JPH0980059A - Scanner system - Google Patents
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- JPH0980059A JPH0980059A JP23277695A JP23277695A JPH0980059A JP H0980059 A JPH0980059 A JP H0980059A JP 23277695 A JP23277695 A JP 23277695A JP 23277695 A JP23277695 A JP 23277695A JP H0980059 A JPH0980059 A JP H0980059A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に用いられるスキャナーシステムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanner system used in a scanning probe microscope.
【０００２】[0002]
【従来の技術】測定試料を非常に高い分解能で測定する
装置として、例えば特開昭６２−１３０３０２号に開示
されている原子間力顕微鏡がある。これは、先端が非常
に尖った探針をその自由端に持つカンチレバーを利用
し、探針と試料表面の間に働く微弱な力（ほぼ試料面法
線方向に働く力）を検出して試料表面形状の三次元マッ
ピングを行なう装置である。2. Description of the Related Art As an apparatus for measuring a sample to be measured with a very high resolution, there is an atomic force microscope disclosed in, for example, JP-A-62-130302. This uses a cantilever that has a probe with a very sharp tip at its free end, and detects a weak force (a force that acts almost in the normal direction to the sample surface) acting between the probe and the sample surface. It is a device that performs three-dimensional mapping of the surface shape.
【０００３】従来、試料に対する高精度な測定が行なえ
るように、原子間力顕微鏡には、種々のスキャナーシス
テムが適用されている。このスキャナーシステムの一例
としては、円筒型圧電素子（チューブスキャナー）の自
由端に、試料を載せるステージを固定した構成が知られ
ている。この円筒型圧電素子は、その内周面に設けられ
た電極と、その外周面に周方向に四等分した位置にそれ
ぞれ設けられた四個の駆動電極とを備えており、四個の
駆動電極に印加される電圧を制御することによって、そ
の自由端を所定方向に所定量だけ三次元的に変位させる
ことが出来る。しかし、圧電素子を電圧駆動した場合、
ヒステリシスやクリープなどの現象が生じる。これらの
非線形な現象は測定像の歪みとなって現れてしまう。Conventionally, various scanner systems have been applied to an atomic force microscope so that highly accurate measurement can be performed on a sample. As an example of this scanner system, a configuration is known in which a stage for mounting a sample is fixed to the free end of a cylindrical piezoelectric element (tube scanner). This cylindrical piezoelectric element is provided with an electrode provided on its inner peripheral surface and four drive electrodes provided on its outer peripheral surface at positions equally divided into four in the circumferential direction. By controlling the voltage applied to the electrode, its free end can be three-dimensionally displaced in a predetermined direction by a predetermined amount. However, when the piezoelectric element is driven by voltage,
Phenomena such as hysteresis and creep occur. These non-linear phenomena appear as distortion of the measurement image.
【０００４】本出願人は、この様な不具合を解消するス
キャナーシステムを、特願平５−２４１４４２号におい
て既に提案している。このスキャナーシステムを組み込
んだ走査型プローブ顕微鏡を図２に示す。この装置で
は、スキャナー３の変位は次のようにして求められる。
レーザー光源１２から射出された光を、ステージ１の裏
面に設けられた反射鏡２に照射し、その反射光を集光レ
ンズ７によって、例えば四分割フォトディテクター８に
集光させる。スキャナー３が変位すると、四分割フォト
ディテクター８の光スポットの位置が変化する。四分割
フォトディテクター８は光スポットの位置に対応した電
気信号を出力するため、その出力信号を調べることによ
り、スキャナー３の変位が求められる。The applicant of the present invention has already proposed a scanner system for solving such a problem in Japanese Patent Application No. 5-241442. A scanning probe microscope incorporating this scanner system is shown in FIG. In this device, the displacement of the scanner 3 is obtained as follows.
