JP2009092499A

JP2009092499A - 原子間力顕微鏡のアプローチ制御方法及び装置

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Publication number: JP2009092499A
Application number: JP2007263064A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Imashige; 善宏今重
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】本発明は原子間力顕微鏡のアプローチ制御方法及び装置に関し、高精度の試料観察を行なうことができるようにすることを目的としている。
【解決手段】Ｚフィードバックのリファレンス電圧値１８に、ある一定周波数の正弦波を出力できる発振器３３を用いて変調をかけ、探針６が試料１の表面に近づくと探針６と試料間に働く力によりシフトしたカンチレバ７の共振周波数をＦＭ復調回路１６で検出し、フィードバック制御によりそのシフト量がフィードバックリファレンス電圧値１８に等しくなるように制御され、Ｚ軸フィードバックリファレンス電圧値１８はある一定周波数で変調をかけられ、この変調信号をカンチレバが受けた力としてＦＭ復調回路で検出し、この変調周波数だけを通過させるバンドパスフィルタ３０を通し、その振幅量を実効値回路３１で検出し、その振幅値がリミット値を越えるとモータ１９を止めるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は原子間力顕微鏡のアプローチ制御方法及び装置に関し、更に詳しくは高精度の試料観察を行なうことができるようにした原子間力顕微鏡のアプローチ制御方法及び装置に関する。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、試料表面の微小範囲の形状を観察する装置として広く用いられている。走査型プローブ顕微鏡は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ）等に分けられる。ＡＦＭは探針と試料の間に働く微小な力を測定することで、ナノメートル領域の表面観察ができる表面観察装置としてよく知られている。

原子間力顕微鏡には、試料と探針間に働く微小な力を検出するための方法として、探針を試料表面にコンタクトさせ、カンチレバのたわみを検出するコンタクトＡＦＭ、カンチレバをある一定周波数で加振して、探針と試料間に働く力を振幅の変化として検出するタッピングＡＦＭ、カンチレバを正帰還回路によってカンチレバの共振周波数で自励発振させ、探針と試料間に働く力を共振周波数の変化として検出するノンコンタクトＡＦＭ等が知られている。

図４はノンコンタクトＡＦＭの従来装置の構成例を示す図である。図において、１は試料、２は該試料１を高さ（Ｚ軸）方向に動かすためのＺスキャナ、３は試料表面をカンチレバ７の探針６が走査するためのＸＹスキャナ、５は該ＸＹスキャナ３を駆動するためのＸＹ走査回路、６は探針、７は該探針６を持つカンチレバである。

８はカンチレバ７のたわみを光てこ方式で検出するための光源として用いられるレーザダイオード、９はカンチレバ７の背面に当てられたレーザ反射光を検出するための２分割フォトダイオード、１０はそれぞれのフォトダイオードに流れる電流を検出して電圧信号に増幅変換するためのプリアンプ、１１は該プリアンプ１０の出力よりカンチレバ７の変位を求める変位検出回路である。

１２は該変位検出回路１１から出力される信号の内、カンチレバ７の共振周波数分だけを取り出すためのバンドパスフィルタ（ＢＰＳ）、１３は該バンドパスフィルタ１２の出力を受けて、カンチレバ７が持つ共振周波数で正帰還発振させるために、正帰還発振ループの位相を調整する移相器、１４は該移相器１３の出力の振幅を調整する可変ゲインアンプ（ＶＧＡ）、１５はカンチレバ７を加振させるための圧電素子である。

１６はカンチレバ７の共振周波数の周波数シフト量を検出するＦＭ変調回路（ＦＭＤ）、１７はリファレンス電圧値１８とＦＭ復調回路１６の出力であるＦＭ復調信号を比較し、その誤差が少なくなるようにＺスキャナ２をＰＩＤ制御方法等で制御するＺフィードバック制御回路、４は該Ｚフィードバック制御回路１７の出力を受けてＺスキャナ２を駆動するＺ駆動回路、１９は試料１と探針６を近づけるためにＸ，Ｙ，ＺスキャナをＺ方向に動かすモータ、２０はそのモータ１９を動かすためのモータドライバ、２１はＺフィードバック制御回路１７の出力とモータリミット値２２とを比較し、探針６が試料１に近づいたことを検出するコンパレータ、２３はカンチレバ７の周波数シフト量が一定になるように試料表面上を探針６が走査することによって、Ｚフィードバック制御回路１７の出力より得られる凹凸信号を画像化するデータ処理機能を持つコンピュータである。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

