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JPH09251026A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope

Info

Publication number
JPH09251026A
JPH09251026A JP5972996A JP5972996A JPH09251026A JP H09251026 A JPH09251026 A JP H09251026A JP 5972996 A JP5972996 A JP 5972996A JP 5972996 A JP5972996 A JP 5972996A JP H09251026 A JPH09251026 A JP H09251026A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe
lever
sample
scanning
force
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
JP5972996A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Yamaguchi
博 山口
Hideki Matsunaga
秀樹 松永
Masahiko Yoshiki
昌彦 吉木
Takeshi Suzuki
健 鈴木
Mitsuhiro Tomita
充裕 富田
Chie Takakuwa
智恵 高桑
Mamoru Takahashi
護 高橋
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.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba 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 Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP5972996A priority Critical patent/JPH09251026A/en
Publication of JPH09251026A publication Critical patent/JPH09251026A/en
Pending legal-status Critical Current

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Landscapes

  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 原子間力と摩擦力とを分離して効率よく検出
し、材料表面の形状や組成や構造の相違を解析評価で
き、原子・分子レベルでの加工・記録においても精密な
位置検出ができるようなプローブを有する装置を提供す
る。 【解決手段】 支持台7と、たわむように前記支持台に
両端を取り付けたレバー3,4と、このレバーの支持台
と反対の面に取り付けられた探針2と、前記探針を挟ん
で前記レバーの表面に形成され、前記レバーのたわみを
検出するための一対の歪ゲージa,b,c,dとを有
し、また、前記歪ゲージをそれぞれレバーの表裏両面に
設け、個々にブリッジ回路を形成し、各ブリッジ回路の
出力電圧から摩擦力の大きさを求める。さらに、探針に
付着したゴミを除去するように、走査プローブ顕微鏡の
前記プローブに100KHz〜100MHzの範囲内の
周波数を有する振動電圧を印加する手段を設ける。
(57) [Summary] (Modified) [Problem] Atomic force and frictional force can be separated and detected efficiently, and the difference in the shape, composition and structure of the material surface can be analyzed and evaluated. (EN) Provided is a device having a probe capable of detecting a precise position even in processing / recording. SOLUTION: A support base 7, levers 3 and 4 whose both ends are flexibly attached to the support base, a probe 2 attached to a surface of the lever opposite to the support base, and the probe are sandwiched therebetween. The lever has a pair of strain gauges a, b, c, d formed on the surface of the lever for detecting the deflection of the lever. Further, the strain gauges are provided on both front and back surfaces of the lever, and are individually bridged. A circuit is formed, and the magnitude of the frictional force is obtained from the output voltage of each bridge circuit. Further, a means for applying an oscillating voltage having a frequency in the range of 100 KHz to 100 MHz is provided to the probe of the scanning probe microscope so as to remove dust attached to the probe.

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、物体の表面の原子
間力や摩擦力を検出することにより、表面の微細な形態
や構造の評価を行う原子間力顕微鏡や摩擦力顕微鏡など
の走査プローブ顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe such as an atomic force microscope or a friction force microscope for evaluating the fine morphology and structure of a surface by detecting the atomic force or frictional force on the surface of an object. Regarding the microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査プローブ顕微鏡(SPM)は、尖鋭
化した探針を試料のごく近傍に近づけ、試料表面を走査
し、探針と試料との間に流れるトンネル電流や、探針と
試料との間に作用する原子間力、磁気力あるいは摩擦力
を検出することにより、試料表面の原子レベルでの微細
な形態や構造の違い、磁気特性、電子状態などの特性を
測定、解析することができるものであり、表面の計測手
段としては最も分解能が高い装置として、半導体材料や
半導体素子、高密度記録材料、有機単分子膜などの表
面、さらには、バクテリアや遺伝子などの生物・生化学
的なものの観察まで広い技術分野で用いれれている。ま
た、この走査プローブ顕微鏡をベースとして超高密度の
記録方法としての可能性や超高集積度の半導体メモリー
素子における原子・分子操作(アトムマニュピュレーシ
ョン)による素子形成技術などの検討が行われ、原子・
分子加工を行う超微細加工装置あるいは電荷や磁気記録
とその読み出しを行う超微細記録装置の研究も試みられ
ている。このように、走査プローブ顕微鏡に関連する技
術は今後半導体分野をはじめとするナノ領域の加工・検
査・記録技術として極めて有望な技術と考えられてい
る。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope (SPM) scans the surface of a sample by bringing a sharpened probe close to the sample to scan a tunnel current flowing between the probe and the sample and the probe and the sample. By detecting the atomic force, magnetic force, or frictional force that acts between the two, it is possible to measure and analyze the characteristics such as the minute morphology and structure difference at the atomic level of the sample surface, magnetic characteristics, electronic state, etc. It is capable of measuring the surface, and has the highest resolution as a device, such as semiconductor materials, semiconductor elements, high-density recording materials, surfaces of organic monolayers, and biological / biochemical materials such as bacteria and genes. It is used in a wide range of technical fields even for observing natural objects. In addition, the possibility of ultra-high density recording method based on this scanning probe microscope and element formation technology by atom / molecule manipulation (atom manipulation) in ultra-high integration semiconductor memory elements are studied. atom·
Research on ultrafine processing devices for molecular processing or ultrafine recording devices for reading and recording electric charges and magnetic recording has been attempted. As described above, the technique related to the scanning probe microscope is considered to be an extremely promising technique as a technique for processing / inspecting / recording in the nano region including the semiconductor field in the future.

【0003】このような走査プローブ顕微鏡では、加工
・検査・記録のいずれにおいても、プローブの位置検出
精度が顕微鏡が置かれた環境によらず高い信頼性を有し
ていることが必要である。現在用いられている位置検出
法は、カンチレバーに探針をつけたプローブ方式が主で
あり、図9に示すように、金属などの板の先端にレコー
ド針状の微細な探針を取り付け、試料表面を探針で走査
し、試料と探針間に流れるトンネル電流を検出するか、
試料と探針との間に働く原子間力や摩擦力を光検出法や
歪ゲージ検出法で検出することにより、ピエゾ素子にフ
ィードバックをかけ、試料表面の構造や電子状態の二次
元像を得ている。
In such a scanning probe microscope, it is necessary that the position detection accuracy of the probe has high reliability regardless of the environment in which the microscope is placed, in any of processing, inspection and recording. The position detection method currently used is mainly a probe method in which a probe is attached to a cantilever. As shown in FIG. 9, a record needle-shaped fine probe is attached to the tip of a plate made of metal or the like, and a sample is attached to the sample. Scan the surface with a probe to detect the tunnel current flowing between the sample and the probe, or
By detecting the atomic force and frictional force acting between the sample and the probe by the optical detection method or strain gauge detection method, feedback is given to the piezo element to obtain a two-dimensional image of the structure and electronic state of the sample surface. ing.

【0004】原子間力や摩擦力の測定では、探針の上下
方向の動きを高感度で検出しうる方法として、光てこ方
式や光干渉方式などの光検出法が用いられている。しか
し、これらの方法は、レーザ光をカンチレバーに照射し
て変位をとらえる方式であるため、光学軸の調整が必要
であり、真空装置などの装置内部にプローブを設置する
場合には、軸合わせ操作が困難であった。さらに、製膜
装置やドライエッチング装置などの内部にプローブを設
置する場合にあっては、種々の活性ガスに曝されること
になり、ミラーや検出器の汚染や腐食などが起こるとい
う問題があった。特に、半導体プロセスの場合には、微
細素子の形成、加工は大半が真空中で、かつ種々の活性
ガス中で行われるので、光による検出方式は適切なもの
とはいえなかった。また、振動などの影響により光学軸
のずれなどが生じ、長期間における信頼性にかけるとい
う問題もあった。
In the measurement of atomic force and frictional force, optical detection methods such as an optical lever method and an optical interference method are used as a method capable of detecting the vertical movement of a probe with high sensitivity. However, these methods are methods that irradiate the laser beam to the cantilever to capture the displacement, so it is necessary to adjust the optical axis.When installing the probe inside a device such as a vacuum device, the axis alignment operation is required. Was difficult. Furthermore, when a probe is installed inside a film forming apparatus or dry etching apparatus, it is exposed to various active gases, and there is a problem that the mirror and detector are contaminated and corroded. It was In particular, in the case of a semiconductor process, most of the formation and processing of fine elements are performed in vacuum and in various active gases, so the detection method using light cannot be said to be appropriate. Further, there is a problem in that the optical axis is displaced due to the influence of vibration and the like, and the reliability is deteriorated for a long time.

