JP2010101857A - Scanning probe microscope - Google Patents

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    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32AC mode

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe microscope that observes the surface of a sample even when a probe does not contact the sample irrespective of a Q value of a cantilever. <P>SOLUTION: An ultrasonic wave of a sample side frequency f1 is emitted to a sample, and an ultrasonic wave of a lever side frequency f2 is emitted to the cantilever 3. An extraction unit 25 extracts a specific frequency component changing depending on the distance between a probe in a non-contact state and the sample from a vibration signal of the cantilever 3. For example, the specific frequency component is a frequency component of an absolute value of the difference between the sample side frequency f1 and the lever side frequency f2, or the component of the sample side frequency f1. An amplitude detection unit 27 detects the amplitude of the specific frequency component. A feedback control unit 29 performs feedback control of a scanner 7 by using the amplitude of the specific frequency component. A target value of the feedback control is set at the amplitude of the specific frequency component when the cantilever 3 and the sample approximate to each other in a non-contact state. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波を利用した非接触式の走査型プローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a non-contact scanning probe microscope using ultrasonic waves.

従来、走査型プローブ顕微鏡(SPM)としては、例えば、原子間力顕微鏡(AFM)が知られている。AFMは、カンチレバー探針と試料との相互作用で生ずるカンチレバーの力学的振舞い(振幅、位相、共振周波数の変化)を計測し、その計測に基づいて試料の形状や物性マップを得ることができる。   Conventionally, for example, an atomic force microscope (AFM) is known as a scanning probe microscope (SPM). The AFM can measure the mechanical behavior (change in amplitude, phase, and resonance frequency) of the cantilever caused by the interaction between the cantilever probe and the sample, and can obtain the shape and physical property map of the sample based on the measurement.

AFMの一つとして、非接触式(non-contact mode)のAFMが知られている。非接触式のAFMは、探針と試料が接触しない状態で使用される。従来の非接触式のAFMは、主に真空中で使用される。真空中では、カンチレバーのQ値を大きくすることができ、その結果、探針と試料間の相互作用を高感度に検出でき、それ故、探針が試料に接触しなくてもイメージングが可能である。一方、液中では、Q値が低くなるため、探針・試料間に斥力が働く状況(すなわち接触状態)でしかイメージングができない。   As one of the AFMs, a non-contact mode AFM is known. The non-contact type AFM is used in a state where the probe and the sample are not in contact with each other. Conventional non-contact AFM is mainly used in a vacuum. In a vacuum, the Q value of the cantilever can be increased, and as a result, the interaction between the probe and the sample can be detected with high sensitivity, so that imaging is possible even when the probe is not in contact with the sample. is there. On the other hand, since the Q value is low in the liquid, imaging can be performed only in a situation where a repulsive force acts between the probe and the sample (that is, a contact state).

ここで、Q値(Quality Factor)とは、共振スペクトルの鋭さを表す量である。共振系にかかる粘性抵抗が小さいほどQ値が大きくなり、逆に、粘性抵抗が大きいとQ値が小さくなる。そして、Q値が大きいほど感度が高くなる。   Here, the Q value (Quality Factor) is a quantity representing the sharpness of the resonance spectrum. The Q value increases as the viscous resistance applied to the resonance system decreases, and conversely, the Q value decreases as the viscous resistance increases. The sensitivity increases as the Q value increases.

生物試料のように柔らかく脆い試料を測定する場合、探針との接触で試料が破壊されることもありえる。また、生きた細胞膜のように極めて柔らかい表面は、探針との接触により大きく変形し、そのため、表面上の微細構造を観察することはできない。したがって、このような試料は、探針と試料が接触しない状態で測定することが望まれる。しかしながら、従来の非接触式のAFMは、Q値によって使用条件が制限されるので、専ら真空中で使用される。そのため、上記のような生物試料を観察することは難しかった。   When measuring a soft and brittle sample such as a biological sample, the sample may be destroyed by contact with the probe. In addition, an extremely soft surface such as a living cell membrane is greatly deformed by contact with a probe, so that the fine structure on the surface cannot be observed. Therefore, it is desirable to measure such a sample in a state where the probe and the sample are not in contact. However, the conventional non-contact type AFM is used exclusively in a vacuum because the use conditions are limited by the Q value. Therefore, it has been difficult to observe the biological sample as described above.

ところで、最近、Shekhawat等が、AFMと超音波を組み合わせることにより試料の内部構造(表面下の構造)を観察できることを示した(特許文献1)。図1に示されるように、試料ステージ下から周波数f1の超音波が発射され、カンチレバー支持部から周波数f2の超音波が発射される。これらの超音波が(カンチレバー探針部で)非線形に干渉し、周波数|f1−f2|の音が生ずる。この周波数差をカンチレバーの共振周波数に一致させておくと、カンチレバーが共振する。試料ステージ下から発射された超音波の振幅や位相は、試料表面下の物体により変調される。カンチレバーの共振の振幅や位相も、物体の存在により影響を受ける。従って、試料とカンチレバーを面内方向に2次元走査すると、試料表面下の物体の分布をイメージングできる。この原理を使うことにより、細胞内部の感染した菌や細胞核を観察することができる。   Recently, Shekhawat et al. Have shown that the internal structure (subsurface structure) of a sample can be observed by combining AFM and ultrasonic waves (Patent Document 1). As shown in FIG. 1, an ultrasonic wave having a frequency f1 is emitted from below the sample stage, and an ultrasonic wave having a frequency f2 is emitted from the cantilever support. These ultrasonic waves interfere non-linearly (by the cantilever probe portion), and a sound having a frequency | f1-f2 | is generated. If this frequency difference is matched with the resonance frequency of the cantilever, the cantilever resonates. The amplitude and phase of the ultrasonic wave emitted from under the sample stage are modulated by an object under the sample surface. The amplitude and phase of the cantilever resonance are also affected by the presence of the object. Therefore, when the sample and the cantilever are two-dimensionally scanned in the in-plane direction, the distribution of the object below the sample surface can be imaged. By using this principle, it is possible to observe infected bacteria and cell nuclei inside the cell.

しかし、従来の超音波式SPMは、下記の理由で、生体分子などの微細な物体の形状を非接触モードで計測するのに使えるものではない。   However, the conventional ultrasonic SPM cannot be used to measure the shape of a fine object such as a biomolecule in a non-contact mode for the following reason.

まず、従来の超音波式SPMは、試料内部の物体による超音波の変調を計測している。変調の程度は、例えば、図1に示す厚さa、b、cの合計を表す。したがって、従来技術で得られる情報は、深さ方向の投影像であり、物体の濃淡分布である。また従来技術は高さ方向の走査も行っていない。したがって、従来技術は、高さの情報を得ることができず、物体表面の凹凸形状の計測には使えない。   First, the conventional ultrasonic SPM measures the modulation of ultrasonic waves by an object inside the sample. The degree of modulation represents, for example, the sum of the thicknesses a, b, and c shown in FIG. Therefore, the information obtained by the prior art is a projection image in the depth direction, and is a light and shade distribution of the object. The prior art also does not scan in the height direction. Therefore, the prior art cannot obtain height information and cannot be used for measuring the uneven shape of the object surface.

また、試料内部の物体により超音波の変調が生じるのは、物体が相当に大きいからである。このことは、従来技術が上記のように菌や細胞核といった大きい物しか観察できないことを意味する。そのため、生体分子のような微細な物体の観察には使えない。   The reason why the ultrasonic wave is modulated by the object inside the sample is that the object is considerably large. This means that the prior art can only observe large objects such as bacteria and cell nuclei as described above. Therefore, it cannot be used for observing minute objects such as biomolecules.

また、従来の超音波式SPMは、上記超音波の変調を計測するために探針と試料を接触させている。したがって、非接触状態で生体等の柔らかい物体の形状を計測することはできない。   Further, in the conventional ultrasonic SPM, a probe and a sample are brought into contact with each other in order to measure the modulation of the ultrasonic wave. Therefore, the shape of a soft object such as a living body cannot be measured in a non-contact state.

以上に説明してきたように、従来の非接触式のAFMは、Q値によって使用条件が制限されるので、主に真空中で使用される。そのため、例えば、液中で生物試料を観察するといったことは困難であった。また、従来の超音波式のSPMも、生体分子などの微細な物体の形状を非接触モードで観察するのに使えるものではなかった。
Gajendra S. Shekhawat and Vinayak P. Dravid, Nanoscale Imaging of Buried Structures via Scanning Near-Field Ultrasound Holography, Science, USA, the American Association for the Advancement of Science, (October 7, 2005) VOL310, Pages 89-92.).
As described above, the conventional non-contact type AFM is mainly used in a vacuum because the use conditions are limited by the Q value. Therefore, for example, it is difficult to observe a biological sample in a liquid. Further, the conventional ultrasonic SPM cannot be used for observing the shape of a fine object such as a biomolecule in a non-contact mode.
Gajendra S. Shekhawat and Vinayak P. Dravid, Nanoscale Imaging of Buried Structures via Scanning Near-Field Ultrasound Holography, Science, USA, the American Association for the Advancement of Science, (October 7, 2005) VOL310, Pages 89-92.) .

本発明は、上記背景の下でなされたものであり、その目的は、カンチレバーのQ値に拘わらず、探針が試料に接触しなくても試料表面を観察することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。   The present invention has been made under the above-mentioned background, and its object is to provide a scanning probe microscope capable of observing a sample surface even when the probe does not contact the sample, regardless of the Q value of the cantilever. It is to provide.

本発明の一態様は走査型プローブ顕微鏡であり、探針を有するカンチレバーと、カンチレバー及び試料の相対的な走査を行うスキャナと、試料に対して試料側周波数の超音波を発射する試料側超音波発射部と、試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波をカンチレバーに発射するレバー側超音波発射部と、カンチレバーの振動を表すレバー振動信号を検出するセンサと、レバー振動信号から、非接触状態にある探針及び試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分を抽出する抽出部と、特定周波数成分の振幅を検出する振幅検出部と、特定周波数成分の振幅が所定の目標値に一致するようにスキャナのフィードバック制御を行うフィードバック制御部とを備え、フィードバック制御の目標値は、探針と試料が非接触状態で近接しているときの特定周波数成分の振幅に設定されている。   One embodiment of the present invention is a scanning probe microscope, which includes a cantilever having a probe, a scanner that performs relative scanning of the cantilever and the sample, and sample-side ultrasonic waves that emit ultrasonic waves having a sample-side frequency with respect to the sample. Non-contact state from the launcher, the lever-side ultrasound launcher that launches ultrasonic waves with a lever-side frequency different from the sample-side frequency to the cantilever, the sensor that detects the lever vibration signal that represents the vibration of the cantilever, and the lever vibration signal An extraction unit that extracts a specific frequency component that changes according to the distance between the probe and the sample, an amplitude detection unit that detects the amplitude of the specific frequency component, and the amplitude of the specific frequency component matches a predetermined target value A feedback control unit that performs feedback control of the scanner, and the target value of the feedback control is close to the probe and the sample in a non-contact state Kino is set to an amplitude of the specific frequency components.

本発明の一態様は、走査型プローブ顕微鏡による試料観察方法であり、探針を有するカンチレバーと試料を近づけて配置し、試料に対して試料側周波数の超音波を発射し、試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波をカンチレバーに発射し、カンチレバーの振動を表すレバー振動信号を検出し、レバー振動信号から、非接触状態にある探針及び試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分を抽出し、特定周波数成分の振幅を検出し、特定周波数成分の振幅が所定の目標値に一致するようにカンチレバーと試料の距離のフィードバック制御を行い、フィードバック制御の目標値は、探針と試料が非接触状態で近接しているときの特定周波数成分の振幅に設定されている。   One embodiment of the present invention is a sample observation method using a scanning probe microscope, in which a cantilever having a probe and a sample are placed close to each other, ultrasonic waves having a sample-side frequency are emitted to the sample, and are different from the sample-side frequency. Lever-side ultrasonic waves are emitted to the cantilever, a lever vibration signal representing the vibration of the cantilever is detected, and a specific frequency component that changes according to the distance between the probe and the sample in a non-contact state is detected from the lever vibration signal. Extract and detect the amplitude of the specific frequency component, and perform feedback control of the distance between the cantilever and the sample so that the amplitude of the specific frequency component matches the predetermined target value. It is set to the amplitude of the specific frequency component when close in a non-contact state.

本発明において、特定周波数成分の信号は、試料側周波数及びレバー側周波数の差の絶対値の周波数成分である干渉信号でよい。或いは、特定周波数成分の信号は、試料側周波数成分の信号でよい。或いは、特定周波数成分の信号は、レバー側周波数成分の信号でよい。   In the present invention, the signal of the specific frequency component may be an interference signal that is a frequency component of an absolute value of a difference between the sample side frequency and the lever side frequency. Alternatively, the signal of the specific frequency component may be a signal of the sample side frequency component. Alternatively, the signal of the specific frequency component may be a signal of the lever side frequency component.

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーのQ値に拘わらず、探針が試料に接触しなくても試料表面を観察することができる。   The scanning probe microscope of the present invention can observe the sample surface even if the probe does not contact the sample, regardless of the Q value of the cantilever.

以下に本発明の詳細な説明を述べる。以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規定される。   The detailed description of the present invention will be described below. The following detailed description and the accompanying drawings do not limit the invention. Instead, the scope of the invention is defined by the appended claims.

本発明によれば、上述したように、試料に対して試料側周波数の超音波が発射され、試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波がカンチレバーに発射される。そして、レバー振動信号から特定周波数成分が抽出される。特定周波数成分は、レバー振動信号に含まれており、非接触状態にある探針及び試料間の距離に応じて変化する所定の周波数成分である。さらに、特定周波数成分の振幅が検出され、特定周波数成分の振幅が所定の目標値に一致するようにスキャナのフィードバック制御が行われる。フィードバック制御の目標値は、探針と試料が非接触状態で近接しているときの特定周波数成分の振幅に設定されている。特定周波数成分の信号は、試料側周波数及びレバー側周波数の差の絶対値の周波数成分である干渉信号、或いは、試料側周波数成分の信号、或いは、レバー側周波数成分の信号でよい。   According to the present invention, as described above, the ultrasonic wave of the sample side frequency is emitted to the sample, and the ultrasonic wave of the lever side frequency different from the sample side frequency is emitted to the cantilever. Then, a specific frequency component is extracted from the lever vibration signal. The specific frequency component is a predetermined frequency component that is included in the lever vibration signal and changes according to the distance between the probe and the sample in a non-contact state. Further, the amplitude of the specific frequency component is detected, and the feedback control of the scanner is performed so that the amplitude of the specific frequency component matches a predetermined target value. The target value of the feedback control is set to the amplitude of the specific frequency component when the probe and the sample are close to each other in a non-contact state. The signal of the specific frequency component may be an interference signal that is the absolute frequency component of the difference between the sample-side frequency and the lever-side frequency, a sample-side frequency component signal, or a lever-side frequency component signal.

上記のように、本発明は、試料及びカンチレバーにそれぞれ試料側周波数及びレバー側周波数の超音波を発射し、レバー振動信号から特定周波数成分の振幅を検出する。そして、特定周波数成分の振幅が目標値に一致するようにフィードバック制御が行われる。本発明は、探針と試料が接触していなくても特定周波数成分の振幅が探針と試料の距離に応じて変化することに着目し、フィードバック制御の目標値を、カンチレバー(探針)と試料が非接触状態で近接しているときの特定周波数成分の振幅値に設定している。特定周波数成分の振幅変化は、カンチレバーのQ値に拘わらず発生し、例えば液中でも発生する。したがって、本発明によれば、カンチレバーのQ値に拘わらず、探針が試料に接触しなくても試料表面を観察することができる。   As described above, the present invention emits ultrasonic waves of the sample side frequency and the lever side frequency to the sample and the cantilever, respectively, and detects the amplitude of the specific frequency component from the lever vibration signal. Then, feedback control is performed so that the amplitude of the specific frequency component matches the target value. The present invention pays attention to the fact that the amplitude of the specific frequency component changes according to the distance between the probe and the sample even if the probe and the sample are not in contact with each other, and the target value of the feedback control is set as a cantilever (probe). It is set to the amplitude value of the specific frequency component when the sample is close in a non-contact state. The change in the amplitude of the specific frequency component occurs regardless of the Q value of the cantilever, for example, even in the liquid. Therefore, according to the present invention, the sample surface can be observed even if the probe does not contact the sample, regardless of the Q value of the cantilever.

また、試料側周波数及びレバー側周波数の差の絶対値がカンチレバーの共振周波数に設定されてよい。これにより、カンチレバーが共振し、干渉による振幅が大きくなるので有利であり、より正確な観察ができる。   Further, the absolute value of the difference between the sample side frequency and the lever side frequency may be set as the resonance frequency of the cantilever. This is advantageous because the cantilever resonates and the amplitude due to interference increases, and more accurate observation is possible.

また、レバー側周波数が試料側周波数より小さく設定されてよい。これにより、探針と試料の距離に応じた振幅の変化がより明確に現れる。したがって、より正確な観察ができる。   Further, the lever side frequency may be set smaller than the sample side frequency. Thereby, the change of the amplitude according to the distance between the probe and the sample appears more clearly. Therefore, more accurate observation can be performed.

上述したように、特定周波数成分は、試料側周波数及びレバー側周波数の差の絶対値の周波数成分である干渉信号でよい。抽出部は、特定周波数成分の信号として干渉信号を抽出してよく、振幅検出部は、干渉信号の振幅である干渉振幅を検出してよく、フィードバック制御の目標値は、探針と試料が非接触状態で近接しているときの干渉振幅に設定されてよい。干渉振幅を用いる場合のフィードバック制御の好適な構成を下記に説明する。   As described above, the specific frequency component may be an interference signal that is a frequency component of an absolute value of a difference between the sample side frequency and the lever side frequency. The extraction unit may extract an interference signal as a signal of a specific frequency component, the amplitude detection unit may detect an interference amplitude that is the amplitude of the interference signal, and the target value for feedback control is that the probe and the sample are not It may be set to the interference amplitude when close in contact. A preferred configuration of feedback control when using interference amplitude will be described below.

