JPH1138021A - Scanning probe microscope and approach mechanism thereof - Google Patents
Scanning probe microscope and approach mechanism thereofInfo
- Publication number
- JPH1138021A JPH1138021A JP20996597A JP20996597A JPH1138021A JP H1138021 A JPH1138021 A JP H1138021A JP 20996597 A JP20996597 A JP 20996597A JP 20996597 A JP20996597 A JP 20996597A JP H1138021 A JPH1138021 A JP H1138021A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cantilever
- sample
- approach
- long
- short
- 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
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡とその接近機構に関し、特に、大気中で測定動作する
原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡でカンチレバ
ーと試料の接近を高速に行う接近機構に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope and an approach mechanism thereof, and more particularly, to an approach mechanism for rapidly approaching a cantilever and a sample in a scanning probe microscope such as an atomic force microscope operating in the atmosphere. About.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の接近機構の一例が特開平6−34
1808号公報に示される。この接近機構は、走査型ト
ンネル顕微鏡で使用される接近機構であり、簡単な構成
で探針を試料に接近させることができる。この走査型ト
ンネル顕微鏡では、探針が取り付けられた保持部材に、
探針と同様に先部が試料に向かうように配置された支持
捩子棒を設け、かつ当該支持捩子棒の先部を探針先端よ
りも少し突出するようにしておく。保持部材は板バネを
介して移動用ブランケットに取り付けられている。移動
用ブランケットはレールに沿って移動し、これにより移
動機構が構成される。この移動機構の動作で探針が試料
に接近するとき、同時に支持捩子棒も試料に接近する。
支持捩子棒の先部は、探針よりも先に試料の表面に接触
する。支持捩子棒の先端が試料表面に接触すると、上記
板バネが湾曲する。板バネが湾曲すると、板バネに付設
されたセンサによって当該湾曲変形が検出され、支持捩
子棒の先部が試料表面に接触したことがわかる。その結
果、移動機構の動作が停止状態となり、探針は試料の表
面にかなり接近した状態で停止させられる。その後は、
支持捩子棒は、DCサーボモータによって、その先部が
試料表面から離れるように後退させられる。さらにその
後、探針の先端を試料表面に接近させる動作が移動機構
によって行われる。2. Description of the Related Art An example of a conventional approach mechanism is disclosed in JP-A-6-34.
No. 1808. This approach mechanism is an approach mechanism used in a scanning tunneling microscope, and allows the probe to approach the sample with a simple configuration. In this scanning tunneling microscope, the holding member to which the probe is attached
Similarly to the probe, a support screw rod is provided such that the tip is directed toward the sample, and the tip of the support screw rod is made to slightly project from the tip of the probe. The holding member is attached to the moving blanket via a leaf spring. The moving blanket moves along the rail, thereby forming a moving mechanism. When the probe approaches the sample by the operation of the moving mechanism, the supporting screw bar also approaches the sample at the same time.
The tip of the supporting screw bar contacts the surface of the sample before the probe. When the tip of the supporting screw bar comes into contact with the sample surface, the leaf spring bends. When the leaf spring bends, the curve deformation is detected by a sensor attached to the leaf spring, and it can be seen that the tip of the supporting screw bar has come into contact with the sample surface. As a result, the operation of the moving mechanism is stopped, and the probe is stopped in a state in which the probe is quite close to the surface of the sample. After that,
The supporting screw rod is retracted by a DC servomotor so that its tip is separated from the sample surface. Further, thereafter, an operation of bringing the tip of the probe close to the sample surface is performed by the moving mechanism.
【0003】上記構成では、探針を試料に接近させると
き、探針の先端よりも試料側に若干突出させた支持捩子
棒を備えることにより、先に支持捩子棒を試料に接触さ
せるようにしたので、高速の移動で探針を試料に対して
できる限り近くに接近させることができる。その後は、
支持捩子棒を後退させ、探針のみを試料表面に近付ける
ようにする。In the above configuration, when the probe is brought close to the sample, the supporting screw rod is provided so as to slightly protrude toward the sample from the tip of the probe, so that the supporting screw rod is brought into contact with the sample first. Therefore, the probe can be brought as close as possible to the sample by high-speed movement. After that,
The supporting screw rod is retracted so that only the probe approaches the sample surface.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】前述の従来の走査型ト
ンネル顕微鏡の接近機構は、探針よりも先に試料に接触
するセンサ(支持捩子棒)を設けることにより、試料に
対する探針の接近動作において、精度の高い接近および
高速な接近を行える。しかし、その図1に示されるごと
く、探針を備えた保持部材、支持捩子棒およびその関連
部分の構成が複雑となり、重量が大きくなるという問題
を有していた。さらに走査型プローブ顕微鏡として考え
るとき、通常、プローブ顕微鏡は光学顕微鏡等と組み合
わせて使用されるので、上記構成の複雑さが装置設計上
の構成の自由度を制限するという問題を有していた。The approach mechanism of the above-described conventional scanning tunneling microscope has a sensor (supporting screw rod) that comes into contact with the sample prior to the probe, so that the probe approaches the sample. In operation, high-precision approach and high-speed approach can be performed. However, as shown in FIG. 1, the structure of the holding member provided with the probe, the supporting screw rod and its related parts is complicated, and there is a problem that the weight increases. Further, when considered as a scanning probe microscope, since the probe microscope is usually used in combination with an optical microscope or the like, there has been a problem that the complexity of the above configuration limits the degree of freedom in the configuration of the apparatus.
