JP2009030979A - カンチレバのｑ値制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はカンチレバのＱ値制御方法及び装置に関し、手動調整をなくし、より簡便に目標Ｑ値に到達することができるカンチレバのＱ値制御方法及び装置を提供することを目的としている。
【解決手段】 カンチレバ３を振動素子４で振動させ、ＡＦＭフィードバックを行なうダイナミックフォースＡＦＭのカンチレバのＱ値制御装置において、カンチレバ３を振動させるためのドライブ回路９にカンチレバ３の共振周波数付近の周波数信号を正帰還させるループ回路を組み込み、本来のカンチレバ３のＱ値をＱ_org、本来のカンチレバの振動振幅をＶ_{rms_org}、現在のＱ値をＱ_eff、現在のカンチレバ振動振幅をＶ_{rms_eff}、比例定数をｋとして、
（Ｑ_eff／Ｑ_org）＝ｋ（Ｖ_{rms_eff}／Ｖ_{rms_org}）
なる関係式を用いて目標Ｑ値に到達できるように制御する手段を設けて構成される。
【選択図】図２

Description

本発明はカンチレバをピエゾ素子等を用いて振動させて、ＡＦＭフィードバックを行なうダイナミックフォースＡＦＭにおけるカンチレバのＱ値制御方法及び装置に関する。ここで、ＡＦＭは原子間力顕微鏡のことである。

カンチレバのＱ値とは発振のしやすさを示す指標であり、カンチレバの素材、形状によって一義的に決まるものである。図４はカンチレバの制御系を示す図である。図において、１はカンチレバ３の背面に光を照射するレーザダイオード（ＬＤ）、３はカンチレバ、４は該カンチレバ３を振動させるピエゾ素子である。２はカンチレバ３からの反射光を受けて電気信号に変換するフォトディテクタ（ＰＤ）である。

６は前記フォトディテクタ２の出力を受けてＲＭＳ値に変換するＲＭＳアンプ、７は該ＲＭＳアンプ６の出力を受けるフィードバック回路、８は該フィードバック回路７の出力を受けて位相を０°から３６０°まで変化させる位相シフタである。５は基準信号を発生する基準信号発生器、５ａは該基準信号発生器５の出力と位相シフタ８の出力を加算する加算器、９は該加算器５ａの出力に基づいてピエゾ素子４を駆動するドライブ回路である。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。

カンチレバ３を振動させるための振動信号回路にカンチレバ３の共振周波数付近の周波数信号を正帰還させるループ回路を組み込むことで、電気的にカンチレバ３のＱ値を増減させることが可能である。通常のダイナミックフォースＡＦＭで用いられるカンチレバ振動回路では、光てこ検出のためのレーザダイオード１から照射されたレーザ光は、カンチレバ３の背面にて反射され、フォトディテクタ２に入射する。

この時、カンチレバ基部に取り付けられたピエゾ素子４は、基準信号発生器５からの振幅Ｖｏ、周波数ｆｏの信号で微小振動されているため、カンチレバ先端は、ピエゾ素子４によって振動励起されており、フォトディテクタ２への入射位置は、周波数ｆで上下に変化する。そのため、フォトディテクタ２からＲＭＳアンプ６に入力される信号は、振幅Ｖ（ｔ）で変化する交流信号となり、ＲＭＳアンプ６は、この交流信号の振幅値をＲＭＳ値（実効値）変換し、Ｖ_rmsとして出力する。

一方、Ｑ値制御回路は、フィードバックアンプ７、位相シフタ８及びドライブアンプ９により構成されており、ＲＭＳアンプ６からの出力信号を、カンチレバ加振系に正帰還させている。ＲＭＳアンプ６からの信号は、フィードバックアンプ７で増幅され、位相シフタ８で位相調整された後に、基準信号発生器５からの加振源信号と加算器５ａで加算され、最終的にドライブアンプ９で増幅されてカンチレバ３を振動させるピエゾ素子４に入力され、正帰還ループが形成される。