干渉振幅が目標値より小さいときと比較して、干渉振幅が目標値より大きいときのフィードバックゲインが大きくてよい。探針と試料を近づけたとき、探針試料間の距離が小さくなるほど干渉振幅が増大する。しかし、探針が試料に接触した後は干渉振幅が減少する。そして、接触側で干渉振幅が目標値を下回ると正常な測定が困難になる。本発明は、干渉振幅が目標値より小さいときと比較して、干渉振幅が目標値より大きいときのフィードバックゲインを大きくする。これにより、探針と試料の非接触状態を維持するように図ることができる。また、探針と試料が接触してしまった場合でも、探針と試料がより早く離れることができ、すなわち、より早く非接触状態を回復できる   The feedback gain when the interference amplitude is larger than the target value may be larger than when the interference amplitude is smaller than the target value. When the probe and the sample are brought close to each other, the interference amplitude increases as the distance between the probe and the sample decreases. However, the interference amplitude decreases after the probe contacts the sample. When the interference amplitude falls below the target value on the contact side, normal measurement becomes difficult. The present invention increases the feedback gain when the interference amplitude is larger than the target value, compared to when the interference amplitude is smaller than the target value. Thereby, it can aim at maintaining the non-contact state of a probe and a sample. In addition, even when the probe and the sample are in contact, the probe and the sample can be separated earlier, that is, the non-contact state can be recovered earlier.

また、干渉振幅が目標値より大きいときに、干渉振幅と目標値の差に応じてフィードバックゲインを増大させてよい。干渉振幅と目標値の偏差に比例してフィードバックゲインが増大してよい。これにより、干渉振幅と目標値の偏差が小さいときは、フィードバックゲインの調整量を小さくできる。また、偏差が大きくなるほど調整量を徐々に大きくして、調整効果を強めることができる。上記制御により、偏差の正負が切り替わるときにフィードバックゲインが急激に変化するといったことも避けられる。また、探針と試料が近づくほどフィードバックゲインを大きくでき、非接触状態を極力維持できる。こうして、ゲイン調整量を徐々に大きくする滑らか且つ安定した制御を行うことができる。   Further, when the interference amplitude is larger than the target value, the feedback gain may be increased according to the difference between the interference amplitude and the target value. The feedback gain may increase in proportion to the deviation between the interference amplitude and the target value. Thereby, when the deviation between the interference amplitude and the target value is small, the adjustment amount of the feedback gain can be reduced. In addition, the adjustment effect can be increased by gradually increasing the adjustment amount as the deviation increases. By the above control, it is also possible to avoid a sudden change in feedback gain when the sign of the deviation is switched. In addition, the feedback gain can be increased as the probe and the sample are closer, and the non-contact state can be maintained as much as possible. In this way, smooth and stable control for gradually increasing the gain adjustment amount can be performed.

また、レバー振動信号からカンチレバーの撓みが検出されてよい。フィードバック制御は、撓みに基づいてカンチレバー及び試料を離れさせる処理を行ってよい。既に述べたように、探針と試料を近づけたとき、干渉振幅は非接触領域で増大し、続いて接触領域で減少する。そして、接触側で干渉振幅が目標値を下回ると正常な測定が困難になる。本発明は、探針と試料が過度に接触するのを回避するために、カンチレバーの撓みに着目している。ここで撓みは、平均撓みであり、カンチレバー振動のDC変位に相当し、探針が試料に接触すると撓みが生じる。したがって、撓みが生じたときにカンチレバーと試料を離れさせることにより、探針が試料に過度に接触するのを防止でき、探針と試料が非接触状態に復帰できる。   Further, the bending of the cantilever may be detected from the lever vibration signal. The feedback control may perform a process of separating the cantilever and the sample based on the deflection. As already described, when the probe and the sample are brought close to each other, the interference amplitude increases in the non-contact area and subsequently decreases in the contact area. When the interference amplitude falls below the target value on the contact side, normal measurement becomes difficult. The present invention focuses on the bending of the cantilever in order to avoid excessive contact between the probe and the sample. Here, the bend is an average bend and corresponds to a DC displacement of cantilever vibration, and the bend occurs when the probe contacts the sample. Therefore, by separating the cantilever from the sample when bending occurs, the probe can be prevented from excessively contacting the sample, and the probe and the sample can be returned to a non-contact state.

本発明では、カンチレバーの撓みに基づいて、検出された干渉振幅の検知信号が増大するように調整されてよい。調整された干渉振幅を用いてフィードバック制御が行われてよい。この構成により、フィードバック信号の生成前に干渉振幅の検知信号を増大方向に調整することにより、フィードバック制御を強めることができ、探針と試料を好適に離れさせることができる。   In the present invention, the detection signal of the detected interference amplitude may be adjusted to increase based on the bending of the cantilever. Feedback control may be performed using the adjusted interference amplitude. With this configuration, by adjusting the interference amplitude detection signal in the increasing direction before the feedback signal is generated, the feedback control can be strengthened, and the probe and the sample can be suitably separated.

また、本発明では、撓みが所定の振幅調整用のしきい撓みより大きい場合、及び、干渉振幅が所定の振幅調整用のしきい振幅より大きい場合の少なくとも一方にて、干渉振幅の検知信号が調整されてよい。この構成では、撓みのしきい値に加えて干渉振幅のしきい値が用いられる。これにより、探針と試料の非接触状態を維持するように図ることができ、また、探針と試料が接触してしまった場合でも、それらがより早く非接触状態に復帰できる。   Further, in the present invention, the detection signal of the interference amplitude is at least one of when the deflection is larger than the predetermined amplitude adjustment threshold deflection and when the interference amplitude is larger than the predetermined amplitude adjustment threshold amplitude. May be adjusted. In this configuration, an interference amplitude threshold is used in addition to the deflection threshold. Thereby, it is possible to maintain a non-contact state between the probe and the sample, and even when the probe and the sample are in contact with each other, they can be returned to the non-contact state earlier.

また、本発明では、カンチレバーの撓みに基づいて、カンチレバーと試料が離れるようにフィードバック信号が調整されてよい。撓みが所定のフィードバック信号調整用のしきい撓みより大きい場合に、カンチレバーと試料を強制的に引き離す値へとフィードバック信号が調整されてよい。この構成では、フィードバック信号を調整して増大させることにより、探針と試料が接触してしまった場合に、それらがより早く非接触状態に復帰できる。   In the present invention, the feedback signal may be adjusted based on the bending of the cantilever so that the cantilever and the sample are separated from each other. If the deflection is greater than a predetermined feedback signal adjustment threshold deflection, the feedback signal may be adjusted to a value that forces the cantilever and sample apart. In this configuration, by adjusting and increasing the feedback signal, when the probe and the sample are in contact with each other, they can be returned to the non-contact state more quickly.

上記の説明では、特定周波数成分が、試料側周波数及びレバー側周波数の差の絶対値の周波数成分としての干渉信号であった。これに対して、特定周波数成分が、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の信号でよい。抽出部は、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の信号を抽出してよく、振幅検出部は、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅を検出してよく、フィードバック制御の目標値は、探針と試料が非接触状態で近接しているときの試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅に設定されてよい。この場合のフィードバック制御の好適な構成を下記に説明する。   In the above description, the specific frequency component is the interference signal as the frequency component of the absolute value of the difference between the sample side frequency and the lever side frequency. On the other hand, the specific frequency component may be a signal of the sample side frequency component or the lever side frequency component. The extraction unit may extract the signal of the sample side frequency component or the lever side frequency component, the amplitude detection unit may detect the amplitude of the sample side frequency component or the lever side frequency component, and the target value of the feedback control is The amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component when the probe and the sample are close to each other in a non-contact state may be set. A preferred configuration of feedback control in this case will be described below.

試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅が目標値より大きいときと比較して、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅が目標値より小さいときのフィードバックゲインが大きくてよい。探針と試料を近づけたとき、探針試料間の距離が小さくなるほど試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅が減少する。本発明は、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅が目標値より小さいときにフィードバックゲインを大きくする。これにより、探針と試料の非接触状態を維持するように図ることができる。また、探針と試料が接触してしまった場合でも、探針と試料がより早く離れることができ、すなわち、より早く非接触状態を回復できる。   The feedback gain when the amplitude of the sample side frequency component or the lever side frequency component is smaller than the target value may be larger than when the amplitude of the sample side frequency component or the lever side frequency component is larger than the target value. When the probe and the sample are brought closer, the amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component decreases as the distance between the probe and sample decreases. The present invention increases the feedback gain when the amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component is smaller than the target value. Thereby, it can aim at maintaining the non-contact state of a probe and a sample. Further, even when the probe and the sample are in contact, the probe and the sample can be separated earlier, that is, the non-contact state can be recovered earlier.

また、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅が目標値より小さいときに、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅と目標値の差に応じてフィードバックゲインを増大させてよい。試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅と目標値の偏差に比例してフィードバックゲインが増大してよい。これにより、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅と目標値の偏差が小さいときは、フィードバックゲインの調整量を小さくできる。また、偏差が大きくなるほど調整量を徐々に大きくして、調整効果を強めることができる。上記制御により、偏差の正負が切り替わるときにフィードバックゲインが急激に変化するといったことも避けられる。また、探針と試料が近づくほどフィードバックゲインを大きくでき、非接触状態を極力維持できる。こうして、ゲイン調整量を徐々に大きくする滑らか且つ安定した制御を行うことができる。   Further, when the amplitude of the sample side frequency component or the lever side frequency component is smaller than the target value, the feedback gain may be increased according to the difference between the amplitude of the sample side frequency component or the lever side frequency component and the target value. The feedback gain may increase in proportion to the deviation between the amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component and the target value. Accordingly, when the deviation between the amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component and the target value is small, the feedback gain adjustment amount can be reduced. In addition, the adjustment effect can be increased by gradually increasing the adjustment amount as the deviation increases. By the above control, it is also possible to avoid a sudden change in feedback gain when the sign of the deviation is switched. In addition, the feedback gain can be increased as the probe and the sample are closer, and the non-contact state can be maintained as much as possible. In this way, smooth and stable control for gradually increasing the gain adjustment amount can be performed.

また、レバー振動信号からカンチレバーの撓みが検出されてよい。フィードバック制御は、撓みに基づいてカンチレバー及び試料を離れさせる処理を行ってよい。探針と試料を近づけたとき、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の振幅が減少する。振幅は、探針と試料が接触した後も減少を続ける。したがって、振幅からは、探針と試料の接触を判別できない。本発明は、探針と試料が過度に接触するのを回避するために、カンチレバーの撓みに着目している。ここで撓みは、平均撓みであり、カンチレバー振動のDC変位に相当し、探針が試料に接触すると撓みが生じる。したがって、撓みが生じたときにカンチレバーと試料を離れさせることにより、探針が試料に過度に接触するのを防止でき、探針と試料が非接触状態に復帰できる。   Further, the bending of the cantilever may be detected from the lever vibration signal. The feedback control may perform a process of separating the cantilever and the sample based on the deflection. When the probe and the sample are brought close to each other, the amplitude of the sample side frequency component or the lever side frequency component decreases. The amplitude continues to decrease after the probe contacts the sample. Therefore, the contact between the probe and the sample cannot be determined from the amplitude. The present invention focuses on the bending of the cantilever in order to avoid excessive contact between the probe and the sample. Here, the bend is an average bend and corresponds to a DC displacement of cantilever vibration, and the bend occurs when the probe contacts the sample. Therefore, by separating the cantilever from the sample when bending occurs, the probe can be prevented from excessively contacting the sample, and the probe and the sample can be returned to a non-contact state.

本発明では、カンチレバーの撓みに基づいて、検出された振幅の検知信号が減少するように調整されてよい。調整された振幅を用いてフィードバック制御が行われてよい。この構成により、フィードバック信号の生成前に振幅の検知信号を減少方向に調整することにより、フィードバック制御を強めることができ、探針と試料を好適に離れさせることができる。   In the present invention, the detected signal having the detected amplitude may be adjusted to decrease based on the bending of the cantilever. Feedback control may be performed using the adjusted amplitude. With this configuration, by adjusting the amplitude detection signal in a decreasing direction before the feedback signal is generated, feedback control can be strengthened, and the probe and the sample can be suitably separated.

また、本発明では、撓みが所定の振幅調整用のしきい撓みより大きい場合、及び、振幅が所定の振幅調整用のしきい振幅より小さい場合の少なくとも一方にて、振幅の検知信号が調整されてよい。この構成では、撓みのしきい値に加えて振幅のしきい値が用いられる。これにより、探針と試料の非接触状態を維持するように図ることができ、また、探針と試料が接触してしまった場合でも、それらがより早く非接触状態に復帰できる。   According to the present invention, the amplitude detection signal is adjusted at least one of when the deflection is larger than the predetermined amplitude adjustment threshold deflection and when the amplitude is smaller than the predetermined amplitude adjustment threshold amplitude. It's okay. In this configuration, an amplitude threshold is used in addition to the deflection threshold. Thereby, it is possible to maintain a non-contact state between the probe and the sample, and even when the probe and the sample are in contact with each other, they can be returned to the non-contact state earlier.

また、本発明では、カンチレバーの撓みに基づいて、カンチレバーと試料が離れるようにフィードバック信号が調整されてよい。撓みが所定のフィードバック信号調整用のしきい撓みより大きい場合に、カンチレバーと試料を強制的に引き離す値へとフィードバック信号が調整されてよい。この構成では、フィードバック信号を調整して増大させることにより、探針と試料が接触してしまった場合に、それらがより早く非接触状態に復帰できる。   In the present invention, the feedback signal may be adjusted based on the bending of the cantilever so that the cantilever and the sample are separated from each other. If the deflection is greater than a predetermined feedback signal adjustment threshold deflection, the feedback signal may be adjusted to a value that forces the cantilever and sample apart. In this configuration, by adjusting and increasing the feedback signal, when the probe and the sample are in contact with each other, they can be returned to the non-contact state more quickly.

また、試料側超音波の発生源が、試料ステージと、試料を保持する基体との間に配置されてよい。この構成は、微細な試料の表面形状測定に適している。超音波源から試料表面までの物質密度分布は、超音波の変調を引き起こし、形状測定精度を低下させる。本発明では、超音波発生源が、試料ステージと、試料を保持する基体との間に配置されている。したがって、超音波変調による精度低下を回避でき、形状測定を高精度に行える。   In addition, a sample-side ultrasonic wave generation source may be disposed between the sample stage and the substrate holding the sample. This configuration is suitable for measuring the surface shape of a fine sample. The material density distribution from the ultrasonic source to the sample surface causes the modulation of the ultrasonic wave, which reduces the shape measurement accuracy. In the present invention, the ultrasonic wave generation source is disposed between the sample stage and the substrate holding the sample. Therefore, a decrease in accuracy due to ultrasonic modulation can be avoided, and shape measurement can be performed with high accuracy.

また、特定周波数成分の信号はフーリエフィルタを用いて抽出されてよい。本発明において、フーリエフィルタは、レバー振動信号から、特定周波数成分の信号におけるフーリエ級数の1倍波成分を再構成する。フーリエフィルタは、特定周波数成分の周波数を持つコサイン波信号をレバー振動信号に乗算し、1周期分の積分を行って第1DC値を取得し、コサイン波信号と同じ周波数のサイン波信号をレバー振動信号に乗算し、1周期分の積分を行って第2DC値を取得し、更に、第1DC値にコサイン波信号を乗算した信号と第2DC値にサイン波信号を乗算した信号との和を求めてよい。この構成により、特定周波数成分の信号を好適に抽出できる。   Moreover, the signal of a specific frequency component may be extracted using a Fourier filter. In the present invention, the Fourier filter reconstructs the first harmonic component of the Fourier series in the signal of the specific frequency component from the lever vibration signal. A Fourier filter multiplies a lever vibration signal by a cosine wave signal having a frequency of a specific frequency component, performs integration for one period, obtains a first DC value, and applies a sine wave signal having the same frequency as the cosine wave signal to the lever vibration. Multiply the signal and integrate for one period to obtain the second DC value, and further obtain the sum of the signal obtained by multiplying the first DC value by the cosine wave signal and the signal obtained by multiplying the second DC value by the sine wave signal. It's okay. With this configuration, a signal having a specific frequency component can be preferably extracted.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。本実施の形態では、本発明が、原子間力顕微鏡(AFM)に適用される。しかし、本発明はAFMに限定されず、他のSPMに適用されてもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the present invention is applied to an atomic force microscope (AFM). However, the present invention is not limited to AFM, and may be applied to other SPMs.

まず、本発明の原理を説明する。ここでは、本発明の特定周波数成分(レバー振動信号に含まれており、非接触状態にある探針及び試料間の距離に応じて変化する所定の周波数成分)が、試料側周波数及び前記レバー側周波数の差の絶対値の周波数成分である干渉信号である。ただし、特定周波数成分は他の成分でもよい。特定周波数成分は、例えば、後述するように試料側周波数成分又はレバー側周波数成分でよい。   First, the principle of the present invention will be described. Here, the specific frequency component of the present invention (the predetermined frequency component which is included in the lever vibration signal and changes according to the distance between the probe in a non-contact state and the sample) is the sample side frequency and the lever side. It is an interference signal that is the frequency component of the absolute value of the frequency difference. However, the specific frequency component may be another component. The specific frequency component may be, for example, a sample-side frequency component or a lever-side frequency component as will be described later.

図2及び図3を参照する。本発明者は、SPMにて超音波干渉を利用すると、探針が試料表面に接触していなくても試料表面を観察できると考えた。図2では、基板表面に生体分子などの試料が載せられており、試料基板下から周波数f1の超音波が発射されている。またカンチレバーに周波数f2の超音波が発射されている。周波数f1を試料側周波数と呼び、周波数f2をレバー側周波数と呼ぶ。周波数f1、f2の差の絶対値は、カンチレバーの共振周波数とほぼ等しく設定されている。   Please refer to FIG. 2 and FIG. The present inventor considered that when ultrasonic interference is used in SPM, the sample surface can be observed even if the probe is not in contact with the sample surface. In FIG. 2, a sample such as a biomolecule is placed on the substrate surface, and an ultrasonic wave with a frequency f1 is emitted from below the sample substrate. In addition, an ultrasonic wave having a frequency f2 is emitted to the cantilever. The frequency f1 is called a sample side frequency, and the frequency f2 is called a lever side frequency. The absolute value of the difference between the frequencies f1 and f2 is set almost equal to the resonance frequency of the cantilever.

