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JPH0954097A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

Info

Publication number
JPH0954097A
JPH0954097A JP7228539A JP22853995A JPH0954097A JP H0954097 A JPH0954097 A JP H0954097A JP 7228539 A JP7228539 A JP 7228539A JP 22853995 A JP22853995 A JP 22853995A JP H0954097 A JPH0954097 A JP H0954097A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
probe
moving
stage
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP7228539A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiko Okiguchi
圭子 沖口
Hisao Osawa
日佐雄 大澤
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.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP7228539A priority Critical patent/JPH0954097A/en
Publication of JPH0954097A publication Critical patent/JPH0954097A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a probe to approach the surface of a sample at a high speed and to eliminate the possibility of the probe colliding with the sample. SOLUTION: A sample stage 1 is formed by a quartz oscillator. A circuit 6, together with the sample stage 1, constitutes a quartz oscillator circuit and causes the sample stage 1 to oscillate at a resonance frequency represented by the formula F0 =f0 +Δf0 . Using a reference frequency oscillator 7, a mixer 8, a low-pass filter 9, and an F/V converter 10, a voltage signal at a level proportional to an amount of change Δf from the resonance frequency f0 when a probe 2 has moved away can be obtained from the output of the F/V converter 10. A control part 11 controls a probe drive 3 so that the probe 2 approaches the sample in response to a command from an operating part 12. The control part 11 stops the operation of the probe drive 3 when the level of a signal output from the F/V converter 10 has reached a predetermined level.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、探針を試料表面上
で走査させつつ試料の所定の情報を測定する走査型プロ
ーブ顕微鏡に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope for measuring predetermined information of a sample while scanning a probe on the sample surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、ナノメータの
オーダの分解能で試料表面を観察できる装置である。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope is an apparatus capable of observing a sample surface with a resolution on the order of nanometers.

【0003】代表的なものには、走査型トンネル顕微鏡
(STM)、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型近接場
光学顕微鏡(SNOM)などが挙げられる。
Typical examples include a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM) and a scanning near field optical microscope (SNOM).

【0004】STMでは、先端を先鋭化した探針と試料
の間にバイアス電圧を加えて数十オングストローム以内
に接近させ、探針と試料との間に流れるトンネル電流を
検出する。そして、例えばトンネル電流が一定になるよ
うにフィードバックをかけながら探針を試料表面上で走
査させると、探針は試料表面の形状に沿って移動するの
で、試料の表面形状を測定することができる。
In the STM, a bias voltage is applied between a probe having a sharpened tip and a sample to bring them close to each other within tens of angstroms, and a tunnel current flowing between the probe and the sample is detected. Then, for example, when the probe is scanned on the sample surface while applying feedback so that the tunnel current becomes constant, the probe moves along the shape of the sample surface, so that the surface shape of the sample can be measured. .

【0005】AFMでは、一般的に、先端に探針の付い
たカンチレバーを試料表面に近づけ、試料からの原子間
力によるカンチレバーの撓みを検出する。この撓み量は
探針と試料表面との間に働く原子間力に比例するので、
例えばこの撓み量が一定になるようにフィードバックを
かけながら探針を試料表面上で走査させると、試料表面
の形状を測定できる。
In the AFM, generally, a cantilever having a probe at its tip is brought close to the sample surface, and the bending of the cantilever due to the atomic force from the sample is detected. Since this amount of bending is proportional to the atomic force acting between the probe and the sample surface,
For example, the shape of the sample surface can be measured by scanning the sample surface with the probe while applying feedback so that the amount of deflection becomes constant.

【0006】SNOMでは、試料に照射する光の波長よ
りも小さな開口を有する探針(光プローブ)に光を導く
と、開口付近にエバネッセント波が存在するので、これ
を用いて試料表面を照射しつつ探針を試料表面上で走査
させることによって、試料の光学的情報を測定すること
ができる。また、SNOMでは、試料の背面から全反射
条件を満たすように照射光を入射させたときにも、試料
表面にはエバネッセント波が存在するので、これを検出
するための探針(プローブ)を試料表面を走査させるこ
とによって、試料の光学的情報を測定することができ
る。
In SNOM, when the light is guided to a probe (optical probe) having an opening smaller than the wavelength of the light to be irradiated on the sample, an evanescent wave exists near the opening. The optical information of the sample can be measured by scanning the sample surface with the probe. Further, in SNOM, even when the irradiation light is made incident from the back surface of the sample so that the total reflection condition is satisfied, an evanescent wave exists on the sample surface. Therefore, a probe (probe) for detecting this is used as a sample. By scanning the surface, the optical information of the sample can be measured.

【0007】ここで、従来の走査型プローブ顕微鏡の一
例として、特開昭59−121310号公報に開示され
たような走査型近接場光学顕微鏡について、図4を参照
して説明する。図4はこの従来の走査型近接場光学顕微
鏡を示す概略構成図である。
A scanning near-field optical microscope as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 59-121310 will be described as an example of a conventional scanning probe microscope with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing this conventional scanning near-field optical microscope.

【0008】図4において、101は基台で、この基台
101は図示しない除振装置によって外側振動を受けな
い構造とされている。102は基台101上に配設され
試料103が搭載される試料台で、この試料台102は
図示しない移動装置(駆動装置)によってX,Y方向
(X方向及びY方向は、試料(被測定物)103の表面
に平行な面内の方向であり、互いに直交している。)に
それぞれ独立に移動可能となっている。104は基台1
01上に設置された支柱、105は支柱104の先端ア
ーム部104Aに垂直調整装置(試料103の表面と直
交するZ方向に移動可能な移動装置)106を介して取
り付けられた光源で、この光源105は半導体レーザ等
からなる。試料103をX,Y方向に移動させること
で、先端に開口を有する探針107が試料103の表面
上を相対的に走査する。113は光源105から放射さ
れて探針107の開口を通り試料103の表面で反射し
た反射光を検出するセンサで、このセンサ113に入射
した反射光は光ファイバ110によって光検出器111
に導かれ、電気信号に変換される。
In FIG. 4, reference numeral 101 denotes a base, which is structured so as not to be subjected to external vibration by a vibration isolation device (not shown). Reference numeral 102 denotes a sample table which is arranged on the base 101 and on which the sample 103 is mounted. The sample table 102 is moved by an unillustrated moving device (driving device) in X and Y directions (in the X and Y directions, the sample (measured Object) 103 in a plane parallel to the surface of the object 103) and orthogonal to each other.). 104 is the base 1
Reference numeral 105 denotes a light source attached to the tip arm portion 104A of the support column 104 via a vertical adjusting device (moving device capable of moving in the Z direction orthogonal to the surface of the sample 103) 106. Reference numeral 105 is a semiconductor laser or the like. By moving the sample 103 in the X and Y directions, the probe 107 having an opening at the tip relatively scans the surface of the sample 103. Reference numeral 113 denotes a sensor that detects reflected light that is emitted from the light source 105, passes through the opening of the probe 107, and is reflected by the surface of the sample 103. The reflected light that enters the sensor 113 is detected by the optical fiber 110 by the photodetector 111.
And converted into an electric signal.

【0009】この走査型近接場光学顕微鏡によれば、測
定開始時に予め垂直調整装置106を作動させて探針1
07を試料103の表面に近づけておき、探針107の
Z方向の位置をそのまま固定させた状態において、試料
103をX,Y方向に移動させつつ、試料103の表面
上の各点におけるエバネッセント波の反射光の強度を測
定し、これを図示しない表示装置等で再構成することに
よって、試料表面の光学的な状態を高い分解能で得るこ
とができるものである。
According to this scanning type near-field optical microscope, the vertical adjustment device 106 is operated in advance at the start of measurement to make the probe 1
07 is brought close to the surface of the sample 103, and the evanescent wave at each point on the surface of the sample 103 is moved while moving the sample 103 in the X and Y directions with the position of the probe 107 in the Z direction fixed. It is possible to obtain the optical state of the sample surface with high resolution by measuring the intensity of the reflected light and reconstructing it with a display device or the like not shown.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の走査型近接場光学顕微鏡では、測定開始時に探針1
07を試料103の表面に予め接近させる際に、探針1
07が試料103に衝突させてしまうことがあるととも
に、その接近に時間を要する欠点があった。
However, in the conventional scanning near-field optical microscope, the probe 1 is used at the start of measurement.
When the sample 07 is brought close to the surface of the sample 103 in advance, the probe 1
There is a defect that 07 may collide with the sample 103 and it takes time to approach.

