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JP3070216B2 - Surface microscope and microscopic method - Google Patents

Surface microscope and microscopic method

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Publication number
JP3070216B2
JP3070216B2 JP4003676A JP367692A JP3070216B2 JP 3070216 B2 JP3070216 B2 JP 3070216B2 JP 4003676 A JP4003676 A JP 4003676A JP 367692 A JP367692 A JP 367692A JP 3070216 B2 JP3070216 B2 JP 3070216B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
force
probe
sample
distribution
component
Prior art date
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JP4003676A
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Japanese (ja)
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Inventor
純男 保坂
敦 菊川
幸雄 本多
肇 小柳
茂行 細木
剛 長谷川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to DE69309318T priority patent/DE69309318T2/en
Priority to EP93100055A priority patent/EP0551814B1/en
Priority to US08/001,250 priority patent/US5436448A/en
Publication of JPH05187864A publication Critical patent/JPH05187864A/en
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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、探針と試料とを接近し
て発生する原子間力、磁気力およびトンネル電流を利用
する装置に係り、試料の表面形態と物性的性質、磁気的
性質、電気的性質等の情報を得るのに好適な原子間力顕
微鏡、磁気力顕微鏡およびその類似装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus using an atomic force, a magnetic force and a tunnel current generated when a probe and a sample come close to each other, and relates to the surface morphology, physical properties, and magnetic properties of the sample. The present invention relates to an atomic force microscope, a magnetic force microscope, and similar devices suitable for obtaining information such as electrical properties and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、カンチレバーの先端に有する探針
と試料とに働く微小力(斥力あるいは引力)を一定に保
つ、即ち、カンチレバーの変位(撓み)をSTM用探針
で計測、サーボにより一定に保ちつつ、試料を走査、制
御して表面を観察する手法については、特開昭62−1
30302号において論じられている。また、探針を加
振して探針へ働く力の勾配を検出する方法はジャナル
オブ アプライド フィジィクス 第61巻 4723
ページから4729ページ(1987年)に述べられて
いる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a small force (repulsive force or attractive force) acting on a probe and a sample provided at a tip of a cantilever is kept constant, that is, a displacement (bending) of the cantilever is measured by an STM probe and is kept constant by servo. A method for observing the surface by scanning and controlling the sample while keeping the temperature as described in JP-A-62-1
No. 30302. Also, the method of detecting the gradient of the force applied to the probe by vibrating the probe is described in the journal.
Of Applied Physics Vol. 61 4723
Page 4729 (1987).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、各
々個別に、探針に働く力を一定になるように探針の位置
を制御することにより表面構造を観察すること、力の勾
配から試料上空の漏洩磁気や漏洩電界を計測することが
出来る。しかし、表面からどのような高さにこれらの漏
洩磁気や漏洩電界値があるのか、あるいは試料表面の構
造がどのようになっているからこのような漏洩磁気や漏
洩電界の分布が形成されているか予測出来ないという欠
点があった。即ち、表面構造と漏洩磁気あるいは漏洩電
界分布とを同時に計測することが非常に大きい課題であ
った。さらに、試料表面から高さ方向の微小力にたいし
ては測定出来たが、摩擦力、磁気力を考えると、水平方
向(面内方向)に対する微小力の測定が望ましく、この
水平方向の測定は不可能であった。
In the above prior art, the surface structure is observed by controlling the position of the probe so as to keep the force acting on the probe constant. It can measure the leakage magnetic field and the leakage electric field in the sky. However, at what height from the surface are these leakage magnetism and leakage electric field values, or how the distribution of such leakage magnetism and leakage electric field is formed due to the structure of the sample surface? There was a disadvantage that it could not be predicted. That is, it was a very important task to simultaneously measure the surface structure and the leakage magnetic field or the leakage electric field distribution. Furthermore, it was possible to measure a small force in the height direction from the sample surface, but considering frictional force and magnetic force, it is desirable to measure a small force in the horizontal direction (in-plane direction), and this horizontal measurement is not possible. Met.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては少なくとも探針付きカンチレバー
を加振する手段、該カンチレバーの直流的変位を測定す
る手段、該カンチレバーの交流的変位を測定する手段を
設け、直流的変位より表面構造を、交流的変位より漏洩
磁気や漏洩電界分布を同時に測定できることにより解決
した。さらに、該カンチレバーを回転運動にして、水平
方向に振る手段、あるいは、光ビームの偏向量を2次元
ポジションセンサで検出する手段を有することにより、
上記の第2の課題を解決した。
In order to achieve the above object, in the present invention, at least means for vibrating a cantilever with a probe, means for measuring DC displacement of the cantilever, and means for measuring AC displacement of the cantilever. The solution was achieved by providing a means for measuring, and by simultaneously measuring the surface structure from the DC displacement and the leakage magnetism and leakage electric field distribution from the AC displacement. Further, by providing a means for rotating the cantilever in a rotational motion and shaking in the horizontal direction, or a means for detecting the amount of deflection of the light beam with a two-dimensional position sensor,
The second problem has been solved.

【0005】[0005]

