JPH08122341A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JPH08122341A JPH08122341A JP6258191A JP25819194A JPH08122341A JP H08122341 A JPH08122341 A JP H08122341A JP 6258191 A JP6258191 A JP 6258191A JP 25819194 A JP25819194 A JP 25819194A JP H08122341 A JPH08122341 A JP H08122341A
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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- G01Q60/54—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
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Abstract
(57)【要約】
【目的】本発明では、カンチレバーの振動の過渡特性に
基づき、走査時間の最適化を図り、試料表面の凹凸測定
と磁気力勾配の影響測定とを測定点毎に行ない、試料の
凹凸と磁気力分布を分離して検出する走査型プローブ顕
微鏡を提供することを目的とする。 【構成】本発明は、磁性探針１を有するカンチレバー２
と、カンチレバーを試料表面と垂直方向に振動させるｚ
軸変調信号発生装置４と、その変位を検出する光学変位
検出部６と、その変位信号から振動振幅を一定にする振
幅検出器７，３次元アクチュエータ８及び参照信号発生
器１２からなるサーボ部と、予め測定したカンチレバー
の振動の過渡特性で探針１を適正速度で走査するｘｙ走
査装置１０及び３次元アクチュエータ８と、サーボ部の
制御信号と走査部の走査信号により試料表面の凹凸を画
像化する画像解析装置１３とで構成される。
基づき、走査時間の最適化を図り、試料表面の凹凸測定
と磁気力勾配の影響測定とを測定点毎に行ない、試料の
凹凸と磁気力分布を分離して検出する走査型プローブ顕
微鏡を提供することを目的とする。 【構成】本発明は、磁性探針１を有するカンチレバー２
と、カンチレバーを試料表面と垂直方向に振動させるｚ
軸変調信号発生装置４と、その変位を検出する光学変位
検出部６と、その変位信号から振動振幅を一定にする振
幅検出器７，３次元アクチュエータ８及び参照信号発生
器１２からなるサーボ部と、予め測定したカンチレバー
の振動の過渡特性で探針１を適正速度で走査するｘｙ走
査装置１０及び３次元アクチュエータ８と、サーボ部の
制御信号と走査部の走査信号により試料表面の凹凸を画
像化する画像解析装置１３とで構成される。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、探針を試料に近接させ
て走査することにより、試料の微視的な表面情報を得る
走査型プローブ顕微鏡に係り、特に試料表面の形状と磁
力分布等の表面情報を得ることのできる走査型プローブ
顕微鏡に関するものである。
て走査することにより、試料の微視的な表面情報を得る
走査型プローブ顕微鏡に係り、特に試料表面の形状と磁
力分布等の表面情報を得ることのできる走査型プローブ
顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、走査型プローブ顕微鏡として
は、試料と探針の相互作用力をカンチレバーを用いて検
出する原子力顕微鏡（Atomic Force Microscope ：以
下、ＡＦＭと称する）や原子間力顕微鏡の探針に磁性体
を用いた磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscope ：
ＭＦＭ）などが知られている。
は、試料と探針の相互作用力をカンチレバーを用いて検
出する原子力顕微鏡（Atomic Force Microscope ：以
下、ＡＦＭと称する）や原子間力顕微鏡の探針に磁性体
を用いた磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscope ：
ＭＦＭ）などが知られている。
【０００３】前記ＡＦＭには２つの代表的な測定動作が
ある。１つは、例えば、特開昭６２−１３０３０２号公
報に記載されるように、試料と探針のあいだに働く力を
一定に保つことにより試料の凹凸を検出する方式であ
る。
ある。１つは、例えば、特開昭６２−１３０３０２号公
報に記載されるように、試料と探針のあいだに働く力を
一定に保つことにより試料の凹凸を検出する方式であ
る。
【０００４】もう１つは、例えば、「J.Appl.Phys.Vo１
６１，Ｐ４７２３（１９８７）」に記載されるような、
探針が試料に近接したことにより働く、電場、磁場、フ
ァンデルワールス引力等の力の勾配を受けて、あたかも
カンチレバーのバネ定数が変化したようになることを利
用し、カンチレバーの共振特性の変動を検出して試料の
表面近傍の電場・磁場の分布あるいは試料表面形状を測
定するＡＣモードと呼ばれる方式である。
６１，Ｐ４７２３（１９８７）」に記載されるような、