【0011】すなわち、エバネッセント波を検出する信
号強度は、探針103が試料103から離れるに従っ
て、急激に減少する。そして、エバネッセント波を検出
する信号強度としては、1pW〜1mW程度であり、非
常に弱い。したがって、垂直調整装置106により探針
107を試料103の表面に接近させていき、光検出器
111から得られる信号強度に基づいて探針107を自
動的に停止させる場合、探針107を試料103に衝突
させてしまうことがあるのである。このように探針10
7が試料103に衝突してしまうと、試料103だけで
なく探針107にもダメージが加わってしまうことが多
い。そこで、このような衝突を避けるべく、探針107
の試料103への接近速度を十分に遅くしていたが、こ
の場合には試料103の迅速な測定を行うことができな
い。しかも、たとえ前記接近速度を十分に遅くしたとし
ても、光検出器11から得られる信号強度は、探針10
7と試料103の表面との間の距離を反映するだけでな
く、試料103の光学的な状態を反映するものであるた
め、光検出器111の信号から探針107の接近状態を
検出しようとしていたことから、試料103の表面の光
学的な状態によっては光検出器107の信号から試料1
07の接近状態を検出することができずに探針107の
試料103への衝突は避け得ない。
That is, the signal intensity for detecting the evanescent wave sharply decreases as the probe 103 moves away from the sample 103. The signal strength for detecting the evanescent wave is about 1 pW to 1 mW, which is very weak. Therefore, when the probe 107 is moved closer to the surface of the sample 103 by the vertical adjustment device 106 and the probe 107 is automatically stopped based on the signal intensity obtained from the photodetector 111, the probe 107 is moved to the sample 103. May cause a collision. In this way, the probe 10
When 7 collides with the sample 103, not only the sample 103 but also the probe 107 is often damaged. Therefore, in order to avoid such a collision, the probe 107
The approach speed of the sample 103 to the sample 103 was sufficiently slowed, but in this case, rapid measurement of the sample 103 cannot be performed. Moreover, even if the approach speed is sufficiently slowed, the signal intensity obtained from the photodetector 11 is
7 reflects the optical state of the sample 103 as well as the distance between the surface of the sample 103 and the surface of the sample 103. Therefore, the approach state of the probe 107 is detected from the signal of the photodetector 111. Therefore, depending on the optical state of the surface of the sample 103, the signal of the photodetector 107 may cause
Since the approaching state of 07 cannot be detected, the probe 107 inevitably collides with the sample 103.

【0012】そして、以上説明した事情は、STM等の
他の種々の走査型プローブ顕微鏡においても同様であっ
た。例えば、STMでは、トンネル電流を検出する信号
強度は、探針が試料から離れるに従って急激に減少する
とともに、pAから数nA程度であり、非常に弱い。ま
た、STMでは、トンネル電流の大きさは、探針と試料
との間の距離を反映するのみならず、試料の導電率の状
態によって変化するので、試料の導電率の状態によって
は探針の試料への接近状態を検出することができない。
The circumstances described above are the same in various other scanning probe microscopes such as STM. For example, in the STM, the signal intensity for detecting the tunnel current sharply decreases as the probe moves away from the sample, and is from pA to several nA, which is very weak. Further, in the STM, the magnitude of the tunnel current not only reflects the distance between the probe and the sample, but also changes depending on the state of conductivity of the sample. It cannot detect the approach state to the sample.

【0013】また、前記従来の走査型近接場光学顕微鏡
では、光検出器111により得られる検出信号は、前述
したように、試料103の光学的な状態及び探針107
と試料103との間の距離の両方を反映するものであ
る。すなわち、光検出器111により検出される光強度
は、試料103の表面における局所的な光学的性質(屈
折率、吸光度等)だけでなく、試料表面から開口までの
距離に大きく左右され、試料103の表面の形状と光学
的性質の2つの情報が分離されていない。例えば、検出
信号強度が小さくなる要因として、観察領域の表面が窪
んでいるという形状の変化と、屈折率が高くなってい
る、あるいは、吸光度が大きくなっている等の光学的変
化が考えられる。したがって、前記従来の走査型近接場
光学顕微鏡では、試料の光学的情報のみを形状情報から
分離して得ることができないという欠点があった。
In the conventional scanning near-field optical microscope, the detection signal obtained by the photodetector 111 is, as described above, the optical state of the sample 103 and the probe 107.
It reflects both the distance between the sample and the sample 103. That is, the light intensity detected by the photodetector 111 depends not only on the local optical properties (refractive index, absorbance, etc.) on the surface of the sample 103, but also largely on the distance from the sample surface to the opening. The two pieces of information, the surface shape and the optical properties of the, are not separated. For example, factors that decrease the detection signal intensity may include a change in the shape of the surface of the observation region that is recessed and an optical change such that the refractive index is high or the absorbance is high. Therefore, the conventional scanning near-field optical microscope has a drawback in that only optical information of the sample cannot be obtained separately from the shape information.

【0014】この点、原子間力顕微鏡で採用されている
探針付きカンチレバーを用い、該探針を走査型近接場光
学顕微鏡の探針としても用いることができるように構成
し、走査型近接場光学顕微鏡の機能と原子間力顕微鏡の
機能を組み合わせた顕微鏡が提案されている。
In this respect, a cantilever with a probe employed in an atomic force microscope is used, and the probe is configured so that it can also be used as a probe of a scanning near-field optical microscope. A microscope that combines the functions of an optical microscope and an atomic force microscope has been proposed.

【0015】しかし、この場合には、走査型近接場光学
顕微鏡に適した探針をカンチレバーに形成しなければな
らず、構造上カンチレバーに設けることができる探針は
限定されてしまい、使用できる探針が極めて限定されて
しまうという欠点がある。
In this case, however, a probe suitable for a scanning near-field optical microscope has to be formed on the cantilever, and the probe that can be provided on the cantilever is structurally limited, and a usable probe can be used. The drawback is that the needles are very limited.

【0016】そして、このような事情も、STM等の他
の種々の走査型プローブ顕微鏡においても同様であっ
た。
Such a situation was also the same in various other scanning probe microscopes such as STM.

【0017】本発明は、前述した事情に鑑みてなされた
もので、探針を高速に試料表面に対して相対的に自動的
に接近させることができ、しかも、探針が試料に衝突す
るおそれのない走査型プローブ顕微鏡を提供することを
一つの目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and it is possible to bring the probe closer to the sample surface automatically at a high speed, and further, the probe may collide with the sample. It is an object to provide a scanning probe microscope that does not have a laser beam.

【0018】また、本発明は、探針の種類に制約を受け
ることなく、試料の形状情報と分離した所望の情報のみ
を得ることができる走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とを他の目的とする。
Another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of obtaining only desired information separated from shape information of a sample without being restricted by the type of probe. .

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第1の態様による走査型プローブ顕微鏡
は、試料が搭載される試料台と、探針と、試料表面と略
垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動
させる第1の移動手段と、前記試料表面と略平行な面の
方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動させる
第2の移動手段と、を備えた走査型プローブ顕微鏡にお
いて、前記試料台が水晶振動子からなり、前記試料台を
前記試料台の共振周波数で振動させる振動手段と、前記
試料台の共振周波数に応じた信号を出力する周波数検出
手段と、指令信号に応答して前記探針が前記試料に対し
て相対的に接近するように前記第1の移動手段を制御す
るとともに、前記周波数検出手段の出力信号に基づい
て、前記試料台の共振周波数が所定周波数となったとき
に、前記探針の前記試料に対する接近が停止するように
前記第1の移動手段を制御する制御手段と、を更に備え
たものである。
In order to solve the above-mentioned problems, a scanning probe microscope according to the first aspect of the present invention has a sample stage on which a sample is mounted, a probe, and a direction substantially perpendicular to the sample surface. First moving means for moving the probe relative to the sample, and second moving means for moving the probe relative to the sample in the direction of a plane substantially parallel to the sample surface. In the scanning probe microscope including a moving unit, the sample stage is made of a crystal oscillator, a vibrating unit that vibrates the sample stage at a resonance frequency of the sample stage, and a signal corresponding to the resonance frequency of the sample stage. And a frequency detecting means for outputting the signal, and controlling the first moving means so that the probe relatively approaches the sample in response to a command signal, and based on the output signal of the frequency detecting means. The resonance circumference of the sample table When the number reaches a predetermined frequency, in which close to said sample of said probe is further comprising a control means for controlling the first moving means so as to stop, the.

【0020】本発明の第2の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、試料が搭載される試料台と、探針と、試料表
面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的
に移動させる第1の移動手段と、前記試料表面と略平行
な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動
させる第2の移動手段と、を備えた走査型プローブ顕微
鏡において、前記試料台が水晶振動子からなり、前記試
料台を前記試料台の共振周波数付近の所定周波数で振動
させる振動手段と、前記試料台のインピーダンスに応じ
た信号を出力するインピーダンス検出手段と、指令信号
に応答して前記探針が前記試料に対して相対的に接近す
るように前記第1の移動手段を制御するとともに、前記
インピーダンス検出手段の出力信号に基づいて、前記試
料台のインピーダンスが所定インピーダンスとなったと
きに、前記探針の前記試料に対する接近が停止するよう
に前記第1の移動手段を制御する制御手段と、を更に備
えたものである。
A scanning probe microscope according to a second aspect of the present invention is a sample stage on which a sample is mounted, a probe, and the probe relative to the sample in a direction substantially perpendicular to the sample surface. A scanning probe microscope comprising: first moving means for moving; and second moving means for moving the probe relative to the sample in a direction of a plane substantially parallel to the surface of the sample, The sample stage is made of a crystal oscillator, a vibrating means for vibrating the sample stage at a predetermined frequency near the resonance frequency of the sample stage, an impedance detecting means for outputting a signal according to the impedance of the sample stage, and a command signal In response to the control of the first moving means so that the probe relatively approaches the sample, and based on the output signal of the impedance detecting means, the impeller of the sample stage is controlled. When the scan reaches a predetermined impedance, in which close to said sample of said probe is further comprising a control means for controlling the first moving means so as to stop, the.

