JP2023055301A - 原子間力顕微鏡、及び試料の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動きのある微細な試料を高精度かつ多数測定することが可能な原子間力顕微鏡、及び試料の測定方法を提供する。【解決手段】試料１２とカンチレバー１１の、Ｚ方向の距離が一定になるように、試料台１３とカンチレバー１１の相対位置を微細に変位させるＺピエゾ１５ａと、ＸＹ方向に、試料台１３とカンチレバー１１との相対位置を変位させて、試料１２の検出領域を走査するＸＹピエゾ１５ｂと、Ｚ方向に向けて試料台１３とカンチレバー１１との相対位置を、Ｚピエゾ１５ａよりも粗い変位量で変位させる粗動アクチュエータ５４を有する。試料１２の検出領域を、ＸＹ平面上で複数に分割した分割領域Ｄ１～Ｄ９を設定し、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとに、粗動アクチュエータ５４を変位させて、カンチレバー１１のＺ方向の位置を校正する退避制御部２１６と、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとに、Ｚピエゾ１５ａの変位量に基づいて試料１２を画像化する画像処理回路３１を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、原子間力顕微鏡、及び試料の測定方法に関する。

ナノメートルオーダーの微細な試料を観察するために、従来より原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Atomic Force Microscope）が用いられている（例えば、特許文献１参照）。また、直径が1マイクロメートル未満の大きさを有するウルトラファインバブルなどの、動きを有する試料を観察する際には、動きの影響を軽減するために試料を高速で画像化する必要があり、高速での画像化が可能な高速ＡＦＭが提案されている。

高速ＡＦＭを用いて動きのある試料を高精度に画像化する際には、試料の動きの影響を回避するために、観察視野を狭く設定する必要がある。このため、一度に広範囲に亘って試料を画像化することが難しい。

特開２０１９－１１７１１０号公報

上述したように、従来における高速ＡＦＭでは、狭い視野に存在するウルトラファインバブルなどの動きを有する微小な試料の数が少ないため、多くの個数観察することが難しいという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、動きのある微細な試料を高精度かつ多数測定することが可能な原子間力顕微鏡、及び試料の測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る原子間力顕微鏡は、カンチレバーを用いて試料台に載置された試料の形状を測定する原子間力顕微鏡であって、前記試料と前記カンチレバーの、第１の方向の距離が一定になるように、前記試料台と前記カンチレバーの相対位置を微細に変位させる微動変位部と、前記第１の方向に直交する平面上に定められる二次元方向に、前記試料台と前記カンチレバーとの相対位置を変位させて、前記試料の検出領域を走査する平面変位部と、前記第１の方向に向けて前記試料台と前記カンチレバーとの相対位置を、前記微動変位部よりも粗い変位量で変位させる粗動変位部と、前記試料の検出領域を、前記平面上で複数に分割した分割領域を設定し、前記分割領域ごとに、前記粗動変位部を変位させて、前記カンチレバーの前記第１の方向の位置を校正する退避制御部と、前記分割領域ごとに、前記微動変位部の変位量に基づいて前記試料の形状を測定する測定部と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る試料の測定方法は、原子間力顕微鏡に設けられたカンチレバーを用いて、試料台に載置された試料の形状を測定する測定方法であって、前記試料の検出領域を複数の分割領域に分割し、分割領域ごとに、前記試料台と直交する第１の方向に粗動アクチュエータを変位させて、前記カンチレバーと前記試料との間の退避距離を設定するステップと、前記カンチレバーと前記試料との距離が一定になるように、前記第１の方向の距離を微細に変位させるステップと、前記第１の方向に直交する平面上に定められる二次元方向に、前記試料台と前記カンチレバーとの相対位置を変位させて、各分割領域における試料を走査するステップと、前記分割領域ごとに、前記第１の方向の変位量に基づいて試料の形状を測定するステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、動きのある微細な試料を高精度かつ多数測定することが可能になる。

