JP2001033465A - 走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 環境温度に依存することなく、高感度で試料
表面を観察すること0 【解決手段】試料２の表面３を走査するカンチレバー４
を有する機械的発振手段６では、そのカンチレバー４
が、共振周波数ｆ１で振動され、その出力は、周波数変
換手段８に与えられる。水晶発振子４１によって安定化
された局部発振周波数ｆ２による中間周波数ｆ３の信号
は、位相同期ループ回路の位相検波器４５に与えられ、
また水晶発振子４８によって安定化された基準周波数ｆ
４を発生する電圧制御発振回路４６が備えられる。カン
チレバー４と表面３との相互作用による力に依存して、
共振周波数ｆ１が変化し、その変化量△ｆに対応して中
間周波数ｆ３が変化し、位相検波器４５の電圧Ｖ１が変
動電圧△Ｖを生じる。変化量△ｆ、したがって変動電圧
△Ｖが一定になるように、カンチレバー４と試料２との
間の距離を一定に保って走査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査形プローブ顕
微鏡（Scanning Probe Microscope、略称ＳＰＭ）に関
し、特に、探針または探針が連結されたカンチレバーな
どの機械共振部をその共振周波数で振動させ、探針と試
料とが近接した際の共振周波数の変化量△ｆを、位相同
期ループ回路（Phase Locked Loop、略称ＰＬＬ）を用
いて周波数検出する動的観察法の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、原子間力顕微鏡（Atomic For
ce Microscope、略称ＡＦＭ）は、走査形プローブ顕微
鏡の１つであって、固体試料の表面を、原子オーダの分
解能で観察することができる。原子間力顕微鏡では動的
観察法が採用されている。カンチレバーの先端部と試料
表面との間に相互に作用する微小な力に対応して、カン
チレバーの共振周波数が変化し、その共振周波数の変化
量△ｆを一定に保つようにカンチレバーと試料との間隔
を一定に保持しつつカンチレバーによる試料の表面の走
査を行い、画像を形成する。この動的観察法は、大気中
で用いた場合、カンチレバーが試料に与えるダメージが
少なく、特に有機生体材料の観察などにおいて、高分解
能が得られ、また真空中で用いた場合、試料表面の吸着
分子などの影響が少なく、半導体表面の観察などにおい
て高分解能が得られる。真空中で用いた場合、カンチレ
バーの共振のＱ値が高く、また空気中であっても、カン
チレバーのＱ値が高い場合、カンチレバーの共振周波数
の変化量△ｆを周波数検出する構成が有利であることが
知られており、すなわちこのようにして共振周波数の変
化量△ｆを、周波数検出する先行技術によれば、その共
振周波数の変化量Δｆに対応した発振信号の振幅を検出
する構成に比べて、カンチレバーの先端部と試料との間
の距離を制御を、高感度で行うことができる。

【０００３】この周波数検出のために用いられる位相同
期ループ回路は、使用上簡便性があり、集積回路を用い
て容易に実現することができ、またカンチレバーの広い
共振周波数の範囲にわたって、周波数検出が可能である
という優れた利点があり、さらに、消耗品であるカンチ
レバーの交換のたびに、回路素子の回路定数の正確な設
定を行う必要がなく、したがって市販の原子間力顕微鏡
に好適する。

【０００４】位相同期ループ回路を用いる先行技術で
は、位相同期ループ回路の基準周波数を発振する電圧制
御発振回路（Voltage Controlled Oscillator、略称Ｖ
ＣＯ）はＱ値が低く周波数可変範囲が広いため、周波数
検出感度が低い。したがって、共振周波数の微小な変化
量△ｆを正確に検出することができない。また、発振周
波数が受動素子の定数で決定されるため、温度安定性が
低く、環境温度の変化に影響されやすい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Ｑ値
が高くかつ発振周波数が温度に影響されにくい電圧制御
発振回路を有する位相同期ループ回路により、環境温度
の変化に拘わらず高感度で正確な観察を行うことができ
るようにした走査形プローブ顕微鏡を提供することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、水晶発振子ま
たは高安定圧電発振子を用いて安定化された電圧制御発
振回路を有する位相同期ループ回路により、探針または
探針が連結する機械的共振部からの発振信号と位相同期
ループの出力である基準周波数信号とが位相同期するこ
とで、探針または探針が連結された機械的共振部の共振
周波数を検出し、その変化量を予め定める値となるよう
に探針または試料の変位制御をおこなうことを特徴とす
る走査形プローブ顕微鏡である。