この時、位相シフタ８を全域（０°〜３６０°）で変化させた場合、ＲＭＳアンプ６から出力される振動振幅Ｖｒｍｓは、図５で示すように変化する。図５はＲＭＳアンプから出力される振動振幅の変化を示す図である。横軸は位相シフト量、縦軸はＲＭＳアンプ６の出力である。図５の（１）での位相ＰＨＡ_maxは正帰還信号と基準信号発生器５からの源信号との位相が完全に一致する位相であり、カンチレバ振動周波数ｆ付近の周波数成分のみが正帰還ループによって増強されることにより、カンチレバのＱ値が増大する（カンチレバ振動の周波数ピーク幅が鮮鋭になる）。

また、（２）での位相ＰＨＡｍｉｎは正帰還信号と基準信号発生器５からの源信号の位相が逆位相となる位相であり、カンチレバ振動周波数ｆ付近の周波数成分のみが正帰還ループによって減衰されることになり、他の振動モードが優位となってカンチレバのＱ値が減少する（カンチレバ信号の周波数ピーク幅が鈍化する）。これが、Ｑ値制御回路の動作原理である。（３）の特性は、（１）と（２）との中間の特性を示している。

従来のこの種の装置としては、カンチレバに取り付けられた探針を試料に接触させた状態で、カンチレバが常に共振状態となるようにカンチレバを加振させ、その共振状態におけるカンチレバの振幅を検出し、その検出された振幅に基づいてカンチレバのＱ値を求めるものが知られている（例えば特許文献１参照）。また、動的駆動のＳＰＭにおいて変化する環境条件の中でもカンチレバの共振付近でのＱ値を最適にコントロールし、種々の物理量測定時の動作の安定性を向上させるようにした装置が知られている（例えば特許文献２参照）。
特開２００２−２７７３７８号公報（段落００１１〜００２１、図１、図２） 特開２００４−１６３３９２号公報（段落００２１〜００３２、図１〜図〜図５）。

前記図４に示す装置の場合、正帰還ループ回路には、フィードバックアンプ７、位相シフタ８、ドライブアンプ９と３つの調整要素が含まれており、手動でカンチレバのＱ値を調整するには、煩雑な手続きと目標Ｑ値に到達したかどうかのトライ＆チェックを繰り返す必要がある。従来技術においては、Ｑ値制御を行なうための回路構成のみが確立されている状態であり、実際のＱ値制御回路の調整は手動によるトライ＆チェックを繰り返すという手法がとられていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、手動調整をなくし、より簡便に目標Ｑ値に到達することができるカンチレバのＱ値制御方法及び装置を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、カンチレバを振動素子で振動させ、ＡＦＭフィードバックを行なうダイナミックフォースＡＦＭのカンチレバのＱ値制御方法において、カンチレバを振動させるための振動信号回路にカンチレバの共振周波数付近の周波数信号を正帰還させるループ回路を組み込み、本来のカンチレバのＱ値をＱ_org、本来のカンチレバの振動振幅をＶ_{rms_org}、現在のＱ値をＱ_eff、現在のカンチレバ振動振幅をＶ_{rms_eff}、比例定数をｋとして、
（Ｑ_eff／Ｑ_org）＝ｋ（Ｖ_{rms_eff}／Ｖ_{rms_org}）
なる関係式を用いて目標Ｑ値に到達できるように前記ループ回路を制御することを特徴とするカンチレバのＱ値制御方法。
（２）請求項２記載の発明は、前記ループ回路において、ＲＭＳアンプからのカンチレバ振動振幅Ｖ_{rms_pre}が、現在のカンチレバの振動振幅Ｖ_{rms_eff}、本来のカンチレバのＱ値Ｑ_org、Ｑ値の目標値Ｑ_target、比例定数ｋ＝１として、
Ｖ_{rms_pre}＝（Ｖ_{rms_org}×Ｑ_org）／Ｑ_target
になるように前記振動素子を駆動するアンプの設定を予め調整しておき、目標Ｑ値Ｑ_targetと本来のカンチレバのＱ値Ｑ_orgを比較してＱ_target＞Ｑ_orgの場合には位相シフタを最大位相値ＰＨＡ_maxに調整し、Ｑ_target＜Ｑ_orgの場合には位相シフタを最小位相値ＰＨＡ_minに調整した上で、フィードバックアンプの設定を最小値から徐々に増加させていき、Ｖ_{rms_eff}が再びＶ_{rms_org}になるまで増加させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバのＱ値制御方法。
（３）請求項３記載の発明は、カンチレバを振動素子で振動させ、ＡＦＭフィードバックを行なうダイナミックフォースＡＦＭのカンチレバのＱ値制御装置において、カンチレバを振動させるための振動信号回路にカンチレバの共振周波数付近の周波数信号を正帰還させるループ回路を組み込み、本来のカンチレバのＱ値をＱ_org、本来のカンチレバの振動振幅をＶ_{rms_org}、現在のＱ値をＱ_eff、現在のカンチレバ振動振幅をＶ_{rms_eff}、比例定数をｋとして、
（Ｑ_eff／Ｑ_org）＝ｋ（Ｖ_{rms_eff}／Ｖ_{rms_org}）
なる関係式を用いて目標Ｑ値に到達できるように制御する手段を設けたことを特徴とするカンチレバのＱ値制御装置。