【0005】また原子間力顕微鏡のごときカンチレバー
を利用して構成される走査型プローブ顕微鏡の場合に
は、他の問題が提起される。市販のカンチレバーは、半
導体素子の製造技術であるバッチ処理で製造されるた
め、1つのチップに、長さの異なる複数のカンチレバー
が組み込まれているのが一般的である。ここで、長短1
組のカンチレバーが組み込まれてなるチップを想定する
とき、前述の従来の接近機構の構成を考慮して、長いカ
ンチレバーを接近用の予備的センサ、短いカンチレバー
を本来の観察用のセンサとして使えることは容易に推測
できる。しかし、このような構成を光てこ式検出光学系
を利用してなる原子間力顕微鏡に採用すると、長短の各
カンチレバーのための光学系が2組必要となる。従っ
て、構成が複雑で大がかりとなり、また装置を作動状態
にセットするための調整が面倒で使いづらいものとな
る。In the case of a scanning probe microscope constructed using a cantilever such as an atomic force microscope, another problem is raised. Since commercially available cantilevers are manufactured by batch processing, which is a semiconductor element manufacturing technology, a single chip generally incorporates a plurality of cantilevers having different lengths. Here, long and short 1
When assuming a chip that incorporates a set of cantilevers, considering the configuration of the conventional approach mechanism described above, it is not possible to use a long cantilever as a preliminary sensor for approach and a short cantilever as a sensor for original observation. You can easily guess. However, if such a configuration is adopted in an atomic force microscope using an optical lever type detection optical system, two sets of optical systems for each of the long and short cantilevers are required. Therefore, the configuration becomes complicated and large, and adjustment for setting the apparatus in the operation state is troublesome and difficult to use.
【0006】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、市販のカンチレバーチップを利用し、構成が
簡単であって、調整が容易であり、装置設計上の構成の
自由度が高く、探針の高速な接近移動と高い精度の接近
を可能にする走査型プローブ顕微鏡、およびその接近機
構を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to use a commercially available cantilever tip, to have a simple configuration, to be easily adjusted, and to have a high degree of freedom in the configuration of the apparatus. Another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope that enables a high-speed approach movement of a probe and a high-precision approach, and an approach mechanism thereof.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段および作用】第1の本発明
(請求項1に対応)に係る走査型プローブ顕微鏡は、上
記の目的を達成するために、先部に探針を備えた測定用
カンチレバー(短形カンチレバー)とこの測定用カンチ
レバーの動作を検出する検出機構(光てこ式検出光学
系)を備え、試料ステージ上の試料と、測定用カンチレ
バーのいずれか一方を移動機構(例えば試料ステージ)
で移動させて両者を接近させるように構成され、さら
に、測定用カンチレバーに対して並設された、測定用カ
ンチレバーよりも長形の接近監視用カンチレバー(長形
カンチレバー)と、接近監視用カンチレバーをその共振
周波数で振動させる加振手段と、測定用カンチレバーの
共振周波数と接近監視用カンチレバーの共振周波数を加
えてなる周波数の音波を発生する音源と、検出機構の出
力信号に基づいて接近監視用カンチレバーが試料に接触
したことを検出する判定手段を備えるように構成され
る。A scanning probe microscope according to a first aspect of the present invention (corresponding to claim 1) has a tip provided with a probe in order to achieve the above object. A cantilever (short cantilever) and a detection mechanism (optical lever type detection optical system) for detecting the operation of the measurement cantilever are provided, and one of the sample on the sample stage and the measurement cantilever is moved by a moving mechanism (for example, a sample stage). )
And a proximity cantilever longer than the measurement cantilever (long cantilever) and a proximity cantilever, which are arranged side by side with the measurement cantilever. Exciting means for vibrating at the resonance frequency, a sound source for generating a sound wave having a frequency obtained by adding the resonance frequency of the measurement cantilever and the resonance frequency of the proximity monitoring cantilever, and a proximity monitoring cantilever based on an output signal of the detection mechanism. Is configured to include a determination unit that detects that the device contacts the sample.
【0008】第2の本発明(請求項2に対応)に係る走
査型プローブ顕微鏡は、第1の発明において、測定用カ
ンチレバーは、振動する接近監視用カンチレバーから発
生する音波と音源から発生する音波との干渉で生じる音
波により、その共振周波数で振動する。According to a second aspect of the present invention (corresponding to claim 2), in the scanning probe microscope according to the first aspect, the measuring cantilever includes a sound wave generated from a vibrating approach monitoring cantilever and a sound wave generated from a sound source. Vibrates at its resonance frequency due to sound waves generated by interference with
【0009】第3の本発明(請求項3に対応)に係る走
査型プローブ顕微鏡は、第1または第2の発明におい
て、判定手段は、接近監視用カンチレバーが試料に接触
したことを検出したとき、移動機構の動作を停止させ
る。A third aspect of the present invention (corresponding to claim 3) is the scanning probe microscope according to the first or second aspect, wherein the judging means detects that the approach monitoring cantilever has come into contact with the sample. Then, the operation of the moving mechanism is stopped.
【0010】第4の本発明(請求項4に対応)に係る走
査型プローブ顕微鏡は、第1の発明において、測定用カ
ンチレバーと接近監視用カンチレバーはカンチレバーチ
ップとして一体で形成されることを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention (corresponding to claim 4), in the scanning probe microscope according to the first aspect, the measuring cantilever and the approach monitoring cantilever are integrally formed as a cantilever tip. I do.