The light emitted from the laser light source 12 is applied to the reflecting mirror 2 provided on the back surface of the stage 1, and the reflected light is condensed by, for example, a four-division photo detector 8 by a condenser lens 7. When the scanner 3 is displaced, the position of the light spot on the quadrant photo detector 8 changes. Since the four-division photo detector 8 outputs an electric signal corresponding to the position of the light spot, the displacement of the scanner 3 can be obtained by examining the output signal.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】スキャナーに変位検出
手段を組み合わせて、試料に対する高精度な測定を行な
おうとするとき、本来重要なのは試料とカンチレバーの
相対位置を求めることである。When a displacement detecting means is combined with a scanner to perform highly accurate measurement on a sample, the essential point is to find the relative position between the sample and the cantilever.
【０００６】しかしながら、図２に示したスキャナーシ
ステムでは、固定台４に対するスキャナー３の相対変位
（厳密にはフォトディテクター８に対する反射鏡２の相
対変位）は測定しているが、カンチレバー１５と試料１
６の正確な相対変位は検出していない。カンチレバー１
５と試料１６の間の相対変位は、スキャナー３の動作の
みによらず、例えば周囲温度変化による熱ドリフトによ
っても生じるためである。図２の走査型プローブ顕微鏡
では、ステージ１からカンチレバー１５までの経路中に
はＺガイド９やベース１３、カンチレバー調整台１０、
積層型圧電素子１４などの多くの部品が存在する。この
ため、熱ドリフトによる影響は大きく無視できない。However, in the scanner system shown in FIG. 2, although the relative displacement of the scanner 3 with respect to the fixed base 4 (strictly speaking, the relative displacement of the reflecting mirror 2 with respect to the photodetector 8) is measured, the cantilever 15 and the sample 1 are measured.
The exact relative displacement of 6 is not detected. Cantilever 1
This is because the relative displacement between the sample 5 and the sample 16 is caused not only by the operation of the scanner 3 but also by a thermal drift due to a change in ambient temperature. In the scanning probe microscope of FIG. 2, in the path from the stage 1 to the cantilever 15, the Z guide 9, the base 13, the cantilever adjustment base 10,
There are many components, such as the laminated piezoelectric element 14. Therefore, the effect of thermal drift cannot be ignored.
【０００７】このような理由から、固定台４に対するス
キャナー３の変位を検出しても、それはカンチレバー１
５と試料１６の間の相対変位であるとは言えない。この
ため、カンチレバー１５と試料１６の間の相対変位を高
い精度で求められるスキャナーシステムの開発が望まれ
ている。For this reason, even if the displacement of the scanner 3 with respect to the fixed base 4 is detected, it is detected by the cantilever 1.
It cannot be said that it is a relative displacement between 5 and the sample 16. Therefore, there is a demand for the development of a scanner system that requires the relative displacement between the cantilever 15 and the sample 16 with high accuracy.
【０００８】本発明は、このような要望に応えるために
なされたもので、その目的は、測定試料とカンチレバー
の間の相対位置を高い精度で検出できるスキャナーシス
テムを提供することである。The present invention has been made in order to meet such a demand, and an object thereof is to provide a scanner system capable of detecting a relative position between a measurement sample and a cantilever with high accuracy.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明のスキャナーシス
テムは、自由端に探針を有するカンチレバーと、カンチ
レバーを保持する保持手段と、測定試料を設置する試料
台と、カンチレバーと測定試料の相対位置を検出する検
出手段と、カンチレバーと測定試料の位置関係をＸＹＺ
方向に相対的に変化させるスキャナーと、スキャナーを
所定の位置に移動させるための信号を発する変位信号発
生手段と、検出手段からの信号と前記変位信号発生手段
からの信号を比較する制御手段と、制御手段からの信号
に基づき前記ステージを駆動する駆動手段とを備えたス
キャナーシステムにおいて、検出手段が、保持手段に取
り付けられた第一の変位検出要素と、試料または試料台
の上に配置された第二の変位検出要素とを備えているこ
とを特徴とする。A scanner system according to the present invention comprises a cantilever having a probe at its free end, a holding means for holding the cantilever, a sample stand for mounting a measurement sample, and a relative position between the cantilever and the measurement sample. XYZ to detect the positional relationship between the cantilever and the measurement sample
A scanner for relatively changing the direction, a displacement signal generating means for issuing a signal for moving the scanner to a predetermined position, a control means for comparing the signal from the detecting means with the signal from the displacement signal generating means, In a scanner system including a driving unit that drives the stage based on a signal from a control unit, the detecting unit is arranged on a sample or a sample table, and a first displacement detecting element attached to a holding unit. And a second displacement detecting element.