【０００７】本発明に従えば、試料に対向して設けられ
るカンチレバーなどの探針または探針が連結する機械的
共振部を、機械的発振手段によって、その共振周波数ｆ
１で振動させて発振し、位相同期ループ回路を用いて、
探針と試料との非接触状態で相互に作用する微小な力に
対応する共振周波数の変化量△ｆを、電圧に変換して検
出し、その変化量△ｆが予め定める値に保たれるよう
に、探針と試料とを近接および離反変位させ、走査によ
る試料表面の像を求めることができる。こうして機械的
発振手段において、探針または探針が連結する機械的共
振部は、その探針と試料との間に相互に作用する力に依
存して変化する共振周波数ｆ１で常時振動して発振動作
を行っている。共振周波数ｆ１が予め定める周波数ｆ５
に保たれるように、したがって共振周波数ｆ１と前記予
め定める周波数ｆ５との差である変化量△ｆが予め定め
る値になるように、変位制御手段は、変位駆動手段を駆
動制御して探針と試料とを近接／離反変位させる。

【０００８】位相同期ループ回路の位相検波器には、機
械的発振手段からの発振信号と、水晶発振子または高安
定圧電発振子を用いて発振する基準周波数ｆ４が環境温
度に依存することなく安定化された基準周波数発振回路
からの基準周波数信号とが与えられ、発振信号と基準周
波数信号との位相差に対応する電圧を有する信号が位相
検出器から導出され、ローパスフィルタを介して変位制
御手段に与えられる。こうして前述のように変位駆動手
段によって探針と試料とが近接／離反変位される。基準
周波数発振回路は、上述のように水晶発振子または高安
定圧電発振子を有するので、その基準周波数ｆ４が安定
化されており、これによって共振周波数ｆ１の微小な変
化量△ｆを正確に検出することができ、したがって感度
を高くすることができる。

【０００９】また本発明は、機械的発振手段と位相検波
器との間に周波数変換回路が介在され、この周波数変換
回路は、もう１つの水晶発振子または高安定圧電発振子
を用いて安定化された、予め定める局部発振周波数ｆ２
で発振する局部発振器からの局部発振信号と、機械的発
振手段からの発振信号から中間周波数ｆ３を有する中間
周波数信号を演算処理により導出し、位相同期ループ回
路の位相検波器に与えることを特徴とする。

【００１０】本発明に従えば、水晶発振子または高安定
圧電発振子を有する基準周波数発振回路を備えた位相同
期ループ回路が同期した状態となる周波数範囲は、比較
的狭く、探針または探針が連結する機械的共振部が消耗
品であって頻繁に交換されて使用され、その交換のたび
に共振周波数が異なる場合でも、共通の位相同期ループ
回路を用いることができるようにするために、機械的発
振手段と位相検波器との間に、周波数変換回路を介在す
る。機械的発振手段の発振信号を、この周波数変換回路
で中間周波数信号ｆ３に変換する。これによって位相同
期ループ回路の構成、定数などを変更することなく、位
相同期ループ回路を、共振周波数ｆ１が異なる各種の探
針または探針が連結する機械的共振部に共通に用いるこ
とができるようになる。

【００１１】周波数変換回路に備えられる局部発振器
は、もう１つの水晶発振子または高安定圧電発振子を有
し、これによって環境温度に依存することなく安定した
局部発振周波数ｆ２を発振し、正確な中間周波数ｆ３を
有する信号を得ることができる。

【００１２】機械的発振手段の発振周波数ｆ１は、主と
して探針などの機械的構成によって定まる。基準周波数
ｆ４は、ローパスフィルタから得られる電圧制御信号の
電圧Ｖ１の変動電圧△Ｖが、機械的発振手段の共振周波
数ｆ１の変化量△ｆに応じてできるだけ大きくなるよう
にして高感度な周波数検出を可能にするために、定めら
れる。したがって周波数変換回路の局部発振周波数ｆ２
は、機械的発振手段の発振周波数ｆ１と基準周波数ｆ４
とに依存して、定められることになる。

【００１３】本発明に従えば、高感度な周波数検出を可
能にするために、機械的発振手段における発振周波数ｆ
１の変化量△ｆがわずかであっても、位相同期ループ回
路のローパスフィルタから得られる電圧Ｖ１の変動電圧
△Ｖをできるだけ大きく得ることができるようになる。
本発明では、位相同期ループ回路における基準周波数発
振回路に、水晶発振子または高安定圧電発振子を用いる
ことによって、その基準周波数ｆ４を、環境温度に依存
することなく安定化し、これによって感度の向上を図る
ことができる。