図１は、実施形態に係る原子間力顕微鏡の構成を模式的に示す説明図である。 図２は、実施形態に係る原子間力顕微鏡の電気的な構成を示すブロック図である。 図３は、フォトダイオードの構成を示す説明図であり、（ａ）はレーザ光の中心がフォトダイオードの中心とほぼ一致する場合、（ｂ）はレーザ光の中心がフォトダイオードの中心から外れている場合を示す。 図４は、試料の検出領域を９個の分割領域に分割する例を示す説明図である。 図５Ａは、検出領域を複数の分割領域に分割しない状態で、傾斜を有する試料を走査するときの、試料とカンチレバーとの位置関係を示す説明図である。 図５Ｂは、検出領域を複数の分割領域に分割しない状態で、凹凸を有する試料を走査するときの、試料とカンチレバーとの位置関係を示す説明図である。 図５Ｃは、分割領域ごとにカンチレバーの退避距離を校正したときの、試料とカンチレバーとの位置関係を示す説明図である。 図６は、分割領域ごとの退避距離を算出する手順を示す説明図である。 図７は、分割領域に設定した３つの測定点を示す説明図である。 図８は、実施形態に係る原子間力顕微鏡の処理手順を示すフローチャートである。 図９は、動的光錯乱法（ＤＬＳ法）を用いて試料に含まれる気泡を画像化したときの、気泡径と数密度の関係を示すグラフである。 図１０は、実施形態に係る原子間力顕微鏡を用いて測定される試料に含まれる気泡の気泡径と気泡の数を示すグラフである。 図１１は、ピエゾ素子に印加する電圧と、ピエゾ素子の変位量の関係を示すグラフである。 図１２は、各分割領域の走査を開始する際にカンチレバーの自由振幅を調整する処理を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る原子間力顕微鏡１００の構成を模式的に示す説明図である。図２は、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００の電気的な構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００は、下部固定台５１と、上部固定台５２を備えている。上部固定台５２は、下部固定台５１の上方に、下部固定台５１に対して略平行に配置されている。

本実施形態では、上部固定台５２及び下部固定台５１の平面に対して直交する方向を鉛直方向に設定する。本実施形態では、一例として鉛直方向をＺ方向（第１の方向）とする。また、Ｚ方向に直交する平面、即ち、第１の方向に直交する平面をＸＹ平面とする。

図１に示すように、下部固定台５１の一方の端部には上部固定台５２を支持する支柱５３が設けられている。下部固定台５１の他方の端部には、Ｚ方向に変位可能に上部固定台５２を支持する粗動アクチュエータ５４（粗動変位部）が設けられている。粗動アクチュエータ５４は、支柱５３と略同一の高さを有している。

粗動アクチュエータ５４はモータ１６を搭載しており、該モータ１６を制御することにより、粗動アクチュエータ５４をＺ方向に変位させることができる。モータ１６を制御することにより、上部固定台５２に搭載されている試料台１３（詳細は後述）をＺ方向に変位させることが可能である。即ち、粗動アクチュエータ５４は、Ｚ方向に向けて試料台１３とカンチレバー１１との相対位置を、後述するＺピエゾ１５ａ（微動変位部）よりも粗い変位量で変位させる。

上部固定台５２の下面側には、スキャナ１５及び試料台１３が設けられている。試料台１３は、試料１２を載置する。図１に示すように、試料１２には例えばウルトラファインバブル、がん細胞が放出した細胞外小胞などのナノメートルオーダーの粒子１２ａが含まれている。なお、試料１２は平坦であるとは限らず、傾斜を有していることや凹凸を有していることがある。

図１、及び後述する図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図６、図１２では、試料台１３に対して試料１２が傾斜を有する、或いは凹凸を有する例を示している。図１、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図６、図１２では、理解を促進するために、試料１２の傾斜角度或いは試料１２の凹凸状態を誇張して示している。

図１、図２に示すようにスキャナ１５は、試料台１３をＺ方向に微細に変位させるピエゾアクチュエータ（微動変位部、以下、「Ｚピエゾ１５ａ」という）を備えている。即ち、Ｚピエゾ１５ａは、試料台１３とカンチレバー１１の、Ｚ方向（第１の方向）の相対位置を微細に変位させる。

スキャナ１５は、Ｚ方向に直交するＸＹ平面方向に試料台１３を変位させるピエゾアクチュエータ（平面変位部、以下、「ＸＹピエゾ１５ｂ」という）を備えている。ＸＹピエゾ１５ｂは、ＸＹ平面上に定められる二次元方向に、試料台１３とカンチレバー１１との相対位置を変位させて、試料１２の検出領域を走査する。

下部固定台５１の上面には、支持部材５５が設けられ、該支持部材５５には、片持ちバネ構造を有するカンチレバー１１が搭載されている。カンチレバー１１の先端部には、試料台１３に載置される試料１２に接近して該カンチレバー１１に撓みを発生させる探針１１ａが設けられている。カンチレバー１１の後端は、支持部材５５にて支持されている。