【作用】本発明の作用について以下に述べる。探針付き
カンチレバーを小振幅で加振し、探針を試料に接近する
と、斥力あるいは引力を受けカンチレバーが撓み、探針
の該変位をレーザ光を使用した位置検出手段等により計
測する。試料の表面構造は該カンチレバーの直流的変位
を測定し、探針に働く力が一定になるように、即ち、該
直流的変位が一定になるように、試料あるいは探針のZ
軸(試料に垂直の軸)の位置を制御することにより試料
の位置あるいは探針の位置の変化より3次元情報を得
る。これと同時に、交流的変位を該位置検出手段出力よ
り選択し、加振している周波数と同じ成分をとりだすこ
とにより、力の勾配を計測する。この勾配は試料の表面
近くの漏洩磁気や漏洩電界を計測することが出来る。さ
らに、試料上空の漏洩磁気や漏洩電界を計測する場合に
は、探針あるいは試料を2次元にX,Y走査する際に表
面情報を取り込む画素毎に探針あるいは試料のX,Y,
Z方向の動きを止めて、この表面から所望の高さあるい
は複数の高さに探針を移動し、その時の探針に作用する
力の勾配を測定する。これにより、表面構造と表面から
の3次元漏洩磁気分布あるいは漏洩電界分布を測定する
ことが出来る。尚、漏洩磁気分布測定のときは探針表面
を磁性材料で覆った探針あるいは磁性材料で形成した探
針を使用する。また、漏洩電界分布を測定するときは、
少なくとも探針表面を導電製材料で構成することが必要
である。原子間力、磁気力や静電気力を検出するため、
ここでは非接触、大面積変位検出方式、即ち、光てこ方
式、光干渉方式、静電容量方式、光臨界角方式等を採用
することにより実現できる。
The operation of the present invention will be described below. When the cantilever with the probe is vibrated with a small amplitude and the probe approaches the sample, the cantilever is bent by receiving a repulsive force or an attractive force, and the displacement of the probe is measured by a position detecting means using laser light or the like. The surface structure of the sample measures the DC displacement of the cantilever, and the Z of the sample or the probe is adjusted so that the force acting on the probe is constant, that is, the DC displacement is constant.
By controlling the position of the axis (the axis perpendicular to the sample), three-dimensional information is obtained from a change in the position of the sample or the position of the probe. At the same time, an AC displacement is selected from the output of the position detecting means, and the same component as the frequency being excited is extracted to measure the gradient of the force. This gradient can measure the leakage magnetism and the leakage electric field near the surface of the sample. Further, when measuring the leaked magnetic field or the leaked electric field above the sample, when the probe or the sample is scanned two-dimensionally in X and Y directions, the X, Y, and
The movement in the Z direction is stopped, the probe is moved from this surface to a desired height or a plurality of heights, and the gradient of the force acting on the probe at that time is measured. This makes it possible to measure the surface structure and the three-dimensional leakage magnetic distribution or leakage electric field distribution from the surface. When measuring the leakage magnetic distribution, a probe whose surface is covered with a magnetic material or a probe formed of a magnetic material is used. Also, when measuring the leakage electric field distribution,
At least the surface of the probe must be made of a conductive material. To detect atomic, magnetic or electrostatic forces,
Here, it can be realized by employing a non-contact, large-area displacement detection method, that is, an optical lever method, an optical interference method, a capacitance method, an optical critical angle method, or the like.

【0006】[0006]

【実施例】以下、本発明の実施例を図1〜5により説明
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0007】図1は本発明の基本的な装置の構成を説明
する図である。図のように、探針17を備えたカンチレ
バー1を圧電素子15で支持し、探針が力を受けるとカ
ンチレバー1が撓み、振動変化を受ける構造を持ち、こ
れを光てこ方式検出器によりカンチレバー1の変位を検
出する機能を有す。光てこ方式の検出器はレーザ源3、
ポジションセンサー素子4及び検出回路5から構成され
る。該検出回路出力信号の低周波成分8のみサーボ制御
回路9に入力し、XYZ−スキャナ14のZ軸圧電素子
により、カンチレバー1の変位の低周波成分が一定にな
るよう制御する。これにより、試料表面構造(AFM
像)を観察することが出来る。一方、該検出回路出力信
号の圧電素子加振信号との同周波数成分7をロックイン
アンプ6で検出し、XY方向の探針位置に対して力の勾
配の変化を試料表面上で計測することが出来、漏洩磁気
分布、漏洩電界分布やポテンシャル分布を得て、表示装
置(図示してない)にて表示することができる。以下に
詳細の動作を述べる。
FIG. 1 is a view for explaining the configuration of a basic device of the present invention. As shown in the figure, the cantilever 1 having the probe 17 is supported by the piezoelectric element 15, and when the probe receives a force, the cantilever 1 bends and undergoes a vibration change. 1 has the function of detecting the displacement. Optical lever type detector is laser source 3,
It comprises a position sensor element 4 and a detection circuit 5. Only the low-frequency component 8 of the detection circuit output signal is input to the servo control circuit 9 and the Z-axis piezoelectric element of the XYZ-scanner 14 controls the low-frequency component of the displacement of the cantilever 1 to be constant. Thereby, the sample surface structure (AFM)
Image) can be observed. On the other hand, the lock-in amplifier 6 detects the same frequency component 7 of the detection circuit output signal and the piezoelectric element excitation signal, and measures the change in the gradient of the force with respect to the probe position in the XY directions on the sample surface. Thus, a leakage magnetic distribution, a leakage electric field distribution, and a potential distribution can be obtained and displayed on a display device (not shown). The detailed operation will be described below.

【0008】探針17付きカンチレバー1を小振幅で加
振し、探針17を試料2に接近すると、斥力あるいは引
力を受けカンチレバー1が撓み、上述のように探針17
の該変位をレーザ光(18:レーザ入射光、19:カン
チレバー1の裏面からの反射光)を使用した位置検出手
段等により計測する。試料2の表面構造は該カンチレバ
ー1の直流的(サーボ可能な低周波領域)変位を測定
し、探針17に働く力が一定になるように、即ち、該直
流的変位が一定になるように、試料2のZ軸(試料2に
垂直の軸)の位置を制御することにより試料2の位置あ
るいは探針17の位置の変化より3次元情報を得る。こ
れと同時に、交流的(圧電素子15加振周波数と同周波
数成分)変位を該位置検出回路5出力より選択検出し
て、力の勾配を計測する。この勾配は試料の表面近くの
漏洩磁気や漏洩電界を計測することが出来る。この時、
力の勾配を検出する方法に加振周波数をカンチレバー1
の共振点からわずかにずらし、探針17に作用する力が
変化した際に発生する振幅の変化するのを検出する方法
と、探針17に作用する力が加わることにより共振周波
数が変化し、この周波数の変化から力の勾配を検出する
方法がある。定量的には後者の方が直接的であり、後者
を使用することが望ましい。また、サーボ系の応答周波
数は加振周波数より低いことが必要である。即ち、サー
ボ系の応答周波数はほぼ5kHz以下であるので10k
Hz以上の加振周波数が必要である。尚、漏洩磁気分布
測定のときは探針表面を磁性材料で覆った探針17ある
いは磁性材料で形成した探針17を使用する。また、漏
洩電界分布を測定するときは、少なくとも探針表面を導
電性材料で構成することが必要である。原子間力、磁気
力や静電気力を検出するには、光てこ方式以外に、非接
触、大面積変位検出方式、即ち、光干渉方式、静電容量
方式、光臨界角方式等を採用することによっても実現で
きる。
When the cantilever 1 with the probe 17 is vibrated with a small amplitude and the probe 17 approaches the sample 2, the cantilever 1 is bent by receiving a repulsive or attractive force, and the probe 17 is bent as described above.
Is measured by position detecting means using laser light (18: laser incident light, 19: reflected light from the back surface of the cantilever 1). The surface structure of the sample 2 measures the DC (low-frequency range where servo is possible) displacement of the cantilever 1 so that the force acting on the probe 17 is constant, that is, the DC displacement is constant. By controlling the position of the Z axis of the sample 2 (the axis perpendicular to the sample 2), three-dimensional information is obtained from a change in the position of the sample 2 or the position of the probe 17. At the same time, an alternating current (the same frequency component as the vibration frequency of the piezoelectric element 15) is selectively detected from the output of the position detection circuit 5 to measure the gradient of the force. This gradient can measure the leakage magnetism and the leakage electric field near the surface of the sample. At this time,
Excitation frequency cantilever 1 to detect force gradient
A method of detecting a change in the amplitude generated when the force acting on the probe 17 changes by slightly displacing the resonance point from the above, and the resonance frequency changes by applying the force acting on the probe 17, There is a method of detecting a force gradient from the change in the frequency. Quantitatively, the latter is more direct, and it is desirable to use the latter. Also, the response frequency of the servo system needs to be lower than the excitation frequency. That is, since the response frequency of the servo system is almost 5 kHz or less,
A vibration frequency of not less than Hz is required. When measuring the leakage magnetic distribution, a probe 17 whose surface is covered with a magnetic material or a probe 17 formed of a magnetic material is used. Also, when measuring the leakage electric field distribution, it is necessary that at least the probe surface is made of a conductive material. To detect atomic force, magnetic force and electrostatic force, use non-contact, large area displacement detection method other than optical lever method, that is, light interference method, capacitance method, optical critical angle method, etc. It can also be realized by