図示のように、試料に超音波を発射すると、超音波の波面は試料表面を覆う(或いは、なぞる)形になる。別の言い方をすると、試料表面が上下に超音波振動する(図中では振動が波線で示されているが、実際には縦波が生じる)。この超音波振動が、カンチレバー支持部から発射された超音波と探針先端部で干渉する。探針が試料に接触していなくても、両者がある程度近い距離にあれば、干渉が生じる。したがって、非接触で試料表面を観察することができる。   As shown in the figure, when an ultrasonic wave is emitted to the sample, the ultrasonic wavefront covers (or traces) the sample surface. In other words, the sample surface is ultrasonically vibrated up and down (in the figure, the vibration is shown by a wavy line, but a longitudinal wave is actually generated). This ultrasonic vibration interferes with the ultrasonic wave emitted from the cantilever support part at the tip of the probe. Even if the probe is not in contact with the sample, interference occurs if both are close to each other to some extent. Therefore, the sample surface can be observed without contact.

上記の干渉は非線形であり、周波数Δf(=|f1―f2|、試料側周波数f1とレバー側周波数f2の差の絶対値)を持つ信号として現れる。この周波数Δfの信号を、本発明では干渉信号と呼び、さらに干渉信号の振幅を干渉振幅と呼ぶ。周波数Δfがカンチレバーの共振周波数に設定されており、カンチレバーは周波数Δfで共振する。   The interference described above is nonlinear and appears as a signal having a frequency Δf (= | f1-f2 |, the absolute value of the difference between the sample-side frequency f1 and the lever-side frequency f2). In the present invention, this frequency Δf signal is called an interference signal, and the amplitude of the interference signal is called an interference amplitude. The frequency Δf is set to the resonance frequency of the cantilever, and the cantilever resonates at the frequency Δf.

図3は、図2の配置においてカンチレバーを試料基板に近づけていったときの干渉振幅の計測結果である。図3は、更に、カンチレバーの撓みも示している。本発明においてカンチレバーの撓みとは、平均の撓み量であり、カンチレバー振動のDC変位に相当する。図3において、横軸は探針試料距離(探針と試料の距離)であり、縦軸は、撓み(左側)及び干渉振幅(右側)である。   FIG. 3 shows the measurement result of the interference amplitude when the cantilever is brought close to the sample substrate in the arrangement of FIG. FIG. 3 also shows the deflection of the cantilever. In the present invention, the bending of the cantilever is an average amount of bending and corresponds to a DC displacement of cantilever vibration. In FIG. 3, the horizontal axis represents the probe sample distance (distance between the probe and the sample), and the vertical axis represents the deflection (left side) and the interference amplitude (right side).

まず、横軸の探針試料距離について説明する。カンチレバーの振動は、干渉信号Δfの成分と、試料側周波数f1の成分と、レバー側周波数f2の成分を含む複合的な振動である。上記複合信号の最下点にて探針が試料に接触しているとき、探針試料距離が0である。探針と試料の接触は撓みから判別される。探針が試料に近づき、接触したときに、撓みが発生し始める。撓み開始点が、探針試料距離=0に相当し、探針試料距離の基準点になる。そして、基準点からの移動量が、探針試料距離である。   First, the probe sample distance on the horizontal axis will be described. The vibration of the cantilever is a complex vibration including a component of the interference signal Δf, a component of the sample side frequency f1, and a component of the lever side frequency f2. When the probe contacts the sample at the lowest point of the composite signal, the probe sample distance is zero. Contact between the probe and the sample is determined from the deflection. Deflection begins to occur when the probe approaches and contacts the sample. The bending start point corresponds to the probe sample distance = 0, and becomes a reference point for the probe sample distance. The amount of movement from the reference point is the probe sample distance.

次に、図3を参照して、干渉振幅の特性を検討する。図3に示すように、探針を試料に近づけていったとき、探針が試料から約2nm離れたところから、カンチレバーが周波数Δfで振動し始め、干渉信号が現れた。探針を更に近づけると、干渉振幅が増大した。図3により、探針と試料が完全に非接触であっても、超音波の干渉振幅が探針試料距離に応じて変化することが明らかになり、そして、試料表面形状を検出できることが明らかになった。干渉振幅は、探針が試料に接触すると減少する。これについては後述にて検討する。   Next, referring to FIG. 3, the characteristics of the interference amplitude will be examined. As shown in FIG. 3, when the probe was brought close to the sample, the cantilever began to vibrate at a frequency Δf from the point where the probe was about 2 nm away from the sample, and an interference signal appeared. As the probe was moved closer, the interference amplitude increased. FIG. 3 clearly shows that even when the probe and the sample are completely non-contact, the ultrasonic interference amplitude changes according to the probe sample distance, and the sample surface shape can be detected. became. The interference amplitude decreases when the probe contacts the sample. This will be discussed later.

本発明は、上記原理に基づき、試料とカンチレバーの高さ方向(Z方向)のフィードバック制御を行う。フィードバック制御のセットポイント(目標値)が、図3に示すように、カンチレバーと試料が非接触状態で近接しているときの干渉振幅に設定される。これにより、カンチレバーと試料の距離を一定に保つフィードバック制御が可能になる。   Based on the above principle, the present invention performs feedback control in the height direction (Z direction) of the sample and the cantilever. As shown in FIG. 3, the set point (target value) of the feedback control is set to the interference amplitude when the cantilever and the sample are close to each other in a non-contact state. This enables feedback control that keeps the distance between the cantilever and the sample constant.

上記の超音波による非線形干渉は、カンチレバーのQ値に拘わらず計測できる。したがって、本発明によれば、カンチレバーのQ値に拘わらず、探針が試料に接触しなくても試料表面を観察することができる。本発明は、従来は困難であった計測を可能にできる。例えば、液中における非接触での生体分子の形状観察が可能になる。   The nonlinear interference due to the ultrasonic waves can be measured regardless of the Q value of the cantilever. Therefore, according to the present invention, the sample surface can be observed even if the probe does not contact the sample, regardless of the Q value of the cantilever. The present invention can enable measurement that has been difficult in the past. For example, it is possible to observe the shape of a biomolecule in a liquid without contact.

さらに、本発明によれば、生体等の柔らかい物体を非接触状態で計測できる。このことは、カンチレバーをより硬くできることを意味し、これにより、共振周波数を増大でき、SPMを高速化できる。   Furthermore, according to the present invention, a soft object such as a living body can be measured in a non-contact state. This means that the cantilever can be made harder, whereby the resonance frequency can be increased and the SPM can be speeded up.

また、上述したように、本発明では、Δf(試料側周波数f1及びレバー側周波数f2の差の絶対値)がカンチレバーの共振周波数に一致するように好適に設定される。この周波数設定は、超音波の干渉によりカンチレバーを共振させ、干渉による振幅を増大するので有利であり、感度を増大し、より正確な観察を可能にする。ただし、本発明の範囲内で、周波数Δfがカンチレバーの共振周波数と一致していなくてもよく、例えば、周波数Δfが共振周波数よりある程度小さく設定されていてもよい。この場合でも、感度が下がるものの、超音波の干渉を利用した上記形状測定は可能である。   Further, as described above, in the present invention, Δf (the absolute value of the difference between the sample-side frequency f1 and the lever-side frequency f2) is suitably set so as to match the resonance frequency of the cantilever. This frequency setting is advantageous because it resonates the cantilever by ultrasonic interference and increases the amplitude due to the interference, increasing sensitivity and allowing more accurate observation. However, within the scope of the present invention, the frequency Δf may not coincide with the resonance frequency of the cantilever. For example, the frequency Δf may be set to be somewhat smaller than the resonance frequency. Even in this case, although the sensitivity is lowered, the shape measurement using ultrasonic interference is possible.

また、本発明は、従来の超音波式のSPMとは全く異なっている。従来は、探針と試料を接触させて、試料による超音波の変調を計測している。測定されるのは、試料内部の密度分布であり、表面形状の高さ情報は得られない。高さ情報を得るためのフィードバック制御も行われていない。また、超音波の変調は物体内部の菌や細胞核などの大きな物体でのみ生じるので、従来は大きな物体のみを計測可能である。   The present invention is completely different from the conventional ultrasonic SPM. Conventionally, a probe and a sample are brought into contact with each other to measure the modulation of ultrasonic waves by the sample. What is measured is the density distribution inside the sample, and height information of the surface shape cannot be obtained. There is no feedback control to obtain height information. In addition, since the modulation of ultrasonic waves occurs only in large objects such as bacteria and cell nuclei inside the object, conventionally only large objects can be measured.

本発明は、物体内部での超音波の変調ではなく、物体表面の超音波振動による非線形干渉を非接触状態で計測する。この計測のため、本発明は、非接触状態での干渉振幅をフィードバック目標値に設定して、高さ方向のフィードバック制御を行い、高さの情報を得ている。これにより、本発明は、試料表面形状を測定し、特に生体分子等の微細な形状を測定する。   The present invention measures non-linear interference due to ultrasonic vibration of the object surface in a non-contact state, not modulation of the ultrasonic wave inside the object. For this measurement, the present invention sets the interference amplitude in the non-contact state as a feedback target value, performs feedback control in the height direction, and obtains height information. Thereby, the present invention measures the sample surface shape, and in particular, measures fine shapes such as biomolecules.

従来技術は、このような微細な表面形状は測定できない。微細な表面形状によっては、計測可能な超音波変調が生じないからである。   The prior art cannot measure such a fine surface shape. This is because there is no measurable ultrasonic modulation depending on the fine surface shape.

また、従来技術で利用される試料表面下の物体による超音波の変調は、本発明ではむしろ形状測定の障害になる。そこで、図2の例では、超音波発生源の上に基板が載せられ、基板に試料が載っている。密度分布を持たないガラス基板等を用いることにより、変調を避けられる。変調が起きない状況で測定を行うことにより、微細な物体の表面形状を測定できる。   In addition, the modulation of ultrasonic waves by an object below the sample surface used in the prior art is rather an obstacle to shape measurement in the present invention. Therefore, in the example of FIG. 2, the substrate is placed on the ultrasonic wave generation source, and the sample is placed on the substrate. By using a glass substrate or the like having no density distribution, modulation can be avoided. By measuring in a situation where no modulation occurs, the surface shape of a fine object can be measured.

要するに、従来技術と本発明では、測定対象の現象が異なり、それ故に構成も異なっている。従来技術は物体内部の密度分布を計測しており、そのために超音波の変調を計測している。本発明は、物体表面の超音波振動を試料高さ方向のフィードバック制御によって計測し、試料の表面形状の情報を得ており、従来技術とは全く異なっている。   In short, in the prior art and the present invention, the phenomenon to be measured is different and therefore the configuration is also different. The prior art measures the density distribution inside the object and, for that, measures the modulation of the ultrasonic waves. The present invention measures the ultrasonic vibration of the object surface by feedback control in the sample height direction and obtains information on the surface shape of the sample, which is completely different from the prior art.

本発明者は、基板に載せた試料を非接触でイメージングできるかどうかを実際に調べた。試料は、マイカ基板に載せたミオシンV分子(タンパク質)である。カンチレバーの共振周波数が590kHz(水中)であり、試料側周波数f1が1600kHzに設定され、レバー側周波数f2が1010kHzに設定された。図3に示したように、周波数Δfの干渉信号の振幅値に、セットポイントが設定された。そして、試料ステージのXY走査時に、干渉振幅がセットポイントに一致するように試料ステージのZ方向のフィードバック走査が行われた。このZ方向の走査量が試料の高さ情報として用いられた。その結果、ミオシンVの像が観察され、非接触イメージングが可能であることが示された。   The inventor has actually investigated whether or not a sample placed on a substrate can be imaged in a non-contact manner. The sample is myosin V molecule (protein) placed on a mica substrate. The resonance frequency of the cantilever was 590 kHz (underwater), the sample side frequency f1 was set to 1600 kHz, and the lever side frequency f2 was set to 1010 kHz. As shown in FIG. 3, a set point is set for the amplitude value of the interference signal having the frequency Δf. Then, during the XY scanning of the sample stage, feedback scanning in the Z direction of the sample stage was performed so that the interference amplitude coincided with the set point. The scanning amount in the Z direction was used as sample height information. As a result, an image of myosin V was observed, indicating that non-contact imaging is possible.

「フィードバック制御の改良」
本発明では、超音波を使ったフィードバック制御が、好ましくは、更に下記に説明されるように改良される。
"Improvement of feedback control"
In the present invention, feedback control using ultrasound is preferably improved as further described below.

図4は、図3の干渉振幅曲線及び撓み曲線を単純化した図である。図3及び図4に示されるように、探針試料距離の関数として干渉振幅は、2相性を示す。すなわち、探針試料距離が小さくなる過程で、干渉振幅が増大し、それから低下する。より詳細には、干渉振幅は非接触領域で増大し、接触領域で低下する。そのため、干渉振幅は、非接触領域の点aと接触領域の点bとの2点で、フィードバック制御のセットポイントと一致する。   FIG. 4 is a simplified diagram of the interference amplitude curve and the deflection curve of FIG. As shown in FIGS. 3 and 4, the interference amplitude as a function of the probe sample distance is biphasic. That is, in the process of decreasing the probe sample distance, the interference amplitude increases and then decreases. More specifically, the interference amplitude increases in the non-contact area and decreases in the contact area. Therefore, the interference amplitude coincides with the feedback control set point at two points, a point a in the non-contact area and a point b in the contact area.

フィードバック制御は、探針試料距離が接触領域にある限り、正しい方向にフィードバックをかけることができる。また、探針試料距離が接触領域に入っても、点bより大きければ、フィードバックが正しい方向に働く。   The feedback control can apply feedback in the correct direction as long as the probe sample distance is in the contact area. Even if the probe sample distance enters the contact area, if the distance is larger than the point b, the feedback works in the correct direction.

しかし、例えば背の高い試料をイメージングした場合には、点bの位置を超えて探針が試料に強く接触してしまう可能性がある。このような現象が生じると、フィードバッ走査が正しい方向に行われず、探針と試料の接触がますます強くなり、イメージングが不可能になる。   However, for example, when a tall sample is imaged, the probe may come into strong contact with the sample beyond the position of point b. When such a phenomenon occurs, feedback scanning is not performed in the correct direction, the contact between the probe and the sample becomes stronger, and imaging becomes impossible.

このような事態を避けるため、非接触状態をできる限り保持することが望まれる。また、接触状態が発生した場合でも、素早く非接触状態に復帰することが望まれる。本発明は、このような要求に応えるために、フィードバック制御を更に改良する。   In order to avoid such a situation, it is desirable to keep the non-contact state as much as possible. Further, even when a contact state occurs, it is desired to quickly return to the non-contact state. The present invention further improves feedback control to meet such demands.

(1)フィードバックゲインの可変制御
本発明は、干渉振幅がセットポイントより小さいときと比較して、干渉振幅が目標値より大きいときのフィードバックゲインを増大させる。これにより、干渉振幅がセットポイントより大きくなったときに、探針と試料をより早く離れさせることができる。
(1) Variable control of feedback gain The present invention increases the feedback gain when the interference amplitude is larger than the target value, compared to when the interference amplitude is smaller than the set point. Thereby, when the interference amplitude becomes larger than the set point, the probe and the sample can be separated earlier.

好適には、干渉振幅が目標値より小さいときは、フィードバックゲインが固定されていてよく、干渉振幅が目標値より大きいときに、干渉振幅と目標値の差に応じてフィードバックゲインが増大される。干渉振幅と目標値の差に比例してフィードバックゲインが増大してよい。   Preferably, when the interference amplitude is smaller than the target value, the feedback gain may be fixed. When the interference amplitude is larger than the target value, the feedback gain is increased according to the difference between the interference amplitude and the target value. The feedback gain may increase in proportion to the difference between the interference amplitude and the target value.

これにより、干渉振幅と目標値の偏差が小さいときは、フィードバックゲインの調整量を小さくできる。また、偏差が大きくなるほど調整量を徐々に大きくして、調整効果を強めることができる。上記制御により、偏差の正負が切り替わるときにフィードバックゲインが急激に変化するといったことも避けられる。また、探針と試料が近づくほどフィードバックゲインを大きくして、非接触状態を極力維持できる。こうして、ゲイン調整量を徐々に大きくする滑らか且つ安定した制御を行うことができる。   Thereby, when the deviation between the interference amplitude and the target value is small, the adjustment amount of the feedback gain can be reduced. In addition, the adjustment effect can be increased by gradually increasing the adjustment amount as the deviation increases. By the above control, it is also possible to avoid a sudden change in feedback gain when the sign of the deviation is switched. Further, the closer the probe and the sample are, the larger the feedback gain can be maintained as much as possible. In this way, smooth and stable control for gradually increasing the gain adjustment amount can be performed.

(2)カンチレバーの撓みを利用した制御
干渉振幅がセットポイント付近にあるときは、上記の制御により、非接触状態が極力保たれる。しかし、試料形状等が原因で、干渉振幅がセットポイントから離れてしまうこともあり得る。このような場合に下記の制御が有効に機能する。
(2) Control using cantilever deflection When the interference amplitude is in the vicinity of the set point, the non-contact state is maintained as much as possible by the above control. However, the interference amplitude may be away from the set point due to the sample shape or the like. In such a case, the following control functions effectively.

本発明は、カンチレバーの平均の撓みに着目する。カンチレバーが試料に接触すると撓みが生じる。したがって、撓みが生じたときにカンチレバーと試料を離れさせることにより、探針が試料に過度に接触するのを防止できる。   The present invention focuses on the average deflection of the cantilever. Deflection occurs when the cantilever contacts the sample. Therefore, the probe can be prevented from excessively contacting the sample by separating the cantilever from the sample when bending occurs.