【0011】さらに本発明(請求項5に対応)に係る走
査型プローブ顕微鏡の接近機構は、それぞれ先部に探針
を備えた短形カンチレバーと長形カンチレバーを備える
カンチレバーチップと、短形カンチレバーの動作を検出
する検出機構と、カンチレバーチップと試料を接近させ
る移動機構と、カンチレバーチップに対して長形カンチ
レバーの共振周波数の振動を与え、長形カンチレバーを
振動させる加振手段と、短形カンチレバーの共振周波数
と長形カンチレバーの共振周波数を加えてなる周波数の
音波を発生する音源と、検出機構の出力信号に基づいて
長形カンチレバーが試料に接触したことを検出する判定
手段とを備える。この構成において、短形カンチレバー
は、振動する長形カンチレバーから発生する音波と音源
から発生する音波との干渉で生じる音波により、その共
振周波数で振動し、さらに判定手段は、長形カンチレバ
ーが試料に接触したことを検出機構の出力信号に基づい
て検出したとき、移動機構の動作を停止させる。Further, the approaching mechanism of the scanning probe microscope according to the present invention (corresponding to claim 5) comprises a short cantilever having a probe at the tip and a cantilever tip having a long cantilever, and a short cantilever having a short cantilever. A detecting mechanism for detecting the operation, a moving mechanism for bringing the cantilever tip closer to the sample, a vibration means for applying vibration of the resonance frequency of the long cantilever to the cantilever chip, and vibrating the long cantilever, and a vibration mechanism for the short cantilever. The sound source includes a sound source that generates a sound wave having a frequency obtained by adding the resonance frequency and the resonance frequency of the long cantilever, and a determination unit that detects that the long cantilever has come into contact with the sample based on an output signal of the detection mechanism. In this configuration, the short cantilever vibrates at its resonance frequency due to the sound wave generated by the interference between the sound wave generated from the vibrating long cantilever and the sound wave generated from the sound source. When the contact is detected based on the output signal of the detection mechanism, the operation of the moving mechanism is stopped.
【0012】本発明による接近機構または当該接近機構
を備えた走査型プローブ顕微鏡では、測定用の短形カン
チレバーと、接近監視用の長形カンチレバーを備えるよ
うに構成し、2つのカンチレバーは所定の位置関係を保
つように好ましくは一体的に設けられる。光てこ式の検
出機構は測定用の短形カンチレバーのみに付設され、当
該検出機構は短形カンチレバーの動作を検出し、その検
出信号を判定手段に与える。短形カンチレバーおよび長
形カンチレバーと試料とを接近させるとき、短形カンチ
レバーと長形カンチレバーには振動が与えられている。
接近監視用の長形カンチレバーは加振手段によりその共
振周波数で振動しており、それ自体、当該共振周波数の
音波を発生している。他方、別途に上記音源を備えるこ
とにより、音源の発生する音波と、長形カンチレバーの
発生する音波により、短形カンチレバーの共振周波数と
一致する周波数の音波が生成され、この音波によって短
形カンチレバーは振動させられる。測定用の短形カンチ
レバーの動作は上記検出機構によって検出されるので、
短形カンチレバーがその共振周波数で振動しているか否
かも検出機構によってモニタされる。2つのカンチレバ
ーと試料が接近するとき、最初に長形カンチレバーが試
料に接触する。長形カンチレバーは、試料に接触する
と、その振動が停止する。長形カンチレバーの振動がな
くなると、必然的に短形カンチレバーの振動も停止す
る。従って、検出機構によって測定用の短形カンチレバ
ーの動作を監視していると、測定用の短形カンチレバー
と試料との接近状態を正確に知ることができ、これによ
り高速な接近および正確なかつ安全な接近を行うことが
できる。The approaching mechanism according to the present invention or the scanning probe microscope equipped with the approaching mechanism has a short cantilever for measurement and a long cantilever for monitoring approach, and the two cantilevers are located at predetermined positions. It is preferably provided integrally so as to maintain the relationship. The optical lever type detection mechanism is attached only to the short cantilever for measurement, and the detection mechanism detects the operation of the short cantilever and provides a detection signal to the determination means. When the short and long cantilevers approach the sample, vibration is applied to the short and long cantilevers.
The long cantilever for monitoring approach is vibrated at its resonance frequency by vibrating means, and itself generates a sound wave at the resonance frequency. On the other hand, by separately providing the above sound source, a sound wave generated by the sound source and a sound wave generated by the long cantilever generate a sound wave having a frequency matching the resonance frequency of the short cantilever. Vibrated. Since the operation of the short cantilever for measurement is detected by the detection mechanism,
The detection mechanism also monitors whether the short cantilever is vibrating at its resonant frequency. As the two cantilevers approach the sample, the elongated cantilever first contacts the sample. When the long cantilever comes into contact with the sample, its vibration stops. When the vibration of the long cantilever stops, the vibration of the short cantilever naturally stops. Therefore, when the operation of the short cantilever for measurement is monitored by the detection mechanism, the approach state between the short cantilever for measurement and the sample can be accurately known, thereby achieving high-speed approach and accurate and safe. An approach can be made.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
【0014】図1は、本発明に係る接近機構を備えた走
査型プローブ顕微鏡の代表的な構成例を示す。この走査
型プローブ顕微鏡は、好ましくは原子間力顕微鏡であ
り、その他に走査型トンネル顕微鏡であってもよい。さ
らに図2は、本発明に係る接近機構の要部の部分平面図
を示し、図3は当該接近機構の要部の正面図を示してい
る。FIG. 1 shows a typical configuration example of a scanning probe microscope provided with an approach mechanism according to the present invention. This scanning probe microscope is preferably an atomic force microscope, and may be a scanning tunnel microscope. 2 is a partial plan view of a main part of the access mechanism according to the present invention, and FIG. 3 is a front view of a main part of the access mechanism.
【0015】図1において11は測定対象である試料で
ある。試料11は、例えば表面に半導体デバイスが形成
されたシリコン基板であり、比較的に大きな表面積を有
する円板状のものであるとする。試料11は試料ステー
ジ12の上に配置されている。試料ステージ12は、内
部にパルスモータあるいは圧電体からなる駆動部を内蔵
し、上昇動作を行い、試料11と上方に位置する探針と
を接近させる移動機構として機能する。また試料ステー
ジ12は、下降動作を行って試料11を下降させ、試料
11と探針の間の距離を大きくすることもできる。試料
ステージ12は、顕微鏡の支持フレーム14の下部14
aに固定されている。支持フレーム14は、支柱部14
bと、試料ステージ12の上方に横方向から延設された
上部14cを備える。In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a sample to be measured. It is assumed that the sample 11 is, for example, a silicon substrate having a semiconductor device formed on its surface, and has a disk shape having a relatively large surface area. The sample 11 is arranged on a sample stage 12. The sample stage 12 has a built-in drive unit made of a pulse motor or a piezoelectric body, performs an ascending operation, and functions as a moving mechanism for bringing the sample 11 closer to a probe located above. Also, the sample stage 12 can perform a lowering operation to lower the sample 11 and increase the distance between the sample 11 and the probe. The sample stage 12 is provided at a lower portion 14 of a support frame 14 of the microscope.
a. The support frame 14 is
b, and an upper portion 14 c extending from the lateral direction above the sample stage 12.