（１）請求項１記載の発明によれば、煩雑な調整とトライ＆チェックを必要とせず、自動的にカンチレバのＱ値を目標値に設定することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、短時間の調整で、カンチレバのＱ値を目標値に変化させることができ、測定準備の所要時間を大幅に短縮することができ、測定に要するマシンタイムを減少させることができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、煩雑な調整とトライ＆チェックを必要とせず、自動的にカンチレバのＱ値を目標値に設定することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
カンチレバをピエゾ素子等を用いて振動させてＡＦＭフィードバックを行なうダイナミックフォースＡＦＭにおいては、カンチレバの発振のしやすさ（Ｑ値）が測定分解能に対して大きな影響を及ぼす。基本的にはカンチレバのＱ値が高いほど、ダイナミックフォースＡＦＭの分解能は向上するが、力検出方式によってはＱ値が高すぎるとＡＦＭフィードバックが安定せず、かえって不利に働く場合もある。

一般的に用いられるＱ値制御では、液中でのダイナミックフォースＡＦＭにおいて、溶液の粘性によって下げられるカンチレバのＱ値を増加させて分解能を向上させたり、真空中において高くなりすぎるＱ値を減少させることで、安定した像観察を可能としたりする目的で行われる。

本来カンチレバのＱ値とは、カンチレバの素材・形状によって一義的に決まるものであるが、カンチレバを振動させるための振動信号回路にカンチレバの共振周波数付近の周波数信号を正帰還させるループ回路を組み込むことで、電気的にカンチレバのＱ値を増減させることが可能である。本発明は、このＱ値制御回路を、カンチレバのＱ値が目標とする値になるように自動的に設定するものである。

ソフトウェアによりＱ値制御調整を自動的に行おうとする場合、必要となるパラメータは以下の３個である。
１０：目標Ｑ値（Ｑ_target）
１１：本来のカンチレバのＱ値（Ｑ_org）
１２：現在のカンチレバの振動振幅（Ｖ_{rms_org}）
このうち、Ｑ_org１１とＶ_{rms_org}については、ダイナミックフォースＡＦＭ測定に必要な、通常のカンチレバ振動調整の結果より得ることができ、目標Ｑ値_targetについては、調整開始前にオペレータにより入力されるものとする。また、図４の回路において、ドライブアンプ９を一定の値（例えば１００％）に、また位相シフタ８をＰＨＡ_maxに設定した状態（Ｑ値を増加させる状態）でフィードバックアンプ７のみを増加させていくと、Ｑ値が増大していくにつれて、ＲＭＳアンプ６からのカンチレバ振動振幅Ｖ_rmsの値が増加するという変化が起きる。この時、
１３：現在のＱ値（Ｑ_eff）
１４：現在のカンチレバ振動振幅（Ｖ_{rms_eff}）
と定義すると、１１，１２，１３，１４の間にはｋを比例定数として
（Ｑ_eff／Ｑ_org）＝ｋ（Ｖ_{rms_eff}／Ｖ_{rms_org}）
という関係が成立していることが確かめられた。比例定数ｋは通常は１と考えてよいので、
（Ｑ_eff／Ｑ_org）＝（Ｖ_{rms_eff}／Ｖ_{rms_org}） （１）
という式が成立する。図１はＱ_IF／Ｑ_orgの特性を示す図である。縦軸が（Ｑ_eff／Ｑ_org）、横軸が（Ｖ_{rms_eff}／Ｖ_{rms_org}）である。この関係は、位相シフタ８をＰＨＡ_minに設定した状態（Ｑ値を減少させる状態）においても成立する。