カンチレバー１１には、該カンチレバー１１に正弦波の振動を印加するピエゾアクチュエータ（以下、「励振ピエゾ１４」という）が設けられている。本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００は、励振ピエゾ１４を励振させることにより、カンチレバー１１を所定の周波数で振動させた状態で測定対象となる試料１２を走査する、所謂タッピングモードにより試料の凹凸を計測し、試料の表面形状を画像化する。

また、本実施形態ではカンチレバー１１の探針１１ａが上方を向き、試料台１３の下面側に載置された試料１２の形状を測定する例について説明するが、カンチレバー１１と試料台１３の上下が反対であってもよい。

原子間力顕微鏡１００はまた、図２に示すように、レーザダイオード１７（図では「ＬＤ」と表記）と、フォトダイオード１８（図では「ＰＤ」と表記）と、差動増幅器１９と、振幅計測装置２０と、フィードバック回路２２と、制御部２１と、画像処理回路３１（測定部）、を備えている。

レーザダイオード１７は、例えば半導体レーザであり、カンチレバー１１の探針１１ａの背面にレーザ光を照射する。フォトダイオード１８は、カンチレバー１１で反射したレーザ光を受光する。なお、レーザダイオード１７とカンチレバー１１の間、及びカンチレバー１１とフォトダイオード１８の間には、レーザ光を反射するミラーやビームスプリッタなどが設けられるが、図２では記載を省略している。

図３は、フォトダイオード１８の構成の一例を示す説明図である。フォトダイオード１８は、図３（ａ）に示すように２ブロックに分割されたフォトディテクタ１８ａ、１８ｂを有している。なお、フォトディテクタは、２分割に限定されず、４分割のフォトディテクタを用いることもできる。

図２に示す差動増幅器１９は、各フォトディテクタ１８ａ、１８ｂで検出された信号の差分信号を検出して、振幅計測装置２０に出力する。

例えば、図３（ａ）に示すように、点線で示すレーザ光Ｑ１の中心がフォトダイオード１８の中心Ｎ１とほぼ一致する場合には、フォトディテクタ１８ａの検出信号Ｓａとフォトディテクタ１８ｂの検出信号Ｓｂの差分信号はほぼゼロとなる。即ち、差分信号は小さい数値となる。一方、図３（ｂ）に示すように、レーザ光Ｑ１の中心がフォトダイオード１８の中心Ｎ１から外れている場合には、検出信号ＳａとＳｂの差分信号が大きくなる。従って、差分信号は大きくなる。

カンチレバー１１が正弦波で振動している場合には、差動増幅器１９の出力も同様に正弦波で振動する。従って、差動増幅器１９の出力は正弦波となる。

振幅計測装置２０は、差動増幅器１９より出力される正弦波の振幅の包絡線を、振幅値に変換する。振幅値は、フォトダイオード１８の中心Ｎ１に対するレーザ光照射位置のずれ量を示す指標となる。振幅計測装置２０で変換された振幅値は、フィードバック回路２２、及び画像処理回路３１に出力される。

フィードバック回路２２は、振幅計測装置２０で算出された振幅値を目標値とする制御信号を生成し、この制御信号を画像処理回路３１、及びＺピエゾ制御回路２１１に出力する。

画像処理回路３１は、フィードバック回路２２より出力された制御信号を取得し、この制御信号に基づいて試料１２の表面形状を画像化する。即ち、画像処理回路３１は、Ｚピエゾ１５ａ（微動変位部）の変位量に基づいて、試料１２の形状を測定する測定部としての機能を備えている。

即ち、上述したようにカンチレバー１１に正弦波の励振信号を与えて振動させ、カンチレバー１１の変位量が一定になるようにＺピエゾ１５ａに制御電圧を与えて探針１１ａと試料１２との間の距離を制御する。更に、ＸＹピエゾ１５ｂをＸＹ平面上で平面走査する。具体的には、Ｘ方向の走査をジグザグに往復させることにより、ＸＹ平面全体を走査する。

その結果、スキャナ１５のＺ方向の変位量が試料１２のＺ方向の大きさ、即ち、試料１２の凹凸を示すことになり、ＸＹ平面上での試料１２の凹凸データが得られる。画像処理回路３１は、この凹凸データに基づき、コントラストを付与して試料１２の表面形状を画像化する。

