WO2025032942A1 - Scanning probe microscope and cantilever evaluation method - Google Patents
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- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/28—Adhesion force microscopy
Definitions
- This disclosure relates to a scanning probe microscope and a method for evaluating a cantilever used in a scanning probe microscope.
- Patent Document 1 discloses a method for observing the characteristics of a sample using a scanning probe microscope. In a scanning probe microscope, the sample is moved to change the distance between the probe and the sample while measuring the amount of displacement of the cantilever including the probe, thereby obtaining a force curve that shows the relationship between the amount of movement of the sample and the amount of displacement of the cantilever.
- the probe will be pressed against the sample's surface. If the sample surface is sufficiently hard compared to the probe, the amount of sample movement and the amount of cantilever displacement will match. On the other hand, if the sample surface is softer than the probe, the sample surface will deform when the probe is pressed in, and the amount of sample movement and the amount of cantilever displacement will no longer match. Therefore, the user can observe the relative hardness of the sample to the hardness of the cantilever from the force curve, which shows the relationship between the amount of sample movement and the amount of cantilever displacement.
- the information obtained from the force curve is the relative hardness of the sample with respect to the cantilever. Therefore, if the cantilever is too hard or too soft for the sample, the hardness of the sample cannot be observed accurately. Therefore, the user must select a cantilever with an appropriate hardness depending on the sample. However, determining whether a cantilever is suitable for the sample to be measured relies heavily on the user's experience, making it difficult for inexperienced users.
- One objective of this disclosure is to make it easier to select an appropriate cantilever for a given sample.
- the scanning probe microscope disclosed herein includes a cantilever having one end fixed and a probe at the other end, a sample stage on which a sample is placed, a drive unit that changes the distance between the sample and the probe by moving the sample stage and the cantilever relatively, a displacement measurement unit that measures the displacement of the cantilever, a notification unit that notifies a user of predetermined information, and a control unit.
- the control unit finds a gradient value that indicates the amount of variation in the amount of displacement that represents the displacement of the cantilever relative to the amount of movement by the drive unit while the cantilever is displaced.
- the control unit notifies, via the notification unit, advisory information indicating that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage when at least one of the following cases is true: a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value, or the feature value is smaller than a second threshold value that is less than the first threshold value.
- the cantilever evaluation method disclosed herein is a method for evaluating a cantilever used in a scanning probe microscope.
- the scanning probe microscope includes a cantilever having one end fixed and a probe attached to the other end, a sample stage on which a sample is placed, a drive unit that changes the distance between the sample and the probe by moving the sample stage and the cantilever relatively, and a displacement measurement unit that measures the displacement of the cantilever.
- the evaluation method includes a step of determining a gradient value that indicates the amount of variation in the amount of displacement that represents the displacement of the cantilever relative to the amount of movement by the drive unit while the cantilever is displaced, and a step of notifying advisory information that indicates that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage when at least one of the following cases is true: a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value, or the feature value is smaller than a second threshold value that is less than the first threshold value.
- advisory information is provided to indicate that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage, allowing the user to more easily select an appropriate cantilever for the sample based on the notification.
- FIG. 1 is a schematic diagram of a scanning probe microscope.
- FIG. 13 is a diagram showing the state of displacement of a cantilever.
- FIG. 13 is a diagram showing an example of a force curve.
- 4 is a flowchart showing a process according to the first embodiment executed by a computer.
- 10 is a flowchart showing a process according to a second embodiment executed by a computer.
- 13 is a flowchart showing a cantilever evaluation process executed by a computer.
- 13 is an example of a screen displayed on a display.
- 13 is a flowchart showing a cantilever evaluation process according to a third embodiment executed by a computer.
- FIG. 1 is a schematic diagram of a scanning probe microscope.
- the scanning probe microscope 1 includes a measuring device 10, a computer 20, a display 30, and an input device 40.
- the measuring device 10 is configured to be able to communicate with the computer 20, and sends measurement results to the computer 20.
- the computer 20 processes the sent measurement results and notifies the user of the calculation results obtained via the display 30.
- the computer 20 accepts inputs such as measurement conditions via the input device 40, and controls the entire measuring device 10 in accordance with the accepted measurement conditions.
- the measurement apparatus 10 includes a sample stage 112 , a piezoelectric scanner 111 , a cantilever 113 , a displacement measuring unit 120 , a feedback signal generating unit 131 , and a scanning signal generating unit 133 .
- the sample S is placed on the sample stage 112.
- the sample stage 112 is moved in three dimensions by the piezoelectric scanner 111.
- the surface of the sample stage 112 on which the sample S is placed is defined as the XY plane, and the direction perpendicular to the XY plane is defined as the Z-axis direction.
- the piezoelectric scanner 111 is an example of a drive unit that moves the sample stage 112 and the cantilever 113 relatively.
- the piezoelectric scanner 111 moves the sample stage 112 in three dimensions, the X, Y, and Z directions.
- the piezoelectric scanner 111 includes a Z scanner 111z that moves the sample stage 112 in the Z direction based on a command voltage value Vz, and an XY scanner 111xy that moves the sample stage 112 in the X and Y directions based on command voltage values Vx and Vy.
- the drive unit only needs to move the sample stage 112 and the cantilever 113 relatively, and may move the cantilever 113, or may move both the sample stage 112 and the cantilever 113.
- the cantilever 113 is disposed opposite the sample stage 112.
- the cantilever 113 is formed in the shape of a leaf spring.
- One end of the cantilever 113 is a fixed end supported by a holder (not shown).
- the other end of the cantilever 113 is a free end, and is disposed opposite the sample S on the sample stage 112.
- a probe 114 is provided on the surface of the free end of the cantilever 113 that faces the sample S.
- the displacement measuring unit 120 measures the amount of deflection of the cantilever 113 as the displacement of the cantilever 113.
- the displacement measuring unit 120 includes a laser diode 115 and a photodetector 119. Laser light emitted from the laser diode 115 is incident on the cantilever 113 and reflected. The photodetector 119 detects the reflected light from the cantilever 113. When the cantilever 113 is deflected and displaced, the position at which the photodetector 119 receives the reflected light changes.
- the displacement measuring unit 120 calculates the amount of displacement (amount of deflection) of the cantilever 113 based on the light receiving position of the photodetector 119, and sends the calculated amount of displacement to the feedback signal generating unit 131 and the computer 20. In this way, the computer 20 obtains the change in the amount of displacement over time.
- the feedback signal generating unit 131 calculates a command voltage value Vz in the Z-axis direction in accordance with instructions from the computer 20 and outputs it to the Z scanner 111z.
- the feedback signal generating unit 131 receives a start signal from the computer 20, calculates a command voltage value Vz so that the Z scanner 111z moves so as to move the sample stage 112 closer to the cantilever 113 and then moves the cantilever 113 away from the sample stage 112, and outputs it to the Z scanner 111z.
- the feedback signal generating unit 131 controls the Z direction position of the sample stage 112 based on the amount of deflection sent from the displacement measuring unit 120 so that the force acting on the probe 114 from the sample S does not exceed a predetermined set value.
- the feedback signal generating unit 131 calculates a command voltage value Vz in the Z-axis direction to switch the direction of movement of the sample stage 112 from a direction approaching the cantilever 113 to a direction away from it, and outputs the command voltage value Vz to the Z scanner 111z.
- the feedback signal generating unit 131 sends the command voltage value Vz corresponding to the amount of movement of the Z scanner 111z in the Z-axis direction to the computer 20. In this way, the computer 20 acquires the change over time in the amount of movement of the sample stage 112 in the Z-axis direction.
- the scanning signal generating unit 133 calculates command voltage values Vx, Vy in the X-axis and Y-axis directions so that the sample S moves relative to the probe 114 in the XY plane according to instructions from the computer 20, and outputs them to the XY scanner 111xy.
- the computer 20 includes a processor 22, a memory 24, and an input/output I/F 26.
- the components within the computer 20 are configured to be able to communicate with each other via a bus.
- the processor 22 is typically an arithmetic processing unit such as a CPU (Central Processing Unit) or an MPU (Micro Processing Unit).
- the processor 22 controls the operation of the computer 20 by reading and executing programs stored in the memory 24.
- the programs include programs that, when executed by the processor 22, cause the computer 20 to control the measuring device 10, the display 30, and the input device 40.
- the memory 24 is realized by a storage device such as a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and a HDD (Hard Disk Drive).
- the ROM stores the programs executed by the processor 22.
- the RAM temporarily stores data used by the processor 22 while the programs are being executed, and functions as a temporary data memory used as a working area.
- the HDD is a non-volatile storage device.
- a semiconductor storage device such as a flash memory may be adopted.
- the above programs and/or data may be stored in an external storage device accessible by the processor 22.
- the input/output I/F 26 is an interface for exchanging various types of data between the processor 22 and external devices connected to the input/output I/F 26.
- the external devices include a display 30, an input device 40, and the measurement device 10.
- the display 30 is an example of a notification unit that notifies the user of specific information, and displays, for example, an image for accepting input from the input device 40 and the results of calculations by the processor 22.
- the notification unit may be other devices such as a speaker or a printer.
- the input device 40 is typically composed of a touch panel, a keyboard, a mouse, etc. The input device 40 accepts input operations by the user to the processor 22.
- the computer 20 creates a force curve that indicates the relationship between the position of the sample stage 112 in the Z-axis direction and the displacement of the cantilever 113, based on the displacement of the cantilever 113 sent from the displacement measurement unit 120 and the command voltage value Vz sent from the feedback signal generation unit 131. From the created force curve, the computer 20 determines whether the stiffness of the cantilever 113 is suitable for the stiffness of the sample S placed on the sample stage 112, and displays the result of the determination on the display 30. Note that below, creating a force curve may be referred to as "force curve measurement.”
- FIG. 2 is a diagram showing the state of displacement of the cantilever.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of a force curve.
- FIG. 2 shows the state of displacement of the cantilever 113 when the sample S approaches the probe 114 in the Z-axis direction and when the sample S moves away from the probe 114 in the Z-axis direction.
- the horizontal axis of FIG. 3 represents the position Z of the sample stage 112 in the Z-axis direction. Since one end of the cantilever 113 on which the probe 114 is provided is a fixed end, the position Z corresponds to the vertical distance between the probe 114 and the sample S. In the horizontal axis of FIG.
- the left direction of the paper surface is the direction in which the distance between the probe 114 and the sample S decreases
- the right direction of the paper surface is the direction in which the distance between the probe 114 and the sample S increases.
- the vertical axis of FIG. 3 is the force F that the cantilever 113 receives.
- the force F is calculated by multiplying the displacement D [V] of the cantilever 113 by the spring constant K [N/m] and the sensitivity S [m/V].
- the spring constant K is a physical property value of the cantilever 113 and is a constant determined by the cantilever 113.
- the sensitivity S is the sensitivity of the measurement device 10 and is a constant determined by the measurement device 10.
- the force F corresponds to a displacement amount representing the displacement of the cantilever 113.
- the vertical axis of the force curve may be any characteristic amount representing the displacement of the cantilever 113, and may be the displacement D [V] of the cantilever 113.