【0016】図1において15はカンチレバーチップで
ある。カンチレバーチップ15は、試料11の上方であ
って、試料に比較的接近した位置に配置される。カンチ
レバーチップ15は、ホルダ16と、その同じ辺側に設
けられた、それぞれ先端に探針17a,17bを有する
2つのカンチレバー18a,18bとからなる。図2か
ら明らかなように一方のカンチレバー18aは長く、他
方のカンチレバー18bは短くなっている。長いカンチ
レバー18aを長形カンチレバーといい、短いカンチレ
バー18bを短形カンチレバーという。長形カンチレバ
ー18aと短形カンチレバー18bの平面形状はいずれ
も好ましくは三角形状であり、その先端部の下側に探針
が設けられている。In FIG. 1, reference numeral 15 denotes a cantilever tip. The cantilever tip 15 is arranged above the sample 11 and at a position relatively close to the sample. The cantilever tip 15 is composed of a holder 16 and two cantilevers 18a and 18b provided on the same side of the holder 16 and having tips 17a and 17b at their ends, respectively. As is clear from FIG. 2, one cantilever 18a is long and the other cantilever 18b is short. The long cantilever 18a is called a long cantilever, and the short cantilever 18b is called a short cantilever. Each of the long cantilever 18a and the short cantilever 18b preferably has a triangular planar shape, and a probe is provided below the distal end thereof.
【0017】上記の支持フレーム14の上部14cは、
カンチレバーチップ取付け部19と、音源取付け部20
を備えている。音源取付け部20は、カンチレバーチッ
プ取付け部19よりもさらに前方に延設されている。カ
ンチレバーチップ15は、そのホルダ16が、加振用圧
電素子21を介してカンチレバーチップ取付け部19の
下面に固定される。この取り付け状態で、カンチレバー
18a,18bは前方に延設されるように配置される。
他方、図1および図2で明らかなように、上記音源取付
け部20は、長形カンチレバー18aおよび短形カンチ
レバー18bの延設方向に対してほぼ平行になるように
位置決められている。音源取付け部20の先部の下面に
は、圧電素子22が固定される。圧電素子22は振動し
て所定周波数の音波を発生するもので、音源(スピー
カ)として作用する。音源用圧電素子22はカンチレバ
ー18a,18bに対しほぼ斜め上方に位置している。The upper portion 14c of the support frame 14 is
Cantilever chip mounting section 19 and sound source mounting section 20
It has. The sound source mounting portion 20 extends further forward than the cantilever chip mounting portion 19. The holder 16 of the cantilever chip 15 is fixed to the lower surface of the cantilever chip mounting portion 19 via the piezoelectric element 21 for vibration. In this mounting state, the cantilevers 18a and 18b are arranged so as to extend forward.
On the other hand, as apparent from FIGS. 1 and 2, the sound source mounting portion 20 is positioned so as to be substantially parallel to the extending direction of the long cantilever 18a and the short cantilever 18b. A piezoelectric element 22 is fixed to the lower surface of the front end of the sound source mounting section 20. The piezoelectric element 22 vibrates to generate a sound wave of a predetermined frequency, and acts as a sound source (speaker). The sound source piezoelectric element 22 is positioned substantially obliquely above the cantilevers 18a and 18b.
【0018】上記カンチレバーチップ15において、短
形カンチレバー18bは測定用のカンチレバーであり、
長形カンチレバー18aは接近監視用のカンチレバーで
ある。短形カンチレバー18bと長形カンチレバー18
aは同一平面内にあり、かつ僅かに試料側の下方に向け
て配置されている。長形カンチレバー18aは短形カン
チレバー18bよりもほぼ2倍程度長いので、その探針
17aの位置は必然的に短形カンチレバー18bの探針
17bよりも下方の位置に存在し、試料11により近い
位置にある。測定用の短形カンチレバー18bには、光
てこ式検出光学系が付設される。すなわち、短形カンチ
レバー18bの背面に対してレーザ光23を照射するレ
ーザ光源24と、反射されたレーザ光23を受ける光検
出器(位置センサ)25とが配置される。光検出器25
におけるレーザ光の入射位置で短形カンチレバー18b
の位置をたわみ変形量(カンチレバーの挙動)を検出で
き、ひいては探針17bの位置を検出することができ
る。光てこ式検出光学系は、従来の走査型プローブ顕微
鏡において、通常、測定信号を検出する検出機構として
設けられているものである。一方、試料監視用の長形カ
ンチレバー18aに対しては光てこ式検出光学系は設け
られない。In the cantilever chip 15, the short cantilever 18b is a cantilever for measurement,
The long cantilever 18a is a cantilever for monitoring approach. Short cantilever 18b and long cantilever 18
a is located on the same plane and slightly downward on the sample side. Since the long cantilever 18a is approximately twice as long as the short cantilever 18b, the position of the probe 17a is necessarily lower than the probe 17b of the short cantilever 18b, and is closer to the sample 11. It is in. An optical lever type detection optical system is attached to the short cantilever 18b for measurement. That is, a laser light source 24 that irradiates the laser light 23 to the back surface of the short cantilever 18b and a photodetector (position sensor) 25 that receives the reflected laser light 23 are arranged. Photodetector 25
The cantilever 18b at the incident position of the laser beam at
Can be detected as the amount of flexure deformation (behavior of the cantilever), and thus the position of the probe 17b can be detected. The optical lever detection optical system is usually provided as a detection mechanism for detecting a measurement signal in a conventional scanning probe microscope. On the other hand, no optical lever type detection optical system is provided for the long cantilever 18a for monitoring the sample.