試料１はスキャナ３の上に置かれており、Ｚスキャナ２は試料１を高さ方向（Ｚ軸方向）に動かすためのスキャナで、Ｚ駆動回路４によって駆動される。ＸＹスキャナ３は、試料１を走査するためのスキャナであり、ＸＹ走査回路５により駆動される。レーザダイオード８からの光はカンチレバ７の背面に当てられ、その反射光は２分割フォトダイオード９によって検出される。各フォトダイオードで検出された光は、電流信号に変換され、それぞれの電流信号は、続くプリアンプ１０によって電圧信号へと変換される。その各信号は変位検出回路１１に入り、該変位検出回路１１はカンチレバ７のたわみを検出する。図中に示すＡ，Ｂはそれぞれのフォトダイオードからの信号を示す。Ａ−Ｂを演算することにより変位信号（カンチレバ７のたわみ）を検出する。

カンチレバ７は共振周波数を持っており、その周波数を通過周波数に設定されたバンドパスフィルタ１２に変位検出信号を通すことによって、ノイズ成分を除去し、必要な周波数成分（共振周波数）の信号だけを取り出す。バンドパスフィルタ１２を通過した信号は、入力信号の位相を可変できる移相器１３と入力信号の振幅を可変できる可変増幅器（ＶＧＡ）１４を通過してカンチレバ７を加振するための圧電素子１５に入力される。移相器１３で位相を少しずつずらしていくと、上記要素により構成されたループによって、ある位相で正帰還が形成され、カンチレバ７はカンチレバ７の持つ共振周波数で発振を始める。

カンチレバ７が発振している状態で、探針６と試料１が近づく方向にモータをモータ駆動回路２０で駆動する。探針６と試料１が近づき始めると、カンチレバ７は探針６と試料１間に働く微小な力によって共振周波数が変化する。この共振周波数が変化すると、ＦＭ復調回路１６はその変化分を出力する。Ｚフィードバック制御回路１７は、ＦＭ復調回路１６の出力とリファレンス電圧値１８とを比較し、リファレンス電圧値１８とＦＭ復調回路１６の出力が等しくなるように制御する。コンパレータ２１は、Ｚフィードバック制御回路１７より出力された信号とモータリミット値２２とを比較し、Ｚフィードバック制御回路１７の出力がモータリミット値２２を越えると、モータ駆動回路２０にモータ１９を止めるように信号を送り、モータ１９を止める。

この状態で、ＸＹスキャナ３を走査し、試料表面の高さの違い、物性の違い等によりカンチレバ７の共振周波数は変調を受ける。それをＦＭ復調回路１６によって復調し、この復調した信号がリファレンス電圧値１８の値と一定になるように、Ｚフィードバック系によって制御することで試料間の距離が一定になるよう探針６が試料１の表面上を走査する。この時のＺフィードバック制御回路１７の出力信号をコンピュータ２３によって画像化することで試料１の表面の凹凸像を得ることができる。

