JP2013088186A - 走査型プローブ顕微鏡およびその位相調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カンチレバーの交換のたびに生じる位相検出の検出感度の変化を容易に補正し得る走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、自由端に探針１１をもつカンチレバー１２と、カンチレバー１２の変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部１５と、加振信号に基づいてカンチレバー１２を振動させる加振部１４と、試料１９と探針１１を三次元的に相対的に移動させる走査部２０と、カンチレバー１２の変位信号と加振信号に同期した同期信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相検出部３４を有している。位相検出部３４は、同期信号の位相を調整し得る位相調整部３５を備えている。位相調整部３５は、探針１１と試料１９が接触していない状態において存在する初期位相差をキャンセルする位相オフセットを変位信号と同期信号の位相差に与え得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針を走査しながら試料表面の情報を取得してマッピング表示する走査型顕微鏡の総称である。ＳＰＭには、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などがある。

ＡＦＭは、ＳＰＭの中で最も広く使用されており、機械的探針をその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的探針と試料を相対的に走査する走査機構を主要な要素として備えている。その光学式変位センサーには、構成が簡単でありながら検出感度が高いことから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。この光てこ式の光学式変位センサーは、カンチレバー上に直径が数μｍから数十μｍの光束を照射し、カンチレバーの反りの変化に応じた反射光の反射方向の変化を二分割光ディテクタなどによりとらえることにより、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作を反映した電気信号を出力する。ＡＦＭは、走査機構によって、光学式変位センサーの出力が一定になるように機械的探針と試料の間の相対距離をＺ方向に制御しながら機械的探針と試料の間の相対位置をＸＹ方向に走査することにより、試料表面の凹凸の状態をマッピングしてコンピュータのモニター上に表示する。

ＡＦＭでは、カンチレバーを振動させ、その振動特性から試料と探針の間に働く相互作用を検出する方式（ＡＣモード）を採用することが多い。それは、試料と探針の間に働く力を通常の方式（コンタクトモードと呼ばれる）に比べて弱く保つことができる利点があるからである。このＡＣモードＡＦＭでは、試料と探針の間に働く相互作用により生じるカンチレバーの振動すなわち変位の振幅変化や位相変化の一方を検出し、その検出結果に基づいて試料の表面形状を測定している。

特開２００８−２３２９８４号公報は、この種のＡＣモードＡＦＭのひとつを開示している。

ＡＣモードＡＦＭにおいては、試料と探針の間に働く相互作用が斥力の領域において振動状態の変化（振幅変化や位相変化）を検出し、それに基づいて画像形成することが多い。カンチレバーの変位の振幅は、試料と探針の間の斥力が大きくなるにつれて減少する。またカンチレバーの変位の位相は、斥力が大きくなるにつれて進む。

検出感度を考えた場合、カンチレバーの変位の振幅の変化量はカンチレバーの共振周波数近傍が最も大きい。このため、カンチレバーの変位の振幅の変化に基づいて制御するＡＭ方式（振幅変調方式）では、カンチレバーの振動周波数はカンチレバーの共振周波数近傍に設定される。またカンチレバーの変位の位相の変化に基づいて制御するＰＭ方式（位相変調方式）においても、カンチレバーの共振周波数近傍が最も検出感度が高い。

カンチレバーの変位の位相の変化、すなわち試料と探針が接触したことに起因して発生する位相差は、ロックインアンプ等の位相検波回路によって検出される。この位相検波回路は、位相信号としてＡｃｏｓφを出力する。ここで、Ａは、カンチレバーの変位信号の振幅、φは、カンチレバーの変位信号と加振信号に同期した同期信号（参照信号と呼ぶこともある）との位相差である。