- (1) to (4) in Figure 2 correspond to (1) to (4) in Figure 3.
- the sample S moves toward the probe 114 and makes contact, and in (4) to (6), the sample S moves away from the probe 114 and finally separates from the probe 114.
- the probe 114 at the tip of the cantilever 113 and the sample S are completely separated. Therefore, the cantilever 113 does not displace.
- the cantilever 113 receives a slight attractive force from the sample S and bends downward. This is called jumping in.
- the cantilever 113 receives a repulsive force from the sample S and bends upward.
- the probe 114 and the sample S come closest to each other and the repulsive force received from the sample S is the greatest.
- the force that the cantilever 113 receives from the sample S changes from a repulsive force to an attractive force.
- an adhesive force acts between the cantilever 113 and the sample S, and the attractive force from the sample S becomes maximum.
- the probe 114 separates from the sample S, returning to the state of (1). This is called a jump-out.
- the feedback signal generating unit 131 controls the Z-direction position of the sample stage 112 based on the amount of displacement sent from the displacement measuring unit 120 so that the force that the probe 114 receives from the sample S does not exceed a predetermined set value. Therefore, the maximum repulsive force that the cantilever 113 receives is designed not to exceed a predetermined set value.
- the force curve is composed of an approach curve obtained during approach when the sample S approaches the probe 114, and a release curve obtained during release when the sample S moves away from the probe 114.
- approach curve obtained during approach when the sample S approaches the probe 114
- release curve obtained during release when the sample S moves away from the probe 114.
- the probe 114 After the sample S and the probe 114 come into contact, if the sample S is further moved, the probe 114 is pressed against the surface of the sample S. If the surface of the sample S is sufficiently hard compared to the probe 114, the amount of movement of the sample S and the amount of displacement of the cantilever 113 will match. On the other hand, if the surface of the sample S is softer than the probe 114, the surface of the sample S will be deformed by the pressure of the probe 114, and the amount of movement of the sample S and the amount of displacement of the cantilever 113 will no longer match.
- the relative hardness of the sample S to the hardness of the cantilever 113 can be observed from the slope a1 of the approach curve, which indicates the amount of displacement of the cantilever 113 relative to the amount of movement of the sample S.
- the relative hardness of the sample S to the hardness of the cantilever 113 can also be observed from the slope a2 of the release curve.
- the information obtained from the force curve is the relative hardness of the sample S with respect to the cantilever 113. For example, if the cantilever 113 is too hard for the sample S, the amount of displacement of the cantilever 113 will be small regardless of the hardness of the sample S. If the cantilever 113 is too soft for the sample S, the probe 114 cannot deform the sample S, so the amount of movement of the sample S and the amount of displacement of the cantilever 113 will be approximately the same regardless of the hardness of the sample S. Therefore, if the cantilever 113 is too hard or too soft for the sample S, the hardness of the sample S is not fully reflected in the amount of displacement of the cantilever 113, so the hardness of the sample S cannot be accurately observed.
- the user needs to select a cantilever 113 with an appropriate hardness depending on the sample S.
- the judgment of whether the cantilever is suitable for the sample to be measured relies heavily on the user's experience, and is difficult for inexperienced users to make.
- the computer 20 is configured to notify, via the display 30, advice information showing the evaluation results of the cantilever 113 in order to aid in the selection of the cantilever 113. This configuration will be described below.
- FIG. 4 is a flowchart showing the process according to the first embodiment executed by a computer.
- the process steps (hereinafter abbreviated as "S") shown in Fig. 4 are realized by the processor 22 executing a program stored in the memory 24.
- the process shown in Fig. 4 is started, for example, when the user selects to execute a predetermined application to determine whether the cantilever 113 is suitable.
- the computer 20 sets the position (X, Y) of the sample stage 112 to a predetermined arbitrary position (Xa, Ya).
- the computer 20 instructs the scanning probe microscope 1 to move the position of the sample stage 112 to the set position.
- the computer 20 executes a process for creating a force curve. Specifically, the computer 20 sends a force curve measurement start signal to the feedback signal generating unit 131. Upon receiving the start signal, the feedback signal generating unit 131 brings the sample stage 112 closer to the cantilever 113, and then controls the Z scanner 111z to switch the movement direction of the sample stage 112 from a direction approaching the cantilever 113 to a direction away from the cantilever 113 based on the amount of deflection reaching a predetermined set value. The computer 20 acquires the amount of movement of the sample stage 112 and the amount of displacement of the cantilever 113 while the Z scanner 111z is driving. As a result, the computer 20 creates a force curve as shown in FIG. 3.
- the computer 20 determines a gradient value a from the created force curve.
- the gradient value a is a value indicating the amount of variation in the amount representing the displacement of the cantilever 113 relative to the amount of movement of the sample stage 112 by the Z scanner 111z while the cantilever 113 is displaced.
- the computer 20 determines the gradient value a as the gradient value a, which is the gradient a1 of the approach curve.
- the gradient a1 of the approach curve is determined according to formula (1) with reference to FIG. 3.
- FM, Fm1, Zm, and Z1 respectively represent the maximum repulsive force received by the cantilever 113, the attractive force received by the cantilever 113 during jump-in, the position of the sample stage 112 in the Z-axis direction when the cantilever 113 receives the maximum repulsive force, and the position of the sample stage 112 in the Z-axis direction during jump-in.
- the slope a1 of the approach curve can be calculated by dividing the amount of movement in the Z-axis direction from the time of jump-in until the force received by the cantilever 113 reaches its maximum by the amount of change in the force received by the cantilever 113.
- the computer 20 determines whether the gradient value a is greater than a first threshold value T1.
- the first threshold value T1 is a gradient value that indicates that the probe 114 cannot sufficiently deform the sample S.
- the computer 20 determines that the gradient value a is greater than the first threshold value T1 (YES in S111), in S112, it notifies the display 30 with information recommending the use of a stiff cantilever, and ends the process.
- the computer 20 determines that the gradient value a is equal to or less than the first threshold value T1 (NO in S111), it determines in S113 whether the gradient value a is smaller than the second threshold value T2.
- the second threshold value T2 is a gradient value that is less than the first threshold value T1 and indicates that the cantilever 113 is too stiff and has not been displaced sufficiently relative to the amount of movement.
- the computer 20 determines that the gradient value a is smaller than the second threshold value T2 (YES in S113), in S114, it notifies the display 30 with information recommending the use of a soft cantilever, and ends the process.
- the computer 20 determines that the gradient value a is equal to or greater than the second threshold value T2 (NO in S113), in S115 it notifies the display 30 that the hardness of the cantilever 113 is appropriate, and ends the process.
- the computer 20 may notify, via the display 30, information indicating that the stiffness of the cantilever 113 is not suitable only when the gradient value a is greater than the first threshold value T1. Also, the computer 20 may notify, via the display 30, information indicating that the stiffness of the cantilever 113 is not suitable only when the gradient value a is less than the second threshold value T2. Also, the notified information may only be information indicating that it is not suitable.
- the gradient value a may be any value that corresponds to the amount of displacement of the cantilever 113 relative to the amount of movement of the sample stage 112 while the cantilever 113 is displaced, and may be the gradient a2 of the release curve.
- the gradient a2 of the release curve is calculated according to formula (2) with reference to FIG. 3.
- Fm2 and Z2 are the gravitational force that the cantilever 113 receives at the time of jumping out, and the position of the sample stage 112 in the Z-axis direction at the time of jumping out, respectively.
- the slope a2 of the release curve can be calculated by dividing the amount of movement in the Z-axis direction from when the force that the cantilever 113 receives reaches its maximum until the time of jumping out by the amount of change in the force that the cantilever 113 receives.
- the gradient value a may be any value that represents the amount of variation in the amount of displacement of the cantilever 113 relative to the amount of movement in the Z-axis direction while the cantilever 113 is displaced.
- the amount of variation in the amount of displacement of the cantilever 113 may be the amount of variation in the amount of displacement of the cantilever 113.
- the gradient value a may also be the slope of an approach curve in any section from the time of jump-in until the force received by the cantilever 113 becomes maximum.
- the gradient value a may also be the slope of a release curve in any section from the time of jump-in until the force received by the cantilever 113 becomes maximum until the time of jump-out. If the amount of displacement and the amount of movement are not proportional, the computer 20 may determine the gradient value by linear approximation.
- the first threshold T1 and the second threshold T2 may be set in advance, for example, by a business that provides the scanning probe microscope 1 or the cantilever 113, or may be set in advance by a user of the scanning probe microscope 1.
- the first threshold T1 and the second threshold T2 are set based on the gradient value obtained from the force curve obtained by measuring multiple types of samples with different hardness, and the state of the sample surface after the force curve is obtained.
- the second threshold T2 is set to a gradient value between the gradient value when a scratch is formed and the gradient value when no scratch is formed, depending on whether or not a scratch is formed on the sample surface after the force curve is obtained.
- steps S104 and S111 to S115 in FIG. 4 may be executed when a force curve is created at at least one point on the sample surface.
- the computer 20 may execute steps S104 and S111 to S115 in FIG. 4 to evaluate whether the cantilever 113 used is appropriate.
- the computer 20 notifies the display 30 with advisory information indicating that the hardness (rigidity) of the cantilever 113 is not suitable when the gradient value a obtained from the force curve is greater than the first threshold value T1 or smaller than the second threshold value T2.
- the user can more easily select an appropriate cantilever for the sample S based on the notified information.
- the computer 20 when the gradient value a is greater than the first threshold value T1, the computer 20 notifies the user on the display 30 of information recommending the use of a cantilever that is harder (higher rigidity) than the currently used cantilever 113. Based on the notified information, the user can consider changing to a cantilever that is harder than the currently used cantilever 113. Because the rigidity (rigidity) of a cantilever is defined by the spring constant, the user can consider changing to a cantilever with a larger spring constant than the currently used cantilever 113 based on the notified information.
- the computer 20 when the gradient value a is smaller than the second threshold value T2, the computer 20 notifies the user on the display 30 of information recommending the use of a cantilever that is softer (lower rigidity) than the currently used cantilever 113. Based on the notified information, the user can consider changing to a cantilever that is softer than the currently used cantilever 113. More specifically, based on the notified information, the user can consider changing to a cantilever that has a smaller spring constant than the currently used cantilever 113.
- the computer 20 uses the slope a1 of the approach curve as the gradient value a.
- the slope a1 of the approach curve is a value corresponding to the amount of variation in the amount representing the displacement of the cantilever 113 relative to the amount of movement in the Z-axis direction while the sample S is approaching the probe 114 and while the cantilever 113 is displaced.
- the displacement of the cantilever 113 generally has a higher ability to follow the force applied to the sample S during approach than during release. Therefore, by using the slope a1 of the approach curve as the gradient value a, the computer 20 can more accurately evaluate the relative hardness of the cantilever 113 with respect to the sample S.
- the computer 20 scans the sample stage 112 in the XY direction of the sample S, performs force curve measurements at multiple positions on the XY plane, and obtains the gradient value at each position on the XY plane.