【0009】図1のシステム構成は図2、図3の従来構
成を1つのシステム構成から実現することが出来ること
を示している。図2は表面構造を観察する場合の斥力一
定モードでの構成であり、図3は力の勾配一定制御によ
り任意の力勾配の等高線図を取得する場合である。図2
は図1の力の勾配の情報のみを得るためのロックインア
ンプ6を除いた構成になっている。しかし、探針は加振
を行っていても構わない。図3は一定の力の勾配での等
高線を得るシステムであり、交流的変位検出信号をロッ
クインアンプ6出力信号をサーボ制御系9に入力してX
YZ−スキャナ14のZ軸圧電素子を制御して、該圧電
素子の動きを表示装置12にて表示してこの等高線図を
得る。このシステム構成も図1から容易に変更すること
が出来る。
The system configuration of FIG. 1 shows that the conventional configurations of FIGS. 2 and 3 can be realized from one system configuration. FIG. 2 shows a configuration in a constant repulsion mode when observing a surface structure, and FIG. 3 shows a case in which a contour map of an arbitrary force gradient is obtained by a constant force gradient control. FIG.
Has a configuration in which the lock-in amplifier 6 for obtaining only the information on the force gradient shown in FIG. 1 is omitted. However, the probe may be vibrating. FIG. 3 shows a system for obtaining contours with a constant gradient of force. An AC displacement detection signal is input to a lock-in amplifier 6 and an output signal is input to a servo control system 9 to generate X
The Z-axis piezoelectric element of the YZ-scanner 14 is controlled, and the movement of the piezoelectric element is displayed on the display device 12 to obtain this contour map. This system configuration can also be easily changed from FIG.

【0010】図2、図3は従来のシステム構成と等価で
あるが、これらの欠点は表面構造と漏洩磁気分布や漏洩
電界分布とが複合的にどのように結び付いているか明ら
かにすることが出来ないことであった。即ち、各々が独
立に観察されるのみであり、混在して分離出来なかっ
た。
FIGS. 2 and 3 are equivalent to the conventional system configuration. However, these disadvantages can clarify how the surface structure and the leakage magnetic field distribution and the leakage electric field distribution are combined in a complex manner. It was not. That is, each was only observed independently and could not be mixed and separated.

【0011】そこで、本発明をさらに表面構造と3次元
漏洩磁場分布あるいは漏洩電界分布の複合計測への拡張
を行うことが出来る。まず、試料上空の漏洩磁気や漏洩
電界を計測する場合には、表面位置を求めることが必要
である。即ち、一定斥力モードで探針17あるいは試料
2を2次元にX,Y走査する際に表面情報を取り込み、
これと同時に、画素毎に探針17あるいは試料2のX,
Y,Z方向の動きを止めて、この表面から所望の高さあ
るいは複数の高さに探針17あるいは試料17を移動
し、その時の探針に作用する力の勾配を測定する。これ
を各画像毎に繰り返して行い、表面構造と表面からの3
次元漏洩磁気分布あるいは漏洩電界分布を測定すること
が出来る。図4は探針17の各画素での動きを示したも
のである。図4のは斥力一定モードで表面構造を捉え
た際の状態を示し、はXYZの動きをホールドし、こ
れに試料2あるいは探針17を任意の距離加算して動か
し、試料2と探針17の距離を離してそこでの力の勾配
を測定する。その後、さらに、の状態まで試料探針間
を縮め、そこでの力の勾配を測定する。この図では試料
上、2点の力勾配の測定を行っているが、正確なデータ
を得ようとするならば、多くの点を測定することが望ま
しい。測定順序は図のように遠くから徐々に近づいて
も、あるいは近くから遠ざかってもどちらも本発明の範
囲である。図は探針を斜め上方に移動しているが、まっ
すぐ上方でも構わない。図5には上記の方法を用いて3
次元漏洩磁場分布を計測する場合に適用したプログラム
の流れ図を示す。
Therefore, the present invention can be further extended to a composite measurement of the surface structure and the three-dimensional leakage magnetic field distribution or the leakage electric field distribution. First, when measuring the leakage magnetism or the leakage electric field above the sample, it is necessary to obtain the surface position. That is, when the probe 17 or the sample 2 is two-dimensionally scanned in the X and Y directions in the constant repulsion mode, surface information is taken in.
At the same time, X, X,
The movement in the Y and Z directions is stopped, the probe 17 or the sample 17 is moved to a desired height or a plurality of heights from this surface, and the gradient of the force acting on the probe at that time is measured. This is repeated for each image, and the surface structure and 3
A dimensional leakage magnetic distribution or leakage electric field distribution can be measured. FIG. 4 shows the movement of the probe 17 at each pixel. FIG. 4 shows a state when the surface structure is captured in the constant repulsion mode. XYZ movement is held, and the sample 2 or the probe 17 is moved by adding an arbitrary distance thereto. At a distance and measure the force gradient there. After that, the distance between the sample probes is further reduced to the state described above, and the gradient of the force there is measured. In this figure, the force gradient at two points is measured on the sample, but it is desirable to measure many points if accurate data is to be obtained. The order of measurement is either within the scope of the present invention, either gradually approaching from a distance as shown in the figure, or moving away from a near point. In the figure, the probe is moved obliquely upward, but may be moved straight upward. FIG. 5 shows 3 using the above method.
4 shows a flowchart of a program applied to measure a two-dimensional leakage magnetic field distribution.