【００１０】第一の変位検出要素と第二の変位検出要素
は近くに位置するため、カンチレバーと測定試料の間の
相対位置は、振動や熱ドリフトに殆ど影響されることな
く、高い精度で検出される。Since the first displacement detecting element and the second displacement detecting element are located close to each other, the relative position between the cantilever and the measurement sample is detected with high accuracy without being substantially affected by vibration or thermal drift. To be done.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】以下、図１を参照しながら本発明
の実施の形態であるスキャナーシステムについて説明す
る。測定試料２８が載置されるＸステージ２０とＹステ
ージ２１はベース２２の上に設けられている。測定試料
２８は、Ｘステージ２０とＹステージ２１により、ＸＹ
平面内を移動可能である。カンチレバー２７を装着する
カンチレバー保持台２６はチューブスキャナー２５の一
端に固定されている。チューブスキャナー２５の他端は
スキャナー固定台２４に固定されている。スキャナー固
定台２４は、Ｚガイド２３を介してベース２２に設けら
れており、上下方向に移動できる。これにより、試料を
交換するときや厚い試料を測定するときなど、カンチレ
バー２７の高さを変える必要が生じた場合に、カンチレ
バー２７の高さを調節できる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A scanner system according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. The X stage 20 and the Y stage 21 on which the measurement sample 28 is placed are provided on the base 22. The measurement sample 28 is measured in XY by the X stage 20 and the Y stage 21.
It can move in the plane. A cantilever holding table 26 on which the cantilever 27 is mounted is fixed to one end of the tube scanner 25. The other end of the tube scanner 25 is fixed to the scanner fixing base 24. The scanner fixing base 24 is provided on the base 22 via the Z guide 23 and can move in the vertical direction. This makes it possible to adjust the height of the cantilever 27 when it is necessary to change the height of the cantilever 27 when exchanging the sample or when measuring a thick sample.
【００１２】また、カンチレバー保持台２６には、レー
ザー光源１６と集光レンズ１８が組み込まれたセンサー
固定台１７が取り付けられている。これが第一の変位検
出要素である。レーザー光源１６はＬＤドライバー２９
により駆動され、集光レンズ１８はレーザー光源１６の
射出光を集束し、次に述べるスポット位置センサー１９
の受光面に光スポットを形成する。Further, the cantilever holding base 26 is attached with a sensor fixing base 17 incorporating a laser light source 16 and a condenser lens 18. This is the first displacement detection element. The laser light source 16 is an LD driver 29
Driven by the condenser lens 18 focuses the light emitted from the laser light source 16, and the spot position sensor 19 described below
A light spot is formed on the light receiving surface of.
【００１３】測定試料２８の上には、センサー固定台１
７の下方に当たる位置に、スポット位置センサー１９が
載置される。このスポット位置センサー１９が第二の変
位検出要素である。スポット位置センサー１９は、その
受光面に形成された光スポットの位置を検出する。On the measurement sample 28, the sensor fixing base 1
A spot position sensor 19 is placed at a position corresponding to the lower side of 7. This spot position sensor 19 is the second displacement detection element. The spot position sensor 19 detects the position of the light spot formed on the light receiving surface.