- the computer 20 obtains a feature value corresponding to the gradient value based on the distribution of the gradient values at each position, and evaluates the cantilever 113 based on the obtained feature value.
- Figure 5 is a flowchart showing the processing according to the second embodiment executed by the computer. Note that the description of the processing common to the processing described in the first embodiment will not be repeated.
- the scanning range of the sample S is set to, for example, X0 ⁇ X ⁇ Xmax, Y0 ⁇ Y ⁇ Ymax. Also, the distance between adjacent measurement points is set to a predetermined value b.
- the computer 20 sets the position (X, Y) of the sample stage 112 to the initial position (X0, Y0).
- S102a to S104a are the same as S102 to S104 in the first embodiment, the description of S102a to S104a will not be repeated. That is, in S102a to S104a, the computer 20 creates a force curve at the set position (X, Y) and obtains the gradient value a at the set position from the created force curve.
- the pixel value at the position on the distribution map that corresponds to the set position is set as the gradient value a.
- the computer 20 executes a cantilever evaluation process.
- the cantilever evaluation process will be described later with reference to FIG. 6.
- the computer 20 displays on the display 30 the distribution diagram created in S101a to S108a and the evaluation results obtained in S10a, and then ends the process.
- FIG. 6 is a flowchart showing the cantilever evaluation process executed by a computer.
- the computer 20 obtains the most frequent value A of the gradient value a.
- the computer 20 obtains the gradient value at each position on the XY plane by executing S101a to S108a.
- the computer 20 obtains the most frequent value A of the gradient value a from the obtained multiple gradient values a.
- the computer 20 determines whether the first threshold T1 is greater than the first threshold T1.
- S111a and S113a are the same as S111 and S113 in the first embodiment, except that the most frequent value A is compared with the first threshold T1 and the second threshold T2.
- S112a, S114a, and S115a are the same as S112, S114, and S115 in the first embodiment, except that they only determine the information to be notified. Therefore, the description of S111a to S115a will not be repeated.
- the computer 20 After executing S112a, S114a, or S115a, the computer 20 returns to the process of FIG. 5 and executes S120a.
- FIG. 7 is an example of a screen displayed on the display.
- Screen 300 is displayed on display 30 by computer 20 executing S120.
- Screen 300 includes a distribution diagram 310 of gradient values a, a histogram 320 of gradient values a, and advice information 330.
- the advice information 330 is the evaluation result obtained in the cantilever evaluation process, and is information indicating whether the hardness of the cantilever is appropriate or not.
- the computer 20 determines a feature value corresponding to the gradient value a based on the distribution of the gradient value a, and evaluates the cantilever 113 based on the determined feature value.
- the sample S has a distribution of hardness at each position on its surface. Therefore, even if the hardness of the cantilever 113 is suitable for the hardness at a certain position on the surface of the sample S, it may not be suitable for the hardness at other positions.
- the gradient values at multiple different positions on the surface of the sample S are determined, and the cantilever 113 is evaluated based on the distribution of the multiple gradient values, making it easy to select a cantilever 113 suitable for the entire surface of the sample S.
- the cantilever evaluation process shown in FIG. 6 may be executed when creating force curves at multiple positions on the sample surface to evaluate the mechanical characteristics of the sample S. In other words, even when creating force curves at multiple positions for the purpose of evaluating the mechanical characteristics of the sample S, rather than evaluating the cantilever, the cantilever evaluation process shown in FIG. 6 may be executed to evaluate whether the cantilever 113 used is appropriate. In this case, the computer 20 may notify advisory information only when it is determined that the cantilever 113 used is not appropriate.
- FIG. 8 is a flowchart showing the cantilever evaluation process according to the third embodiment executed by the computer. Note that the description of the processes common to the processes described in the first and second embodiments will not be repeated.
- the computer 20 executes the cantilever evaluation process shown in FIG. 8 at any time after creating one force curve.
- S11b the computer 20 calculates the gradient value a. Since S11b is the same as S104 in the first embodiment, the description of S11b will not be repeated.
- the computer 20 determines whether the gradient value a is equal to or greater than a third threshold value T3.
- the third threshold value T3 is equal to or greater than the first threshold value T1, and is the gradient value when the amount of movement of the sample S and the amount of fluctuation in the amount of displacement of the cantilever 113 match. For example, when the vertical axis of the force curve is the amount of displacement of the cantilever 113, the third threshold value T3 is 1.
- the computer 20 determines that the gradient value a is equal to or greater than the third threshold value T3 (YES in S12b), in S13b it notifies the user on the display 30 of information recommending the use of a stiff cantilever, and ends the process.
- the computer 20 determines whether the number of force curve measurements (measurements) is equal to or greater than a predetermined number n (n ⁇ 2, n is an integer). If the computer 20 determines that the measurements are less than the predetermined number n (NO in S14b), it ends the process.
- the computer 20 determines the most frequent value A of the gradient values a.
- the processes from S110b onwards are executed after the force curve measurement is performed multiple times and multiple gradient values a are obtained.
- the computer 20 determines the most frequent value A from the multiple gradient values a obtained.
- S111b to S114b are the same as S111a to S114a in the second embodiment, except that information is notified in S112b and S114b. Therefore, the description of S111b to S114b will not be repeated.
- the computer 20 when performing force curve measurements at multiple positions on the XY plane, the computer 20 notifies information recommending the use of a hard cantilever if the gradient value a at at least one position is equal to or greater than the third threshold value T3.
- the computer 20 when the gradient value a at each position is less than the third threshold value T3, the computer 20 notifies information recommending the use of a hard cantilever when the mode A is greater than the first threshold value T1, and notifies information recommending the use of a soft cantilever when the mode A is less than the second threshold value T2.
- the computer 20 evaluates the cantilever 113 based on the distribution of gradient values at each position.
- the third threshold T3 is the gradient value when the amount of movement of the sample S and the amount of change in the displacement of the cantilever 113 match.
- the amount of movement of the sample S and the amount of change in the displacement of the cantilever 113 match means that the surface of the sample S is sufficiently hard compared to the probe 114, so that the sample S does not deform even when the probe 114 is pressed against the sample S, and the cantilever 113 is displaced in accordance with the movement of the sample S.
- the amount of movement of the sample S and the amount of displacement of the cantilever 113 match means that the hardness of the sample S is hardly reflected in the amount of displacement of the cantilever 113.
- the computer 20 determines that the hardness of the sample S is not clearly reflected in the amount of displacement of the cantilever 113, it notifies the evaluation result of the cantilever 113 based on the result of the force curve measurement at one position on the surface of the sample S.
- the computer 20 determines whether the degree of reflection is sufficient based on the measurement results at each position on the sample surface. Therefore, the user can consider changing the cantilever 113 without repeating measurements more than necessary, thereby shortening the time required to select the cantilever 113.
- a scanning probe microscope includes a cantilever having one end fixed and a probe at the other end, a sample stage on which a sample is placed, a drive unit that changes the distance between the sample and the probe by moving the sample stage and the cantilever relatively, a displacement measurement unit that measures the displacement of the cantilever, a notification unit that notifies a user of predetermined information, and a control unit.
- the control unit determines a gradient value that indicates the amount of variation in an amount that represents the displacement of the cantilever relative to the amount of movement by the drive unit while the cantilever is displaced.
- the control unit may notify, via the notification unit, advisory information indicating that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage when at least one of the following cases is true: a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value, or the feature value is less than a second threshold value that is less than the first threshold value.
- the scanning probe microscope described in paragraph 1 provides advisory information indicating that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage, allowing the user to more easily select an appropriate cantilever for the sample based on the notification.
- feature corresponding to the gradient value may be anything that corresponds to the gradient value, and may even be the "gradient value” itself.
- control unit may notify, via the notification unit, advice information recommending changing the cantilever to one having higher rigidity than the cantilever in question.
- the user can consider changing to a cantilever that is harder than the one currently being used, based on the notified information.
- control unit may notify, via the notification unit, advice information recommending changing the cantilever to one with lower rigidity than the cantilever in question.
- the user can consider changing to a cantilever that is softer than the one currently being used, based on the notified information.
- the gradient value may indicate the amount of variation relative to the amount of movement by the driving unit while the driving unit is moving the sample closer to the probe and while the cantilever is being displaced.
- the scanning probe microscope described in paragraph 4 utilizes information from the time when the sample, which has high response of the cantilever's displacement to the force applied to the sample, is approaching the probe, making it possible to more accurately evaluate the relative hardness of the cantilever 113 with respect to the sample.
- the drive unit scans the cantilever relative to the sample stage in a direction along the mounting surface of the sample stage on which the sample is placed.
- the displacement measurement unit measures the displacement of the cantilever at multiple positions in the scanning direction of the cantilever.
- the control unit determines the gradient value at each position in the scanning direction.
- the control unit may determine the feature amount based on the distribution of the gradient values at each position in the scanning direction.
- the scanning probe microscope described in paragraph 5 allows the user to easily select a cantilever that is suitable for the entire surface of a sample that has a distribution of hardness at each position on the surface.
- a cantilever evaluation method is a method for evaluating a cantilever used in a scanning probe microscope including a cantilever, a sample stage on which a sample is placed, a drive unit, and a displacement measurement unit.
- the cantilever is fixed at one end and has a probe at the other end.
- the drive unit moves the sample stage and the cantilever relatively to change the distance between the sample and the probe.
- the displacement measurement unit measures the displacement of the cantilever.
- the evaluation method may include a step of determining a gradient value indicating the amount of variation in an amount representing the displacement of the cantilever relative to the amount of movement by the drive unit while the cantilever is displaced, and a step of notifying advisory information indicating that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage when at least one of the following cases is true: a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value, or the feature value is less than a second threshold value that is less than the first threshold value.
- advisory information is provided to indicate that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage, allowing the user to more easily select an appropriate cantilever for the sample based on the notification.
- the recording medium may be a computer-readable recording medium having recorded thereon a program for causing a computer to execute the cantilever evaluation method described in Clause 7.
- the program according to one embodiment may be a program that causes a computer to execute the cantilever evaluation method described in Clause 7.
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Abstract
Description
本開示は、走査型プローブ顕微鏡および、走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーの評価方法に関する。 This disclosure relates to a scanning probe microscope and a method for evaluating a cantilever used in a scanning probe microscope.
特開2000-346782号公報(特許文献1)には、走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の特性を観察する方法が開示されている。走査型プローブ顕微鏡では、試料を移動させて探針と試料との距離を変えながら探針を含むカンチレバーの変位量を測定することで、試料の移動量とカンチレバーの変位量との関係を表したフォースカーブが得られる。 Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2000-346782 (Patent Document 1) discloses a method for observing the characteristics of a sample using a scanning probe microscope. In a scanning probe microscope, the sample is moved to change the distance between the probe and the sample while measuring the amount of displacement of the cantilever including the probe, thereby obtaining a force curve that shows the relationship between the amount of movement of the sample and the amount of displacement of the cantilever.