【0012】まず、探針17を力一定サーボにより走査
開始位置まで移動する。その後、探針17を最初の測定
画素位置に移動し、表面の情報(X1,Y1,Z11)を読
み込む。そして、サーボをホールドして試料2上空に探
針17を移動する。この時、上記のZ11にΔZを加え
て、Zピエゾに上記に相当する電圧を印加することによ
り探針17移動を実行する。そこでの磁気力勾配を読み
込む。さらに、ΔZに2番目の値を入力して、別の位置
での磁気力勾配を読み取る。所望の場所での磁気力勾配
を計測し終えると、Zピエゾにもとの値Z11を入力す
る。同時に、力一定サーボを行うと探針17は元の試料
2表面に戻り、わずかの待ち時間を経て次の画素に移動
して上記のような測定を繰り返す。これをX軸について
行い、1ラインのデータを取終えると、Y軸を1ステッ
プ移動し、また、X軸についてデータを取得する。これ
らの動きをY軸についても行い、すべてのデータを取得
する。図6に図4に対応した表面構造図(AFM像)、
磁気力勾配分布を示す。この例は試料に光磁気ディスク
表面を用い、観察した場合であり、きれいに表面構造と
漏洩磁気分布を捉えることが出来た。
First, the probe 17 is moved to a scanning start position by a constant force servo. Thereafter, the probe 17 is moved to the position of the first measurement pixel, and the surface information (X 1 , Y 1 , Z 11 ) is read. Then, the servo is held and the probe 17 is moved above the sample 2. At this time, the probe 17 is moved by adding ΔZ to the above Z 11 and applying a voltage corresponding to the above to the Z piezo. The magnetic force gradient there is read. Further, a second value is input to ΔZ to read the magnetic force gradient at another position. When finished measuring the magnetic force gradient at a desired location, and inputs the original value Z 11 to Z piezo. At the same time, when the constant force servo is performed, the probe 17 returns to the original surface of the sample 2, moves to the next pixel after a short waiting time, and repeats the above measurement. This is performed for the X axis, and when one line of data has been acquired, the Y axis is moved by one step, and data is acquired for the X axis. These movements are also performed for the Y axis, and all data are acquired. FIG. 6 shows a surface structure diagram (AFM image) corresponding to FIG.
3 shows a magnetic force gradient distribution. In this example, a sample was observed using the surface of a magneto-optical disk, and the surface structure and leakage magnetic distribution could be clearly understood.

【0013】図7に、図4を実現するためのサーボ制御
回路9の1具体例を示す。図7において、サーボ制御回
路9は位置誤差信号20をPI(比例積分あるいは微分
が加わることもある)制御回路30、ホールド回路3
1、パワーアンプ32を通して位置誤差信号20がゼロ
と成るように探針17あるいは試料2を制御する。ここ
では特にホールド回路31とパワーアンプ32との間に
加算回路27を設け、XYZホールド時にV1、V2電圧
をシーケンシャルに印加出来るようにとしている。図8
に図7で加算回路27に加算する信号V3のタイムチャ
ートを示す。ホールド回路31では、サンプルホールド
回路あるいはADC(アナログ、ディジタル変換器)−
DAC(ディジタル、アナログ変換器)結合回路により
行うことが一般的であり、これにサーボ/ホールドを制
御する信号V4を入力して、表面構造の計測と、漏洩磁
気分布の計測とを分離する。即ち、前者はサーボ時に、
後者はホールド時に行う。V4がサーボ時は探針17が
XY走査での画素間を移動し、斥力一定と成るように探
針17あるいは試料2を制御して、表面構造情報を得
る。V4がホールド時にはV3がゼロと成っていたのをV
1,V2と逐次変化させ、探針17を試料2上から徐々に
近づける。探針17の動きは図4のごとくとなる。この
時のV1,V2はポテンショメータ21、22で設定し、
スイッチ23、24及び遅延回路25でV3のような出
力電圧を発生する。尚、V4がホールド信号を発生した
のと同期してタイミング信号V526が上記のスイッチ
回路23、24を起動させ、これらを実現する。また、
図中のT1の期間中に探針17は次の測定画素にサーボ
制御しながら移動する。以上述べた方法はアナログ回路
での1具体例であるが、計算機制御することにより上記
のシーケンスが実現出来、これも本発明の範囲である。
FIG. 7 shows one specific example of the servo control circuit 9 for realizing FIG. In FIG. 7, a servo control circuit 9 converts a position error signal 20 into a PI (proportional integration or differentiation may be added) control circuit 30 and a hold circuit 3
1. The probe 17 or the sample 2 is controlled so that the position error signal 20 becomes zero through the power amplifier 32. Here, in particular, an adder circuit 27 is provided between the hold circuit 31 and the power amplifier 32 so that the V 1 and V 2 voltages can be sequentially applied during XYZ hold. FIG.
Shows a time chart of signals V 3 to be added to the adder circuit 27 in FIG. 7. In the hold circuit 31, a sample hold circuit or an ADC (analog / digital converter)
DAC (digital, analog converter) is common to perform the by the coupling circuit, to which are input a signal V 4 which controls the servo / hold, and measurement of the surface structure, and a measurement of the leakage magnetic field distribution to separate . That is, the former is a servo
The latter is performed during hold. When V 4 is servo probe 17 to move between pixels in the XY scanning, by controlling the probe 17 or sample 2 in such a way that repulsive force constant, obtain surface structure information. The V 4 that at the time of the hold had been made the V 3 to zero V
The probe 17 is gradually changed from 1 to V 2, and the probe 17 is gradually approached from above the sample 2. The movement of the probe 17 is as shown in FIG. V 1 and V 2 at this time are set by potentiometers 21 and 22,
Generating an output voltage, such as V 3 at switch 23, 24 and the delay circuit 25. Incidentally, V 4 is the timing signal V 5 26 in synchronism with generated hold signal activates the switching circuits 23 and 24, to achieve these. Also,
Probe 17 during the period of T 1 of the in the figure moves while servo control to the next measurement pixel. The above-described method is one specific example using an analog circuit, but the above sequence can be realized by computer control, and this is also within the scope of the present invention.

