JP3091908B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/85—Scanning probe control process
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- Radiology & Medical Imaging (AREA)
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- Microscoopes, Condenser (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ： Atomic Force Microscope）に代表され
る走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、高倍率観察時の
ノイズマージンが高く、解像度の良好な観察像が得られ
る走査型プローブ顕微鏡に関する。
微鏡（ＡＦＭ： Atomic Force Microscope）に代表され
る走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、高倍率観察時の
ノイズマージンが高く、解像度の良好な観察像が得られ
る走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡では、
試料表面と走査プローブとの間の相互作用を利用して試
料表面の微細な組織や構造を検出するために、片持ち梁
の先端に探針を装着したカンチレバーが走査プローブと
して使用される。このようなカンチレバーを用いると、
探針を試料表面で走査した際に試料表面と探針との間に
は原子間力に基づく引力または斥力が発生する。したが
って、この原子間力をカンチレバーの撓み量として検出
し、この撓み量が一定となるように、すなわち試料表面
と探針との間隙が一定となるように試料ステージをＺ軸
方向へ微動させる制御を実行すれば、その際の制御信号
あるいは検出された撓み量そのものが試料表面の形状を
代表するようになる。
試料表面と走査プローブとの間の相互作用を利用して試
料表面の微細な組織や構造を検出するために、片持ち梁
の先端に探針を装着したカンチレバーが走査プローブと
して使用される。このようなカンチレバーを用いると、
探針を試料表面で走査した際に試料表面と探針との間に
は原子間力に基づく引力または斥力が発生する。したが
って、この原子間力をカンチレバーの撓み量として検出
し、この撓み量が一定となるように、すなわち試料表面
と探針との間隙が一定となるように試料ステージをＺ軸
方向へ微動させる制御を実行すれば、その際の制御信号
あるいは検出された撓み量そのものが試料表面の形状を
代表するようになる。
【０００３】図６は、従来の走査型プローブ顕微鏡の構
成の一例を示したブロック図である。試料ステージ５５
上には試料５２が載置され、試料５２の上方には、カン
チレバー５３の自由端に取り付けられた探針５４が対向
して配置されている。カンチレバー５３の撓み量は、レ
ーザ発生器７１から放出されてカンチレバー５３の背面
で反射されたレーザ光７２のスポット位置を位置検出器
７３で測定することにより検出される。
成の一例を示したブロック図である。試料ステージ５５
上には試料５２が載置され、試料５２の上方には、カン
チレバー５３の自由端に取り付けられた探針５４が対向
して配置されている。カンチレバー５３の撓み量は、レ
ーザ発生器７１から放出されてカンチレバー５３の背面
で反射されたレーザ光７２のスポット位置を位置検出器
７３で測定することにより検出される。
【０００４】位置検出器７３は、例えば４分割された光
検出電極から構成されており、カンチレバー５３の撓み
量が０の時にはレーザ光７２のスポットが該４分割電極
の中央に来るように位置合わせされている。このため、