【0005】これに対し、歪ゲージ方式はカンチレバー
に歪ゲージを張り付けて、カンチレバーのたわみを歪ゲ
ージの抵抗変化としてとらえる方法で、光検出法のよう
な光学軸の調整の必要はなく、真空装置内にも容易に組
み込んで測定することができる。さらに、歪ゲージの表
面を保護コーティングするなどの手段により活性ガスな
どの雰囲気中でも測定することが可能となり、光検出方
式の欠点を解消する検出方式として採用されている。
On the other hand, the strain gauge method is a method in which a strain gauge is attached to a cantilever and the deflection of the cantilever is detected as a resistance change of the strain gauge, and there is no need to adjust the optical axis as in the photodetection method, and a vacuum device is used. It can be easily incorporated into the inside for measurement. Furthermore, it is possible to perform measurement even in an atmosphere such as an active gas by means such as protective coating of the surface of the strain gauge, and it has been adopted as a detection method that eliminates the drawbacks of the light detection method.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来の歪ゲージ方式の
カンチレバーは図10に示すような構造を有しており、
カンチレバーで試料表面の走査を行い、試料表面と探針
との相互作用によるカンチレバーのたわみを測定するも
のである。従って、このような歪ゲージによる検出法で
は、試料表面の凹凸による上下方向の変位は検出できて
も、摩擦力などによるカンチレバーのねじれに対しては
効率よく検出することができない。つまり、原子・分子
レベルでの解析・加工・記録における位置検出手段とし
ては、試料表面の組成や構造の違いにより発生する摩擦
力によるプローブのずれと試料表面の凹凸によるずれと
を区別することができず、位置決めの精度、信頼性とい
う点で十分なのものではなかった。
A conventional strain gauge type cantilever has a structure as shown in FIG.
The sample surface is scanned by the cantilever, and the deflection of the cantilever due to the interaction between the sample surface and the probe is measured. Therefore, with the detection method using such a strain gauge, although the vertical displacement due to the unevenness of the sample surface can be detected, the torsion of the cantilever due to frictional force or the like cannot be detected efficiently. In other words, as a position detection means in the analysis / processing / recording at the atomic / molecular level, it is possible to distinguish between the displacement of the probe due to the frictional force generated by the difference in the composition and structure of the sample surface and the displacement due to the unevenness of the sample surface. It was not possible, and it was not sufficient in terms of positioning accuracy and reliability.

【0007】また、これらの走査プローブ顕微鏡や走査
プローブ顕微鏡をベースとする装置を用いて物質表面の
解析・加工・記録を行う際、探針にゴミなどが付着し、
物質表面の解析・加工・記録を困難にするという問題が
あった。すなわち、走査プローブ顕微鏡の探針は、通常
試料に接触させるか、あるいは試料表面からナノメータ
のオーダの極めて近い距離に間隔を保つように制御され
ながら試料表面の走査を行っている。従って、試料表面
に従来では問題にならなかったような極めて小さなゴミ
であっても、そのゴミが探針に静電気力や物理的または
化学的な力により付着し、探針の動作に影響を与え正確
な位置検出ができないということになる。
Further, when the surface of a substance is analyzed, processed, or recorded by using these scanning probe microscope or a device based on the scanning probe microscope, dust or the like adheres to the probe,
There is a problem that it is difficult to analyze, process and record the material surface. That is, the probe of the scanning probe microscope scans the sample surface while being normally brought into contact with the sample or being controlled so as to keep a distance from the sample surface at an extremely short distance on the order of nanometers. Therefore, even very small dust that has not been a problem in the past on the surface of the sample adheres to the probe due to electrostatic force or physical or chemical force, and affects the operation of the probe. This means that accurate position detection cannot be performed.

【0008】このように探針にゴミが付着した場合に
は、従来は、その都度探針を交換していたが、探針をい
ちいち交換したのでは、手数がかかるとともに費用もか
かり、測定条件が異なってしまうという問題がある。
Conventionally, when dust adheres to the probe, the probe is conventionally replaced each time. However, replacing the probe each time is troublesome and costly, and the measurement conditions are high. There is a problem that is different.

【0009】従って、本発明は従来の歪ゲージ方式によ
る位置検出法の欠点を解消し、走査プローブ顕微鏡によ
る材料表面の計測評価において、原子間力と摩擦力とを
分離して効率よく検出し、材料表面の形状や組成や構造
の相違を解析評価でき、原子・分子レベルでの加工・記
録においても精密な位置検出ができるようなプローブを
有する装置を提供するとともに、測定や加工などの操作
に際して、探針に付着するゴミなどを除去し、操作を円
滑に行うことができるようにする方法をも提供すること
を課題とする。
Therefore, the present invention solves the drawbacks of the conventional position detection method using the strain gauge method, and in the measurement evaluation of the material surface by the scanning probe microscope, the atomic force and the friction force are separated and efficiently detected, We provide a device with a probe that can analyze and evaluate the difference in the shape, composition and structure of the material surface and can detect the precise position even at the processing and recording at the atomic and molecular level, and at the time of operation such as measurement and processing. Another object of the present invention is to provide a method for removing dust and the like adhering to a probe to enable smooth operation.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の走査プローブ顕
微鏡は、支持台と、たわむように前記支持台に両端を取
り付けたレバーと、このレバーの支持台と反対の面に取
り付けられた探針と、前記探針を挟んで前記レバーの表
面に形成され、前記レバーのたわみを検出するための一
対の歪ゲージとを有することを特徴とする。さらに、前
記歪ゲージは、それぞれレバーの表裏両面に形成するこ
とで個々にブリッジ回路を形成し、各ブリッジ回路の出
力電圧から摩擦力の大きさを求めることを特徴とする。
すなわち、ブリッジ回路は探針の一方の側のレバーの裏
と表に設置してある歪ゲージでひとつのブリッジ回路を
作り、さらに、別の側のレバーの歪ゲージに対しても同
様にブリッジ回路を作成し、これらのブリッジ回路から
得られる個々の出力電圧の和および差を求めることによ
り原子間力と摩擦力とを分離して効率よく検出すること
を特徴とする。
A scanning probe microscope according to the present invention comprises a support base, a lever having both ends attached to the support base so as to bend, and a probe attached to a surface of the lever opposite to the support base. And a pair of strain gauges formed on the surface of the lever with the probe interposed therebetween to detect the deflection of the lever. Further, the strain gauges are characterized in that they are formed on both front and back surfaces of the lever to individually form bridge circuits, and the magnitude of the frictional force is obtained from the output voltage of each bridge circuit.
In other words, the bridge circuit is made with one strain gauge installed on the back of the lever on one side of the probe and on the front side, and also for the strain gauge of the lever on the other side. Is created and the sum and difference of the individual output voltages obtained from these bridge circuits are obtained, and the atomic force and the frictional force are separated and efficiently detected.

