JP2008032405A - 非接触原子間力顕微鏡及び非接触原子間力顕微鏡の動作プログラム - Google Patents
非接触原子間力顕微鏡及び非接触原子間力顕微鏡の動作プログラム Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】カンチレバ7の背面に光を照射し、その照射光を受信して電気信号に変換し、該電気信号に変換された信号に所定の処理を行なって共鳴周波数を得、該共鳴周波数の位相を変化させてその位相変化量に応じた信号で前記カンチレバを駆動して正帰還ループを形成するループ回路と、前記ループ回路の出力を受け、FM復調検出幅とFM復調中心周波数を可変できるPLL方式のFM復調回路20と、該FM復調回路20によって得られる復調信号により、その復調信号が一定となるように前記カンチレバの探針と試料間の距離を制御するZ軸フィードバック制御手段30とを具備して構成される。
【選択図】図1
Description
1)走査時にFM復調検出幅fFMが周波数シフト量を超えてしまう問題
試料の凹凸の差が大きい試料の試料面を走査する場合、試料の凹凸の差が大きいため、アプローチ時の周波数シフト量Δftよりも、走査時の周波数シフト量Δfが大きくなってしまい、FM復調検出幅fFMを超えてしまう場合がある。このような場合、FM復調回路の出力は飽和してしまい、正常な出力を得られず、Zフィードバック系の制御が不安定になる原因になり、観察の失敗や、探針を試料にぶつけてしまう等の問題がある。
2)アプローチができなくなってしまう問題
試料の凹凸の差が大きい試料の試料面を走査する場合、前記1)の問題を回避するために、FM復調検出幅fFMを大きく設定してアプローチする。そうすると、FM復調回路の出力信号Δf/fFMが小さくなるために、信号のS/Nの劣化、分解能の低下が起き、指定した周波数シフト量Δftでの正確なアプローチが困難になり、小さい周波数シフト量でのアプローチができない、アプローチ時に探針を試料にぶつけてしまう等の問題がある。
3)高分解能での試料観察ができなくなってしまう問題
試料の凹凸の差が小さい試料や、試料の狭い領域(原子領域)を走査する場合、試料の凹凸の差が小さいため、アプローチ時の周波数シフト量Δftよりも走査時の周波数シフト量Δfが小さくなる場合がある。このような場合、走査時のFM復調信号の出力信号Δf/fFMが小さくなってしまう。それによって、FM復調信号の分解能低下、FM復調信号のS/Nの劣化によって、高分解能での試料観察が困難になってしまうという問題がある。
4)アプローチができなくなってしまう問題
試料の凹凸の差が小さい試料の試料面を走査する場合、前記3)の問題があるために、FM復調検出幅fFMを小さく設定して高分解能で試料観察しようとすると、アプローチ時のΔftも小さく設定しなければならなくなってしまう。このような場合、探針と試料間に働く相互作用がしっかりと働く距離までアプローチできなくなってしまい、高分解能での観察ができないという問題がある。
(2)請求項2記載の発明は、アプローチ(カンチレバの探針を試料表面に近づける)の場合と、アプローチ後の試料表面とカンチレバの探針間の距離が一定になるように試料表面上を走査する場合とで、FM復調検出幅を各々に設定できるようにしたことを特徴とする。
(3)請求項3記載の発明は、カンチレバの背面に光を照射し、その照射光を受信して電気信号に変換し、該電気信号に変換された信号に所定の処理を行なって共鳴周波数を得、該共鳴周波数の位相を変化させてその位相変化量に応じた信号で前記カンチレバを駆動して正帰還ループを形成する工程と、前記ループの出力を受け、FM復調検出幅とFM復調中心周波数を可変できるPLL方式を用いたFM復調工程と、該FM復調工程によって得られる復調信号により、その復調信号が一定となるように探針と試料間の距離を制御するZ軸フィードバック工程と、該Z軸フィードバック工程をオン/オフすることにより、オン時には試料表面を走査する際、試料と探針間の距離が一定になるようにZ軸を制御し、オフ時にはZ軸を任意の位置に固定しておくようにする工程とをコンピュータで実行することを特徴とする。
(2)請求項2記載の発明によれば、アプローチ時と、アプローチ後のカンチレバと試料表面間の距離が一定になるように試料表面を走査する場合とで、FM復調検出幅を各々に設定することで、どのような試料に対しても安定した試料表面観察を行なうことができる。
(3)請求項3記載の発明によれば、どのような試料においても、適した分解能で安定にアプローチ及び試料表面観察をすることができるNC−AFMを提供することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図1は本発明の一実施の形態例を示す構成図であり、例えばNC−AFMの構成を示している。図6と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、1は試料、2は該試料1をZ軸方向にスキャンするZスキャナ、3は試料1をX,Y軸方向にスキャンするXYスキャナである。4はZスキャナ2を駆動するZ駆動回路、5はXYスキャナ3を2次元方向に走査するための走査回路である。