【００１４】なお、第一の変位検出要素と第二の変位検
出要素の配置関係は逆であって構わないが、取り扱いの
都合上、本構成の方が好ましい。また、光源は、レーザ
ー光源に限るものではなく、ＬＥＤ等であっても一向に
構わない。The arrangement relationship between the first displacement detection element and the second displacement detection element may be reversed, but this configuration is preferable for convenience of handling. Moreover, the light source is not limited to the laser light source, and may be an LED or the like.
【００１５】測定試料２８とカンチレバー２７の間の走
査は、チューブスキャナー２５を電圧駆動することによ
り行なわれる。チューブスキャナー２５は、スキャナー
駆動手段３４により、その自由端がＸＹＺ方向に移動さ
れる。これによりカンチレバー２７がＸＹＺ方向に移動
する。The scanning between the measurement sample 28 and the cantilever 27 is performed by driving the tube scanner 25 with a voltage. The free end of the tube scanner 25 is moved in the XYZ directions by the scanner driving means 34. This causes the cantilever 27 to move in the XYZ directions.
【００１６】次に、ＸＹ平面内におけるカンチレバー２
７と測定試料２８の相対位置の検出について説明する。
レーザー光源１６より発せられたレーザー光は集光レン
ズ１８によって集光され、スポット位置センサー１９の
受光面上に光スポットを形成する。チューブスキャナー
２５の屈曲動作により光スポット位置はスポット位置セ
ンサー１９の受光面上をＸＹ方向に移動する。この光ス
ポットの動きは、カンチレバー２７の動作に対応してい
る。従って、スポット位置センサー１９の受光面上の光
スポットの位置を、スポット位置判定手段３０を用いて
検出することにより、測定試料２８に対するカンチレバ
ー２７の位置が得られる。Next, the cantilever 2 in the XY plane
The detection of the relative position between 7 and the measurement sample 28 will be described.
The laser light emitted from the laser light source 16 is condensed by the condenser lens 18 to form a light spot on the light receiving surface of the spot position sensor 19. By the bending operation of the tube scanner 25, the light spot position moves in the XY directions on the light receiving surface of the spot position sensor 19. The movement of this light spot corresponds to the movement of the cantilever 27. Therefore, by detecting the position of the light spot on the light receiving surface of the spot position sensor 19 using the spot position determination means 30, the position of the cantilever 27 with respect to the measurement sample 28 can be obtained.
【００１７】一般に、カンチレバー２７と光スポットの
移動量変化率は、詳細には、光スポットの形成位置がチ
ューブスキャナー２５の中心にないことや光軸のたおれ
などにより非線形なものとなる。そこで、より精度の高
い相対位置検出を行なうため、これをセンサー補正手段
３１によって補正線形化した後、制御回路３２へカンチ
レバー２７の変位信号として送る。In general, the rate of change in the amount of movement of the cantilever 27 and the light spot becomes non-linear in detail because the position where the light spot is formed is not in the center of the tube scanner 25 and the optical axis is bent. Therefore, in order to detect the relative position with higher accuracy, this is corrected and linearized by the sensor correction means 31, and then sent to the control circuit 32 as a displacement signal of the cantilever 27.
【００１８】コンピューター３３はカンチレバー２７を
所望の位置へ変位させるための変位信号を制御回路３２
に出力する。制御回路３２は、コンピューター３３から
の信号とセンサー歪補正手段３１からの信号とを比較
し、スキャナー駆動手段３４を通して、チューブスキャ
ナー２５を必要量だけ駆動する。このようにカンチレバ
ー２７の位置を制御回路３２にフィードバックすること
で、カンチレバー２７の正確な変位量を検出しながら、
カンチレバー２７を所望の位置に高い精度で位置決めす
ることができる。The computer 33 outputs a displacement signal for displacing the cantilever 27 to a desired position.