【0011】また、本発明は、試料表面を走査し、試料
表面の特性の変化を検出する探針を有するプローブを具
備する走査プローブ顕微鏡において、前記探針に付着し
たゴミを除去するように、前記プローブに100KHz
〜100MHzの範囲内の周波数を有する振動電圧を印
加する手段を有することを特徴とした走査プローブ顕微
鏡である。
Further, according to the present invention, in a scanning probe microscope equipped with a probe having a probe for scanning a sample surface and detecting a change in characteristics of the sample surface, dust on the probe is removed, 100 KHz for the probe
It is a scanning probe microscope characterized by having a means for applying an oscillating voltage having a frequency in the range of -100 MHz.

【0012】本願発明に用いるプローブは、中央部に探
針を備えた帯状のレバーの両端を支持台に固定し、中央
の探針部分が最下部となり探針と試料表面とが向かい合
うように配置し、この探針を取り付けたレバーの探針部
分が試料表面から受ける力により自由に動くことができ
るようにしたものである。すなわち、上記レバーは、探
針と試料表面との間に働く斥力または引力によって、レ
バー最下部の探針部分が支持台に対して接近離反する方
向に弾性変形が可能となるように、また探針と試料表面
との間に働く摩擦力のような力によりレバー最下部の探
針部分が支持台に対して左右方向にも弾性変形が可能と
なるように設けてある。これによりレバーは試料に対し
て垂直方向のみならず、水平方向にもたわむことにな
り、このたわみによるレバーの微小変形を、左右のレバ
ーに設置した歪ゲージを用いて検出する。すなわち、探
針部分が垂直方向のみ上下している場合には、左右のレ
バーの変形は対称な形となるが、摩擦力のような力が作
用することにより水平方向にもたわみが加わると左右の
レバーは非対称な変形を示し、一方のレバーは伸長する
のに対し、他方のレバーは収縮するようになる。従っ
て、このレバーの微少な変形をレバーに取り付けた歪ゲ
ージの抵抗変化を検知することにより水平方向の力を測
定することができ、たとえば、試料基板に吸着した分子
の部位による吸着力の違いや試料表面の分子構造の違い
などを測定することができる。
In the probe used in the present invention, both ends of a belt-shaped lever having a probe in the central portion are fixed to a support base, and the central probe portion is the lowermost portion so that the probe and the sample surface face each other. However, the probe portion of the lever to which this probe is attached can move freely by the force received from the sample surface. That is, the lever is elastically deformable in the direction in which the probe portion at the bottom of the lever moves toward and away from the support base by the repulsive force or attractive force acting between the probe and the sample surface. The probe portion at the bottom of the lever is provided so that it can be elastically deformed in the left-right direction with respect to the support base by a force such as a frictional force acting between the needle and the sample surface. As a result, the lever bends not only in the vertical direction but also in the horizontal direction with respect to the sample, and the minute deformation of the lever due to this deflection is detected using the strain gauges installed on the left and right levers. That is, when the probe part moves up and down only in the vertical direction, the deformation of the left and right levers becomes symmetrical, but when a force such as a frictional force acts, the left and right levers are deformed in the horizontal direction. The levers show an asymmetrical deformation, with one lever extending while the other contracts. Therefore, it is possible to measure the force in the horizontal direction by detecting the resistance change of the strain gauge attached to the lever for this slight deformation of the lever. For example, the difference in the adsorption force depending on the site of the molecule adsorbed on the sample substrate, It is possible to measure differences in the molecular structure of the sample surface.

【0013】湾曲形成はレバーに曲率を付与することに
より水平垂直両方にたわみやすくするためのものであ
り、湾曲形成には、探針部分を下方に突出した凸円弧状
または放物線状、または探針部分を下方向に突出した両
側が凹円弧状または放物線状のような形状に成形するこ
とができる。従って、レバーを湾曲させず「V」字形の
ようなプローブの場合、レバー自体が変形できるような
材質で構成されていればよいが、一般にレバーを湾曲形
成し、曲率を与えた場合に比べて、探針部分の自由度は
減少し、たわみが生じにくいものとなるため、原子間力
のうち斥力の測定に関しては問題はないが、原子間力の
うち引力および摩擦力など水平方向の力の検出能は低下
する傾向がある。従って、探針部分をたわみやすくする
ため、レバーに曲率を与えるように湾曲させることが好
ましい。
The curve is formed by giving a curvature to the lever so that the lever is easily bent in both horizontal and vertical directions. The curve is formed in a convex arc shape or a parabola shape in which a probe portion is projected downward, or a probe shape. The part may be formed in a shape such as a concave arc shape or a parabola shape with both sides protruding downward. Therefore, in the case of a probe having a "V" shape without bending the lever, it suffices if the lever itself is made of a material that can be deformed. , The degree of freedom of the probe part is reduced, and it is less likely to cause deflection.Therefore, there is no problem in measuring the repulsive force among atomic forces, but among the atomic forces, horizontal force such as attractive force and frictional force Detectability tends to decrease. Therefore, in order to easily bend the probe portion, it is preferable to bend the lever so as to give it a curvature.

【0014】本発明に用いる歪ゲージはレバーの微少な
たわみ、すなわち微少な変形が検知できるものであれば
よく、このような歪ゲージとしては、例えば、シリコン
などの半導体材料からなる抵抗線などがあげられ、歪ゲ
ージの抵抗値の変化を測定することによりレバーのたわ
みを検知することができる。
The strain gauge used in the present invention is only required to be capable of detecting a slight deflection of the lever, that is, a slight deformation. As such a strain gauge, for example, a resistance wire made of a semiconductor material such as silicon is used. The deflection of the lever can be detected by measuring the change in the resistance value of the strain gauge.

【0015】また、本発明はこれらの歪ゲージを湾曲形
成したレバーの表裏両面に取り付けることにより、レバ
ーの伸びと縮みとを同時に検出することにより検出感度
を上げ、さらに、このレバー表裏両面に設置した歪ゲー
ジにより、左右の各レバーごとにブリッジ回路を形成し
ている。
Further, according to the present invention, by mounting these strain gauges on both front and back surfaces of a lever which is formed in a curved shape, detection sensitivity is improved by simultaneously detecting extension and contraction of the lever, and further, it is installed on both front and back surfaces of the lever. With the strain gauge, a bridge circuit is formed for each of the left and right levers.

【0016】従って、垂直方向の変位により左右のレバ
ーが同じようにたわんだ場合には、左右のブリッジ回路
からの出力電圧は同一の値を示すが、水平方向の力も受
けレバーが左右いずれかの方向に変位した場合には、左
右のレバーのたわみは異なる状態となり、左右のブリッ
ジ回路からの出力電圧も異なる値を示すようになる。従
って、左右のブリッジ回路からの出力電圧の差は水平方
向の変位量を示し、この値を測定することにより摩擦力
など水平方向の力を評価、解析することができる。
Therefore, when the left and right levers are bent in the same way due to the vertical displacement, the output voltages from the left and right bridge circuits show the same value, but the horizontal lever receives the left or right lever. When displaced in the direction, the deflection of the left and right levers becomes different, and the output voltages from the left and right bridge circuits also show different values. Therefore, the difference between the output voltages from the left and right bridge circuits indicates the horizontal displacement amount, and by measuring this value, the horizontal force such as the frictional force can be evaluated and analyzed.

【0017】このような見地から、探針をはさむ左右の
レバーはできるだけ対称な形状に構成し、歪ゲージも対
称の位置に配置することが好ましい。また、本発明のプ
ローブは上記の帯状のレバーをクロスさせ、クロスした
部分に取り付けた探針により生じる各レバーのたわみを
測定することにより、左右方向に作用する力ばかりでな
く、前後方向に作用する水平方向の力をも求めることが
できる。
From such a point of view, it is preferable that the left and right levers that sandwich the probe be formed as symmetrically as possible, and the strain gauges be arranged at symmetrical positions. Further, the probe of the present invention crosses the above belt-shaped levers and measures the deflection of each lever caused by the probe attached to the crossed portion, so that not only the force acting in the left-right direction but also the longitudinal direction is acted. It is also possible to obtain the horizontal force to perform.