この時のカンチレバ7の共振周波数fqはfq=fq−Δft=99.9kHzになっている。例えば、この状態でカンチレバ7の共振周波数のシフト量が最大500Hz(凹凸のはげしい試料の場合)になるような試料を観察すると、カンチレバ7の共振周波数は最大で99.4kHzまで変化することになり、周波数シフト量がFM復調検出幅を超えてしまう。即ち、Δfmax/fFMa=2.5となる。
(実施の形態2)
実施の形態2の装置の構成は図1と同じである。1は試料、2はZスキャナ、3はXYスキャナ、4はZ駆動回路、5は走査回、6は探針、7はカンチレバ、8はレーザーダイオード、9は4分割フォトダイオード、10はプリアンプ、11は変位検出回路、12はBPF、13は位相器、14は振幅調整器、15は圧電素子、30はZフィードバック制御回路、18はコンピュータ、20はFM復調回路である。
FM復調回路20の出力とリファレンスとが等しくなると、アプローチを止める。この時、カンチレバ7の共振周波数はfq=fq−Δft=99.9kHzになっている。
以上、説明したように、本発明によれば以下の効果が得られる。
1)アプローチ時と走査時によってFM復調回路のパラメータを変えることができるようになることで、走査中の周波数シフトが大きくなってしまうような凹凸の大きな試料に対して、適当な分解能で試料へ探針をアプローチできるため、正確なアプローチが可能となる。
2)アプローチ時と走査時によってFM復調回路のパラメータを変えることができるようになることで、走査中の周波数シフトが大きくなってしまうような凹凸の大きな試料に対して、適当な分解能て試料表面上を走査できるため、FM復調回路のPLLのロック外れが無くなり、安定したZフィードバック制御によって試料表面を走査でき、きれいな観察画像を得ることができる。
3)アプローチ時と走査時によってFM復調回路のパラメータを変えることができるようになることで、走査中の周波数シフトが非常に小さいような平らな試料に対して、適当な分解能で試料へ探針をアプローチできるため、正確なアプローチが可能となる。
4)アプローチ時と走査時によってFM復調回路のパラメータを変えることができるようになることで、走査中の周波数シフトが非常に小さいような平らな試料に対して、適当な分解能で試料表面を走査できるため、高分解能での試料表面観察を可能にし、きれいな観察画像を得ることができる。
2 Zスキャナ
3 XYスキャナ
4 Z駆動回路
5 走査回路
6 探針
7 カンチレバ
8 レーザーダイオード
9 4分割フォトダイオード
10 プリアンプ
11 変位検出回路
12 BPF
13 位相器
14 振幅調整器
15 圧電素子
18 コンピュータ
20 FM復調回路
30 Zフィードバック制御回路
Claims (3)
- カンチレバの背面に光を照射し、その照射光を受信して電気信号に変換し、該電気信号に変換された信号に所定の処理を行なって共鳴周波数を得、該共鳴周波数の位相を変化させてその位相変化量に応じた信号で前記カンチレバを駆動して正帰還ループを形成するループ回路と、
該ループ回路の出力を受け、FM復調検出幅とFM復調中心周波数を可変できるPLL方式のFM復調回路と、
該FM復調回路によって得られる復調信号により、その復調信号が一定となるように前記カンチレバの探針と試料間の距離を制御するZ軸フィードバック制御手段と、
を有し、該Z軸フィードバック制御手段をオン/オフする場合において、オン時には試料表面を走査する際、試料と探針間の距離が一定になるようにZ軸を制御し、オフ時にはZ軸を任意の位置に固定しておくことができる、
ように構成されたことを特徴とする非接触原子間力顕微鏡。 - アプローチ(カンチレバの探針を試料表面に近づける)の場合と、アプローチ後の試料表面とカンチレバの探針間の距離が一定になるように試料表面上を走査する場合とで、FM復調検出幅を各々に設定できるようにしたことを特徴とする請求項1記載の非接触原子間力顕微鏡。
- カンチレバの背面に光を照射し、その照射光を受信して電気信号に変換し、該電気信号に変換された信号に所定の処理を行なって共鳴周波数を得、該共鳴周波数の位相を変化させてその位相変化量に応じた信号で前記カンチレバを駆動して正帰還ループを形成する工程と、
該ループ工程の出力を受け、FM復調検出幅とFM復調中心周波数を可変できるPLL方式を用いたFM復調工程と、
該FM復調工程によって得られる復調信号により、その復調信号が一定となるように探針と試料間の距離を制御するZ軸フィードバック工程と、
該Z軸フィードバック工程をオン/オフすることにより、オン時には試料表面を走査する際、試料と探針間の距離が一定になるようにZ軸を制御し、オフ時にはZ軸を任意の位置に固定しておくようにする工程
とをコンピュータで実行することを特徴とする非接触原子間力顕微鏡の動作プログラム。
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