【0021】本発明の第3の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、試料が搭載される試料台と、探針と、試料表
面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的
に移動させる第1の移動手段と、前記試料表面と略平行
な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動
させる第2の移動手段と、を備えた走査型プローブ顕微
鏡において、前記試料台が水晶振動子からなり、前記試
料台を前記試料台の共振周波数で振動させる振動手段
と、前記試料台の共振周波数に応じた信号を出力する周
波数検出手段と、前記周波数検出手段の出力信号に基づ
いて前記試料台の共振周波数が所定の周波数となるよう
に前記第1の移動手段を制御しつつ、前記試料表面と略
平行な面の方向に前記探針が試料表面を走査するように
前記第2の移動手段を制御する制御手段と、を更に備え
たものである。
A scanning probe microscope according to the third aspect of the present invention is a sample stage on which a sample is mounted, a probe, and the probe relative to the sample in a direction substantially perpendicular to the sample surface. A scanning probe microscope comprising: first moving means for moving; and second moving means for moving the probe relative to the sample in a direction of a plane substantially parallel to the surface of the sample, The sample stage is made of a crystal oscillator, and vibrating means for vibrating the sample stage at the resonance frequency of the sample stage, frequency detecting means for outputting a signal according to the resonance frequency of the sample stage, and the frequency detecting means The probe scans the sample surface in the direction of a plane substantially parallel to the sample surface while controlling the first moving means so that the resonance frequency of the sample stage becomes a predetermined frequency based on the output signal. As said second moving means And control means for controlling, in which further comprising a.

【0022】本発明の第4の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、試料が搭載される試料台と、探針と、試料表
面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的
に移動させる第1の移動手段と、前記試料表面と略平行
な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動
させる第2の移動手段と、を備えた走査型プローブ顕微
鏡において、前記試料台が水晶振動子からなり、前記試
料台を前記試料台の共振周波数付近の所定周波数で振動
させる振動手段と、前記試料台のインピーダンスに応じ
た信号を出力するインピーダンス検出手段と、前記イン
ピーダンス検出手段の出力信号に基づいて前記試料台の
インピーダンスが所定のインピーダンスとなるように前
記第1の移動手段を制御しつつ、前記試料表面と略平行
な面の方向に前記探針が試料表面を走査するように前記
第2の移動手段を制御する制御手段と、を更に備えたも
のである。
A scanning probe microscope according to a fourth aspect of the present invention is a sample stage on which a sample is mounted, a probe, and the probe relative to the sample in a direction substantially perpendicular to the sample surface. A scanning probe microscope comprising: first moving means for moving; and second moving means for moving the probe relative to the sample in a direction of a plane substantially parallel to the surface of the sample, The sample stage is made of a crystal oscillator, a vibrating means for vibrating the sample stage at a predetermined frequency near the resonance frequency of the sample stage, an impedance detecting means for outputting a signal according to the impedance of the sample stage, and the impedance While controlling the first moving means so that the impedance of the sample stage becomes a predetermined impedance based on the output signal of the detecting means, the impedance is moved in a direction substantially parallel to the sample surface. Control means for the needle to control the second moving means so as to scan the sample surface, in which further comprising a.

【0023】本発明の第5の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第3又は第4の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡において、前記試料表面と略平行な面の方向に
おける前記探針の前記試料表面に対する相対位置に応じ
た、前記試料表面と略垂直な方向の前記探針の前記試料
表面に対する相対位置に関する情報を得る手段を、更に
備えたものである。
A scanning probe microscope according to a fifth aspect of the present invention is the scanning probe microscope according to the third or fourth aspect, wherein the sample surface of the probe is in a direction substantially parallel to the sample surface. And means for obtaining information on the relative position of the probe with respect to the sample surface in a direction substantially perpendicular to the sample surface according to the relative position with respect to the sample surface.

【0024】なお、本明細書において、「試料台が水晶
振動子からなる」とは、試料台の全体が水晶振動子だけ
で構成されている場合のみならず、試料台が水晶振動子
とその表面に設けられた板状等の部材とから構成されて
いる場合等も含むものである。
In the present specification, "the sample stage is made of a crystal oscillator" means not only the case where the entire sample stage is made up of the crystal oscillator only, but also the case where the sample stage is made up of the crystal oscillator and the crystal oscillator. It also includes a case where it is composed of a plate-like member provided on the surface.

【0025】前記第1の態様によれば、水晶振動子から
なる試料台が振動手段により試料台の共振周波数で振動
させられ、それに従って該試料台に搭載された試料も振
動する。探針が試料に接近すると、探針と試料との間に
働く原子間力により試料台の共振周波数が変化する。水
晶振動子のQ値は高く、弱い力が加わっただけでも共振
周波数の変化は大きい。このため、周波数検出手段によ
り出力される試料台の共振周波数に応じた信号から、探
針の試料への接近状態を感度良く検出することができ
る。したがって、探針の試料への接近速度を高めても、
探針と試料とが衝突するおそれがなくなる。また、周波
数検出手段から得られる信号は、探針と試料との間に働
く原子間力に依存し、探針と試料との間の距離のみを反
映しているので、試料の光学的状態や導電率などの状態
にかかわらず、探針の試料への接近状態を検出すること
ができる。その結果、前記第1の態様によれば、制御手
段によって、探針が試料に対して相対的に接近するよう
に第1の移動手段が制御されるとともに、周波数検出手
段の出力信号に基づいて、試料台の共振周波数が所定周
波数となったときに、探針の試料に対する接近が停止す
るように第1の移動手段が制御されるので、探針を高速
に試料表面に対して相対的に自動的に接近させることが
できるとともに、探針が試料に衝突するおそれがなくな
る。
According to the first aspect, the sample stage made of the crystal oscillator is vibrated at the resonance frequency of the sample stage by the vibrating means, and the sample mounted on the sample stage also vibrates accordingly. When the probe approaches the sample, the resonance frequency of the sample table changes due to the interatomic force acting between the probe and the sample. The Q value of the crystal unit is high, and even if a weak force is applied, the resonance frequency changes greatly. Therefore, the approach state of the probe to the sample can be detected with high sensitivity from the signal corresponding to the resonance frequency of the sample stage output by the frequency detection means. Therefore, even if the speed of approach of the probe to the sample is increased,
There is no risk of collision between the probe and the sample. Further, the signal obtained from the frequency detecting means depends on the interatomic force acting between the probe and the sample, and reflects only the distance between the probe and the sample. It is possible to detect the approach state of the probe to the sample regardless of the state of conductivity and the like. As a result, according to the first aspect, the control unit controls the first moving unit so that the probe relatively approaches the sample, and based on the output signal of the frequency detecting unit. Since the first moving means is controlled so that the approach of the probe to the sample is stopped when the resonance frequency of the sample table reaches a predetermined frequency, the probe is moved relatively quickly to the sample surface. The probe can be automatically approached, and there is no risk of the probe colliding with the sample.