具体的構成としては、干渉振幅の検出値が調整され、調整後の干渉振幅を用いてフィードバック信号が生成されてよい。また、フィードバック信号の生成時又は生成後に、フィードバック信号が調整されてよい。ここでフィードバック信号とは、干渉振幅を目標値に保つようにアクチュエータ(スキャナ)を駆動するための制御信号である。具体例として下記の制御が考えられる。これら制御を実現する構成については、後述の実施の形態で詳しく説明する。   As a specific configuration, the detected value of the interference amplitude may be adjusted, and a feedback signal may be generated using the adjusted interference amplitude. Further, the feedback signal may be adjusted during or after the generation of the feedback signal. Here, the feedback signal is a control signal for driving the actuator (scanner) so as to keep the interference amplitude at a target value. The following control can be considered as a specific example. The configuration for realizing these controls will be described in detail in an embodiment described later.

(2.1)上限振幅A1、第1上限撓みD1
図4に示すように、干渉振幅の上限設定値として、上限振幅A1が設定される。また、撓みの1段目の上限設定値として、第1上限撓みD1が設定される。上限振幅A1は、本発明の振幅調整用のしきい振幅に相当し、第1上限撓みD1は、本発明の振幅調整用のしきい撓みに相当する。第1上限撓みD1は、図示のように、探針の接触直後に対応する小さい値に設定されている。
(2.1) Upper limit amplitude A1, first upper limit deflection D1
As shown in FIG. 4, the upper limit amplitude A1 is set as the upper limit set value of the interference amplitude. Further, the first upper limit deflection D1 is set as the upper limit set value for the first stage of deflection. The upper limit amplitude A1 corresponds to the threshold amplitude for amplitude adjustment of the present invention, and the first upper limit deflection D1 corresponds to the threshold deflection for amplitude adjustment of the present invention. As shown in the drawing, the first upper limit deflection D1 is set to a small value corresponding to immediately after the contact of the probe.

本発明によれば、干渉振幅が上限振幅A1より大きくなるか、あるいは、撓みが第1上限撓みD1より大きくなると、干渉振幅の検知信号が増大するように調整される。これにより、探針の接触寸前又は接触直後に振幅検知信号の増大調整が行われる。したがって、探針と試料の非接触状態を維持するように図ることができ、また、探針と試料が接触してしまった場合でも、より早く非接触状態に復帰できる。   According to the present invention, when the interference amplitude becomes larger than the upper limit amplitude A1, or when the deflection becomes larger than the first upper limit deflection D1, the interference amplitude detection signal is adjusted to increase. Thereby, increase adjustment of the amplitude detection signal is performed immediately before or immediately after the contact of the probe. Therefore, it is possible to maintain the non-contact state between the probe and the sample, and even when the probe and the sample are in contact with each other, the non-contact state can be quickly restored.

ここでは干渉振幅の検知信号が調整されたが、既に述べた通り、干渉振幅の代わりにフィードバック信号が調整されてもよい。   Here, the detection signal of the interference amplitude is adjusted, but as described above, the feedback signal may be adjusted instead of the interference amplitude.

(2.2)第2の上限撓みD2
また、図4に示されるように、撓みの2段目の上限設定値として、第2上限撓みD2が設定される。第2上限撓みD2は、第1上限撓みD1より大きく設定され、ノイズ等を考慮しても確実に接触状態が生じているときの撓みに設定されている。第2上限撓みD2は、本発明のフィードバック信号調整用のしきい撓みに相当する。
(2.2) Second upper limit deflection D2
Further, as shown in FIG. 4, the second upper limit deflection D2 is set as the upper limit set value for the second stage of deflection. The second upper limit deflection D2 is set to be larger than the first upper limit deflection D1, and is set to be a deflection when the contact state is surely generated even when noise or the like is taken into consideration. The second upper limit deflection D2 corresponds to the threshold deflection for adjusting the feedback signal of the present invention.

本発明によれば、カンチレバーの撓みが第2上限撓みD2より大きい場合、カンチレバーと試料を強制的に引き離す値へとフィードバック信号が調整される。これにより、探針と試料が接触してしまった場合に、より早く非接触状態を回復できる。探針と試料が図4の点bを超えて接触してしまう事態を好適に回避できる。   According to the present invention, when the deflection of the cantilever is larger than the second upper limit deflection D2, the feedback signal is adjusted to a value for forcibly separating the cantilever and the sample. Thereby, when a probe and a sample have contacted, a non-contact state can be recovered more quickly. A situation in which the probe and the sample come into contact beyond the point b in FIG. 4 can be suitably avoided.

ここではフィードバック信号が調整されたが、既に述べた通り、フィードバック信号の代わりに干渉振幅の検知信号が調整されてもよい。   Although the feedback signal is adjusted here, as described above, the detection signal of the interference amplitude may be adjusted instead of the feedback signal.

以上に本発明の原理について説明した。次に、本発明のSPMの具体的構成例を説明する。既に述べたように、本実施の形態では、本発明がAFMに適用される。また、本実施の形態では、本発明の特定周波数成分が、上述の干渉信号である。   The principle of the present invention has been described above. Next, a specific configuration example of the SPM of the present invention will be described. As already described, in the present embodiment, the present invention is applied to AFM. Moreover, in this Embodiment, the specific frequency component of this invention is the above-mentioned interference signal.

図5は、本実施の形態に係るAFMの構成を示している。AFM1は、カンチレバー3と、試料が載せられる試料ステージ5とを有し、試料ステージ5はXYZ方向のスキャナ7に搭載されている。   FIG. 5 shows the configuration of the AFM according to the present embodiment. The AFM 1 includes a cantilever 3 and a sample stage 5 on which a sample is placed. The sample stage 5 is mounted on a scanner 7 in XYZ directions.

カンチレバー3は、窒化シリコン製であり、自由端に探針を有しており、レバー側圧電体9に取り付けられている。また、試料ステージ5には試料側圧電体11が載せられており、試料側圧電体11に試料基板13が載せられ、試料基板13に試料が載せられる。   The cantilever 3 is made of silicon nitride, has a probe at a free end, and is attached to the lever side piezoelectric body 9. A sample-side piezoelectric body 11 is placed on the sample stage 5, a sample substrate 13 is placed on the sample-side piezoelectric body 11, and a sample is placed on the sample substrate 13.

試料側圧電体11及びレバー側圧電体9は、本発明のレバー側超音波発射部及び試料側超音波発射部に対応し、試料側周波数f1及びレバー側周波数f2の超音波を、試料(基板)及びカンチレバー3にそれぞれ発射する。試料側周波数f1とレバー側周波数f2は異なっており、周波数f1、f2の差の絶対値Δf(図2参照)がカンチレバー3の共振周波数に設定されている。また、本実施の形態ではf1>f2に設定されている。   The sample-side piezoelectric member 11 and the lever-side piezoelectric member 9 correspond to the lever-side ultrasonic emission unit and the sample-side ultrasonic emission unit of the present invention, and the ultrasonic waves having the sample-side frequency f1 and the lever-side frequency f2 are sampled (substrate). ) And cantilever 3 respectively. The sample-side frequency f1 and the lever-side frequency f2 are different, and the absolute value Δf (see FIG. 2) of the difference between the frequencies f1 and f2 is set as the resonance frequency of the cantilever 3. In the present embodiment, f1> f2.

試料側圧電体11は、超音波を発生できるような薄い板状の圧電体であり、スキャナ7に用いられる圧電体とは異なっている。同様に、レバー側圧電体9も、超音波を発生できるような薄い板状の圧電体であり、一般的なレバー励振用の圧電体とは異なっている。   The sample-side piezoelectric body 11 is a thin plate-like piezoelectric body that can generate ultrasonic waves, and is different from the piezoelectric body used in the scanner 7. Similarly, the lever-side piezoelectric body 9 is also a thin plate-like piezoelectric body that can generate ultrasonic waves, and is different from a general lever-exciting piezoelectric body.

試料側圧電体11及びレバー側圧電体9は、発振器15に接続されており、発振器15から供給される信号に従って振動することにより超音波を発生する。より詳細には、発振器15は、試料側のドライバ及びレバー側のドライバに、発射すべき超音波の周波数f1、f2を持つ励振信号を供給する。そして、試料側ドライバ及びレバー側ドライバが、それぞれの励振信号を増幅して、試料側圧電体11及びレバー側圧電体9に供給する。   The sample-side piezoelectric body 11 and the lever-side piezoelectric body 9 are connected to an oscillator 15 and generate an ultrasonic wave by vibrating according to a signal supplied from the oscillator 15. More specifically, the oscillator 15 supplies excitation signals having ultrasonic frequencies f1 and f2 to be emitted to the driver on the sample side and the driver on the lever side. Then, the sample side driver and the lever side driver amplify the respective excitation signals and supply them to the sample side piezoelectric body 11 and the lever side piezoelectric body 9.

AFM1は、さらに、レーザユニット21、センサ23、抽出部25、振幅検出部27、フィードバック制御部29、コンピュータ31及びモニタ33を有する。   The AFM 1 further includes a laser unit 21, a sensor 23, an extraction unit 25, an amplitude detection unit 27, a feedback control unit 29, a computer 31, and a monitor 33.

センサ23は、レーザユニット21と共に、光てこ式の変位センサを構成している。レーザユニット21が、レーザ光をカンチレバー3に照射する。レーザ光はカンチレバー3で反射してセンサ23に届く。センサ23は、フォトダイオードで構成されており、カンチレバー3の変位信号を出力する。変位信号は、カンチレバー3の振動を表しており、本発明のレバー振動信号として処理される。図では、センサに関連したレンズ等の光学系の構成は省略されている。   The sensor 23 and the laser unit 21 constitute an optical lever type displacement sensor. The laser unit 21 irradiates the cantilever 3 with laser light. The laser light is reflected by the cantilever 3 and reaches the sensor 23. The sensor 23 is composed of a photodiode and outputs a displacement signal of the cantilever 3. The displacement signal represents the vibration of the cantilever 3 and is processed as the lever vibration signal of the present invention. In the figure, the configuration of an optical system such as a lens related to the sensor is omitted.

抽出部25は、カンチレバー3のレバー振動信号から、干渉信号を抽出する。本発明において、干渉信号は、既に説明したように、試料側周波数f1及びレバー側周波数f2の差の絶対値の周波数成分の信号であり、すなわち、周波数Δf(=|f1−f2|)の信号である。本発明の原理として説明したように、試料に超音波が発射されると、超音波の波面が試料表面を覆い、試料表面が超音波振動する。この超音波振動が、カンチレバー3に発射された超音波と非線形に干渉する。この干渉により干渉信号が生じる。抽出部25は、ローパスフィルタであってもよい。抽出部25は、より好ましくは、後述するフーリエフィルタで構成される。   The extraction unit 25 extracts an interference signal from the lever vibration signal of the cantilever 3. In the present invention, as already described, the interference signal is a signal of the frequency component of the absolute value of the difference between the sample-side frequency f1 and the lever-side frequency f2, that is, a signal having a frequency Δf (= | f1-f2 |). It is. As described as the principle of the present invention, when an ultrasonic wave is emitted to the sample, the wavefront of the ultrasonic wave covers the sample surface, and the sample surface vibrates ultrasonically. This ultrasonic vibration interferes non-linearly with the ultrasonic wave emitted to the cantilever 3. This interference causes an interference signal. The extraction unit 25 may be a low pass filter. More preferably, the extraction unit 25 includes a Fourier filter described later.

振幅検出部27は干渉信号の振幅、すなわち干渉振幅を検出する。干渉振幅は、フィードバック制御部29へと供給される。フィードバック制御部29は、干渉振幅が予め設定されたセットポイント(目標値)と一致し続けるように、スキャナ7をZ方向に制御する。フィードバック制御部29は、干渉振幅からセットポイントを減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するPID回路とを有し、スキャナ7を制御するためのフィードバック信号を生成する。フィードバック制御部29の構成は後述にて更に詳細に述べる。   The amplitude detector 27 detects the amplitude of the interference signal, that is, the interference amplitude. The interference amplitude is supplied to the feedback control unit 29. The feedback control unit 29 controls the scanner 7 in the Z direction so that the interference amplitude continues to coincide with a preset set point (target value). The feedback control unit 29 includes a subtracter that generates a deviation signal by subtracting the set point from the interference amplitude, and a PID circuit that amplifies the deviation signal, and generates a feedback signal for controlling the scanner 7. The configuration of the feedback control unit 29 will be described in more detail later.

スキャナ7は、圧電素子(ピエゾ素子)で構成されており、試料ステージ5をX、Y、Z方向に動かして、試料をカンチレバー3に対して相対的に走査する。XY方向は、水平面上で直交する方向であり、Z方向は鉛直方向であり、試料の凹凸方向(高さ方向)である。XY方向の走査はコンピュータ31により制御され、Z方向の走査は上記のようにフィードバック制御部29により制御される。より詳細には、制御信号がスキャナドライバに供給され、増幅されてスキャナ7に供給される。   The scanner 7 includes a piezoelectric element (piezo element), and moves the sample stage 5 in the X, Y, and Z directions to scan the sample relative to the cantilever 3. The XY direction is a direction orthogonal to the horizontal plane, the Z direction is a vertical direction, and is a concave / convex direction (height direction) of the sample. Scanning in the XY directions is controlled by the computer 31, and scanning in the Z direction is controlled by the feedback control unit 29 as described above. More specifically, the control signal is supplied to the scanner driver, amplified, and supplied to the scanner 7.

コンピュータ31は、パーソナルコンピュータ等で構成され、AFM1の全体を制御する。コンピュータ31はユーザインターフェース機能も提供する。ユーザの各種の指示がコンピュータ31に入力され、コンピュータ31はユーザの入力に従ってAFM1を制御する。コンピュータ31は、発振器15を制御して、試料側周波数f1及びレバー側周波数f2を制御する。フィードバック制御のセットポイントも、コンピュータ31からフィードバック制御部29に供給される。また、コンピュータ31は試料表面の画像を生成してモニタ33に出力する。   The computer 31 is composed of a personal computer or the like, and controls the entire AFM 1. The computer 31 also provides a user interface function. Various user instructions are input to the computer 31, and the computer 31 controls the AFM 1 in accordance with the user input. The computer 31 controls the oscillator 15 to control the sample side frequency f1 and the lever side frequency f2. The set point of feedback control is also supplied from the computer 31 to the feedback control unit 29. Further, the computer 31 generates an image of the sample surface and outputs it to the monitor 33.

次に、AFM1の動作を説明する。コンピュータ31に制御されて、スキャナ7が、XY方向に試料ステージ5を走査する。XY方向の走査中、発振器15が、試料側周波数f1の励振信号及びレバー側周波数f2の励振信号を試料側圧電体11及びレバー側圧電体9にそれぞれ供給し、試料側圧電体11及びレバー側圧電体9が試料側周波数f1の超音波及びレバー側周波数f2の超音波を試料及びカンチレバー3にそれぞれ発射する。このようにして、試料及びカンチレバー3に超音波を発射しながら、カンチレバー3と試料が相対的にXY方向に走査される。   Next, the operation of the AFM 1 will be described. Under the control of the computer 31, the scanner 7 scans the sample stage 5 in the XY directions. During scanning in the XY directions, the oscillator 15 supplies the excitation signal having the sample side frequency f1 and the excitation signal having the lever side frequency f2 to the sample side piezoelectric body 11 and the lever side piezoelectric body 9, respectively. The piezoelectric body 9 emits an ultrasonic wave having a sample-side frequency f1 and an ultrasonic wave having a lever-side frequency f2 to the sample and the cantilever 3, respectively. In this way, the cantilever 3 and the sample are scanned relatively in the XY directions while emitting ultrasonic waves to the sample and the cantilever 3.

XY方向の走査中、センサ23がカンチレバー3のレバー振動信号を検出し、抽出部25に供給する。抽出部25がレバー振動信号から干渉信号を抽出して振幅検出部27に供給し、振幅検出部27が干渉振幅を検出してフィードバック制御部29に供給する。フィードバック制御部29は、検出された干渉振幅がセットポイントと一致するようにフィードバック制御を行う。   During scanning in the XY directions, the sensor 23 detects a lever vibration signal of the cantilever 3 and supplies it to the extraction unit 25. The extraction unit 25 extracts the interference signal from the lever vibration signal and supplies it to the amplitude detection unit 27, and the amplitude detection unit 27 detects the interference amplitude and supplies it to the feedback control unit 29. The feedback control unit 29 performs feedback control so that the detected interference amplitude matches the set point.

フィードバック制御では、干渉振幅とセットポイントの差に応じたフィードバック信号が生成され、スキャナ7に供給される。スキャナ7は、フィードバック信号に従ってZ方向に動作する(より詳細にはスキャナドライバがフィードバック信号に従ってスキャナ7を駆動する)。   In the feedback control, a feedback signal corresponding to the difference between the interference amplitude and the set point is generated and supplied to the scanner 7. The scanner 7 operates in the Z direction according to the feedback signal (more specifically, the scanner driver drives the scanner 7 according to the feedback signal).

図3を用いて説明したように、干渉振幅は、カンチレバー3と試料との距離に応じて変化する。したがって、フィードバック制御により、カンチレバー3と試料の距離が一定に保たれる。   As described with reference to FIG. 3, the interference amplitude changes according to the distance between the cantilever 3 and the sample. Therefore, the distance between the cantilever 3 and the sample is kept constant by feedback control.

このようにして、カンチレバー3と試料の距離を一定に保ちながら、XY走査が行われる。フィードバック信号は、コンピュータ31にも供給される。フィードバック信号は、スキャナ7をZ方向に駆動する信号であり、試料のZ方向の高さに対応している。また、試料上のXY方向の位置は、コンピュータ31により制御されている。コンピュータ31は、XY走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の画像を生成してモニタ33に表示する。3次元画像が好適に生成され、表示される。   In this way, XY scanning is performed while keeping the distance between the cantilever 3 and the sample constant. The feedback signal is also supplied to the computer 31. The feedback signal is a signal for driving the scanner 7 in the Z direction, and corresponds to the height of the sample in the Z direction. The position in the XY direction on the sample is controlled by the computer 31. The computer 31 generates an image of the sample surface based on the XY scanning control data and the input feedback signal and displays the image on the monitor 33. A three-dimensional image is suitably generated and displayed.