従来のこの種の装置としては、探針と試料を接近させ、両者の相互作用で表面の微細性状を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバに微振動を与える発振器と、微振動を利用してカンチレバに大振動を信号生成機構と、大振動に対応する低周波信号に基づいてパルスを発生するパルス発生機構と、パルス信号で制御されるモータドライバと、探針と試料を接近させるステージとからなる技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、走査型力顕微鏡内のプローブ・ティップの動きを制御する方法であって、前記プローブティップは、検査すべき試料の表面と、係合方向に係合するように動き、前記プローブティップは、カンチレバーの遠端に取り付けられており、前記方法は、前記カンチレバーの共振周波数よりも高い励振周波数で、および前記励振周波数よりも低い重畳されたディザリング周波数で、前記係合方向と同じまたは反対方向に、前記プローブティップを振動させるステップと、前記ディザリング周波数での前記プローブティップの振動に応じた、前記励振周波数での前記プローブティップの振動の振幅の変化を測定するステップと、前記振動の振幅の前記変化が所定のしきい値レベルより小さいならば、前記プローブティップを前記係合方向に動かすアクチュエータを駆動して、前記プローブティップと前記試料表面との間の離間距離を１ステップ減少させるステップと、前記励振周波数でね前記プローブティップの振動と、前記励振周波数で前記プローブティップを振動させる信号との間の位相差を、前記離間距離を１ステップ減少させるたびに測定するステップと、前記位相差が所定のしきい値レベルより大きいならば、前記励振周波数を減少させるステップと、前記励振周波数での前記プローブティップの振動の振幅を、前記離間距離を１ステップ減少させるたびに測定するステップと、振動の前記振幅が所定のしきい値レベルより小さいならば、前記励振周波数で前記プローブティップを振動させる信号の振幅を増大させるステップと、振動の振幅の前記変化が、前記所定のしきい値レベルよりも大きいならば、前記係合方向における前記プローブティップの運動を終了して、検査される前記試料の前記表面を測定するプロセスを有するステップとを含む技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

また、先部に探針を有するカンチレバーを備え、前記探針と試料を接近させ、前記探針と前記試料の表面との間の相互作用に基づき当該表面の微細性を大気環境で測定する走査型プローブ顕微鏡において、パルス信号で動作するように構成され、前記探針と前記試料を接近させる接近装置と、前記カンチレバーを発振させる発振装置とを備え、前記パルス信号で前記接近装置を駆動して前記探針と前記試料を接近させるとき、前記カンチレバーの発振動作から得られる発振信号に基づいて前記パルス信号を生成するようにした技術が知られている（例えば特許文献３参照）。
特開平１０−３８９００号公報（段落００１３〜００２０、図１）特許第３７４５７１８号公報（段落００２６〜００３８、図３）特開平９−２８１１１９号公報（段落０００９〜００１６、図１）

探針を試料表面にアプローチする際に、大気や液中等の環境下においては、探針と試料間に存在する空気や液体により探針が力を受け、試料に近づいていないにも関わらずカンチレバの共振周波数が変化してしまい、それによって探針が試料に近づいたと判断してしまい、モータを止めてしまう。そのために、何度も再アプローチを実施しなければ探針を試料に近づけることができない。また、Ｚフィードバックリファレンス電圧値を空気や液体の影響を受ける周波数シフト量より大きな値に設定しアプローチさせようとすると、探針と試料間が急激に近づき、探針が試料に接触してしまい、高精度な観察ができなくなってしまう。