【0026】また、前記第2の態様によれば、水晶振動
子からなる試料台が振動手段により試料台の共振周波数
付近の所定周波数で振動させられ、それに従って該試料
台に搭載された試料も振動する。探針が試料に接近する
と、探針と試料との間に働く原子間力により試料台の共
振周波数が変化して試料台のインピーダンスが変化す
る。水晶振動子のQ値は高く、弱い力が加わっただけで
も共振周波数の変化は大きく、試料台のインピーダンス
の変化は大きい。このため、インピーダンス検出手段に
より出力される、試料台のインピーダンスに応じた信号
から、探針の試料への接近状態を感度良く検出すること
ができる。したがって、探針の試料への接近速度を高め
ても、探針と試料とが衝突するおそれがなくなる。ま
た、インピーダンス検出手段から得られる信号は、探針
と試料との間に働く原子間力に依存し、探針と試料との
間の距離のみを反映しているので、試料の光学的状態や
導電率などの状態にかかわらず、探針の試料への接近状
態を検出することができる。その結果、前記第2の態様
によれば、制御手段によって、探針が試料に対して相対
的に接近するように第1の移動手段が制御されるととも
に、周波数検出手段の出力信号に基づいて、試料台のイ
ンピーダンスが所定インピーダンスとなったときに、探
針の試料に対する接近が停止するように第1の移動手段
が制御されるので、探針を高速に試料表面に対して相対
的に自動的に接近させることができるとともに、探針が
試料に衝突するおそれがなくなり、探針及び試料の両方
のダメージを防止することができる。
According to the second aspect, the sample stage made of a crystal oscillator is vibrated at a predetermined frequency near the resonance frequency of the sample stage by the vibrating means, and the sample mounted on the sample stage accordingly. Vibrate. When the probe approaches the sample, the resonance frequency of the sample table changes due to the interatomic force acting between the probe and the sample, and the impedance of the sample table changes. The Q value of the crystal unit is high, and even if a weak force is applied, the change of the resonance frequency is large, and the change of the impedance of the sample stage is large. Therefore, the approaching state of the probe to the sample can be detected with high sensitivity from the signal output from the impedance detecting means according to the impedance of the sample stage. Therefore, even if the approaching speed of the probe to the sample is increased, there is no possibility of collision between the probe and the sample. Further, the signal obtained from the impedance detecting means depends on the interatomic force acting between the probe and the sample, and reflects only the distance between the probe and the sample. It is possible to detect the approach state of the probe to the sample regardless of the state of conductivity and the like. As a result, according to the second aspect, the control means controls the first moving means so that the probe relatively approaches the sample, and based on the output signal of the frequency detecting means. , The first moving means is controlled so that the approach of the probe to the sample is stopped when the impedance of the sample table reaches a predetermined impedance, so that the probe is automatically moved at a high speed relative to the sample surface. In addition, the probe can be prevented from colliding with the sample, and damage to both the probe and the sample can be prevented.

【0027】また、前記第3の態様によれば、前記第1
の態様と同様に、周波数検出手段から探針と試料との間
の距離のみを示す信号が得られることになる。また、前
記第4の態様によれば、前記第2の態様と同様に、周波
数検出手段から探針と試料との間の距離のみを示す信号
が得られることになる。したがって、前記第3及び第4
の態様では、制御手段の制御によって、試料表面の凹凸
に追従して探針と試料との間の距離が一定に保たれつ
つ、試料表面と略平行な面の方向に探針が試料表面を走
査することになる。このため、前記第3及び第4の態様
によれば、試料の形状情報と分離した、探針に起因した
所望の情報(例えば、SNOMでは試料の光学的情報)
のみを形状情報から分離して得ることができ、しかも、
探針をカンチレバーに設ける必要がないので、探針の種
類に何ら制約がなくなる。
Further, according to the third aspect, the first
As in the case of (1), a signal indicating only the distance between the probe and the sample can be obtained from the frequency detecting means. Further, according to the fourth aspect, similarly to the second aspect, a signal indicating only the distance between the probe and the sample can be obtained from the frequency detecting means. Therefore, the third and fourth
In this mode, the probe controls the sample surface in a direction substantially parallel to the sample surface while keeping the distance between the probe and the sample constant by following the unevenness of the sample surface by the control of the control means. Will be scanned. Therefore, according to the third and fourth aspects, desired information due to the probe separated from the shape information of the sample (for example, optical information of the sample in SNOM).
Can be obtained separately from the shape information, and
Since it is not necessary to provide the probe on the cantilever, there is no restriction on the type of probe.

【0028】前記第3及び第4の態様によれば、原子間
力顕微鏡におけるいわゆるノンコンタクトモードと同様
の探針の移動制御が実現されることになるので、前記第
5の態様のように相対位置に関する情報を得ることによ
って、試料表面の凹凸の形状データも得ることができ、
試料を観察する上で一層好ましい。
According to the third and fourth aspects, since the movement control of the probe similar to the so-called non-contact mode in the atomic force microscope is realized, the relative movement as in the fifth aspect is performed. By obtaining the information on the position, it is possible to obtain the shape data of the unevenness of the sample surface,
It is more preferable for observing the sample.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下、本発明による走査型プロー
ブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A scanning probe microscope according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0030】(実施の形態1)まず、本発明の第1の実
施の形態による走査型近接場光学顕微鏡について、図1
及び図3を参照して説明する。
(Embodiment 1) First, a scanning near-field optical microscope according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG.

【0031】図1は、本実施の形態による走査型近接場
光学顕微鏡を模式的に示す概略構成図である。また、図
3は、水晶振動子のインピーダンス特性を示す図であ
る。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing the scanning near-field optical microscope according to the present embodiment. Further, FIG. 3 is a diagram showing impedance characteristics of the crystal unit.

【0032】本実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡は、試料(図示せず)が搭載される試料台1と、先端
に開口2aを有する探針(光プローブ)2と、試料台1
の表面と垂直なZ方向に探針2を移動させるプローブ駆
動装置3と、試料台1の表面と平行な面の方向であって
互いに直交するX方向及びY方向に独立して試料台1を
移動させる試料台駆動装置4と、を備えている。
The scanning near-field optical microscope according to the present embodiment comprises a sample table 1 on which a sample (not shown) is mounted, a probe (optical probe) 2 having an opening 2a at the tip, and a sample table 1
Probe drive device 3 for moving the probe 2 in the Z direction perpendicular to the surface of the sample table 1, and the sample table 1 independently in the X direction and the Y direction, which are directions of a plane parallel to the surface of the sample table 1 and are orthogonal to each other. And a sample table drive device 4 for moving.

【0033】本実施の形態では、前記プローブ駆動装置
3が試料表面と略垂直な方向に探針2を試料に対して相
対的に移動させる移動手段を構成し、前記試料台駆動装
置4が試料表面と略平行な面の方向に探針2を試料に対
して相対的に移動させる移動手段を構成している。もっ
とも、これらの移動手段は探針2及び試料台4のいずれ
を移動させてもよい。
In the present embodiment, the probe driving device 3 constitutes moving means for moving the probe 2 relative to the sample in a direction substantially perpendicular to the sample surface, and the sample table driving device 4 A moving means for moving the probe 2 relative to the sample in the direction of a surface substantially parallel to the surface is configured. However, these moving means may move either the probe 2 or the sample table 4.

【0034】また、本実施の形態による走査型近接場光
学顕微鏡は、探針2に光を照射して探針2の開口2aか
らエバネッセント波を発生させるための光源(図示せ
ず)と、エバネッセント波による試料表面で反射した反
射光を検出する光検出器5と、図4中のセンサ113及
び光ファイバ110に相当する前記反射光を光検出器5
に導く手段(図示せず)と、を有している。もっとも、
試料台2の背面から全反射条件を満たすように照射光を
入射させて試料表面からエバネッセント波を発生させ、
探針2の開口2aにより検出されたエバネッセント波を
光検出器5に導く構成としてもよい。
Further, the scanning near-field optical microscope according to the present embodiment includes a light source (not shown) for irradiating the probe 2 with light to generate an evanescent wave from the opening 2a of the probe 2, and an evanescent light. The photodetector 5 for detecting the reflected light reflected by the surface of the sample due to the wave, and the reflected light corresponding to the sensor 113 and the optical fiber 110 in FIG.
And a means (not shown) for guiding to. However,
Irradiation light is made incident from the back surface of the sample table 2 so as to satisfy the condition of total reflection, and an evanescent wave is generated from the sample surface,
The evanescent wave detected by the opening 2 a of the probe 2 may be guided to the photodetector 5.

【0035】そして、本実施の形態では、前記試料台1
は、水晶振動子で構成されており、その上面及び下面に
電極1a,1bをそれぞれ有している。試料台1を構成
している水晶振動子は、電極1a,1b間に印加された
電圧に応じてZ方向に振動するようになっている。本実
施の形態では、試料台1が水晶振動子のみで構成されて
いるが、必要に応じて水晶振動子の試料側表面に平板等
を設けた構成としてもよい。もっとも、このような平板
等を設けるとQ値が低下するので、水晶振動子の表面に
直接試料を搭載することが好ましい。
Then, in the present embodiment, the sample table 1
Is composed of a crystal oscillator and has electrodes 1a and 1b on its upper and lower surfaces, respectively. The crystal oscillator constituting the sample stage 1 is adapted to vibrate in the Z direction according to the voltage applied between the electrodes 1a and 1b. In the present embodiment, the sample stage 1 is composed of only the crystal unit, but a flat plate or the like may be provided on the sample-side surface of the crystal unit if necessary. However, since the Q value is lowered by providing such a flat plate or the like, it is preferable to mount the sample directly on the surface of the crystal oscillator.

【0036】また、図1に示すように、本実施の形態に
よる走査型近接場光学顕微鏡は、回路6と、混合器8
と、ローパスフィルタ9と、F/Vコンバータ10と、
制御部11と、操作部12と、処理部13と、表示部1
4とを備えている。
Further, as shown in FIG. 1, the scanning near-field optical microscope according to this embodiment has a circuit 6 and a mixer 8.
, A low-pass filter 9, an F / V converter 10,
Control unit 11, operation unit 12, processing unit 13, and display unit 1
4 is provided.