【００１４】また機械的発振手段と位相同期ループ回路
の位相検波器との間に周波数変換回路を介在する構成で
は、局部発振器にもう１つの水晶発振子または高安定圧
電発振子を用い、これによって局部発振周波数ｆ２が環
境温度に依存することなく安定化させることができるよ
うになる。このことによってもまた、発振周波数ｆ１の
わずかな変化量△ｆを正確に検出して感度の向上を図る
ことができるようになる。

【００１５】本発明に従えば、局部発振器は、もう１つ
の水晶発振子または高安定圧電発振子を用い、局部発振
周波数ｆ２が環境温度に依存することなく安定化するこ
とによって、共振周波数ｆ１の微小な変化量△ｆに対応
する変動電圧△Ｖを、正確に得ることができるようにな
り、感度をさらに向上することができる。

【００１６】本発明に従えば、原子間力顕微鏡を、高感
度で安定して実現することができる。本発明は、原子間
力顕微鏡だけでなく、そのほかの走査形プローブ顕微
鏡、たとえば走査形トンネル顕微鏡（Scanning Tunneli
ng Microscope、略称ＳＴＭ）、走査形静電気力顕微
鏡、走査形磁気力顕微鏡、走査形ケルビンプローブ顕微
鏡およびそのほかの構成に関連して広範囲に実施するこ
とができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
全体の構成を示すブロック図である。走査形プローブ顕
微鏡の１つである原子間力顕微鏡１は、試料２の表面３
に、共振周波数ｆ１で振動される探針であるカンチレバ
ー４の先端部５を相対的に走査し、表面３を原子オーダ
の分解能で、動的観察法によって観察する。この原子間
力顕微鏡１は、基本的に、カンチレバー４を共振周波数
ｆ１で振動させて発振する機械的発振手段６と、その共
振周波数ｆ１を表す信号７を周波数検出する半導体集積
回路から成る周波数検出手段８と、試料２をカンチレバ
ー４と相対的に変位駆動する変位駆動手段９と、周波数
検出手段８からの電圧制御信号１１に応答して変位駆動
手段９を変位制御する変位制御手段１２とを含む。周波
数検出手段８は、周波数変換回路１３と、位相同期ルー
プ回路である位相同期ループ回路１４とを含む。

【００１８】図２は、カンチレバー４とその付近の簡略
化した図である。カンチレバー４は、駆動手段である圧
電素子１５によって試料２に近接／離反する方向に振動
される。

【００１９】図３は、カンチレバー４の先端部５と試料
２の表面３との相互作用を説明するための図である。カ
ンチレバー４と試料２との間の相互作用によって、生じ
る吸引力または反発力によって起因して、カンチレバー
４の共振周波数ｆ１が変化する。本発明の実施の一形態
では、この相互作用による共振周波数ｆ１が予め定める
周波数ｆ５に一定に保たれるように、したがって共振周
波数ｆ１と予め定める周波数ｆ５との差である変化量△
ｆが予め定める値に一定保たれるように、変位制御手段
１２は、変位駆動手段９を駆動制御し、すなわち試料２
を変位駆動手段９によって上下方向であるｚ方向に変位
して、カンチレバー４と試料２とを近接／離反変位させ
る。この変位駆動手段９はまた、ｚ方向に垂直な平面内
で相互に直交するｘ方向およびｙ方向に試料２を変位し
て走査する。こうして試料２の表面３の画像を得ること
ができる。

【００２０】図４は、カンチレバー４の先端部５と試料
２の表面３との間の相互作用２０を説明するための図で
ある。カンチレバー４を、図４に示されるように重錘１
７が連結されたばねで近似することができ、相互作用２
０を、もう１つのばねで近似することができる。カンチ
レバー４の先端部５が、試料２の表面３に近づくと、等
価的にカンチレバー４のばね定数が変化し、これによっ
て共振周波数ｆ１が変化する。

【００２１】図５は、カンチレバー４に関連する機械的
発振手段６の一部の構成を示す図である。レーザ源１８
は、たとえば半導体レーザ装置であって、そのレーザ光
１９は、カンチレバー４に照射される。レーザ光１９は
カンチレバー４によって反射され、ミラー２１によって
反射されて導かれ、受光素子２２に受光される。受光素
子２２は、一対のフォトダイオード２３，２４を有す
る。フォトダイオード２３，２４の各出力は、差動増幅
器２５に与えられ、これによって、カンチレバー４の変
位量を表す電圧の信号２６が得られる。こうしてカンチ
レバー４の変位は、ミラー２１および受光素子２２を含
む光てこによって拡大して検出され、カンチレバー４の
変位を高精度で検出することができる。