試料と探針とが接触した後に、さらに試料を移動させると、探針が試料の表面に押しつけられる。試料の表面が探針に比べて十分硬い場合、試料の移動量とカンチレバーの変位量は、一致する。一方、試料の表面が探針に比べて柔らかい場合、探針の押し込みにより試料の表面が変形するため、試料の移動量とカンチレバーの変位量は一致しなくなる。そのため、ユーザは、試料の移動量とカンチレバーの変位量との関係を表したフォースカーブから、カンチレバーの硬さに対する試料の相対的な硬さを観測できる。 If the sample is moved further after the probe comes into contact with the sample, the probe will be pressed against the sample's surface. If the sample surface is sufficiently hard compared to the probe, the amount of sample movement and the amount of cantilever displacement will match. On the other hand, if the sample surface is softer than the probe, the sample surface will deform when the probe is pressed in, and the amount of sample movement and the amount of cantilever displacement will no longer match. Therefore, the user can observe the relative hardness of the sample to the hardness of the cantilever from the force curve, which shows the relationship between the amount of sample movement and the amount of cantilever displacement.
フォースカーブから得られる情報は、カンチレバーに対する試料の相対的な硬さである。そのため、カンチレバーが試料に対して硬すぎるまたは柔らかすぎる場合、試料の硬さを正確に観測することができない。従って、ユーザは、試料に応じて適当な硬さのカンチレバーを選択する必要がある。しかし、カンチレバーが測定する試料に適しているか否かの判断は、ユーザの経験値に頼るところが大きく、経験の浅いユーザには難しかった。 The information obtained from the force curve is the relative hardness of the sample with respect to the cantilever. Therefore, if the cantilever is too hard or too soft for the sample, the hardness of the sample cannot be observed accurately. Therefore, the user must select a cantilever with an appropriate hardness depending on the sample. However, determining whether a cantilever is suitable for the sample to be measured relies heavily on the user's experience, making it difficult for inexperienced users.
本開示は、試料に応じた適当なカンチレバーをより容易に選択し易くすることを一の目的とする。 One objective of this disclosure is to make it easier to select an appropriate cantilever for a given sample.
本開示の走査型プローブ顕微鏡は、一端が固定され他端に探針が設けられたカンチレバーと、試料が置かれる試料台と、試料台とカンチレバーとを相対的に移動させることで、試料と探針との間の距離を変化させる駆動部と、カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、ユーザへ所定の情報を通知する通知部と、制御部とを含む。制御部は、カンチレバーが変位している間における、駆動部による移動量に対する、カンチレバーの変位を表す変位量の変動量を示す勾配値を求める。制御部は、勾配値に対応する特徴量が第1閾値よりも大きい場合、または特徴量が第1閾値未満の第2閾値よりも小さい場合の少なくとも一方の場合に、カンチレバーの剛性が試料台に置かれた試料の剛性には適していないことを示す助言情報を通知部により通知する。 The scanning probe microscope disclosed herein includes a cantilever having one end fixed and a probe at the other end, a sample stage on which a sample is placed, a drive unit that changes the distance between the sample and the probe by moving the sample stage and the cantilever relatively, a displacement measurement unit that measures the displacement of the cantilever, a notification unit that notifies a user of predetermined information, and a control unit. The control unit finds a gradient value that indicates the amount of variation in the amount of displacement that represents the displacement of the cantilever relative to the amount of movement by the drive unit while the cantilever is displaced. The control unit notifies, via the notification unit, advisory information indicating that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage when at least one of the following cases is true: a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value, or the feature value is smaller than a second threshold value that is less than the first threshold value.
本開示のカンチレバー評価方法は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーの評価方法である。走査型プローブ顕微鏡は、一端が固定され他端に探針が設けられたカンチレバーと、試料が置かれる試料台と、試料台とカンチレバーとを相対的に移動させることで、試料と探針との間の距離を変化させる駆動部と、カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、を含む。評価方法は、カンチレバーが変位している間における、駆動部による移動量に対する、カンチレバーの変位を表す変位量の変動量を示す勾配値を求めるステップと、勾配値に対応する特徴量が第1閾値よりも大きい場合、または特徴量が第1閾値未満の第2閾値よりも小さい場合の少なくとも一方の場合に、カンチレバーの剛性が試料台に置かれた試料の剛性には適していないことを示す助言情報を通知するステップとを含む。 The cantilever evaluation method disclosed herein is a method for evaluating a cantilever used in a scanning probe microscope. The scanning probe microscope includes a cantilever having one end fixed and a probe attached to the other end, a sample stage on which a sample is placed, a drive unit that changes the distance between the sample and the probe by moving the sample stage and the cantilever relatively, and a displacement measurement unit that measures the displacement of the cantilever. The evaluation method includes a step of determining a gradient value that indicates the amount of variation in the amount of displacement that represents the displacement of the cantilever relative to the amount of movement by the drive unit while the cantilever is displaced, and a step of notifying advisory information that indicates that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage when at least one of the following cases is true: a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value, or the feature value is smaller than a second threshold value that is less than the first threshold value.
本開示によれば、試料台に置かれた試料の剛性に対してカンチレバーの剛性が適していないことを示す助言情報が通知されるため、ユーザは、当該通知に基づいて試料に応じた適当なカンチレバーをより容易に選択できる。 According to the present disclosure, advisory information is provided to indicate that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage, allowing the user to more easily select an appropriate cantilever for the sample based on the notification.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Below, the embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings will be given the same reference numerals and their description will not be repeated.
[第1実施形態]
[走査型プローブ顕微鏡1]
図1は、走査型プローブ顕微鏡の概略構成図である。走査型プローブ顕微鏡1は、測定装置10とコンピュータ20とディスプレイ30と入力装置40とを含む。測定装置10は、コンピュータ20と通信可能に構成されており、測定結果をコンピュータ20へ送る。コンピュータ20は、送られた測定結果を処理して得られる演算結果をユーザにディスプレイ30を介して通知する。コンピュータ20は、入力装置40を介して測定条件などの入力を受け付け、受け付けた測定条件に従って測定装置10の全体を制御する。
[First embodiment]
[Scanning Probe Microscope 1]
1 is a schematic diagram of a scanning probe microscope. The
[測定装置10]
図1に示されるように、測定装置10は、試料台112と、ピエゾスキャナ111と、カンチレバー(cantilever)113と、変位測定部120と、フィードバック信号発生部131と、走査信号発生部133とを含む。
[Measuring device 10]
As shown in FIG. 1, the
試料台112には、試料Sが置かれる。試料台112は、ピエゾスキャナ111によって3次元方向に移動する。なお、以下では、試料Sが置かれる試料台112の載置面をXY平面とし、XY平面に対して垂直な方向をZ軸方向とする。
The sample S is placed on the
ピエゾスキャナ111は、試料台112とカンチレバー113とを相対的に移動させる駆動部の一例である。ピエゾスキャナ111は、試料台112をXYZ方向の3次元方向に移動させる。ピエゾスキャナ111は、指令電圧値Vzに基づいてZ方向に試料台112を移動させるZスキャナ111zと、指令電圧値Vx,Vyに基づいてXY方向に試料台112をそれぞれ移動させるXYスキャナ111xyとを含む。なお、駆動部は、試料台112とカンチレバー113とを相対的に移動させればよく、カンチレバー113を移動させるようにしてもよく、また、試料台112およびカンチレバー113の両方を移動させるようにしてもよい。
The
カンチレバー113は、試料台112に対向して配置される。カンチレバー113は、板ばね状に形成されている。カンチレバー113の一端は、図示していないホルダに支持された固定端である。カンチレバー113の他方端は、自由端であり、試料台112上の試料Sと対向するように配置される。カンチレバー113の自由端の試料Sと対向する面には、探針114が設けられている。
The
変位測定部120は、カンチレバー113の変位としてカンチレバー113の撓み量を測定する。変位測定部120は、レーザダイオード115とフォトディテクター119とを含む。レーザダイオード115から発射されたレーザ光は、カンチレバー113に入射されて反射する。フォトディテクター119は、カンチレバー113からの反射光を検出する。カンチレバー113が撓んで変位すると、フォトディテクター119における反射光の受光位置が変わる。変位測定部120は、フォトディテクター119の受光位置に基づいてカンチレバー113の変位量(撓み量)を算出し、算出した変位量をフィードバック信号発生部131およびコンピュータ20へ送る。これにより、コンピュータ20は、変位量の経時変化を取得する。
The
フィードバック信号発生部131は、コンピュータ20からの指示に従って、Z軸方向の指令電圧値Vzを算出し、Zスキャナ111zに出力する。フィードバック信号発生部131は、コンピュータ20からの開始信号を受けて、試料台112をカンチレバー113に近づけた後に試料台112からカンチレバー113が遠ざかるようにZスキャナ111zが駆動するように指令電圧値Vzを算出し、Zスキャナ111zに出力する。フィードバック信号発生部131は、試料Sから探針114に作用する力が予め定められた設定値を超えないように、変位測定部120から送られた撓み量に基づいて、試料台112のZ方向位置を制御する。フィードバック信号発生部131は、送られた撓み量が予め定められた設定値に達したことに基づいて、試料台112の移動方向をカンチレバー113に近づく方向から遠ざかる方向に切り替えるようにZ軸方向の指令電圧値Vzを算出し、Zスキャナ111zに出力する。フィードバック信号発生部131は、Zスキャナ111zのZ軸方向の移動量に相当する指令電圧値Vzをコンピュータ20へ送る。これにより、コンピュータ20は、試料台112のZ軸方向の移動量の経時変化を取得する。
The feedback
走査信号発生部133は、コンピュータ20からの指示に従って、試料SがX-Y平面内で探針114に対して相対移動するようにX軸、Y軸方向の指令電圧値Vx,Vyを算出し、XYスキャナ111xyに出力する。
The scanning
[コンピュータ20]
コンピュータ20は、プロセッサ22とメモリ24と入出力I/F26とを備える。コンピュータ20内の各部は、バスを介して互いに通信可能に構成される。
[Computer 20]
The
プロセッサ22は、典型的には、CPU(Central Processing Unit)またはMPU(Micro Processing Unit)などの演算処理部である。プロセッサ22は、メモリ24に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、コンピュータ20の動作を制御する。当該プログラムは、プロセッサ22によって実行されることにより、コンピュータ20に、測定装置10、ディスプレイ30および入力装置40を制御させるためのプログラムを含む。