「抽出部」
次に、図5のAFM1における抽出部25の構成について更に説明する。カンチレバー3のレバー振動信号は、レバー側周波数f2の成分と、試料側周波数f1の成分と、超音波の非線形干渉により生じた周波数Δf(=|f1−f2|)の成分とを含んでいる。周波数Δfの成分が、本発明の干渉信号であり、抽出部25により抽出される。抽出部25はローパスフィルタであってもよいが、好ましくは抽出部25は、下記のフーリエフィルタを有する。
"Extractor"
Next, the configuration of the extraction unit 25 in the AFM 1 in FIG. 5 will be further described. The lever vibration signal of the cantilever 3 includes a component of the lever side frequency f2, a component of the sample side frequency f1, and a component of the frequency Δf (= | f1-f2 |) generated by the nonlinear interference of the ultrasonic waves. The component of frequency Δf is the interference signal of the present invention and is extracted by the extraction unit 25. The extraction unit 25 may be a low-pass filter, but preferably the extraction unit 25 includes the following Fourier filter.

図6は、本発明にて好適に用いられる抽出部25の構成を示している。発振器15は、図5を用いて説明したように、試料側圧電体11及びレバー側圧電体9に試料及びカンチレバー3に超音波を発射させるための構成であり、試料側周波数f1の励振信号sin(2πf1t)を試料側圧電体11に供給し、レバー側周波数f2の励振信号sin(2πf2t)をレバー側圧電体9に供給する。   FIG. 6 shows a configuration of the extraction unit 25 preferably used in the present invention. As described with reference to FIG. 5, the oscillator 15 is configured to cause the sample-side piezoelectric body 11 and the lever-side piezoelectric body 9 to emit ultrasonic waves to the sample and the cantilever 3, and the excitation signal sin with the sample-side frequency f <b> 1. (2πf1t) is supplied to the sample-side piezoelectric body 11, and the excitation signal sin (2πf2t) having the lever-side frequency f2 is supplied to the lever-side piezoelectric body 9.

抽出部25は、フィルタ発振器41を有する。フィルタ発振器41は発振器15と同期しており、抽出のための基準の信号として、周波数Δf(=|f1−f2|)のコサイン波信号及びサイン波信号を生成する。フィルタ発振器41は発振器15と一体に構成されてもよい。   The extraction unit 25 has a filter oscillator 41. The filter oscillator 41 is synchronized with the oscillator 15 and generates a cosine wave signal and a sine wave signal having a frequency Δf (= | f1-f2 |) as a reference signal for extraction. The filter oscillator 41 may be configured integrally with the oscillator 15.

コサイン波信号cos(2πΔft)は、乗算器43にてカンチレバー3のレバー振動信号に掛けられ、更に積分器45にて1周期分の積分が行われて、第1DC値aが得られる。また、サイン波信号sin(2πΔft)が乗算器47にてレバー振動信号に掛けられ、更に積分器49にて1周期分の積分が行われて、第2DC値bが求められる。   The cosine wave signal cos (2πΔft) is multiplied by the lever vibration signal of the cantilever 3 by the multiplier 43 and further integrated by one period by the integrator 45 to obtain the first DC value a. Further, the sine wave signal sin (2πΔft) is multiplied by the lever vibration signal by the multiplier 47 and further integrated by one period by the integrator 49 to obtain the second DC value b.

次に、乗算器51が、第1DC値aに、コサイン波信号cos(2πΔft)を乗算し、a・cos(2πΔft)を求める。乗算器53は、第2DC値bに、サイン波信号sin(2πΔft)を乗算し、b・sin(2πΔft)を求める。加算器55が、a・cos(2πΔft)とb・sin(2πΔft)の和を求め、干渉信号として出力する。   Next, the multiplier 51 multiplies the first DC value a by the cosine wave signal cos (2πΔft) to obtain a · cos (2πΔft). The multiplier 53 multiplies the second DC value b by the sine wave signal sin (2πΔft) to obtain b · sin (2πΔft). The adder 55 calculates the sum of a · cos (2πΔft) and b · sin (2πΔft) and outputs the sum as an interference signal.

このような構成により、抽出部25は、レバー振動信号から、f1やf2 の振動成分を除去し、周波数Δfの成分だけを抽出した振動信号である干渉信号を得る。図6の構成は、周波数Δfを持つ信号におけるフーリエ級数の1倍波成分を再構成することにより、レバー振動信号から干渉信号を抽出している。本発明では、このようなフィルタを、フーリエフィルタと呼ぶ。このようなフィルタは、通常のローパスフィルタより高速に干渉信号を抽出できる。また、周波数Δfのサイン波信号及びコサイン波信号は、フィルタ発振器41からの供給される信号であり、ほとんどノイズを持たない。したがって、フーリエフィルタを用いることにより、高速で、ノイズの少ない干渉信号を抽出できる。   With such a configuration, the extraction unit 25 removes the vibration components f1 and f2 from the lever vibration signal, and obtains an interference signal that is a vibration signal obtained by extracting only the component of the frequency Δf. The configuration of FIG. 6 extracts the interference signal from the lever vibration signal by reconstructing the first harmonic component of the Fourier series in the signal having the frequency Δf. In the present invention, such a filter is called a Fourier filter. Such a filter can extract an interference signal faster than a normal low-pass filter. The sine wave signal and cosine wave signal having the frequency Δf are signals supplied from the filter oscillator 41 and have almost no noise. Therefore, by using the Fourier filter, it is possible to extract an interference signal with high speed and low noise.

「振幅検出部」
振幅検出部27は、既に説明したように、干渉信号の振幅、すなわち本発明の干渉振幅を検出する。振幅検出部27は、(a2+b21/2(図6におけるaの2条とbの2条の和の平方根)を求める回路であってよい。しかし、より好ましくは、振幅検出部27の回路は、干渉信号の1周期内の最高点(山)と最低点(谷)(又は最低点と最高点)が出力されてから半周期以内の最高点及び最低点の差を出力する。これにより、振幅検出を高速化できる。
Amplitude detector
As already described, the amplitude detector 27 detects the amplitude of the interference signal, that is, the interference amplitude of the present invention. The amplitude detector 27 may be a circuit for obtaining (a 2 + b 2 ) 1/2 (the square root of the sum of the two strips a and b in FIG. 6). However, more preferably, the circuit of the amplitude detection unit 27 is the highest within half a period after the highest point (peak) and lowest point (valley) (or lowest point and highest point) within one cycle of the interference signal are output. The difference between the point and the lowest point is output. Thereby, the amplitude detection can be speeded up.

上記の高速検出を実現するため、振幅検出部27は、例えば、位相シフタとゼロクロス比較回路を有してよい。干渉信号が、位相シフタによって90°遅らされる。そして、遅延信号がゼロクロス比較回路を用いて処理され、ゼロクロス点にてパルス信号が生成される。このパルス信号がサンプリングタイミングとして用いられて、干渉信号のサンプリングが行われ、最高点と最低点の値が得られる。最高点と最低点の差が干渉振幅として出力される。この振幅計測技術は、特開2003−42931号公報に開示されており、この文献は、引用することにより全体としてここに組み込まれているものとする。   In order to realize the above high-speed detection, the amplitude detection unit 27 may include, for example, a phase shifter and a zero cross comparison circuit. The interference signal is delayed by 90 ° by the phase shifter. Then, the delayed signal is processed using a zero cross comparison circuit, and a pulse signal is generated at the zero cross point. This pulse signal is used as the sampling timing, and the interference signal is sampled to obtain the highest and lowest values. The difference between the highest and lowest points is output as the interference amplitude. This amplitude measurement technique is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-42931, and this document is incorporated herein by reference as a whole.

「フィードバック制御部」
図7は、本実施の形態におけるフィードバック制御部29の好適な構成を示している。フィードバック制御部29は、減算回路61、ダイナミックPID回路63及びフィードバックゲイン調整回路65を有している。
"Feedback controller"
FIG. 7 shows a preferred configuration of the feedback control unit 29 in the present embodiment. The feedback control unit 29 includes a subtraction circuit 61, a dynamic PID circuit 63, and a feedback gain adjustment circuit 65.

減算回路61は、セットポイントから干渉振幅を減算することにより、偏差信号を求める。既に説明したように、セットポイントはコンピュータ31から供給される。偏差信号は、ダイナミックPID回路63及びフィードバックゲイン調整回路65に入力される。   The subtraction circuit 61 obtains a deviation signal by subtracting the interference amplitude from the set point. As described above, the set point is supplied from the computer 31. The deviation signal is input to the dynamic PID circuit 63 and the feedback gain adjustment circuit 65.

ダイナミックPID回路63は、ゲインを変更可能なPID回路であり、減算回路61から入力される偏差信号を増幅する。フィードバックゲイン調整回路65はダイナミックPID回路63のゲインを調整する。   The dynamic PID circuit 63 is a PID circuit whose gain can be changed, and amplifies the deviation signal input from the subtraction circuit 61. The feedback gain adjustment circuit 65 adjusts the gain of the dynamic PID circuit 63.

フィードバックゲイン調整部65は、偏差信号が正のとき(干渉振幅が目標値より小さいとき)と比較して、偏差信号が負のとき(干渉振幅が目標値より大きいとき)のフィードバックゲインを大きくする。具体的には、偏差信号が正のときは、フィードバックゲインの調整は行われず、したがって、フィードバックゲインが固定されている。偏差信号が負のときは、偏差信号に応じてフィードバックゲインが増大される。この調整は、偏差信号に比例してフィードバックゲインを増大させる。   The feedback gain adjustment unit 65 increases the feedback gain when the deviation signal is negative (when the interference amplitude is larger than the target value) compared to when the deviation signal is positive (when the interference amplitude is smaller than the target value). . Specifically, when the deviation signal is positive, the feedback gain is not adjusted, and therefore the feedback gain is fixed. When the deviation signal is negative, the feedback gain is increased according to the deviation signal. This adjustment increases the feedback gain in proportion to the deviation signal.

上記のフィードバック制御により、図4を用いて説明した利点が得られる。図4に示されるように、探針を試料に近づけていったとき、干渉振幅は非接触領域で増大してセットポイントを超え、極値に達し、接触領域に至る。本発明によれば、干渉振幅がセットポイントより小さいときと比較して、干渉振幅がセットポイントより大きいときのフィードバックゲインが大きくなる。干渉振幅がセットポイントを超えて接触領域が近づくと、フィードバックゲインが増大され、探針を試料から引き離す制御が強められる。したがって、非接触状態を極力維持することができる。   The above-described feedback control provides the advantages described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, when the probe is brought closer to the sample, the interference amplitude increases in the non-contact region, exceeds the set point, reaches an extreme value, and reaches the contact region. According to the present invention, the feedback gain when the interference amplitude is larger than the set point is larger than when the interference amplitude is smaller than the set point. As the contact amplitude approaches the set point beyond the interference amplitude, the feedback gain is increased and the control to pull the probe away from the sample is enhanced. Therefore, the non-contact state can be maintained as much as possible.

また、本発明では、調整の対象が、PID回路のフィードバックゲインである。これにより、調整効果を瞬時に得ることができ、このことも非接触領域の維持に寄与できる。   In the present invention, the adjustment target is the feedback gain of the PID circuit. Thereby, the adjustment effect can be obtained instantaneously, which can also contribute to the maintenance of the non-contact region.

また、本発明では、干渉振幅がセットポイントより大きいときに、偏差信号に応じて、より詳細には偏差信号に比例して、フィードバックゲインが増大する。この制御によれば、干渉信号がセットポイントを超えても、偏差信号が小さいときは、フィードバックゲインの調整量を小さくできる。偏差信号が大きくなるほど調整量を徐々に大きくして、調整効果を強めることができる。上記制御により、偏差信号が正から負になるときにフィードバックゲインが急激に変化するといったことを避けられる。また、探針と試料が近づくほどフィードバックゲインを大きくできる。こうして、ゲイン調整量を徐々に大きくする滑らか且つ安定した制御を行うことができる。   In the present invention, when the interference amplitude is larger than the set point, the feedback gain increases in accordance with the deviation signal, more specifically in proportion to the deviation signal. According to this control, even if the interference signal exceeds the set point, the adjustment amount of the feedback gain can be reduced if the deviation signal is small. As the deviation signal increases, the adjustment amount can be gradually increased to enhance the adjustment effect. By the above control, it is possible to avoid a sudden change in the feedback gain when the deviation signal changes from positive to negative. Further, the feedback gain can be increased as the probe and the sample are closer to each other. In this way, smooth and stable control for gradually increasing the gain adjustment amount can be performed.

ここで、ダイナミックPID回路63でのゲイン調整について更に説明する。PID回路では、P(比例)、I(積分)、D(微分)の3系統にて偏差信号に対して別々にゲインがかけられる。ゲインがかかった後で、P、I、Dの成分が加算されて、加算信号がフィードバック信号として出力される。   Here, the gain adjustment in the dynamic PID circuit 63 will be further described. In the PID circuit, gain is separately applied to the deviation signal in three systems of P (proportional), I (integral), and D (differential). After gain is applied, the P, I, and D components are added, and the added signal is output as a feedback signal.

本実施の形態では、P、I、Dのゲインを別々に調整することが好適である。探針と試料の接触状態を避けるためには、ダイナミックPID回路63が、通常のP、I、Dのゲインの割合を維持しない方がよい。通常のゲイン配分は、偏差信号が正のとき(つまり接触が起こりそうもないとき)に適用される。通常のゲイン配分では、I(積分)が大きな割合を占める。しかし、Iは応答が遅いので、緊急時にはP(比例)を少し強調することが有効である。そこで、偏差信号が負のときは、Iのフィードバックゲインと比較してPのフィードバックゲインが大きく増大するようにフィードバックゲインが好適に調整される。   In the present embodiment, it is preferable to adjust the gains of P, I, and D separately. In order to avoid the contact state between the probe and the sample, it is preferable that the dynamic PID circuit 63 does not maintain the normal P, I, and D gain ratios. Normal gain distribution is applied when the deviation signal is positive (ie when contact is unlikely). In normal gain distribution, I (integration) occupies a large proportion. However, since I responds slowly, it is effective to slightly emphasize P (proportional) in an emergency. Therefore, when the deviation signal is negative, the feedback gain is suitably adjusted so that the feedback gain of P is greatly increased as compared with the feedback gain of I.

また、PID回路におけるP、I、Dの3系統のうち、Iのゲイン調整回路部は積分回路の前段に置くのが適切である。後段に置くと、積分値(試料の高さに相当する電圧)そのものが補正されてしまうからである。Dのゲインは微分回路の前段でも後段でも構わない。ただし、微分回路自身のゲインを高周波まで上げることは困難なので、大きな電圧を微分回路が扱わなくても済むように微分回路の後段にゲイン回路を入れるのが好ましい。以上により、ゲイン調整はIについては積分回路の前段で、Dについては微分回路の後段で好適に行われる。   Of the three systems P, I, and D in the PID circuit, it is appropriate to place the gain adjustment circuit section of I before the integrating circuit. This is because the integrated value (voltage corresponding to the height of the sample) itself is corrected when placed in the subsequent stage. The gain of D may be before or after the differentiation circuit. However, since it is difficult to increase the gain of the differentiation circuit to a high frequency, it is preferable to insert a gain circuit after the differentiation circuit so that the differentiation circuit does not need to handle a large voltage. As described above, gain adjustment is suitably performed before I for the integration circuit for I and after the differentiation circuit for D.

なお、微分回路の前段にてDのゲイン調整を行うのであれば、P、I、Dのゲインが別々に調節されなくてよい。この場合、PID回路とその前段の減算回路の間に、1つの可変ゲイン回路がフィードバックゲイン調整回路として置かれてよい。   If the D gain is adjusted before the differentiation circuit, the P, I, and D gains do not have to be adjusted separately. In this case, one variable gain circuit may be placed as a feedback gain adjustment circuit between the PID circuit and the subtraction circuit in the preceding stage.

また、上記の説明では、フィードバック制御部29がPID回路を備えていた。しかし、フィードバック制御部29はこれに限定されない。例えば、フィードバック制御部29がPI回路で構成されてもよい。この場合も、フィードバックゲインが、干渉振幅とセットポイントの偏差に応じて好適に調整される。   In the above description, the feedback control unit 29 includes the PID circuit. However, the feedback control unit 29 is not limited to this. For example, the feedback control unit 29 may be configured with a PI circuit. Also in this case, the feedback gain is suitably adjusted according to the deviation between the interference amplitude and the set point.

「第2の実施の形態」
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。この実施の形態は、図4を用いて説明したようにカンチレバーの撓みを利用したフィードバック制御を行う。
“Second Embodiment”
Next, another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, as described with reference to FIG. 4, feedback control using the bending of the cantilever is performed.

最初の実施の形態で図7を用いて説明したように、フィードバックゲインの調整により、探針と試料の非接触状態を保つように図ることができる。しかし、例えば試料の凹凸が大きい場合には、探針と試料が接触する可能性がある。このような場合を考慮し、本実施の形態は、非接触状態を極力維持し、仮に接触状態が発生しても極力早く非接触状態に復帰できるフィードバック制御を実現する。   As described with reference to FIG. 7 in the first embodiment, it is possible to maintain a non-contact state between the probe and the sample by adjusting the feedback gain. However, for example, when the unevenness of the sample is large, the probe and the sample may come into contact. In consideration of such a case, the present embodiment realizes feedback control that maintains the non-contact state as much as possible and can return to the non-contact state as soon as possible even if the contact state occurs.

図8は、本実施の形態のAFMを示している。図8のAFM71は、図5のAFM1の構成に加えて、撓み検出部73を有している。また、フィードバック制御部75が、図5のフィードバック制御部29と異なっている。撓み検出部73は、カンチレバー3のレバー振動信号から、カンチレバー3の平均の撓みを検出し、撓みをフィードバック制御部75に出力する。   FIG. 8 shows the AFM of this embodiment. An AFM 71 in FIG. 8 includes a deflection detection unit 73 in addition to the configuration of the AFM 1 in FIG. Further, the feedback control unit 75 is different from the feedback control unit 29 of FIG. The deflection detection unit 73 detects the average deflection of the cantilever 3 from the lever vibration signal of the cantilever 3 and outputs the deflection to the feedback control unit 75.

フィードバック制御部75には、コンピュータ31から上限振幅A1、第1上限撓みD1及び第2上限撓みD2がセットポイントと共に供給される。フィードバック制御部75は、これらの設定値と、干渉振幅及び撓みといった検出値を用いて、フィードバック制御を行う。   The feedback control unit 75 is supplied with the upper limit amplitude A1, the first upper limit deflection D1, and the second upper limit deflection D2 from the computer 31 together with the set point. The feedback control unit 75 performs feedback control using these set values and detected values such as interference amplitude and deflection.