制御部２１は、駆動信号発生部２１０と、Ｚピエゾ制御回路２１１と、ＸＹピエゾ制御回路２１２と、モータ制御回路２１３と、正弦波出力回路２１４（周期波形出力回路）と、分割領域設定部２１５と、退避制御部２１６と、を備えている。

なお、制御部２１は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、及び入出力部を備える汎用のマイクロコントローラ等で構成することができる。

駆動信号発生部２１０は、試料１２に設定されている検出領域をカンチレバー１１で走査するための駆動指令信号をＸＹピエゾ制御回路２１２に出力する。

Ｚピエゾ制御回路２１１は、フィードバック回路２２から出力される駆動指令信号に基づきＺピエゾ１５ａに制御信号を出力する。

ＸＹピエゾ制御回路２１２は、駆動信号発生部２１０から出力される駆動指令信号に基づきＸＹピエゾ１５ｂに制御信号を出力する。

正弦波出力回路２１４は、励振ピエゾ１４に正弦波の励振信号を出力する。なお、本実施形態では、周期波形の一例として正弦波を例に挙げるが、正弦波以外の周期波形とすることも可能である。

Ｚピエゾ１５ａ、及びＸＹピエゾ１５ｂに制御信号を与えることにより、試料台１３をＺ方向及びＸＹ平面方向に向けて、ナノメートル（ｎｍ）のオーダーで微細に変位させることができる。励振ピエゾ１４に正弦波の励振信号を出力することにより、カンチレバー１１に正弦波の振動を与えることができる。

モータ制御回路２１３は、退避制御部２１６から出力される退避距離の指令値に基づき、モータ１６に制御信号を出力する。モータ制御回路２１３は、モータ１６の駆動を制御することにより、図１に示した粗動アクチュエータ５４をＺ方向（上下方向）に変位させる。

粗動アクチュエータ５４を上方に変位させることにより、上部固定台５２と下部固定台５１の間の距離を長くし、試料台１３をカンチレバー１１から遠ざけることができる。粗動アクチュエータ５４を下方に変位させることにより、上部固定台５２と下部固定台５１の間の距離を短くし、試料台１３をカンチレバー１１に近づけることができる。

分割領域設定部２１５は、測定対象となる試料の検出領域を複数に分割した分割領域を設定する。分割領域設定部２１５は、ユーザによる操作入力により例えば図４（ａ）に示すように、試料全体の検出領域Ｒ１を縦３列、横３列に分割し、合計９個の分割領域Ｄ１～Ｄ９を設定する。分割領域Ｄ１～Ｄ９は例えば、一辺が２マイクロメートル（μｍ）の正方形である。

なお、本実施形態では、検出領域Ｒ１を９個の分割領域Ｄ１～Ｄ９に分割する例について説明するが、本発明は９個に限定されるものではなく、９個以外の複数の分割領域に分割してもよい。また、縦と横の分割数は、同一でなくてもよい。また、分割領域の形状は正方形、長方形、或いはその他の形状とすることができる。

本実施形態では、検出領域Ｒ１を複数の分割領域Ｄ１～Ｄ９に分割し、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとに区分して試料１２を走査し、試料１２の形状を画像化する。例えば、試料１２に含まれる粒子１２ａを画像化する。このため、各分割領域Ｄ１～Ｄ９を高速で走査することができ、ウルトラファインバブルなどの、微細で動きの有る試料であっても高精度な画像化が可能である。

また、上述したように、試料１２は試料台１３に対して常に平行であるとは限らず、傾斜角度を有することや凹凸を有することがある。本実施形態では、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとに校正処理を行うことにより、傾斜や凹凸による影響を回避する。

退避制御部２１６は、カンチレバー１１による走査を開始するとき、或いは走査する領域が変更されるときに、試料台１３とカンチレバー１１との間の距離（以下、「退避距離」という）の校正処理を行う。校正処理とは、カンチレバー１１の探針１１ａを試料１２から一定距離だけ遠ざけ、その後、試料１２がカンチレバー１１に対して適正な距離となるように、粗動アクチュエータ５４を制御する処理である。例えば、分割領域Ｄ１の走査が終了して分割領域Ｄ２の走査に移行するときに、退避距離の校正処理を行う。