特開２００８−２３２９８４号公報

しかしながら特開２００８−２３２９８４号公報に開示されるような従来のＡＣモードＡＦＭは以下に述べる問題を抱えている。

カンチレバーの変位信号と加振信号に同期した同期信号との位相差φは、試料と探針が接触していなくても、ある値をもつ。まず、カンチレバーをその機械的共振周波数で振動させるため、変位信号と同期信号との間には確実にπ／２の位相差が生じる。それに加えて、カンチレバーの機械的共振周波数にカンチレバーの個体差があるためにカンチレバーを振動させる周波数が変化し、カンチレバーを振動させる圧電素子やカンチレバーを保持するホルダの機械振動特性に起因する予測できない位相差が生じてしまう。つまり、カンチレバーの変位信号と加振信号と同期した同期信号との位相差には、試料と探針が接触していない状態であっても、予測できない位相差の初期値が存在する。位相信号Ａｃｏｓφは、φの初期値によって、φの変化に対する信号の変化量すなわち検出感度が変化する。その結果、従来のＡＣモードＡＦＭにおいては、カンチレバーを交換するたびに検出感度が変化してしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、カンチレバーの交換のたびに生じる位相検出の検出感度の変化を容易に補正し得る走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

本発明による走査型プローブ顕微鏡は、自由端に探針をもつカンチレバーと、前記探針と試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させる加振部と、前記カンチレバーの変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相検出部とを備えている。前記位相検出部は、前記探針と前記試料が接触していない状態において存在する初期位相差をキャンセルする位相オフセットを前記位相差に与える位相調整部を有している。

本発明によれば、カンチレバーの交換のたびに生じる位相検出の検出感度の変化を容易に補正し得る走査型プローブ顕微鏡が提供される。

第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 図１の信号処理部における信号の流れを示している。 第一実施形態の変形例による図１の信号処理部における信号の流れを示している。 −Ａｓｉｎφとφの関係を示したグラフである。 第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 図６の信号処理部における信号の流れを示している。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を図１に示す。図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡は、自由端に探針１１をもつカンチレバー１２を有している。このカンチレバー１２は、試料１９に正対するようにホルダ１３に保持され得る。

走査型プローブ顕微鏡はまた、カンチレバー１２の変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部１５を有している。変位検出部１５は、光てこ式の光学式変位センサーで構成されており、カンチレバー１２の背面に集束されたレーザ光を照射するレーザ光源１６と、カンチレバー１２の背面から反射されたレーザ光を受ける分割ディテクタ１７と、分割ディテクタ１７の出力からカンチレバー１２の変位信号を生成する演算アンプ１８から構成されている。

走査型プローブ顕微鏡はまた、加振信号に基づいてカンチレバー１２を振動させる加振部１４を有している。加振部１４は、たとえば、ホルダ１３に設けられている。加振部１４は、たとえば圧電素子で構成され、カンチレバー１２をその機械的共振周波数近傍の周波数で所定の振幅で振動させ得る。

走査型プローブ顕微鏡はまた、試料１９と探針１１を三次元的に相対的に移動させる走査部２０を有している。走査部２０は、Ｚスキャナ２１とＸＹスキャナ２２から構成されている。Ｚスキャナ２１はＸＹスキャナ２２上に配置されており、Ｚスキャナ２１上には、図示しない試料台を介して試料１９が載置され得る。Ｚスキャナ２１は、Ｚドライバ２３により駆動され、探針１１に対して試料１９をＺ方向に移動させ得る。またＸＹスキャナ２２は、ＸＹドライバ２４により駆動され、探針１１に対して試料１９をＸＹ方向に移動させ得る。

走査型プローブ顕微鏡はまた、Ｚドライバ２３とＸＹドライバ２４を制御するコントローラ２５と、試料１９の表面の画像を形成するホストコンピュータ２８を有している。コントローラ２５は、試料１９の表面に沿って探針１１を二次元的に走査するためのＸＹ走査信号と、探針１１と試料１９の間の距離を制御するためのＺ制御信号を生成し得る。コントローラ２５は、後述する振幅信号と位相信号の一方を選択してＺ制御部２７に供給する選択部２６と、選択部２６から供給される信号に基づいてＺ制御信号を生成するＺ制御部２７を有している。ホストコンピュータ２８は、コントローラ２５で生成されるＸＹ走査信号とＺ制御信号を用いて試料１９の表面の画像を形成し得る。ホストコンピュータ２８は、後述する位相オフセットの情報を入力設定するための入力部２９を有している。

