JP2002228572A - 非接触型原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法 - Google Patents
非接触型原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 マルチプローブにおける各プローブ毎の感度
のばらつきの問題を解決し、サンプル表面を正確に観察
することができる非接触型原子間力顕微鏡を提供する。 【解決手段】 共振周波数の異なる複数のプローブから
なるマルチプローブ１０１と、マルチプローブ１０１の
各プローブを同時に加振するアクチュエータ１０２と、
マルチプローブ１０１の各プローブの変位（振幅）を検
出する変位検出部１０３と、変位検出部１０３から出力
される各プローブの変位に応じた出力波形を加算してマ
ルチプローブ１０１の各プローブそれぞれの共振周波数
成分を含む駆動信号を生成し、これをアクチュエータ１
０２に供給する波形合成部１０４とを有する。
のばらつきの問題を解決し、サンプル表面を正確に観察
することができる非接触型原子間力顕微鏡を提供する。 【解決手段】 共振周波数の異なる複数のプローブから
なるマルチプローブ１０１と、マルチプローブ１０１の
各プローブを同時に加振するアクチュエータ１０２と、
マルチプローブ１０１の各プローブの変位（振幅）を検
出する変位検出部１０３と、変位検出部１０３から出力
される各プローブの変位に応じた出力波形を加算してマ
ルチプローブ１０１の各プローブそれぞれの共振周波数
成分を含む駆動信号を生成し、これをアクチュエータ１
０２に供給する波形合成部１０４とを有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、サンプルの表面形
状を、プローブの探針とサンプル表面との間の物理的相
互作用を検出して観察する走査型プローブ顕微鏡に関
し、特に、原子間力を検出してサンプル表面を非接触に
観察する、非接触型原子間力顕微鏡および観察方法に関
する。
状を、プローブの探針とサンプル表面との間の物理的相
互作用を検出して観察する走査型プローブ顕微鏡に関
し、特に、原子間力を検出してサンプル表面を非接触に
観察する、非接触型原子間力顕微鏡および観察方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、導体の電子構造を直接観察できる
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の開発以来、原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、近
接場顕微鏡（ＳＮＯＭ）といった、先端の尖ったプロー
ブを走査することにより様々な情報とその分布を得る顕
微鏡装置が、次々と開発されている。現在、これらの顕
微鏡は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と総称され、
原子、分子レベルの解像度をもつ微細構造の観察手段と
して広く用いられている。
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の開発以来、原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、近
接場顕微鏡（ＳＮＯＭ）といった、先端の尖ったプロー
ブを走査することにより様々な情報とその分布を得る顕
微鏡装置が、次々と開発されている。現在、これらの顕
微鏡は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と総称され、
原子、分子レベルの解像度をもつ微細構造の観察手段と
して広く用いられている。
【０００３】ＡＦＭは、接触領域（斥力領域）において
原子間力により生じるプローブのたわみ量を検出するこ
とにより、サンプル表面の微細な凹凸を観察するもので
ある。図６に、そのＡＦＭ観察の原理を示す。図６にお
いて、プローブ６０１は、支点６０２にて支持されてお
り、サンプル６００の表面上を所定の方向に走査され
る。サンプル６０３の表面の凸部では、プローブ６０１
に局所的な力Ｆ（斥力）が加わってたわみΔｚを生じ
る。このたわみΔｚをなんらかの方法で検出することに
より、サンプル表面の微細な凹凸を観察することができ
る。このＡＦＭ観察によれば、導体のサンプルしか観察
できないＳＴＭと違って、サンプルが絶縁体であっても
容易に観察を行うことができることから、その応用範囲
は広い。そのため、次世代の原子・分子操作装置として
も注目されており、様々な報告がされている。
原子間力により生じるプローブのたわみ量を検出するこ
とにより、サンプル表面の微細な凹凸を観察するもので
ある。図６に、そのＡＦＭ観察の原理を示す。図６にお
いて、プローブ６０１は、支点６０２にて支持されてお
り、サンプル６００の表面上を所定の方向に走査され
る。サンプル６０３の表面の凸部では、プローブ６０１
に局所的な力Ｆ（斥力）が加わってたわみΔｚを生じ
る。このたわみΔｚをなんらかの方法で検出することに
より、サンプル表面の微細な凹凸を観察することができ
る。このＡＦＭ観察によれば、導体のサンプルしか観察
できないＳＴＭと違って、サンプルが絶縁体であっても
容易に観察を行うことができることから、その応用範囲
は広い。そのため、次世代の原子・分子操作装置として
も注目されており、様々な報告がされている。
【０００４】しかしながら、上記のように接触領域にお
いてＡＦＭ観察を行うと、磨耗によりプローブの先端形
状が変化してしまうことから、そのような先端形状変化
による影響も多く報告されている。さらに、プローブ先
端によりサンプルを傷つける恐れもあった。
いてＡＦＭ観察を行うと、磨耗によりプローブの先端形
状が変化してしまうことから、そのような先端形状変化
による影響も多く報告されている。さらに、プローブ先
端によりサンプルを傷つける恐れもあった。
【０００５】プローブの先端とサンプル表面との物理的
な接触なしにサンプル表面形状を観察することができる
ものとして、非接触型原子間力顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）が
知られている。このｎｃＡＦＭは、非接触領域（引力領
域）において、プローブを共振点、もしくは共振点近傍
の周波数で加振させ、サンプル表面とプローブの探針と
の間の物理的相互作用（プローブの探針とサンプル表面
との間に働く原子間力）によるプローブの共振周波数の
変化を検出することにより、サンプルの表面形状の観察
を行うＡＦＭである。ここで、共振点とは、プローブを
所定の周波数範囲にわたって加振した際に、プローブの
振幅（振動変位）が最大となる点をいい、その点におけ
る周波数を共振周波数という。共振周波数は、サンプル
とプローブとの間の物理的相互作用によって変化する。
プローブの検出感度は、共振点で加振したときに最大と
なり、共振点からずれるにしたがって小さくなる。
な接触なしにサンプル表面形状を観察することができる
ものとして、非接触型原子間力顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）が
知られている。このｎｃＡＦＭは、非接触領域（引力領
域）において、プローブを共振点、もしくは共振点近傍
の周波数で加振させ、サンプル表面とプローブの探針と
の間の物理的相互作用（プローブの探針とサンプル表面
との間に働く原子間力）によるプローブの共振周波数の
変化を検出することにより、サンプルの表面形状の観察
を行うＡＦＭである。ここで、共振点とは、プローブを
所定の周波数範囲にわたって加振した際に、プローブの
振幅（振動変位）が最大となる点をいい、その点におけ
る周波数を共振周波数という。共振周波数は、サンプル
とプローブとの間の物理的相互作用によって変化する。
プローブの検出感度は、共振点で加振したときに最大と
なり、共振点からずれるにしたがって小さくなる。
【０００６】このｎｃＡＦＭ観察によれば、観察は非接
触領域において行われるので、プローブ先端とサンプル
表面とが接触することによる影響を回避することができ
