扫描型探针显微镜及其扫描方法技术

本发明专利技术提供扫描型探针显微镜及其探针接触检测方法，其能够提高试样表面的凸凹形状的测定效率。该扫描型探针显微镜具有：悬臂，在其前端具有探针；驱动部，其从所述探针与试样表面接触的状态起以超过所述悬臂的响应速度的速度进行使所述试样向从所述探针分开的方向动作的分开动作；判定部，其在所述分开动作中，在该悬臂的(包含高阶频率的)谐振频率下检测到所述悬臂的规定振幅的振动的情况下，判定为所述探针相对于所述试样表面分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。

Scanning probe microscope and scanning method

The invention provides a scanning probe microscope and a probe contact detection method thereof, which can improve the measuring efficiency of the convex and concave shape of the sample surface. The scanning probe microscope has: a cantilever with a probe at its front end; a driving part which, starting from the state of contact between the probe and the surface of the sample and proceeding at a speed exceeding the response speed of the cantilever, separates the sample from the direction of separation of the probe; and a judging part in the separation action. In the case where the vibration of the specified amplitude of the cantilever is detected at the resonant frequency of the cantilever (including a higher order frequency), it is determined that the probe is separated from the surface of the sample; and the drive control unit, which terminates the separate operation of the drive unit at a time when the determination unit is separated, so that the said drive unit is separated. The probe and the sample surface are moved relative to the next measuring point of the sample.

【技术实现步骤摘要】
扫描型探针显微镜及其扫描方法
本专利技术涉及扫描型探针显微镜及其扫描方法。
技术介绍
以往，公知有如下的扫描型探针显微镜：在恒定地保持形成在悬臂的前端的探针与试样之间的相互作用(例如，悬臂的振幅或悬臂的挠曲)的同时，在试样表面使探针连续地进行扫描，由此来测定试样表面的凸凹形状(参照专利文献1)。但是，在专利文献1所记载的扫描型探针显微镜中，由于探针与试样始终接触，因此有可能发生探针的磨损或试样的损伤。与此相对，在专利文献2、3中提出了如下的间歇性测定方法：仅在预先设定的多个试样表面的测定点使探针与试样表面接触并间歇地扫描试样表面，由此来测定试样表面的凸凹形状。在该间歇性测定方法中，使探针从规定的测定点的上空接近到试样表面，计测该探针与试样表面接触时的探针的高度。然后，当该计测结束时，使与试样表面接触的探针从试样表面分开所设定的“分开距离”，移动到下一个测定点的上空。这样，上述间歇性测定方法与专利文献1相比，探针与试样表面仅在测定点接触，因此以最小的接触就足够了，能够降低探针的磨损或试样的损伤。尤其是，在以恒定地保持悬臂的挠曲的方式进行控制的同时测定表面形状的所谓的接触模式中进行间歇性测定方法的情况下，扫描型探针显微镜通常通过重复进行使探针接近试样表面，在施加给悬臂的力(挠曲)为一定值以上的情况下判断为接触并计测探针的高度的工序、将探针和试样分开上述“分开距离”而将该探针移动到下一个测定位置的上空的工序间歇地扫描试样表面。专利文献1：日本特开平10-62158号公报专利文献2：日本特开2001-33373号公报专利文献3：日本特开2007-85764号公报这里，上述“分开距离”是为了使探针从试样分开而需要被设定为使通过悬臂的弹簧常数与分开距离的乘积而计算出的力比探针与试样之间的吸附力大。然而，探针与试样之间的吸附力依赖于试样表面的各位置而变化。因此，在探针与试样之间的吸附力因试样表面的位置而较大不同的试样的情况下，即使在最大吸附力的位置，分开距离也被设定为具有足够的余量的较大的值，以使得能够可靠地分开。并且，该值也将在将探针从某一测定点分开后的上空的移动时不会与试样的凸部接触的情况放入考虑，从而操作者们根据经验而将具有余量的值设定为分开距离。因此，因超过预测的较大的吸附力或较高的凸部的存在而导致分开距离不足，因而会发生探针和试样接触而相互损伤的情况。但是，若将分开距离设定为具有足够的余量的较大的值设定，则到下一个测定点的上空为止的移动路径变长。其结果是，测定试样表面的凸凹形状的整个时间变长，试样表面的凸凹形状的测定效率降低。
技术实现思路
本专利技术就是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供能够提高试样表面的凸凹形状的测定效率的扫描型探针显微镜及其扫描方法。本专利技术的一个方式是扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针间歇地扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起以超过所述悬臂的响应速度的速度进行使所述试样向从所述探针分开的方向动作的分开动作；判定部，其在所述分开动作中，在该悬臂的(包含高阶频率的)谐振频率下检测到所述悬臂的规定振幅的振动的情况下，判定为所述探针相对于所述试样表面分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。本专利技术的一个方式是上述的扫描型探针显微镜，其中，所述规定的振幅是以未对所述悬臂施加力的状态下的热振动等的振幅为基准，比所述探针与所述试样表面接触的状态下的悬臂的位移小的范围。本专利技术的一个方式是扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针来扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起以不超过所述悬臂的响应速度的速度进行使所述试样向从所述探针分开的方向动作的分开动作；判定部，其在所述分开动作中根据所述悬臂在挠曲方向上的速度变化判定所述探针相对于所述试样表面的分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。本专利技术的一个方式是上述的扫描型探针显微镜，其中，所述判定部在所述悬臂在挠曲方向上的速度为规定的值以下的情况下，判定为所述探针从所述试样表面离开。本专利技术的一个方式是上述的扫描型探针显微镜，其中，所述判定部在所述悬臂的速度方向反转的情况下，判定为所述探针从所述试样表面离开。本专利技术的一个方式是扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针间歇地扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起进行将所述试样和所述探针分开的分开动作；判定部，其在所述分开动作中根据所述悬臂的振动的振幅的变化或所述振动的振动频率的变化判定所述探针相对于所述试样表面的分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。本专利技术的一个方式是扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针间歇地扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起进行将所述试样和所述探针分开的分开动作；激振部，其在所述分开动作中使所述试样和所述悬臂以规定的频率相对振动；判定部，其在所述分开动作中根据所述悬臂在挠曲方向或扭曲方向上的所述规定的频率的振幅的变化判定所述探针相对于所述试样表面的分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。本专利技术的一个方式是上述的扫描型探针显微镜，其中，所述规定的频率是所述悬臂的非谐振频率，所述判定部在所述分开动作中在所述悬臂在挠曲方向或扭曲方向上的所述非谐振频率下的振幅的减小量超过规定的值的情况下，判定为所述探针从所述试样表面离开。本专利技术的一个方式是上述的扫描型探针显微镜，其中，所述规定的频率是所述悬臂与所述试样接触的状态下的所述悬臂的谐振频率，所述判定部在所述分开动作中在所述悬臂在挠曲方向或扭曲方向上的振幅的减小量超过规定的值的情况下，判定为所述探针从所述试样表面离开。本专利技术的一个方式是上述的扫描型探针显微镜，其中，所述规定的频率是所述悬臂的谐振频率，所述判定部在所述分开动作中在所述悬臂在挠曲方向或扭曲方向上的所述谐振频率下的振幅的增加量超过规定的值的情况下，判定为所述探针从所述试样表面离开。本专利技术的一个方式是扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针间歇地扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起进行将所述试样和所述探针分开的分开动作；激振部，其在所述分开动作中使所述悬臂以谐振频率进行激振；判定部，其在所述分开动作中根据所述悬臂在挠曲方向或扭曲方向上的振动的相位与通过所述激振部进行激振的谐振频率的相位的相位差判定所述探针相对于所述试样表面的分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针间歇地扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起以超过所述悬臂的响应速度的速度进行使所述试样向从所述探针分开的方向动作的分开动作；判定部，其在所述分开动作中，在该悬臂的包含高阶频率的谐振频率下检测到所述悬臂的规定振幅的振动的情况下，判定为所述探针相对于所述试样表面分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。