走査型プローブ顕微鏡はまた、加振部１４に加振信号を供給するとともに、変位検出部１５から出力される変位信号から振幅信号と位相信号を生成する信号処理部３０を有している。信号処理部３０は、信号発生器３１と振幅検出部３２と振幅表示部３３と位相検出部３４と位相表示部３６を有している。

信号発生器３１は、たとえば、カンチレバー１２をその機械的共振周波数近傍の周波数で所定の振幅で振動させる加振信号を出力する。信号発生器３１はまた、加振信号に同期した同期信号を位相検出部３４に出力する。この同期信号は、加振信号と同一の周波数で同位相のたとえば方形波信号（ロジック信号）で構成され得る。

振幅検出部３２は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号の振幅を表す振幅信号を生成し、これを振幅表示部３３とコントローラ２５に出力する。

振幅表示部３３は、振幅検出部３２から供給される振幅信号を表示し得る。振幅表示部３３は、たとえばデジタルメータやアナログメータ、オシロスコープなどの信号の電圧値を表示する表示器で構成され得る。振幅表示部３３は、たとえば、振幅信号の値すなわち振幅値を表示する。振幅表示部３３は、ホストコンピュータ２８のモニターで代用することも可能である。

位相検出部３４は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と信号発生器３１から供給される同期信号の位相差の情報を含む位相信号を生成し、これを位相表示部３６とコントローラ２５に出力する。同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。

位相検出部３４は、信号発生器３１から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部３５を備えている。位相調整部３５は、コントローラ２５から供給される位相オフセット指令によって指示される所定の位相オフセットを同期信号の位相に与え得る。言い換えれば、位相調整部３５は、変位信号と同期信号の位相差に所定の位相オフセットを与え得る。位相検出部３４は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。所定の位相オフセットは、ホストコンピュータ２８の入力部２９によって、探針１１と試料１９が接触していない状態において存在する初期位相差をキャンセルするように入力設定される。つまり、位相調整部３５は、初期位相差をキャンセルする位相オフセットを変位信号と同期信号の位相差に与える。

位相表示部３６は、位相検出部３４から供給される位相信号を表示し得る。位相表示部３６は、たとえばデジタルメータやアナログメータ、オシロスコープなどの信号の電圧値を表示する表示器で構成され得る。位相表示部３６は、たとえば、位相信号の値を表示する。位相表示部３６は、ホストコンピュータ２８のモニターで代用することも可能である。

ここで、信号処理部３０における信号の流れについて図２を参照しながら説明する。

加振信号をＡ_０ｓｉｎω_０ｔとおく。ここで、Ａ_０は、加振信号の振幅、ω_０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω_０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ_０とすると、２π・ｆ_０とほぼ等しい値をもつ。

同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω_０）で同位相のたとえば方形波信号とする。

カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ_０は、探針１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、探針１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。探針１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。

振幅検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）の振幅Ａを検出し、その振幅を表す振幅信号Ａを出力する。

位相調整部３５は、位相オフセット指令に基づいて、同期信号の位相に位相オフセットψ_０を与える。すなわち、位相調整部３５は、同期信号の位相をψ_０だけシフトさせる。これは、カンチレバー１２の変位信号と同期信号（つまり加振信号）の位相差に、位相オフセット−ψ_０を与えることと等価である。位相検出部３４は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）と位相オフセットψ_０が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成して出力する。