図9は、撓み検出部73及びフィードバック制御部75の構成を示している。図示のように、撓み検出部73は、ローパスフィルタ81及びハイパスフィルタ83を有する。カンチレバー3のレバー振動信号がローパスフィルタ81にて処理されて、DC変位が得られる。DC変位が平均の撓み量に相当する。撓み信号は更にハイパスフィルタ83に通され、低周波ノイズが除去されて、フィードバック制御部75へと出力される。   FIG. 9 shows the configuration of the deflection detection unit 73 and the feedback control unit 75. As illustrated, the deflection detection unit 73 includes a low-pass filter 81 and a high-pass filter 83. The lever vibration signal of the cantilever 3 is processed by the low-pass filter 81 to obtain a DC displacement. The DC displacement corresponds to the average amount of deflection. The deflection signal is further passed through a high pass filter 83 to remove low frequency noise and output to the feedback control unit 75.

フィードバック制御部75は、図5のフィードバック制御部29と同様に減算回路61、ダイナミックPID回路63及びフィードバックゲイン調整回路65を有する。フィードバック制御部75は、更に、振幅調整部91及びフィードバック信号調整部93を有する。   The feedback control unit 75 includes a subtraction circuit 61, a dynamic PID circuit 63, and a feedback gain adjustment circuit 65, similarly to the feedback control unit 29 of FIG. 5. The feedback control unit 75 further includes an amplitude adjustment unit 91 and a feedback signal adjustment unit 93.

振幅調整部91は、減算回路61の前段で干渉振幅の検知信号を調整する回路である。振幅調整部91は、比較器101、103、OR回路105、スイッチ回路107及び乗算回路109を有する。   The amplitude adjustment unit 91 is a circuit that adjusts the interference amplitude detection signal before the subtraction circuit 61. The amplitude adjustment unit 91 includes comparators 101 and 103, an OR circuit 105, a switch circuit 107, and a multiplication circuit 109.

比較器101には、干渉振幅及び上限振幅A1(図4)が入力される。比較器101は、これら信号を比較し、干渉振幅が上限振幅A1より大きい場合に「1」をOR回路105へ出力する。   The comparator 101 receives the interference amplitude and the upper limit amplitude A1 (FIG. 4). The comparator 101 compares these signals and outputs “1” to the OR circuit 105 when the interference amplitude is larger than the upper limit amplitude A1.

比較器103には、撓みの検出値と第1上限撓みD1(図4)が入力される。比較器103は、これら信号を比較し、撓みの検出値が第1上限撓みD1より大きい場合に「1」をOR回路105へ出力する。   The comparator 103 receives the detected value of the deflection and the first upper limit deflection D1 (FIG. 4). The comparator 103 compares these signals and outputs “1” to the OR circuit 105 when the detected value of the deflection is larger than the first upper limit deflection D1.

OR回路105の出力は、比較器101、103からの入力に応じて変わり、OR回路105の出力に応じてスイッチ回路107が切り替わる。スイッチ回路107の出力は、干渉振幅のゲインとして乗算回路109に供給される。   The output of the OR circuit 105 changes according to the input from the comparators 101 and 103, and the switch circuit 107 switches according to the output of the OR circuit 105. The output of the switch circuit 107 is supplied to the multiplication circuit 109 as a gain of interference amplitude.

比較器101、103の両方から「0」が入力されている場合、OR回路105の出力も「0」であり、スイッチ回路107が「×1」側に切り替わる。これにより、ゲイン「1」が乗算回路109に出力される。乗算回路109では、干渉振幅の検知信号がゲイン「1」と掛けられ、したがって、干渉振幅の検知信号がそのまま調整されずに減算回路61へと供給される。   When “0” is input from both the comparators 101 and 103, the output of the OR circuit 105 is also “0”, and the switch circuit 107 is switched to the “× 1” side. As a result, the gain “1” is output to the multiplication circuit 109. In the multiplication circuit 109, the interference amplitude detection signal is multiplied by the gain “1”, so that the interference amplitude detection signal is supplied to the subtraction circuit 61 without being adjusted.

比較器101、103の少なくとも1方から「1」が入力されている場合、OR回路105の出力が「1」であり、スイッチ回路107が「×g」側に切り替わる。これにより、ゲイン「g(>1)」が乗算回路109に出力される。乗算回路109では、干渉振幅の検知信号がゲイン「g」と掛けられ、したがって、干渉振幅の検知信号がg倍に増大する。この調整後の干渉振幅が、減算回路61へと供給される。   When “1” is input from at least one of the comparators 101 and 103, the output of the OR circuit 105 is “1”, and the switch circuit 107 is switched to the “× g” side. As a result, the gain “g (> 1)” is output to the multiplication circuit 109. In the multiplication circuit 109, the interference amplitude detection signal is multiplied by the gain “g”, and therefore the interference amplitude detection signal increases g times. The adjusted interference amplitude is supplied to the subtraction circuit 61.

フィードバック信号調整部93は、ダイナミックPID回路63の後段でフィードバック信号(Z方向のスキャナ制御信号)を調整する回路である。フィードバック信号調整部93は、比較器111、スイッチ回路113及び加算回路115を有する。   The feedback signal adjustment unit 93 is a circuit that adjusts a feedback signal (scanner control signal in the Z direction) at the subsequent stage of the dynamic PID circuit 63. The feedback signal adjustment unit 93 includes a comparator 111, a switch circuit 113, and an adder circuit 115.

比較器111には、撓みの検出値と第2上限撓みD2(図4)が入力される。比較器111の比較の結果に応じてスイッチ回路113が切り替えられる。スイッチ回路113の出力は、加算回路115に供給されて、ダイナミックPID回路63で生成されたフィードバック信号に加算される。   The comparator 111 receives the detected deflection value and the second upper limit deflection D2 (FIG. 4). The switch circuit 113 is switched according to the comparison result of the comparator 111. The output of the switch circuit 113 is supplied to the adder circuit 115 and added to the feedback signal generated by the dynamic PID circuit 63.

撓みの検出値が第2上限撓みD2より小さい場合、比較器111の出力は「0」であり、スイッチ回路113はアース側に切り替えられる。スイッチ回路113の出力はゼロになり、加算回路115は、フィードバック信号をそのまま調整せずにスキャナ7へ向けて出力する。より詳細には、フィードバック信号はスキャナ7のドライバへと出力される。   When the detected value of deflection is smaller than the second upper limit deflection D2, the output of the comparator 111 is “0”, and the switch circuit 113 is switched to the ground side. The output of the switch circuit 113 becomes zero, and the adder circuit 115 outputs the feedback signal to the scanner 7 without adjusting it. More specifically, the feedback signal is output to the driver of the scanner 7.

撓みの検出値が第2上限撓みD2より大きい場合、比較器111の出力は「1」であり、スイッチ回路113は引離し設定値側へ切り替えられる。引離し設定値は、予め設定された電圧値であり、探針と試料を確実かつ早急に引き離せる値に設定されている。引離し設定値も、コンピュータ31からフィードバック制御部75に供給されてよい。探針と試料が離れるときはスキャナ7が後退するので、引離し設定値の電圧は負(−)側の大きな値に設定されている。   When the detected value of deflection is greater than the second upper limit deflection D2, the output of the comparator 111 is “1”, and the switch circuit 113 is switched to the separation set value side. The separation setting value is a voltage value set in advance, and is set to a value that allows the probe and the sample to be reliably and quickly separated. The separation set value may also be supplied from the computer 31 to the feedback control unit 75. Since the scanner 7 moves backward when the probe and the sample are separated from each other, the voltage of the separation set value is set to a large value on the negative (−) side.

撓みの検出値が第2上限撓みD2より大きい場合、スイッチ回路113が引離し設定値側へ切り替えられ、引離し設定値が加算回路115にてフィードバック信号に加算され、これによりフィードバック信号が調整される。加算回路115が調整後のフィードバック信号をスキャナ7に供給し、スキャナ7が、フィードバック信号に従って探針と試料を引き離す。   When the detected value of deflection is larger than the second upper limit deflection D2, the switch circuit 113 is switched to the separation setting value side, and the separation setting value is added to the feedback signal by the addition circuit 115, thereby adjusting the feedback signal. The The adding circuit 115 supplies the adjusted feedback signal to the scanner 7, and the scanner 7 separates the probe and the sample according to the feedback signal.

以上に図8の実施の形態について説明した。上限振幅A1は、フィードバック制御のセットポイントより大きな値に設定されており、また、第1上限撓みD1より第2上限撓みD2が大きく設定されている(図4参照)。これらの設定値は、AFM71を下記のように動作させる。   The embodiment of FIG. 8 has been described above. The upper limit amplitude A1 is set to a value larger than the set point of feedback control, and the second upper limit deflection D2 is set to be larger than the first upper limit deflection D1 (see FIG. 4). These set values cause the AFM 71 to operate as follows.

まず、干渉振幅がセットポイント付近の値であるときは、上限振幅A1には届かない。この領域では、干渉振幅とセットポイントの偏差に応じてフィードバックゲインが調整される。偏差が負のときは、偏差に応じてフィードバックゲインが増大し、これにより非接触状態の維持が図られる。   First, when the interference amplitude is a value near the set point, the upper limit amplitude A1 is not reached. In this region, the feedback gain is adjusted according to the deviation between the interference amplitude and the set point. When the deviation is negative, the feedback gain increases in accordance with the deviation, thereby maintaining a non-contact state.

しかし、試料の凹凸が大きいときなどに、探針が試料に接触しそうになると、干渉振幅がセットポイントから離れて大きくなり、上限振幅A1を超える。さらに探針が試料に少し接触すると、撓み検出値が第1上限撓みD1を超える。振幅調整部91は、干渉振幅が上限振幅A1を超えるか、撓み検出値が第1上限撓みD1を超えた場合に、干渉振幅の検知信号にゲインg(>1)を掛ける。このようにして、探針と試料が接触しそうになったか、少し接触したときには、振幅調整によって探針と振幅が引き離される。   However, if the probe is likely to come into contact with the sample, such as when the unevenness of the sample is large, the interference amplitude increases away from the set point and exceeds the upper limit amplitude A1. Further, when the probe slightly touches the sample, the detected deflection value exceeds the first upper limit deflection D1. The amplitude adjusting unit 91 multiplies the detection signal of the interference amplitude by a gain g (> 1) when the interference amplitude exceeds the upper limit amplitude A1 or the detected deflection value exceeds the first upper limit deflection D1. In this way, when the probe is about to come into contact with the sample or is slightly in contact, the amplitude is separated from the probe by amplitude adjustment.

上記制御が間に合わず、探針と試料が強く接触したとする。この場合、干渉振幅は減少するが、平均の撓み量は大きくなる。したがって、このような状況では撓み量を制御に使うことが有利である。そこで、第2上限撓みD2(2段目の撓み上限値)が、ノイズ等を考慮しても確実に探針が試料に接触しているときの撓み値に設定されている。撓み検出値が第2上限撓みD2を超えた場合、フィードバック信号調整部93が、探針と試料を強制的に引き離せるような大きな値へと、フィードバック信号を調整する。これにより、探針と試料が接触してしまった場合に、より早く非接触状態を回復できる。   It is assumed that the above control is not in time and the probe and the sample are in strong contact. In this case, the interference amplitude decreases, but the average amount of deflection increases. Therefore, in such a situation, it is advantageous to use the deflection amount for control. Therefore, the second upper limit deflection D2 (second stage deflection upper limit value) is set to the deflection value when the probe is reliably in contact with the sample even in consideration of noise or the like. When the detected deflection value exceeds the second upper limit deflection D2, the feedback signal adjustment unit 93 adjusts the feedback signal to a large value that can forcefully separate the probe and the sample. Thereby, when a probe and a sample have contacted, a non-contact state can be recovered more quickly.

上記のフィードバック信号調整部93は、ダイナミックPID回路63と並列に配置されている。本実施の形態によれば、探針と試料が強く接触し、強制的な引離しが必要な場合には、並列な構成によってフィードバック信号を即座に大きくできる。   The feedback signal adjustment unit 93 is arranged in parallel with the dynamic PID circuit 63. According to the present embodiment, when the probe and the sample are in strong contact and forced separation is necessary, the feedback signal can be immediately increased by the parallel configuration.

なお、本発明の範囲内で、同様の効果が得られる範囲で、干渉信号とフィードバック信号のどちらが調整されてもよい。干渉振幅又はフィードバック信号は、本実施の形態のように生成後に調整されてもよく、或いは、生成処理の中で調整されてもよい。また、同様の効果が得られる範囲で、他の信号が調整されてもよい。例えば、上限振幅A1及び第1上限撓みD1に基づく調整が、フィードバック信号に対して行われてもよい。また、第2上限撓みD2に基づく調整が、振幅信号に対して行われてもよい。上限振幅A1及び第1上限撓みD1が組み合わされなくてもよく、すなわち、上限振幅A1及び第1上限撓みD1の一方が用いられてよい。   Note that, within the scope of the present invention, either the interference signal or the feedback signal may be adjusted as long as the same effect can be obtained. The interference amplitude or feedback signal may be adjusted after generation as in the present embodiment, or may be adjusted during the generation process. Further, other signals may be adjusted within a range in which a similar effect can be obtained. For example, adjustment based on the upper limit amplitude A1 and the first upper limit deflection D1 may be performed on the feedback signal. Further, the adjustment based on the second upper limit deflection D2 may be performed on the amplitude signal. The upper limit amplitude A1 and the first upper limit deflection D1 may not be combined, that is, one of the upper limit amplitude A1 and the first upper limit deflection D1 may be used.

「干渉信号以外の特定周波数成分」
(試料側周波数f1又はレバー側周波数f2の成分)
本発明は、レバー振動信号から、非接触状態にある探針及び試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分を抽出し、特定周波数成分の振幅のフィードバック制御を行う。特定周波数成分は、上記の干渉信号以外の信号でもよい。以下に説明するように、特定周波数成分として、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分を利用可能である。
“Specific frequency components other than interference signals”
(Component of sample side frequency f1 or lever side frequency f2)
The present invention extracts a specific frequency component that changes according to the distance between the probe and the sample in a non-contact state from the lever vibration signal, and performs feedback control of the amplitude of the specific frequency component. The specific frequency component may be a signal other than the interference signal. As will be described below, the sample-side frequency component or the lever-side frequency component can be used as the specific frequency component.

カンチレバーは、非線形干渉が起こる前(すなわち、カンチレバーと試料が近接していないとき)、試料側周波数f1及びレバー側周波数f2で振動している。すなわち、レバー振動の検出信号が試料側周波数f1の成分及びレバー側周波数f2の成分を含んでいる。探針が試料表面に非接触で接近すると、上述のように非線形干渉が起こり、周波数Δf(=|f1−f2|)の振動が現れる。この観察において、本発明者は、試料側周波数f1の振動とレバー側周波数f2の振動も同時に調べた。その結果、探針が試料表面に非接触で接近すると、試料側周波数f1の成分の振動の振幅が減少することが見つかった。ここでは、試料側周波数f1の成分の振幅を、単にf1振幅と呼ぶ。   The cantilever vibrates at the sample-side frequency f1 and the lever-side frequency f2 before nonlinear interference occurs (that is, when the cantilever and the sample are not in proximity). That is, the lever vibration detection signal includes a component of the sample side frequency f1 and a component of the lever side frequency f2. When the probe approaches the sample surface in a non-contact manner, nonlinear interference occurs as described above, and a vibration with a frequency Δf (= | f1-f2 |) appears. In this observation, the inventor also examined the vibration at the sample side frequency f1 and the vibration at the lever side frequency f2. As a result, it was found that when the probe approaches the sample surface in a non-contact manner, the amplitude of the vibration of the component of the sample side frequency f1 decreases. Here, the amplitude of the component of the sample-side frequency f1 is simply referred to as f1 amplitude.

図10は、図2の配置においてカンチレバーを試料基板に近づけていったときのf1振幅の測定結果である。図10のように、カンチレバーが試料基板に近づくと、f1振幅が減少する。このような現象が生じるのは、試料側周波数f1の振動エネルギーの一部が干渉信号(周波数Δf=|f1−f2|)の振動エネルギーに変換されているためと考えられる。すなわち、f1振幅の変化も、超音波干渉によって生じていると考えられる。   FIG. 10 shows the measurement result of the f1 amplitude when the cantilever is brought close to the sample substrate in the arrangement of FIG. As shown in FIG. 10, when the cantilever approaches the sample substrate, the f1 amplitude decreases. Such a phenomenon occurs because a part of the vibration energy at the sample-side frequency f1 is converted into the vibration energy of the interference signal (frequency Δf = | f1-f2 |). That is, it is considered that the change in the f1 amplitude is also caused by ultrasonic interference.

上記のように、試料側周波数f1の成分の信号も、非接触状態で探針試料間の距離に応じて変換する成分であり、本発明の特定周波数成分に相当する。そして、f1振幅を用いたフィードバック制御により、試料形状の非接触イメージングが可能である。具体的には、フィードバック制御の目標値が、非接触状態で探針と試料が近接しているときのf1振幅に設定され、f1振幅の検出値が目標値に一致するようにフィードバック制御が行われ、これにより非接触イメージングが行われる。   As described above, the signal of the component of the sample side frequency f1 is also a component that is converted according to the distance between the probe samples in a non-contact state, and corresponds to the specific frequency component of the present invention. Then, non-contact imaging of the sample shape is possible by feedback control using the f1 amplitude. Specifically, the feedback control target value is set to the f1 amplitude when the probe and the sample are close to each other in a non-contact state, and the feedback control is performed so that the detected value of the f1 amplitude matches the target value. As a result, non-contact imaging is performed.

本発明者が行った測定結果では、f1振幅の変化は、上述の干渉振幅(周波数|f1−f2|)の変化よりも安定していた。この点で、試料側周波数f1の成分をフィードバック制御に用いることは有利であると考えられる。   According to the measurement results made by the present inventors, the change in the f1 amplitude was more stable than the change in the interference amplitude (frequency | f1-f2 |) described above. In this respect, it is considered advantageous to use the component of the sample-side frequency f1 for feedback control.