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、大気中や液中等の環境下においても、適切な距離に探針を近づけることができ、それによって高精度の試料観察を行なうことができるようにした原子間力顕微鏡のアプローチ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、探針を試料表面に近づける時に、Ｚフィードバックのリファレンス電圧値に、ある一定周波数の正弦波を出力できる発振器を用いて変調をかけ、探針が試料表面に近づくと探針と試料間に働く力によりシフトしたカンチレバの共振周波数をＦＭ復調回路で検出し、フィードバック制御によりそのシフト量がフィードバックリファレンス電圧値に等しくなるように制御され、Ｚ軸フィードバックリファレンス電圧値はある一定周波数で変調をかけられ、この変調信号をカンチレバが受けた力としてＦＭ復調回路で検出し、この変調周波数だけを通過させるバンドパスフィルタを通し、その振幅量をＲＭＳ回路で検出し、その振幅値がリミット値を越えると、モータを止めるように構成したことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、探針を試料表面に近づける時に、Ｚフィードバックのリファレンス電圧値に、ある一定周波数の正弦波を出力できる発振器を用いて変調をかける変調手段と、探針が試料表面に近づくと探針と試料間に働く力によりシフトしたカンチレバの共振周波数を検出するＦＭ復調回路と、フィードバック制御によりそのシフト量がフィードバックリファレンス電圧値に等しくなるように制御する制御手段と、を具備し、Ｚ軸フィードバックリファレンス電圧値はある一定周波数で変調をかけられ、この変調信号をカンチレバが受けた力としてＦＭ復調回路で検出し、この変調周波数だけを通過させるバンドパスフィルタを通し、その振幅量をＲＭＳ回路で検出し、その振幅値がリミット値を越えると、モータを止めるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、フィードバックリファレンス電圧値に発振器で変調をかけ、それによって受けるカンチレバの変調をＦＭ検出回路で検出し、その信号によって探針が試料に近づいたかどうかを判別させることにより、空気や液体の影響を受けることなく、更に探針を試料に接触させること無く、探針を試料表面にアプローチさせることができ、これにより高精度の試料観察を行なうことができる。

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。図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。図４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を高さ（Ｚ軸）方向に動かすためのＺスキャナ、３は試料表面をカンチレバ７の探針６が走査するためのＸＹスキャナ、５は該ＸＹスキャナ３を駆動するためのＸＹ走査回路、６は探針、７は該探針６を持つカンチレバである。

１６はカンチレバ７の共振周波数の周波数シフト量を検出するＦＭ復調回路（ＦＭＤ）、１７はリファレンス電圧値１８とＦＭ復調回路１６の出力であるＦＭ復調信号を比較し、その誤差が少なくなるようにＺスキャナ２をＰＩＤ制御方法等で制御するＺフィードバック制御回路、４は該Ｚフィードバック制御回路１７の出力を受けてＺスキャナ２を駆動するＺ駆動回路、１９は試料１と探針６を近づけるためにＸ，Ｙ，ＺスキャナをＺ方向に動かすモータ、２０はそのモータ１９を動かすためのモータドライバ、２１はＺフィードバック制御回路１７の出力とモータリミット値２２とを比較し、探針６が試料１に近づいたことを検出するコンパレータ、２３はカンチレバ７の周波数シフト量が一定になるように試料表面上を探針６が走査することによって、Ｚフィードバック制御回路１７の出力より得られる凹凸信号を画像化するデータ処理機能を持つコンピュータである。

３０はＦＭ復調回路１６の出力を受け、所定の周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、３１は該バンドパスフィルタ３０の出力を受けて、その実効値（振幅値：ＲＭＳ）を得る実効値回路である。該実効値回路３１の出力は、コンパレータ２１の一方の入力に入っている。３３はアプローチ時にＺフィードバック制御のリファレンス電圧値１８を正弦波によって一定周波数で変調する発振器、３２はその共通接点ｃがリファレンス電圧値１８の負側に接続されるスイッチである。スイッチ３２のａ接点はグラウンドに接続され、ｂ接点は発振器３３に接続されている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

試料１とカンチレバ７の探針６が十分に離された状態で、正帰還ループの位相とゲインをそれぞれ移相器１３と可変ゲインアンプ１４とで調整する。この結果、カンチレバ７が共振周波数で自励発振を始める。共振周波数で発振を始めたカンチレバ７にレーザダイオード８からビームを照射する。その時、該カンチレバ７の背面から反射されるたわみに応じたビームは２分割フォトダイオード９に入る。

該フォトダイオード９はカンチレバ７の背面からの反射信号を電流信号に変換してプリアンプ１０に与える。該プリアンプ１０は電流信号を電圧信号に変換すると共に、信号振幅を増幅させる。変位検出回路１１は、プリアンプ１０の出力を受けて変位分（２分割フォトダイオードの出力をそれぞれＡ，ＢとしてＡ−Ｂ）のみ抽出する。この抽出された変位信号は、続くバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）でその他の周波数成分が排除される。この結果、バンドパスフィルタ１２からカンチレバ７の共振周波数を得ることができる。