【0019】長形カンチレバー18aと短形カンチレバ
ー18bを備える上記カンチレバーチップ15には市販
のものが使用される。図4と図5に市販のカンチレバー
チップを示し、図4は平面図、図5は側面図である。こ
のカンチレバーチップ40は両側の縁に長形カンチレバ
ー18aと短形カンチレバー18bを有している。上記
カンチレバーチップ15では、市販のカンチレバー40
の片側を省略して描いている。市販のカンチレバーチッ
プ40において、長形カンチレバー18aの長さは例え
ば200μmであり、短形カンチレバー18bの長さは
例えば100μmである。なお図1〜図3で長形カンチ
レバーや短形カンチレバーは、寸法的には図解の便宜上
誇張して描かれている。A commercially available cantilever chip 15 having a long cantilever 18a and a short cantilever 18b is used. 4 and 5 show commercially available cantilever tips. FIG. 4 is a plan view and FIG. 5 is a side view. The cantilever chip 40 has a long cantilever 18a and a short cantilever 18b at both edges. In the cantilever chip 15, a commercially available cantilever 40 is used.
Is drawn with one side omitted. In the commercially available cantilever chip 40, the length of the long cantilever 18a is, for example, 200 μm, and the length of the short cantilever 18b is, for example, 100 μm. In FIGS. 1 to 3, the long cantilever and the short cantilever are exaggerated in size for the sake of illustration.
【0020】光検出器25から出力された信号は判定器
26に入力される。判定器26での判定内容に基づいて
出力される信号は接近信号発生器27に与えられる。接
近信号発生器27から出力される信号は試料ステージ1
2内の駆動部に与えられ、試料ステージ12の昇降動作
を制御する。The signal output from the photodetector 25 is input to a decision unit 26. A signal output based on the content of the determination by the determiner 26 is provided to the approach signal generator 27. The signal output from the approach signal generator 27 is the sample stage 1
2 to control the elevating operation of the sample stage 12.
【0021】カンチレバーチップ15のホルダ16を固
定する加振用圧電素子21は、発振器28から出力され
る周波数f1の発振信号で駆動される。周波数f1は長
形カンチレバー18aの1次共振周波数(fr1)と一致
している。また音源用圧電素子22は、発振器29から
出力される周波数f2の発振信号で駆動される。周波数
f2は、長形カンチレバー18aの1次共振周波数(f
r1)と短形カンチレバー18bの1次共振周波数
(fr2)を加算した周波数(fr1+fr2)と一致してい
る。The vibrating piezoelectric element 21 for fixing the holder 16 of the cantilever chip 15 is driven by an oscillation signal having a frequency f1 output from an oscillator 28. The frequency f1 matches the primary resonance frequency ( fr1 ) of the long cantilever 18a. The sound source piezoelectric element 22 is driven by an oscillation signal having a frequency f2 output from the oscillator 29. The frequency f2 is determined by the primary resonance frequency (f) of the long cantilever 18a.
coincides with the frequency (f r1 + f r2) obtained by adding r1) and short form cantilever 18b of the primary resonant frequency (f r2).
【0022】なお図1では、本発明に係る接近機構に関
連する構成部分のみを示しており、走査型プローブ顕微
鏡の測定部分、例えば。測定用の短形カンチレバーの探
針と試料との距離を一定に保つ制御系や測定データを処
理・表示する部分の図示は省略している。FIG. 1 shows only components related to the approaching mechanism according to the present invention, such as a measuring portion of a scanning probe microscope, for example. The illustration of a control system for keeping the distance between the probe of the short cantilever for measurement and the sample constant and a portion for processing and displaying measurement data is omitted.
【0023】次に、試料ステージ12を上昇させ、試料
11と探針17a,17bを接近させる場合の接近機構
の動作を説明する。このとき、前提として試料ステージ
12内の駆動部は接近信号発生器27から駆動信号を与
えられ、上昇動作を行っている。Next, the operation of the approach mechanism when the sample stage 12 is raised and the sample 11 approaches the probes 17a and 17b will be described. At this time, it is premised that the drive unit in the sample stage 12 is given a drive signal from the approach signal generator 27 and performs a rising operation.
【0024】加振用圧電素子21は発振器28で駆動さ
れており、周波数f1で振動を発生する。その結果、長
形カンチレバー18aはその共振周波数によって振動
し、図3に示すように長形カンチレバー18aの周囲に
周波数f1(長形カンチレバー18aの1次共振周波数
fr1)の音波31が拡散する。一方、発振器29は周波
数f2で発振動作する。音源用圧電素子22は、周波数
f2すなわち周波数fr1+fr2で駆動され、その周囲に
周波数fr1+fr2の音波32を拡散させる。The vibrating piezoelectric element 21 is driven by an oscillator 28 and generates vibration at a frequency f1. As a result, the elongated cantilever 18a is vibrated by its resonant frequency, wave 31 of frequency f1 (1-order resonance frequency f r1 of the elongated cantilever 18a) around the elongated cantilever 18a as shown in FIG. 3 is diffused. On the other hand, the oscillator 29 oscillates at the frequency f2. The piezoelectric element 22 for sound is driven at a frequency f2 or frequency f r1 + f r2, to diffuse the sound waves 32 of frequency f r1 + f r2 therearound.