【0037】回路6の2つの端子6a,6bには水晶振
動子(試料台)1の電極1a,1bがそれぞれ接続さ
れ、回路6は水晶振動子1とともにハートレー型やコル
ピッツ型などの周知の水晶発振回路を構成しており、水
晶振動子1はその共振周波数F0(図3参照)で振動す
ることになる。したがって、本実施の形態では、回路6
が、試料台1を試料台1の共振周波数F0で振動させる
振動手段を構成している。回路6の構成自体は周知であ
るので、その詳細な説明は省略する。回路6の端子6c
は前記水晶発振回路の出力端となっており、端子6cか
ら周波数が共振周波数F0である発振出力が得られる。
The electrodes 1a and 1b of the crystal oscillator (sample stage) 1 are connected to the two terminals 6a and 6b of the circuit 6, respectively, and the circuit 6 together with the crystal oscillator 1 is a well-known crystal such as Hartley type or Colpitts type. It constitutes an oscillation circuit, and the crystal unit 1 vibrates at its resonance frequency F 0 (see FIG. 3). Therefore, in the present embodiment, the circuit 6
However, it constitutes a vibrating means for vibrating the sample table 1 at the resonance frequency F 0 of the sample table 1. Since the configuration itself of the circuit 6 is well known, its detailed description is omitted. Terminal 6c of circuit 6
Is an output terminal of the crystal oscillation circuit, and an oscillation output whose frequency is the resonance frequency F 0 is obtained from the terminal 6c.

【0038】基準周波数発振器7は、基準周波数(本実
施の形態では、探針2が試料表面から遠ざかっていて探
針2と試料表面との間に原子間力が働かない状態におけ
る水晶振動子1の共振周波数F0である周波数f0とされ
ているが、必ずしもこの周波数に限定されない。)を有
する基準周波数信号を出力する。混合器8は、回路6の
端子6cからの発振出力と基準周波数発振器7からの基
準周波数信号を混合し、前記発振出力の周波数F0と前
記基準周波数信号の周波数f0との和と差の周波成分を
有する出力信号を出力する。ローパスフィルタ9は、混
合器8の出力信号のうち前記差の周波数成分を有する信
号のみを濾波して出力する。F/Vコンバータ10は、
混合器8の出力信号の周波数に比例したレベルの電圧を
出力する。
The reference frequency oscillator 7 has a reference frequency (in the present embodiment, the crystal oscillator 1 in a state where the probe 2 is away from the sample surface and no atomic force acts between the probe 2 and the sample surface). there is a frequency f 0 is the resonant frequency F 0 of but not necessarily to output a reference frequency signal having not limited.) this frequency. The mixer 8 mixes the oscillation output from the terminal 6c of the circuit 6 and the reference frequency signal from the reference frequency oscillator 7 to obtain the sum and difference of the frequency F 0 of the oscillation output and the frequency f 0 of the reference frequency signal. An output signal having a frequency component is output. The low-pass filter 9 filters and outputs only the signal having the frequency component of the difference among the output signals of the mixer 8. The F / V converter 10 is
A voltage having a level proportional to the frequency of the output signal of the mixer 8 is output.

【0039】今、水晶振動子1の共振周波数F0がf0
らf0+Δf0に変化したとすると、混合器8の出力信号
は2f0+Δf0の周波数成分とΔf0の周波数成分とを
有し、ローパスフィルタ9はΔf0の周波数成分を有す
る信号のみを出力し、F/Vコンバータ10の出力はΔ
0に比例したレベルの電圧となる。ここで、Δf0は、
探針2が試料表面から遠ざかっていて探針2と試料表面
との間に原子間力が働かない状態における水晶振動子1
の共振周波数F0である周波数f0に対する、実際の状態
の水晶振動子1の共振周波数F0である周波数f0+Δf
0の変化分であるので、F/Vコンバータ10の出力
は、その変化分Δf0を示し、結局、水晶振動子1の共
振周波数F0に応じた信号となる。
Now, assuming that the resonance frequency F 0 of the crystal unit 1 changes from f 0 to f 0 + Δf 0 , the output signal of the mixer 8 has a frequency component of 2f 0 + Δf 0 and a frequency component of Δf 0. The low-pass filter 9 outputs only a signal having a frequency component of Δf 0 , and the output of the F / V converter 10 is Δ
The voltage has a level proportional to f 0 . Where Δf 0 is
Crystal oscillator 1 in a state in which the probe 2 is away from the sample surface and no atomic force acts between the probe 2 and the sample surface
For the frequency f 0 is the resonant frequency F 0 of the resonant frequency F 0 of the crystal oscillator 1 of the actual state frequency f 0 + Delta] f
Since the change amount is 0 , the output of the F / V converter 10 indicates the change amount Δf 0 , and eventually becomes a signal corresponding to the resonance frequency F 0 of the crystal resonator 1.

【0040】以上の説明からわかるように、本実施の形
態では、混合器8、ローパスフィルタ9及びF/Vコン
バータ10が試料台1の共振周波数F0に応じた信号を
出力する周波数検出手段を構成している。もっとも、周
波数検出手段の構成はこれに限定されるものではない。
As can be seen from the above description, in the present embodiment, the mixer 8, the low-pass filter 9 and the F / V converter 10 are provided with frequency detecting means for outputting a signal corresponding to the resonance frequency F 0 of the sample stage 1. I am configuring. However, the configuration of the frequency detecting means is not limited to this.

【0041】操作部12は、マウスやキーボードなどか
らなり、測定者の操作に応じて、測定開始時に探針2を
試料に接近させる旨の指令(以下、「接近指令」とい
う。)や測定開始指令などの各種に指令を入力する。
The operation unit 12 is composed of a mouse, a keyboard and the like, and has a command (hereinafter, referred to as "approach command") to bring the probe 2 closer to the sample at the start of measurement and a measurement start according to the operation of the measurer. Input commands to various commands.

【0042】制御部11は、操作部12からの接近指令
に応答して探針2が試料に対して接近するようにプロー
ブ駆動装置3を制御する。そして、制御部11は、F/
Vコンバータ10の出力信号に基づいて、試料台1の共
振周波数F0が所定周波数となったときに、探針2の試
料に対する接近が停止するようにプローブ駆動装置3を
制御する。すなわち、本実施の形態では、制御部11
は、F/Vコンバータ10の出力信号のレベルが所定レ
ベルとなったときに、プローブ駆動装置3の作動を停止
させる。この所定レベルは、探針2と試料との間の距離
が所望の接近距離となったときに得られるレベルに設定
しておく。
The control unit 11 controls the probe driving device 3 so that the probe 2 approaches the sample in response to the approach command from the operation unit 12. Then, the control unit 11 controls the F /
Based on the output signal of the V converter 10, the probe driving device 3 is controlled so that the approach of the probe 2 to the sample is stopped when the resonance frequency F 0 of the sample table 1 reaches a predetermined frequency. That is, in the present embodiment, the control unit 11
Stops the operation of the probe drive device 3 when the level of the output signal of the F / V converter 10 reaches a predetermined level. This predetermined level is set to a level obtained when the distance between the probe 2 and the sample reaches a desired approach distance.

【0043】また、本実施の形態では、制御部11は、
探針2の試料に対する接近が完了した後に与えられる操
作部12からの測定開始指令に応答して、F/Vコンバ
ータ10の出力信号に基づいてF/Vコンバータ10の
出力信号のレベルが所定レベルとなるようにプローブ駆
動装置3を制御しつつ、X方向及びY方向に探針2が試
料表面を走査するように試料台駆動装置3を制御する。
Further, in this embodiment, the control unit 11 is
In response to the measurement start command from the operation unit 12 given after the approach of the probe 2 to the sample is completed, the level of the output signal of the F / V converter 10 is set to a predetermined level based on the output signal of the F / V converter 10. While controlling the probe driving device 3 so as to be as follows, the sample table driving device 3 is controlled so that the probe 2 scans the sample surface in the X direction and the Y direction.

【0044】なお、制御部11からプローブ駆動装置3
に与えられる制御信号は、探針2の試料表面に対するZ
方向の相対位置を示すことになる。また、制御部11か
らプローブ駆動装置3に与えられる制御信号は、探針2
の試料表面に対するX方向及びY方向の相対位置を示す
ことになる。
From the control unit 11 to the probe driving device 3
The control signal given to the
It indicates the relative position of the direction. Further, the control signal given from the control unit 11 to the probe driving device 3 is the probe 2
Indicates the relative position in the X and Y directions with respect to the sample surface.