一方、リファレンス電圧値１８を適切な値に設定し、スイッチ３２を発振器３３側に設定する。つまり、スイッチ３２の共通接点ｃをｂ接点側に接続する。ＦＭ復調回路１６の出力をバンドパスフィルタ３０、実効値回路（ＲＭＳ回路）３１により直流電圧に変換し、コンパレータ２１を介してモータ駆動回路２０を駆動する。この結果、モータ１９は回転を開始し、試料１を探針６が近づく方向に動かす。

探針６と試料１間の距離が近づき始めると、カンチレバ７は力を受けて共振周波数が変化し始める。ＦＭ復調回路１６は、この変化を検出する。続くＺフィードバック制御回路１７は、このＦＭ復調回路１６の出力とリファレンス電圧値１８とを入力し、Ｚ駆動回路４にその差分信号を与える。該Ｚ駆動回路４でＺスキャナ２を駆動する。そして、Ｚフィードバック制御回路１７により、ＦＭ復調回路１６の出力とリファレンス電圧値１８とが等しくなるようにフィードバック制御が行なわれる。

また、リファレンス電圧値１８を発振器３３で変調しているため、カンチレバ７は発振器３３の周波数でも変調を受ける。そのため、ＦＭ復調回路１６の出力には、発振器３３の周波数成分も出力される。ＦＭ復調回路１６の出力を、発振器３３の周波数に設定したＢＰＦ３０を通し、直流成分と他の周波数成分を取り除き、続く実効値回路３１で直流に変換された振幅値（ＲＭＳ）を得ることができる。

カンチレバ７が発振器３３によって受けた変調信号の振幅値は、コンパレータ２１でモータリミット値２２と比較され、モータリミット値２２を越えるとモータ駆動回路２０にモータ停止信号を送り、モータ１９の回転を止める。そして、スイッチ３２の共通接点ｃをａ側に接続し、グランド側へ切り替える。

この状態でＸＹ走査回路５はＸＹスキャナ３を駆動する。これにより、試料表面の高さの違い、物性の違い等によりカンチレバ７の共振周波数は変調を受ける。その変調成分をＦＭ復調回路１６で復調し、この復調した信号がリファレンス電圧値１８の値と一定の関係になるようにＺフィードバック制御回路１７でフィードバック制御を行なう。これにより、探針６と試料１間の距離が一定となるように探針６が試料１の表面上を走査する。

この時のＺフィードバック制御回路１７の出力信号をコンピュータ２３により画像化することで試料表面の凹凸像を得ることができる。
以上、説明したように、この実施の形態によれば、フィードバックリファレンス電圧値に発振器で変調をかけ、それによって受けるカンチレバの変調をＦＭ検出回路で検出し、その信号によって探針が試料に近づいたかどうかを判別させることにより、空気や液体の影響を受けることなく、更に探針を試料に接触させること無く、探針を試料表面にアプローチさせることができ、これにより高精度の試料観察を行なうことができる。

図２は本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図２に示す実施の形態は、図１の実施の形態に比較してモータ駆動回路の部分が異なる。即ち、モータ駆動回路部分は、コンパレータ２１ａ、２１ｂと、これらコンパレータ２１ａ、２１ｂの出力を受けるＡＮＤ回路４０と、該ＡＮＤ回路４０の出力を受けてモータ駆動を行なうモータ駆動回路２０から構成されている。該モータ駆動回路２０は、モータ１９を駆動する。

第１のコンパレータ２１ａの一方の入力にはＺフィードバック制御回路１７の出力が接続され、他方の入力にはモータリミット値２２ａが接続されている。第２のコンパレータ２１ｂの一方の入力にはＦＭ復調回路１６の出力がＢＰＦ３０、実効値回路３１を介して接続され、他方の入力にはモータリミット値２２ｂが出力されている。これら、第１及び第２のコンパレータ２１ａ、２１ｂの出力は、ＡＮＤ回路４０に入り、該ＡＮＤ回路４０の出力でモータ駆動回路２０を駆動するようになっている。その他の構成は、図１に示す回路と同じである。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