探針が試料に近接したことにより働く、電場、磁場、フ
ァンデルワールス引力等の力の勾配を受けて、あたかも
カンチレバーのバネ定数が変化したようになることを利
用し、カンチレバーの共振特性の変動を検出して試料の
表面近傍の電場・磁場の分布あるいは試料表面形状を測
定するＡＣモードと呼ばれる方式である。
【０００５】後者のＡＣモードのＡＦＭにおいて、探針
はバネ定数が０．０１から数Ｎ／ｍで、共振周波数が数
ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのカンチレバーの上に形成される。
このカンチレバーは、励振用のアクチュエータに固定さ
れ、微動素子上に支持された試料面すなわちｘｙ平面に
正対するように配置される。探針は試料の走査に応じて
試料表面を走査される。
はバネ定数が０．０１から数Ｎ／ｍで、共振周波数が数
ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのカンチレバーの上に形成される。
このカンチレバーは、励振用のアクチュエータに固定さ
れ、微動素子上に支持された試料面すなわちｘｙ平面に
正対するように配置される。探針は試料の走査に応じて
試料表面を走査される。
【０００６】この走査の間、励振用アクチュエータに
は、共振周波数近傍の周波数で試料表面に垂直な方向の
所定の振幅の振動をするような信号が印加される。さら
に試料を支持している電圧素子等で構成された微動素子
は、カンチレバーの振動振幅を一定に保つように、０．
１ｎｍ以下の精度で制御され、試料表面に垂直な方向、
すなわちｚ方向に試料が相対移動される。この結果、探
針の先端は試料、表面形状を反映した曲面上をトレ−ス
する。
は、共振周波数近傍の周波数で試料表面に垂直な方向の
所定の振幅の振動をするような信号が印加される。さら
に試料を支持している電圧素子等で構成された微動素子
は、カンチレバーの振動振幅を一定に保つように、０．
１ｎｍ以下の精度で制御され、試料表面に垂直な方向、
すなわちｚ方向に試料が相対移動される。この結果、探
針の先端は試料、表面形状を反映した曲面上をトレ−ス
する。
【０００７】従って、探針先端のｘｙ面上の位置と同時
に、ｚ方向の位置を圧電体に印加した電圧から求め記録
することにより、試料表面の微細な凹凸を示すＡＦＭ像
が得られる。
に、ｚ方向の位置を圧電体に印加した電圧から求め記録
することにより、試料表面の微細な凹凸を示すＡＦＭ像
が得られる。
【０００８】このときカンチレバー先端に磁性体（例え
ば、ＣｏＣｒやパーマロイ等）を用いて、試料として磁
性のあるもの（例えば、磁気テープやハードディスクメ
ディア、磁気ヘッド、光磁気ディスクメディア等）を用
いると得られる像は試料の磁気力勾配の分布をも反映し
たものになる。ところが得られる像は、試料の凹凸に磁
気力勾配の分布を重ね合わせたものになる。
ば、ＣｏＣｒやパーマロイ等）を用いて、試料として磁
性のあるもの（例えば、磁気テープやハードディスクメ
ディア、磁気ヘッド、光磁気ディスクメディア等）を用
いると得られる像は試料の磁気力勾配の分布をも反映し
たものになる。ところが得られる像は、試料の凹凸に磁
気力勾配の分布を重ね合わせたものになる。
【０００９】この重ね合わせを防ぐものとして、例え
ば、特開平５−１８７８６４号公報に記載されるよう
に、試料の凹凸と磁気力分布を分離するために、ｘｙ平
面の各測定点で探針を試料に接触させて接触点を求め、
該接触点から一定の高さに探針を離して探針を振動させ
その振動振幅を記録し、磁気力分布とする方式が提案さ
れている。
ば、特開平５−１８７８６４号公報に記載されるよう
に、試料の凹凸と磁気力分布を分離するために、ｘｙ平
面の各測定点で探針を試料に接触させて接触点を求め、
該接触点から一定の高さに探針を離して探針を振動させ
その振動振幅を記録し、磁気力分布とする方式が提案さ
れている。
【００１０】また試料に探針が接触しても吸着されない
ような振幅の大きな振動をカンチレバーに対して与える
ことにより磁気力の影響のわずかな凹凸情報を各ライン
ごとに取り込み、一本のライン毎に磁気力検出用のより
小さな振幅でカンチレバーを振動させてあらかじめ得ら
れた凹凸に沿って探針の高さを微動しながら磁気力勾配
のみの情報を測定する方式も提案されている。
ような振幅の大きな振動をカンチレバーに対して与える
ことにより磁気力の影響のわずかな凹凸情報を各ライン
ごとに取り込み、一本のライン毎に磁気力検出用のより
小さな振幅でカンチレバーを振動させてあらかじめ得ら
れた凹凸に沿って探針の高さを微動しながら磁気力勾配
のみの情報を測定する方式も提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかし前述した従来の
方式で、一度接触させてから探針の高さを設定し直す方
式の測定では、接触により吸着したカンチレバーを試料
から非接触の状態にするには、一旦、試料から１μｍ近
くカンチレバーを離す必要がある。このような接触・非
接触を繰り返し行うと、探針のｚ方向の移動量が大きく
なり、その結果、探針位置の不確定性が大きくなってし
まう。
方式で、一度接触させてから探針の高さを設定し直す方
式の測定では、接触により吸着したカンチレバーを試料
から非接触の状態にするには、一旦、試料から１μｍ近
