JPH085313A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡

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JPH085313A
JPH085313A JP13275594A JP13275594A JPH085313A JP H085313 A JPH085313 A JP H085313A JP 13275594 A JP13275594 A JP 13275594A JP 13275594 A JP13275594 A JP 13275594A JP H085313 A JPH085313 A JP H085313A
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JP
Japan
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measured
scanning
standard sample
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Application number
JP13275594A
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English (en)
Inventor
Yasuhiro Yamakage
康弘 山蔭
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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Publication of JPH085313A publication Critical patent/JPH085313A/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q40/00Calibration, e.g. of probes
    • G01Q40/02Calibration standards and methods of fabrication thereof

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
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  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 損傷や汚染等による探針の劣化度を客観的に
判断できる走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】 制御手段9は、観察サンプル1bの表面分析
に先立って、XY粗動ドライバ4aを介してXY粗動ス
テージ4を駆動し、数種類の断面形状を有する標準試料
を探針5bの直下に移動させる。次に、XY走査ドライ
バ3a及びZ軸走査ドライバ2aを介して、XY微動機
構3及びZ軸微動ステージ2を駆動し、探針部と試料表
面との間の相互作用により生じる物理量を測定すること
で標準試料1a上の断面形状の測定を行う。そして、探
針の劣化度を示す情報として、測定された断面形状と予
め同一条件の基で正常な探針で測定された断面形状とが
比較して表示手段10に表示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡
(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)等に代表される
走査型プローブ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料とこれに対
向配置した探針とを近接させ、探針又は試料を走査する
ことにより、探針と試料表面との間の相互作用により生
じる物理量を検出して試料表面の形状を原子レベルの分
解能で測定するもので、走査型トンネル顕微鏡(ST
M)や原子間力顕微鏡(AFM)等がこれに該当する。
走査型トンネル顕微鏡は、試料とこれに対向配置した探
針との間に電圧を印加し、両者間に流れるトンネル電流
が一定になるよう探針又は試料を走査することにより、
試料表面の形状を原子レベルの分解能で観察するもので
ある。すなわち、上記トンネル電流が探針と試料との距
離によって一義的に定まるという性質を利用し、このト
ンネル電流が一定になるように探針又は試料の高さを圧
電素子等による精密駆動機構により制御しながら、この
探針又は試料を水平方向に走査することにより試料表面
の凹凸形状を原子レベルで測定するものである。
【0003】また、原子間力顕微鏡は、カンチレバー等
によって支持される探針を試料表面に近づけることによ
り、探針先端の原子と試料表面の原子との間に生じる微
小な原子間力を測定し、上記原子間力が探針と試料との
距離によって一義的に定まるという性質を利用し、試料
表面に沿って走査しながらその原子間力が一定となるよ
う探針と試料間の距離を調節して、探針又は試料の高さ
方向の軌跡により試料表面の凹凸形状を原子レベルで測
定するものである。
【0004】ここで、かかる走査型プローブ顕微鏡の性
能は探針の微妙な形状に敏感に影響されることから、探
針先端の損傷や汚染は、測定精度に多大な悪影響を与
え、本来四角の形状を有する穴が円形状に測定される等
といった問題を引き起こす。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、探針先
端の損傷や汚染は肉眼では判断することができないた
め、従来では、使用者が実際に測定した試料表面の画像