試料１とカンチレバ７の探針６が十分に離された状態で、正帰還ループの位相とゲインを移相器１３と可変ゲインアンプ１４で調整する。この結果、カンチレバ７が共振周波数で自励発振を始める。共振周波数で発振を始めたカンチレバ７のたわみを２分割フォトダイオード９で検出する。

この検出された信号は、プリアンプ１０に入り、電流信号を電圧信号に変換した後、増幅される。このプリアンプ１０の出力は、続く変位検出回路１１に入り、変位分（Ａ−Ｂ）のみ抽出される。この抽出された信号は、続くＢＰＦ１２でその他の周波数成分を排除し、カンチレバ７の共振周波数信号を得ることができる。

一方、リファレンス電圧値１８を適切な値に設定し、スイッチ３２の共通接点ｃを接点ｂに接続する。この結果、リファレンス電圧値１８に発振器３３の発振周波数が重畳された信号がＺフィードバック制御回路１７の一方の入力に入る。該Ｚフィードバック制御回路１７の他方の入力にはＦＭ復調回路１６の出力が入る。

第１及び第２のコンパレータ２１ａ、２１ｂの出力はＡＮＤ回路４０を介してモータ駆動回路２０を制御する。この結果、モータ１９は回転を始め、試料１と探針６とを近づく方向に動かす。探針６と試料１間の距離が近づき始めると、カンチレバ７は力を受け、共振周波数が変化し始める。この変化を、ＦＭ復調回路１６で検出する。そして、ＦＭ復調回路１６の出力がリファレンス電圧値１８と等しくなるようにＺフィードバック制御回路１７でフィードバック制御が行なわれる。

コンパレータ２１ａは、Ｚフィードバック制御回路１７によって出力された信号とモータリミット値２２ａとを比較し、Ｚフィードバック制御回路１７の出力がモータリミット値２２ａを越えると信号を出力する。この場合において、リファレンス電圧値１８を発振器３３で変調しているため、カンチレバ７は発振器３３の出力でも変調を受ける。

このため、ＦＭ復調回路１６の出力には、発振器３３の成分も含まれることになる。そこで、ＦＭ復調回路１６の出力を発振器３３の周波数に設定したＢＰＦ３０を通して直流成分と他の周波数成分を取り除き、実効値回路３１で発振器３３の周波数に応じた振幅値を得ることができる。カンチレバ７が発振器３３により受けた変調信号の振幅値は、コンパレータ２１ｂでモータリミット値２２ｂと比較される。該コンパレータ２１ｂは、実効値回路３１の出力がモータリミット値２２ｂよりも大きくなると信号を発生する。

このようにして、第１及び第２のコンパレータ２１ａ、２１ｂの出力は、ＡＮＤ回路４０により論理積がとられ、２つのコンパレータの出力信号が一致すると、モータ停止信号をモータ駆動回路２０に送り、モータ１９の回転を止める。そして、スイッチ３２の共通接点ｃをａ接点側、つまりグランド側へ切り替える。これで、探針６と試料１間が接近した状態となる。

図３は第２の実施の形態におけるコンパレータ部の動作を示すタイムチャートである。（ａ）はＺフィードバック制御回路１７の出力を、（ｂ）は実効値回路３１の出力（ＲＭＳ）を、（ｃ）は第１のコンパレータ２１ａの出力を、（ｄ）は第２のコンパレータ２１ｂの出力を、（ｅ）はＡＮＤ回路４０の出力をそれぞれ示している。Ｚフィードバック制御回路１７の出力がモータリミット値２２ａより小さくなると、第１のコンパレータ２１ａの出力が（ｃ）に示すようにＨレベルに変化する。一方、実効値回路３１の出力がモータリミット値２２ｂよりも大きくなると、第２のコンパレータ２１ｂの出力が（ｄ）に示すようにＨレベルに変化する。これら信号（ｃ）と（ｄ）の出力を受けるＡＮＤ回路４０の出力は、（ｅ）に示すようにＨレベルに変換する。このＡＮＤ回路４０の出力により、モータ駆動回路２０は制御され、動作を停止することになる。