くカンチレバーを離す必要がある。このような接触・非
接触を繰り返し行うと、探針のｚ方向の移動量が大きく
なり、その結果、探針位置の不確定性が大きくなってし
まう。
【００１２】また１ライン毎に凹凸測定用の走査と磁気
力測定用の記憶済み凹凸追随走査を２回させる方式で
は、走査時間中のＸＹ方向の位置ドリフト等による開始
位置のずれによる測定位置の不確定性がある。
力測定用の記憶済み凹凸追随走査を２回させる方式で
は、走査時間中のＸＹ方向の位置ドリフト等による開始
位置のずれによる測定位置の不確定性がある。
【００１３】さらに、従来の走査型プローブ顕微鏡にお
いて、ＡＭＦを用いて測定試料の凹凸を測定する場合
に、カンチレバーの交換毎に振動特性が変わる。このた
め、カンチレバーを交換する度にそのカンチレバーの振
幅変動の応答性も変動する。これまでのＡＣモードのＡ
ＦＭでは、カンチレバーの振動特性を測定しても測定速
度の設定は、測定中の振動振幅の変動を調整する必要が
あった。
いて、ＡＭＦを用いて測定試料の凹凸を測定する場合
に、カンチレバーの交換毎に振動特性が変わる。このた
め、カンチレバーを交換する度にそのカンチレバーの振
幅変動の応答性も変動する。これまでのＡＣモードのＡ
ＦＭでは、カンチレバーの振動特性を測定しても測定速
度の設定は、測定中の振動振幅の変動を調整する必要が
あった。
【００１４】そこで本発明では、カンチレバーの振動の
過渡特性に基づき、走査時間の最適化を図り、試料表面
の凹凸測定と磁気力勾配の影響測定とを測定点毎に行な
い、試料の凹凸と磁気力分布を分離して検出する走査型
プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
過渡特性に基づき、走査時間の最適化を図り、試料表面
の凹凸測定と磁気力勾配の影響測定とを測定点毎に行な
い、試料の凹凸と磁気力分布を分離して検出する走査型
プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、片持ち梁追構造を成し、その自由端に探針
を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを測定試料
に近接若しくは接触可能であって、該カンチレバーを所
定の振動周波数及び、所定の振幅で励振する励振手段
と、前記カンチレバーの変位量を検出する手段と、前記
カンチレバーの振動振幅を検出する振幅検出手段と、前
記振動振幅の変動を検出する変動検出手段と、前記振幅
検出手段によって検出された振幅信号に基づいて、前記
カンチレバーと前記測定試料との間の距離を一定に維持
させるサーボ手段と、前記探針を前記測定試料に対して
相対的に走査させる走査手段と、前記走査手段の移動速
度を前記振動振幅の変動速度に基づき限定する手段と、
前記サーボ手段の出力を元に前記測定試料の凹凸を解析
する画像解析手段と、前記各手段に動作タイミングや諸
設定値の指令を出すコントロール手段とで構成された走
査型プローブ顕微鏡を提供する。
するために、片持ち梁追構造を成し、その自由端に探針
を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを測定試料
に近接若しくは接触可能であって、該カンチレバーを所
定の振動周波数及び、所定の振幅で励振する励振手段
と、前記カンチレバーの変位量を検出する手段と、前記
カンチレバーの振動振幅を検出する振幅検出手段と、前
記振動振幅の変動を検出する変動検出手段と、前記振幅
検出手段によって検出された振幅信号に基づいて、前記
カンチレバーと前記測定試料との間の距離を一定に維持
させるサーボ手段と、前記探針を前記測定試料に対して
相対的に走査させる走査手段と、前記走査手段の移動速
度を前記振動振幅の変動速度に基づき限定する手段と、
前記サーボ手段の出力を元に前記測定試料の凹凸を解析
する画像解析手段と、前記各手段に動作タイミングや諸
設定値の指令を出すコントロール手段とで構成された走
査型プローブ顕微鏡を提供する。
【００１６】
【作用】以上のような構成の走査型プローブ顕微鏡によ
り、カンチレバーはあらかじめ振動手段によって特定周
波数でｚ方向に振動され、振動振幅を変化させられるこ
とにより振動の過渡特性を測定される。次に探針は５０
ｎｍから数百ｎｍの振幅で振動している状態から試料に
近接され所定の振幅になるようにサーボ動作が行われ、
サーボ信号は画像解析装置に記録される。次にサーボ動
作を停止し、所定の高さに移動されたカンチレバーは１
０ｎｍから数十ｎｍの振幅になると想定される励振電圧
で励振され、その振幅は画像解析装置に記録される。走
査手段により探針が測定試料上の次の点に移動する際
に、励振電圧は所期の値に戻されサーボ動作も復活され
るが、このときカンチレバーの振動の過渡特性があらか
じめわかっているのでサーボ制御の参照信号も過渡特性
に合わせた波形を取る。全ての測定点においてこの動作
を繰り返すことにより試料の凹凸と磁気力勾配の分布が
測定され画像解析装置により画像化される。
り、カンチレバーはあらかじめ振動手段によって特定周
波数でｚ方向に振動され、振動振幅を変化させられるこ
とにより振動の過渡特性を測定される。次に探針は５０
ｎｍから数百ｎｍの振幅で振動している状態から試料に
近接され所定の振幅になるようにサーボ動作が行われ、