カンチレバー５３に撓みが発生すると、該レーザ光７２
のスポットが該４分割電極上を移動し、４分割電極から
出力される電圧に差が発生する。この電圧差は差動増幅
器７４によって増幅され、撓み量信号Ｓ１として比較器
７５の非反転入力端子（＋）に入力される。比較器７５
の反転入力端子（−）には、カンチレバー５３の撓み量
に関する目標値信号が目標値設定部７９から入力され
る。
検出電極から構成されており、カンチレバー５３の撓み
量が０の時にはレーザ光７２のスポットが該４分割電極
の中央に来るように位置合わせされている。このため、
カンチレバー５３に撓みが発生すると、該レーザ光７２
のスポットが該４分割電極上を移動し、４分割電極から
出力される電圧に差が発生する。この電圧差は差動増幅
器７４によって増幅され、撓み量信号Ｓ１として比較器
７５の非反転入力端子（＋）に入力される。比較器７５
の反転入力端子（−）には、カンチレバー５３の撓み量
に関する目標値信号が目標値設定部７９から入力され
る。
【０００５】比較器７５から出力される誤差信号Ｓ２
は、低域通過フィルタ８０を経て比例積分（ＰＩ）制御
部７６へ供給される。ＰＩ制御部７６は、誤差信号Ｓ２
およびその積分値を合成した信号を、観察像信号を兼ね
たＰＩ制御信号として、ＶＣＭ（ボイス・コイル・モー
タ）駆動増幅器７０および観察像信号増幅器７７へ供給
する。ＶＣＭ駆動増幅器７０は、ＰＩ制御信号の電圧レ
ベルに応答した駆動（励磁）電流を出力してＶＣＭ８１
を励磁するので、カンチレバー５３は、ＰＩ制御信号の
電圧レベルに応答した距離だけＺ方向へ微動される。観
察像信号増幅器７７は、倍率指定部８３によって指定さ
れた、Ｚ方向に関する拡大倍率に応じた割合でＰＩ制御
信号を増幅し、これを観察像信号Ｓ５として画像表示装
置（例えば、ＣＲＴ）８０へ供給する。
は、低域通過フィルタ８０を経て比例積分（ＰＩ）制御
部７６へ供給される。ＰＩ制御部７６は、誤差信号Ｓ２
およびその積分値を合成した信号を、観察像信号を兼ね
たＰＩ制御信号として、ＶＣＭ（ボイス・コイル・モー
タ）駆動増幅器７０および観察像信号増幅器７７へ供給
する。ＶＣＭ駆動増幅器７０は、ＰＩ制御信号の電圧レ
ベルに応答した駆動（励磁）電流を出力してＶＣＭ８１
を励磁するので、カンチレバー５３は、ＰＩ制御信号の
電圧レベルに応答した距離だけＺ方向へ微動される。観
察像信号増幅器７７は、倍率指定部８３によって指定さ
れた、Ｚ方向に関する拡大倍率に応じた割合でＰＩ制御
信号を増幅し、これを観察像信号Ｓ５として画像表示装
置（例えば、ＣＲＴ）８０へ供給する。
【０００６】走査信号発生部７８は、カンチレバー５３
をＸＹ方向へ微動させるためのＸＹ走査信号ＳX ，ＳY
を発生する。倍率制御部８２は、倍率指定部８３によっ
て指定されたＸＹ方向に関する拡大倍率に応じた割合で
走査信号ＳX ，ＳY を減衰する。拡大倍率に応じて減衰
された各走査信号ＳX ，ＳY はＶＣＭ駆動増幅器８４へ
供給される。ＶＣＭ駆動増幅器８４は、各走査信号ＳX
，ＳY に基づいてＶＣＭ８５を励磁し、カンチレバー
５３をＸＹ方向へ微動させる。
をＸＹ方向へ微動させるためのＸＹ走査信号ＳX ，ＳY
を発生する。倍率制御部８２は、倍率指定部８３によっ
て指定されたＸＹ方向に関する拡大倍率に応じた割合で
走査信号ＳX ，ＳY を減衰する。拡大倍率に応じて減衰
された各走査信号ＳX ，ＳY はＶＣＭ駆動増幅器８４へ
供給される。ＶＣＭ駆動増幅器８４は、各走査信号ＳX
，ＳY に基づいてＶＣＭ８５を励磁し、カンチレバー
５３をＸＹ方向へ微動させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
でのＸＹ方向に関する観察倍率は、試料表面での探針の
走査範囲を狭めることによって拡大され、上記した従来
技術では、拡大倍率に応じて倍率制御部８２が各走査信