【0025】図3に示すように、長形カンチレバー18
aの周囲に周波数f1(fr1)の音波31が生じ、音源
用圧電素子22の周囲に周波数f2(fr1+fr2)の音
波32が生じている。周波数の異なる2つの音波31,
32の間では干渉が生じ、それによって周波数fr2の音
波と周波数fr1+2fr2の音波が発生することになる。
周波数fr2の音波が発生すると、この周波数は短形カン
チレバー18bの1次共振周波数であるから、短形カン
チレバー18bが当該音波で励起され、その結果周波数
fr2で振動を始める。短形カンチレバー18bの振動動
作は、付設された光てこ式検出光学系で検出される。す
なわち光検出器25は短形カンチレバー18bの振動を
検出し、出力する。判定器26は、光検出器25から出
力される信号の周波数がfr2であるか否かを判定する。
判定器26は、光検出器25の出力信号の周波数がfr2
であるときには、接近信号発生器27へ出力指示信号を
与える。接近信号発生器27は、出力指示信号を受ける
と、試料ステージ12内の駆動部に駆動信号を与えて上
昇動作を継続させる。他方、判定器26は、光検出器2
5の出力信号の周波数がfr2でないときには、接近信号
発生器27へ出力停止信号を与える。接近信号発生器2
7は、出力停止信号を受けると、試料ステージ12内の
駆動部に駆動信号を与えるのを中止し、上昇動作を停止
させる。As shown in FIG. 3, the long cantilever 18
A sound wave 31 of frequency f1 ( fr1 ) is generated around a, and a sound wave 32 of frequency f2 ( fr1 + fr2 ) is generated around the piezoelectric element 22 for the sound source. Two sound waves 31 having different frequencies,
32 interference occurs between, thereby resulting in the sound waves and the frequency f r1 + 2f r2 frequency f r2 is generated.
When waves of the frequency f r2 occurs, since the frequency is the primary resonance frequency of the short form cantilever 18b, rectangle cantilever 18b is excited in the wave begins to oscillate at a result the frequency f r2. The vibration operation of the short cantilever 18b is detected by an optical lever type detection optical system provided. That is, the photodetector 25 detects and outputs the vibration of the short cantilever 18b. Determiner 26, the frequency of the signal output from the photodetector 25 is determined whether the f r2.
The determiner 26 determines that the frequency of the output signal of the photodetector 25 is fr2.
, An output instruction signal is given to the approach signal generator 27. Upon receiving the output instruction signal, approach signal generator 27 supplies a drive signal to a drive unit in sample stage 12 to continue the ascending operation. On the other hand, the determiner 26 is a light detector 2
When the frequency of the output signal of No. 5 is not fr2 , an output stop signal is given to the approach signal generator 27. Approach signal generator 2
When receiving the output stop signal, the control unit 7 stops supplying the drive signal to the drive unit in the sample stage 12 and stops the raising operation.
【0026】次に、長形カンチレバー18aおよび短形
カンチレバー18bに対して試料11が接近していく状
態での、走査型プローブ顕微鏡における接近機構の動作
を説明する。走査型プローブ顕微鏡は大気中に設置され
ているものとする。試料ステージ12は上昇し、試料1
1はカンチレバーチップ15の長形カンチレバー18a
と短形カンチレバー18bに接近する。試料11が長形
カンチレバー18aの先端の探針17aと接触または吸
着状態になると、長形カンチレバー18aの振動は停止
する。長形カンチレバー18aの振動状態が停止する
と、周波数f1の音波31が消滅する。周波数f1の音
波31が消滅すると、音波の干渉で生じていた周波数f
r2の音波も消滅することになるので、短形カンチレバー
18bの振動が停止する。短形カンチレバー18bの振
動が停止すると、判定器26は、光検出器25の出力が
周波数fr2の信号でないことを判定し、接近信号発生器
27に出力停止信号を出力する。その結果、接近信号発
生器27は駆動信号の出力を停止し、試料ステージ12
の上昇動作(接近動作)を停止させる。長形カンチレバ
ー18aは短形カンチレバー18bよりも長いため、長
形カンチレバー18aの探針17aが試料11の表面に
接触した状態では、測定用の短形カンチレバー18bの
探針17bは試料11の表面から離れた位置にある。Next, the operation of the approaching mechanism in the scanning probe microscope in a state where the sample 11 approaches the long cantilever 18a and the short cantilever 18b will be described. It is assumed that the scanning probe microscope is installed in the atmosphere. The sample stage 12 is raised and the sample 1
1 is a long cantilever 18a of the cantilever tip 15
And approach the short cantilever 18b. When the sample 11 comes into contact with or attracts the probe 17a at the tip of the long cantilever 18a, the vibration of the long cantilever 18a stops. When the vibration state of the long cantilever 18a stops, the sound wave 31 of the frequency f1 disappears. When the sound wave 31 of the frequency f1 disappears, the frequency f generated by the interference of the sound wave
Since the sound wave of r2 also disappears, the vibration of the short cantilever 18b stops. When the vibration of the short cantilever 18b stops, the determiner 26 determines that the output of the photodetector 25 is not a signal of the frequency fr2 , and outputs an output stop signal to the approach signal generator 27. As a result, the approach signal generator 27 stops outputting the drive signal, and the sample stage 12
To stop the ascent operation (approaching operation). Since the long cantilever 18a is longer than the short cantilever 18b, when the probe 17a of the long cantilever 18a is in contact with the surface of the sample 11, the probe 17b of the short cantilever 18b for measurement is moved away from the surface of the sample 11. It is far away.
【0027】上記のごとく本実施形態による走査型プロ
ーブ顕微鏡の接近機構によれば、観察・測定用の短形カ
ンチレバー18bが試料11の表面に十分に接近する前
に、長形カンチレバー18aが先に試料11に接触し、
それによって短形カンチレバー18bの振動が停止する
ので、測定用の短形カンチレバー18bが試料11の近
傍に接近したことを知ることができ、試料ステージ12
による接近動作を迅速に停止させることができる。接近
監視用の長形カンチレバー18aが試料11に接触した
時点では、測定用の短形カンチレバー18bと試料11
の間に距離的に余裕があるので、従来に比較して測定用
の短形カンチレバーと試料を高速に接近させることがで
き、さらに正確かつ安全に接近させることができる。As described above, according to the approach mechanism of the scanning probe microscope according to the present embodiment, before the short cantilever 18b for observation / measurement sufficiently approaches the surface of the sample 11, the long cantilever 18a is first moved. Touching the sample 11,
As a result, the vibration of the short cantilever 18b stops, so that it is possible to know that the short cantilever 18b for measurement has approached the vicinity of the sample 11, and the sample stage 12
Can quickly stop the approaching operation. At the time when the long cantilever 18a for approach monitoring comes into contact with the sample 11, the short cantilever 18b for measurement and the sample 11
Since there is a margin in the distance between the cantilever and the sample, the short cantilever for measurement and the sample can be approached at a higher speed as compared with the related art, and more accurately and safely.