【００２２】図６は、カンチレバー４と機械的発振手段
６とによる発振動作特性を示す図である。カンチレバー
４は、調和振動系を構成し、共振周波数ｆ１で、差動増
幅器２５の出力信号２６は、圧電素子１５を駆動制御す
る信号２８に対して９０度の位相遅れを生じる。共振周
波数ｆ１よりも低い周波数範囲では、位相遅れは小さ
く、共振周波数ｆ１よりも高い周波数では位相遅れは大
きい。

【００２３】再び図１を参照して、差動増幅器２５の出
力信号２６は、位相シフタ２９に与えられ、ここで位相
が９０度遅延される。位相シフタ２９の出力は、振幅制
御装置３１に与えられて反転され、これによって１８０
度の位相遅れを生じ、圧電素子１５に制御信号２８が正
帰還される。したがって機械的発振動作が、カンチレバ
ー４の共振周波数ｆ１で継続される。

【００２４】カンチレバー４の先端部５と試料２の表面
３との相互作用２０の働きによって共振周波数ｆ１が、
予め定める周波数ｆ５から変位量△ｆだけ変化する。こ
のようにカンチレバー４の周波数と振幅との特性は、参
照符３３，３４で示される。カンチレバー４において生
じる位相遅れが９０度となる周波数はｆ５，ｆ１であ
り、周波数と位相との特性は、参照符３５，３６で示さ
れる。

【００２５】機械的発振手段６の差動増幅器２５の出力
７は、周波数検出手段８における周波数変換回路１３に
与えられる。この差動増幅器２５の出力７は、前述の出
力信号２６と同一の信号であって、図解の便宜のため
に、個別的に示してある。差動増幅器２５の出力７は、
共振周波数ｆ１を有し、周波数混合器３８に与えられ
る。周波数混合器３８にはまた、局部発振器３９から、
予め定める局部発振周波数ｆ２を有する信号４０が与え
られる。局部発振器３９は、水晶発振子４１を有し、環
境温度の変化に拘わらず、局部発振周波数ｆ２が一定に
保たれる。局部発振器３９はまた、水晶発振子４１によ
って発振された信号が分周されて得られてもよい。周波
数混合器３８は、差動増幅器２５の出力７と局部発振器
３９の出力４０とを混合し、その混合した信号４２をフ
ィルタ４３に与える。こうして中間周波数ｆ３を有する
信号４４が得られる。中間周波数ｆ３は、共振周波数ｆ
１と局部発振周波数ｆ２との和または差の周波数であ
る。

【００２６】周波数変換回路１３からの中間周波数ｆ３
を有する信号４４は、位相同期ループ回路１４の位相検
波器４５の一方の入力に与えられる。位相検波器４５の
他方の入力には、電圧制御発振回路４６からの基準周波
数ｆ４を有する信号４７が与えられる。この電圧制御発
振回路４６は、水晶発振子４８を有し、環境温度の変化
に拘わらず、基準周波数ｆ４が安定化される。位相検波
器４５の出力信号５１は、機械的発振手段６からの共振
周波数信号７に対応する中間周波数信号４４と、基準周
波数発振回路４６からの基準周波数信号４７との位相差
に対応する。

【００２７】この信号５１は、ローパスフィルタ５３に
よって濾波され、変位制御手段１２の出力１１として与
えられるとともに、参照符５４で示されるように、基準
周波数発振回路４６に、基準周波数ｆ４を変化するため
の信号として与えられる。こうして位相同期ループ回路
１４では、位相検波器４５に与えられる中間周波数信号
４４に同期した状態となる。

【００２８】周波数変換回路１３のフィルタ４３からの
出力４４は、周波数ｆ３を有し、その周波数ｆ３は、共
振周波数ｆ１の変化量△ｆと同じ変化量△ｆだけ変化す
る。フィルタ５３の出力１１，５４は同一の信号であ
り、その電圧Ｖ１は、図７に示されるように、共振周波
数ｆ１、したがって中間周波数ｆ３の変化量△ｆに対応
して電圧Ｖ１が変動電圧△Ｖだけ変化する。