号ＳX ，ＳY を減衰し、この減衰された走査信号ＳX ，
ＳY を走査ラインＬ１を介してＶＣＭ駆動増幅器８４へ
供給することで走査範囲が狭められていた。
でのＸＹ方向に関する観察倍率は、試料表面での探針の
走査範囲を狭めることによって拡大され、上記した従来
技術では、拡大倍率に応じて倍率制御部８２が各走査信
号ＳX ，ＳY を減衰し、この減衰された走査信号ＳX ，
ＳY を走査ラインＬ１を介してＶＣＭ駆動増幅器８４へ
供給することで走査範囲が狭められていた。
【０００８】一方、走査プローブ顕微鏡では、試料の表
面状態に応じてＺ方向に関しても倍率設定が可能であ
り、上記した従来技術では、観察像信号増幅器７７によ
るＰＩ制御信号の増幅率として、倍率指定部８３から高
い倍率を指定すればＺ方向に関しても拡大が可能にな
る。図５は、従来のＸＹ方向用のＶＣＭ駆動増幅器８４
の構成を示したブロック図である。倍率制御部８２によ
って減衰された走査信号は走査ラインＬ１を介して演算
増幅器Ａ１の一方の差動入力端子に入力される。演算増
幅器Ａ１の出力端子からは、走査ラインＬ１の電圧レベ
ルに応答し、かつ他方の差動入力端子に入力される基準
電圧Ｖref に応じて増幅された電流が出力されてＶＣＭ
８５へ供給される。ＶＣＭ８５の出力電流は検出抵抗Ｒ
へ流れ込み、検出抵抗Ｒの端子電圧は演算増幅器Ａ２の
一方の差動入力端子に印加される。演算増幅器Ａ２の出
力電圧は、前記基準電圧Ｖref として演算増幅器Ａ１の
他方の差動入力端子に印加される。
面状態に応じてＺ方向に関しても倍率設定が可能であ
り、上記した従来技術では、観察像信号増幅器７７によ
るＰＩ制御信号の増幅率として、倍率指定部８３から高
い倍率を指定すればＺ方向に関しても拡大が可能にな
る。図５は、従来のＸＹ方向用のＶＣＭ駆動増幅器８４
の構成を示したブロック図である。倍率制御部８２によ
って減衰された走査信号は走査ラインＬ１を介して演算
増幅器Ａ１の一方の差動入力端子に入力される。演算増
幅器Ａ１の出力端子からは、走査ラインＬ１の電圧レベ
ルに応答し、かつ他方の差動入力端子に入力される基準
電圧Ｖref に応じて増幅された電流が出力されてＶＣＭ
８５へ供給される。ＶＣＭ８５の出力電流は検出抵抗Ｒ
へ流れ込み、検出抵抗Ｒの端子電圧は演算増幅器Ａ２の
一方の差動入力端子に印加される。演算増幅器Ａ２の出
力電圧は、前記基準電圧Ｖref として演算増幅器Ａ１の
他方の差動入力端子に印加される。
【０００９】ここで、上記した従来技術では、演算増幅
器Ａ１に入力される走査信号の電圧レベルは拡大倍率が
高くなるほど低下するため、同一レベルのノイズが走査
信号ラインＬ１に乗った場合でも、拡大倍率が高いほど
走査信号レベルに対するノイズレベルの比が高くなって
ノイズマージンが低下し、わずかなノイズが走査信号ラ
インＬ１に乗っただけでも解像度に大きな悪影響を及ぼ
してしまうという問題があった。
器Ａ１に入力される走査信号の電圧レベルは拡大倍率が
高くなるほど低下するため、同一レベルのノイズが走査
信号ラインＬ１に乗った場合でも、拡大倍率が高いほど
走査信号レベルに対するノイズレベルの比が高くなって
ノイズマージンが低下し、わずかなノイズが走査信号ラ
インＬ１に乗っただけでも解像度に大きな悪影響を及ぼ
してしまうという問題があった。
【００１０】一方、Ｚ方向に関しても、観察像信号増幅
器７７に入力されるＰＩ制御信号の電圧レベルは、試料
表面の凹凸が小さいほど低下する。このため、同一レベ
ルのノイズが信号ラインに乗った場合でも、試料表面の
凹凸が小さいほどＰＩ制御信号のレベルに対するノイズ
レベルの比が高くなってノイズマージンが低下してしま
うという問題があった。
器７７に入力されるＰＩ制御信号の電圧レベルは、試料
表面の凹凸が小さいほど低下する。このため、同一レベ
ルのノイズが信号ラインに乗った場合でも、試料表面の
凹凸が小さいほどＰＩ制御信号のレベルに対するノイズ