【0014】さらに、表面の元素分析も従来技術である
トンネル電流を用いた分光分析(STS)を図4のと
の間に入れることにより微小部の元素分析を可能に
し、さらに、高精度な複合計測が可能になる。この時、
探針17は磁性材を有し、さらに、その表面を導電性材
料で覆うことが必要である。また、本具体例を真空中で
動作することにより、水分の影響を受けることなく、さ
らに、共振特性も改善され、高精度な測定が可能にな
る。これらも本発明の範囲である。また、カンチレバー
に関しても、光てこなどを使用しないで探針の変位が検
出できる変位検出型カンチレバーを使用しても本発明は
実現できる。とくに、カンチレバー表面に圧電素子、圧
電抵抗素子、歪ゲージ素子、半導体歪抵抗素子などが半
導体プロセスによって形成されている。これらを用いる
と更に高性能化が実現できる。
In addition, elemental analysis of the surface can be performed by inserting a spectroscopic analysis (STS) using a tunnel current, which is a conventional technique, between that shown in FIG. Measurement becomes possible. At this time,
The probe 17 has a magnetic material, and its surface needs to be covered with a conductive material. Further, by operating this example in a vacuum, the resonance characteristics are further improved without being affected by moisture, and high-precision measurement becomes possible. These are also within the scope of the present invention. In addition, the present invention can also be realized by using a displacement detection type cantilever that can detect the displacement of the probe without using an optical lever or the like. In particular, a piezoelectric element, a piezoresistive element, a strain gauge element, a semiconductor strain resistive element, and the like are formed on the surface of the cantilever by a semiconductor process. If these are used, higher performance can be realized.

【0015】図9は磁性探針17にコイル40を巻き、
より精度の高い磁場分布を測定する具体例である。コイ
ル40に電流を双方向に流して探針17の先端の磁極を
S極、N極に変化させながら各々の磁極の時の磁気力を
計測する。得られたデータを基に双方のデータを差引き
して磁気力以外の微小力を除き、真の磁気力あるいは磁
気力勾配分布を測定する。電流源あるいは電圧源は4
1、42で示し、切り換えスィッチ43によりコイル4
0への電流を切り換える。データの測定法は各画素毎に
磁気力や磁気力勾配を測定しても構わない。データ取得
のタイミングとしては図1のように表面の磁場分布を測
定する際は、各画素毎に探針17位置をホールドして外
部制御信号(計算機で制御するのが望ましい)44で切
り換えて行い走査エリア全面を走査した後、表面形状、
S極、N極それぞれの磁気情報を得る。図10は種々の
電流で探針の磁場強度を変えた場合の磁気情報を取得す
る場合の具体例であり、図9と同様に可変電流源45を
外部信号で制御して各々の場合の磁気分布を計測する。
この場合、任意の位置で各種の磁界強度での磁気分布等
を計測することができる。方法としては、図8のように
する。この時、探針位置を移動するのではなく、磁場強
度を変化させて計測する。
FIG. 9 shows a state in which a coil 40 is wound around the magnetic probe 17,
This is a specific example of measuring a more accurate magnetic field distribution. The magnetic force at each magnetic pole is measured while changing the magnetic pole at the tip of the probe 17 to the S-pole and the N-pole by flowing a current in the coil 40 in both directions. Based on the obtained data, both data are subtracted to remove a small force other than the magnetic force, and the true magnetic force or the magnetic force gradient distribution is measured. 4 current or voltage sources
1 and 42, the switching switch 43 controls the coil 4
Switch the current to zero. The data may be measured by measuring a magnetic force or a magnetic force gradient for each pixel. As for the timing of data acquisition, when measuring the magnetic field distribution on the surface as shown in FIG. 1, the position of the probe 17 is held for each pixel and switched by an external control signal (preferably controlled by a computer) 44. After scanning the entire scanning area, the surface shape,
The magnetic information of each of the S pole and the N pole is obtained. FIG. 10 shows a specific example in which magnetic information is obtained when the magnetic field strength of the probe is changed by various currents. As in FIG. 9, the variable current source 45 is controlled by an external signal and the magnetic information in each case is obtained. Measure the distribution.
In this case, the magnetic distribution at various magnetic field strengths and the like can be measured at an arbitrary position. The method is as shown in FIG. At this time, instead of moving the probe position, measurement is performed by changing the magnetic field strength.

【0016】図11は探針17に導電材料47をコーテ
ィングして、電界分布あるいは電界の勾配分布を計測す
る方法を実現するための探針部分の電気的構成を示して
いる。この構成は図10と同様に探針表面に試料にたい
して任意の電圧を印加して、電界分布を図るものであ
る。像としては、電界分布、電界の勾配分布を計ること
ができ、試料表面で、あるいは試料上任意の位置で計測
できる。方法は上記のように磁場強度の代わりに電圧を
変えて計測する。
FIG. 11 shows an electrical configuration of a probe portion for realizing a method of measuring an electric field distribution or an electric field gradient distribution by coating a conductive material 47 on the probe 17. In this configuration, an arbitrary voltage is applied to the sample on the probe surface as in FIG. As the image, the electric field distribution and the gradient distribution of the electric field can be measured, and can be measured on the sample surface or at an arbitrary position on the sample. The method measures by changing the voltage instead of the magnetic field strength as described above.

【0017】図12は探針が磁性体48、あるいは表面
のみ磁性体48で覆われ、これに導電性材料47をコー
ティングした場合の磁気情報、電場情報を同時に計測す
る方法を示す。この場合、探針に切り換えスィッチ43
で電源49より電位を与えたり、与えなかったりするこ
とによりこれを実行することができる。電位を与える
と、静電気力が、磁気力よりも強くなり電界強度分布あ
るいは電界の勾配分布を測定できる。また、同電位に外
部信号44より制御すると、磁気力が強くなり、磁気情
報を計測できる。これらの動作を、各画素と試料表面あ
るいは任意の場所で計測することにより、表面、あるい
は表面上3次元空間分布を計測することができる。
FIG. 12 shows a method for simultaneously measuring magnetic information and electric field information when the probe is covered with a magnetic material 48 or only the surface with a magnetic material 48 and coated with a conductive material 47. In this case, the switch 43 is switched to the probe.
This can be performed by applying or not applying a potential from the power supply 49. When a potential is applied, the electrostatic force becomes stronger than the magnetic force, and the electric field intensity distribution or the electric field gradient distribution can be measured. Further, when the same potential is controlled by the external signal 44, the magnetic force is increased, and magnetic information can be measured. By measuring these operations on each pixel and the sample surface or an arbitrary position, it is possible to measure the surface or the three-dimensional spatial distribution on the surface.