る。このようなことから、ｎｃＡＦＭは原子・分子操作
装置としての応用がより一層期待されている。
触領域において行われるので、プローブ先端とサンプル
表面とが接触することによる影響を回避することができ
る。このようなことから、ｎｃＡＦＭは原子・分子操作
装置としての応用がより一層期待されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述したｎｃＡＦＭに
おいては、その実用化に際してコンパクト化やデータ処
理（サンプル表面形状の画像化処理）の高速化などを目
的に様々な改良が行われている。その一環として、デー
タ処理のスループットの向上を図るために、複数のプロ
ーブ（マルチプローブ）を用いて並列処理（マルチ化）
を行うものが開発されている。しかし、マルチプローブ
を用いる場合には、以下のような課題があった。
おいては、その実用化に際してコンパクト化やデータ処
理（サンプル表面形状の画像化処理）の高速化などを目
的に様々な改良が行われている。その一環として、デー
タ処理のスループットの向上を図るために、複数のプロ
ーブ（マルチプローブ）を用いて並列処理（マルチ化）
を行うものが開発されている。しかし、マルチプローブ
を用いる場合には、以下のような課題があった。
【０００８】マルチプローブは、仮に同じ製造プロセス
工程を経て作製されたものであっても、製造誤差等があ
るために全てのプローブに一様な共振点を持たせること
は困難である。前述したとおり、ｎｃＡＦＭでは、プロ
ーブを共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振させ
てサンプルとプローブ表面との間の物理的相互作用によ
るプローブの共振周波数の変化を検出するようになって
いることから、そのようなマルチプローブを用いる場合
は、各プローブをそれぞれの共振点、もしくは共振点近
傍の周波数で加振する必要がある。
工程を経て作製されたものであっても、製造誤差等があ
るために全てのプローブに一様な共振点を持たせること
は困難である。前述したとおり、ｎｃＡＦＭでは、プロ
ーブを共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振させ
てサンプルとプローブ表面との間の物理的相互作用によ
るプローブの共振周波数の変化を検出するようになって
いることから、そのようなマルチプローブを用いる場合
は、各プローブをそれぞれの共振点、もしくは共振点近
傍の周波数で加振する必要がある。
【０００９】マルチプローブの各プローブをそれぞれの
共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振する最も簡
単な手法は、各プローブに加振用のアクチュエータを用
意して、各プローブをそれぞれ加振することである。し
かし、この場合は、各プローブにアクチュエータが設け
られるため、プローブ本数が多くなると装置の大型化を
招くこととなり、また、プローブヘッドまわりの配線等
も煩雑になる。さらに加えて、各アクチュエータに印加
される信号の周波数を各プローブの共振周波数、もしく
は共振周波数近傍の周波数に合わせ込む必要があり、こ
の周波数の合わせ込みに要する時間もプローブのアレイ
化に伴って増加する。
共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振する最も簡
単な手法は、各プローブに加振用のアクチュエータを用
意して、各プローブをそれぞれ加振することである。し
かし、この場合は、各プローブにアクチュエータが設け
られるため、プローブ本数が多くなると装置の大型化を
招くこととなり、また、プローブヘッドまわりの配線等
も煩雑になる。さらに加えて、各アクチュエータに印加
される信号の周波数を各プローブの共振周波数、もしく
は共振周波数近傍の周波数に合わせ込む必要があり、こ
の周波数の合わせ込みに要する時間もプローブのアレイ
化に伴って増加する。
【００１０】上記のような装置の大型化を避けるため、
マルチプローブに対して一括に、あるいは各プローブを
いくつかのグループに分けて、その各グループに対して
共通のアクチュエータを用いてある決まった周波数（例
えば各プローブの平均的な共振周波数）で加振する、と
いった手法も考えられる。しかし、この場合は、製造誤
差等によるプローブの共振点のずれの影響で検出感度が
落ちるプローブがあり、場合によっては、観察ができな
いプローブがあることから、サンプル表面を正確に観察
することができなくなる。このような問題は、プローブ
のアレイ化に伴いより顕著に表れる。
マルチプローブに対して一括に、あるいは各プローブを
いくつかのグループに分けて、その各グループに対して
共通のアクチュエータを用いてある決まった周波数（例
えば各プローブの平均的な共振周波数）で加振する、と
いった手法も考えられる。しかし、この場合は、製造誤
差等によるプローブの共振点のずれの影響で検出感度が
落ちるプローブがあり、場合によっては、観察ができな
いプローブがあることから、サンプル表面を正確に観察
することができなくなる。このような問題は、プローブ
のアレイ化に伴いより顕著に表れる。
【００１１】本発明の目的は、上記マルチプローブにお
ける各プローブ毎の感度のばらつきの問題を解決し、サ
ンプル表面を正確に観察することができるとともに、小
型化、低コスト化を図ることのできる、非接触型原子間
力顕微鏡および観察方法を提供することにある。
ける各プローブ毎の感度のばらつきの問題を解決し、サ
ンプル表面を正確に観察することができるとともに、小
型化、低コスト化を図ることのできる、非接触型原子間
力顕微鏡および観察方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の非接触型原子間力顕微鏡は、共振周波数の
異なる複数のプローブと、前記複数のプローブを同時に
加振するアクチュエータと、前記複数のプローブそれぞ
れの共振周波数成分を含む前記アクチュエータの駆動信
号を生成する駆動信号生成回路とを有することを特徴と
する。
に、本発明の非接触型原子間力顕微鏡は、共振周波数の
異なる複数のプローブと、前記複数のプローブを同時に
加振するアクチュエータと、前記複数のプローブそれぞ
れの共振周波数成分を含む前記アクチュエータの駆動信
号を生成する駆動信号生成回路とを有することを特徴と
する。
【００１３】また、本発明の観察方法は、共振周波数の
異なる複数のプローブを用いてサンプルの表面形状を観
察する観察方法であって、前記複数のプローブを共通の
アクチュエータにより同時に加振するステップと、前記
複数のプローブそれぞれの共振周波数成分を含む駆動信
号で前記アクチュエータを駆動するステップと、前記複
数のプローブの変位を検出し、該検出結果を示す出力信
号を発生するステップと、前記出力信号に基づいて前記
表面形状を示す信号を生成するステップとを含むことを
特徴とする。
異なる複数のプローブを用いてサンプルの表面形状を観
察する観察方法であって、前記複数のプローブを共通の
アクチュエータにより同時に加振するステップと、前記
複数のプローブそれぞれの共振周波数成分を含む駆動信
号で前記アクチュエータを駆動するステップと、前記複
数のプローブの変位を検出し、該検出結果を示す出力信
号を発生するステップと、前記出力信号に基づいて前記
表面形状を示す信号を生成するステップとを含むことを
特徴とする。
【００１４】上記のとおりの本発明においては、各プロ
ーブを同時に加振するアクチュエータが、それぞれのプ
ローブの共振周波数成分を含む駆動信号により駆動され
る。このため、加振時には、各プローブにおいて各自の
共振周波数成分が選択されることとなり、各プローブが
それぞれの共振点で加振される。
ーブを同時に加振するアクチュエータが、それぞれのプ
ローブの共振周波数成分を含む駆動信号により駆動され
る。このため、加振時には、各プローブにおいて各自の
共振周波数成分が選択されることとなり、各プローブが
それぞれの共振点で加振される。
【００１５】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。