具体的には、図４（ｂ）に示すように、分割領域Ｄ１→Ｄ２→・・→Ｄ８→Ｄ９の順に走査を行う場合には、各分割領域Ｄ１～Ｄ９の境界位置において、退避距離の校正処理を行う。

即ち、退避制御部２１６は、試料１２の検出領域を、ＸＹ平面上で複数に分割した分割領域Ｄ１～Ｄ９を設定し、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとに、モータ制御回路２１３に制御信号を出力し、粗動アクチュエータ５４を変位させて、カンチレバー１１のＺ方向の位置を校正する。以下、退避制御部２１６による退避距離の校正処理について詳細に説明する。

［退避距離の校正処理］
図５Ａは、校正処理を行わない場合の、カンチレバー１１と傾斜を有する試料１２との位置関係を示す説明図である。図５Ｂは、校正処理を行わない場合の、カンチレバー１１と凹凸を有する試料１２との位置関係を示す説明図である。図５Ｃは、校正処理を行った場合のカンチレバー１１と試料１２との位置関係を示す説明図である。なお、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ及び後述する図６、図１２では、理解促進のため図１、図２と対比して、試料台１３とカンチレバー１１の上下を反対に記載している。

図５Ａ（ａ）は、試料１２の検出領域中の測定点ｐ１０に探針１１ａを接近させて検出領域の走査を開始する例を示している。試料１２に傾斜が生じていると、例えば図５Ａ（ｂ）に示す測定点ｐ１１において、Ｚピエゾ１５ａの最大変位量ｚ１に達する。その後更に走査が進むと、図５Ａ（ｃ）に示すように、測定点ｐ１２において、探針１１ａが試料１２に接してしまい、試料１２及び探針１１ａを損傷する恐れがある。

また、図５Ｂに示すように、Ｚピエゾ１５ａの最大変位量ｚ１以上の凸部が存在すると、やはり探針１１ａが試料１２に接してしまい、試料１２及び探針１１ａを損傷する恐れがある。

本実施形態では、図５Ｃに示すように、分割領域の境界位置で退避距離の校正処理を行うことにより、試料１２と探針１１ａとの接触を回避する。即ち、図５Ｃ（ａ）に示すように、測定点ｐ１０において試料１２と探針１１ａとの距離が適正になるように、粗動アクチュエータ５４を制御する。

その後、図５Ｃ（ｂ）に示すように、探針１１ａが分割領域Ｄ１とＤ２の境界の測定点ｐ１３に達した際に、退避距離を校正して図５Ｃ（ｃ）に示すように、例えば試料台１３を探針１１ａからＺ方向の距離ｚ２だけ遠ざける処理を行う。その結果、図５Ｃ（ｄ）に示すように、分割領域Ｄ２において、探針１１ａが試料１２に接することを回避する。以下、校正処理について具体的に説明する。

図６、図７は、退避制御部２１６による校正処理の手順を示す説明図である。本実施形態では図７に示すように、任意の分割領域、例えば分割領域Ｄ１の３つの隅部に測定点ｐ１、ｐ２、ｐ３を設定する。なお、測定点の個数は３点に限定されず、２点、或いは４点以上であってもよい。また、３つの測定点は、分割領域の隅部に限定されず、分割領域中の任意の３点とすることができる。この場合に、任意の３点は一つの直線上に存在しないことが望ましい。

退避制御部２１６は、図６（ａ）に示すように、分割領域Ｄ１の測定点ｐ１のＺ方向の位置にカンチレバー１１の探針１１ａを移動させる。このときの粗動アクチュエータ５４のＺ方向の位置をＬ０とする。この状態で粗動アクチュエータ５４を作動させて図６（ｂ）に示すように探針１１ａを試料１２に接近させる。退避制御部２１６は、探針１１ａが試料１２に接したときの高さＬ１を記録する。

その後、退避制御部２１６は、図６（ｃ）に示すように、測定点ｐ２のＺ方向の位置にカンチレバー１１の探針１１ａを移動させる。この状態で粗動アクチュエータ５４を作動させて図６（ｄ）に示すように探針１１ａを試料１２に接近させる。退避制御部２１６は、探針１１ａが試料１２に接したときの高さＬ２を記録し、更に、高さＬ１とＬ２との差分ｚ２を算出する。

図６では記載を省略しているが、図７に記載した測定点ｐ３についても同様の処理を実行する。退避制御部２１６は、高さの差分の最大値を算出し、この最大値となる距離をカンチレバー１１の退避距離として設定する。例えば、図６（ｄ）に示した差分ｚ２が最大値である場合には、この差分ｚ２を退避距離として設定する。