サーボ信号は画像解析装置に記録される。次にサーボ動
作を停止し、所定の高さに移動されたカンチレバーは１
０ｎｍから数十ｎｍの振幅になると想定される励振電圧
で励振され、その振幅は画像解析装置に記録される。走
査手段により探針が測定試料上の次の点に移動する際
に、励振電圧は所期の値に戻されサーボ動作も復活され
るが、このときカンチレバーの振動の過渡特性があらか
じめわかっているのでサーボ制御の参照信号も過渡特性
に合わせた波形を取る。全ての測定点においてこの動作
を繰り返すことにより試料の凹凸と磁気力勾配の分布が
測定され画像解析装置により画像化される。
【００１７】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１には、本発明による実施例として、走
査型プローブ顕微鏡の概略的な構成を示し説明する。
に説明する。図１には、本発明による実施例として、走
査型プローブ顕微鏡の概略的な構成を示し説明する。
【００１８】この走査型プローブ顕微鏡は、一端が装置
本体固定され、他端の自由端に磁性探針１が設けられた
カンチレバー２と、測定試料３を載置する３次元アクチ
ュエータ８と、該カンチレバー２を所定の周波数で振動
させるｚ軸変調信号発生装置４及び圧電アクチュエータ
５からなる励振部と、カンチレバー２の自由端裏面（磁
性探針１が設けられた面と反対側の面）の位置の変化を
光学的に検出することによりカンチレバー２の位置を検
出する光学変位検出部６と、この光学変位検出部６によ
って検出された変位信号に基づいて、磁性探針１の振動
中心と測定試料３との間の距離を一定に維持させるため
の振幅検出器７，３次元アクチュエータ８及び参照信号
発生器１２からなるサーボ部と、このサーボ動作を行い
ながら磁性探針１を測定試料３に対して相対的に走査す
るｘｙ走査装置１０及び３次元アクチュエータ８からな
る走査部と、前記装置類を制御すると共にデータ収集及
びホストコンピュータとの通信を受け持つコントローラ
１１と、前記サーボ部の制御信号と前記走査部の走査信
号に基づいて、測定試料３の表面の凹凸を画像化する画
像解析装置１３からなる画像化部とで構成される。
本体固定され、他端の自由端に磁性探針１が設けられた
カンチレバー２と、測定試料３を載置する３次元アクチ
ュエータ８と、該カンチレバー２を所定の周波数で振動
させるｚ軸変調信号発生装置４及び圧電アクチュエータ
５からなる励振部と、カンチレバー２の自由端裏面（磁
性探針１が設けられた面と反対側の面）の位置の変化を
光学的に検出することによりカンチレバー２の位置を検
出する光学変位検出部６と、この光学変位検出部６によ
って検出された変位信号に基づいて、磁性探針１の振動
中心と測定試料３との間の距離を一定に維持させるため
の振幅検出器７，３次元アクチュエータ８及び参照信号
発生器１２からなるサーボ部と、このサーボ動作を行い
ながら磁性探針１を測定試料３に対して相対的に走査す
るｘｙ走査装置１０及び３次元アクチュエータ８からな
る走査部と、前記装置類を制御すると共にデータ収集及
びホストコンピュータとの通信を受け持つコントローラ
１１と、前記サーボ部の制御信号と前記走査部の走査信
号に基づいて、測定試料３の表面の凹凸を画像化する画
像解析装置１３からなる画像化部とで構成される。
【００１９】次に、このように構成されたＡＣモードの
ＡＦＭの測定動作について、図１及び、図２乃至図４を
参照して説明する。まず、圧電アクチュエータ５はｚ軸
変調信号発生器４から出力された励振信号に基づいて、
カンチレバー２を測定試料３に対して垂直方向に所定の
周波数ｆで振動させる。
ＡＦＭの測定動作について、図１及び、図２乃至図４を
参照して説明する。まず、圧電アクチュエータ５はｚ軸
変調信号発生器４から出力された励振信号に基づいて、
カンチレバー２を測定試料３に対して垂直方向に所定の
周波数ｆで振動させる。
【００２０】このとき変位検出器６の出力は、カンチレ
バー２の振動に応じた信号になる。さらに振幅検出器７
は、ｚ軸変調信号発生器４から出力された励振振動に基
づいて前記周波数の励振信号に同期したカンチレバー２
の振動振幅を検出する。
バー２の振動に応じた信号になる。さらに振幅検出器７
は、ｚ軸変調信号発生器４から出力された励振振動に基
づいて前記周波数の励振信号に同期したカンチレバー２
の振動振幅を検出する。
【００２１】そこで図示しない粗動機構を用いてカンチ
レバー２と一体的に設置されている磁性探針１を試料３
表面上の１μｍ以下の距離に近接させる。この状態で、
画像解析装置１１からの指示に従って、カンチレバーの
共振周波数近辺の周波数を含む周波数範囲でｚ軸変調信
号発生器４の出力信号の周波数を変動させる。
レバー２と一体的に設置されている磁性探針１を試料３
表面上の１μｍ以下の距離に近接させる。この状態で、
画像解析装置１１からの指示に従って、カンチレバーの
共振周波数近辺の周波数を含む周波数範囲でｚ軸変調信
号発生器４の出力信号の周波数を変動させる。
【００２２】このとき画像解析装置１１は、周波数変動
に同期して振幅検出器７の出力信号を取り込み、図２に
示すようなカンチレバーの周波数特性を取り込む。この
周波数特性の最大値を取る周波数ｆ１が、このカンチレ
バーの共振周波数である。一方、最大値の１／２1/2