図面を参照して説明する。
【００１６】図１は、本発明の一実施形態である非接触
型原子間力顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。
図１を参照すると、この非接触型原子間力顕微鏡は、複
数のプローブからなるマルチプローブ１０１と、マルチ
プローブ１０１を同時に加振するアクチュエータ１０２
と、マルチプローブ１０１の各プローブの変位（振幅）
を検出する変位検出部１０３と、変位検出部１０３の出
力信号（各プローブの変位を検出した信号）を所定の復
調方式により復調してサンプル１０７の表面形状に対応
した信号を出力する復調部１０５と、変位検出部１０３
から出力される各プローブの変位に応じた出力波形を加
算してアクチュエータ１０２に印加する波形合成部１０
４と、サンプル１０７が載置されるスキャナ１０８と、
スキャナ１０８をそのサンプル配置面に対して垂直な方
向（図１中のＺ方向）に移動するスタックピエゾ１１０
と、復調部１０５の出力を参照してスタックピエゾ１１
０によるスキャナ１０８のＺ方向の移動を制御するサー
ボ回路１０６と、スキャナ１０８のサンプル配置面の面
内方向（図１中のＸＹ方向）の制御を行うＸＹスキャナ
コントローラ１０９とで構成されている。
型原子間力顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。
図１を参照すると、この非接触型原子間力顕微鏡は、複
数のプローブからなるマルチプローブ１０１と、マルチ
プローブ１０１を同時に加振するアクチュエータ１０２
と、マルチプローブ１０１の各プローブの変位（振幅）
を検出する変位検出部１０３と、変位検出部１０３の出
力信号（各プローブの変位を検出した信号）を所定の復
調方式により復調してサンプル１０７の表面形状に対応
した信号を出力する復調部１０５と、変位検出部１０３
から出力される各プローブの変位に応じた出力波形を加
算してアクチュエータ１０２に印加する波形合成部１０
４と、サンプル１０７が載置されるスキャナ１０８と、
スキャナ１０８をそのサンプル配置面に対して垂直な方
向（図１中のＺ方向）に移動するスタックピエゾ１１０
と、復調部１０５の出力を参照してスタックピエゾ１１
０によるスキャナ１０８のＺ方向の移動を制御するサー
ボ回路１０６と、スキャナ１０８のサンプル配置面の面
内方向（図１中のＸＹ方向）の制御を行うＸＹスキャナ
コントローラ１０９とで構成されている。
【００１７】マルチプローブ１０１を構成する各プロー
ブは、それぞれの共振点を意図的にずらしてある。本形
態では、マルチプローブ１０１の各プローブは、共通の
アクチュエータ１０２によって加振される。このよう
に、マルチプローブ１０１を構成する全てのプローブに
対して共通のアクチュエータを用いて加振してもよい
が、プローブの本数が増えた場合には、マルチプローブ
を構成するプローブをいくつかのグループに分け、グル
ープごとにアクチュエータを用意して加振するようにし
てもよい。アクチュエータ１０２は、よく知られている
圧電素子等で構成することができるが、少なくとも、加
振対象であるマルチプローブ１０１の各プローブの共振
周波数を確実にカバーできる加振帯域（加振可能な周波
数帯域）を有していなくてはならない。
ブは、それぞれの共振点を意図的にずらしてある。本形
態では、マルチプローブ１０１の各プローブは、共通の
アクチュエータ１０２によって加振される。このよう
に、マルチプローブ１０１を構成する全てのプローブに
対して共通のアクチュエータを用いて加振してもよい
が、プローブの本数が増えた場合には、マルチプローブ
を構成するプローブをいくつかのグループに分け、グル
ープごとにアクチュエータを用意して加振するようにし
てもよい。アクチュエータ１０２は、よく知られている
圧電素子等で構成することができるが、少なくとも、加
振対象であるマルチプローブ１０１の各プローブの共振
周波数を確実にカバーできる加振帯域（加振可能な周波
数帯域）を有していなくてはならない。
【００１８】変位検出部１０３の検出方式は、マルチプ
ローブ１０１のプローブ構成によって異なる。例えば、
カンチレバー型のプローブを使用する場合は、プローブ
の先端に光を照射し、その反射光の変位によってプロー
ブの挙動を知る光てこ方式が用いられる。また、ピエゾ
抵抗素子で構成するプローブを使用する場合は、プロー
ブにバイアスを印加して、プローブのたわみに伴う抵抗
値変化によってプローブの変位（振幅）を知る方式が用
いられる。なお、これ以外の検出方式を用いることもで
きる。
ローブ１０１のプローブ構成によって異なる。例えば、
カンチレバー型のプローブを使用する場合は、プローブ
の先端に光を照射し、その反射光の変位によってプロー
ブの挙動を知る光てこ方式が用いられる。また、ピエゾ
抵抗素子で構成するプローブを使用する場合は、プロー
ブにバイアスを印加して、プローブのたわみに伴う抵抗
値変化によってプローブの変位（振幅）を知る方式が用
いられる。なお、これ以外の検出方式を用いることもで
きる。
【００１９】復調部１０５は、ＡＭ復調回路やＦＭ復調
回路に代表される復調回路により構成されるが、これら
以外の復調方式を用いることもできる。この復調部１０
５にて復調された信号に基づいて、サンプル１０７の表
面形状の画像化が行われる。
回路に代表される復調回路により構成されるが、これら
以外の復調方式を用いることもできる。この復調部１０
５にて復調された信号に基づいて、サンプル１０７の表
面形状の画像化が行われる。
【００２０】サーボ回路１０６は、復調部１０５の出力
を入力としており、フィードバック制御によりスキャナ
１０８のＺ方向の制御を行う。具体的には、サーボ回路
１０６は、復調部１０５の出力に基づいて、サンプル１
０７とマルチプローブ１０１が接触してプローブ１０１
の破壊を招いたり、サンプル１０７を傷つけたりするこ
とのないように、サンプル１０７とマルチプローブ１０
１との間の距離（間隔）を制御する。
を入力としており、フィードバック制御によりスキャナ
１０８のＺ方向の制御を行う。具体的には、サーボ回路
１０６は、復調部１０５の出力に基づいて、サンプル１
０７とマルチプローブ１０１が接触してプローブ１０１
の破壊を招いたり、サンプル１０７を傷つけたりするこ
とのないように、サンプル１０７とマルチプローブ１０
１との間の距離（間隔）を制御する。
【００２１】波形合成部１０４は、主に加算回路で構成
されるが、その構成は復調部１０５の復調回路の構成に
よって異なる。詳しくは後述する。
されるが、その構成は復調部１０５の復調回路の構成に
よって異なる。詳しくは後述する。
【００２２】次に、この非接触型原子間力顕微鏡の動作
について説明する。
について説明する。
【００２３】スキャナ１０８をＸＹ方向に移動すること
により、マルチプローブ１０１をスキャナ１０８上に載
置されたサンプル１０７の表面に対して走査させる。こ
のスキャナ１０８のＸＹ方向への移動は、ＸＹスキャナ
コントローラ１０９により制御される。このような走査
方法を用いて、サンプル１０７の表面の凹凸を観察す
る。
により、マルチプローブ１０１をスキャナ１０８上に載
置されたサンプル１０７の表面に対して走査させる。こ
のスキャナ１０８のＸＹ方向への移動は、ＸＹスキャナ
コントローラ１０９により制御される。このような走査
方法を用いて、サンプル１０７の表面の凹凸を観察す
る。
【００２４】サンプル１０７の表面を観察する際は、先
に説明したように、復調部１０５の復調回路にて、変位
検出部１０３の出力波形から各プローブのサンプル１０
７の表面形状に対する信号を検出し、これらの検出信号
を参照してサーボ回路１０６がマルチプローブ１０１と
サンプル１０７とが接触しないように両者の面合わせを
行う。これにより、マルチプローブ１０１とサンプル１
０７との距離が常に一定に保たれることとなり、この状
態で、スキャナ１０８を走査する。
に説明したように、復調部１０５の復調回路にて、変位
検出部１０３の出力波形から各プローブのサンプル１０
７の表面形状に対する信号を検出し、これらの検出信号
を参照してサーボ回路１０６がマルチプローブ１０１と
サンプル１０７とが接触しないように両者の面合わせを