レベルの比が高くなってノイズマージンが低下してしま
うという問題があった。
【００１１】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、拡大倍率や試料の表面状態にかかわらず常
にノイズマージンが高く、解像度の高い観察が可能な走
査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
点を解決し、拡大倍率や試料の表面状態にかかわらず常
にノイズマージンが高く、解像度の高い観察が可能な走
査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、本発明では、試料表面に探針を近接させ、両者
の間隙が予定値に保たれるように、探針および試料の少
なくとも一方をＺ方向へ微動させながら探針を試料表面
でＸＹ方向に走査させる走査型プローブ顕微鏡におい
て、ＸＹ方向の走査信号に応じたＸＹ駆動電流を出力す
るＸＹ駆動制御手段と、前記ＸＹ駆動電流に応答して試
料表面で探針をＸＹ方向へ微動させるＸＹ方向微動手段
と、試料表面と探針との間隙を代表する信号に基づい
て、前記間隙を予定値に保つ比例積分制御を行うＰＩ制
御手段と、ＰＩ制御信号に基づいて観察像信号を発生す
る手段と、前記ＰＩ制御信号に応じたＺ駆動電流を出力
するＺ駆動制御手段と、前記Ｚ駆動電流に応答して探針
を試料に対してＺ方向へ微動させるＺ方向微動手段とを
設け、前記ＸＹ駆動制御手段は、ＸＹ走査信号の電圧レ
ベルに応答し、かつ拡大倍率に応じて制限したＸＹ駆動
電流を出力するようにした。また、前記Ｚ駆動制御手段
は、ＰＩ制御信号の電圧レベルに応答し、かつ拡大倍率
に応じて制限したＺ駆動電流を出力するようにした。
ために、本発明では、試料表面に探針を近接させ、両者
の間隙が予定値に保たれるように、探針および試料の少
なくとも一方をＺ方向へ微動させながら探針を試料表面
でＸＹ方向に走査させる走査型プローブ顕微鏡におい
て、ＸＹ方向の走査信号に応じたＸＹ駆動電流を出力す
るＸＹ駆動制御手段と、前記ＸＹ駆動電流に応答して試
料表面で探針をＸＹ方向へ微動させるＸＹ方向微動手段
と、試料表面と探針との間隙を代表する信号に基づい
て、前記間隙を予定値に保つ比例積分制御を行うＰＩ制
御手段と、ＰＩ制御信号に基づいて観察像信号を発生す
る手段と、前記ＰＩ制御信号に応じたＺ駆動電流を出力
するＺ駆動制御手段と、前記Ｚ駆動電流に応答して探針
を試料に対してＺ方向へ微動させるＺ方向微動手段とを
設け、前記ＸＹ駆動制御手段は、ＸＹ走査信号の電圧レ
ベルに応答し、かつ拡大倍率に応じて制限したＸＹ駆動
電流を出力するようにした。また、前記Ｚ駆動制御手段
は、ＰＩ制御信号の電圧レベルに応答し、かつ拡大倍率
に応じて制限したＺ駆動電流を出力するようにした。
【００１３】上記した構成によれば、ＸＹ駆動制御手段
へは拡大倍率にかかわらず減衰されていないＸＹ走査信
号が直接入力され、ＸＹ駆動制御手段からは、拡大倍率
に応じて制限された駆動電流が出力される。したがっ
て、ＸＹ走査信号のノイズマージンが上昇し、拡大倍率
にかかわらず常に解像度の高い観察像が得られるように
なる。
へは拡大倍率にかかわらず減衰されていないＸＹ走査信
号が直接入力され、ＸＹ駆動制御手段からは、拡大倍率
に応じて制限された駆動電流が出力される。したがっ
て、ＸＹ走査信号のノイズマージンが上昇し、拡大倍率
にかかわらず常に解像度の高い観察像が得られるように
なる。
【００１４】さらに、上記した構成によれば、Ｚ駆動制
御手段からは、拡大倍率に応じて制限された駆動電流が
出力されてＺ軸方向の微動量が制限される。換言すれ
ば、ＰＩ制御信号の電圧レベルに対するＺ軸方向の微動
量が拡大倍率に応じて小さくなるので、試料表面の凹凸
が小さくても、拡大倍率を高くすればＺ駆動制御手段へ
入力されるＰＩ制御信号を大きくすることができる。し