の劣化等から自己の経験等によって探針の良否を判断し
ていた。このため、その判断は専ら使用者の主観による
ところが多くなり、測定された試料表面の画像は、探針
の形状に依存した信頼性の低いものとなる。一方、測定
された画像の信頼性を向上させるためには、頻繁に探針
の交換を行わねばならず、不必要な探針の交換によるコ
ストの向上と探針交換による作業の煩雑化が生じる。
【0006】そこで、本発明はこれらの問題点を解消す
るために創案されたものであって、損傷や汚染等による
探針の劣化度を客観的に判断できる走査型プローブ顕微
鏡を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、試料とこれに
対向配置した探針とを近接させ、探針又は試料を走査す
ることにより、探針と試料表面との間の相互作用により
生じる物理量を検出して試料表面の形状を原子レベルの
分解能で測定する走査型プローブ顕微鏡において、測定
対象となる試料と既知の表面凹凸形状を有する標準試料
を前記探針下へ切換え配置する駆動手段と、前記駆動手
段を介して前記標準試料を前記探針下へ配置すると共
に、前記標準試料または前記探針を走査し、前記標準試
料の表面形状を測定する制御手段と、得られた測定信号
と、予め同一条件の基で正常な探針で測定された標準信
号とから前記探針の劣化度を示す情報を表示する表示手
段とを備えたことを特徴とする。
【0008】
【作用】本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の作用を
図1〜図3に基づいて説明する。
【0009】制御手段9は、測定対象となる試料1bの
表面形状の測定に先立って、XY粗動ドライバ3aを介
してXY粗動ステージ4を駆動し、図2に示される数種
類の断面形状を有する標準試料1aを探針5bの直下に
移動させる。次に、XY走査ドライバ4a及びZ軸走査
ドライバ2aを介して、XY微動機構3及びZ軸微動機
構2を駆動し、探針5bと試料表面との間の相互作用に
より生じる物理量を測定することで標準試料1aの断面
形状の測定を行う。そして、図3に示されるように、測
定された断面形状と予め同一条件の基で正常な探針で測
定された断面形状とが比較され、探針の劣化度を示す情
報として表示手段10に表示される。
【0010】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1〜図5に基づ
いて説明する。
【0011】図1は、本発明にかかる走査型プローブ顕
微鏡の全体図を示したもので、1は試料ホルダで、測定
対象となる試料1bと探針5bの劣化度を測定するため
の標準試料1aとが載置されている。
【0012】標準試料1aには、例えば図2に示される
ように、予め微細加工を施すことにより複数の既知の凹
凸断面形状の溝Lev1〜Lev4が試料表面に形成さ
れ、これらは、探針5bの優劣の度合いの判断が可能と
なるよう、レベル番号が上がるほど溝幅が狭くなるよう
形成されている。
【0013】2は、試料ホルダ1を介して標準試料1a
及び試料1bをZ軸方向に微動させるためのZ軸微動機
構であり、Z軸ドライバ2aにより駆動される。3は、
Z軸微動機構と試料ホルダ1を介して標準試料1a及び
試料1bをX,Y軸平面内で微動走査させるためのXY
微動機構であり、XY走査ドライバ3aにより駆動され
る。4は、探針5b直下に標準試料1aと試料1bとを
切換え配置するためのXY粗動ステージで、XY粗動ド
ライバ4aによって駆動される。
【0014】5aは、探針5bを取り換え可能に保持す
る探針ホルダである。6は、探針5bと試料表面との距
離を測定するための変位検出器である。ここで、探針5
bと試料表面間の距離は、例えば、走査型トンネル顕微
鏡であれば、探針5bと試料表面間に流れるトンネル電
流を、また、原子間力顕微鏡では探針5bと試料表面間
に生じる原子間力を検知することにより求められる。こ
れは、上述したように、トンネル電流又は原子間力が探
針と試料との距離によって一義的に定まるという性質を
利用したものである。
【0015】7は、探針5bと試料表面との距離を示す
変位検出器6の出力が常に一定になるようにZ軸ドライ
バ2aを介してZ軸微動機構2を駆動制御するためのサ
ーボ機構である。8はA/D変換部で、サーボ機構7の
出力をA/D変換し、制御手段9に出力する。
【0016】9は、上述したZ軸ドライバ2a,XY走
査ドライバ3a,及びXY粗動ドライバ4aを駆動制御
すると共に、測定対象となる試料のXY平面での軌跡及
びZ軸方向の軌跡から試料表面形状の測定を行う制御手
段である。また、この制御手段9は、正常な探針を用い
て、図2に示される標準試料1aに形成された溝Lev
1〜Lev4の断面形状を測定したデータを予め保持し
ている。10は、得られた測定データと、予め同一条件
の基で正常な探針を用いて測定されたデータとから探針
の劣化度を示す情報を表示する表示手段で、CRT等に
より構成される。
【0017】次に、本発明の作用を制御手段9の動作を
示す図3のフローチャートに基づいて説明する。まず、
実際に測定対象となる試料1bの表面形状の測定に先だ
って、XY粗動ドライバ4aを介してXY粗動ステージ
4を駆動し、探針5bの直下に標準試料1aを配置する
(S1)。そして、Z軸ドライバ2a、Z軸微動機構2
を介して標準試料1aと探針5bの間を所定の距離に調
整した後、Z軸ドライバ2aをサーボ機構7の制御下に
置くと共に、XY走査ドライバ3aを介してXY微動機
構3を駆動し、図2に示される標準試料1aに形成され
た溝Lev1〜Lev4の断面形状の測定を行う(S
2)。測定結果は、予め同一条件の基で正常な探針で測
定されたデータとの関係で探針5bの劣化度を示す情報