次に位相調整の手順について説明する。

探針１１と試料１９が接触していない状態において、まず、信号発生器３１から加振信号Ａ_０ｓｉｎω_０ｔを出力させる。これと同時に、信号発生器３１から、加振信号と同一の周波数（角振動数ω_０）で同位相の方形波信号を出力させる。

次に、ホストコンピュータ２８の入力部２９において、同期信号に与える位相オフセットψ_０を入力設定する。このときに設定する位相オフセットψ_０は任意の値でかまわない。位相調整部３５は、位相オフセット指令に基づいて、同期信号の位相をψ_０だけシフトさせる。位相検出部３４は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）と位相オフセットψ_０が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成して出力する。位相表示部３６は、位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）の値を表示する。ここでφは、探針１１と試料１９が接触していない現状態では０である。したがって、位相表示部３６には、Ａｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が表示される。

次に、位相表示部３６に表示されたＡｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値をモニターしながら、Ａｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が最大値すなわちＡになるように、ホストコンピュータ２８の入力部２９において位相オフセットψ_０を調整する。その結果、位相オフセットψ_０はφ_０に等しく設定される。つまり、初期位相差φ_０がキャンセルされる。

この調整後においては、位相検出部３４から出力される位相差φの情報を含む位相信号は、Ａｃｏｓφとなる。

以上より、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡および位相調整方法によれば、探針１１と試料１９が接触していない状態で存在する初期位相差φ_０を容易にキャンセルすることができる。言い換えれば、カンチレバー１２の交換のたびに生じる位相検出の検出感度の変化を容易に補正することができる。その結果、探針１１と試料１９が接触することに起因して発生する位相差φの情報を含む位相信号を再現性良く検出することができる。

［変形例］
上述した位相調整の手順は、以下に説明するように変形されてもよい。この変形例の位相調整の手順について図３を用いて説明する。図３において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

探針１１と試料１９が接触していない状態において、まず、信号発生器３１から加振信号Ａ_０ｓｉｎω_０ｔを出力させる。これと同時に、信号発生器３１から、加振信号と同一の周波数（角振動数ω_０）で同位相の方形波信号を出力させる。

まず＜第一の工程＞として以下を行う。

ホストコンピュータ２８の入力部２９において、同期信号に与える位相オフセットψ_０を入力設定する。このときに設定する位相オフセットψ_０は任意の値でかまわない。位相調整部３５は、位相オフセット指令に基づいて、同期信号の位相をψ_０だけシフトさせる。位相検出部３４は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）と位相オフセットψ_０が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成して出力する。位相表示部３６は、位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）の値を表示する。ここでφは、探針１１と試料１９が接触していない現状態では０である。したがって、位相表示部３６には、Ａｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が表示される。

次に、位相表示部３６に表示されたＡｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値をモニターしながら、Ａｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が最大値すなわちＡになるように、ホストコンピュータ２８の入力部２９において位相オフセットψ_０を調整する。その結果、位相オフセットψ_０はφ_０に等しく設定される。この調整後においては、位相検出部３４から出力される位相差φの情報を含む位相信号は、Ａｃｏｓφとなる。

次に＜第二の工程＞として以下を行う。

ホストコンピュータ２８の入力部２９において、これまでの位相オフセットψ_０に代えて、ψ_０（＝φ_０）に−π／２を加算した値に等しい位相オフセットを新たに入力設定する。すなわち、ホストコンピュータ２８の入力部２９において、同期信号に与える位相オフセットをψ_０から（φ_０−π／２）に変更する。位相調整部３５は、位相オフセット指令に基づいて、同期信号の位相を（ψ_０−π／２）＝（φ_０−π／２）だけシフトさせる。位相検出部３４は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）と（φ_０−π／２）の位相オフセットが与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−φ_０＋π／２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／２）＝−Ａｓｉｎφを生成して出力する。これは、位相調整部３５において同期信号の位相を（φ_０−π／２）だけシフトさせることによって、カンチレバー１２の変位信号と同期信号（つまり加振信号）との位相差（φ_０＋φ）に、第二の位相オフセット（−φ_０＋π／２）を与えていることになる。