行う。これにより、マルチプローブ１０１とサンプル１
０７との距離が常に一定に保たれることとなり、この状
態で、スキャナ１０８を走査する。
【００２５】走査中は、マルチプローブ１０１の各プロ
ーブは、共通のアクチュエータ１０２によってそれぞれ
の共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振される。
サンプル１０７の表面形状の情報は、マルチプローブ１
０１の各プローブにおける共振点のずれに対応する信号
として変位検出部１０３にて検出され、この検出信号が
波形合成部１０４および復調部１０５のそれぞれに入力
される。波形合成部１０４では、変位検出部１０３から
出力された各プローブの共振点や共振点のずれに対応し
た信号に基づいて生成された各プローブの加振信号波形
を合成した合成波形が生成され、該合成波形がアクチュ
エータ１０２に印加される。この合成波形の印加によ
り、マルチプローブ１０１の各プローブがそれぞれの共
振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振される。
ーブは、共通のアクチュエータ１０２によってそれぞれ
の共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振される。
サンプル１０７の表面形状の情報は、マルチプローブ１
０１の各プローブにおける共振点のずれに対応する信号
として変位検出部１０３にて検出され、この検出信号が
波形合成部１０４および復調部１０５のそれぞれに入力
される。波形合成部１０４では、変位検出部１０３から
出力された各プローブの共振点や共振点のずれに対応し
た信号に基づいて生成された各プローブの加振信号波形
を合成した合成波形が生成され、該合成波形がアクチュ
エータ１０２に印加される。この合成波形の印加によ
り、マルチプローブ１０１の各プローブがそれぞれの共
振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振される。
【００２６】以下に、マルチプローブ１０１を構成する
各プローブをそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍の
周波数で加振する方法を説明する。
各プローブをそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍の
周波数で加振する方法を説明する。
【００２７】マルチプローブ１０１を構成する各プロー
ブは、それぞれ固有の感度分布を有しており、それぞれ
の共振点において最大の振幅値が得られる。そのため、
各プローブの共振点を適切に設定することによって、そ
れぞれの感度分布がいわゆるバンドパスフィルタのよう
な働きをする。このことにより、波形合成部１０４から
各プローブの共振周波数成分、もしくは共振周波数近傍
の周波数成分を有する合成信号が出力され、マルチプロ
ーブ１０１が加振された場合も、それぞれのプローブで
は各プローブの共振点、もしくは共振点近傍の周波数成
分が選択され、各プローブがそれぞれの共振点、もしく
は共振点近傍で加振されることになる。
ブは、それぞれ固有の感度分布を有しており、それぞれ
の共振点において最大の振幅値が得られる。そのため、
各プローブの共振点を適切に設定することによって、そ
れぞれの感度分布がいわゆるバンドパスフィルタのよう
な働きをする。このことにより、波形合成部１０４から
各プローブの共振周波数成分、もしくは共振周波数近傍
の周波数成分を有する合成信号が出力され、マルチプロ
ーブ１０１が加振された場合も、それぞれのプローブで
は各プローブの共振点、もしくは共振点近傍の周波数成
分が選択され、各プローブがそれぞれの共振点、もしく
は共振点近傍で加振されることになる。
【００２８】以上のように、本形態では、共通のアクチ
ュエータを用いてマルチプローブ１０１の各プローブを
それぞれの共振点、もしくは共振点近傍で加振させるこ
とができるため、マルチプローブ１０１の各プローブに
よる検出感度のばらつきを抑えることができ、良好な観
察結果を得ることができる。
ュエータを用いてマルチプローブ１０１の各プローブを
それぞれの共振点、もしくは共振点近傍で加振させるこ
とができるため、マルチプローブ１０１の各プローブに
よる検出感度のばらつきを抑えることができ、良好な観
察結果を得ることができる。
【００２９】波形合成部１０４は、基本的には、変位検
出部１０３の出力信号に基づいて各プローブの加振信号
を生成し、これらを合成して各プローブの共振周波数、
もしくは共振周波数近傍の周波数を含む合成信号を生成
するが、その合成信号の生成手順は、復調方式によって
異なる。以下に、具体例として、ＡＭ検出（検波）とＦ
Ｍ検出（検波）を採用する２つの実施例を挙げる。
出部１０３の出力信号に基づいて各プローブの加振信号
を生成し、これらを合成して各プローブの共振周波数、
もしくは共振周波数近傍の周波数を含む合成信号を生成
するが、その合成信号の生成手順は、復調方式によって
異なる。以下に、具体例として、ＡＭ検出（検波）とＦ
Ｍ検出（検波）を採用する２つの実施例を挙げる。
【００３０】（実施例１：ＡＭ検出）図２は、本発明の
第１の実施例である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成
を示すブロック図である。この非接触型原子間力顕微鏡
では、圧電セラミックスよりなるアクチュエータ２０２
が使用され、プローブ２０１ａ、２０１ｂからなるカン
チレバー型のマルチプローブが使用される。各プローブ
２０１ａ、２０１ｂは、振動系の鋭さを表わすＱ値が大
気中で４００、共振周波数はそれぞれ１０ＫＨｚ、３０
０ＫＨｚである。
第１の実施例である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成
を示すブロック図である。この非接触型原子間力顕微鏡
では、圧電セラミックスよりなるアクチュエータ２０２
が使用され、プローブ２０１ａ、２０１ｂからなるカン
チレバー型のマルチプローブが使用される。各プローブ
２０１ａ、２０１ｂは、振動系の鋭さを表わすＱ値が大
気中で４００、共振周波数はそれぞれ１０ＫＨｚ、３０
０ＫＨｚである。
【００３１】変位検出部は、光てこ方式のものであっ
て、各プローブ２０１ａ、２０１ｂ毎に設けられてい
る。その構成は、レーザダイオード２０３ａ、２０３
ｂ、４分割フォトダイオード２０４ａ、２０４ｂ、Ｉ／
Ｖ変換器２０５ａ、２０５ｂからなる。レーザダイオー
ド２０３ａからのレーザ光がプローブ２０１ａの所定部
にて反射され、該反射光が４分割フォトダイオード２０
４ａに入射するようになっており、プローブ２０１ａが
振動すると、その振幅に応じて４分割フォトダイオード
２０４ａの出力が変化する。４分割フォトダイオード２
０４ａの出力（電流信号）はＩ／Ｖ変換器２０５ａにて
電圧信号に変換される。レーザダイオード２０３ｂ、４
分割フォトダイオード２０４ｂおよびＩ／Ｖ変換器２０
５ｂも、これと同様の構成になっており、プローブ２０
１ｂの振幅に応じた電圧信号が得られる。
て、各プローブ２０１ａ、２０１ｂ毎に設けられてい
る。その構成は、レーザダイオード２０３ａ、２０３
ｂ、４分割フォトダイオード２０４ａ、２０４ｂ、Ｉ／
Ｖ変換器２０５ａ、２０５ｂからなる。レーザダイオー
ド２０３ａからのレーザ光がプローブ２０１ａの所定部
にて反射され、該反射光が４分割フォトダイオード２０
４ａに入射するようになっており、プローブ２０１ａが
振動すると、その振幅に応じて４分割フォトダイオード
２０４ａの出力が変化する。４分割フォトダイオード２
０４ａの出力（電流信号）はＩ／Ｖ変換器２０５ａにて
電圧信号に変換される。レーザダイオード２０３ｂ、４
分割フォトダイオード２０４ｂおよびＩ／Ｖ変換器２０
５ｂも、これと同様の構成になっており、プローブ２０
１ｂの振幅に応じた電圧信号が得られる。
【００３２】サンプル２１２が載置されるＸＹスキャナ
２１３は、ＸＹスキャナコントローラ２１０による制御
によってＸＹ方向の移動が制御される。また、このＸＹ
スキャナ２１３は、スタックピエゾ２１１によってＺ方