この状態で、ＸＹ走査回路５でＸＹスキャナ３を駆動して走査し、試料表面の高さの違い、物性の違い等によりカンチレバ７の共振周波数は変調を受ける。この変調分をＦＭ復調回路１６で復調し、この復調した信号がリファレンス電圧値１８と一定の関係になるように、Ｚフィードバック制御回路１７で制御する。これにより、探針６と試料１間の距離が一定になるように探針６が試料表面上を走査する。この時の、Ｚフィードバック制御回路１７の出力信号をコンピュータ２３によって画像化することで試料表面の凹凸像を得ることができる。

上述の実施の形態では、カンチレバのたわみを検出するフォトダイオードとして２分割フォトダイオードを用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限るものではなく、４分割フォトダイオード等の多分割フォトダイオードを用いることができる。

以上、説明したように、この実施の形態によればフィードバックリファレンスに発振器で変調をかけ、それによって受けるカンチレバの変調をＦＭ復調回路で検出し、その信号によって探針が試料に近づいたかどうかを判別させることにより、空気や液体の影響を受けることなく、更に探針を試料に接触させることなく、探針を試料表面にアプローチさせることができる。これによって、高精度の試料観察を行なうことができる。

本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。第２の実施の形態におけるコンパレータ部の動作を示すタイムチャートである。従来装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１試料
２Ｚスキャナ
３ＸＹスキャナ
４Ｚ駆動回路
５ＸＹ走査回路
６探針
７カンチレバ
８レーザダイオード
９フォトダイオード
１０プリアンプ
１１変位検出回路
１２バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１３移相器
１４可変ゲインアンプ
１５圧電素子
１６ＦＭ復調回路
１７Ｚフィードバック制御回路
１８リファレンス電圧値
１９モータ
２０モータ駆動回路
２１コンパレータ
２２モータリミット値
２３コンピュータ
３０バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
３１実効値回路（ＲＭＳ回路）
３２スイッチ
３３発振器

Claims

探針を試料表面に近づける時に、Ｚフィードバックのリファレンス電圧値に、ある一定周波数の正弦波を出力できる発振器を用いて変調をかけ、
探針が試料表面に近づくと探針と試料間に働く力によりシフトしたカンチレバの共振周波数をＦＭ復調回路で検出し、
フィードバック制御によりそのシフト量がフィードバックリファレンス電圧値に等しくなるように制御され、
Ｚ軸フィードバックリファレンス電圧値はある一定周波数で変調をかけられ、この変調信号をカンチレバが受けた力としてＦＭ復調回路で検出し、
この変調周波数だけを通過させるバンドパスフィルタを通し、その振幅量をＲＭＳ回路で検出し、その振幅値がリミット値を越えると、モータを止めるように構成したことを特徴とする原子間力顕微鏡のアプローチ制御方法。
探針を試料表面に近づける時に、Ｚフィードバックのリファレンス電圧値に、ある一定周波数の正弦波を出力できる発振器を用いて変調をかける変調手段と、
探針が試料表面に近づくと探針と試料間に働く力によりシフトしたカンチレバの共振周波数を検出するＦＭ復調回路と、
フィードバック制御によりそのシフト量がフィードバックリファレンス電圧値に等しくなるように制御する制御手段と、
を具備し、
Ｚ軸フィードバックリファレンス電圧値はある一定周波数で変調をかけられ、この変調信号をカンチレバが受けた力としてＦＭ復調回路で検出し、
この変調周波数だけを通過させるバンドパスフィルタを通し、その振幅量をＲＭＳ回路で検出し、その振幅値がリミット値を越えると、モータを止めるように構成したことを特徴とする原子間力顕微鏡のアプローチ制御装置。