【００２９】変位制御手段１２では、フィルタ５３の出
力１１が制御回路５６に与えられ、この制御回路５６に
はまた、目標値設定回路６１からの予め定める電圧を有
する信号が与えられる。制御回路５６は、出力１１の電
圧と目標値設定回路６１からの目標値出力との差が零と
なるように制御信号６２を導出して増幅器６３に与え
る。増幅器６３は、変位駆動手段９のｚ方向駆動機構６
４を動作させる。こうしてカンチレバー４の先端部５と
試料２の表面３との距離が、目標値設定回路６１で設定
された電圧に対応する値に保たれる。変位駆動手段９は
また、試料２をｚ方向に垂直な平面内でｘ方向およびｙ
方向に移動して走査するための駆動機構６５を含む。各
駆動機構６４，６５は、たとえば圧電素子、ボイスコイ
ルなどによって実現することができる。

【００３０】本発明の実施の他の形態では、試料２を固
定位置に設けておき、カンチレバー４をｚ方向に変位し
てもよく、またカンチレバー４をｘ方向およびｙ方向に
走査するようにしてもよい。

【００３１】カンチレバー４の先端部５と試料２の表面
３との相互作用２０は、上述の実施の形態では力である
が、本発明の実施の他の形態では、トンネル電流であ
り、またはそのほかの物理量であってもよい。

【００３２】本発明の実施の他の形態では、機械的発振
手段６の出力７を、位相検波器４５に直接に与えるよう
に構成することもまた可能であり、このとき周波数変換
回路１３は省略されることができる。機械的発振手段６
から周波数検出回路８に与えられる出力７は、上述の実
施の形態では、差動増幅器２５の出力であったが、本発
明の実施の他の形態では、位相シフタ２９または振幅制
御回路３１などからの出力であってもよい。

【００３３】

【発明の効果】請求項１の本発明によれば、探針が連結
された機械的共振部の共振周波数ｆ１を周波数検出する
ために用いられる位相同期ループ回路では、電圧制御基
準周波数発振回路が水晶発振子または高安定圧電発振子
を有するので、その基準周波数ｆ４が環境温度の変化に
拘わらず安定化され、これによって共振周波数ｆ１の微
小な変化量△ｆを正確に検出することができ、高感度で
正確に、試料の表面の観察を行うことができるようにな
る。

【００３４】請求項２の本発明によれば、機械的共振部
の共振周波数ｆ１を、周波数変換回路によって周波数変
換して、位相同期ループ回路の位相検波器に与えるよう
にしたので、探針または探針が連結された機械的共振部
が交換され、その共振周波数ｆ１が変化しても、周波数
変換回路の局部発振器の発振周波数を変化調整すること
によって、後続の位相同期ループ回路などの構成を、共
通に用いることができるようになる。またこの周波数変
換回路を用いることによって、位相同期ループ回路にお
いて最適な基準周波数ｆ４を選択することができ、これ
によって環境温度に拘わらず、前記変化量△ｆを高感度
で検出することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の全体の構成を示すブロ
ック図である。

【図２】カンチレバー４とその付近の簡略化した図であ
る。

【図３】カンチレバー４の先端部５と試料２の表面３と
の相互作用を説明するための図である。

【図４】カンチレバー４の先端部５と試料２の表面３と
の間の相互作用２０を説明するための図である。

【図５】カンチレバー４に関連する機械的発振手段６の
一部の構成を示す図である。

【図６】カンチレバー４と機械的発振手段６とによる発
振動作特性を示す図である。

【図７】位相同期ループ回路１４の動作を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１ 原子間力顕微鏡 ２ 試料 ３ 表面 ４ カンチレバー ５ 先端部 ６ 機械的発振手段 ８ 周波数検出手段 ９ 変位駆動手段 １２ 変位制御手段 １３ 周波数変換回路 １４ 位相同期ループ回路 ３８ 周波数混合器 ３９ 局部発振器 ４１，４８ 水晶発振子 ４３，５３ フィルタ ４５ 位相検波器 ４６ 基準周波数発振回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶発振子または高安定圧電発振子を用
   いて安定化された電圧制御発振回路を有する位相同期ル
   ープ回路により、探針または探針が連結する機械的共振
   部からの発振信号と位相同期ループの出力である基準周
   波数信号とが位相同期することで、探針または探針が連
   結された機械的共振部の共振周波数を検出し、その変化
   量を予め定める値となるように探針または試料の変位制
   御をおこなうことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 機械的発振手段と位相検波器との間に周
   波数変換回路が介在され、この周波数変換回路は、もう
   １つの水晶発振子または高安定圧電発振子を用いて安定
   化された、予め定める局部発振周波数で発振する局部発
   振器からの局部発振信号と、機械的発振手段からの発振
   信号から中間周波数を有する中間周波数信号を演算処理
   により導出し、位相同期ループ回路に与えることを特徴
   とする請求項１記載の走査形プローブ顕微鏡。