向への移動が可能になっており、そのＺ方向の移動がサ
ーボ回路２０９によって制御される。これらＸＹスキャ
ナコントローラ２１０によるＸＹ方向の制御およびサー
ボ回路２０９によるＺ方向の制御は、前述の実施形態で
説明したとおりであるので、ここでは、その詳細な説明
は省略する。
２１３は、ＸＹスキャナコントローラ２１０による制御
によってＸＹ方向の移動が制御される。また、このＸＹ
スキャナ２１３は、スタックピエゾ２１１によってＺ方
向への移動が可能になっており、そのＺ方向の移動がサ
ーボ回路２０９によって制御される。これらＸＹスキャ
ナコントローラ２１０によるＸＹ方向の制御およびサー
ボ回路２０９によるＺ方向の制御は、前述の実施形態で
説明したとおりであるので、ここでは、その詳細な説明
は省略する。
【００３３】復調部は、ＡＭ検出器２０６ａ、２０６ｂ
で構成されている。ＡＭ検出器２０６ａには、Ｉ／Ｖ変
換器２０５ａの出力が入力され、ＡＭ検出器２０６ｂに
は、Ｉ／Ｖ変換器２０５ａの出力が入力される。これら
ＡＭ検出器２０６ａ、２０６ｂによるＡＭ検出では、例
えば、図４に示すように、マルチプローブの各プローブ
をそれぞれの共振点（ｆ1＝１０ＫＨｚ、ｆ2＝３００Ｋ
Ｈｚ）よりΔｆ（Δｆ 1＝２５Ｈｚ、Δｆ2＝７５０Ｈ
ｚ）だけずらした点（ｆ1+Δｆ1、ｆ2+Δｆ2）で加振し
た時のその加振周波数における各プローブの振幅を検出
し、サンプル２１２と各プローブとの物理的相互作用に
よる共振点の変化を、信号の強度変化ΔＡとして検出す
る。上記のようなＡＭ検出を行う場合、各プローブ２０
１ａ、２０１ｂは常に一定の加振周波数（ｆ1+Δｆ1、
ｆ2+Δｆ2）で振動させておく必要がある。本実施例で
は、この加振周波数を決定するため、波形合成部を波形
合成回路２１４、記憶装置２０７と任意波形発生器２０
８から構成している。記憶装置２０７は、Ｉ／Ｖ変換器
２０５ａ、２０５ｂから出力される各プローブ２０１
ａ、２０１ｂの振幅信号から各プローブの共振周波数
を、例えば、ピーク値に基づいて検出し、記憶する。さ
らに前記各プローブの振幅信号のそれぞれを共振周波数
から所定の周波数分だけシフトさせた信号を生成する。
波形合成回路２１４は記憶装置２０７が出力する各プロ
ーブの共振周波数を、それぞれ所定の周波数だけシフト
させた信号を合成演算する。記憶装置２０７は、この演
算結果を記憶する。任意波形発生器２０８は、記憶装置
２０７に記憶されている合成信号に基づき駆動信号を生
成してアクチュエータ２０２に印加する。また、各プロ
ーブの共振周波数を求めるために必要なアクチュエータ
２０２の駆動信号を生成し、アクチュエータ２０２に印
加する。
で構成されている。ＡＭ検出器２０６ａには、Ｉ／Ｖ変
換器２０５ａの出力が入力され、ＡＭ検出器２０６ｂに
は、Ｉ／Ｖ変換器２０５ａの出力が入力される。これら
ＡＭ検出器２０６ａ、２０６ｂによるＡＭ検出では、例
えば、図４に示すように、マルチプローブの各プローブ
をそれぞれの共振点（ｆ1＝１０ＫＨｚ、ｆ2＝３００Ｋ
Ｈｚ）よりΔｆ（Δｆ 1＝２５Ｈｚ、Δｆ2＝７５０Ｈ
ｚ）だけずらした点（ｆ1+Δｆ1、ｆ2+Δｆ2）で加振し
た時のその加振周波数における各プローブの振幅を検出
し、サンプル２１２と各プローブとの物理的相互作用に
よる共振点の変化を、信号の強度変化ΔＡとして検出す
る。上記のようなＡＭ検出を行う場合、各プローブ２０
１ａ、２０１ｂは常に一定の加振周波数（ｆ1+Δｆ1、
ｆ2+Δｆ2）で振動させておく必要がある。本実施例で
は、この加振周波数を決定するため、波形合成部を波形
合成回路２１４、記憶装置２０７と任意波形発生器２０
８から構成している。記憶装置２０７は、Ｉ／Ｖ変換器
２０５ａ、２０５ｂから出力される各プローブ２０１
ａ、２０１ｂの振幅信号から各プローブの共振周波数
を、例えば、ピーク値に基づいて検出し、記憶する。さ
らに前記各プローブの振幅信号のそれぞれを共振周波数
から所定の周波数分だけシフトさせた信号を生成する。
波形合成回路２１４は記憶装置２０７が出力する各プロ
ーブの共振周波数を、それぞれ所定の周波数だけシフト
させた信号を合成演算する。記憶装置２０７は、この演
算結果を記憶する。任意波形発生器２０８は、記憶装置
２０７に記憶されている合成信号に基づき駆動信号を生
成してアクチュエータ２０２に印加する。また、各プロ
ーブの共振周波数を求めるために必要なアクチュエータ
２０２の駆動信号を生成し、アクチュエータ２０２に印
加する。
【００３４】次に、本実施例の非接触型原子間力顕微鏡
の動作を具体的に説明する。
の動作を具体的に説明する。
【００３５】まず、サンプル２１２の観察を行う前に、
プローブ２０１ａ、２０１ｂをサンプル２１２から原子
間力が及ばない領域まで移動する。次に、任意波形発生
器２０８からアクチュエータ２０２に印加される信号の
周波数を、所定の周波数範囲にわたってスイープさせ、
アクチュエータ２０２を振動させて、マルチプローブを
加振させる。プローブ２０１ａ、２０１ｂは、それぞれ
固有の共振周波数を有しているため、アクチュエータ２
０２の振動周波数が各プローブの共振周波数と一致した
ところで最大の振れ幅を示す。記憶装置２０７は、各プ
ローブ２０１ａ、２０１ｂについて、それぞれ最大の振
れ幅を示した周波数（共振周波数）を検出し、記憶す
る。
プローブ２０１ａ、２０１ｂをサンプル２１２から原子
間力が及ばない領域まで移動する。次に、任意波形発生
器２０８からアクチュエータ２０２に印加される信号の
周波数を、所定の周波数範囲にわたってスイープさせ、
アクチュエータ２０２を振動させて、マルチプローブを
加振させる。プローブ２０１ａ、２０１ｂは、それぞれ
固有の共振周波数を有しているため、アクチュエータ２
０２の振動周波数が各プローブの共振周波数と一致した
ところで最大の振れ幅を示す。記憶装置２０７は、各プ
ローブ２０１ａ、２０１ｂについて、それぞれ最大の振
れ幅を示した周波数（共振周波数）を検出し、記憶す
る。
【００３６】任意波形発生器２０８の周波数スイープが
終了すると、次いで、記憶装置２０７は記憶された各プ
ローブ２０１ａ、２０１ｂの共振周波数ｆ（ｆ1、ｆ2）
を所定の周波数Δf（Δｆ1＝２５Ｈｚ、Δｆ2＝７５０
Ｈｚ）だけシフトした信号波形を出力する。波形合成回
路２１４では、これらのシフトした周波数（ｆ1+Δ
ｆ 1、ｆ2+Δｆ2）を有する信号波形を、必要があればＩ
/Ｖ変換器２０５ａ、２０５ｂの出力を参照して合成
し、観察時にアクチュエータ２０２を駆動するための信
号を生成する。
終了すると、次いで、記憶装置２０７は記憶された各プ
ローブ２０１ａ、２０１ｂの共振周波数ｆ（ｆ1、ｆ2）
を所定の周波数Δf（Δｆ1＝２５Ｈｚ、Δｆ2＝７５０
Ｈｚ）だけシフトした信号波形を出力する。波形合成回
路２１４では、これらのシフトした周波数（ｆ1+Δ
ｆ 1、ｆ2+Δｆ2）を有する信号波形を、必要があればＩ
/Ｖ変換器２０５ａ、２０５ｂの出力を参照して合成
し、観察時にアクチュエータ２０２を駆動するための信
号を生成する。
【００３７】観察時には、記憶装置２０７に記憶された
合成波形（ｆ1＋Δｆ1、ｆ2＋Δｆ2の周波数成分を含
む）に基づいて、マルチプローブのプローブ２０１ａは
（ｆ1＋Δｆ1）の周波数で常に加振され、プローブ２０
１ｂは（ｆ2＋Δｆ2）の周波数で常に加振される。この
加振状態で、マルチプローブをサンプル２１２の表面に
近接させ、サンプル２１２の表面に対して走査し、その
表面の凹凸に応じた以下のようなプローブの振幅の変化
を検出する。
合成波形（ｆ1＋Δｆ1、ｆ2＋Δｆ2の周波数成分を含
む）に基づいて、マルチプローブのプローブ２０１ａは
（ｆ1＋Δｆ1）の周波数で常に加振され、プローブ２０
１ｂは（ｆ2＋Δｆ2）の周波数で常に加振される。この
加振状態で、マルチプローブをサンプル２１２の表面に
近接させ、サンプル２１２の表面に対して走査し、その
表面の凹凸に応じた以下のようなプローブの振幅の変化
を検出する。
【００３８】プローブ２０１ａがサンプルの凸部にくる
と（サンプル表面に接近すると）、プローブ２０１ａの
共振周波数は低くなる方向にシフトし、そのプローブの
振幅が小さくなる。他方、プローブ２０１ａがサンプル