「フィードバック制御の改良(f1振幅を用いる場合)」
また、図3に示したように、干渉信号は、2相性を有しており、すなわち、非接触領域で増大、それから接触領域で減少した。これに対して、f1振幅は、探針が試料表面に接触した後も更に減少し続ける特性を有し、つまり2相性を示さない。そのため、振幅のみからは、探針が試料表面に接触したかどうかが分からない。この場合でも、干渉信号を用いる場合と同様の原理を適用することによりフィードバック制御が好適に改良され、非接触状態が好適に保たれる。
"Improvement of feedback control (when using f1 amplitude)"
Further, as shown in FIG. 3, the interference signal has a biphasic property, that is, increases in the non-contact region and then decreases in the contact region. On the other hand, the f1 amplitude has a characteristic that continues to decrease even after the probe contacts the sample surface, that is, does not exhibit biphasic properties. Therefore, it is not known from the amplitude alone whether the probe has contacted the sample surface. Even in this case, the feedback control is preferably improved by applying the same principle as in the case of using the interference signal, and the non-contact state is suitably maintained.

ただし、探針と試料が近づくとき、干渉振幅が増大するが、f1振幅は減少する。この相違に伴い、フィードバック制御も変更される。以下、f1振幅を用いる場合のフィードバック制御の改良について説明する。   However, when the probe approaches the sample, the interference amplitude increases, but the f1 amplitude decreases. With this difference, the feedback control is also changed. Hereinafter, the improvement of the feedback control when the f1 amplitude is used will be described.

(1)フィードバックゲインの可変制御
本発明は、f1振幅がセットポイントより大きいときと比較して、f1振幅が目標値より小さいときのフィードバックゲインを増大させる。好適には、f1振幅が目標値より大きいときは、フィードバックゲインが固定されていてよい。f1振幅が目標値より小さいときに、f1振幅と目標値の差に応じてフィードバックゲインが増大される。f1振幅と目標値の差に比例してフィードバックゲインが増大してよい。
(1) Variable control of feedback gain The present invention increases the feedback gain when the f1 amplitude is smaller than the target value, compared to when the f1 amplitude is larger than the set point. Preferably, when the f1 amplitude is larger than the target value, the feedback gain may be fixed. When the f1 amplitude is smaller than the target value, the feedback gain is increased according to the difference between the f1 amplitude and the target value. The feedback gain may increase in proportion to the difference between the f1 amplitude and the target value.

上記のゲイン可変制御により、干渉信号を用いる場合と同様の利点が得られる。すなわち、f1振幅がセットポイントより大きくなったときに、探針と試料をより早く離れさせることができる。さらに、ゲイン調整量を徐々に大きくする滑らか且つ安定した制御を行うことができる。   The gain variable control described above provides the same advantages as when using an interference signal. That is, when the f1 amplitude becomes larger than the set point, the probe and the sample can be separated earlier. Furthermore, smooth and stable control in which the gain adjustment amount is gradually increased can be performed.

(2)カンチレバーの撓みを利用した制御
干渉振幅を用いる場合、撓みを利用した制御が好適に行われた。f1振幅を用いる場合にも撓みが好適に利用される。すなわち、本発明は、撓みが生じたときにカンチレバーと試料を離れさせることにより、探針が試料に過度に接触するのを防止できる。具体的には、f1振幅の検出値が調整され、調整後のf1振幅を用いてフィードバック信号が生成されてよい。また、フィードバック信号の生成時又は生成後に、フィードバック信号が調整されてよい。ここでフィードバック信号とは、f1振幅を目標値に保つようにアクチュエータ(スキャナ)を駆動するための制御信号である。具体例を下記に挙げる。
(2) Control Using Cantilever Deflection When using interference amplitude, control utilizing bend was suitably performed. The deflection is also preferably used when using the f1 amplitude. That is, according to the present invention, the probe can be prevented from excessively contacting the sample by separating the cantilever from the sample when bending occurs. Specifically, the detection value of the f1 amplitude may be adjusted, and a feedback signal may be generated using the adjusted f1 amplitude. Further, the feedback signal may be adjusted during or after the generation of the feedback signal. Here, the feedback signal is a control signal for driving the actuator (scanner) so as to keep the f1 amplitude at the target value. Specific examples are given below.

(2.1)下限振幅A2、第1上限撓みD1
図11に示すように、f1振幅の下限設定値として、下限振幅A2が設定される。また、撓みの1段目の上限設定値として、第1上限撓みD1が設定される。下限振幅A2は、本発明の振幅調整用のしきい振幅に相当し、第1上限撓みD1は、本発明の振幅調整用のしきい撓みに相当する。第1上限撓みD1は、図示のように、探針の接触直後に対応する小さい値に設定されている。
(2.1) Lower limit amplitude A2, first upper limit deflection D1
As shown in FIG. 11, the lower limit amplitude A2 is set as the lower limit set value of the f1 amplitude. Further, the first upper limit deflection D1 is set as the upper limit set value for the first stage of deflection. The lower limit amplitude A2 corresponds to the threshold amplitude for amplitude adjustment of the present invention, and the first upper limit deflection D1 corresponds to the threshold deflection for amplitude adjustment of the present invention. As shown in the drawing, the first upper limit deflection D1 is set to a small value corresponding to immediately after the contact of the probe.

本発明によれば、f1振幅が下限振幅A2より小さくなるか、あるいは、撓みが第1上限撓みD1より大きくなると、f1振幅の検知信号が減少するように調整される。これにより、探針の接触寸前又は接触直後に振幅検知信号の減少調整が行われる。したがって、探針と試料の非接触状態を維持するように図ることができ、また、探針と試料が接触してしまった場合でも、より早く非接触状態に復帰できる。   According to the present invention, when the f1 amplitude becomes smaller than the lower limit amplitude A2 or the deflection becomes larger than the first upper limit deflection D1, the detection signal of the f1 amplitude is adjusted to decrease. Thereby, the decrease detection of the amplitude detection signal is performed immediately before or immediately after the contact of the probe. Therefore, it is possible to maintain the non-contact state between the probe and the sample, and even when the probe and the sample are in contact with each other, the non-contact state can be quickly restored.

ここではf1振幅の検知信号が調整されたが、既に述べた通り、f1振幅の代わりにフィードバック信号が調整されてもよい。   Here, the detection signal of the f1 amplitude is adjusted, but as described above, the feedback signal may be adjusted instead of the f1 amplitude.

(2.2)第2の上限撓みD2
また、図11に示されるように、撓みの2段目の上限設定値として、第2上限撓みD2が設定される。第2上限撓みD2は、第1上限撓みD1より大きく設定され、ノイズ等を考慮しても確実に接触状態が生じているときの撓みに設定されている。第2上限撓みD2は、本発明のフィードバック信号調整用のしきい撓みに相当する。本発明によれば、カンチレバーの撓みが第2上限撓みD2より大きい場合、カンチレバーと試料を強制的に引き離す値へとフィードバック信号が調整される。これにより、探針と試料が接触してしまった場合に、より早く非接触状態を回復できる。
(2.2) Second upper limit deflection D2
Further, as shown in FIG. 11, the second upper limit deflection D2 is set as the upper limit set value for the second stage of deflection. The second upper limit deflection D2 is set to be larger than the first upper limit deflection D1, and is set to be a deflection when the contact state is surely generated even when noise or the like is taken into consideration. The second upper limit deflection D2 corresponds to the threshold deflection for adjusting the feedback signal of the present invention. According to the present invention, when the deflection of the cantilever is larger than the second upper limit deflection D2, the feedback signal is adjusted to a value for forcibly separating the cantilever and the sample. Thereby, when a probe and a sample have contacted, a non-contact state can be recovered more quickly.

ここではフィードバック信号が調整されたが、既に述べた通り、フィードバック信号の代わりにf1振幅の検知信号が調整されてもよい。   Although the feedback signal is adjusted here, as described above, the detection signal having the f1 amplitude may be adjusted instead of the feedback signal.

上記のように、f1振幅のフィードバック制御でも撓みが好適に用いられる。特に、干渉振幅は2相性を示すが、f1振幅は2相性を示さない。したがって、f1振幅のみからは、探針と試料の接触を判別できない。しかし、本発明は、撓みを利用して、上述のような処理を行い、探針が試料に過度に接触するのを防止でき、探針と試料が非接触状態に好適に復帰できる。   As described above, the bending is also preferably used in the feedback control of the f1 amplitude. In particular, the interference amplitude is biphasic, but the f1 amplitude is not biphasic. Therefore, the contact between the probe and the sample cannot be determined only from the f1 amplitude. However, according to the present invention, the above-described processing is performed by using the bending, the probe can be prevented from excessively contacting the sample, and the probe and the sample can be suitably returned to the non-contact state.

「f1振幅を用いるSPMの構成」
次に、f1振幅を用いる場合のSPMの構成の具体例を説明する。
"Configuration of SPM using f1 amplitude"
Next, a specific example of the SPM configuration when using the f1 amplitude will be described.

ここでは、前述の実施の形態と同様、本発明がAFMに適用される。このAFMの構成は、基本的には図5に示される前述の実施の形態のAFMと同様でよい。ただし、前述の実施の形態では、抽出部25がレバー振動信号から干渉信号を抽出し、振幅検出部27が干渉振幅を検出し、干渉振幅がフィードバック制御部29でフィードバック制御に用いられた。本実施の形態では、抽出部25がレバー振動信号から試料側周波数f1の成分を抽出し、振幅検出部27が、試料側周波数f1の成分の振幅、すなわちf1振幅を検出し、フィードバック制御部29がf1振幅を用いてフィードバック制御を行う。フィードバック制御のセットポイントは、上述の実施の形態とは異なり、探針と試料が非接触状態にあるときの適当なf1振幅に設定される(図10)。セットポイントは、コンピュータ31から供給される。   Here, the present invention is applied to the AFM as in the above-described embodiment. The configuration of this AFM may be basically the same as that of the above-described embodiment shown in FIG. However, in the above-described embodiment, the extraction unit 25 extracts the interference signal from the lever vibration signal, the amplitude detection unit 27 detects the interference amplitude, and the interference amplitude is used by the feedback control unit 29 for feedback control. In the present embodiment, the extraction unit 25 extracts the component of the sample side frequency f1 from the lever vibration signal, the amplitude detection unit 27 detects the amplitude of the component of the sample side frequency f1, that is, the f1 amplitude, and the feedback control unit 29. Performs feedback control using the f1 amplitude. Unlike the above-described embodiment, the feedback control set point is set to an appropriate f1 amplitude when the probe and the sample are in a non-contact state (FIG. 10). The set point is supplied from the computer 31.

前述の実施の形態では、抽出部25の好適な構成は、図6のフーリエフィルタであった。本実施の形態でも、図6のフーリエフィルタにより抽出部25が好適に構成される。ただし、本実施の形態では、フィルタ発振器41が、試料側周波数f1の信号を出力する。すなわち、フィルタ発振器41が、cos(2πf1t)を乗算器43、51に出力し、sin(2πf1t)を乗算器47、53に出力する。そして、これらの信号cos(2πf1t)、sin(2πf1t)がフィルタ処理に用いられる。その他の構成は前述の実施の形態と同様でよい。   In the above-described embodiment, the preferred configuration of the extraction unit 25 is the Fourier filter of FIG. Also in this embodiment, the extraction unit 25 is preferably configured by the Fourier filter of FIG. However, in the present embodiment, the filter oscillator 41 outputs a signal having the sample-side frequency f1. That is, the filter oscillator 41 outputs cos (2πf1t) to the multipliers 43 and 51, and outputs sin (2πf1t) to the multipliers 47 and 53. These signals cos (2πf1t) and sin (2πf1t) are used for the filter processing. Other configurations may be the same as those of the above-described embodiment.

また、前述の実施の形態では、フィードバック制御部29は、図7に示されるようにダイナミック制御を行う構成を有していた。本実施の形態でも、フィードバック制御部29が図7の構成を有してよい。   Further, in the above-described embodiment, the feedback control unit 29 has a configuration for performing dynamic control as shown in FIG. Also in this embodiment, the feedback control unit 29 may have the configuration of FIG.

ただし、本実施の形態では、干渉振幅の代わりにf1振幅が減算回路61に入力される。また、セットポイントが前述の実施の形態と異なっている。更に、減算回路61は、前述の実施の形態とは逆に、f1振幅からセットポイントを減算する。これは、探針と試料が近づくときに、干渉振幅は増大するが、f1振幅は減少するからである。   However, in the present embodiment, the f1 amplitude is input to the subtraction circuit 61 instead of the interference amplitude. Further, the set point is different from the above-described embodiment. Further, the subtraction circuit 61 subtracts the set point from the f1 amplitude, contrary to the above-described embodiment. This is because when the probe approaches the sample, the interference amplitude increases but the f1 amplitude decreases.

また、フィードバックゲイン調整回路65は、偏差信号が正のとき(f1振幅が目標値より大きいとき)と比較して、偏差信号が負のとき(f1振幅が目標値より小さいとき)のフィードバックゲインを大きくする。具体的には、偏差信号が正のときは、フィードバックゲインの調整は行われず、したがって、フィードバックゲインが固定されている。偏差信号が負のときは、偏差信号に応じてフィードバックゲインが増大される。この調整は、偏差信号に比例してフィードバックゲインを増大させる。   Further, the feedback gain adjustment circuit 65 compares the feedback gain when the deviation signal is negative (when the f1 amplitude is smaller than the target value) as compared with when the deviation signal is positive (when the f1 amplitude is larger than the target value). Enlarge. Specifically, when the deviation signal is positive, the feedback gain is not adjusted, and therefore the feedback gain is fixed. When the deviation signal is negative, the feedback gain is increased according to the deviation signal. This adjustment increases the feedback gain in proportion to the deviation signal.

上記のフィードバック制御により、前述の実施の形態と同様、非接触状態を極力維持することができる。また、ゲイン調整量を徐々に大きくする滑らか且つ安定した制御を行うことができる。   By the above feedback control, the non-contact state can be maintained as much as possible as in the above-described embodiment. Further, smooth and stable control for gradually increasing the gain adjustment amount can be performed.

「f1振幅を用いるSPMの構成」
(カンチレバーの撓みを用いる場合)
次に、カンチレバーの撓みを用いる場合のSPMの構成を説明する。
"Configuration of SPM using f1 amplitude"
(When using cantilever deflection)
Next, the configuration of the SPM when using cantilever deflection will be described.

ここでも、SPMは前述の実施の形態と同様にAFMである。このAFMの構成は、基本的には図8及び図9に示される前述の実施の形態のAFMと同様でよい。ただし、抽出部25はレバー振動信号から試料側周波数f1の成分を抽出し、振幅検出部27はf1振幅を検出し、フィードバック制御部75は干渉振幅の代わりにf1振幅を処理する(この点は既に説明した通りである)。   Again, the SPM is an AFM as in the previous embodiment. The configuration of this AFM may be basically the same as that of the above-described embodiment shown in FIGS. However, the extraction unit 25 extracts the component of the sample-side frequency f1 from the lever vibration signal, the amplitude detection unit 27 detects the f1 amplitude, and the feedback control unit 75 processes the f1 amplitude instead of the interference amplitude (this point is As already explained).

さらに、振幅調整部91の比較器101は、f1振幅を下限振幅A2(図11)と比較する。そして、比較器101は、f1振幅が下限振幅A2より小さい場合に「1」をOR回路105に出力する。また、スイッチ回路107から乗算回路109へは、1より小さいゲインgが供給される(g<1)。   Further, the comparator 101 of the amplitude adjusting unit 91 compares the f1 amplitude with the lower limit amplitude A2 (FIG. 11). Then, the comparator 101 outputs “1” to the OR circuit 105 when the f1 amplitude is smaller than the lower limit amplitude A2. A gain g smaller than 1 is supplied from the switch circuit 107 to the multiplication circuit 109 (g <1).

したがって、本実施の形態では、振幅調整部91は、f1振幅が下限振幅A1を下まわるか、撓み検出値が第1上限撓みD1を超えた場合に、f1振幅の検知信号にゲインg(<1)を掛け、検知信号を小さくする。このようにして、探針と試料が接触しそうになったか、少し接触したときには、振幅調整によって探針と振幅が引き離される。   Therefore, in the present embodiment, the amplitude adjustment unit 91 applies the gain g (<<) to the detection signal of the f1 amplitude when the f1 amplitude falls below the lower limit amplitude A1 or the detected deflection value exceeds the first upper limit deflection D1. Multiply 1) to reduce the detection signal. In this way, when the probe is about to come into contact with the sample or is slightly in contact, the amplitude is separated from the probe by amplitude adjustment.

その他、本実施の形態でも、減算回路61、ダイナミックPID回路63及びフィードバックゲイン調整回路65が、f1振幅の処理に適合するように変更される。この点は既に説明した通りである。   In addition, also in this embodiment, the subtraction circuit 61, the dynamic PID circuit 63, and the feedback gain adjustment circuit 65 are changed so as to be adapted to the processing of the f1 amplitude. This point has already been explained.

「レバー側周波数f2の成分の利用」
最後に、レバー側周波数f2の成分を利用する構成について述べる。非接触状態で探針と試料が近づくとき、試料側周波数f1の成分の振幅だけでなく、レバー側周波数f2の成分の振幅も減少する。このような現象の原因は、試料側周波数f1の成分と同様に考えられる。すなわち、レバー側周波数f2の振動エネルギーの一部が干渉信号(周波数Δf=|f1−f2|)の振動エネルギーに変換されていると考えられる。そして、レバー側周波数f2の成分の振幅変化も、超音波干渉によって生じているといえる。
“Use of the component of lever side frequency f2”
Finally, a configuration using the component of the lever side frequency f2 will be described. When the probe and the sample approach in a non-contact state, not only the amplitude of the component of the sample side frequency f1, but also the amplitude of the component of the lever side frequency f2 decreases. The cause of such a phenomenon is considered similarly to the component of the sample-side frequency f1. That is, it is considered that a part of the vibration energy of the lever side frequency f2 is converted into the vibration energy of the interference signal (frequency Δf = | f1-f2 |). And it can be said that the amplitude change of the component of the lever side frequency f2 is also caused by the ultrasonic interference.