図４は、−Ａｓｉｎφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Ａｓｉｎφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して最も敏感に変化する。このため、探針１１と試料１９が接触することに起因して発生する位相差φを最も効率良く検出できる形であるといえる。

以上より、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡および位相調整方法の変形例によれば、探針１１と試料１９が接触していない状態で存在する初期位相差φ_０をキャンセルすることができる。言い換えれば、カンチレバー１２の交換のたびに生じる位相検出の検出感度の変化を容易に補正することができる。これに加えてさらに、探針１１と試料１９が接触することに起因して発生する位相差φを効率良く検出することができる。その結果、探針１１と試料１９が接触することに起因して発生する位相差φを、高い感度で再現性良く検出することが可能になる。

＜第二実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、信号処理部の構成が異なるほかは、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、本実施形態の信号処理部の構成と作用に重点をおいて説明する。

図５は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。図５において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

図５に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡における信号処理部４０は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡における信号処理部３０の位相表示部３６に代えて、除算部４１と位相表示部４２を備えた構成となっている。

除算部４１は、位相検出部３４から供給される位相信号を、振幅検出部３２から供給される振幅信号で除算し、その結果を表す除算信号を生成し出力する。

位相表示部４２は、除算部４１から供給される除算信号を表示し得る。位相表示部４２は、たとえばデジタルメータやアナログメータ、オシロスコープなどの信号の電圧値を表示する表示器で構成され得る。位相表示部４２は、たとえば、位相信号の値を表示する。位相表示部４２は、ホストコンピュータ２８のモニターで代用することも可能である。

ここで、信号処理部４０における信号の流れについて説明する。

第一実施形態と同様に、加振信号をＡ_０ｓｉｎω_０ｔとおく。ここで、Ａ_０は、加振信号の振幅、ω_０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω_０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ_０とすると、２π・ｆ_０とほぼ等しい値をもつ。

同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω_０）で同位相のたとえば方形波信号とする。

カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ_０は、探針１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、探針１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。探針１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。

振幅検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）の振幅Ａを検出し、その振幅を表す振幅信号Ａを出力する。

位相調整部３５は、位相オフセット指令に基づいて、同期信号の位相をψ_０だけシフトさせる。位相検出部３４は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）と位相オフセットψ_０が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成して出力する。

除算部４１は、位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を振幅信号Ａで除算した結果を表す除算信号ｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成し出力する。位相表示部４２は、除算信号ｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）の値を表示する。

次に位相調整の手順について説明する。

探針１１と試料１９が接触していない状態において、まず、信号発生器３１から加振信号Ａｓｉｎω_０ｔを出力させる。これと同時に、信号発生器３１から、加振信号と同一の周波数（角振動数ω_０）で同位相の方形波信号を出力させる。

次に、ホストコンピュータ２８の入力部２９において、同期信号に与える位相オフセットψ_０を入力設定する。このときに設定する位相オフセットψ_０は任意の値でかまわない。位相調整部３５は、位相オフセット指令に基づいて、同期信号の位相をψ_０だけシフトさせる。位相検出部３４は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）と位相オフセットψ_０が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成して出力する。除算部４１は、位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を振幅信号Ａで除算した除算信号ｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成し出力する。位相表示部４２は、除算信号ｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）の値を表示する。ここでφは、探針１１と試料１９が接触していない現状態では０である。したがって、位相表示部４２には、ｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が表示される。

次に、位相表示部４２に表示されたｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値をモニターしながら、ｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が最大値すなわち１になるように、ホストコンピュータ２８の入力部２９において位相オフセットψ_０を調整する。その結果、位相オフセットψ_０はφ_０に等しく設定される。つまり、初期位相差φ_０がキャンセルされる。

