型プローブ
顕微鏡。1. A scanning probe microscope for observing a sample using a probe supported at the free end of a cantilever, comprising: a reflecting surface provided at the free end of the cantilever opposite to the side having the probe; and a laser. It includes a light source that emits a beam, a beam irradiation means that makes the laser beam incident on the reflecting surface of the cantilever at a predetermined angle, and a light receiving element that receives the reflected laser beam reflected by the reflecting surface. It is equipped with an optical lever sensor that has detection means for detecting and detecting the displacement of the probe based on this, and the light source is fixed, and the light receiving element and cantilever are movably supported for optical adjustment. Probe microscope.
ンチレバー取り付けのあてつけ面を持った平行ばねによ
って支持されている請求項１に記載の走査型プローブ顕
微鏡。2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the cantilever is supported by a parallel spring having a contact surface for biaxially moving cantilever attachment.
ーの間に配置された凸レンズを備えている請求項１に記
載の走査型プローブ顕微鏡。3. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the detection means includes a convex lens arranged between the light receiving element and the cantilever.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30285993A JPH07159418A (en) | 1993-12-02 | 1993-12-02 | Scan type probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30285993A JPH07159418A (en) | 1993-12-02 | 1993-12-02 | Scan type probe microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07159418A true JPH07159418A (en) | 1995-06-23 |
Family
ID=17913959
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30285993A Withdrawn JPH07159418A (en) | 1993-12-02 | 1993-12-02 | Scan type probe microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07159418A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009536332A (en) * | 2006-05-08 | 2009-10-08 | テイラー・ホブソン・リミテッド | Measuring instrument for measuring surface properties |
-
1993
- 1993-12-02 JP JP30285993A patent/JPH07159418A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009536332A (en) * | 2006-05-08 | 2009-10-08 | テイラー・ホブソン・リミテッド | Measuring instrument for measuring surface properties |
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