The
メモリ24は、たとえば、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、および、HDD(Hard Disk Drive)などの記憶装置で実現される。ROMは、プロセッサ22が実行するプログラムを格納する。RAMは、プロセッサ22がプログラムの実行中に利用するデータを一時的に格納し、作業領域として利用される一時的なデータメモリとして機能する。HDDは、不揮発性の記憶装置である。HDDに加えて、あるいは、HDDに代えて、フラッシュメモリなどの半導体記憶装置を採用してもよい。なお、上記プログラムおよび/またはデータは、プロセッサ22がアクセス可能な外部の記憶装置に格納されていてもよい。
The
入出力I/F26は、プロセッサ22と、入出力I/F26に接続される外部機器との間で各種データをやり取りするためのインターフェイスである。外部機器は、ディスプレイ30と、入力装置40と、測定装置10とを含む。ディスプレイ30は、ユーザに所定の情報を通知する通知部の一例であって、たとえば、入力装置40からの入力の受け付けるための画像と、プロセッサ22の演算結果を表示する。なお、通知部は、スピーカー、プリンタなどの他の装置であってもよい。入力装置40は、典型的には、タッチパネル、キーボード、マウスなどで構成される。入力装置40は、プロセッサ22に対するユーザの入力操作を受け付ける。
The input/output I/
コンピュータ20は、変位測定部120から送られたカンチレバー113の変位量と、フィードバック信号発生部131から送られた指令電圧値Vzに基づいて、試料台112のZ軸方向の位置と、カンチレバー113の変位量との関係を示すフォースカーブを作成する。コンピュータ20は、作成したフォースカーブから、カンチレバー113の剛性が試料台112に置かれた試料Sの剛性に適しているか否かを判断し、判断結果をディスプレイ30に表示する。なお、以下では、フォースカーブを作成することを、「フォースカーブ測定」と称する場合がある。
The
[フォースカーブ]
フォースカーブについて詳細に説明する。図2は、カンチレバーの変位の様子を示す図である。図3は、フォースカーブの一例を示す図である。図2においては、試料Sが探針114にZ軸方向に近づくときと、試料Sが探針114からZ軸方向に遠ざかるときとのカンチレバー113の変位の様子が示されている。図3の横軸は、試料台112のZ軸方向の位置Zを表す。探針114の設けられたカンチレバー113の一端は固定端であるため、位置Zは、探針114と試料Sの垂直方向の距離に相当する。図3の横軸において、紙面の左方向は探針114と試料Sとの距離が縮まる方向であり、紙面の右方向は探針114と試料Sとの距離が広がる方向である。図3の縦軸は、カンチレバー113が受ける力Fである。力Fは、カンチレバー113の変位D[V]に、バネ定数K[N/m]と感度S[m/V]とを乗算することによって求められる。バネ定数Kは、カンチレバー113の物性値であってカンチレバー113によって決まる定数である。また、感度Sは、測定装置10の感度であって、測定装置10によって決まる定数である。すなわち、力Fは、カンチレバー113の変位を表す変位量に相当する。なお、フォースカーブの縦軸は、カンチレバー113の変位を表す特徴量であればよく、カンチレバー113の変位D[V]であってもよい。
[Force Curve]
The force curve will be described in detail. FIG. 2 is a diagram showing the state of displacement of the cantilever. FIG. 3 is a diagram showing an example of a force curve. FIG. 2 shows the state of displacement of the
図2の(1)~(4)と図3の(1)~(4)とはそれぞれ対応している。(1)~(4)においては、試料Sが探針114に近づく方向に移動して接触し、(4)~(6)においては、試料Sが探針114から遠ざかる方向に移動して、最終的に探針114から離れる。(1)では、カンチレバー113の先端の探針114と試料Sとが完全に離れている。そのためカンチレバー113は変位しない。(2)では、カンチレバー113が試料Sからわずかな引力を受け、下側に反る。これをジャンプインという。(3)では、カンチレバー113が試料Sから斥力を受け、上側に反る。(4)では、探針114と試料Sとが最も近く接触し、試料Sから受ける斥力が最大となる。(5)では、カンチレバー113が試料Sから受ける力が斥力から引力に変わる。(6)では、カンチレバー113と試料Sとの間に吸着力が働き、試料Sから受ける引力が最大となり、(6)の直後に探針114が試料Sから離れて、(1)の状態に戻る。これをジャンプアウトという。
(1) to (4) in Figure 2 correspond to (1) to (4) in Figure 3. In (1) to (4), the sample S moves toward the
なお、フィードバック信号発生部131は、探針114が試料Sから受ける力が予め定められた設定値を超えないように、変位測定部120から送られた変位量に基づいて、試料台112のZ方向位置を制御する。そのため、カンチレバー113が受ける最大の斥力は、予め定められた設定値を超えないように設計されている。
The feedback
フォースカーブは、試料Sが探針114に近づいているアプローチ時に得られたアプローチカーブと、試料Sが探針114から遠ざかっているリリース時に得られたリリースカーブとから構成される。以下では、説明を容易にするため、アプローチ時の事象を例に説明する。
The force curve is composed of an approach curve obtained during approach when the sample S approaches the
試料Sと探針114とが接触後、さらに試料Sを移動させると、探針114が試料Sの表面に押しつけられる。試料Sの表面が探針114に比べて十分硬い場合、試料Sの移動量とカンチレバー113の変位量は、一致する。一方、試料Sの表面が探針114に比べて柔らかい場合、探針114の押し込みにより試料Sの表面が変形するため、試料Sの移動量とカンチレバー113の変位量は一致しなくなる。すなわち、試料Sの移動量に対するカンチレバー113の変位量を示すアプローチカーブの傾きa1から、カンチレバー113の硬さに対する試料Sの相対的な硬さを観測できる。なお、カンチレバー113の硬さに対する試料Sの相対的な硬さは、リリースカーブの傾きa2からも観測できる。
After the sample S and the
フォースカーブから得られる情報は、カンチレバー113に対する試料Sの相対的な硬さである。たとえば、カンチレバー113が試料Sに対して硬すぎる場合、試料Sの硬さに関係無くカンチレバー113の変位量は小さくなる。カンチレバー113が試料Sに対して柔らかすぎる場合、探針114によって試料Sを変形させることができないため、試料Sの硬さに関係無く試料Sの移動量とカンチレバー113の変位量と同程度となる。そのため、カンチレバー113が試料Sに対して硬すぎるまたは柔らかすぎる場合、試料Sの硬さがカンチレバー113の変位量に十分に反映されないため、試料Sの硬さを正確に観測することができない。従って、ユーザは、試料Sに応じて適当な硬さのカンチレバー113を選択する必要がある。しかし、カンチレバーが測定する試料に適しているか否かの判断は、ユーザの経験値に頼るところが大きく、経験の浅いユーザには難しかった。
The information obtained from the force curve is the relative hardness of the sample S with respect to the
コンピュータ20は、カンチレバー113の選択を助けるために、カンチレバー113の評価結果を示す助言情報をディスプレイ30により通知するように構成されている。以下、当該構成について説明する。
The
[コンピュータ20の処理]
図4は、コンピュータが実行する第1実施形態にかかる処理を示すフローチャートである。図4に示される処理ステップ(以下、これを「S」と略す。)は、プロセッサ22がメモリ24に記憶されたプログラムを実行することによって実現される。なお、図4に示される処理は、たとえば、カンチレバー113が適当であるかを判断するためにユーザによって所定のアプリケーションの実行が選択されたときに開始される。
[Processing of Computer 20]
Fig. 4 is a flowchart showing the process according to the first embodiment executed by a computer. The process steps (hereinafter abbreviated as "S") shown in Fig. 4 are realized by the
S101において、コンピュータ20は、試料台112の位置(X,Y)を予め定められた任意の位置(Xa,Ya)に設定する。
In S101, the
S102において、コンピュータ20は、試料台112の位置を設定した位置へ移動させるように、走査型プローブ顕微鏡1へ指示する。
In S102, the
S103において、コンピュータ20は、フォースカーブを作成するための処理を実行する。具体的には、コンピュータ20は、フィードバック信号発生部131に対してフォースカーブ測定の開始信号を送る。フィードバック信号発生部131は、開始信号を受けて、試料台112をカンチレバー113に近づけた後、撓み量が予め定められた設定値に達したことに基づいて、試料台112の移動方向をカンチレバー113に近づく方向から遠ざかる方向に切り替えるようにZスキャナ111zを制御する。コンピュータ20は、Zスキャナ111zが駆動している間の試料台112の移動量およびカンチレバー113の変位量を取得する。これにより、コンピュータ20は、図3に示すようなフォースカーブを作成する。
In S103, the
S104において、コンピュータ20は、作成したフォースカーブから勾配値aを求める。勾配値aは、カンチレバー113が変位している間における、Zスキャナ111zによる試料台112の移動量に対する、カンチレバー113の変位を表す量の変動量を示す値である。第1実施形態において、コンピュータ20は、アプローチカーブの傾きa1を勾配値aとして求める。アプローチカーブの傾きa1は、図3を参照して、式(1)に従って求められる。
In S104, the
式(1)中のFM、Fm1、Zm、およびZ1は、それぞれ、カンチレバー113が受ける最大の斥力、ジャンプイン時にカンチレバー113が受ける引力、カンチレバー113が最大の斥力を受けた時の試料台112のZ軸方向の位置、およびジャンプイン時の試料台112のZ軸方向の位置である。式(1)に示すように、アプローチカーブの傾きa1は、ジャンプイン時からカンチレバー113が受ける力が最大となるまでにおける、Z軸方向の移動量をカンチレバー113が受ける力の変動量で除算することで求められる。
In equation (1), FM, Fm1, Zm, and Z1 respectively represent the maximum repulsive force received by the
図4に戻って、S111において、コンピュータ20は、勾配値aが第1閾値T1よりも大きいか否かを判定する。第1閾値T1は、探針114によって試料Sを十分に変形させることができないことを示す勾配値である。
Returning to FIG. 4, in S111, the
コンピュータ20は、勾配値aが第1閾値T1よりも大きいと判断した場合(S111においてYES)、S112において、硬いカンチレバーの使用を勧める情報をディスプレイ30により通知して、処理を終了する。
If the
コンピュータ20は、勾配値aが第1閾値T1以下であると判断した場合(S111においてNO)、S113において、勾配値aが第2閾値T2よりも小さいか否かを判定する。第2閾値T2は、第1閾値T1未満であって、カンチレバー113が硬すぎて移動量に対して十分に変位していないことを示す勾配値である。
If the
コンピュータ20は、勾配値aが第2閾値T2よりも小さいと判断した場合(S113においてYES)、S114において、柔らかいカンチレバーの使用を勧める情報をディスプレイ30により通知して、処理を終了する。
If the
コンピュータ20は、勾配値aが第2閾値T2以上であると判断した場合(S113においてNO)、S115において、カンチレバー113の硬さが適当である旨をディスプレイ30により通知して、処理を終了する。
If the
なお、コンピュータ20は、勾配値aが第1閾値T1よりも大きいときのみに、カンチレバー113の剛性が適していないことを示す情報をディスプレイ30により通知してもよい。また、勾配値aが第2閾値T2よりも小さいときのみに、カンチレバー113の剛性が適していないことを示す情報をディスプレイ30により通知してもよい。また、通知する情報は、適していないことを示す情報のみであってもよい。
The
なお、勾配値aは、カンチレバー113が変位している間における、試料台112の移動量に対する、カンチレバー113の変位量に対応する値であればよく、リリースカーブの傾きa2であってもよい。リリースカーブの傾きa2は、図3を参照して、式(2)に従って求められる。
Note that the gradient value a may be any value that corresponds to the amount of displacement of the
式(2)中のFm2およびZ2は、それぞれ、ジャンプアウト時にカンチレバー113が受ける引力、およびジャンプアウト時の試料台112のZ軸方向の位置である。式(2)に示すように、リリースカーブの傾きa2は、カンチレバー113が受ける力が最大となってからジャンプアウト時までにおける、Z軸方向の移動量をカンチレバー113が受ける力の変動量で除算することで求められる。
In equation (2), Fm2 and Z2 are the gravitational force that the
勾配値aは、カンチレバー113が変位している間における、Z軸方向の移動量に対するカンチレバー113の変位を表す量の変動量であればよい。たとえば、カンチレバー113の変位を表す量の変動量は、カンチレバー113の変位量の変動量であってもよい。また、勾配値aは、ジャンプイン時からカンチレバー113が受ける力が最大となるまでにおける任意の区間におけるアプローチカーブの傾きであってもよい。また、勾配値aは、カンチレバー113が受ける力が最大となってからジャンプアウト時までにおける任意の区間におけるリリースカーブの傾きであってもよい。変位量と移動量とが比例関係にない場合、コンピュータ20は、直線近似することで勾配値を求めてもよい。
The gradient value a may be any value that represents the amount of variation in the amount of displacement of the
なお、第1閾値T1および第2閾値T2は、予め設定されていればよく、たとえば、走査型プローブ顕微鏡1またはカンチレバー113を提供する事業者等によって予め設定されていてもよく、また、走査型プローブ顕微鏡1の利用者によって予め設定されていてもよい。
The first threshold T1 and the second threshold T2 may be set in advance, for example, by a business that provides the
たとえば、第1閾値T1および第2閾値T2は、硬さの異なる複数種類の試料を測定して得られるフォースカーブから求めた勾配値と、フォースカーブを得た後の試料表面の状態などに基づいて設定される。一例として、第2閾値T2は、フォースカーブを得た後の試料表面に傷が出来たか否かに応じて、傷が出来たときの勾配値と傷が出来なかったときの勾配値との間の勾配値に設定される。 For example, the first threshold T1 and the second threshold T2 are set based on the gradient value obtained from the force curve obtained by measuring multiple types of samples with different hardness, and the state of the sample surface after the force curve is obtained. As an example, the second threshold T2 is set to a gradient value between the gradient value when a scratch is formed and the gradient value when no scratch is formed, depending on whether or not a scratch is formed on the sample surface after the force curve is obtained.