（２の平行根分の１）を取る周波数ｆ２及びｆ３を元
に、このカンチレバーの共振特性のＱ値が次の式で求め
られる。
に同期して振幅検出器７の出力信号を取り込み、図２に
示すようなカンチレバーの周波数特性を取り込む。この
周波数特性の最大値を取る周波数ｆ１が、このカンチレ
バーの共振周波数である。一方、最大値の１／２1/2
（２の平行根分の１）を取る周波数ｆ２及びｆ３を元
に、このカンチレバーの共振特性のＱ値が次の式で求め
られる。
【００２３】
【数１】 このＱ値を元に周波数変化に対して振幅値の変動率のも
っとも高い周波数を計算すると、
っとも高い周波数を計算すると、
【００２４】
【数２】 になる。試料探針間距離に依存する試料探針間に働く相
互作用（磁力あるいは原子間力）の影響を受けたカンチ
レバーはあたかもバネ定数が変化したかのごとく共振周
波数が変化する。それに対して、ｚ軸変調信号発生器４
の出力である励振信号の周波数をｆ４としておくことに
より、カンチレバー２の振動振幅は探針１と試料３の間
の距離変化に応じて最も感度よく変動する。
互作用（磁力あるいは原子間力）の影響を受けたカンチ
レバーはあたかもバネ定数が変化したかのごとく共振周
波数が変化する。それに対して、ｚ軸変調信号発生器４
の出力である励振信号の周波数をｆ４としておくことに
より、カンチレバー２の振動振幅は探針１と試料３の間
の距離変化に応じて最も感度よく変動する。
【００２５】そこで、ｚ変調信号発生器４の励振周波数
ｆ４を決定し、更に磁気勾配測定の際に用いる５ｎｍか
ら数十ｎｍの振幅と、凹凸信号の測定の際に用いる５０
ｎｍから数百ｎｍの励振振幅になるようにｚ軸変調信号
発生器４の２種類の出力振幅をコントロール装置１１か
らの指示で設定する。
ｆ４を決定し、更に磁気勾配測定の際に用いる５ｎｍか
ら数十ｎｍの振幅と、凹凸信号の測定の際に用いる５０
ｎｍから数百ｎｍの励振振幅になるようにｚ軸変調信号
発生器４の２種類の出力振幅をコントロール装置１１か
らの指示で設定する。
【００２６】次に図３には、前記２つの出力振幅で交互
に所定時間でカンチレバーをれ励振した状況を示す。こ
の時間Ｔは、少なくとも共振周波数ｆ１とカンチレバー
のＱ値から見積もられるカンチレバーの応答時間により
も長い時間であり、例えば、この時間Ｔを一次元調和振
動の減衰項の振幅が１／１０になる時間とすると、
に所定時間でカンチレバーをれ励振した状況を示す。こ
の時間Ｔは、少なくとも共振周波数ｆ１とカンチレバー
のＱ値から見積もられるカンチレバーの応答時間により
も長い時間であり、例えば、この時間Ｔを一次元調和振
動の減衰項の振幅が１／１０になる時間とすると、
【００２７】
【数３】 である。例えば、Ｑ値が２０でｆ１が３０ｋＨｚの場
合、Ｔ＝０．５ｍｓになり、波数にすると、ｆ１×Ｔ＝
１５であり、励振振幅の変動特性を測定するのには、励
振周波数の１５周期分くらいの時間は必要であることが
わかる。このような換算を元に測定時間Ｔを決定する。
合、Ｔ＝０．５ｍｓになり、波数にすると、ｆ１×Ｔ＝
１５であり、励振振幅の変動特性を測定するのには、励
振周波数の１５周期分くらいの時間は必要であることが
わかる。このような換算を元に測定時間Ｔを決定する。
【００２８】この変動を少なくとも２回以上行い振幅値
の変動値が１割以下になるまでの時間を測定する。この
値は、例えば１ｍｓｅｃであり、これが振動振幅の変動
にサーボ制御動作を行ったときの各点での律速値とな
る。試料の凹凸を測定するサンプリング間隔が走査ライ
ンに付き２５６点とすると、この場合には、片道２５６
ｍｓｅｃ以上の走査時間が必要となる。この値を元に走
査速度を決定する。
の変動値が１割以下になるまでの時間を測定する。この
値は、例えば１ｍｓｅｃであり、これが振動振幅の変動
にサーボ制御動作を行ったときの各点での律速値とな
る。試料の凹凸を測定するサンプリング間隔が走査ライ
ンに付き２５６点とすると、この場合には、片道２５６
ｍｓｅｃ以上の走査時間が必要となる。この値を元に走
査速度を決定する。
【００２９】この走査速度の換算は、通常のＡＣモード
の走査速度を設定する際にも適用できる。また、この
時、コントローラ１１に内蔵するメモリ部分に磁力勾配
測定時の振動振幅から凹凸測定用の振動振幅に変動する
際の振幅信号の変化の曲線部分Ｂを記憶する。
の走査速度を設定する際にも適用できる。また、この
時、コントローラ１１に内蔵するメモリ部分に磁力勾配
測定時の振動振幅から凹凸測定用の振動振幅に変動する
際の振幅信号の変化の曲線部分Ｂを記憶する。
【００３０】次に図４のタイミングチャートを参照して
測定動作について説明する。試料３と探針１の間の位置
制御を行うために、例えば探針が１２０ｎｍの振幅で振
動しているところから、試料３と探針１を近接させ、カ
ンチレバー２の振幅が例えば１００ｎｍとなったところ
で、サーボ部によるサーボ動作をオンにする。このとき
カンチレバーを励振するためのｚ軸変調信号発生器４の
出力振幅の包絡線を図４（ａ）に示す。
測定動作について説明する。試料３と探針１の間の位置
制御を行うために、例えば探針が１２０ｎｍの振幅で振
動しているところから、試料３と探針１を近接させ、カ
ンチレバー２の振幅が例えば１００ｎｍとなったところ
で、サーボ部によるサーボ動作をオンにする。このとき