この調整後においては、位相検出部３４から出力される位相差φの情報を含む位相信号は、Ａｃｏｓφとなる。また、位相表示部４２に表示される除算信号はｃｏｓφとなる。

以上より、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡および位相調整方法によれば、ｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）の値が１になるよう調整するので、調整が直感的にできるようになるとともに精度も上がる。すなわち、精度良く、かつ容易に探針１１と試料１９が接触していない状態で存在する初期位相差φ_０をキャンセルできる。

＜第三実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、信号処理部の構成が異なるほかは、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、本実施形態の信号処理部の構成と作用に重点をおいて説明する。

図６は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。図６において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡における信号処理部５０は、第一実施形態における信号処理部３０の各構成すなわち信号発生器３１と振幅検出部３２と振幅表示部３３と位相検出部３４と位相表示部３６に加えて、位相検出部５１を備えている。また、第一実施形態では、位相検出部３４から出力される位相信号は位相表示部３６とコントローラ２５に供給されたが、本実施形態では、位相検出部３４から出力される位相信号は、位相表示部３６に供給されるが、コントローラ２５には供給されず、代わりに、位相検出部５１から出力される位相信号がコントローラ２５に供給される。

位相検出部５１は、信号発生器３１から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部５２を備えている。位相調整部５２は、コントローラ２５から供給されるコントローラ２５から供給される位相オフセット指令によって指示される所定の位相オフセットを同期信号の位相に与え得る。言い換えれば、位相調整部５２は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与え得る。位相検出部５１は、位相調整部５２によって位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。

位相調整部５２は、信号発生器３１から供給される同期信号の位相を所定の量だけシフトさせる。位相調整部５２は、同期信号に、位相オフセット指令によって指示される位相オフセットψ_０に−π／２を加算した値に等しい位相オフセットを与えるもので、この点において位相調整部３５と異なっている。つまり、所定の量とは、「位相オフセット指令によって指示された位相オフセット」＋「−π／２」である。

位相検出部５１は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と、位相調整部５２によって位相オフセットが与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号を生成し、これをコントローラ２５に出力する。

また、位相検出部３４は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と、位相調整部３５によって位相オフセットが与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号を生成し、これを位相表示部３６に出力する。

以上のように本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、コントローラ２５に供給される位相信号と位相表示部３６に供給される位相信号が、それぞれ、位相検出部５１と位相検出部３４によって独立して生成される。

ここで、信号処理部５０における信号の流れについて図７を参照しながら説明する。

第一実施形態と同様に、加振信号をＡ_０ｓｉｎω_０ｔとおく。ここで、Ａ_０は、加振信号の振幅、ω_０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω_０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ_０とすると、２π・ｆ_０とほぼ等しい値をもつ。

同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω_０）で同位相のたとえば方形波信号とする。

カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ_０は、探針１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、探針１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。探針１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。

振幅検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）の振幅Ａを検出し、その振幅を表す振幅信号Ａを出力する。

位相調整部３５は、位相オフセット指令に基づいて、同期信号の位相をψ_０だけシフトさせる。位相検出部３４は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）と位相オフセットψ_０が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成して出力する。位相表示部３６は、位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）の値を表示する。

位相調整部５２は、同期信号の位相に、位相オフセットψ_０に−π／２を加算した値に等しい位相オフセットを与える。つまり、位相調整部５２は、同期信号の位相をψ_０−π／２だけシフトさせる。位相検出部５１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）とψ_０−π／２の位相オフセットが与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０＋π／２）＝−Ａｓｉｎ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成し、これをコントローラ２５に出力する。

次に位相調整の手順について説明する。

探針１１と試料１９が接触していない状態において、まず、信号発生器３１から加振信号Ａ_０ｓｉｎω_０ｔを出力させる。これと同時に、信号発生器３１から、加振信号と同一の周波数（角振動数ω_０）で同位相の方形波信号を出力させる。