なお、図4のS104およびS111~S115は、試料表面上の少なくとも一の点でフォースカーブが作成された場合に実行されてもよい。たとえば、コンピュータ20は、カンチレバーを評価することではなく、試料Sの機械特性を評価することを目的としてフォースカーブを作成する場合においても、図4のS104およびS111~S115を実行して、使用されたカンチレバー113が適当であるかを評価してもよい。
Note that steps S104 and S111 to S115 in FIG. 4 may be executed when a force curve is created at at least one point on the sample surface. For example, even when creating a force curve for the purpose of evaluating the mechanical properties of the sample S, rather than evaluating the cantilever, the
第1実施形態において、コンピュータ20は、フォースカーブから求めた勾配値aに基づいて、勾配値aが第1閾値T1よりも大きい場合、または第2閾値T2よりも小さい場合の少なくとも一方の場合に、カンチレバー113の硬さ(剛性)が適していないことを示す助言情報をディスプレイ30により通知する。ユーザは、通知された情報に基づいて試料Sに応じた適当なカンチレバーをより容易に選択できる。
In the first embodiment, the
第1実施形態において、コンピュータ20は、勾配値aが第1閾値T1よりも大きい場合、現在使用しているカンチレバー113よりも硬い(高剛性)のカンチレバーの使用を勧める情報をディスプレイ30により通知する。ユーザは、通知された情報に基づいて、現在使用しているカンチレバー113よりも硬いカンチレバーに変更することを検討できる。カンチレバーの硬さ(剛性)は、ばね定数によって定義されるため、ユーザは、通知された情報に基づいて、現在使用しているカンチレバー113よりもばね定数の大きいカンチレバーに変更することを検討できる。
In the first embodiment, when the gradient value a is greater than the first threshold value T1, the
第1実施形態において、コンピュータ20は、勾配値aが第2閾値T2よりも小さい場合、現在使用しているカンチレバー113よりも柔らかい(低剛性)のカンチレバーの使用を勧める情報をディスプレイ30により通知する。ユーザは、通知された情報に基づいて、現在使用しているカンチレバー113よりも柔らかいカンチレバーに変更することを検討できる。より具体的には、ユーザは、通知された情報に基づいて、現在使用しているカンチレバー113よりもばね定数の小さいカンチレバーに変更することを検討できる。
In the first embodiment, when the gradient value a is smaller than the second threshold value T2, the
第1実施形態において、コンピュータ20は、勾配値aとしてアプローチカーブの傾きa1を利用する。アプローチカーブの傾きa1は、試料Sが探針114に近づいている間であって、かつ、カンチレバー113が変位している間における、Z軸方向の移動量に対するカンチレバー113の変位を表す量の変動量に対応する値である。試料Sにかけた力に追従して試料Sが変形してカンチレバー113は変位するものの、一般的に試料Sにかけた力に対するカンチレバー113の変位の追従性は、リリース時よりもアプローチ時の方が高い。そのため、勾配値aとしてアプローチカーブの傾きa1を利用することで、コンピュータ20は、より正確に試料Sに対するカンチレバー113の相対的な硬さを評価できる。
In the first embodiment, the
[第2実施形態]
第1実施形態においては、コンピュータ20によって、試料S表面の一の位置を測定して得られるフォースカーブに基づいてカンチレバー113の硬さが測定対象の試料Sに適しているか否かを評価する構成について説明した。
[Second embodiment]
In the first embodiment, a configuration was described in which the
第2実施形態においては、試料S表面の複数の位置を測定して得られる複数の勾配値に基づいてカンチレバー113の硬さを評価する例について説明する。具体的には、コンピュータ20は、試料SのXY方向に試料台112を走査して、XY平面上の複数の位置でフォースカーブ測定を行い、XY平面上の各位置での勾配値を求める。コンピュータ20は、各位置での勾配値の分布に基づいて勾配値に対応する特徴量を求め、求めた特徴量に基づいてカンチレバー113を評価する。図5は、コンピュータが実行する第2実施形態にかかる処理を示すフローチャートである。なお、第1実施形態において説明した処理と共通する処理についての説明は繰り返さない。
In the second embodiment, an example will be described in which the hardness of the
第2実施形態において、試料Sの走査範囲は、一例として、X0<X<Xmax,Y0<Y<Ymaxに設定されている。また、隣接する測定点間の距離は、所定値bに設定されている。 In the second embodiment, the scanning range of the sample S is set to, for example, X0<X<Xmax, Y0<Y<Ymax. Also, the distance between adjacent measurement points is set to a predetermined value b.
S101aにおいて、コンピュータ20は、試料台112の位置(X,Y)を初期位置(X0,Y0)に設定する。
In S101a, the
S102a~S104aは第1実施形態にかかるS102~S104と共通するため、S102a~S104aの説明は繰り返さない。すなわち、S102a~S104aにおいて、コンピュータ20は、設定した位置(X,Y)におけるフォースカーブを作成し、作成したフォースカーブから設定した位置における勾配値aを求める。
Because S102a to S104a are the same as S102 to S104 in the first embodiment, the description of S102a to S104a will not be repeated. That is, in S102a to S104a, the
S105aにおいて、設定された位置に対応する分布図の位置の画素値を勾配値aとする。 In S105a, the pixel value at the position on the distribution map that corresponds to the set position is set as the gradient value a.
S106aにおいて、コンピュータ20は、XがXmax以上か否かを判定する。コンピュータ20は、XがXmax未満である場合には(S106aにおいてNO)、S107aにおいて、X=X+bに設定し、S102a~S105aを実行する。コンピュータ20は、XがXmaxに達するまで、S102a~S107aを繰り返す。
In S106a, the
コンピュータ20は、XがXmax以上である場合には(S106aにおいてYES)、S108aにおいて、YがYmax以上か否かを判定する。コンピュータ20は、YがYmax未満である場合には(S108aにおいてNO)、S109aにおいて、X=X0,Y=Y+bに設定し、S102a~S105aを実行し、XがXmaxに達するまで、S102a~S107aを繰り返した後、S108aに進む。コンピュータ20は、YがYmaxに達するまで、S102a~S109aを繰り返す。これにより、XY平面上の各位置での勾配値が求まり、分布図が作成される。
If X is equal to or greater than Xmax (YES in S106a), the
S10aにおいて、コンピュータ20は、カンチレバー評価処理を実行する。カンチレバー評価処理については、図6を参照して後述する。
In S10a, the
S120aにおいて、コンピュータ20は、S101a~S108aにおいて作成した分布図と、S10aにおいて得られた評価結果とをディスプレイ30に表示して処理を終了する。
In S120a, the
図6は、コンピュータが実行するカンチレバー評価処理を示すフローチャートである。
S110aにおいて、コンピュータ20は、勾配値aの最頻値Aを求める。コンピュータ20は、S101a~S108aを実行することで、XY平面上の各位置での勾配値を求める。コンピュータ20は、求めた複数の勾配値aから勾配値aの最頻値Aを求める。
FIG. 6 is a flowchart showing the cantilever evaluation process executed by a computer.
In S110a, the
S111aにおいて、コンピュータ20は、第1閾値T1よりも大きいか否かを判定する。なお、S111aおよびS113aは、第1閾値T1および第2閾値T2と比較する対象が最頻値Aである点を除いて、第1実施形態にかかるS111およびS113と共通する。また、S112a,S114a,およびS115aは、通知する情報を決定するに留める点を除いて、第1実施形態にかかるS112,S114,およびS115と共通する。そのため、S111a~S115aの説明は繰り返さない。なお、コンピュータ20は、S112a,S114aまたはS115aを実行した後、図5の処理に戻り、S120aを実行する。
In S111a, the
図7は、ディスプレイに表示される画面の一例である。画面300は、コンピュータ20がS120を実行することでディスプレイ30に表示される。画面300は、勾配値aの分布図310と、勾配値aのヒストグラム320と、助言情報330とを含む。
FIG. 7 is an example of a screen displayed on the display. Screen 300 is displayed on
助言情報330は、カンチレバー評価処理において得られた評価結果であって、カンチレバーの硬さが適当であるか否かを示す情報である。 The advice information 330 is the evaluation result obtained in the cantilever evaluation process, and is information indicating whether the hardness of the cantilever is appropriate or not.