【0028】前述の実施形態による接近機構では試料ス
テージ12に移動機構を設けたが、カンチレバーチップ
側に移動機構を設け、カンチレバーを試料に接近させる
ように構成できるのは勿論である。Although the moving mechanism is provided on the sample stage 12 in the approach mechanism according to the above-described embodiment, it is needless to say that a moving mechanism can be provided on the cantilever chip side so that the cantilever approaches the sample.
【0029】[0029]
【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、長短の2つのカンチレバーを備えたカンチレバー
チップを利用し、短形カンチレバーを測定用として、か
つ長形カンチレバーを接近監視用として使用することに
より簡単な構成で、走査型プローブ顕微鏡の接近機構を
実現することができる。As is apparent from the above description, according to the present invention, a short cantilever is used for measurement and a long cantilever is used for monitoring proximity by using a cantilever chip having two long and short cantilevers. By using it, an approaching mechanism of the scanning probe microscope can be realized with a simple configuration.
【0030】また長形カンチレバーをその共振周波数で
振動させ、所定周波数の音源を設け、その音波と長形カ
ンチレバーからの音波の干渉作用で短形カンチレバーを
振動させ、接近監視を測定用の短形カンチレバーの振動
動作をモニタすることにより、試料と短形カンチレバー
との接近状態を制御するようにしたため、構成が簡単で
あって調整が容易であり、装置設計上の構成の自由度が
高く、探針の高速な接近移動と高い精度の接近を行うこ
とができる。ひいては、トータル測定時間を短くするこ
とができる。Also, the long cantilever is vibrated at its resonance frequency, a sound source of a predetermined frequency is provided, and the short cantilever is vibrated by the interference between the sound wave and the sound wave from the long cantilever. Since the approaching state between the sample and the short cantilever is controlled by monitoring the vibration operation of the cantilever, the configuration is simple and easy to adjust. High-speed approach movement and high-precision approach of the needle can be performed. As a result, the total measurement time can be shortened.
【図1】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の構成図で
ある。FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning probe microscope according to the present invention.
【図2】カンチレバーチップと音源部分の平面図であ
る。FIG. 2 is a plan view of a cantilever chip and a sound source portion.
【図3】長形カンチレバーからの音波と音源からの音波
の発生状態を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a state of generation of a sound wave from a long cantilever and a sound wave from a sound source.
【図4】市販のカンチレバーチップの平面図である。FIG. 4 is a plan view of a commercially available cantilever chip.
【図5】市販のカンチレバーチップの側面図である。FIG. 5 is a side view of a commercially available cantilever tip.
11 試料 12 試料ステージ 14 支持フレーム 15 カンチレバーチップ 16 ホルダ 17a,17b 探針 18a 接近監視用の長形カンチレバー 18b 測定用の短形カンチレバー 21 加振用圧電素子 22 音源用圧電素子 23 レーザ光 24 レーザ光源 25 光検出器 31,32 音波 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Sample 12 Sample stage 14 Support frame 15 Cantilever chip 16 Holder 17a, 17b Probe 18a Long cantilever for proximity monitoring 18b Short cantilever for measurement 21 Piezoelectric element for vibration 22 Piezoelectric element for sound source 23 Laser light 24 Laser light source 25 Photodetector 31, 32 Sound wave
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 高史 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 小野里 陽正 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Inventor Takashi Morimoto 650, Kandamachi, Tsuchiura-shi, Ibaraki Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Inside Tsuchiura Factory
Claims (5)
とこの測定用カンチレバーの動作を検出する検出機構を
備え、試料ステージ上の試料と前記測定用カンチレバー
のうちいずれか一方を移動機構で移動させて両者を接近
させるように構成された走査型プローブ顕微鏡におい
て、 前記測定用カンチレバーに対して並設された、前記測定
用カンチレバーよりも長形の接近監視用カンチレバー
と、 前記接近監視用カンチレバーをその共振周波数で振動さ
せる加振手段と、 前記測定用カンチレバーの共振周波数と前記接近監視用
カンチレバーの共振周波数を加えてなる周波数の音波を
発生する音源と、 前記検出機構の出力信号に基づいて前記接近監視用カン
チレバーが前記試料に接触したことを検出する判定手段
を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。1. A measuring cantilever having a probe at a tip thereof, and a detecting mechanism for detecting an operation of the measuring cantilever. One of the sample on the sample stage and the measuring cantilever is moved by a moving mechanism. In a scanning probe microscope configured to move and approach both, a proximity monitoring cantilever, which is longer than the measurement cantilever and is juxtaposed to the measurement cantilever, the proximity monitoring cantilever Vibrating means for vibrating at the resonance frequency, a sound source for generating a sound wave having a frequency obtained by adding the resonance frequency of the measurement cantilever and the resonance frequency of the approach monitoring cantilever, and an output signal of the detection mechanism. Scanning characterized by comprising judgment means for detecting that the approach monitoring cantilever has contacted the sample. Probe microscope.
記接近監視用カンチレバーから発生する音波と前記音源
から発生する前記音波との干渉で生じる音波により、そ
の共振周波数で振動することを特徴とする請求項1記載
の走査型プローブ顕微鏡。2. The measurement cantilever vibrates at its resonance frequency by a sound wave generated by interference between a sound wave generated from the vibrating approach monitoring cantilever and the sound wave generated from the sound source. Item 2. A scanning probe microscope according to Item 1.