たがって、ＰＩ制御信号のノイズマージンが上昇し、試
料の表面状態にかかわらず常に解像度の高い観察像が得
られるようになる。
御手段からは、拡大倍率に応じて制限された駆動電流が
出力されてＺ軸方向の微動量が制限される。換言すれ
ば、ＰＩ制御信号の電圧レベルに対するＺ軸方向の微動
量が拡大倍率に応じて小さくなるので、試料表面の凹凸
が小さくても、拡大倍率を高くすればＺ駆動制御手段へ
入力されるＰＩ制御信号を大きくすることができる。し
たがって、ＰＩ制御信号のノイズマージンが上昇し、試
料の表面状態にかかわらず常に解像度の高い観察像が得
られるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態である走
査型プローブ顕微鏡の信号処理装置のブロック図であ
り、前記と同一の符号は同一または同等部分を表してい
る。図６に関して説明した従来技術のブロック図と比較
すれば明らかなように、本実施形態では、走査信号ＳX
，ＳY を減衰するための前記倍率制御部８２を除去
し、走査信号発生部７８から出力された走査信号ＳX ，
ＳY が、拡大倍率に応じて減衰されることなくＶＣＭ駆
動増幅器９０へ直接供給されるようにすると共に、倍率
指定部８３はＶＣＭ駆動増幅器９０に対して拡大倍率を
指示するようにした点に特徴がある。
細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態である走
査型プローブ顕微鏡の信号処理装置のブロック図であ
り、前記と同一の符号は同一または同等部分を表してい
る。図６に関して説明した従来技術のブロック図と比較
すれば明らかなように、本実施形態では、走査信号ＳX
，ＳY を減衰するための前記倍率制御部８２を除去
し、走査信号発生部７８から出力された走査信号ＳX ，
ＳY が、拡大倍率に応じて減衰されることなくＶＣＭ駆
動増幅器９０へ直接供給されるようにすると共に、倍率
指定部８３はＶＣＭ駆動増幅器９０に対して拡大倍率を
指示するようにした点に特徴がある。
【００１６】さらに、本実施形態では、倍率指定部８３
からの指示に応答した観察像信号増幅器７７によるＰＩ
制御信号の増幅率変更を廃止し、倍率指定部８３は、Ｖ
ＣＭ駆動増幅器９１に対して拡大倍率を指示するように
した点に特徴がある。図２は、前記ＶＣＭ駆動増幅器９
０の第１実施形態の構成を示したブロック図であり、前
記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本
実施形態では、前記走査信号発生部７８から出力された
走査信号ＳX ，ＳY は、拡大倍率にかかわらず、減衰さ
れることなく走査ラインＬ１を介して演算増幅器Ｂ１の
一方の差動入力端子に直接入力される。演算増幅器Ｂ１
の出力端子は切換器１０１の可動接点ｃ１に接続されて
いる。切換器１０１の一方の固定接点ｃ２は抵抗Ｒ１、
Ｒ２の一端に共通接続され、他方の固定接点ｃ３は抵抗
Ｒ１の他端およびＶＣＭ８５の一端に共通接続されてい
る。前記抵抗Ｒ２およびＶＣＭの他端は抵抗Ｒ３の一端
と共に演算増幅器Ｂ２の一方の差動入力端子に接続さ
れ、演算増幅器Ｂ２の出力端子は前記演算増幅器Ｂ１の
他方の差動入力端子に接続されている。
からの指示に応答した観察像信号増幅器７７によるＰＩ
制御信号の増幅率変更を廃止し、倍率指定部８３は、Ｖ
ＣＭ駆動増幅器９１に対して拡大倍率を指示するように
した点に特徴がある。図２は、前記ＶＣＭ駆動増幅器９
０の第１実施形態の構成を示したブロック図であり、前
記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本
実施形態では、前記走査信号発生部７８から出力された
走査信号ＳX ，ＳY は、拡大倍率にかかわらず、減衰さ
れることなく走査ラインＬ１を介して演算増幅器Ｂ１の
一方の差動入力端子に直接入力される。演算増幅器Ｂ１