【0018】探針の材質は、測定対象や目的によって種
々のものを用いることができるが、例えば、本発明のプ
ローブに磁性体をコートした探針を用いることにより、
試料表面の磁界によるレバーのたわみを測定できるよう
になり、磁気力顕微鏡としての応用や、導電性の探針を
用いることにより導電性試料表面の誘電率や、電荷また
は分極の分布に応じて生じるマクスウェル応力などを検
知するマクスウェル応力顕微鏡など他の型の走査プロー
ブ顕微鏡として使用することができる。
Various materials can be used for the probe depending on the object to be measured and the purpose. For example, by using a probe coated with a magnetic substance on the probe of the present invention,
It becomes possible to measure the deflection of the lever due to the magnetic field on the sample surface, and it occurs depending on the permittivity of the conductive sample surface and the distribution of charge or polarization by application as a magnetic force microscope or by using a conductive probe. It can be used as another type of scanning probe microscope, such as a Maxwell stress microscope that detects Maxwell stress and the like.

【0019】また、本願のプローブを用いる走査プロー
ブ顕微鏡では、レバーのたわみを直接歪ゲージで測定す
るものであり、動作方式としてはコンタクトモードをは
じめノンコンタクトモードまたタッピングモードのいず
れの場合であっても適用することができる。
Further, in the scanning probe microscope using the probe of the present application, the deflection of the lever is directly measured by a strain gauge, and the operation method is any of contact mode, non-contact mode and tapping mode. Can also be applied.

【0020】なお、以上のようなプローブは、走査プロ
ーブ顕微鏡ばかりでなく、これらの走査プローブ顕微鏡
をベースとした原子・分子加工を行う超微細加工装置や
電荷や磁気記録とその読み出しを行う超微細記録装置に
おいても同様に位置を検出する手段として使用すること
ができ、これらの装置にも適用することができる。
The probe as described above is not limited to the scanning probe microscope, but also an ultrafine processing apparatus for performing atomic / molecular processing based on these scanning probe microscopes, an ultrafine processing apparatus for performing charge / magnetic recording and reading thereof. The same can be used in the recording device as a means for detecting the position, and can be applied to these devices.

【0021】一方、本願発明は、走査プローブ顕微鏡を
用いて測定する場合に、探針にゴミが付着し、測定が困
難になるという障害を防止するため、探針からゴミを除
去する方法も提供する。
On the other hand, the present invention also provides a method of removing dust from the probe in order to prevent the trouble that the dust adheres to the probe and makes the measurement difficult when measuring using a scanning probe microscope. To do.

【0022】一般に、探針に付着するゴミは1μm以下
の極めて微少な大きさのものであり絶縁物が多く、電荷
を帯びることにより試料に、そして試料から探針に付着
する。そこで、探針に電圧を与えれば、電気的な力によ
り微少なゴミは探針から飛散するが、単に電圧を印加し
ただけではゴミは試料または探針に再び付着してしまう
可能性が高い。すなわち、例えば探針に負の電位を与え
ると、負に帯電した絶縁物は探針より脱離するが、試料
は正の電位にあるので脱離したゴミは試料に付着してし
まうことになる。
Generally, the dust attached to the probe is of a very small size of 1 μm or less, and has many insulators, and is attached to the sample by being charged, and from the sample to the probe. Therefore, when a voltage is applied to the probe, a minute dust is scattered from the probe due to an electric force, but there is a high possibility that the dust will adhere to the sample or the probe again simply by applying the voltage. That is, for example, when a negative potential is applied to the probe, the negatively charged insulator is detached from the probe, but since the sample is at a positive potential, the detached dust will adhere to the sample. .

【0023】かかる弊害は探針と試料に振動電圧を印加
することによって防止することができる。振動電圧を印
加したとき、探針に付着したゴミは一部交番電場によっ
て振動し、振動が発散するときゴミは探針より外に飛散
する。発散する条件は振動するゴミの質量と加える電気
力の大きさによって異なる。従って、交番電場の周波数
をゴミの質量数と電荷に合わせて変えることによってゴ
ミを探針から除去することができる。
Such an adverse effect can be prevented by applying an oscillating voltage to the probe and the sample. When an oscillating voltage is applied, the dust attached to the probe vibrates partly by the alternating electric field, and when the vibration diverges, the dust flies out of the probe. The condition of divergence depends on the mass of the vibrating dust and the magnitude of the applied electric force. Therefore, the dust can be removed from the probe by changing the frequency of the alternating electric field according to the mass number and charge of the dust.

【0024】通常問題となる大きさのゴミは質量数がナ
ノグラム以下で、電荷は10-12 クーロン以下のもので
ある。このようなゴミが振動するとき、外場として10
Vの電場にあるものとすると、
[0024] Usually, a dust of a size that is a problem has a mass number of nanogram or less and an electric charge of 10 -12 coulomb or less. When such dust vibrates, the
If it is in the electric field of V,

【数1】 より、ゴミの共振周波数は上記の式から計算できる。[Equation 1] Therefore, the resonance frequency of dust can be calculated from the above equation.

【0025】最も小さいゴミは10-18 gの大きさで、
電荷は10-13 クーロンとすると、共振周波数は約10
0MHzとなる。また、最も大きなゴミは10-12 gの
大きさで、電荷は10-13 クーロンとすると、共振周波
数は100KHzとなる。従って、100KHz〜10
0MHzの周波数の振動電圧を加えれば問題となるゴミ
を除去できることになる。
The smallest dust is 10 -18 g in size,
If the charge is 10 -13 coulombs, the resonance frequency is about 10
0 MHz. If the largest dust is 10 −12 g and the electric charge is 10 −13 coulomb, the resonance frequency is 100 KHz. Therefore, 100 KHz to 10
If an oscillating voltage with a frequency of 0 MHz is applied, problematic dust can be removed.

【0026】プローブに振動電圧を加えるには、例えば
RFオシレータなどの高周波発生回路を用いて、試料と
探針との間に振動電圧を印加することにより行うことが
できる。
The oscillating voltage can be applied to the probe by applying the oscillating voltage between the sample and the probe using a high frequency generating circuit such as an RF oscillator.

【0027】電圧印加のタイミングは、X軸方向の走査
が終了した時点でも、プローブを走査している最中であ
ってもよい。走査している最中の場合、Z軸方向のフィ
ードバック回路を短時間切って、探針の位置をホールド
してトンネル電流や原子間力の測定を一時中止して、そ
の間にすばやく探針と試料との間に高周波電圧を印加す
るようにする。印加する時間はμ秒のオーダでよく、測
定系に影響を与えることなく電圧を印加し、ゴミを除去
することができる。
The timing of voltage application may be at the end of scanning in the X-axis direction or during scanning of the probe. During scanning, turn off the feedback circuit in the Z-axis direction for a short time, hold the position of the probe to temporarily stop the measurement of tunnel current and atomic force, and quickly in the meantime A high frequency voltage is applied between and. The application time may be on the order of microseconds, and voltage can be applied to remove dust without affecting the measurement system.

【0028】用いる周波数は、前述のように100KH
z〜100MHzまで全域をスキャンしても、この範囲
の周波数のうち例えば、100KHz、50MHz、1
00MHzのような特定の周波数を逐次印加するように
周波数に幅をもたせてもよい。また、最も大きなゴミに
合わせた低い周波数を用いても同じ結果を得ることがで
きる。これは、小さなゴミは大きなゴミに比べ大きな速
度が得られるので、低い周波数により大きなゴミが飛散
する際に、小さなゴミは大きなゴミとともに探針−試料
系の外に飛散するようになるからである。
The frequency used is 100 KH as described above.
Even if the entire range is scanned from z to 100 MHz, of the frequencies in this range, for example, 100 KHz, 50 MHz, 1
The frequency may have a width so that a specific frequency such as 00 MHz is sequentially applied. Also, the same result can be obtained by using a low frequency matched to the largest dust. This is because small dust particles have a higher speed than large dust particles, and when large dust particles are scattered due to a low frequency, small dust particles are scattered with the large dust particles out of the probe-sample system. .