として表示手段10に表示される(S3)。操作者は、
表示手段に示された情報を基に、探針5bが使用可能か
否かを判断し、使用可能と判断した場合は、試料1bに
ついて、本来の表面形状の測定を続行し、使用不能と判
断した場合は、探針5bの交換を行えばよい。
【0018】ここで、探針5bの劣化度を示す情報の表
示としては、例えば、図4に示されるように、予め、正
常な探針により得られたデータと、これから使用する探
針について得られた測定データとを線種或いは色を変え
て比較表示することが考えられる。このように表示すれ
ば、どのレベルの断面まで探針5bの測定能力があるか
一目で判定でき、測定対象となる試料、即ち非常に精度
の高い表面形状の測定が必要とされる試料や、それほど
高い精度が必要とされない試料に応じて、探針5bの使
用可能性が判断できるため、不必要な探針の交換をする
ことなく、常に信頼性の高い測定結果が得ることが可能
となる。図4に示す例では、溝Lev3の断面形状まで
の測定が可能なことが判断できる。
【0019】図5は、探針5bの劣化度を制御手段9が
自動的に判断する場合の例を示すフローチャートであ
る。まず、制御手段9は、不図示の入力手段等から、測
定対象となる試料の測定精度のレベルを入力する(S1
1)。このレベルは標準試料1aに形成した種々の開口
幅を有する溝のレベルに対応させたものとすればよい。
つぎに、XY粗動ドライバ4aを介してXY粗動ステー
ジ4を駆動し、探針5bの直下に標準試料1aを配置す
る(S12)。そして、Z軸ドライバ2a、Z軸微動機
構2を介して標準試料1aと探針5bを所定の距離に調
整した後、Z軸ドライバ2aをサーボ機構7の制御下に
置くと共に、XY走査ドライバ3aを介してXY微動機
構3を駆動し、標準試料1aに形成された溝Lev1〜
Lev4の断面形状の測定を行う(S13)。得られた
測定データは、予め同一条件の基で正常な探針で測定さ
れたデータと比較され、どのレベルの溝まで両者のデー
タが一致するかを求めることにより、探針5bの劣化度
が判定される(S14)。そして、S11で入力された
レベルの測定が可能であれば、再びXY粗動ドライバ4
aを介してXY粗動ステージ4を駆動し、探針5bの直
下に測定対象となる試料1bを配置し(S15)、試料
1bの表面形状の測定を行う(S16)。一方、S11
で入力されたレベルの測定が不可能であれば、表示手段
10に探針5bの測定可能なレベルを表示させる(S1
7)。
【0020】このように、制御手段9に測定可能レベル
を自動判定させるようにすれば、全体の試料表面分析時
間が大幅に短縮される。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、試料の表面形状の測定
に先立って、予め数種類の既知の断面形状(表面形状)
を有する標準試料についてその表面形状の測定を行い、
探針の劣化度を示す情報を表示する構成を採用したた
め、損傷や汚染等による探針の劣化度を客観的に判断す
ることが可能となり、信頼性の高い試料の表面形状の測
定が可能になると共に、不必要な探針の交換によるコス
トの向上と探針交換による作業の煩雑化を排除できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示した全体図である。
【図2】本発明に用いる標準試料を示す図である。
【図3】本発明にかかる制御手段の動作を示したフロー
チャートである。
【図4】探針の劣化度を示す情報の表示例である。
【図5】本発明にかかる制御手段の動作を示したフロー
チャートである。
【符号の説明】
1・・・・試料ホルダ 1a・・・標準試料 1b・・・試料 2・・・・Z軸微動機構 3・・・・XY微動機構 4・・・・XY粗動ステージ 5a・・・探針ホルダ 5b・・・探針 6・・・・変位検出器 7・・・・サーボ機構 9・・・・制御手段 10・・・表示手段

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料とこれに対向配置した探針とを近接
    させ、探針又は試料を走査することにより、探針と試料
    表面との間の相互作用により生じる物理量を検出して試
    料表面の形状を原子レベルの分解能で測定する走査型プ
    ローブ顕微鏡において、 測定対象となる試料と既知の表面形状を有する標準試料
    とを前記探針下へ切換え配置する駆動手段と、 前記駆動手段を介して前記標準試料を前記探針下へ配置
    すると共に、前記標準試料または前記探針を走査し、前
    記標準試料の表面形状を測定する制御手段と、 得られた測定信号と、予め同一条件の基で正常な探針で
    測定された標準信号とから前記探針の劣化度を示す情報
    を表示する表示手段と、 を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
JP13275594A 1994-06-15 1994-06-15 走査型プローブ顕微鏡 Pending JPH085313A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006308313A (ja) * 2005-04-26 2006-11-09 Hitachi Kenki Fine Tech Co Ltd 走査型プローブ顕微鏡およびその探針評価方法
JP2007078679A (ja) * 2005-08-16 2007-03-29 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 探針形状評価用標準試料

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