第2実施形態において、コンピュータ20は、勾配値aの分布に基づいて勾配値aに対応する特徴量を求め、求めた特徴量に基づいてカンチレバー113を評価する。試料Sは、表面上の各位置で硬さに分布がある。そのため、試料Sの表面上のある位置における硬さにはカンチレバー113の硬さが適していたとしても、他の位置における硬さには適していない場合もある。第2実施形態において、試料Sの表面上の異なる複数の位置での勾配値を求め、複数の勾配値の分布に基づいてカンチレバー113を評価することで、試料Sの表面全体に適したカンチレバー113の選択を容易にできる。
In the second embodiment, the
なお、図6に示したカンチレバー評価処理は、試料Sの機械特性を評価するために、試料表面上の複数の位置でのフォースカーブを作成する場合に実行されてもよい。すなわち、カンチレバーを評価することではなく、試料Sの機械特性を評価することを目的として複数の位置でフォースカーブを作成する場合においても、図6に示したカンチレバー評価処理を実行して、使用されたカンチレバー113が適当であるかを評価してもよい。この場合、コンピュータ20は、使用されたカンチレバー113が適当ではないと判断した場合にのみ、助言情報を通知するようにしてもよい。
The cantilever evaluation process shown in FIG. 6 may be executed when creating force curves at multiple positions on the sample surface to evaluate the mechanical characteristics of the sample S. In other words, even when creating force curves at multiple positions for the purpose of evaluating the mechanical characteristics of the sample S, rather than evaluating the cantilever, the cantilever evaluation process shown in FIG. 6 may be executed to evaluate whether the
[第3実施形態]
第2実施形態においては、コンピュータ20によって、XY平面上の各位置でのフォースカーブを作成した後にカンチレバー評価処理を実行する構成について説明した。
[Third embodiment]
In the second embodiment, a configuration has been described in which the
第3実施形態においては、フォースカーブを作成する度にカンチレバー評価処理を実行する構成について説明する。第3実施形態においてコンピュータ20は、XY平面上の複数の位置でフォースカーブ測定を行う場合に、フォースカーブを作成する度にカンチレバー評価処理を実行する。図8は、コンピュータが実行する第3実施形態にかかるカンチレバー評価処理を示すフローチャートである。なお、第1実施形態および第2実施形態において説明した処理と共通する処理の説明は繰り返さない。
In the third embodiment, a configuration is described in which a cantilever evaluation process is executed each time a force curve is created. In the third embodiment, when force curve measurements are performed at multiple positions on the XY plane, the
コンピュータ20は、一のフォースカーブを作成した後の任意のタイミングで、図8に示したカンチレバー評価処理を実行する。
The
S11bにおいて、コンピュータ20は、勾配値aを求める。S11bは、第1実施形態にかかるS104と共通するため、S11bの説明は繰り返さない。
In S11b, the
S12bにおいて、コンピュータ20は、勾配値aが第3閾値T3以上か否かを判定する。第3閾値T3は、第1閾値T1以上であって、試料Sの移動量とカンチレバー113の変位量の変動量とが一致する場合の勾配値である。たとえば、フォースカーブの縦軸がカンチレバー113の変位量である場合、第3閾値T3は1である。
In S12b, the
コンピュータ20は、勾配値aが第3閾値T3以上であると判断した場合(S12bにおいてYES)、S13bにおいて、硬いカンチレバーの使用を勧める情報をディスプレイ30により通知して、処理を終了する。
If the
コンピュータ20は、勾配値aが第3閾値T3未満であると判断した場合(S12bにおいてNO)、S14bに処理を進める。
If the
S14bにおいて、コンピュータ20は、フォースカーブ測定の回数(測定数)が予め定められた所定数n(n≧2,nは整数)以上か否かを判定する。コンピュータ20は、測定数が所定数n未満であると判断した場合(S14bにおいてNO)、処理を終了する。
In S14b, the
コンピュータ20は、測定数が所定数n以上である判断した場合(S14bにおいてYES)、処理をS110bに進める。
If the
S110bにおいて、コンピュータ20は、勾配値aの最頻値Aを求める。S110b以降の処理は、フォースカーブ測定を複数回行い、複数の勾配値aが得られた以降に実行される。コンピュータ20は、得られた複数の勾配値aから最頻値Aを求める。
In S110b, the
その後、コンピュータ20は、S111b~S114bを実行して、処理を終了する。なお、S111b~S114bは、S112bおよびS114bにおいて情報を通知するようにする点を除いて、第2実施形態にかかるS111a~S114aと共通する。そのため、S111b~S114bの説明は繰り返さない。
Then, the
以上のように、第3実施形態において、コンピュータ20は、XY平面上の複数の位置でフォースカーブ測定を行う場合に、少なくとも一の位置における勾配値aが第3閾値T3以上である場合に、硬いカンチレバーの使用を勧める情報を通知する。一方、各位置における勾配値aが第3閾値T3未満である場合、コンピュータ20は、最頻値Aが第1閾値T1よりも大きいときに硬いカンチレバーの使用を勧める情報を通知し、最頻値Aが第2閾値T2よりも小さいときに柔らかいカンチレバーの使用を勧める情報を通知する。すなわち、各位置における勾配値aがいずれも第3閾値T3未満である場合、コンピュータ20は、各位置での勾配値の分布に基づいてカンチレバー113を評価する。
As described above, in the third embodiment, when performing force curve measurements at multiple positions on the XY plane, the
第3閾値T3は、試料Sの移動量とカンチレバー113の変位量の変動量とが一致する場合の勾配値である。試料Sの移動量とカンチレバー113の変位量の変動量とが一致するとは、試料Sの表面が探針114に比べて十分硬く、探針114を試料Sに押し当てても試料Sが変形することなく、試料Sの移動に伴ってカンチレバー113が変位していることを表している。すなわち、試料Sの移動量とカンチレバー113の変位量とが一致するとは、試料Sの硬さがカンチレバー113の変位量にほとんど反映されていないことを意味する。
The third threshold T3 is the gradient value when the amount of movement of the sample S and the amount of change in the displacement of the
第3実施形態において、コンピュータ20は、試料Sの硬さがカンチレバー113の変位量に明らかに反映されていないと判断できる場合には、試料S表面上の一の位置におけるフォースカーブ測定の結果に基づいて、カンチレバー113の評価結果を通知する。一方、試料Sの硬さがカンチレバー113の変位量に反映されている場合、コンピュータ20は、試料表面の各位置の測定結果に基づいて、反映の度合いが十分であるか否かを判断する。そのため、ユーザは、必要以上に測定を繰り返すことなくカンチレバー113の変更を検討することができるため、カンチレバー113の選択に要する時間を短縮できる。
In the third embodiment, if the
[態様]
上述した実施の形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
[Aspects]
It will be understood by those skilled in the art that the above-described embodiments are specific examples of the following aspects.
(第1項)一態様に係る走査型プローブ顕微鏡は、一端が固定され他端に探針が設けられたカンチレバーと、試料が置かれる試料台と、試料台とカンチレバーとを相対的に移動させることで、試料と探針との間の距離を変化させる駆動部と、カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、ユーザへ所定の情報を通知する通知部と、制御部とを含む。制御部は、カンチレバーが変位している間における、駆動部による移動量に対する、カンチレバーの変位を表す量の変動量を示す勾配値を求める。制御部は、勾配値に対応する特徴量が第1閾値よりも大きい場合、または特徴量が第1閾値未満の第2閾値よりも小さい場合の少なくとも一方の場合に、カンチレバーの剛性が試料台に置かれた試料の剛性には適していないことを示す助言情報を通知部により通知してもよい。 (1) A scanning probe microscope according to one embodiment includes a cantilever having one end fixed and a probe at the other end, a sample stage on which a sample is placed, a drive unit that changes the distance between the sample and the probe by moving the sample stage and the cantilever relatively, a displacement measurement unit that measures the displacement of the cantilever, a notification unit that notifies a user of predetermined information, and a control unit. The control unit determines a gradient value that indicates the amount of variation in an amount that represents the displacement of the cantilever relative to the amount of movement by the drive unit while the cantilever is displaced. The control unit may notify, via the notification unit, advisory information indicating that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage when at least one of the following cases is true: a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value, or the feature value is less than a second threshold value that is less than the first threshold value.
第1項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、試料台に置かれた試料の剛性に対してカンチレバーの剛性が適していないことを示す助言情報が通知されるため、ユーザは、当該通知に基づいて試料に応じた適当なカンチレバーをより容易に選択できる。
The scanning probe microscope described in
なお、「勾配値に対応する特徴量」は、勾配値に対応するものであればよく、「勾配値」そのものであってもよい。 Note that the "feature corresponding to the gradient value" may be anything that corresponds to the gradient value, and may even be the "gradient value" itself.
(第2項)第1項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、制御部は、特徴量が第1閾値よりも大きい場合、助言情報としてカンチレバーを当該カンチレバーよりも高剛性のカンチレバーに変更することを勧める情報を通知部により通知してもよい。 (2) In the scanning probe microscope described in 1, when the feature amount is greater than a first threshold, the control unit may notify, via the notification unit, advice information recommending changing the cantilever to one having higher rigidity than the cantilever in question.
第2項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、ユーザは、通知された情報に基づいて、現在使用しているカンチレバーよりも硬いカンチレバーに変更することを検討できる。
With the scanning probe microscope described in
(第3項)第1項または第2項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、制御部は、特徴量が第2閾値よりも小さい場合、助言情報としてカンチレバーを当該カンチレバーよりも低剛性のカンチレバーに変更することを勧める情報を通知部により通知してもよい。 (3) In the scanning probe microscope described in 1 or 2, when the feature amount is smaller than the second threshold, the control unit may notify, via the notification unit, advice information recommending changing the cantilever to one with lower rigidity than the cantilever in question.
第3項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、ユーザは、通知された情報に基づいて、現在使用しているカンチレバーよりも柔らかいカンチレバーに変更することを検討できる。
With the scanning probe microscope described in
(第4項)第1項~第3項のうちいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、勾配値は、駆動部によって試料を探針に近づけている間であって、かつ、カンチレバーが変位している間における、駆動部による移動量に対する変動量を示してもよい。
(4) In the scanning probe microscope described in any one of
第4項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、試料にかけた力に対するカンチレバーの変位の追従性の高い試料が探針に近づいている間の情報が利用されるため、試料に対するカンチレバー113の相対的な硬さをより正確に評価できる。
The scanning probe microscope described in
(第5項)第1項~第4項のうちいずれか1項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、駆動部は、試料が置かれる試料台の載置面に沿った方向に、試料台に対してカンチレバーを相対的に走査する。変位測定部は、カンチレバーの走査方向の複数の位置でのカンチレバーの変位を測定する。制御部は、走査方向の各位置での勾配値を求める。制御部は、走査方向の各位置における勾配値の分布に基づいて特徴量を求めてもよい。 (5) In the scanning probe microscope described in any one of 1 to 4, the drive unit scans the cantilever relative to the sample stage in a direction along the mounting surface of the sample stage on which the sample is placed. The displacement measurement unit measures the displacement of the cantilever at multiple positions in the scanning direction of the cantilever. The control unit determines the gradient value at each position in the scanning direction. The control unit may determine the feature amount based on the distribution of the gradient values at each position in the scanning direction.