【0045】処理部13は、前記測定開始指令に応答し
て、制御部11からの各制御信号及び光検出器5の検出
信号を取り込み、探針2のX方向及びY方向の試料表面
に対する相対位置に応じた光検出器5の検出信号のレベ
ルに関する情報(すなわち、試料の光学的情報)を得る
とともに、探針2のX方向及びY方向の試料表面に対す
る相対位置に応じた探針2のZ方向の試料表面に対する
相対位置に関する情報(すなわち、試料の形状情報)を
得る。そして、これらの情報はCRT等の表示部14に
画像として表示される。
In response to the measurement start command, the processing unit 13 takes in each control signal from the control unit 11 and the detection signal of the photodetector 5 and makes the probe 2 relative to the sample surface in the X and Y directions. Information about the level of the detection signal of the photodetector 5 according to the position (that is, optical information of the sample) is obtained, and the probe 2 according to the relative position of the probe 2 in the X and Y directions with respect to the sample surface is obtained. Information about the relative position in the Z direction with respect to the sample surface (that is, sample shape information) is obtained. Then, these pieces of information are displayed as images on the display unit 14 such as a CRT.

【0046】本実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡によれば、水晶振動子からなる試料台1が回路6によ
り試料台1の共振周波数F0で振動させられ、それに従
って試料台1に搭載された試料も振動する。
According to the scanning near-field optical microscope of the present embodiment, the sample stage 1 made of a crystal oscillator is vibrated at the resonance frequency F 0 of the sample stage 1 by the circuit 6, and the sample stage 1 is mounted on the sample stage 1 accordingly. The sample subjected to vibration also vibrates.

【0047】操作部12からの接近指令に応答して、プ
ローブ駆動装置3が作動して探針2が試料に接近する
と、探針2と試料との間に働く原子間力により試料台1
の共振周波数F0が低周波側にシフトする。この結果、
F/Vコンバータ10の出力電圧のレベルが変化する。
そして、F/Vコンバータ10の出力電圧のレベルが所
定レベルになると、制御部11によりプローブ駆動装置
3が作動停止され、探針2の試料への接近が自動的に停
止される。
In response to the approach command from the operating section 12, when the probe driving device 3 operates and the probe 2 approaches the sample, the atomic force acting between the probe 2 and the sample causes the sample stage 1 to move.
The resonance frequency F 0 of is shifted to the low frequency side. As a result,
The level of the output voltage of the F / V converter 10 changes.
Then, when the level of the output voltage of the F / V converter 10 reaches a predetermined level, the control unit 11 stops the operation of the probe driving device 3 and automatically stops the approach of the probe 2 to the sample.

【0048】水晶振動子のQ値は高く、弱い力が加わっ
ただけでも共振周波数F0の変化は大きい。このため、
F/Vコンバータ10の出力から、探針2の試料への接
近状態を感度良く検出することができる。したがって、
探針2の試料への接近速度を高めても、探針2と試料と
が衝突するおそれがなくなる。また、F/Vコンバータ
10の出力は、探針2と試料との間に働く原子間力に依
存し、探針2と試料との間の距離のみを反映しているの
で、試料の光学的状態にかかわらず、探針2の試料への
接近状態を検出することができる。したがって、この点
からも、探針2と試料とが衝突するおそれがなくなる。
The crystal resonator has a high Q value, and even if a weak force is applied, the resonance frequency F 0 changes greatly. For this reason,
The approach state of the probe 2 to the sample can be detected with high sensitivity from the output of the F / V converter 10. Therefore,
Even if the approach speed of the probe 2 to the sample is increased, there is no possibility of collision between the probe 2 and the sample. Further, the output of the F / V converter 10 depends on the interatomic force acting between the probe 2 and the sample, and reflects only the distance between the probe 2 and the sample. The approach state of the probe 2 to the sample can be detected regardless of the state. Therefore, from this point as well, there is no possibility of collision between the probe 2 and the sample.

【0049】また、本実施の形態によれば、F/Vコン
バータ10の出力信号が探針2と試料との間の距離のみ
を反映している。そして、前述したように、操作部12
からの測定開始指令に応答して、制御部11は、F/V
コンバータ10の出力信号に基づいてF/Vコンバータ
10の出力信号のレベルが所定レベルとなるようにプロ
ーブ駆動装置3を制御しつつ、X方向及びY方向に探針
2が試料表面を走査するように試料台駆動装置3を制御
する。したがって、制御部11の制御によって、試料表
面の凹凸に追従して探針2と試料との間の距離が一定に
保たれつつ、試料表面と略平行な面の方向に探針2が試
料表面を走査することになる。すなわち、原子間力顕微
鏡におけるいわゆるノンコンタクトモードと同様の探針
の移動制御が実現されることになる。このため、処理部
13により得られた試料の光学的情報は、試料の形状情
報と分離したものとなる。
Further, according to the present embodiment, the output signal of the F / V converter 10 reflects only the distance between the probe 2 and the sample. Then, as described above, the operation unit 12
In response to the measurement start command from the control unit 11, the control unit 11 controls the F / V
While controlling the probe driving device 3 so that the level of the output signal of the F / V converter 10 becomes a predetermined level based on the output signal of the converter 10, the probe 2 scans the sample surface in the X and Y directions. Then, the sample stage drive device 3 is controlled. Therefore, under the control of the control unit 11, the probe 2 follows the unevenness of the sample surface and the distance between the probe 2 and the sample is kept constant, while the probe 2 moves in a direction substantially parallel to the sample surface. Will be scanned. That is, the movement control of the probe similar to the so-called non-contact mode in the atomic force microscope is realized. Therefore, the optical information of the sample obtained by the processing unit 13 is separated from the shape information of the sample.

【0050】さらに、本実施の形態では、処理部13に
より試料の形状情報も得ているので、試料を観察する上
で好ましい。もっとも、本発明では、必ずしも試料の形
状情報を得なくてもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the processing unit 13 also obtains the shape information of the sample, which is preferable for observing the sample. However, in the present invention, it is not always necessary to obtain the shape information of the sample.

【0051】(実施の形態2)次に、本発明の第2の実
施の形態による走査型近接場光学顕微鏡について、図2
を参照して説明する。
(Second Embodiment) Next, a scanning type near-field optical microscope according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG.

【0052】図2は本実施の形態による走査型近接場光
学顕微鏡を模式的に示す概略構成図である。図2におい
て、図1中の構成要素と同一又は対応する構成要素には
同一符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing the scanning near-field optical microscope according to this embodiment. 2, constituent elements that are the same as or correspond to the constituent elements in FIG. 1 are assigned the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.

【0053】本実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡が前記第1の実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡と異なるところは、図1中の回路6、混合器8、ロー
パスフィルタ9及びF/Vコンバータ10が削除され、
代わりに、オシレータ21、抵抗22及びロックインア
ンプ23が設けられている点である。
The scanning near-field optical microscope according to the present embodiment differs from the scanning near-field optical microscope according to the first embodiment in that the circuit 6, mixer 8, low-pass filter 9 and F in FIG. / V converter 10 is deleted,
Instead, the oscillator 21, the resistor 22, and the lock-in amplifier 23 are provided.

【0054】水晶振動子1の一方の電極1bが接地さ
れ、水晶振動子1の他方の電極1aが抵抗22を介して
オシレータ21の出力端子に接続されている。オシレー
タ21は、水晶振動子1の発振周波数F0付近の所定周
波数fAの発振出力を出力端子に出力する。したがっ
て、本実施の形態では、オシレータ21及び抵抗22が
試料台1を試料台1の発振周波数F0付近の所定周波数
Aで振動させる振動手段を構成している。なお、本実
施の形態では、前記第1の実施の形態と異なり、水晶振
動子1は、自身の共振周波数で発振するのではなく、オ
シレータ21により常に所定周波数fAで強制的に励振
させられるのである。
One electrode 1b of the crystal oscillator 1 is grounded, and the other electrode 1a of the crystal oscillator 1 is connected to the output terminal of the oscillator 21 via the resistor 22. The oscillator 21 outputs an oscillation output having a predetermined frequency f A near the oscillation frequency F 0 of the crystal unit 1 to an output terminal. Therefore, in the present embodiment, the oscillator 21 and the resistor 22 constitute a vibrating means for vibrating the sample table 1 at a predetermined frequency f A near the oscillation frequency F 0 of the sample table 1. In the present embodiment, unlike the first embodiment, the crystal unit 1 does not oscillate at its own resonance frequency, but is always forcedly excited by the oscillator 21 at the predetermined frequency f A. Of.