次に、ホストコンピュータ２８の入力部２９において、同期信号に与える位相オフセットψ_０を入力設定する。このときに設定する位相オフセットψ_０は任意の値でかまわない。位相調整部３５は、位相オフセット指令に基づいて、同期信号の位相をψ_０だけシフトさせる。位相検出部３４は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）と位相オフセットψ_０が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成して出力する。位相表示部３６は、位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）の値を表示する。ここでφは、探針１１と試料１９が接触していない現状態では０である。したがって、位相表示部３６には、Ａｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が表示される。

次に、位相表示部３６に表示されたＡｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値をモニターしながら、Ａｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が最大値すなわちＡになるように、ホストコンピュータ２８の入力部２９において位相オフセットψ_０を調整する。その結果、位相オフセットψ_０はφ_０に等しく設定される。つまり、初期位相差φ_０がキャンセルされる。

位相調整部５２は、同期信号の位相に、位相オフセットψ_０に−π／２を加算した値に等しい位相オフセットを与える。つまり、位相調整部５２は、同期信号の位相をψ_０−π／２だけシフトさせる。位相検出部５１は、変位信号Ａｓｉｎ（ω_０ｔ＋φ_０＋φ）とψ_０−π／２の位相オフセットが与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０＋π／２）＝−Ａｓｉｎ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成し、これをコントローラ２５に出力する。前述した位相オフセットψ_０の調整後においては、位相オフセットψ_０はφ_０に等しく設定されているので、位相検出部５１から出力される位相差φの情報を含む位相信号は、−Ａｓｉｎφとなる。

−Ａｓｉｎφは、図４に示したように、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して最も敏感に変化する。このため、探針１１と試料１９が接触することに起因して発生する位相差φを最も効率良く検出することができる。

以上より、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡および位相調整方法においては、探針１１と試料１９が接触していない状態で存在する初期位相差φ_０をキャンセルできる。言い換えれば、カンチレバー１２の交換のたびに生じる位相検出の検出感度の変化を容易に補正することができる。これに加えてさらに、探針１１と試料１９が接触することに起因して発生する位相差φを高い感度で検出することができる。その結果、探針１１と試料１９が接触することに起因して発生する位相差φを、高い感度で再現性良く検出することが可能になる。

本実施形態のこの利点は第一実施形態の変形例と共通しているが、これを達成するために、第一実施形態の変形例では２回の工程が必要であるのに対して、本実施形態では１回の工程で済む。

さらに本実施形態の走査型プローブ顕微鏡に、第二実施形態の図５で示した除算部を設けて、位相検出部３４から出力される位相信号を振幅信号で除算した結果である除算信号をモニターすれば、すなわち本実施形態と第二実施形態の組み合わせを行えば、調整が直感的にできるようになるとともに精度も上がる。すなわち、探針１１と試料１９が接触していない状態で存在する初期位相差φ_０を精度良く容易にキャンセルできるようになる。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

１１…探針、１２…カンチレバー、１３…ホルダ、１４…加振部、１５…変位検出部、１６…レーザ光源、１７…分割ディテクタ、１８…演算アンプ、１９…試料、２０…走査部、２１…Ｚスキャナ、２２…ＸＹスキャナ、２３…Ｚドライバ、２４…ＸＹドライバ、２５…コントローラ、２６…選択部、２７…Ｚ制御部、２８…ホストコンピュータ、２９…入力部、３０…信号処理部、３１…信号発生器、３２…振幅検出部、３３…振幅表示部、３４…位相検出部、３５…位相調整部、３６…位相表示部、４０…信号処理部、４１…除算部、４２…位相表示部、５０…信号処理部、５１…位相検出部、５２…位相調整部。

Claims (12)