【0018】図13は探針17を試料2表面と平行に振
動させて、磁気分布、電界分布を測定する具体例を示
す。この場合、レーザビーム反射光19を検出するポジ
ションセンサダイオード50は2次元用のものを使う必
要がある。探針17振動の軌跡51に対応して52のよ
うなレーザビーム反射光19の軌跡が起こる。一方、5
3は試料表面にたいして垂直な力が働いたときの軌跡で
あり、2次元センサー50によりこれを分離計測するこ
とができる。探針の振動方向はカンチレバー1を支持し
ている母材56の端面に平行な方向であり、探針17の
X軸走査方向もこの方向が望ましい。尚、51のような
振動軌跡を与える手段として母材をピエゾ素子により回
転運動をさせることにより実現できる。この運動と、図
1の運動とを繰り返して行うことや合成して行うことに
より、垂直方向、水平方向の磁気力、電気力の勾配分布
を計測できる。また、振動を止め、2次元センサー50
の直流的な変化だけで磁気力、電気力をも測定すること
ができる。更に、これらの計測に、図8で示したような
探針制御を含めることで、高度な磁気、電界分布を得る
ことができる。図14は表面に平行な磁気情報を得る場
合の探針構造を示している。探針56の上に磁性体54
を蒸着して、55のような磁化状態に先端をすると表面
上の磁化状態が計測できる。この時、磁化方向は探針の
軌跡51と平行が望ましい。
FIG. 13 shows a specific example of measuring the magnetic distribution and the electric field distribution by vibrating the probe 17 in parallel with the surface of the sample 2. In this case, it is necessary to use a two-dimensional position sensor diode 50 for detecting the laser beam reflected light 19. A trajectory of the laser beam reflected light 19 such as 52 occurs corresponding to the trajectory 51 of the vibration of the probe 17. 5
Reference numeral 3 denotes a trajectory when a vertical force acts on the sample surface, which can be separately measured by the two-dimensional sensor 50. The vibration direction of the probe is a direction parallel to the end face of the base material 56 supporting the cantilever 1, and the X-axis scanning direction of the probe 17 is also desirably this direction. As a means for giving a vibration locus such as 51, it can be realized by rotating the base material by a piezo element. By repeating this motion and the motion of FIG. 1 or by synthesizing the motion, the gradient distribution of the magnetic force and electric force in the vertical and horizontal directions can be measured. Further, the vibration is stopped and the two-dimensional sensor 50 is stopped.
Magnetic force and electric force can also be measured only by the DC change of. Further, by including the probe control as shown in FIG. 8 in these measurements, a high-level magnetic and electric field distribution can be obtained. FIG. 14 shows a probe structure for obtaining magnetic information parallel to the surface. The magnetic material 54 is placed on the probe 56
Is deposited, and when the tip is set to a magnetization state such as 55, the magnetization state on the surface can be measured. At this time, the magnetization direction is desirably parallel to the trajectory 51 of the probe.

【0019】尚、本具体例では試料表面構造の観察と任
意の高さでの磁気力、静電力の勾配として計測した例を
示したが、これらのデータを基に無限遠から積分するこ
とにより、真の漏洩磁場分布や漏洩電界分布を求めるこ
とが出来る。また、試料表面からの漏洩磁気や電界の減
衰特性を求めることが出来る。このように本具体例で示
したデータを基に種々なデータ表現があるが、これらも
本発明を逸脱するものではない。本実施例では、断片的
な例を示しているが、上記に示した具体例のどの組み合
わせも本発明の範囲である。更に、これらの制御は計算
機を使用すると極めて便利である。
In this specific example, an example was shown in which the sample surface structure was observed and the magnetic force at an arbitrary height and the gradient of the electrostatic force were measured. By integrating these data from infinity based on these data, The true leakage magnetic field distribution and leakage electric field distribution can be obtained. Further, it is possible to determine the attenuation characteristics of the leakage magnetism and electric field from the sample surface. As described above, there are various data expressions based on the data shown in this specific example, but these do not depart from the present invention. In this embodiment, a fragmentary example is shown, but any combination of the above-described specific examples is within the scope of the present invention. Furthermore, these controls are very convenient using a computer.

【0020】[0020]

【発明の効果】本発明を用いれば、従来技術で不可能な
試料表面構造とその上空の漏洩磁気、電界分布を複合計
測することが出来、試料上に形成されたグレインと漏洩
磁気、電界との関係が明らかと成る。さらに、これに、
トンネル分光法を複合化すれば、表面組成とこれらの関
係が明らかと成り、微細な磁気分布等の形成究明に極め
て有効となる。また、従来の力勾配一定制御技術では試
料表面からの漏洩磁気、電界分布が極めて不明瞭であっ
たが、本発明により、定量的に計測することが可能と成
った。
According to the present invention, it is possible to make a composite measurement of the sample surface structure and the leakage magnetic field and electric field distribution over the sample surface, which are impossible with the prior art. Becomes clear. In addition,
If the tunneling spectroscopy is combined, the surface composition and the relationship between them will become clear, which will be extremely effective in investigating the formation of fine magnetic distribution and the like. Further, in the conventional force gradient constant control technology, the leakage magnetic field and the electric field distribution from the sample surface were extremely unclear, but the present invention has enabled quantitative measurement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を光てこ方式の原子間力、磁気力、静電
力顕微鏡に適用し、表面構造情報と表面の漏洩磁気分布
や漏洩電界分布を複合計測するための構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram for applying the present invention to an optical lever type atomic force, a magnetic force, and an electrostatic force microscope to perform complex measurement of surface structure information and distribution of leakage magnetic field and leakage electric field on a surface.

【図2】図1を一定斥力モードで動作した場合の具体的
構成図。
FIG. 2 is a specific configuration diagram when FIG. 1 is operated in a constant repulsion mode.

【図3】図1を一定力の勾配モードで動作した場合の具
体的構成図。
FIG. 3 is a specific configuration diagram when FIG. 1 is operated in a constant force gradient mode.

【図4】本発明をさらに表面構造と3次元漏洩磁場分布
あるいは漏洩電界分布の複合計測への拡張した場合の具
体的構成図。
FIG. 4 is a specific configuration diagram when the present invention is further extended to composite measurement of a surface structure and a three-dimensional leakage magnetic field distribution or a leakage electric field distribution.

【図5】3次元磁場計測のためのフローチャート図。FIG. 5 is a flowchart for three-dimensional magnetic field measurement.

【図6】光磁気に応用した結果の分布図。FIG. 6 is a distribution diagram as a result of application to magneto-optics.

【図7】図4を実現するためのサーボ制御回路9のブロ
ック図。
FIG. 7 is a block diagram of a servo control circuit 9 for realizing FIG. 4;

【図8】図7の動作を説明するためのタイムチャート
図。
FIG. 8 is a time chart for explaining the operation of FIG. 7;

【図9】探針の磁化方向を変えて、磁気分布を計測する
ための構成図。
FIG. 9 is a configuration diagram for measuring a magnetic distribution by changing a magnetization direction of a probe.