【0029】以上のような方法により探針からゴミを除
去する方法は、探針を有するすべての走査プローブ顕微
鏡およびこれらをベースとする原子・分子加工を行う超
微細加工装置や電荷や磁気記録とその読み出しを行う超
微細記録装置などにも適用することが可能であり、操作
の障害となる探針に付着したゴミを除去することができ
る。
The method of removing dust from the probe by the above-mentioned method includes all scanning probe microscopes having a probe and an ultrafine processing apparatus for performing atomic / molecular processing based on these and charge or magnetic recording. It can also be applied to an ultra-fine recording device for reading the data, and it is possible to remove dust adhering to the probe that hinders the operation.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】次に、本発明の具体的な実施の態
様について、図を用いて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0031】図1のAはプローブ全体の構造を示してお
り、レバー3、4はバネ鋼などの剛性の高い材料を用
い、図のような形状に加工する。すなわち、レバーの先
端には探針2を固定する台座5を接着し、台座5に探針
2を接着または挟み込みなどの手段により取り付ける。
歪ゲージa〜dは0.8mm×1mm、厚さ10μmの
シリコン半導体ゲージの抵抗線歪ゲージを用い、インバ
ー合金からなるレバー(厚さ0.1mm、幅1mm、長
さ5mm)3、4にアロイイングにより所定の位置に張
り付ける。また、レバーの両端には支持台7に固定する
ための留め金6を取り付け、留め金はネジ穴を設け、支
持台7に固定できるようにする。図1のBはレバーの両
端の間隔を狭くしてレバーを湾曲させた状態であり、支
持台7にはこの状態で固定する。このようにして取り付
けられたプローブの状態を図1のDに示す。なお、図1
のCはプローブ全体を斜めからみた状態を示している。
FIG. 1A shows the structure of the entire probe. The levers 3 and 4 are made of a highly rigid material such as spring steel and processed into the shape as shown in the figure. That is, the base 5 for fixing the probe 2 is adhered to the tip of the lever, and the probe 2 is attached to the base 5 by means such as adhering or sandwiching.
The strain gauges a to d are 0.8 mm × 1 mm, and the resistance wire strain gauge of a silicon semiconductor gauge having a thickness of 10 μm is used for levers (thickness 0.1 mm, width 1 mm, length 5 mm) 3 and 4 made of Invar alloy. Stick it in place by alloying. Further, clasps 6 for fixing to the support base 7 are attached to both ends of the lever, and the clasps are provided with screw holes so that they can be fixed to the support base 7. 1B shows a state in which the lever is curved by narrowing the distance between both ends of the lever, and the lever is fixed to the support base 7 in this state. The state of the probe thus attached is shown in D of FIG. FIG.
C of the figure shows a state in which the entire probe is viewed obliquely.

【0032】図2は制御系を含めた走査プローブ顕微鏡
全体の構成を示し、参照符号10はプローブをX、Y、
Z軸方向にそれぞれ駆動するピエゾ素子、参照符号1
1、12はそれぞれ抵抗線歪ゲージa、bによるブリッ
ジ回路、抵抗線歪ゲージc、dによるブリッジ回路、参
照符号13はブリッジ回路11、12の出力電圧を検出
するための電圧計測回路、参照符号14は電圧計測回路
の出力電圧を受けてピエゾ素子のZ軸方向の動きを制御
するためのサーボ回路である。探針のXおよびY軸方向
への駆動、Z軸方向のサーボおよび電圧の比較と変位量
への変換は制御装置15によりコントロールされ、試料
表面の二次元での凹凸像および摩擦力の像が表示装置1
6に表示される。
FIG. 2 shows the configuration of the entire scanning probe microscope including the control system. Reference numeral 10 indicates a probe for X, Y,
Piezo elements driven in the Z-axis direction, reference numeral 1
Reference numerals 13 and 12 designate a voltage measuring circuit for detecting the output voltage of the bridge circuits 11 and 12, respectively. Reference numeral 14 is a servo circuit for receiving the output voltage of the voltage measuring circuit and controlling the movement of the piezo element in the Z-axis direction. Driving of the probe in the X and Y axis directions, servo in the Z axis direction and comparison of voltage and conversion into displacement amount are controlled by the control device 15, and a two-dimensional uneven image and a frictional force image of the sample surface are displayed. Display device 1
6 is displayed.

【0033】なお、半導体ゲージの抵抗値とブリッジ回
路を構成する抵抗値はそれぞれ僅かに違ってくるので、
変位の大きさを測定するには予め凹凸のわかった標準試
料により校正する。また、探針負荷を与えない、すなわ
ち、たわませない状態の出力電圧を測定前にチェック
し、これを0点としコンピュータでサーボ回路を制御し
た。
Since the resistance value of the semiconductor gauge and the resistance value of the bridge circuit are slightly different,
To measure the magnitude of displacement, calibrate with a standard sample with known irregularities. In addition, the output voltage in the state in which the probe load is not applied, that is, in the state in which the probe is not bent, is checked before measurement, and the servo voltage is controlled by the computer by setting this to 0 point.

【0034】次に、図1のDように取り付けたプローブ
1を用いて試料表面を走査する場合の各レバーのたわみ
とたわみの検出について図3、図4を用いて説明する。
Next, the deflection of each lever and the detection of the deflection when scanning the sample surface using the probe 1 attached as shown in FIG. 1D will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

【0035】図3のAにおいて、参照符号2は走査プロ
ーブ顕微鏡の探針、参照符号3および4は同一の材質で
構成された探針を支えるレバーで、探針をはさんで対称
に湾曲させられた構造を有している。レバー3、4には
いずれも表面および裏面の両面に抵抗線歪ゲージa、
b、cおよびdを取り付ける。参照符号7は探針2とレ
バー3、4を支える支持台であり、ピエゾ素子により
X、Y、Z軸方向に駆動されるように構成されている。
参照符号8は測定対象の個体試料である。
In FIG. 3A, reference numeral 2 is a probe of a scanning probe microscope, reference numerals 3 and 4 are levers for supporting the probe made of the same material, and are bent symmetrically with the probe interposed therebetween. It has the following structure. The levers 3 and 4 have resistance wire strain gauges a on both front and back surfaces.
Install b, c and d. Reference numeral 7 is a support base that supports the probe 2 and the levers 3 and 4, and is configured to be driven in the X, Y, and Z axis directions by a piezo element.
Reference numeral 8 is an individual sample to be measured.

【0036】図4は歪ゲージで構成する抵抗線歪計のブ
リッジ回路11、12で、図中、抵抗R1 〜R4 は抵抗
線歪ゲージa、b、cおよびdの抵抗値Ra 、Rb 、R
c およびRd とほほ同じ抵抗値を有するものであり、そ
の抵抗値をRとすると、R1=R2 =R3 =R4 =Ra
=Rb =Rc =Rd =Rとなる。レバーが曲げられてい
ない状態(図1のA)では、抵抗線歪ゲージa、b、c
およびdの抵抗値Ra、Rb 、Rc およびRd は同じ値
Rであるので、ブリッジ回路に電圧Eを与えてもV1 =
V2 =0であって、電圧は発生しない。
FIG. 4 shows bridge circuits 11 and 12 of a resistance line strain gauge composed of strain gauges. In the figure, resistors R1 to R4 are resistance values Ra, Rb and R of the resistance line strain gauges a, b, c and d.
c and Rd have almost the same resistance value, where R is R1 = R2 = R3 = R4 = Ra
= Rb = Rc = Rd = R. When the lever is not bent (A in FIG. 1), resistance wire strain gauges a, b, c
Since the resistance values Ra, Rb, Rc and Rd of d and d are the same value R, even if the voltage E is applied to the bridge circuit, V1 =
Since V2 = 0, no voltage is generated.