つまり、カンチレバー１１の探針１１ａが前述した図５Ｃ（ａ）の測定点ｐ１０から、図５Ｃ（ｂ）の測定点ｐ１３に移動した際には、その後、試料台１３を図６に示す差分ｚ２だけＺ方向の下方に変位させることにより該試料台１３を退避させ、図５Ｂ（ｃ）に示すように、試料１２と探針１１ａとの間の距離を広げる。

また、図５Ｂに示したように、試料１２に凹凸が生じている場合には、測定点の数を増やすことにより、探針１１ａが試料１２中の突起している部位に接触することを回避するように、退避距離を設定すればよい。

［本実施形態の動作］
次に、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００の動作を、図８に示すフローチャートを参照して説明する。本実施形態では、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、試料１２の検出領域Ｒ１を９個の分割領域Ｄ１～Ｄ９に分割し、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとにカンチレバー１１と試料台１３との間の距離を校正して、各分割領域Ｄ１～Ｄ９の試料１２に含まれる粒子１２ａを画像化する。

初めに、図８のステップＳ１１において、退避制御部２１６は、図４（ａ）に示す分割領域Ｄ１に設定した３つの測定点ｐ１～ｐ３（図７参照）のうち、一つ目の測定点ｐ１のＺ方向の位置にカンチレバー１１の探針１１ａが位置するように、ＸＹピエゾ１５ｂを制御する。具体的には、図６（ａ）に示したように、測定点ｐ１のＺ方向に探針１１ａが位置するように設定する。

ステップＳ１２において、退避制御部２１６は、粗動アクチュエータ５４を制御して、探針１１ａが測定点ｐ１に接するまで試料台１３をＺ方向に変位させる。

ステップＳ１３において、退避制御部２１６は、測定点ｐ１のＺ方向の位置を記録する。具体的には、図６（ｂ）に示したように、探針１１ａが測定点ｐ１に接したときの高さＬ１を記録する。その後、ステップＳ１１～Ｓ１３の処理を繰り返して、図７に示した各測定点ｐ１、ｐ２、ｐ３における高さを記録する。

ステップＳ１４において、退避制御部２１６は、各測定点ｐ１、ｐ２、ｐ３における高さの差分を算出し、更に最大となる差分を求める。例えば、図６（ｄ）に示す測定点ｐ２の高さＬ２と、図６（ｂ）に示す測定点ｐ１の高さＬ１の差分ｚ２を算出する。

ステップＳ１５において、退避制御部２１６は、差分の最大値を算出する。具体的には、図７に示した測定点ｐ１とｐ２の高さの差分、測定点ｐ１とｐ３の高さの差分、及び、測定点ｐ２とｐ３の高さの差分のうちの最大値を、カンチレバー１１の退避距離に設定する。

ステップＳ１６において、全ての分割領域Ｄ１～Ｄ９において、ステップＳ１１～Ｓ１５の処理を実施する。

ステップＳ１７において、制御部２１は、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとに退避距離を設定して、試料１２を走査する。具体的には、前述したように一の分割領域において、カンチレバー１１に正弦波の励振信号を与えて振動させる。カンチレバー１１の変位量が一定になるようにＺピエゾ１５ａに制御電圧を与えて探針１１ａと試料１２との間の距離を制御する。更に、ＸＹピエゾ１５ｂをＸＹ平面上で平面走査する。

ステップＳ１８において、画像処理回路３１は、スキャナ１５のＺ方向の変位量に基づいて、各分割領域Ｄ１～Ｄ９の試料１２に含まれる粒子１２ａの画像を生成し、画面表示する。こうして、検出領域Ｒ１全体を高速且つ高精度に走査して、画像を形成することができる。

［本実施形態の効果］
このように、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００では、試料１２の検出領域Ｒ１を複数の分割領域Ｄ１～Ｄ９に分割し、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとに試料１２を走査して、試料１２に含まれる粒子１２ａを画像化する。従って、ウルトラファインバブルなどの動きのある微細な試料、或いはがん細胞表面などの微細で種々の形状を有する試料を、高速且つ高精度に画像化することが可能になる。