レバーが前記試料に接触したことを検出したとき、前記
移動機構の動作を停止させることを特徴とする請求項1
または2記載の走査型プローブ顕微鏡。3. The apparatus according to claim 1, wherein the judging means stops the operation of the moving mechanism when detecting that the approach monitoring cantilever comes into contact with the sample.
Or the scanning probe microscope according to 2.
用カンチレバーはカンチレバーチップとして一体で形成
されることを特徴とする請求項1記載の走査型プローブ
顕微鏡。4. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the measurement cantilever and the approach monitoring cantilever are integrally formed as a cantilever tip.
レバーと長形カンチレバーを備えるカンチレバーチップ
と、 前記短形カンチレバーの動作を検出する検出機構と、 前記カンチレバーチップと試料を接近させる移動機構
と、 前記カンチレバーチップに前記長形カンチレバーの共振
周波数の振動を与え、前記長形カンチレバーを振動させ
る加振手段と、 前記短形カンチレバーの共振周波数と前記長形カンチレ
バーの共振周波数を加えてなる周波数の音波を発生する
音源と、 前記検出機構の出力信号に基づいて前記長形カンチレバ
ーが前記試料に接触したことを検出する判定手段とを備
え、 前記短形カンチレバーは、振動する前記長形カンチレバ
ーから発生する音波と前記音源から発生する前記音波と
の干渉で生じる音波により、その共振周波数で振動し、
前記判定手段は、前記長形カンチレバーが前記試料に接
触したことを前記検出機構の出力信号に基づいて検出し
たとき、前記移動機構の動作を停止させることを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡の接近機構。5. A cantilever tip having a short cantilever and a long cantilever each having a probe at a tip thereof, a detection mechanism for detecting an operation of the short cantilever, and a moving mechanism for bringing the cantilever tip close to a sample. Vibration means for applying vibration of the resonance frequency of the long cantilever to the cantilever chip to vibrate the long cantilever; and a frequency obtained by adding the resonance frequency of the short cantilever and the resonance frequency of the long cantilever. A sound source that generates an acoustic wave, and determination means for detecting that the long cantilever has come into contact with the sample based on an output signal of the detection mechanism.The short cantilever is configured to oscillate from the long cantilever. The sound wave generated by the interference between the generated sound wave and the sound wave generated from the sound source causes resonance thereof. Vibrates at the frequency,
The approach mechanism of a scanning probe microscope, wherein the determining means stops the operation of the moving mechanism when detecting that the elongated cantilever has contacted the sample based on an output signal of the detecting mechanism. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20996597A JPH1138021A (en) | 1997-07-18 | 1997-07-18 | Scanning probe microscope and approach mechanism thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20996597A JPH1138021A (en) | 1997-07-18 | 1997-07-18 | Scanning probe microscope and approach mechanism thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1138021A true JPH1138021A (en) | 1999-02-12 |
Family
ID=16581620
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20996597A Pending JPH1138021A (en) | 1997-07-18 | 1997-07-18 | Scanning probe microscope and approach mechanism thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1138021A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007121317A (en) * | 2007-02-01 | 2007-05-17 | Sii Nanotechnology Inc | Microcontact prober |
KR100992144B1 (en) | 2003-08-28 | 2010-11-10 | 삼성전자주식회사 | Automic force microscope |
US9452464B2 (en) | 2011-07-06 | 2016-09-27 | Federal-Mogul Corporation | Method of forming a tubular member |
-
1997
- 1997-07-18 JP JP20996597A patent/JPH1138021A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100992144B1 (en) | 2003-08-28 | 2010-11-10 | 삼성전자주식회사 | Automic force microscope |
JP2007121317A (en) * | 2007-02-01 | 2007-05-17 | Sii Nanotechnology Inc | Microcontact prober |
JP4498368B2 (en) * | 2007-02-01 | 2010-07-07 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | Micro contact type prober |
US9452464B2 (en) | 2011-07-06 | 2016-09-27 | Federal-Mogul Corporation | Method of forming a tubular member |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101263033B1 (en) | Vibration-type cantilever holder and scanning probe microscope | |
US5481908A (en) | Resonance contact scanning force microscope | |
JPH0682248A (en) | Method and apparatus for inspecting surface profile using interatomic-force scanning microscope | |
JPH11108940A (en) | Scanning probe microscope | |
JPH0650750A (en) | Scanning-type microscope including force detecting means | |
US6257053B1 (en) | Scanning probe microscope having piezoelectric member for controlling movement of probe | |
JP3953958B2 (en) | Actuation and detection device for scanning probe microscope | |
JP2002228573A (en) | High-frequency oscillation probe for high-speed scanning probe microscope | |
JPH1138021A (en) | Scanning probe microscope and approach mechanism thereof | |
US7581438B2 (en) | Surface texture measuring probe and microscope utilizing the same | |
JP2006184079A (en) | Atomic force microscope | |
JP2005147979A (en) | Scanning probe microscope | |
JPH11142419A (en) | Scanning probe microscope | |
JP3548972B2 (en) | Probe moving method and moving mechanism for scanning probe microscope | |
JPH09329606A (en) | Scanning near field microscope with in-liquid observation function | |
JP2002206999A (en) | Scanning probe microscope | |
US7423264B2 (en) | Atomic force microscope | |
JP2003344034A (en) | Measuring apparatus and sensor for surface properties | |
KR102713656B1 (en) | Quartz Oscillator cantilever and probe for Atomic Force Microscope | |
JP3497913B2 (en) | Scanning probe microscope and its measuring method | |
JPH09264897A (en) | Scanning probe microscope | |
JPH11230971A (en) | Fine adjusting mechanism | |
JPH09281119A (en) | Probe-sample approach mechanism of scanning type probe microscope | |
JPH06258068A (en) | Interatomic force microscope | |
JPH1038900A (en) | Probe-sample approach mechanism for scanning probe microscope |