【0037】図3のAのようにレバーを湾曲させた状態
では、抵抗線歪ゲージaおよびcは伸び、bおよびdは
縮むことになるが、レバー2、3の曲率が同じであるの
で、抵抗線歪ゲージaおよびcの抵抗の増加は同じ量と
なり、また抵抗線歪ゲージbおよびdの抵抗の減少量も
同じものになる。この抵抗値の変化量をΔRとすると、
When the lever is bent as shown in FIG. 3A, the resistance line strain gauges a and c expand and b and d contract, but since the levers 2 and 3 have the same curvature, The resistance wire strain gauges a and c increase in resistance by the same amount, and the resistance wire strain gauges b and d decrease in resistance by the same amount. If the amount of change in this resistance value is ΔR,

【数2】 となり、V1 およびV2 には、[Equation 2] And V1 and V2 are

【数3】 の出力電圧が発生する。探針になにも力が働かない場合
には、この状態で保持されている。
(Equation 3) Output voltage is generated. If no force acts on the probe, it is held in this state.

【0038】次に、試料表面の凹凸により探針が上下方
向に移動した場合には、レバーは上下方向の変動量に応
じてレバーの湾曲の曲率が変化し、レバーの表裏に張り
付けた抵抗線歪ゲージの伸び、縮み量に変化が現れる。
すなわち、図3のBのように試料表面の凸部により原子
間力の反発力を受け探針が押し上げられた場合には、レ
バー2、3はさらに曲げられ曲率も増大する。これによ
って、レバーに張り付けられた抵抗線歪ゲージaおよび
cはさらに伸ばされ抵抗値は増大し、抵抗線歪ゲージb
およびcはさらに縮み抵抗値は減少する。レバーの変位
量は小さいので、この変化した抵抗値をΔrとすると、
Ra =Rc =R+ΔR+ΔrおよびRb=Rd =R−Δ
R−Δrとなり、ブリッジ回路に電圧Eを与えた場合、
V1 およびV2 には同じ出力電圧
Next, when the probe moves up and down due to the unevenness of the surface of the sample, the curvature of the curvature of the lever changes according to the amount of vertical movement, and the resistance wire attached to the front and back of the lever. A change appears in the amount of strain gauge expansion and contraction.
That is, when the probe is pushed up by the repulsive force of the atomic force due to the convex portion of the sample surface as shown in FIG. 3B, the levers 2 and 3 are further bent and the curvature also increases. As a result, the resistance wire strain gauges a and c attached to the lever are further extended and the resistance value increases, and the resistance wire strain gauge b.
And c further shrink and the resistance value decreases. Since the amount of displacement of the lever is small, if this changed resistance value is Δr,
Ra = Rc = R + .DELTA.R + .DELTA.r and Rb = Rd = R-.DELTA.
R-Δr, and when the voltage E is applied to the bridge circuit,
Same output voltage for V1 and V2

【数4】 が発生する。従って、式(2)および式(3)との出力
電圧の差は
(Equation 4) Occurs. Therefore, the difference in the output voltage from the equations (2) and (3) is

【数5】 となり、これを測定することによって、変位の量を求め
ることができる。
(Equation 5) Then, by measuring this, the amount of displacement can be obtained.

【0039】一方、図3のCのように試料表面の凹部に
より原子間の吸引力を受け探針が押し下げられた場合に
は、レバー2、3は引き伸ばされ曲率は減少する。従っ
て、レバーに張り付けられた抵抗線歪ゲージaおよびc
は図3のAの状態よりさらに縮んで抵抗値は減少し、抵
抗線歪ゲージbおよびdは図3のAの状態よりさらに伸
び抵抗値は増加する。レバーの変位量は小さいので、こ
の変化した抵抗値をΔr’とすると、Ra =Rc =R+
ΔR−Δr’およびRb =Rd =R−ΔR+Δr’とな
り、ブリッジ回路に電圧Eを与えた場合、V1 およびV
2 には同じ出力電圧
On the other hand, when the probe is pushed down by the attraction force between atoms by the concave portion of the sample surface as shown in FIG. 3C, the levers 2 and 3 are extended and the curvature is reduced. Therefore, the resistance wire strain gauges a and c attached to the lever
3 further shrinks from the state of A in FIG. 3 to reduce the resistance value, and the resistance wire strain gauges b and d further extend to the state of FIG. 3A to increase the resistance value. Since the displacement of the lever is small, if this changed resistance value is Δr ', Ra = Rc = R +
.DELTA.R-.DELTA.r 'and Rb = Rd = R-.DELTA.R + .DELTA.r', and when voltage E is applied to the bridge circuit, V1 and V1
Same output voltage for 2

【数6】 が発生する。従って、式(2)および式(4)との電圧
の差は
(Equation 6) Occurs. Therefore, the voltage difference between the equation (2) and the equation (4) is

【数7】 となり、これを測定することによって、逆の変位の量を
求めることができる。
(Equation 7) Then, by measuring this, the amount of reverse displacement can be obtained.

【0040】次に、探針が試料の組成の変化や試料に付
着した物質により摩擦力を受けた場合を考えると次のよ
うになる。このとき、レバーは図3のDのように変形
し、レバーの一方は曲げられ、他方のレバーは伸ばされ
るように変形する。すなわち、この場合も変位量は小さ
いので、曲げられたレバーの方に張り付けた抵抗線歪ゲ
ージaおよびbの抵抗の変化量をΔr1 、他方の伸ばさ
れたレバーの抵抗線歪ゲージcおよびdの抵抗の変化量
をΔr2 とすると、抵抗線歪ゲージの抵抗はそれぞれ、
Ra =R+ΔR+Δr1 、Rb =R−ΔR−Δr1 、R
c =R+ΔR−Δr2 およびRd =R−ΔR+Δr2 と
なり、ブリッジ回路に電圧Eを与えた場合、V1 および
V2 には次に示す出力電圧が発生する。
Next, considering the case where the probe receives a frictional force due to a change in the composition of the sample and a substance attached to the sample, it is as follows. At this time, the lever is deformed as shown in D of FIG. 3, one of the levers is bent and the other lever is deformed so as to be extended. That is, since the displacement amount is small in this case as well, the amount of change in resistance of the resistance line strain gauges a and b attached to the bent lever is Δr1, and the resistance line strain gauges c and d of the other stretched lever are If the amount of change in resistance is Δr2, the resistance of the resistance wire strain gauge is
Ra = R + ΔR + Δr1, Rb = R-ΔR-Δr1, R
c = R + .DELTA.R-.DELTA.r2 and Rd = R-.DELTA.R + .DELTA.r2, and when the voltage E is applied to the bridge circuit, the following output voltages are generated at V1 and V2.

【0041】[0041]

【数8】 (Equation 8)

【数9】 従って、V1 およびV2 は異なる電圧を示し、この差[Equation 9] Therefore, V1 and V2 show different voltages and this difference

【数10】 を測定することにより、摩擦力の大きさを求めることが
できる。
(Equation 10) By measuring, the magnitude of the frictional force can be obtained.

【0042】従って、摩擦力と原子間力が同時に働いた
場合には、原子間力をV1 +V2 で、摩擦力をV1 −V
2 で検出することができ両者の力を分離してそれぞれ求
めることができる。
Therefore, when the frictional force and the atomic force act simultaneously, the atomic force is V1 + V2 and the frictional force is V1 -V.
It can be detected by 2 and the forces of both can be separated and obtained separately.