第5項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、ユーザは、表面上の各位置で硬さに分布のある試料の表面全体に適したカンチレバーの選択を容易にできる。
The scanning probe microscope described in
(第6項)第5項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、制御部は、複数の位置のいずれか一の位置における勾配値が第1閾値以上の第3閾値以上である場合、助言情報としてカンチレバーを当該カンチレバーよりも高剛性のカンチレバーに変更することを勧める情報を通知部により通知する。制御部は、走査方向の各位置における勾配値が第3閾値よりも小さく特徴量が第2閾値よりも小さい場合、助言情報としてカンチレバーを当該カンチレバーよりも低剛性のカンチレバーに変更することを勧める情報を通知部により通知してもよい。
(Section 6) In the scanning probe microscope described in
第6項に記載の走査型プローブ顕微鏡によれば、一の位置における勾配値が第3閾値以上である場合に助言情報が通知されるため、ユーザは、必要以上に勾配値の算出を繰り返すことなくカンチレバーの変更を検討することができるため、カンチレバーの選択に要する時間を短縮できる。
According to the scanning probe microscope described in
(第7項)一態様に係るカンチレバーの評価方法は、カンチレバーと試料が置かれる試料台と駆動部と変位測定部とを含む走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバーの評価方法である。カンチレバーは、一端が固定され他端に探針が設けられている。駆動部は、試料台とカンチレバーとを相対的に移動させることで、試料と探針との間の距離を変化させる。変位測定部は、カンチレバーの変位を測定する。評価方法は、カンチレバーが変位している間における、駆動部による移動量に対する、カンチレバーの変位を表す量の変動量を示す勾配値を求めるステップと、勾配値に対応する特徴量が第1閾値よりも大きい場合、または特徴量が第1閾値未満の第2閾値よりも小さい場合の少なくとも一方の場合に、カンチレバーの剛性が試料台に置かれた試料の剛性には適していないことを示す助言情報を通知するステップとを含んでもよい。 (7) A cantilever evaluation method according to one embodiment is a method for evaluating a cantilever used in a scanning probe microscope including a cantilever, a sample stage on which a sample is placed, a drive unit, and a displacement measurement unit. The cantilever is fixed at one end and has a probe at the other end. The drive unit moves the sample stage and the cantilever relatively to change the distance between the sample and the probe. The displacement measurement unit measures the displacement of the cantilever. The evaluation method may include a step of determining a gradient value indicating the amount of variation in an amount representing the displacement of the cantilever relative to the amount of movement by the drive unit while the cantilever is displaced, and a step of notifying advisory information indicating that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage when at least one of the following cases is true: a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value, or the feature value is less than a second threshold value that is less than the first threshold value.
第7項に記載のカンチレバーの評価方法によれば、試料台に置かれた試料の剛性に対してカンチレバーの剛性が適していないことを示す助言情報が通知されるため、ユーザは、当該通知に基づいて試料に応じた適当なカンチレバーをより容易に選択できる。 According to the cantilever evaluation method described in paragraph 7, advisory information is provided to indicate that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of the sample placed on the sample stage, allowing the user to more easily select an appropriate cantilever for the sample based on the notification.
(第8項)一態様に係る記録媒体は、第7項に記載のカンチレバーの評価方法をコンピュータに実行させるプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい。 (Clause 8) The recording medium according to one embodiment may be a computer-readable recording medium having recorded thereon a program for causing a computer to execute the cantilever evaluation method described in Clause 7.
(第9項)一態様に係るプログラムは、第7項に記載のカンチレバーの評価方法をコンピュータに実行させるプログラムであってもよい。 (Clause 9) The program according to one embodiment may be a program that causes a computer to execute the cantilever evaluation method described in Clause 7.
今回開示された各実施の形態は、技術的に矛盾しない範囲で適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 It is anticipated that the embodiments disclosed herein may be combined as appropriate to the extent that no technical contradiction occurs. The embodiments disclosed herein should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the description of the embodiments above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
1 走査型プローブ顕微鏡、10 測定装置、20 コンピュータ、22 プロセッサ、24 メモリ、26 入出力I/F、30 ディスプレイ、40 入力装置、111 ピエゾスキャナ、111xy XYスキャナ、111z Zスキャナ、112 試料台、113 カンチレバー、114 探針、115 レーザダイオード、119 フォトディテクター、120 変位測定部、131 フィードバック信号発生部、133 走査信号発生部、300 画面、310 分布図、320 ヒストグラム、330 助言情報、S 試料。 1 scanning probe microscope, 10 measuring device, 20 computer, 22 processor, 24 memory, 26 input/output I/F, 30 display, 40 input device, 111 piezo scanner, 111xy XY scanner, 111z Z scanner, 112 sample stage, 113 cantilever, 114 probe, 115 laser diode, 119 photodetector, 120 displacement measurement unit, 131 feedback signal generation unit, 133 scanning signal generation unit, 300 screen, 310 distribution diagram, 320 histogram, 330 advisory information, S sample.
Claims (7)
試料が置かれる試料台と、
前記試料台と前記カンチレバーとを相対的に移動させることで、前記試料と前記探針との間の距離を変化させる駆動部と、
前記カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、
ユーザへ所定の情報を通知する通知部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、
前記カンチレバーが変位している間における、前記駆動部による移動量に対する、前記カンチレバーの変位を表す量の変動量を示す勾配値を求め、
前記勾配値に対応する特徴量が第1閾値よりも大きい場合、または前記特徴量が前記第1閾値未満の第2閾値よりも小さい場合の少なくとも一方の場合に、前記カンチレバーの剛性が前記試料台に置かれた試料の剛性には適していないことを示す助言情報を前記通知部により通知する、走査型プローブ顕微鏡。 A cantilever having one end fixed and a probe at the other end;
A sample stage on which a sample is placed;
a drive unit that changes the distance between the sample and the probe by moving the sample stage and the cantilever relatively;
A displacement measuring unit that measures the displacement of the cantilever;
A notification unit that notifies a user of predetermined information;
A control unit.
The control unit is
A gradient value indicating a variation in an amount representing the displacement of the cantilever relative to an amount of movement by the driving unit while the cantilever is displaced is obtained;
a scanning probe microscope, wherein when a feature value corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value or when the feature value is smaller than a second threshold value that is less than the first threshold value, the notification unit notifies advisory information indicating that the rigidity of the cantilever is not suitable for the rigidity of a sample placed on the sample stage.
前記変位測定部は、前記カンチレバーの走査方向の複数の位置での前記カンチレバーの変位を測定し、
前記制御部は、
前記走査方向の各位置での前記勾配値を求め、
前記走査方向の各位置における前記勾配値の分布に基づいて前記特徴量を求める、請求項1または2に記載の走査型プローブ顕微鏡。 the driving unit scans the cantilever relatively to the sample stage in a direction along a mounting surface of the sample stage on which a sample is placed;
the displacement measuring unit measures the displacement of the cantilever at a plurality of positions in a scanning direction of the cantilever;
The control unit is
determining the gradient value at each position in the scanning direction;
3. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the characteristic amount is determined based on a distribution of the gradient values at each position in the scanning direction.
前記複数の位置のいずれか一の位置における前記勾配値が前記第1閾値以上の第3閾値以上である場合、前記助言情報として前記カンチレバーを当該カンチレバーよりも高剛性のカンチレバーに変更することを勧める情報を前記通知部により通知し、
前記走査方向の各位置における前記勾配値が前記第3閾値よりも小さく前記特徴量が前記第2閾値よりも小さい場合、前記助言情報として前記カンチレバーを当該カンチレバーよりも低剛性のカンチレバーに変更することを勧める情報を前記通知部により通知する、請求項5に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The control unit is
when the gradient value at any one of the plurality of positions is equal to or greater than a third threshold that is equal to or greater than the first threshold, notifying, by the notification unit, as the advice information, information recommending that the cantilever be changed to a cantilever having higher rigidity than the cantilever;
6. The scanning probe microscope according to claim 5, wherein, when the gradient value at each position in the scanning direction is smaller than the third threshold value and the feature amount is smaller than the second threshold value, the notification unit notifies, as the advice information, information recommending changing the cantilever to a cantilever having lower rigidity than the cantilever in question.
前記走査型プローブ顕微鏡は、
一端が固定され他端に探針が設けられたカンチレバーと、
試料が置かれる試料台と、
前記試料台と前記カンチレバーとを相対的に移動させることで、前記試料と前記探針との間の距離を変化させる駆動部と、
前記カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、を備え、
前記評価方法は、
前記カンチレバーが変位している間における、前記駆動部による移動量に対する、前記カンチレバーの変位を表す量の変動量を示す勾配値を求めるステップと、
前記勾配値に対応する特徴量が第1閾値よりも大きい場合、または前記特徴量が前記第1閾値未満の第2閾値よりも小さい場合の少なくとも一方の場合に、前記カンチレバーの剛性が前記試料台に置かれた試料の剛性には適していないことを示す助言情報を通知するステップとを含む、カンチレバーの評価方法。 A method for evaluating a cantilever used in a scanning probe microscope, comprising the steps of:
The scanning probe microscope comprises:
A cantilever having one end fixed and a probe at the other end;
A sample stage on which a sample is placed;
a drive unit that changes the distance between the sample and the probe by moving the sample stage and the cantilever relatively;
a displacement measuring unit that measures the displacement of the cantilever,
The evaluation method includes:
determining a gradient value indicating a variation in an amount representing the displacement of the cantilever relative to an amount of movement by the driving unit while the cantilever is displaced;
A method for evaluating a cantilever, comprising a step of notifying advisory information indicating that the stiffness of the cantilever is not suitable for the stiffness of a sample placed on the sample stage when at least one of a feature corresponding to the gradient value is greater than a first threshold value or a feature corresponding to the gradient value is smaller than a second threshold value that is less than the first threshold value.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007248418A (en) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | Hitachi Kenki Fine Tech Co Ltd | Scanning probe microscope |
| JP2009058480A (en) * | 2007-09-03 | 2009-03-19 | Hitachi Kenki Fine Tech Co Ltd | Scanning probe microscope and cantilever management method |
| WO2018029151A1 (en) * | 2016-08-08 | 2018-02-15 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Scanning probe microscope and method for examining a sample surface |
| WO2020031329A1 (en) * | 2018-08-09 | 2020-02-13 | 株式会社島津製作所 | Scanning probe microscope and method for measuring physical quantity using scanning probe microscope |
| CN112557701A (en) * | 2020-12-24 | 2021-03-26 | 中国计量科学研究院 | Micro-nano force value standard measuring device based on reference beam method and source tracing method thereof |
| WO2022137600A1 (en) * | 2020-12-21 | 2022-06-30 | 株式会社島津製作所 | Probe assessment method and spm |
-
2024
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007248418A (en) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | Hitachi Kenki Fine Tech Co Ltd | Scanning probe microscope |
| JP2009058480A (en) * | 2007-09-03 | 2009-03-19 | Hitachi Kenki Fine Tech Co Ltd | Scanning probe microscope and cantilever management method |
| WO2018029151A1 (en) * | 2016-08-08 | 2018-02-15 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Scanning probe microscope and method for examining a sample surface |
| WO2020031329A1 (en) * | 2018-08-09 | 2020-02-13 | 株式会社島津製作所 | Scanning probe microscope and method for measuring physical quantity using scanning probe microscope |
| WO2022137600A1 (en) * | 2020-12-21 | 2022-06-30 | 株式会社島津製作所 | Probe assessment method and spm |
| CN112557701A (en) * | 2020-12-24 | 2021-03-26 | 中国计量科学研究院 | Micro-nano force value standard measuring device based on reference beam method and source tracing method thereof |
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