【0055】また、本実施の形態では、オシレータ21
の出力端子はロックインアンプ23のレファレンス入力
端子23aに接続され、ロックインアンプ23の入力端
子23bは水晶振動子1の電極1aに接続され、ロック
インアンプ23の出力端子23cが制御部11に接続さ
れている。ロックインアンプ23は、入力端子23bに
入力された信号の周波数成分のうちレファレンス入力端
子23aに入力された信号の周波数と同じ周波数成分の
振幅に比例したレベルの直流電圧を出力端子23cに出
力するものである。したがって、水晶振動子インピーダ
ンスをZ、オシレータの電圧をVとすると、ロックイン
アンプ23の出力端子23cから、{Z/(Z+R)}
・Vに比例した直流電圧が得られ、水晶振動子1のイン
ピーダンスに応じたレベルの電圧が得られることにな
る。以上の説明からわかるように、本実施の形態では、
ロックインアンプ23が水晶振動子1のインピーダンス
に応じた信号を出力するインピーダンス検出手段を構成
している。もっとも、本発明では、インピーダンス検出
手段の構成はこれに限定されるものではない。
Further, in the present embodiment, the oscillator 21
Of the lock-in amplifier 23 is connected to the reference input terminal 23a of the lock-in amplifier 23, the input terminal 23b of the lock-in amplifier 23 is connected to the electrode 1a of the crystal unit 1, and the output terminal 23c of the lock-in amplifier 23 is connected to the control unit 11. It is connected. The lock-in amplifier 23 outputs, to the output terminal 23c, a DC voltage having a level proportional to the amplitude of the same frequency component as the frequency of the signal input to the reference input terminal 23a among the frequency components of the signal input to the input terminal 23b. It is a thing. Therefore, assuming that the crystal oscillator impedance is Z and the oscillator voltage is V, {Z / (Z + R)} is output from the output terminal 23c of the lock-in amplifier 23.
A DC voltage proportional to V is obtained, and a voltage of a level corresponding to the impedance of the crystal unit 1 is obtained. As can be seen from the above description, in the present embodiment,
The lock-in amplifier 23 constitutes impedance detecting means for outputting a signal corresponding to the impedance of the crystal unit 1. However, in the present invention, the configuration of the impedance detecting means is not limited to this.

【0056】さらに、本実施の形態では、制御部11
は、ロックインアンプ23の出力信号に基づいて、試料
台1のインピーダンスが所定周波数となったときに、探
針2の試料に対する接近が停止するようにプローブ駆動
装置3を制御する。すなわち、本実施の形態では、制御
部11は、ロックインアンプ23の出力信号のレベルが
所定レベルとなったときに、プローブ駆動装置3の作動
を停止させる。この所定レベルは、探針2と試料との間
の距離が所望の接近距離となったときに得られるレベル
に設定しておく。
Further, in the present embodiment, the control unit 11
Controls the probe driving device 3 based on the output signal of the lock-in amplifier 23 so that the probe 2 stops approaching the sample when the impedance of the sample table 1 reaches a predetermined frequency. That is, in the present embodiment, the control unit 11 stops the operation of the probe driving device 3 when the level of the output signal of the lock-in amplifier 23 reaches the predetermined level. This predetermined level is set to a level obtained when the distance between the probe 2 and the sample reaches a desired approach distance.

【0057】また、本実施の形態では、制御部11は、
探針2の試料に対する接近が完了した後に与えられる操
作部12からの測定開始指令に応答して、ロックインア
ンプ23の出力信号に基づいてロックインアンプ23の
出力信号のレベルが所定レベルとなるようにプローブ駆
動装置3を制御しつつ、X方向及びY方向に探針2が試
料表面を走査するように試料台駆動装置3を制御する。
Further, in this embodiment, the control unit 11 is
The level of the output signal of the lock-in amplifier 23 becomes a predetermined level based on the output signal of the lock-in amplifier 23 in response to the measurement start command given from the operation unit 12 after the approach of the probe 2 to the sample is completed. While controlling the probe driving device 3 in this manner, the sample stage driving device 3 is controlled so that the probe 2 scans the sample surface in the X and Y directions.

【0058】以上説明した点以外については、本実施の
形態は前記第1の実施の形態と全く同じである。
Except for the points described above, this embodiment is exactly the same as the first embodiment.

【0059】本実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡によれば、水晶振動子からなる試料台1がオシレータ
21及び抵抗22により試料台1の共振周波数F0付近
の所定周波数fAで振動させられ、それに従って試料台
1に搭載された試料も振動する。
According to the scanning near-field optical microscope of the present embodiment, the sample stage 1 made of a crystal oscillator is vibrated at a predetermined frequency f A near the resonance frequency F 0 of the sample stage 1 by the oscillator 21 and the resistor 22. The sample mounted on the sample table 1 also vibrates accordingly.

【0060】操作部12からの接近指令に応答して、プ
ローブ駆動装置3が作動して探針2が試料に接近する
と、探針2と試料との間に働く原子間力により試料台1
の共振周波数F0が低周波側にシフトする。すなわち、
水晶振動子1のインピーダンスが変化する。この結果、
ロックインアンプ23の出力電圧のレベルが変化する。
そして、ロックインアンプ23の出力電圧のレベルが所
定レベルになると、制御部11によりプローブ駆動装置
3が作動停止され、探針2の試料への接近が自動的に停
止される。
In response to the approach command from the operation unit 12, when the probe driving device 3 operates and the probe 2 approaches the sample, the atomic force acting between the probe 2 and the sample causes the sample table 1 to move.
The resonance frequency F 0 of is shifted to the low frequency side. That is,
The impedance of the crystal unit 1 changes. As a result,
The level of the output voltage of the lock-in amplifier 23 changes.
Then, when the level of the output voltage of the lock-in amplifier 23 reaches a predetermined level, the control unit 11 stops the operation of the probe driving device 3 and automatically stops the approach of the probe 2 to the sample.

【0061】水晶振動子のQ値は高く、弱い力が加わっ
ただけでも共振周波数F0の変化は大きく、試料台1の
インピーダンスの変化は大きい。このため、ロックイン
アンプ23の出力から、探針2の試料への接近状態を感
度良く検出することができる。したがって、探針2の試
料への接近速度を高めても、探針2と試料とが衝突する
おそれがなくなる。また、ロックインアンプ23の出力
は、探針2と試料との間に働く原子間力に依存し、探針
2と試料との間の距離のみを反映しているので、試料の
光学的状態にかかわらず、探針2の試料への接近状態を
検出することができる。したがって、この点からも、探
針2と試料とが衝突するおそれがなくなる。
The Q value of the crystal unit is high, the change in the resonance frequency F 0 is large even when a weak force is applied, and the change in the impedance of the sample stage 1 is large. Therefore, the approach state of the probe 2 to the sample can be detected with high sensitivity from the output of the lock-in amplifier 23. Therefore, even if the approach speed of the probe 2 to the sample is increased, there is no possibility of collision between the probe 2 and the sample. The output of the lock-in amplifier 23 depends on the interatomic force acting between the probe 2 and the sample, and reflects only the distance between the probe 2 and the sample. However, it is possible to detect the approach state of the probe 2 to the sample. Therefore, from this point as well, there is no possibility of collision between the probe 2 and the sample.

【0062】また、本実施の形態によれば、ロックイン
アンプ23の出力信号が探針2と試料との間の距離のみ
を反映している。そして、前述したように、操作部12
からの測定開始指令に応答して、制御部11は、ロック
インアンプ23の出力信号に基づいてロックインアンプ
23の出力信号のレベルが所定レベルとなるようにプロ
ーブ駆動装置3を制御しつつ、X方向及びY方向に探針
2が試料表面を走査するように試料台駆動装置3を制御
する。したがって、制御部11の制御によって、試料表
面の凹凸に追従して探針2と試料との間の距離が一定に
保たれつつ、試料表面と略平行な面の方向に探針2が試
料表面を走査することになる。すなわち、原子間力顕微
鏡におけるいわゆるノンコンタクトモードと同様の探針
の移動制御が実現されることになる。このため、処理部
13により得られた試料の光学的情報は、試料の形状情
報と分離したものとなる。
Further, according to the present embodiment, the output signal of the lock-in amplifier 23 reflects only the distance between the probe 2 and the sample. Then, as described above, the operation unit 12
In response to the measurement start command from the control unit 11, the control unit 11 controls the probe drive device 3 so that the level of the output signal of the lock-in amplifier 23 becomes a predetermined level based on the output signal of the lock-in amplifier 23. The sample stage drive device 3 is controlled so that the probe 2 scans the sample surface in the X and Y directions. Therefore, under the control of the control unit 11, the probe 2 follows the unevenness of the sample surface and the distance between the probe 2 and the sample is kept constant, while the probe 2 moves in a direction substantially parallel to the sample surface. Will be scanned. That is, the movement control of the probe similar to the so-called non-contact mode in the atomic force microscope is realized. Therefore, the optical information of the sample obtained by the processing unit 13 is separated from the shape information of the sample.

【0063】さらに、本実施の形態においても、処理部
13により試料の形状情報も得ているので、試料を観察
する上で好ましい。
Further, also in the present embodiment, the shape information of the sample is obtained by the processing unit 13, which is preferable for observing the sample.

【0064】以上本発明の各実施の形態について説明し
たが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもので
はない。
Although the respective embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.

【0065】例えば、前述した各実施の形態では、試料
の形状情報と分離した試料の光学的な情報の取得と探針
3の自動接近の両方を同時に達成するものであったが、
本発明は、それらの一方のみを達成するものであっても
よい。
For example, in each of the above-described embodiments, both acquisition of the shape information of the sample and optical information of the separated sample and automatic approach of the probe 3 are achieved at the same time.
The present invention may achieve only one of them.