【図10】探針の磁気を変えて計測する構成図。FIG. 10 is a configuration diagram for measuring by changing the magnetism of a probe.

【図11】探針の電荷を変えて静電力分布を測定する構
成図。
FIG. 11 is a configuration diagram for measuring an electrostatic force distribution by changing a charge of a probe.

【図12】静電力、磁気力分布を同時計測するための構
成図。
FIG. 12 is a configuration diagram for simultaneously measuring an electrostatic force and a magnetic force distribution.

【図13】試料表面に平行な磁気分布、静電分布を計測
する構成図。
FIG. 13 is a configuration diagram for measuring a magnetic distribution and an electrostatic distribution parallel to a sample surface.

【図14】試料表面に平行な磁気分布を計測するための
探針構造の構成図。
FIG. 14 is a configuration diagram of a probe structure for measuring a magnetic distribution parallel to the sample surface.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…カンチレバー、2…試料、3…レーザ源、4…ポシ
ションセンサー(PSD)(2分割光ダイオードでも可
能)、5…変位検出回路、6…ロックインアンプ(Lock
in Amp.)、7…加振成分と同周波数の変位検出信号、
8…直流成分から低周波成分の変位検出信号、9…サー
ボ制御回路(servo control)、10、10’…Z軸圧
電素子駆動信号、11…力の勾配信号、12…表示装
置、13…XY走査制御回路、14…XYZ−スキャ
ナ、15…加振(励振)用圧電素子、16…励振波形発
生回路、17…探針、18…光てこ用入射光(レーザ
光)、19…カンチレバー裏面からの反射光(レーザ
光)、20…位置誤差(斥力誤差)信号、21、22…
ポテンショメータ、23、24…スイッチ、25…遅延
回路、26…タイミング信号、27…加算回路、30…
PI制御回路、31…ホールド回路、32…パワーアン
プ、40…コイル、41、42、49…電流、電圧源、
43…切り換えスィッチ、44…外部信号、45、46
…可変電流、電圧源、47…導電材、48…磁性材探
針、50…2次元ポジションセンサ、51…探針軌跡、
52、53…光ビーム軌跡、54…探針材、56…磁性
材、55…磁化の向き。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cantilever, 2 ... Sample, 3 ... Laser source, 4 ... Position sensor (PSD) (possible even with a two-part photodiode), 5 ... Displacement detection circuit, 6 ... Lock-in amplifier (Lock)
in Amp.), 7… Displacement detection signal of the same frequency as the excitation component,
8: displacement detection signal from DC component to low frequency component; 9: servo control circuit (servo control); 10, 10 ': Z-axis piezoelectric element drive signal; 11: force gradient signal; 12: display device; Scanning control circuit, 14: XYZ-scanner, 15: excitation (excitation) piezoelectric element, 16: excitation waveform generation circuit, 17: probe, 18: incident light for optical leverage (laser light), 19: from the back of the cantilever .., Position error (repulsion error) signals, 21, 22.
Potentiometer, 23, 24 switch, 25 delay circuit, 26 timing signal, 27 addition circuit, 30
PI control circuit, 31 hold circuit, 32 power amplifier, 40 coil, 41, 42, 49 current, voltage source,
43: changeover switch, 44: external signal, 45, 46
... variable current, voltage source, 47 ... conductive material, 48 ... magnetic material probe, 50 ... two-dimensional position sensor, 51 ... probe trace
52, 53: light beam locus, 54: probe material, 56: magnetic material, 55: direction of magnetization.

フロントページの続き (72)発明者 小柳 肇 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 細木 茂行 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 長谷川 剛 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平3−68880(JP,A) Y.Martin,H.K.Wick ramasinghe,”Magnet ic imaging by ”for ce microscopy”with 1000A resolution”,A ppl.Phys.Lett.,50 (20),pp.1455−1457,18 May 1987. (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 21/00 - 21/32 Continuation of the front page (72) Inventor Hajime Koyanagi 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Tsuyoshi Hasegawa 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-3-68880 (JP, A) Martin, H .; K. Wick ramaginghe, "Magnetic imaging by" force microscopy "with 1000A resolution", Appl. Phys. Lett. , 50 (20), pp. 1455-1457, 18 May 1987. (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 21/00-21/32