カンチレバーを励振するためのｚ軸変調信号発生器４の
出力振幅の包絡線を図４（ａ）に示す。
【００３１】次に、ｘｙ走査装置１０により、図４
（ｃ）に示した試料３の測定開始位置Ｘ１を探針１の下
に持っていく。まず図４（ｈ）に示した凹凸サンプルタ
イミングで図４（ｄ）に示したＸ１の位置の凹凸信号を
取り込み、次いでｚ位置制御機構９に対して図４（ｅ）
に示したようにサーボ動作を止め、図４（ｆ）に示すよ
うにサーボ制御により試料３の位置として制御されたｚ
位置から更に５０ｎｍ試料３から探針１を遠ざける指示
を、さらには、ｚ軸変調信号発生器４に対して出力振幅
を凹凸測定時の例えば１／１０になるよう指示をコント
ローラ１１から与える。
（ｃ）に示した試料３の測定開始位置Ｘ１を探針１の下
に持っていく。まず図４（ｈ）に示した凹凸サンプルタ
イミングで図４（ｄ）に示したＸ１の位置の凹凸信号を
取り込み、次いでｚ位置制御機構９に対して図４（ｅ）
に示したようにサーボ動作を止め、図４（ｆ）に示すよ
うにサーボ制御により試料３の位置として制御されたｚ
位置から更に５０ｎｍ試料３から探針１を遠ざける指示
を、さらには、ｚ軸変調信号発生器４に対して出力振幅
を凹凸測定時の例えば１／１０になるよう指示をコント
ローラ１１から与える。
【００３２】これにより探針１は、試料３の表面から１
５０ｎｍ離れた位置で振幅１０ｎｍの振動をする。この
振動の落ちつくのは前もって測定しておいた振幅変動の
時定数に従い、この時間をおいて磁気力勾配の分布を得
るために図４（ｇ）に示す磁気信号にあたる振幅信号を
図４（ｉ）の振幅サンプルタイミングでコントローラ１
１を通して画像解析装置１３に取り込む。
５０ｎｍ離れた位置で振幅１０ｎｍの振動をする。この
振動の落ちつくのは前もって測定しておいた振幅変動の
時定数に従い、この時間をおいて磁気力勾配の分布を得
るために図４（ｇ）に示す磁気信号にあたる振幅信号を
図４（ｉ）の振幅サンプルタイミングでコントローラ１
１を通して画像解析装置１３に取り込む。
【００３３】この間、図４（ｊ）の参照信号は設定する
必要はないが便宜上カンチレバーの振幅信号と同じ値を
取るようにしておく。次に図４（ｅ）に示したようにサ
ーボ動作を再開する。このとき参照信号発生器１２から
ｚ位置制御装置９に与えられるサーボの参照信号は、図
４（ｊ）のように予めコントローラ１１に測定し記憶さ
れる振動変位の曲線を、磁気力勾配の分布を得るために
測定したカンチレバーの振幅から設定しているサーボの
振幅に変動すると仮定した曲線に当て嵌め計算をコント
ローラ１１内で行い、得られた曲線に合わせて変化させ
る。
必要はないが便宜上カンチレバーの振幅信号と同じ値を
取るようにしておく。次に図４（ｅ）に示したようにサ
ーボ動作を再開する。このとき参照信号発生器１２から
ｚ位置制御装置９に与えられるサーボの参照信号は、図
４（ｊ）のように予めコントローラ１１に測定し記憶さ
れる振動変位の曲線を、磁気力勾配の分布を得るために
測定したカンチレバーの振幅から設定しているサーボの
振幅に変動すると仮定した曲線に当て嵌め計算をコント
ローラ１１内で行い、得られた曲線に合わせて変化させ
る。
【００３４】このように振動変化にあわせて、参照信号
を変動させることにより、サーボ動作はカンチレバー２
の振動変化にあわせて遅れのない動作を行う。このサー
ボ動作の元で図４（ｃ）のようにｘ走査信号を変化さ
せ、試料３を次の点Ｘ２に移動する。このような動作を
測定点全てで行うことにより画像解析装置１３は試料の
凹凸情報と試料からちょうど１５０ｎｍの高さの磁性探
針１の振動振幅を走査範囲全域にわたって数値データと
して取り込むことが出来る。
を変動させることにより、サーボ動作はカンチレバー２
の振動変化にあわせて遅れのない動作を行う。このサー
ボ動作の元で図４（ｃ）のようにｘ走査信号を変化さ
せ、試料３を次の点Ｘ２に移動する。このような動作を
測定点全てで行うことにより画像解析装置１３は試料の
凹凸情報と試料からちょうど１５０ｎｍの高さの磁性探
針１の振動振幅を走査範囲全域にわたって数値データと
して取り込むことが出来る。
【００３５】画像解析装置１３はこの２つのデータを測
定動作を行いながらあるいは測定後に測定座標に対応さ
せて表示する。このようにして、ほぼカンチレバーの過
渡応答時間程度の時間差しかない、ほぼ同時に得た試料
の凹凸と試料から一定の高さの磁気力勾配の分布像を測
定することになる。
定動作を行いながらあるいは測定後に測定座標に対応さ
せて表示する。このようにして、ほぼカンチレバーの過
渡応答時間程度の時間差しかない、ほぼ同時に得た試料
の凹凸と試料から一定の高さの磁気力勾配の分布像を測
定することになる。
【００３６】なお、本発明の上記実施態様によれば、以
下如き方法が得られる。 （１） 試料の任意の側定位置上にてカンチレバーを予
め特定周波数でｚ方向に振動し、振動振幅を変化させて
振動の過渡特性を測定する過渡特性測定ステップと、５
０から数百ｎｍの振幅で振動している探針を試料に近接
させ、所定の振幅に設定するサーボ動作ステップと、前
記サーボ動作ステップにより得られたサーボ信号を記録
するサーボ信号記録ステップと、サーボ動作を停止し、
カンチレバーを所定の高さまで移動させ、該カンチレバ
ーが１０から数十ｎｍの振幅になるように励振電圧を印