Output to The control circuit 32 compares the signal from the computer 33 with the signal from the sensor distortion correction means 31, and drives the tube scanner 25 by a necessary amount through the scanner driving means 34. By feeding back the position of the cantilever 27 to the control circuit 32 in this way, while detecting the accurate displacement amount of the cantilever 27,
The cantilever 27 can be positioned at a desired position with high accuracy.
【００１９】ここまでは、チューブスキャナー２５の駆
動による測定試料２８とカンチレバー２７の間の相対移
動量の検出について述べてきたが、実際には振動や周囲
温度の変化による熱ドリフトなどによっても、カンチレ
バー２７と測定試料２８の間に相対移動が生じる。Up to this point, the detection of the relative movement amount between the measurement sample 28 and the cantilever 27 by driving the tube scanner 25 has been described. However, in actuality, the cantilever is also caused by vibration or thermal drift due to a change in ambient temperature. A relative movement occurs between 27 and the measurement sample 28.
【００２０】これは、測定試料２８とカンチレバー２７
を結ぶ系の中に、Ｘステージ２０やＹステージ２１、ベ
ース２２、Ｚガイド２３などの多くの要素が介在するた
め、振動や熱ドリフトの影響を受け易い状態にあるから
である。This is the measurement sample 28 and the cantilever 27.
This is because many elements such as the X stage 20, the Y stage 21, the base 22, and the Z guide 23 intervene in the system connecting the two, so that they are easily affected by vibration and thermal drift.
【００２１】ところが、図１のスキャナーシステムで
は、レーザー光源１６と集光レンズ１８が組み込まれて
いるセンサー固定台１７がカンチレバー２７の近くに配
置されており、スポット位置センサー１９が測定試料２
８の上に載置されていることから、振動や熱ドリフトの
影響を受け難い。言い換えれば、第一の変位検出要素と
第二の変位検出要素とが非常に近くに位置しているた
め、これにより検出されるカンチレバー２７と測定試料
２８の間の相対位置は精度の高いものとなる。However, in the scanner system of FIG. 1, the sensor fixing base 17 in which the laser light source 16 and the condenser lens 18 are incorporated is arranged near the cantilever 27, and the spot position sensor 19 is used as the measurement sample 2.
Since it is placed on the No. 8, it is not easily affected by vibration and thermal drift. In other words, since the first displacement detection element and the second displacement detection element are located very close to each other, the relative position between the cantilever 27 and the measurement sample 28 detected by this is highly accurate. Become.
【００２２】このように、図１のスキャナーシステムに
よれば、ＸＹ平面内におけるカンチレバー２７と測定試
料２８の間の相対位置を、振動や熱ドリフトに殆ど影響
されることなく、高い精度で検出することができる。As described above, according to the scanner system of FIG. 1, the relative position between the cantilever 27 and the measurement sample 28 in the XY plane can be detected with high accuracy without being substantially affected by vibration and thermal drift. be able to.
【００２３】なお、図１のスキャナーシステムでは、第
一の変位検出要素はカンチレバー保持台２６の左側に固
定されているが、固定位置はここに限定されるわけでは
ない。また、スポット位置センサー１９は、本実施形態
では測定試料２８が大型であるため測定試料２８の上に
置かれたが、Ｘステージ２０の上に置いてもよい。さら
に、第一の変位検出要素は、離れた所にある光源からカ
ンチレバー保持台２６まで光を導き、スポット位置セン
サー１９に向けて光を射出する光ファイバーであっても
よい。In the scanner system of FIG. 1, the first displacement detecting element is fixed to the left side of the cantilever holding base 26, but the fixing position is not limited to this. Further, the spot position sensor 19 is placed on the measurement sample 28 because the measurement sample 28 is large in the present embodiment, but may be placed on the X stage 20. Further, the first displacement detecting element may be an optical fiber that guides light from a light source at a remote place to the cantilever holding base 26 and emits the light toward the spot position sensor 19.