この回路特性を利用し、Ｑ値制御開始前にＲＭＳアンプ６からのカンチレバ振動振幅Ｖ_{rms_pre}が、
Ｖ_{rms_pre}＝（Ｖ_{rms_org}×Ｑ_org）／Ｑ_target （２）
になるようにドライブアンプ９の設定を予め調整しておき、目標Ｑ値Ｑ_targetと、本来のカンチレバのＱ値Ｑ_orgとを比較する。そして、
Ｑ_target＞Ｑ_orgの場合には位相シフタ８をＰＨＡ_maxに調整し、Ｑ_target＜Ｑ_orgの場合には位相シフタ８をＰＨＡ_minに調整した上で、フィードバックアンプ７の設定を最小値から徐々に増加させていき、Ｖ_{rms_eff}が再びＶ_{rms_org}となったところで増加をストップする。このようにすれば、（１）式から現在のＱ値Ｑ_eff＝目標Ｑ値Ｑ_targetとなり、目標Ｑ値に到達したことを判別することができる。

図２はＱ値制御メインシーケンスを示す図である。以下のシーケンスは、図４において図示されていない制御装置が行なう。先ず、通常のダイナミックフォースＡＦＭのカンチレバ３の振動調整を行い、本来のＱ値Ｑ_orgと現在のカンチレバ３の振動振幅Ｖ_{rms_org}を予め取得する（Ｓ１）。次に、オペレータからＱ値の目標値Ｑ_targetを受け取る（Ｓ２）。次に、フィードバックアンプ７を最小値、位相シフタ８を０度、ドライブアンプ９を１００％に設定する（Ｓ３）。

次に、位相シフタ８を全域（０度〜３６０度）変化させ、図５の特性グラフを得る（Ｓ４）。この特性グラフよりＶ_rmsの最小値ＰＨＡ_minと最大値ＰＨＡ_maxとを得ることができる。次に、位相シフタ調整サブシーケンスを実行する（Ｓ５）。位相シフタ調整サブシーケンスについては、後述する。次に、（２）式によりカンチレバ振動振幅Ｖ_{rms_pre}を計算する（Ｓ６）。次に、Ｖ_rms＝Ｖ_{rms_pre}になったかどうかチェックする（Ｓ７）。このステップＳ７シーケンスは、ドライブアンプ９をＶ_rms＝Ｖ_{rms_pre}になるように減少させる動作により行なう（Ｓ８）。

次に、カンチレバ振動振幅Ｖ_rmsがＶ_rms＝Ｖ_{rms_org}になったかどうかチェックする（Ｓ９）。この工程は、フィードバックアンプ７の設定値を増加させ（Ｓ１０）、位相シフタ調整サブシーケンスを実行することにより行なう（Ｓ１１）。

図３は位相シフタ調整サブシーケンスを示す図である。この動作も図示されていない制御装置が行なう。先ず位相シフタ８の設定値を変化させ、図５の特性グラフを得る（Ｓ１）。この特性グラフから図５のＰＨＡ_maxおよびＰＨＡ_minを計算する（Ｓ２）。そして、Ｑ_targetとＱ_orgの大小関係を比較する（Ｓ３）。Ｑ_target＞Ｑ_orgであった場合には、位相シフタ８を調整してＰＨＡ_maxに設定する（Ｓ４）。Ｑ_target＞Ｑ_orgでなかった場合、つまりＱ_target＜Ｑ_orgの場合には、位相シフタ８を調整してＰＨＡ_minに設定する（Ｓ５）。

実際には、フィードバックアンプ７の設定値を増加させると、正帰還ループ内の周波数特性によって基準信号発生器５からの源信号とＲＭＳアンプ６からの正帰還信号との位相差が増大するため、ＰＨＡ_max若しくはＰＨＡ_minとなる位相シフト量は変化する。そのため、フィードバックアンプ７の設定値を増加させるにつれて、位相シフタ８の設定値も微調整を繰り返して常に位相シフト値最適化調整をし続ける必要があり、図２，図３のシーケンスにはこの微調整作業も含まれている。