【0043】なお、レバーを曲げて曲率を付与する場合
には、図3のAで示したように外に凸となるように曲げ
ず、図5に示すように内に凸となるように湾曲させても
よい。この場合、レバーに張り付けた各々の抵抗線歪ゲ
ージの伸びおよび縮みの関係が上述の説明とは逆の関係
となり、符号は逆となるが同様に原子間力および摩擦力
をそれぞれ求めることができる。
When the lever is bent to give a curvature, it is not bent to be convex as shown in A of FIG. 3 but is curved to be convex as shown in FIG. You may let me. In this case, the relationship of expansion and contraction of each resistance line strain gauge attached to the lever is the opposite relationship to the above description, and the signs are opposite, but the atomic force and the frictional force can be obtained respectively. .

【0044】このように、本発明は4個の歪ゲージを探
針の左右両側のレバーの表と裏の両面に取り付けること
により感度が2〜4倍に増加し、また摩擦力と原子間力
とを分離して求めることができるようになる。
As described above, according to the present invention, the sensitivity is increased by 2 to 4 times by attaching the four strain gauges to the front and back surfaces of the levers on the left and right sides of the probe, and the friction force and the atomic force are increased. You will be able to separate and obtain.

【0045】図6は本装置によって合成ゴムの表面を測
定した結果である。図中Aは表面の凹凸の状態を示すイ
メージ(トポグラフ)であり、Bは摩擦力によって示し
たイメージである。摩擦力のイメージでは合成ゴムが異
なる成分から成り立っていることが明瞭に示されてお
り、摩擦力情報と凹凸情報とは互いに影響されることな
く、それぞれ独立に入手することができることがわか
る。
FIG. 6 shows the result of measuring the surface of synthetic rubber by this apparatus. In the figure, A is an image (topography) showing the state of surface irregularities, and B is an image shown by frictional force. The image of the frictional force clearly shows that the synthetic rubber is composed of different components, and it can be seen that the frictional force information and the unevenness information can be obtained independently without being influenced by each other.

【0046】次に、測定中に問題となる探針に付着した
ゴミの除去方法について、走査プローブ顕微鏡のひとつ
である光検出方式を用いた原子間力顕微鏡を例として、
図7により説明する。なお、この例では図2の場合と異
なり試料を載置した試料載置台をピエゾ素子により動か
し走査を行う方式を採用している。
Next, regarding the method of removing dust adhering to the probe that is a problem during measurement, an atomic force microscope using a photodetection method, which is one of scanning probe microscopes, will be taken as an example.
This will be described with reference to FIG. In this example, unlike the case of FIG. 2, a method is adopted in which the sample mounting table on which the sample is mounted is moved by a piezo element to perform scanning.

【0047】図7は本発明の探針からのゴミ除去方法を
実施するための走査プローブ顕微鏡の主要部の構成を示
したものである。装置本体は試料8を載置する試料載置
台17、試料載置台17をX、Y、Z軸方向に動かすス
テッピングモータと微細な調節を行うためのピエゾ素子
10、探針2を含むプローブ1、プローブの位置を検出
するための光干渉計18、探針2と試料8との間に高周
波電圧を印加する回路、例えばRFオシレータ19とを
備えており、プローブの走査、レーザ干渉計による位置
検出およびそのフィードバックは制御装置15によって
行われている。また、探針と試料との間に印加する高周
波電圧の印加は、測定系の制御とは別に任意の位置およ
び時間に印加できるように制御装置15により制御され
ている。
FIG. 7 shows the structure of the main part of a scanning probe microscope for carrying out the method for removing dust from a probe according to the present invention. The apparatus body includes a sample mounting table 17 on which a sample 8 is mounted, a stepping motor for moving the sample mounting table 17 in the X, Y, and Z axis directions, a piezo element 10 for fine adjustment, and a probe 1 including a probe 2. An optical interferometer 18 for detecting the position of the probe and a circuit for applying a high frequency voltage between the probe 2 and the sample 8, for example, an RF oscillator 19 are provided, and scanning of the probe and position detection by the laser interferometer are provided. And its feedback is performed by the controller 15. Further, the application of the high-frequency voltage applied between the probe and the sample is controlled by the controller 15 so that it can be applied at an arbitrary position and time separately from the control of the measurement system.

【0048】高周波電圧はRFオシレータにより、周波
数を40μ秒の間に1MHz〜100MHzまで4段階
に、すなわち、1、20、50および100MHzを1
0μ秒ずつ断続的に発生させて、探針−試料間に印加し
た。回路には1Mオームの高抵抗を直列に組み込み、探
針と試料との間に電流が流れないようにした。高周波電
圧の印加はX軸方向の1スキャンの間に1〜5回挿入し
て行った。
The high frequency voltage is set by the RF oscillator in four stages from 1 MHz to 100 MHz in 40 μs, that is, at 1, 20, 50 and 100 MHz.
It was generated intermittently every 0 μsec and applied between the probe and the sample. A high resistance of 1 M ohm was installed in series in the circuit to prevent current from flowing between the probe and the sample. The high frequency voltage was applied by inserting it 1 to 5 times during one scan in the X-axis direction.

【0049】図8は、このようにして高周波電圧を印加
した場合と、印加しなかった場合のトポグラフイメージ
を比較したものであり、図中Aは印加しなかった場合
で、Bは印加した場合を示している。高周波電圧を印加
しなかった場合はゴミの付着によりノイズが見られる
が、電圧印加によりノイズのないイメージが得られてい
る。
FIG. 8 is a comparison of the topographic images when the high frequency voltage is applied in this way and when it is not applied. In the figure, A is the case where no voltage is applied and B is the case where it is applied. Is shown. When no high frequency voltage is applied, noise is seen due to the adhesion of dust, but an image without noise is obtained by applying voltage.

【0050】このように探針と試料との間に高周波電圧
を印加するための回路を設け、探針に電圧を印加するこ
とにより探針に付着したゴミを除去することは、上述の
例で示した光干渉計を用いた原子間力顕微鏡ばかりでな
く、本願明細書において説明した歪ゲージに位置検出方
法を用いる他の原子間力顕微鏡をはじめ走査トンネル顕
微鏡などすべての探針を用いる走査プローブ顕微鏡に適
用できる。
As described above, the circuit for applying the high frequency voltage is provided between the probe and the sample, and the dust applied to the probe is removed by applying the voltage to the probe in the above-mentioned example. Not only the atomic force microscope using the illustrated optical interferometer, but also other atomic force microscopes that use the position detection method for the strain gauge described in the present specification, as well as scanning probes that use all probes such as scanning tunneling microscopes. Applicable to microscope.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明の走査プローブ顕微鏡によれば、
従来困難であった真空中や各種ガス中などの装置内に走
査プローブ顕微鏡を設置して試料表面の凹凸と摩擦力を
容易に分離して測定することができ、半導体基板や有機
薄膜、生体試料などの評価解析および半導体の微細加工
における原子・分子操作、超高密度記録技術における読
み出し・書き込み技術に極めて有効なものとなる。具体
的には、次にような効果が得られる。
According to the scanning probe microscope of the present invention,
A scanning probe microscope can be installed in a device that has been difficult in the past, such as in a vacuum or in various gases, to easily separate and measure the unevenness and frictional force of the sample surface.Semiconductor substrates, organic thin films, biological samples It is extremely effective for evaluation analysis, atomic / molecular operations in semiconductor microfabrication, and read / write technology in ultra-high density recording technology. Specifically, the following effects are obtained.

【0052】(1)従来のカンチレバー方式に代え、両
端を固定し、湾曲形成したレバーを用い、各々のレバー
のたわみを測定することにより、試料表面の原子レベル
での凹凸像の観察と共に、摩擦力の相違による組成・構
造の違いを容易に検出することができる。
(1) Instead of the conventional cantilever method, the curved and bent levers are used at both ends, and the deflection of each lever is measured. Differences in composition and structure due to differences in force can be easily detected.