【００２４】[0024]
【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーと測定試
料の間の相対位置を、振動や熱ドリフトに殆ど影響され
ることなく、高い精度で検出できるスキャナーシステム
が得られる。According to the present invention, it is possible to obtain a scanner system which can detect the relative position between the cantilever and the sample to be measured with high accuracy, almost without being affected by vibration or thermal drift.
【図１】本発明のスキャナーシステムを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a scanner system of the present invention.
【図２】従来のスキャナーシステムを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a conventional scanner system.
１６…レーザー光源、１７…センサー固定台、１８…集
光レンズ、１９…スポット位置センサー、２０…Ｘステ
ージ、２１…Ｙステージ、２５…チューブスキャナー、
２６…カンチレバー保持台、２７…カンチレバー、３０
…スポット位置判定手段、３２…制御回路、３３…コン
ピューター、３４…スキャナー駆動手段。16 ... Laser light source, 17 ... Sensor fixing base, 18 ... Condensing lens, 19 ... Spot position sensor, 20 ... X stage, 21 ... Y stage, 25 ... Tube scanner,
26 ... Cantilever holder, 27 ... Cantilever, 30
... spot position determining means, 32 ... control circuit, 33 ... computer, 34 ... scanner driving means.
Claims (1)
ンチレバーを保持する保持手段と、測定試料を設置する
試料台と、カンチレバーと測定試料の相対位置を検出す
る検出手段と、カンチレバーと測定試料の位置関係をＸ
ＹＺ方向に相対的に変化させるスキャナーと、スキャナ
ーを所定の位置に移動させるための信号を発する変位信
号発生手段と、検出手段からの信号と前記変位信号発生
手段からの信号を比較する制御手段と、制御手段からの
信号に基づき前記ステージを駆動する駆動手段とを備え
たスキャナーシステムにおいて、 検出手段が、保持手段に取り付けられた第一の変位検出
要素と、試料または試料台の上に配置された第二の変位
検出要素とを備えていることを特徴とするスキャナーシ
ステム。1. A cantilever having a probe at its free end, a holding means for holding the cantilever, a sample stand for mounting a measurement sample, a detection means for detecting a relative position between the cantilever and the measurement sample, a cantilever and the measurement sample. Position of X
A scanner for relatively changing in the YZ direction, a displacement signal generating means for issuing a signal for moving the scanner to a predetermined position, and a control means for comparing the signal from the detecting means with the signal from the displacement signal generating means. A scanner system including drive means for driving the stage based on a signal from the control means, wherein the detection means is arranged on the first displacement detection element attached to the holding means and the sample or the sample table. And a second displacement detection element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23277695A JPH0980059A (en) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | Scanner system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23277695A JPH0980059A (en) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | Scanner system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0980059A true JPH0980059A (en) | 1997-03-28 |
Family
ID=16944566
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23277695A Withdrawn JPH0980059A (en) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | Scanner system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0980059A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100784945B1 (en) * | 2000-11-18 | 2007-12-14 | 톰슨 라이센싱 | Method and apparatus for processing video pictures |
| US20140098380A1 (en) * | 2002-08-02 | 2014-04-10 | Paul E. Fischione | Method for Preparing Specimens for Microscopy |
| JP2014081228A (en) * | 2012-10-15 | 2014-05-08 | Mitsutoyo Corp | Shape measurement device |
| CN108828268A (en) * | 2018-06-06 | 2018-11-16 | 北京航空航天大学 | A kind of a wide range of flexible structure scanner suitable for atomic force microscope |
-
1995
- 1995-09-11 JP JP23277695A patent/JPH0980059A/en not_active Withdrawn
Cited By (6)
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| CN108828268A (en) * | 2018-06-06 | 2018-11-16 | 北京航空航天大学 | A kind of a wide range of flexible structure scanner suitable for atomic force microscope |
| CN108828268B (en) * | 2018-06-06 | 2020-07-03 | 北京航空航天大学 | Large-range flexible structure scanner suitable for atomic force microscope |
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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: 20021203 |