の凹部にくる（サンプル表面から離れる）と、プローブ
２０１ａの共振周波数がより高くなる方向にシフトし、
そのプローブの振幅は大きくなる。このようにして、プ
ローブの共振周波数の変化を、信号強度の変化として検
出することで、サンプル表面の凹凸を観察することがで
きる。
と（サンプル表面に接近すると）、プローブ２０１ａの
共振周波数は低くなる方向にシフトし、そのプローブの
振幅が小さくなる。他方、プローブ２０１ａがサンプル
の凹部にくる（サンプル表面から離れる）と、プローブ
２０１ａの共振周波数がより高くなる方向にシフトし、
そのプローブの振幅は大きくなる。このようにして、プ
ローブの共振周波数の変化を、信号強度の変化として検
出することで、サンプル表面の凹凸を観察することがで
きる。
【００３９】本実施例の非接触型原子間力顕微鏡によれ
ば、各プローブ２０１ａ、２０１ｂともに、およそ１０
ｎｍの解像度でサンプル表面の凹凸を観察することがで
きる。
ば、各プローブ２０１ａ、２０１ｂともに、およそ１０
ｎｍの解像度でサンプル表面の凹凸を観察することがで
きる。
【００４０】なお、観察時、波形合成回路２１４の演算
結果を一旦記憶装置２０７に記憶させ、この記憶装置２
０７から合成波形を出力し、任意波形発生器２０８に入
力したが、波形合成回路２１４から直接任意波形発生器
２０８に合成波形を入力し、アクチュエータ２０２を駆
動してもよい。
結果を一旦記憶装置２０７に記憶させ、この記憶装置２
０７から合成波形を出力し、任意波形発生器２０８に入
力したが、波形合成回路２１４から直接任意波形発生器
２０８に合成波形を入力し、アクチュエータ２０２を駆
動してもよい。
【００４１】（実施例２：ＦＭ検出）図３は、本発明の
第２の実施例である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成
を示すブロック図である。
第２の実施例である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成
を示すブロック図である。
【００４２】この非接触型原子間力顕微鏡では、圧電セ
ラミックスよりなるアクチュエータ３０２が使用され、
プローブ３０１ａ、３０１ｂからなるカンチレバー型の
マルチプローブが使用される。各プローブ３０１ａ、３
０１ｂは、振動系の鋭さを表わすＱ値がいずれも大気中
で４００で、共振周波数はそれぞれ１０ＫＨｚ、３００
ＫＨｚである。変位検出部は、光てこ方式のものであっ
て、各プローブ３０１ａ、３０１ｂ毎に設けられてい
る。その構成は、レーザダイオード３０３ａ、３０３
ｂ、４分割フォトダイオード３０４ａ、３０４ｂ、Ｉ／
Ｖ変換器３０５ａ、３０５ｂからなる。サンプル３１２
が載置されるＸＹスキャナ３１３は、ＸＹスキャナコン
トローラ３１０による制御によってＸＹ方向の移動が制
御される。また、このＸＹスキャナ３１３は、スタック
ピエゾ３１１によってＺ方向への移動が可能になってお
り、そのＺ方向の移動がサーボ回路３０９によって制御
される。以上の構成は、上述した第１の実施例とほぼ同
様である。
ラミックスよりなるアクチュエータ３０２が使用され、
プローブ３０１ａ、３０１ｂからなるカンチレバー型の
マルチプローブが使用される。各プローブ３０１ａ、３
０１ｂは、振動系の鋭さを表わすＱ値がいずれも大気中
で４００で、共振周波数はそれぞれ１０ＫＨｚ、３００
ＫＨｚである。変位検出部は、光てこ方式のものであっ
て、各プローブ３０１ａ、３０１ｂ毎に設けられてい
る。その構成は、レーザダイオード３０３ａ、３０３
ｂ、４分割フォトダイオード３０４ａ、３０４ｂ、Ｉ／
Ｖ変換器３０５ａ、３０５ｂからなる。サンプル３１２
が載置されるＸＹスキャナ３１３は、ＸＹスキャナコン
トローラ３１０による制御によってＸＹ方向の移動が制
御される。また、このＸＹスキャナ３１３は、スタック
ピエゾ３１１によってＺ方向への移動が可能になってお
り、そのＺ方向の移動がサーボ回路３０９によって制御
される。以上の構成は、上述した第１の実施例とほぼ同
様である。
【００４３】本実施例では、各Ｉ／Ｖ変換器３０５ａ、
３０５ｂが、それぞれバンドパスフィルタを備えてい
る。Ｉ／Ｖ変換器３０５ａのバンドパスフィルタの中心
周波数は、プローブ３０１ａの共振周波数付近に設定さ
れており、Ｉ／Ｖ変換器３０５ｂのバンドパスフィルタ
の中心周波数は、プローブ３０１ｂの共振周波数付近に
設定されている。
３０５ｂが、それぞれバンドパスフィルタを備えてい
る。Ｉ／Ｖ変換器３０５ａのバンドパスフィルタの中心
周波数は、プローブ３０１ａの共振周波数付近に設定さ
れており、Ｉ／Ｖ変換器３０５ｂのバンドパスフィルタ
の中心周波数は、プローブ３０１ｂの共振周波数付近に
設定されている。
【００４４】復調部は、ＦＭ検出器３０８ａ、３０８ｂ
で構成されている。ＦＭ検出器３０８ａには、Ｉ／Ｖ変
換器３０５ａの出力信号が入力され、ＦＭ検出器３０８
ｂには、Ｉ／Ｖ変換器３０５ａの出力信号が入力されて
いる。これらＦＭ検出器３０８ａ、３０８ｂによるＦＭ
検出では、例えば、図５に示すように、各プローブ３０
１ａ、３０１ｂの共振点（ｆ1、ｆ2）からサンプル３１
２と各プローブ３０１ａ、３０１ｂとの物理的相互作用
による共振点のずれをΔfとして検出する。この図５に
示す例は、各プローブ３０１ａ、３０１ｂがともにサン
プル表面から近づく方向に移動した場合の共振周波数の
ずれを示したものである。
で構成されている。ＦＭ検出器３０８ａには、Ｉ／Ｖ変
換器３０５ａの出力信号が入力され、ＦＭ検出器３０８
ｂには、Ｉ／Ｖ変換器３０５ａの出力信号が入力されて
いる。これらＦＭ検出器３０８ａ、３０８ｂによるＦＭ
検出では、例えば、図５に示すように、各プローブ３０
１ａ、３０１ｂの共振点（ｆ1、ｆ2）からサンプル３１
２と各プローブ３０１ａ、３０１ｂとの物理的相互作用
による共振点のずれをΔfとして検出する。この図５に
示す例は、各プローブ３０１ａ、３０１ｂがともにサン
プル表面から近づく方向に移動した場合の共振周波数の
ずれを示したものである。
【００４５】波形合成部は、オートゲインコントローラ
３０６ａ、３０６ｂと、位相シフタ３１４ａ、３１４ｂ
と波形合成回路３０７とからなる。ゲインコントローラ
３０６ａ、３０６ｂは、それぞれＩ／Ｖ変換器３０５
ａ、３０５ｂの出力ラインに設けられており、各Ｉ／Ｖ
変換器の出力波形の振幅が常に一定となるようにゲイン
の自動調整を行う。波形合成回路３０７は、各ゲインコ
ントローラ３０６ａ、３０６ｂの出力波形を合成してア
クチュエータ３０２を駆動する駆動信号を出力する。位
相シフタ３１４ａ、３１４ｂは、各プローブ３０１ａ、
３０１ｂがサンプル表面との距離に応じてシフトした共
振周波数での振動を維持するように、各Ｉ/Ｖ変換器の
出力の位相を調整し、フィードフォワード制御を行う。
このような構成をとることで、各プローブ３０１ａ、３
０１ｂは、アクチュエータ３０２によって、サンプル表
面との距離に応じてシフトした共振周波数で常に加振さ
れることとなり、これにより、見かけ上、プローブの感
度が向上し、高感度な共振周波数の変化の検出を行うこ
とができる。
３０６ａ、３０６ｂと、位相シフタ３１４ａ、３１４ｂ
と波形合成回路３０７とからなる。ゲインコントローラ
３０６ａ、３０６ｂは、それぞれＩ／Ｖ変換器３０５
ａ、３０５ｂの出力ラインに設けられており、各Ｉ／Ｖ
変換器の出力波形の振幅が常に一定となるようにゲイン
の自動調整を行う。波形合成回路３０７は、各ゲインコ
ントローラ３０６ａ、３０６ｂの出力波形を合成してア
クチュエータ３０２を駆動する駆動信号を出力する。位
相シフタ３１４ａ、３１４ｂは、各プローブ３０１ａ、
３０１ｂがサンプル表面との距離に応じてシフトした共
振周波数での振動を維持するように、各Ｉ/Ｖ変換器の
出力の位相を調整し、フィードフォワード制御を行う。
このような構成をとることで、各プローブ３０１ａ、３
０１ｂは、アクチュエータ３０２によって、サンプル表
面との距離に応じてシフトした共振周波数で常に加振さ
れることとなり、これにより、見かけ上、プローブの感
度が向上し、高感度な共振周波数の変化の検出を行うこ
とができる。
【００４６】本実施例では、プローブ３０１ａがサンプ