【技术特征摘要】
2017.03.28 JP 2017-0635301.一种扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针间歇地扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起以超过所述悬臂的响应速度的速度进行使所述试样向从所述探针分开的方向动作的分开动作；判定部，其在所述分开动作中，在该悬臂的包含高阶频率的谐振频率下检测到所述悬臂的规定振幅的振动的情况下，判定为所述探针相对于所述试样表面分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。2.根据权利要求1所述的扫描型探针显微镜，其中，所述规定的振幅是以未对所述悬臂施加力的状态下的热振动等的振幅为基准，比所述探针与所述试样表面接触的状态下的悬臂的位移小的范围。3.一种扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针来扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起以不超过所述悬臂的响应速度的速度进行使所述试样向从所述探针分开的方向动作的分开动作；判定部，其在所述分开动作中根据所述悬臂在挠曲方向上的速度变化判定所述探针相对于所述试样表面的分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。4.根据权利要求3所述的扫描型探针显微镜，其中，所述判定部在所述悬臂在挠曲方向上的速度为规定的值以下的情况下，判定为所述探针从所述试样表面离开。5.根据权利要求3所述的扫描型探针显微镜，其中，所述判定部在所述悬臂的速度方向反转的情况下，判定为所述探针从所述试样表面离开。6.一种扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针间歇地扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起进行将所述试样和所述探针分开的分开动作；判定部，其在所述分开动作中根据所述悬臂的振动的振幅的变化或所述振动的振动频率的变化判定所述探针相对于所述试样表面的分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。7.一种扫描型探针显微镜，其使探针与试样表面接触，利用所述探针间歇地扫描所述试样表面，其具有：悬臂，在其前端具有所述探针；驱动部，其从所述探针与所述试样表面接触的状态起进行将所述试样和所述探针分开的分开动作；激振部，其在所述分开动作中使所述试样和所述悬臂以规定的频率相对振动；判定部，其在所述分开动作中根据所述悬臂在挠曲方向或扭曲方向上的所述规定的频率的振幅的变化判定所述探针相对于所述试样表面的分离；以及驱动控制部，其在通过该判定部判定为分离的时刻中止所述驱动部的所述分开动作，使所述探针和所述试样表面相对移动到所述试样的下一个测定点上。8.根据权利要求7所述的扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：繁野雅次，渡边和俊，山本浩令，
申请(专利权)人：日本株式会社日立高新技术科学，
类型：发明
国别省市：日本,JP