1. 自由端に探針をもつカンチレバーと、
   前記探針と試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、
   加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させる加振部と、
   前記カンチレバーの変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部と、
   前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相検出部とを備え、
   前記位相検出部は、前記探針と前記試料が接触していない状態において存在する初期位相差をキャンセルする位相オフセットを前記位相差に与える位相調整部を有している、走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記位相オフセットの情報を入力する入力部と、
   前記位相信号を表示する位相表示部とをさらに備え、
   前記位相調整部は、前記入力部によって入力された前記情報に従って前記位相オフセットを前記位相差に与える、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記変位信号の振幅を表す振幅信号を生成する振幅検出部と、
   前記振幅信号を表示する振幅表示部と、
   前記位相オフセットの情報を入力する入力部と、
   前記位相信号を前記振幅信号で除算した除算信号を生成する除算部と、
   前記除算信号を表示する位相表示部とを備えている、請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記位相差の情報を含む第二の位相情報を生成する第二の位相検出部をさらに備え、
   前記第二の位相検出部は、前記入力部によって入力された前記情報に従って前記位相オフセットに＋π／２を加算した値に等しい第二の位相オフセットを前記位相差に与える第二の位相調整部を有している、請求項２または請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 自由端に探針をもつカンチレバーを加振信号に基づいて振動させる工程と、
   試料の表面に沿って前記探針を走査する工程と、
   前記カンチレバーの変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する工程と、
   前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する工程と、
   前記探針と前記試料が接触していない状態において存在する初期位相差をキャンセルする位相オフセットを前記位相差に与える工程とを有している走査型プローブ顕微鏡の位相調整方法。
6. 前記位相オフセットを与える工程は、前記位相信号をモニターしながら前記位相オフセットを調整する工程を有している、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡の位相調整方法。
7. 前記位相信号は、Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）であり、ここで、Ａは前記変位信号の振幅、φ_０は前記初期位相差、−ψ_０は前記位相オフセット、φは、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相差であり、
   前記位相オフセットを調整する工程は、前記探針と前記試料が接触していない状態（φ＝０）において、Ａｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が最大となるように前記位相オフセットを調整することを有している、請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡の位相調整方法。
8. 前記位相オフセットと異なる第二の位相オフセットを前記位相差に与えて、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する位相差に対して敏感に変化する第二の位相信号を生成する工程をさらに有している、請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡の位相調整方法。
9. 前記位相信号は、Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）であり、ここで、Ａは前記変位信号の振幅、φ_０は前記初期位相差、−ψ_０は前記位相オフセット、φは、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相差であり、
   前記位相オフセットを調整する工程は、前記探針と前記試料が接触していない状態（φ＝０）において、まず、Ａｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が最大となるように前記位相オフセットを調整し、
   前記第二の位相オフセットは、−ψ_０＋π／２に等しい、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡の位相調整方法。
10. 前記位相信号は、Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）であり、ここで、Ａは前記変位信号の振幅、φ_０は前記初期位相差、−ψ_０は前記位相オフセット、φは、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相差であり、
    前記変位信号の振幅Ａを表す振幅信号を生成する工程と、
    前記位相信号を前記振幅信号で除算した除算信号ｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０）を生成する工程をさらに有し、
    前記位相オフセットを与える工程は、前記探針と前記試料が接触していない状態（φ＝０）において、ｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値をモニターしながら、ｃｏｓ（φ_０−ψ_０）の値が１となるように前記位相オフセットを調整する工程を有している、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡の位相調整方法。
11. 前記位相オフセットと異なる第二の位相オフセットを前記位相差に与えて、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する位相差に対して敏感に変化する第二の位相信号を生成する工程をさらに有している、請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡の位相調整方法。
12. 前記第二の位相オフセットψ_０は前記初期位相差φ_０に等しく調整されており、前記第二の位相オフセットは、−ψ_０＋π／２に等しく、第二の位相信号は、Ａｃｏｓ（φ_０＋φ−ψ_０＋π／２）＝−Ａｓｉｎφである、請求項８または請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡の位相調整方法。

Images