【0066】また、前述した各実施の形態は本発明を走
査型近接場光学顕微鏡に適用した例であったが、本発明
は、走査型トンネル顕微鏡やその他の種々の走査型プロ
ーブ顕微鏡に適用することもできる。
Although the above-described embodiments are examples in which the present invention is applied to the scanning near-field optical microscope, the present invention is applied to the scanning tunnel microscope and other various scanning probe microscopes. You can also

【0067】[0067]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
探針を高速に試料表面に対して相対的に自動的に接近さ
せることができ、しかも、探針が試料に衝突するおそれ
がなくなる。
As described above, according to the present invention,
The probe can be brought relatively close to the sample surface automatically at high speed, and there is no risk of the probe colliding with the sample.

【0068】また、本発明によれば、探針の種類に制約
を受けることなく、試料の形状情報と分離した所望の情
報のみを得ることができる。
Further, according to the present invention, it is possible to obtain only desired information separated from the shape information of the sample without being restricted by the type of the probe.

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

【図1】本発明の第1の実施の形態による走査型近接場
光学顕微鏡を模式的に示す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing a scanning near-field optical microscope according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施の形態による走査型近接場
光学顕微鏡を模式的に示す概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing a scanning near-field optical microscope according to a second embodiment of the present invention.

【図3】水晶振動子のインピーダンス特性を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing impedance characteristics of a crystal unit.

【図4】従来の走査型近接場光学顕微鏡を示す概略構成
図である。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a conventional scanning near-field optical microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 試料台(水晶振動子) 2 探針 3 プローブ駆動装置 4 試料台駆動装置 5 光検出器 6 回路 7 基準周波数発振器 8 混合器 9 ローパスフィルタ 10 F/Vコンバータ 11 制御部 12 操作部 13 処理部 14 表示部 21 オシレータ 22 抵抗 23 ロックインアンプ 1 sample stage (quartz oscillator) 2 probe 3 probe drive device 4 sample stage drive device 5 photodetector 6 circuit 7 reference frequency oscillator 8 mixer 9 low-pass filter 10 F / V converter 11 control unit 12 operation unit 13 processing unit 14 Display 21 Oscillator 22 Resistor 23 Lock-in amplifier

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料が搭載される試料台と、探針と、試
料表面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相
対的に移動させる第1の移動手段と、前記試料表面と略
平行な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に
移動させる第2の移動手段と、を備えた走査型プローブ
顕微鏡において、 前記試料台が水晶振動子からなり、 前記試料台を前記試料台の共振周波数で振動させる振動
手段と、 前記試料台の共振周波数に応じた信号を出力する周波数
検出手段と、 指令信号に応答して前記探針が前記試料に対して相対的
に接近するように前記第1の移動手段を制御するととも
に、前記周波数検出手段の出力信号に基づいて、前記試
料台の共振周波数が所定周波数となったときに、前記探
針の前記試料に対する接近が停止するように前記第1の
移動手段を制御する制御手段と、 を更に備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
1. A sample stage on which a sample is mounted, a probe, first moving means for moving the probe relative to the sample in a direction substantially perpendicular to the sample surface, and the sample surface. A second moving means for moving the probe relative to the sample in a direction substantially parallel to the sample, wherein the sample stage is made of a quartz oscillator, Vibrating means for vibrating the stage at the resonance frequency of the sample stage, frequency detecting means for outputting a signal according to the resonance frequency of the sample stage, and the probe relative to the sample in response to a command signal. The first moving means is controlled so as to approach the sample, and the probe approaches the sample when the resonance frequency of the sample table reaches a predetermined frequency based on the output signal of the frequency detecting means. Said to stop Scanning probe microscope for and control means for controlling the moving means, and further comprising a.
【請求項2】 試料が搭載される試料台と、探針と、試
料表面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相
対的に移動させる第1の移動手段と、前記試料表面と略
平行な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に
移動させる第2の移動手段と、を備えた走査型プローブ
顕微鏡において、 前記試料台が水晶振動子からなり、 前記試料台を前記試料台の共振周波数付近の所定周波数
で振動させる振動手段と、 前記試料台のインピーダンスに応じた信号を出力するイ
ンピーダンス検出手段と、 指令信号に応答して前記探針が前記試料に対して相対的
に接近するように前記第1の移動手段を制御するととも
に、前記インピーダンス検出手段の出力信号に基づい
て、前記試料台のインピーダンスが所定インピーダンス
となったときに、前記探針の前記試料に対する接近が停
止するように前記第1の移動手段を制御する制御手段
と、 を更に備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. A sample stage on which a sample is mounted, a probe, first moving means for moving the probe relative to the sample in a direction substantially perpendicular to the sample surface, and the sample surface. A second moving means for moving the probe relative to the sample in a direction substantially parallel to the sample, wherein the sample stage is made of a quartz oscillator, Vibrating means for vibrating the table at a predetermined frequency near the resonance frequency of the sample table, impedance detecting means for outputting a signal corresponding to the impedance of the sample table, and the probe with respect to the sample in response to a command signal. The first moving means so as to relatively approach each other, and when the impedance of the sample stage reaches a predetermined impedance based on the output signal of the impedance detecting means, Scanning probe microscope characterized in that the approach with respect to the sample needle is further provided with a control means for controlling the first moving means so as to stop, the.
【請求項3】 試料が搭載される試料台と、探針と、試
料表面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相
対的に移動させる第1の移動手段と、前記試料表面と略
平行な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に
移動させる第2の移動手段と、を備えた走査型プローブ
顕微鏡において、 前記試料台が水晶振動子からなり、 前記試料台を前記試料台の共振周波数で振動させる振動
手段と、 前記試料台の共振周波数に応じた信号を出力する周波数
検出手段と、 前記周波数検出手段の出力信号に基づいて前記試料台の
共振周波数が所定の周波数となるように前記第1の移動
手段を制御しつつ、前記試料表面と略平行な面の方向に
前記探針が試料表面を走査するように前記第2の移動手
段を制御する制御手段と、 を更に備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. A sample stage on which a sample is mounted, a probe, first moving means for moving the probe relative to the sample in a direction substantially perpendicular to the sample surface, and the sample surface. A second moving means for moving the probe relative to the sample in a direction substantially parallel to the sample, wherein the sample stage is made of a quartz oscillator, A vibrating unit that vibrates the table at the resonance frequency of the sample table, a frequency detecting unit that outputs a signal corresponding to the resonance frequency of the sample table, and a resonance frequency of the sample table based on the output signal of the frequency detecting unit. Control for controlling the second moving means so that the probe scans the sample surface in a direction substantially parallel to the sample surface while controlling the first moving means so as to have a predetermined frequency. Characterized by further comprising: Scanning probe microscope.
【請求項4】 試料が搭載される試料台と、探針と、試
料表面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相
対的に移動させる第1の移動手段と、前記試料表面と略
平行な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に
移動させる第2の移動手段と、を備えた走査型プローブ
顕微鏡において、 前記試料台が水晶振動子からなり、 前記試料台を前記試料台の共振周波数付近の所定周波数
で振動させる振動手段と、 前記試料台のインピーダンスに応じた信号を出力するイ
ンピーダンス検出手段と、 前記インピーダンス検出手段の出力信号に基づいて前記
試料台のインピーダンスが所定のインピーダンスとなる
ように前記第1の移動手段を制御しつつ、前記試料表面
と略平行な面の方向に前記探針が試料表面を走査するよ
うに前記第2の移動手段を制御する制御手段と、 を更に備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. A sample stage on which a sample is mounted, a probe, first moving means for moving the probe relatively to the sample in a direction substantially perpendicular to the sample surface, and the sample surface. A second moving means for moving the probe relative to the sample in a direction substantially parallel to the sample, wherein the sample stage is made of a quartz oscillator, Vibrating means for vibrating the table at a predetermined frequency near the resonance frequency of the sample table, impedance detecting means for outputting a signal according to the impedance of the sample table, and the sample table of the sample table based on the output signal of the impedance detecting means. While controlling the first moving means so that the impedance becomes a predetermined impedance, the second movement is performed so that the probe scans the sample surface in a direction of a plane substantially parallel to the sample surface. Scanning probe microscope characterized in that it further comprises a control means for controlling the stage, the.
【請求項5】 前記試料表面と略平行な面の方向におけ
る前記探針の前記試料表面に対する相対位置に応じた、
前記試料表面と略垂直な方向の前記探針の前記試料表面
に対する相対位置に関する情報を得る手段を、更に備え
たことを特徴とする請求項3又は4記載の走査型プロー
ブ顕微鏡。
5. According to the relative position of the probe with respect to the sample surface in the direction of a plane substantially parallel to the sample surface,
5. The scanning probe microscope according to claim 3, further comprising means for obtaining information on a relative position of the probe with respect to the sample surface in a direction substantially perpendicular to the sample surface.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7687767B2 (en) * 2002-12-20 2010-03-30 Agilent Technologies, Inc. Fast scanning stage for a scanning probe microscope

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