ルの凸部にくると（サンプル表面に接近すると）、共振
周波数がｆ1より低くなる方向にシフトし、アクチュエ
ータ３０２はこのシフトした周波数でプローブ３０１ａ
を加振する。このように、プローブ３０１ａはサンプル
表面の凹凸によって共振周波数がシフトすると、そのシ
フトした共振周波数で加振される。サンプル表面の凹凸
の観察は、予め基準となる位置（プローブとサンプル表
面との距離が予め分かっている位置）でのプローブ３０
１ａの共振周波数ｆ1と、シフトした共振周波数との差
（シフト量）を求めることで、行うことができる。
ルの凸部にくると（サンプル表面に接近すると）、共振
周波数がｆ1より低くなる方向にシフトし、アクチュエ
ータ３０２はこのシフトした周波数でプローブ３０１ａ
を加振する。このように、プローブ３０１ａはサンプル
表面の凹凸によって共振周波数がシフトすると、そのシ
フトした共振周波数で加振される。サンプル表面の凹凸
の観察は、予め基準となる位置（プローブとサンプル表
面との距離が予め分かっている位置）でのプローブ３０
１ａの共振周波数ｆ1と、シフトした共振周波数との差
（シフト量）を求めることで、行うことができる。
【００４７】本実施例の非接触型原子間力顕微鏡によれ
ば、各プローブ３０１ａ、３０１ｂともに、およそ１０
ｎｍの解像度でサンプル表面の凹凸を観察することがで
きる。
ば、各プローブ３０１ａ、３０１ｂともに、およそ１０
ｎｍの解像度でサンプル表面の凹凸を観察することがで
きる。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
マルチプローブを用いたｎｃＡＦＭにおいて、すべての
プローブを共振点、もしくは共振点近傍で加振すること
ができるので、高感度な観察が可能となる。同時に、各
プローブ間の感度のばらつきを抑えられるので、観察像
の解像度のばらつきも抑えられ、よりサンプルの表面形
状を反映した良好な観察像を広範囲に得ることが可能に
なる。
マルチプローブを用いたｎｃＡＦＭにおいて、すべての
プローブを共振点、もしくは共振点近傍で加振すること
ができるので、高感度な観察が可能となる。同時に、各
プローブ間の感度のばらつきを抑えられるので、観察像
の解像度のばらつきも抑えられ、よりサンプルの表面形
状を反映した良好な観察像を広範囲に得ることが可能に
なる。
【００４９】また、本発明によれば、各プローブの共振
点の合わせこみを測定者が行う必要もないため、作業効
率が上がるという効果がある。
点の合わせこみを測定者が行う必要もないため、作業効
率が上がるという効果がある。
【００５０】さらに、本発明によれば、マルチプローブ
を加振するアクチュエータは１つでよいので、小型化、
低コスト化を図ることができる。
を加振するアクチュエータは１つでよいので、小型化、
低コスト化を図ることができる。
【図１】本発明の一実施形態である非接触型原子間力顕
微鏡の概略構成図を示すブロック図である。
微鏡の概略構成図を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例である非接触型原子間力
顕微鏡の概略構成図を示すプロック図である。
顕微鏡の概略構成図を示すプロック図である。
【図３】本発明の第２の実施例である非接触型原子間力
顕微鏡の概略構成図を示すブロック図である。
顕微鏡の概略構成図を示すブロック図である。
【図４】図２に示す非接触型原子間力顕微鏡における各
プローブの共振周波数とプローブの振動変位を示す図で
ある。
プローブの共振周波数とプローブの振動変位を示す図で
ある。
【図５】図３に示す非接触型原子間力顕微鏡における各
プローブの共振周波数のずれを模式的に示す図である。
プローブの共振周波数のずれを模式的に示す図である。
【図６】ＡＦＭ観察の原理を説明するための原理説明図
である。
である。
【符号の説明】 １０１ マルチプローブ １０２、２０２、３０２ アクチュエータ １０３ 変位検出部 １０４ 波形合成部 １０５ 復調部 １０６、２０９、３０９ サーボ回路 １０７、２１２、３１２、６０３ サンプル １０８ スキャナ １０９、２１０、３１０ ＸＹスキャナコントローラ １１０、２１１、３１１ スタックピエゾ ２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ、３０１ｂ、６０１ プ
ローブ ２１３、３１３ ＸＹスキャナ ２０３ａ、２０３ｂ、３０３ａ、３０３ｂ レーザダイ
オード ２０４ａ、２０４ｂ、３０４ａ、３０４ｂ ４分割フォ
トダイオード ２０５ａ、２０５ｂ、３０５ａ、３０５ｂ Ｉ／Ｖ変換
器 ２０６ａ、２０６ｂ ＡＭ検出器 ２０７ 記憶装置 ２０８ 任意波形発生器 ２１４、３０７ 波形合成回路 ３０６ａ、３０６ｂ ゲインコントローラ ３０８ａ、３０８ｂ ＦＭ検出器 ３１４ａ、３１４ｂ 位相シフタ ６０２ 支点
ローブ ２１３、３１３ ＸＹスキャナ ２０３ａ、２０３ｂ、３０３ａ、３０３ｂ レーザダイ
オード ２０４ａ、２０４ｂ、３０４ａ、３０４ｂ ４分割フォ
トダイオード ２０５ａ、２０５ｂ、３０５ａ、３０５ｂ Ｉ／Ｖ変換
器 ２０６ａ、２０６ｂ ＡＭ検出器 ２０７ 記憶装置 ２０８ 任意波形発生器 ２１４、３０７ 波形合成回路 ３０６ａ、３０６ｂ ゲインコントローラ ３０８ａ、３０８ｂ ＦＭ検出器 ３１４ａ、３１４ｂ 位相シフタ ６０２ 支点
Claims (8)
- 【請求項１】 共振周波数の異なる複数のプローブと、 前記複数のプローブを同時に加振するアクチュエータ
と、 前記複数のプローブそれぞれの共振周波数成分を含む前
記アクチュエータの駆動信号を生成する駆動信号生成回
路とを有することを特徴とする非接触型原子間力顕微
鏡。 - 【請求項２】 前記複数のプローブの変位を検出する変
位検出器をさらに有し、 前記駆動信号生成回路は、前記変位検出器から出力され
る各プローブ毎の出力信号に基づいて前記駆動信号を生
成することを特徴とする請求項１に記載の非接触型原子
間力顕微鏡。 - 【請求項３】 前記駆動信号生成回路は、 前記変位検出器から出力される各プローブ毎の出力信号
の波形を所定の周波数分シフトさせ、さらにそれらの波
形を合成した合成波形を生成する波形合成回路と、 前記合成波形を格納する記憶手段と、 前記記憶手段に格納された合成波形に基づいて前記アク
チュエータに印加する駆動信号を生成する任意波形発生
手段とを有することを特徴とする請求項２に記載の非接
触型原子間力顕微鏡。 - 【請求項４】 前記駆動信号生成回路は、 前記変位検出器から出力される各プローブ毎の出力信号
の振幅値を一定に保つゲインコントローラと、 前記ゲインコントローラにてゲイン調整された各プロー
ブの出力信号の位相を調整する位相シフト回路と、 前記位相調整された各プローブの出力信号を合成し前記
アクチュエータに印加する駆動信号を生成する波形合成
回路とを有することを特徴とする請求項２に記載の非接
触型原子間力顕微鏡。 - 【請求項５】 共振周波数の異なる複数のプローブを用
いてサンプルの表面形状を観察する観察方法において、 前記複数のプローブを共通のアクチュエータにより同時
に加振するステップと、 前記複数のプローブそれぞれの共振周波数成分を含む駆
動信号で前記アクチュエータを駆動するステップと、 前記複数のプローブの変位を検出し、該検出結果を示す
出力信号を発生するステップと、 前記出力信号に基づいて前記表面形状を示す信号を生成
するステップとを含む観察方法。 - 【請求項６】 前記表面形状を示す信号は、前記出力信
号の振幅変動に基づいて生成されることを特徴とする請
求項５に記載の観察方法。 - 【請求項７】 前記表面形状を示す信号は、前記出力信
号の共振周波数の変動に基づいて生成されることを特徴
とする請求項５に記載の観察方法。 - 【請求項８】 前記駆動信号は、前記出力信号の、各プ
ローブの変位を示す信号を合成した信号より生成される
ことを特徴とする請求項５に記載の観察方法。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2001347392A JP3817466B2 (ja) | 2000-11-29 | 2001-11-13 | 非接触型原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法 |