【0053】(2)位置検出にレーザを用いず、歪ゲー
ジを用いているので、光学軸の調整などの測定時におけ
る予備操作の必要がなく測定が簡便となる。
(2) Since the laser is not used for position detection and the strain gauge is used, the measurement is simplified without the need for preliminary operation such as adjustment of the optical axis at the time of measurement.

【0054】(3)また、製膜装置やエッチング装置な
どの真空内および活性ガス中など雰囲気でも設置、測定
することができる。
(3) It is also possible to install and measure in a vacuum such as a film forming apparatus or an etching apparatus and in an atmosphere such as an active gas.

【0055】さらに、探針からゴミを除去する本発明に
よると、プローブを利用する走査トンネル顕微鏡や原子
間力顕微鏡、また、プローブを用いる超高密度記録装置
や超微細加工装置などで従来困難であった走査中の探針
へのゴミの付着による障害を防止でき、測定中にゴミを
除去することにより、ノイズや画像の歪曲の少ないイメ
ージが得られる。また、従来のように頻繁に探針を交換
する必要がなくなり、交換に要する手間と費用を大幅に
節減することができる。
Further, according to the present invention for removing dust from a probe, it has been difficult in the prior art in a scanning tunneling microscope or an atomic force microscope using a probe, an ultra high density recording device or an ultrafine processing device using a probe. It is possible to prevent the obstacle due to the adhesion of dust to the probe during the existing scanning, and by removing the dust during measurement, an image with less noise and image distortion can be obtained. Further, unlike the conventional case, it is not necessary to frequently replace the probe, and the labor and cost required for replacement can be significantly reduced.

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

【図1】本願発明に発明に用いるプローブの構成例を示
す図であり、図中、Aはプローブ全体の構造を、Bはレ
バーの両端の間隔を狭くしてレバーを湾曲させた状態
を、Cはプローブ全体を斜めからみた状態を、Dは支持
台の取り付けられたプローブの状態を示している。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a probe used in the invention of the present application, in which A is a structure of the entire probe, B is a state in which a gap between both ends of the lever is narrowed, and the lever is curved, C shows a state in which the entire probe is viewed obliquely, and D shows a state in which the probe is attached to the support base.

【図2】制御系を含めた走査プローブ顕微鏡全体の構成
を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an entire scanning probe microscope including a control system.

【図3】プローブ1を用いて試料表面を走査する場合の
各レバーのたわみとたわみの検出について説明する図で
あり、図中、Aはレバーを曲げてプローブを構成した状
態を、Bは試料表面の凸部により原子間力の反発力を受
け探針が押し上げられた状態を、Cは試料表面の凹部に
より原子間の吸引力を受け探針が押し下げられた状態
を、Dは探針が試料の組成の変化や試料に付着した物質
により摩擦力を受け水平方向にたわんだ状態を示してい
る。
3A and 3B are diagrams illustrating the deflection of each lever and the detection of the deflection when scanning the sample surface using the probe 1, where A is a state in which the lever is bent to form a probe, and B is a sample. The convex portion of the surface receives the repulsive force of the atomic force to push the probe up, C is the concave portion of the sample surface receiving the attractive force between the atoms and the probe is pushed down, and D is the probe. It shows a state in which the sample is horizontally bent due to a change in the composition of the sample and a frictional force caused by a substance attached to the sample.

【図4】各レバーのたわみを検出するための歪ゲージで
構成するブリッジ回路を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a bridge circuit configured by strain gauges for detecting the deflection of each lever.

【図5】湾曲形成したレバーの別の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing another example of a lever that is curved.

【図6】合成ゴムの表面を測定した結果を示した図であ
り、図中、Aは表面の凹凸の状態を示すイメージ(トポ
グラフ)であり、Bは摩擦力によって示したイメージで
ある。
FIG. 6 is a diagram showing the results of measuring the surface of synthetic rubber, where A is an image (topograph) showing the state of surface irregularities, and B is an image shown by frictional force.

【図7】探針に付着したゴミを除去する方法を行うため
の走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a scanning probe microscope for performing a method of removing dust attached to a probe.

【図8】高周波電圧の印加によりゴミが除去されたこと
を示すトポグラフイメージであり、図中、Aは高周波電
圧を印加しなかった場合であり、Bは高周波電圧を印加
した場合を示している。
FIG. 8 is a topographic image showing that dust is removed by applying a high frequency voltage, where A is a case where the high frequency voltage is not applied and B is a case where the high frequency voltage is applied. .

【図9】現在用いられている、カンチレバーに探針をつ
けたプローブを示す図である。
FIG. 9 is a view showing a probe having a probe attached to a cantilever, which is currently used.

【図10】従来の歪ゲージ方式のプローブの構造を示す
図である。
FIG. 10 is a diagram showing a structure of a conventional strain gauge type probe.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 プローブ 2 探針 3、4 レバー 5 台座 6 留め金 7 支持台 8 試料 10 ピエゾ素子 11 歪ゲージaおよびbによるブリッジ回路 12 歪ゲージcおよびdによるブリッジ回路 13 電圧計測回路 14 サーボ回路 15 制御装置 16 表示装置 17 試料載置台 18 光干渉計 19 RFオシレータ a、b、c、d 歪ゲージ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 probe 2 probe 3, 4 lever 5 pedestal 6 clasp 7 support base 8 sample 10 piezo element 11 bridge circuit with strain gauges a and b 12 bridge circuit with strain gauges c and d 13 voltage measurement circuit 14 servo circuit 15 controller 16 display device 17 sample mounting table 18 optical interferometer 19 RF oscillator a, b, c, d strain gauge

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 健 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 富田 充裕 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 高桑 智恵 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 高橋 護 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Ken Suzuki, Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa, Ltd., within the Toshiba Research and Development Center (72) Inventor, Mitsuhiro Tomita Komukai-Toshiba, Kawasaki-shi, Kanagawa 1 Incorporated Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Chie Takakuwa Komukai Toshiba Town, Kouki-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture 1 Incorporated Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Mamoru Takahashi Komukai, Saiwai-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Toshiba Town 1 Stock Company Toshiba Research and Development Center

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 支持台と、たわむように前記支持台に両
端を取り付けたレバーと、このレバーの支持台と反対の
面に取り付けられた探針と、前記探針を挟んで前記レバ
ーの表面に形成され、前記レバーのたわみを検出するた
めの一対の歪ゲージとを有することを特徴とする走査プ
ローブ顕微鏡。
1. A support base, a lever whose both ends are flexibly attached to the support base, a probe attached to a surface of the lever opposite to the support base, and a surface of the lever with the probe interposed therebetween. And a pair of strain gauges for detecting the deflection of the lever, the scanning probe microscope.
【請求項2】 前記歪ゲージは、それぞれレバーの表裏
両面に形成することで個々にブリッジ回路を形成し、各
ブリッジ回路の出力電圧から摩擦力の大きさを求めるこ
とを特徴とする請求項1記載の走査プローブ顕微鏡。
2. The strain gauge is formed on each of the front and back surfaces of the lever to individually form a bridge circuit, and the magnitude of the frictional force is determined from the output voltage of each bridge circuit. The scanning probe microscope described.
【請求項3】 試料表面を走査し、試料表面の特性の変
化を検出する探針を有するプローブを具備する走査プロ
ーブ顕微鏡において、前記探針に付着したゴミを除去す
るように、前記プローブに100KHz〜100MHz
の範囲内の周波数を有する振動電圧を印加する手段を有
することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
3. A scanning probe microscope comprising a probe having a probe for scanning the surface of the sample and detecting a change in the characteristics of the sample surface, wherein the probe is 100 KHz so as to remove dust adhering to the probe. ~ 100MHz
A scanning probe microscope having means for applying an oscillating voltage having a frequency within the range.
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