加して励振すると共に、前記励振電圧を記録するカンチ
レバー励振ステップと、探針が試料上の次の測定位置に
移動する際に、励振電圧を初期値に戻し、再度、前記過
渡特性に合わせたサーボ動作させるサーボ制御ステッ適
正化プと、試料内の全ての測定位置で、サーボ動作ステ
ップ乃至サーボ制御ステップ動作を繰り返すことによ
り、試料の凹凸と磁気力勾配の分布を測定し画像化する
ことを特徴とする画像解析方法。
下如き方法が得られる。 （１） 試料の任意の側定位置上にてカンチレバーを予
め特定周波数でｚ方向に振動し、振動振幅を変化させて
振動の過渡特性を測定する過渡特性測定ステップと、５
０から数百ｎｍの振幅で振動している探針を試料に近接
させ、所定の振幅に設定するサーボ動作ステップと、前
記サーボ動作ステップにより得られたサーボ信号を記録
するサーボ信号記録ステップと、サーボ動作を停止し、
カンチレバーを所定の高さまで移動させ、該カンチレバ
ーが１０から数十ｎｍの振幅になるように励振電圧を印
加して励振すると共に、前記励振電圧を記録するカンチ
レバー励振ステップと、探針が試料上の次の測定位置に
移動する際に、励振電圧を初期値に戻し、再度、前記過
渡特性に合わせたサーボ動作させるサーボ制御ステッ適
正化プと、試料内の全ての測定位置で、サーボ動作ステ
ップ乃至サーボ制御ステップ動作を繰り返すことによ
り、試料の凹凸と磁気力勾配の分布を測定し画像化する
ことを特徴とする画像解析方法。
【００３７】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の走査型プロ
ーブ顕微鏡により、予め測定しておいたカンチレバーの
振動の過渡特性を用いて、走査速度の適正化が図られ
る。また本発明により、凹凸を測定する動作と磁気力勾
配の影響を測定する動作を測定点毎に行うことが出来る
ようになり、測定点のずれの少ない試料の凹凸の分布と
磁気力の分布が分離して検出することが出来る。
ーブ顕微鏡により、予め測定しておいたカンチレバーの
振動の過渡特性を用いて、走査速度の適正化が図られ
る。また本発明により、凹凸を測定する動作と磁気力勾
配の影響を測定する動作を測定点毎に行うことが出来る
ようになり、測定点のずれの少ない試料の凹凸の分布と
磁気力の分布が分離して検出することが出来る。
【００３８】さらに本発明により、測定の前段階でカン
チレバーの振動の過渡特性を測定し、その過度特性を用
いてサーボ動作切り替え時の参照信号を作成しているた
めに走査時間の最適化が図れる上記測定切り替え方式の
走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
チレバーの振動の過渡特性を測定し、その過度特性を用
いてサーボ動作切り替え時の参照信号を作成しているた
めに走査時間の最適化が図れる上記測定切り替え方式の
走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
【図１】本発明による実施例として、走査型プローブ顕
微鏡の概略的な構成を示す図である。
微鏡の概略的な構成を示す図である。
【図２】本実施例における振動振幅と励振周波数の関係
を示す図である。
を示す図である。
【図３】２つの出力振幅で少なくとも励振周波数の１０
周期分以上の時間間隔で交互に発生させた状況を示す図
である。
周期分以上の時間間隔で交互に発生させた状況を示す図
である。
【図４】本実施例の測定動作について説明するためのタ
イミングチャートである。
イミングチャートである。
１…磁性探針（探針）、２…カンチレバー、３…測定試
料（試料）、４…ｚ軸変調信号発生器、５…圧電アクチ
ュエータ、６…光学変位検出部（変位検出器）、７…振
幅検出器、８…３次元アクチュエータ、９…ｚ位置制御
機構、１０…ｘｙ走査装置、１１…コントローラ、１２
…参照信号発生器、１３…画像解析装置。
料（試料）、４…ｚ軸変調信号発生器、５…圧電アクチ
ュエータ、６…光学変位検出部（変位検出器）、７…振
幅検出器、８…３次元アクチュエータ、９…ｚ位置制御
機構、１０…ｘｙ走査装置、１１…コントローラ、１２
…参照信号発生器、１３…画像解析装置。
Claims (5)
- 【請求項１】 片持ち梁追構造を成し、その自由端に探
針を有するカンチレバーと、 前記カンチレバーを測定試料に近接若しくは接触可能で
あって、該カンチレバーを所定の振動周波数及び、所定
の振幅で励振する励振手段と、 前記カンチレバーの変位量を検出する手段と、 前記カンチレバーの振動振幅を検出する振幅検出手段
と、 前記振動振幅の変動を検出する変動検出手段と、 前記振幅検出手段によって検出された振幅信号に基づい
て、前記カンチレバーと前記測定試料との間の距離を一
定に維持させるサーボ手段と、 前記探針を前記測定試料に対して相対的に走査させる走
査手段と、 前記走査手段の移動速度を前記振動振幅の変動速度に基
づき限定する手段と、 前記サーボ手段の出力を元に前記測定試料の凹凸を解析
する画像解析手段と、 前記各手段に動作タイミングや諸設定値の指令を出すコ
ントロール手段と、を具備することを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記探針は磁性探針からなり、前記測定
試料は磁性の分布を有する試料であり、 前記サーボ手段のサーボ動作を所定のタイミングでオン