| US09/993,671 US6684686B2 (en) | 2000-11-29 | 2001-11-27 | Non-contact type atomic microscope and observation method using it |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000362702 | 2000-11-29 | ||
| JP2000-362702 | 2000-11-29 | ||
| JP2001347392A JP3817466B2 (ja) | 2000-11-29 | 2001-11-13 | 非接触型原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002228572A true JP2002228572A (ja) | 2002-08-14 |
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ID=26604801
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001347392A Expired - Fee Related JP3817466B2 (ja) | 2000-11-29 | 2001-11-13 | 非接触型原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法 |
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| JP (1) | JP3817466B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2007333432A (ja) * | 2006-06-12 | 2007-12-27 | Research Institute Of Biomolecule Metrology Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及び検査方法 |
| JPWO2008069247A1 (ja) * | 2006-12-05 | 2010-03-25 | 国立大学法人群馬大学 | 質量測定装置及びカンチレバ |
| WO2016129791A1 (ko) * | 2015-02-11 | 2016-08-18 | 한국과학기술원 | 독립 나노 구조체의 3차원 구조에 대한 afm 정밀 측정 방법 및 복수의 afm 탐침을 가지는 나노 구조체 스캔장치와 이를 이용한 스캔 방법 |
| US9581617B2 (en) | 2015-02-11 | 2017-02-28 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Apparatus for scanning nano structure with plural AFM probes and method thereof |
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| US7440117B2 (en) * | 2002-03-29 | 2008-10-21 | Georgia Tech Research Corp. | Highly-sensitive displacement-measuring optical device |
| US7518737B2 (en) * | 2002-03-29 | 2009-04-14 | Georgia Tech Research Corp. | Displacement-measuring optical device with orifice |
| US7116430B2 (en) * | 2002-03-29 | 2006-10-03 | Georgia Technology Research Corporation | Highly-sensitive displacement-measuring optical device |
| WO2004031820A1 (en) * | 2002-10-01 | 2004-04-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical deflector based on photonic bandgap structure |
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| ITTO20060879A1 (it) * | 2006-12-12 | 2008-06-13 | Pontarolo Engineering Spa | Unita' per la costruzione di solette a cialda. |
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| WO2014144018A2 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Bruker Nano, Inc. | Dual-probe scanning probe microscope |
| JP6412654B2 (ja) * | 2015-07-29 | 2018-10-24 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 動的な応答解析プローバ装置 |
| KR20220168613A (ko) * | 2021-06-16 | 2022-12-26 | 삼성전자주식회사 | 검사 장치 및 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5440121A (en) * | 1993-12-28 | 1995-08-08 | Seiko Instruments Inc. | Scanning probe microscope |
| JP3229914B2 (ja) * | 1994-12-12 | 2001-11-19 | 日本電子株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP3175913B2 (ja) * | 1995-12-08 | 2001-06-11 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | プローブ顕微鏡の制御方法 |
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| US5907096A (en) * | 1997-06-02 | 1999-05-25 | International Business Machines Corporation | Detecting fields with a two-pass, dual-amplitude-mode scanning force microscope |
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| JPH11160333A (ja) * | 1997-11-25 | 1999-06-18 | Jeol Ltd | 走査プローブ顕微鏡 |
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-
2001
- 2001-11-13 JP JP2001347392A patent/JP3817466B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2001-11-27 US US09/993,671 patent/US6684686B2/en not_active Expired - Fee Related
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