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】 (57) [Claims] 【請求項1】 探針を試料に近づけ、該探針に働く微小力
を一定に保ちつつ表面情報を得たり、あるいは微小力の
変化で表面情報を得る表面顕微鏡において、 探針付きカンチレバーを小振幅で加振する手段または試
料を振動させる手段と、該カンチレバーの変位の直流的
成分(直流成分から低周波成分までを指す)を測定して
斥力、引力を検出する手段と、該カンチレバーの変位の
交流成分(加振周波数と同一周波数成分)を測定して微
小力の変化量(勾配)を検出する手段とを有することを
特徴とした表面顕微鏡。
1. A surface microscope that obtains surface information while keeping a small force acting on the probe at a constant level, or obtains surface information by a change in the small force. A means for vibrating at an amplitude or a means for vibrating a sample, a means for measuring a DC component of displacement of the cantilever (meaning from a DC component to a low frequency component) to detect repulsive and attractive forces, and a displacement of the cantilever A means for measuring the AC component (the same frequency component as the excitation frequency) to detect a change amount (gradient) of the minute force.
【請求項2】 請求項1において、原子間力、磁気力ある
いは静電力を計測したい任意のX,Y位置で、微小力の
変化量を検出する手段を設けたことを特徴とした表面顕
微鏡。
2. A surface microscope according to claim 1, further comprising means for detecting an amount of change in a small force at any X, Y position where an atomic force, a magnetic force, or an electrostatic force is to be measured.
【請求項3】 請求項1または2において、微小力の変化
量を検出する手段が光てこ方式、あるいは光干渉方式、
静電容量方式、光臨界角方式のどれかを用いることを特
徴とする表面顕微鏡。
3. The method according to claim 1, wherein the means for detecting the amount of change in the minute force is an optical lever system, an optical interference system,
A surface microscope using any one of a capacitance method and a photocritical angle method.
【請求項4】 請求項1から3のいずれかにおいて、上記
探針の先端は磁性体で形成されていることを特徴とする
表面顕微鏡。
4. The surface microscope according to claim 1, wherein the tip of the probe is formed of a magnetic material.
【請求項5】 請求項1から4のいずれかにおいて、上記
探針の先端は導電体で覆われていることを特徴とする表
面顕微鏡。
5. The surface microscope according to claim 1, wherein the tip of the probe is covered with a conductor.
【請求項6】 請求項1から5のいずれかにおいて、上記
カンチレバーの変位の直流成分を用いて試料表面形状を
計測し、これを基準として表面から任意の高さでの力の
傾きを交流成分の変化から計測することを特徴とする表
面顕微鏡。
6. The sample surface shape according to claim 1, wherein a surface shape of the sample is measured using a DC component of the displacement of the cantilever, and a gradient of a force at an arbitrary height from the surface is measured based on the measured DC component. Surface microscope characterized by measuring from changes in the surface.
【請求項7】 請求項1から6のいずれかにおいて、上記
カンチレバー表面には変位検出素子が設けられているこ
とを特徴とする表面顕微鏡。
7. The surface microscope according to claim 1, wherein a displacement detecting element is provided on the surface of the cantilever.
【請求項8】 請求項1から7のいずれかにおいて、各測
定点毎に探針を3次元的にホールドする機能を有し、ホ
ールド中に探針を試料から任意の1点あるいは複数点遠
ざけた時に、上記交流成分を測定して得られた該探針に
働く微小力あるいはその勾配に基づいて、試料表面の漏
洩磁場分布、電界分布、ポテンシャル分布を計測するこ
とを特徴とした表面顕微鏡。
8. The method according to claim 1, further comprising a function of three-dimensionally holding the probe at each measurement point, and moving the probe away from the sample by one or more points during the hold. A surface force microscope for measuring a leakage magnetic field distribution, an electric field distribution, and a potential distribution on a sample surface based on a small force acting on the probe or a gradient thereof obtained by measuring the AC component when the AC component is measured.
【請求項9】 請求項8において計測された試料表面の漏
洩磁場分布、電界分布、またはポテンシャル分布を2次
元分布表示する表示手段を有することを特徴とする表面
顕微鏡及び類似装置。
9. A surface microscope and a similar apparatus having display means for displaying a two-dimensional distribution of a leakage magnetic field distribution, an electric field distribution, or a potential distribution on a sample surface measured in claim 8.
【請求項10】 請求項8において計測された試料表面の
漏洩磁場分布、電界分布、ポテンシャル分布を3次元分
布表示する手段を有することを特徴とする表面顕微鏡。
10. A surface microscope having means for displaying a three-dimensional distribution of a leakage magnetic field distribution, an electric field distribution, and a potential distribution on a sample surface measured in claim 8.
【請求項11】 請求項8又は10において、試料表面の
漏洩磁場分布、電界分布、ポテンシャル分布の3次元分
布データに基づき、試料から高さ方向の漏洩磁場分布、
電界分布、ポテンシャル分布を表示する表示手段を有す
ることを特徴とする表面顕微鏡。
11. The method according to claim 8, wherein a leakage magnetic field distribution in a height direction from the sample is obtained based on three-dimensional distribution data of a leakage magnetic field distribution, an electric field distribution, and a potential distribution on the surface of the sample.
A surface microscope having display means for displaying an electric field distribution and a potential distribution.
【請求項12】 請求項1から11のいずれかにおいて、
上記探針及び上記試料は真空中に設置されることを特徴
とする表面顕微鏡。
12. The method according to claim 1, wherein
A surface microscope wherein the probe and the sample are placed in a vacuum.
【請求項13】 請求項1から12のいずれかにおいて、
トンネル電流を用いてトンネル分光機能を有し、試料表
面の組成分析機能を併せ持つことを特徴とする表面顕微
鏡。
13. The method according to claim 1 , wherein
A surface microscope having a tunneling spectroscopy function using a tunnel current and a composition analysis function of a sample surface.
【請求項14】 請求項1から13のいずれかにおいて静
電力と磁気力の切り換え手段を有することを特徴とする
表面顕微鏡。
14. A surface microscope according to claim 1, further comprising means for switching between electrostatic force and magnetic force.
【請求項15】 請求項1において、上記探針の磁化方向
を変えて表面に垂直な成分、表面に水平な成分の原子間
力、磁気力、静電力を測定する手段を持つことを特徴と
する表面顕微鏡。
15. The method according to claim 1, further comprising means for changing a magnetization direction of the probe to measure an atomic force, a magnetic force, and an electrostatic force of a component perpendicular to the surface and a component horizontal to the surface. Surface microscope.
【請求項16】 カンチレバーに取り付けられた探針を小
振幅で加振しながら、該カンチレバーの変位の直流的成
分(直流成分から低周波成分までを指す)を測定して斥
力、引力を検出し、該カンチレバーの変位の交流成分
(加振周波数と同一周波数成分)を測定して微小力の変
化量(勾配)を検出して、該試料の表面情報を得る表面
顕微方法において、 斥力が一定の状態で、上記試料の表面情報を取り込みな
がら、画素毎に上記探針あるいは上記試料の動きを実質
的に止め、上記試料表面から所望の高さあるいは複数の
高さに上記探針あるいは上記試料を移動し、その時の上
記探針に作用する力の勾配を測定し、これを各画像毎に
繰り返して行い、表面構造と表面からの力の勾配分布を
測定することを特徴とする表面顕微方法。
16. A repulsive force and attractive force are detected by measuring a direct current component (meaning from a direct current component to a low frequency component) of displacement of the cantilever while vibrating a probe attached to the cantilever with a small amplitude. In a surface microscopic method for measuring the AC component (the same frequency component as the excitation frequency) of the displacement of the cantilever and detecting the amount of change (gradient) of the minute force to obtain surface information of the sample, the repulsive force is constant. In the state, while capturing surface information of the sample, the movement of the probe or the sample is substantially stopped for each pixel, and the probe or the sample is moved to a desired height or a plurality of heights from the surface of the sample. A surface microscopy method characterized by measuring a gradient of a force acting on the probe at that time, repeating the measurement for each image, and measuring a surface structure and a gradient distribution of a force from the surface.
【請求項17】 請求項16記載の表面顕微方法におい
て、上記表面からの力の勾配分布として、漏洩磁場分布
を測定することを特徴とする表面顕微方法。
17. The surface microscopy method according to claim 16, wherein a stray magnetic field distribution is measured as the gradient distribution of the force from the surface.
【請求項18】 請求項16記載の表面顕微方法におい
て、上記表面からの力の勾配分布として、漏洩電界分布
を測定することを特徴とする表面顕微方法。
18. The surface microscopy method according to claim 16, wherein a leakage electric field distribution is measured as a gradient distribution of the force from the surface.
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