上記のように探針試料距離の減少に伴ってレバー側周波数f2の成分の振幅も減少する。すなわち、レバー側周波数f2の成分の信号も、本発明の特定周波数成分に相当する。したがって、上記のフィードバック制御とイメージングは、試料側周波数f1の成分の代わりにレバー側周波数f2の成分を用いて同様に行われてよい。すなわち、抽出部25がレバー振動信号からレバー側周波数f2の成分を抽出してよく、振幅検出部27がレバー側周波数f2の成分の振幅を検出してよく、フィードバック制御部29がレバー側周波数f2の成分の振幅を用いてフィードバック制御を行ってよい。フィードバック制御の改良も、同様に行われてよい。ただし、本発明者の測定結果では、レバー側周波数f2の成分の振幅よりも、試料側周波数f1の成分の振幅の方が、探針試料距離に応じて顕著に変化する。したがって、試料側周波数f1の成分を用いることで、形状測定をより正確に行える。   As described above, the amplitude of the component of the lever side frequency f2 also decreases as the probe sample distance decreases. That is, the signal of the component of the lever side frequency f2 also corresponds to the specific frequency component of the present invention. Therefore, the above feedback control and imaging may be similarly performed using the component of the lever side frequency f2 instead of the component of the sample side frequency f1. That is, the extraction unit 25 may extract the component of the lever side frequency f2 from the lever vibration signal, the amplitude detection unit 27 may detect the amplitude of the component of the lever side frequency f2, and the feedback control unit 29 may detect the lever side frequency f2. The feedback control may be performed using the amplitude of the component. Improvements in feedback control may be made as well. However, in the measurement result of the present inventor, the amplitude of the component of the sample side frequency f1 changes more significantly according to the probe sample distance than the amplitude of the component of the lever side frequency f2. Therefore, the shape measurement can be performed more accurately by using the component of the sample side frequency f1.

以上に本発明の好適な実施の形態を説明した。しかし、本発明は上述の実施の形態に限定されず、当業者が本発明の範囲内で上述の実施の形態を変形可能なことはもちろんである。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that those skilled in the art can modify the above-described embodiments within the scope of the present invention.

以上のように、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、生体分子等の観察に有用である。   As described above, the scanning probe microscope according to the present invention is useful for observing biomolecules and the like.

従来の超音波を利用するSPMを示す図である。It is a figure which shows SPM using the conventional ultrasonic wave. 本発明の実施の形態に係るSPMの原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of SPM which concerns on embodiment of this invention. カンチレバーの干渉振幅及び平均撓み量の、探針・試料間距離に対する依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence with respect to the distance between a probe and a sample of the interference amplitude and average deflection amount of a cantilever. 干渉振幅と平均撓みを用いた好適なフィードバック制御を説明する図である。It is a figure explaining suitable feedback control using interference amplitude and average deflection. 本実施の形態のAFMの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of AFM of this Embodiment. レバー振動信号から干渉信号を抽出する回路を示す図である。It is a figure which shows the circuit which extracts an interference signal from a lever vibration signal. フィードバック制御部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a feedback control part. 別の実施の形態のAFMの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of AFM of another embodiment. 図8の実施の形態における撓み検出部及びフィードバック制御部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the bending detection part in the embodiment of FIG. 8, and a feedback control part. カンチレバー振動における試料側周波数成分振幅及び平均撓み量の、探針・試料間距離に対する依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence with respect to the distance between a probe and a sample of the sample side frequency component amplitude and average deflection amount in cantilever vibration. 試料側周波数成分振幅と平均撓みを用いた好適なフィードバック制御を説明する図である。It is a figure explaining suitable feedback control using sample side frequency ingredient amplitude and average deflection.

符号の説明Explanation of symbols

1、71 原子間力顕微鏡(AFM)
3 カンチレバー
5 試料ステージ
7 スキャナ
9 レバー側圧電体
11 試料側圧電体
13 試料基板
15 発振器
21 レーザユニット
23 センサ
25 抽出部
27 振幅検出部
29 フィードバック制御部
31 コンピュータ
33 モニタ
61 減算回路
63 ダイナミックPID回路
65 フィードバックゲイン調整回路
73 撓み検出部
75 フィードバック制御部
91 振幅調整部
93 フィードバック信号調整部
f1 試料側周波数
f2 レバー側周波数
1,71 Atomic force microscope (AFM)
3 Cantilever 5 Sample stage 7 Scanner 9 Lever side piezoelectric body 11 Sample side piezoelectric body 13 Sample substrate 15 Oscillator 21 Laser unit 23 Sensor 25 Extraction unit 27 Amplitude detection unit 29 Feedback control unit 31 Computer 33 Monitor 61 Subtraction circuit 63 Dynamic PID circuit 65 Feedback gain adjustment circuit 73 Deflection detection unit 75 Feedback control unit 91 Amplitude adjustment unit 93 Feedback signal adjustment unit f1 Sample side frequency f2 Lever side frequency

Claims (24)

探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバー及び試料の相対的な走査を行うスキャナと、
前記試料に対して試料側周波数の超音波を発射する試料側超音波発射部と、
前記試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波を前記カンチレバーに発射するレバー側超音波発射部と、
前記カンチレバーの振動を表すレバー振動信号を検出するセンサと、
前記レバー振動信号から、非接触状態にある前記探針及び前記試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分を抽出する抽出部と、
前記特定周波数成分の振幅を検出する振幅検出部と、
前記特定周波数成分の前記振幅が所定の目標値に一致するように前記スキャナのフィードバック制御を行うフィードバック制御部とを備え、
前記フィードバック制御の前記目標値は、前記探針と前記試料が非接触状態で近接しているときの前記特定周波数成分の振幅に設定されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
A cantilever with a probe,
A scanner for relative scanning of the cantilever and the sample;
A sample-side ultrasonic wave emitting unit that emits ultrasonic waves of a sample-side frequency to the sample;
A lever side ultrasonic wave emitting unit for emitting ultrasonic waves of a lever side frequency different from the sample side frequency to the cantilever;
A sensor for detecting a lever vibration signal representing the vibration of the cantilever;
An extraction unit that extracts a specific frequency component that changes according to the distance between the probe and the sample in a non-contact state from the lever vibration signal;
An amplitude detector for detecting the amplitude of the specific frequency component;
A feedback control unit that performs feedback control of the scanner so that the amplitude of the specific frequency component matches a predetermined target value;
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the target value of the feedback control is set to an amplitude of the specific frequency component when the probe and the sample are close to each other in a non-contact state.
前記試料側周波数及び前記レバー側周波数の差の絶対値が前記カンチレバーの共振周波数に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein an absolute value of a difference between the sample side frequency and the lever side frequency is set to a resonance frequency of the cantilever. 前記レバー側周波数が前記試料側周波数より小さく設定されていることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the lever side frequency is set smaller than the sample side frequency. 前記抽出部は、前記特定周波数成分の信号として、前記試料側周波数及び前記レバー側周波数の差の絶対値の周波数成分である干渉信号を抽出し、
前記振幅検出部は、前記干渉信号の振幅である干渉振幅を検出し、
前記フィードバック制御の前記目標値は、前記探針と前記試料が非接触状態で近接しているときの前記干渉振幅に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The extraction unit extracts an interference signal that is a frequency component of an absolute value of a difference between the sample side frequency and the lever side frequency as the signal of the specific frequency component,
The amplitude detector detects an interference amplitude which is an amplitude of the interference signal;
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the target value of the feedback control is set to the interference amplitude when the probe and the sample are close to each other in a non-contact state.
前記フィードバック制御部は、前記干渉振幅が前記目標値より小さいときと比較して、前記干渉振幅が前記目標値より大きいときのフィードバックゲインを大きくすることを特徴とする請求項4に記載の走査型プローブ顕微鏡。   5. The scanning type according to claim 4, wherein the feedback control unit increases a feedback gain when the interference amplitude is larger than the target value as compared to when the interference amplitude is smaller than the target value. Probe microscope. 前記フィードバック制御部は、前記干渉振幅が前記目標値より大きいときに、前記干渉振幅と前記目標値の差に応じて前記フィードバックゲインを増大させるフィードバックゲイン調整部を有することを特徴とする請求項5に記載の走査型プローブ顕微鏡。   6. The feedback control unit according to claim 5, further comprising a feedback gain adjustment unit that increases the feedback gain according to a difference between the interference amplitude and the target value when the interference amplitude is larger than the target value. A scanning probe microscope as described in 1. above. 前記レバー振動信号から前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出部を有し、前記フィードバック制御部は、前記撓みに基づいて前記カンチレバー及び前記試料を離れさせる処理を行うように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の走査型プローブ顕微鏡。   A bend detection unit that detects the bend of the cantilever from the lever vibration signal, and the feedback control unit is configured to perform a process of separating the cantilever and the sample based on the bend. The scanning probe microscope according to claim 4. 前記フィードバック制御部は、前記カンチレバーの前記撓みに基づいて、前記振幅検出部により検出される前記干渉振幅の検知信号を増大させる振幅調整部を有し、前記フィードバック制御部は、前記振幅調整部により調整された前記干渉振幅を用いて前記フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項7に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The feedback control unit includes an amplitude adjustment unit that increases a detection signal of the interference amplitude detected by the amplitude detection unit based on the deflection of the cantilever, and the feedback control unit is controlled by the amplitude adjustment unit. The scanning probe microscope according to claim 7, wherein the feedback control is performed using the adjusted interference amplitude. 前記振幅調整部は、前記撓みが所定の振幅調整用のしきい撓みより大きい場合、及び、前記干渉振幅が所定の振幅調整用のしきい振幅より大きい場合の少なくとも一方にて、前記干渉振幅の検知信号を調整することを特徴とする請求項8に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The amplitude adjustment unit is configured to reduce the interference amplitude when at least one of the deflection is larger than a predetermined amplitude adjustment threshold deflection and when the interference amplitude is larger than a predetermined amplitude adjustment threshold amplitude. The scanning probe microscope according to claim 8, wherein the detection signal is adjusted. 前記フィードバック制御部は、前記カンチレバーの前記撓みに基づいて、前記カンチレバーと前記試料が離れるように前記フィードバック制御部により生成されるフィードバック信号を調整するフィードバック信号調整部を有することを特徴とする請求項7に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The feedback control unit includes a feedback signal adjustment unit that adjusts a feedback signal generated by the feedback control unit so that the cantilever and the sample are separated based on the deflection of the cantilever. 8. A scanning probe microscope according to 7. 前記フィードバック信号調整部は、前記撓みが所定のフィードバック信号調整用のしきい撓みより大きい場合、前記カンチレバーと前記試料を強制的に引き離す値へと前記フィードバック信号を調整することを特徴とする請求項10に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The feedback signal adjustment unit adjusts the feedback signal to a value for forcibly separating the cantilever and the sample when the deflection is larger than a threshold deflection for a predetermined feedback signal adjustment. 10. A scanning probe microscope according to 10. 前記抽出部は、前記特定周波数成分の信号として、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の信号を抽出し、
前記振幅検出部は、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅を検出し、
前記フィードバック制御の前記目標値は、前記探針と前記試料が非接触状態で近接しているときの前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The extraction unit extracts the signal of the sample side frequency component or the lever side frequency component as the signal of the specific frequency component,
The amplitude detector detects the amplitude of the sample side frequency component or the lever side frequency component,
The target value of the feedback control is set to an amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component when the probe and the sample are close to each other in a non-contact state. Item 2. A scanning probe microscope according to Item 1.
前記フィードバック制御部は、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅が前記目標値より大きいときと比較して、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅が前記目標値より小さいときのフィードバックゲインを大きくすることを特徴とする請求項12に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The feedback control unit is configured such that the amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component is smaller than the target value compared to when the amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component is larger than the target value. The scanning probe microscope according to claim 12, wherein a feedback gain at the time is increased. 前記フィードバック制御部は、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅が前記目標値より小さいときに、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅と前記目標値の差に応じて前記フィードバックゲインを増大させるフィードバックゲイン調整部を有することを特徴とする請求項13に記載の走査型プローブ顕微鏡。   When the amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component is smaller than the target value, the feedback control unit responds to a difference between the amplitude of the sample-side frequency component or the lever-side frequency component and the target value. The scanning probe microscope according to claim 13, further comprising a feedback gain adjustment unit that increases the feedback gain. 前記レバー振動信号から前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出部を有し、前記フィードバック制御部は、前記撓みに基づいて前記カンチレバー及び前記試料を離れさせる処理を行うように構成されていることを特徴とする請求項12に記載の走査型プローブ顕微鏡。   A bend detection unit that detects the bend of the cantilever from the lever vibration signal, and the feedback control unit is configured to perform a process of separating the cantilever and the sample based on the bend. The scanning probe microscope according to claim 12. 前記フィードバック制御部は、前記カンチレバーの前記撓みに基づいて、前記振幅検出部により検出される前記振幅の検知信号を減少させる振幅調整部を有し、前記フィードバック制御部は、前記振幅調整部により調整された前記振幅を用いて前記フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項15に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The feedback control unit includes an amplitude adjustment unit that reduces the amplitude detection signal detected by the amplitude detection unit based on the deflection of the cantilever, and the feedback control unit is adjusted by the amplitude adjustment unit. The scanning probe microscope according to claim 15, wherein the feedback control is performed using the measured amplitude. 前記振幅調整部は、前記撓みが所定の振幅調整用のしきい撓みより大きい場合、及び、前記振幅が所定の振幅調整用のしきい振幅より小さい場合の少なくとも一方にて、前記振幅の検知信号を調整することを特徴とする請求項16に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The amplitude adjustment unit detects the amplitude detection signal at least one of when the deflection is larger than a predetermined amplitude adjustment threshold deflection and when the amplitude is smaller than a predetermined amplitude adjustment threshold amplitude. The scanning probe microscope according to claim 16, wherein the scanning probe microscope is adjusted. 前記フィードバック制御部は、前記カンチレバーの前記撓みに基づいて、前記カンチレバーと前記試料が離れるように前記フィードバック制御部により生成されるフィードバック信号を調整するフィードバック信号調整部を有することを特徴とする請求項15に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The feedback control unit includes a feedback signal adjusting unit that adjusts a feedback signal generated by the feedback control unit so that the cantilever and the sample are separated from each other based on the bending of the cantilever. 15. A scanning probe microscope according to 15. 前記フィードバック信号調整部は、前記撓みが所定のフィードバック信号調整用のしきい撓みより大きい場合、前記カンチレバーと前記試料を強制的に引き離す値へと前記フィードバック信号を調整することを特徴とする請求項18に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The feedback signal adjustment unit adjusts the feedback signal to a value for forcibly separating the cantilever and the sample when the deflection is larger than a threshold deflection for a predetermined feedback signal adjustment. The scanning probe microscope according to 18. スキャナに取り付けられる試料ステージを有し、
前記試料側超音波発射部の超音波発生源が、前記試料ステージと、前記試料を保持する基体との間に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
A sample stage attached to the scanner;
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein an ultrasonic wave generation source of the sample-side ultrasonic wave emitting unit is disposed between the sample stage and a substrate that holds the sample.
前記抽出部は、前記レバー振動信号から、前記特定周波数成分の信号におけるフーリエ級数の1倍波成分を再構成するフーリエフィルタを含むことを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the extraction unit includes a Fourier filter that reconstructs a first harmonic component of a Fourier series in the signal of the specific frequency component from the lever vibration signal. 前記フーリエフィルタは、前記特定周波数成分の周波数を持つコサイン波信号を前記レバー振動信号に乗算し、1周期分の積分を行って第1DC値を取得し、前記コサイン波信号と同じ周波数のサイン波信号を前記レバー振動信号に乗算し、1周期分の積分を行って第2DC値を取得し、更に、前記第1DC値に前記コサイン波信号を乗算した信号と前記第2DC値に前記サイン波信号を乗算した信号との和を求めることを特徴とする請求項21に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The Fourier filter multiplies the lever vibration signal by a cosine wave signal having a frequency of the specific frequency component, performs integration for one period, obtains a first DC value, and obtains a sine wave having the same frequency as the cosine wave signal. A signal obtained by multiplying the lever vibration signal by integration for one period to obtain a second DC value, and a signal obtained by multiplying the first DC value by the cosine wave signal and the second DC value by the sine wave signal. The scanning probe microscope according to claim 21, wherein a sum with a signal multiplied by is obtained. 探針を有するカンチレバーと試料を近づけて配置し、
前記試料に対して試料側周波数の超音波を発射し、
前記試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波を前記カンチレバーに発射し、
前記カンチレバーの振動を表すレバー振動信号を検出し、
前記レバー振動信号から、非接触状態にある前記探針及び前記試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分を抽出し、
前記特定周波数成分の振幅を検出し、
前記特定周波数成分の前記振幅が所定の目標値に一致するように前記カンチレバーと前記試料の距離のフィードバック制御を行い、前記フィードバック制御の前記目標値は、前記探針と前記試料が非接触状態で近接しているときの前記特定周波数成分の振幅に設定されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による試料観察方法。
Place the sample close to the cantilever with the probe,
Firing ultrasonic waves of the sample side frequency against the sample,
Firing an ultrasonic wave of a lever side frequency different from the sample side frequency to the cantilever,
Detecting a lever vibration signal representing the vibration of the cantilever;
From the lever vibration signal, extract a specific frequency component that changes according to the distance between the probe and the sample in a non-contact state,
Detecting the amplitude of the specific frequency component;
Feedback control of the distance between the cantilever and the sample is performed so that the amplitude of the specific frequency component matches a predetermined target value, and the target value of the feedback control is determined when the probe and the sample are not in contact with each other. A sample observation method using a scanning probe microscope, wherein the amplitude is set to the amplitude of the specific frequency component when close to each other.
前記特定周波数成分の信号は、前記試料側周波数及び前記レバー側周波数の差の絶対値の周波数成分である干渉信号、前記試料側周波数成分の信号又は前記レバー側周波数成分の信号であることを特徴とする請求項23に記載の試料観察方法。   The signal of the specific frequency component is an interference signal that is a frequency component of an absolute value of a difference between the sample side frequency and the lever side frequency, a signal of the sample side frequency component, or a signal of the lever side frequency component. The sample observation method according to claim 23.
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