図９は、従来における動的光錯乱法（ＤＬＳ法）を用いて、試料１２に含まれる気泡の直径（気泡径）［ｎｍ］と試料１［ｍＬ］中に含まれる気泡の数（即ち、数密度［個／ｍＬ］）を示すグラフである。図９のグラフから理解されるように、従来のＤＳＬ法を用いて試料１２中に含まれる気泡を測定すると、６０［ｎｍ］以下の気泡を測定することがほとんどできていない。

図１０は、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００を用いて測定される試料１２に含まれる気泡の直径（気泡径）と気泡の数を示すグラフである。図１０のグラフから理解されるように、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００では、６０［ｎｍ］以下の気泡が検出されている。即ち、本実施形態に係る原子間力顕微鏡１００では、従来のＤＬＳ法では測定が困難であった動きを有する６０［ｎｍ］以下の気泡を高速且つ高精度に検出することが可能になる。

更に本実施形態では、分割領域Ｄ１～Ｄ９ごとにカンチレバー１１のＺ方向の位置を校正して試料１２を走査する。従って、試料１２が傾斜を有する場合、或いは凹凸を有する場合であっても、カンチレバー１１の探針１１ａが試料台１３に接することを防止でき、探針１１ａや試料１２が損傷するというトラブルの発生を回避することが可能になる。

本実施形態では、各分割領域Ｄ１～Ｄ９にて、図７に示したように、３つの測定点ｐ１～ｐ３を設定し、各測定点ｐ１～ｐ３におけるＺ方向の位置を測定することにより、各分割領域Ｄ１～Ｄ９におけるカンチレバー１１の退避距離を設定している。従って、各分割領域Ｄ１～Ｄ９において、最適な退避距離を設定することができ、高精度な試料１２の画像化が可能になる。

本実施形態では、図４（ａ）に示したように、検出領域Ｒ１を同一サイズの矩形状を有する分割領域Ｄ１～Ｄ９に分割するので、退避距離を容易に校正することが可能になる。

本実施形態では、試料１２全体の検出領域Ｒ１を複数の分割領域Ｄ１～Ｄ９に分割することにより、クローズドループ制御を行う必要がない。従来のように、検出領域Ｒ１全体を一括して走査する場合には、Ｚピエゾ制御回路２１１のヒステリシスを補正するために、高価なクローズドループ制御が必要になる。しかし、本実施形態では、検出領域Ｒ１をより小さい領域である分割領域Ｄ１～Ｄ９に分割して試料１２を走査するので、クローズドループ制御が不要となる。

詳細に説明すると、スキャナ１５に設けられるＺピエゾ１５ａ、及びＸＹピエゾ１５ｂは、印加する電圧と変位が一次関数的に対応していない。このため、例えばＺピエゾ１５ａに図１１に示すＳ１のように直線的に変化する電圧を印加すると、Ｚピエゾ１５ａには、曲線Ｓ２に示すように曲線的な変位量が発生する。このため、検出領域Ｒ１全体で試料１２を走査する場合には、直線Ｓ１と曲線Ｓ２との間の補正を行うためにクローズドループ制御が必要になる。一方で、小さい領域を走査する場合には、曲線S２と直線S１はほぼ同じ値になる。

本実施形態では、検出領域Ｒ１全体をより小さい領域である分割領域Ｄ１～Ｄ９に分割することにより、図１１に示す曲線Ｓ２を直線Ｓ１で置き換えても大きな誤差は生じない。従って、クローズドループ制御が不要になり、ひいては装置全体のコストダウンを図ることが可能になる。

［変形例の説明］
次に、上述した実施形態の変形例について説明する。変形例では、カンチレバー１１に発生させる自由振幅を、各分割領域Ｄ１～Ｄ９の境界において振幅パラメータを調整し、自由振幅が一定になるように制御する。

カンチレバー１１に正弦波を印加して該カンチレバーに自由振幅を発生させ、試料１２の走査を実施すると、時間経過に伴って自由振幅が変化する。自由振幅の変化に起因して試料１２に加えられる力も変化し、一定の条件下での画像化ができなくなる。変形例では、走査対象となる分割領域が変更されるごとに、自由振幅が一定になるように制御することにより、安定的な画質の画像を取得する。

具体的には、初期的な自由振幅をＡ０としたとき、図１２（ａ）に示すように、分割領域Ｄ１の走査の終了時において振幅がＡ１に減衰したものとする。その後、図１２（ｂ）に示すように、分割領域Ｄ２の走査開始時において自由振幅がＡ０よりも小さいＡ２に低下する場合がある。変形例では、図１２（ｃ）に示すように、分割領域Ｄ２の走査を開始する前に、正弦波出力回路２１４により自由振幅がＡ０になるように調整する。