オフ制御するサーボ制御手段を有し、 前記画像解析手段は、前記前記サーボ手段がオン状態で
のサーボ信号と前記走査手段からの出力信号に基づい
て、前記測定試料の表面の凹凸像を画像解析し、前記サ
ーボ手段がオンの状態でのサーボ信号と走査手段からの
出力信号に基づいて前記測定試料の表面の凹凸像を画像
解析し、且つ前記サーボ手段がオフの状態でのカンチレ
バーの振幅値と前記走査手段からの出力信号に基づい
て、前記試料の凹凸の影響を取り除いた一定の高さでの
磁気力による力勾配の分布像を画像解析することを特徴
とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】 前記サーボ手段がオフになった時に、前
記磁性探針を前記測定試料の法線方向に沿って所定の距
離、移動させる手段を有し、 前記磁性探針の移動中の振動振幅を元に磁気力による力
勾配像を得ることを特徴とする請求項２記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。 - 【請求項４】 前記振幅検出手段がカンチレバーの変位
信号の振動振幅を検出する実効値検出回路からなる請求
項１記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】 前記振幅検出手段がカンチレバーの変位
信号と前記振動手段の所定周波数の信号をもとに振動振
幅を検出するロックイン検出回路からなる請求項１記載
の走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6258191A JPH08122341A (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| US08/544,117 US5652377A (en) | 1994-10-24 | 1995-10-17 | Scanning method with scanning probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6258191A JPH08122341A (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08122341A true JPH08122341A (ja) | 1996-05-17 |
Family
ID=17316784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6258191A Withdrawn JPH08122341A (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5652377A (ja) |
| JP (1) | JPH08122341A (ja) |
Cited By (3)
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| JPH10283972A (ja) * | 1997-04-10 | 1998-10-23 | Seiko Instr Inc | 走査型プローブ顕微鏡を用いた加工、記録、再生装置 |
| US8490209B2 (en) | 2008-02-12 | 2013-07-16 | Akita University | Surface state measuring device, and surface state measuring method using the device |
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| JPH11160333A (ja) * | 1997-11-25 | 1999-06-18 | Jeol Ltd | 走査プローブ顕微鏡 |
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| WO2020242911A1 (en) * | 2019-05-31 | 2020-12-03 | Purdue Research Foundation | Integrated microfluidic probe (imfp) and methods of use thereof |
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Family Cites Families (7)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2919119B2 (ja) * | 1991-06-05 | 1999-07-12 | キヤノン株式会社 | 走査プローブ顕微鏡及び記録再生装置 |
| DE69309318T2 (de) * | 1992-01-10 | 1997-10-30 | Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo | Verfahren und Vorrichtung zum Beobachten einer Fläche |
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