更に、シーケンス処理を高速化する場合には、位相シフタ８の微調整を行なう際の図３のシーケンスにおける図５の特性グラフ測定での位相シフタ８の変化幅を、位相シフタ全域ではなく微調整前のＰＨＡ_max若しくはＰＨＡ_minとなる位相シフト値±１０度程度の幅で測定すればよい。

以上説明したように、本発明によれば以下のような効果が得られる。
１）煩雑な調整とトライ＆チェックを必要とせず、自動的にカンチレバのＱ値を目標値に設定することができる。
２）短時間の調整で、カンチレバのＱ値を目標値に変化させることができ、測定準備の所要時間を大幅に短縮することができ、測定に要するマシンタイムが減少する。
３）カンチレバＱ値を任意の値に設定可能とすることで、様々な環境下で最適化された状態でダイナミックフォーカスＡＦＭ測定が可能となる。

Ｑ_eff／Ｑ_orgの特性を示す図である。 Ｑ値制御メインシーケンスを示す図である。 位相シフタ調整サブシーケンスを示す図である。 カンチレバの制御系を示す図である。 ＲＭＳアンプから出力される振動振幅の変化を示す図である。

符号の説明

１ レーザダイオード
２ フォトダイオード
３ カンチレバ
４ ピエゾ
５ 基準信号発生器
５ａ 加算器
６ ＲＭＳアンプ
７ フィードバック回路
８ 位相シフタ
９ ドライブ回路

Claims (3)

1. カンチレバを振動素子で振動させ、ＡＦＭフィードバックを行なうダイナミックフォースＡＦＭのカンチレバのＱ値制御方法において、
   カンチレバを振動させるための振動信号回路にカンチレバの共振周波数付近の周波数信号を正帰還させるループ回路を組み込み、
   本来のカンチレバのＱ値をＱ_org、本来のカンチレバの振動振幅をＶ_{rms_org}、現在のＱ値をＱ_eff、現在のカンチレバ振動振幅をＶ_{rms_eff}、比例定数をｋとして、
   （Ｑ_eff／Ｑ_org）＝ｋ（Ｖ_{rms_eff}／Ｖ_{rms_org}）
   なる関係式を用いて目標Ｑ値に到達できるように前記ループ回路を制御することを特徴とするカンチレバのＱ値制御方法。
2. 前記ループ回路において、ＲＭＳアンプからのカンチレバ振動振幅Ｖ_{rms_pre}が、現在のカンチレバの振動振幅Ｖ_{rms_eff}、本来のカンチレバのＱ値Ｑ_org、Ｑ値の目標値Ｑ_target、比例定数ｋ＝１として、
   Ｖ_{rms_pre}＝（Ｖ_{rms_org}×Ｑ_org）／Ｑ_target
   になるように前記振動素子を駆動するアンプの設定を予め調整しておき、目標Ｑ値Ｑ_targetと本来のカンチレバのＱ値Ｑ_orgを比較してＱ_target＞Ｑ_orgの場合には位相シフタを最大位相値ＰＨＡ_maxに調整し、Ｑ_target＜Ｑ_orgの場合には位相シフタを最小位相値ＰＨＡ_minに調整した上で、フィードバックアンプの設定を最小値から徐々に増加させていき、Ｖ_{rms_eff}が再びＶ_{rms_org}になるまで増加させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバのＱ値制御方法。
3. カンチレバを振動素子で振動させ、ＡＦＭフィードバックを行なうダイナミックフォースＡＦＭのカンチレバのＱ値制御装置において、
   カンチレバを振動させるための振動信号回路にカンチレバの共振周波数付近の周波数信号を正帰還させるループ回路を組み込み、
   本来のカンチレバのＱ値をＱ_org、本来のカンチレバの振動振幅をＶ_{rms_org}、現在のＱ値をＱ_eff、現在のカンチレバ振動振幅をＶ_{rms_eff}、比例定数をｋとして、
   （Ｑ_eff／Ｑ_org）＝ｋ（Ｖ_{rms_eff}／Ｖ_{rms_org}）
   なる関係式を用いて目標Ｑ値に到達できるように前記ループ回路を制御する手段を設けたことを特徴とするカンチレバのＱ値制御装置。

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