こうすることにより、各分割領域Ｄ１～Ｄ９の 走査を開始する時点において、カンチレバー１１に発生する自由振幅を常にＡ０に設定することができ、各分割領域Ｄ１～Ｄ９において、自由振幅の変動の影響を受けることなく、試料１２を高精度に画像化することが可能になる。

なお、上述した実施形態及び変形例では、Ｚピエゾ１５ａが変位する方向（第１の方向）が鉛直方向である例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１の方向を鉛直方向以外の方向としてもよい。

以上、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

１１ カンチレバー
１１ａ 探針
１２ 試料
１２ａ 粒子
１３ 試料台
１４ 励振ピエゾ
１５ スキャナ
１５ａ Ｚピエゾ（微細変位部）
１５ｂ ＸＹピエゾ
１６ モータ
１７ レーザダイオード（ＬＤ）
１８ フォトダイオード（ＰＤ）
１９ 差動増幅器
２０ 振幅計測装置
２１ 制御部
２２ フィードバック回路
３１ 画像処理回路
５１ 下部固定台
５２ 上部固定台
５３ 支柱
５４ 粗動アクチュエータ
５５ 支持部材
１００ 原子間力顕微鏡
２１０ 駆動信号発生部
２１１ Ｚピエゾ制御回路
２１２ ＸＹピエゾ制御回路
２１３ モータ制御回路
２１４ 正弦波出力回路（周期波形出力回路）
２１５ 分割領域設定部
２１６ 退避制御部

Claims (6)

1. カンチレバーを用いて試料台に載置された試料の形状を測定する原子間力顕微鏡であって、
   前記試料と前記カンチレバーの、第１の方向の距離が一定になるように、前記試料台と前記カンチレバーの相対位置を微細に変位させる微動変位部と、
   前記第１の方向に直交する平面上に定められる二次元方向に、前記試料台と前記カンチレバーとの相対位置を変位させて、前記試料の検出領域を走査する平面変位部と、
   前記第１の方向に向けて前記試料台と前記カンチレバーとの相対位置を、前記微動変位部よりも粗い変位量で変位させる粗動変位部と、
   前記試料の検出領域を、前記平面上で複数に分割した分割領域を設定し、前記分割領域ごとに、前記粗動変位部を変位させて、前記カンチレバーの前記第１の方向の位置を校正する退避制御部と、
   前記分割領域ごとに、前記微動変位部の変位量に基づいて前記試料の形状を測定する測定部と、
   を備えたことを特徴とする原子間力顕微鏡。
2. 前記退避制御部は、前記複数の分割領域に任意に設定した測定点において、前記試料台から前記カンチレバーまでの退避距離が一定になるように、前記粗動変位部を制御すること
   を特徴とする請求項１に記載の原子間力顕微鏡。
3. 前記退避制御部は、前記複数の分割領域に３つの測定点を設定し、各測定点における前記試料台から前記カンチレバーまでの距離に基づいて、前記退避距離を設定すること
   を特徴とする請求項２に記載の原子間力顕微鏡。
4. 前記分割領域は、同一の大きさを有する矩形状であること
   を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の原子間力顕微鏡。
5. 前記カンチレバーに周期波形を出力する周期波形出力回路、を更に備え、
   前記周期波形出力回路は、各分割領域における走査を実施する際に、前記周期波形による自由振幅が一定になるように調整すること
   を特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の原子間力顕微鏡。
6. 原子間力顕微鏡に設けられたカンチレバーを用いて、試料台に載置された試料の形状を測定する測定方法であって、
   前記試料の検出領域を複数の分割領域に分割し、分割領域ごとに、前記試料台と直交する第１の方向に粗動アクチュエータを変位させて、前記カンチレバーと前記試料との間の退避距離を設定するステップと、
   前記カンチレバーと前記試料との距離が一定になるように、前記第１の方向の距離を微細に変位させるステップと、
   前記第１の方向に直交する平面上に定められる二次元方向に、前記試料台と前記カンチレバーとの相対位置を変位させて、各分割領域における試料を走査するステップと、
   前記分割領域ごとに、前記第１の方向の変位量に基づいて試料の形状を測定するステップと、
   を備えたことを特徴とする試料の測定方法。

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