の出力端子は切換器１０１の可動接点ｃ１に接続されて
いる。切換器１０１の一方の固定接点ｃ２は抵抗Ｒ１、
Ｒ２の一端に共通接続され、他方の固定接点ｃ３は抵抗
Ｒ１の他端およびＶＣＭ８５の一端に共通接続されてい
る。前記抵抗Ｒ２およびＶＣＭの他端は抵抗Ｒ３の一端
と共に演算増幅器Ｂ２の一方の差動入力端子に接続さ
れ、演算増幅器Ｂ２の出力端子は前記演算増幅器Ｂ１の
他方の差動入力端子に接続されている。
【００１７】このような構成では、倍率指定部８３から
出力される倍率指定信号によって切換器１０１の接点が
切り換えられ、可動接点ｃ１が一方の固定接点ｃ２側に
接続されると、演算増幅器Ｂ１の出力電流は、抵抗Ｒ１
およびＶＣＭ８５を経由して抵抗Ｒ３へ流れ込む経路
と、抵抗Ｒ２のみを経由して抵抗Ｒ３へ流れ込む経路と
に分流される。また、可動接点ｃ１が他方の固定接点ｃ
３側に接続されると、演算増幅器Ｂ１の出力電流は、抵
抗Ｒ１、Ｒ２を経由して抵抗Ｒ３へ流れ込む経路と、Ｖ
ＣＭ８５を経由して抵抗Ｒ３へ流れ込む経路とに分流さ
れる。
出力される倍率指定信号によって切換器１０１の接点が
切り換えられ、可動接点ｃ１が一方の固定接点ｃ２側に
接続されると、演算増幅器Ｂ１の出力電流は、抵抗Ｒ１
およびＶＣＭ８５を経由して抵抗Ｒ３へ流れ込む経路
と、抵抗Ｒ２のみを経由して抵抗Ｒ３へ流れ込む経路と
に分流される。また、可動接点ｃ１が他方の固定接点ｃ
３側に接続されると、演算増幅器Ｂ１の出力電流は、抵
抗Ｒ１、Ｒ２を経由して抵抗Ｒ３へ流れ込む経路と、Ｖ
ＣＭ８５を経由して抵抗Ｒ３へ流れ込む経路とに分流さ
れる。
【００１８】したがって、ＶＣＭ８５の抵抗値に応じて
各抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を適宜に選択することによ
り、可動接点ｃ１がいずれの固定接点ｃ２，ｃ３と接続
されているかに応じて、ＶＣＭ８５に供給される電流量
が変化する。この結果、ＶＣＭ８５へは、走査信号に応
答し、かつ拡大倍率に応じて減ぜられた駆動電流が供給
されることになり、観察倍率の拡大が可能になる。
各抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を適宜に選択することによ
り、可動接点ｃ１がいずれの固定接点ｃ２，ｃ３と接続
されているかに応じて、ＶＣＭ８５に供給される電流量
が変化する。この結果、ＶＣＭ８５へは、走査信号に応
答し、かつ拡大倍率に応じて減ぜられた駆動電流が供給
されることになり、観察倍率の拡大が可能になる。
【００１９】たとえば、ＶＣＭ８５の抵抗値と抵抗Ｒ２
の抵抗値とが共にＲであり、かつ抵抗Ｒ１の抵抗値が９
Ｒであり、抵抗Ｒ３に電流Ｉが流れる場合を考えると、
可動接点ｃ１が固定接点ｃ２と接続されれば、ＶＣＭ８
５にはＩ・１／１１，抵抗Ｒ２にはＩ・１０／１１の電
流が流れる。一方、可動接点ｃ１が固定接点ｃ３と接続
されれば、ＶＣＭ８５にはＩ・１０／１１，抵抗Ｒ２に
はＩ・１／１１の電流が流れる。したがって、ＶＣＭ８
５に流れる電流は、可動接点ｃ１が固定接点ｃ２に接続
されたときは固定接点ｃ３に接続されたときの１／１０
倍となり、拡大倍率は１０倍となる。
の抵抗値とが共にＲであり、かつ抵抗Ｒ１の抵抗値が９
Ｒであり、抵抗Ｒ３に電流Ｉが流れる場合を考えると、
可動接点ｃ１が固定接点ｃ２と接続されれば、ＶＣＭ８
５にはＩ・１／１１，抵抗Ｒ２にはＩ・１０／１１の電
流が流れる。一方、可動接点ｃ１が固定接点ｃ３と接続
されれば、ＶＣＭ８５にはＩ・１０／１１，抵抗Ｒ２に
はＩ・１／１１の電流が流れる。したがって、ＶＣＭ８
５に流れる電流は、可動接点ｃ１が固定接点ｃ２に接続
されたときは固定接点ｃ３に接続されたときの１／１０
倍となり、拡大倍率は１０倍となる。
【００２０】このように、本実施形態によれば、走査ラ
インＬ１を介して演算増幅器Ｂ１に入力される走査信号
を減衰することなく、ＶＣＭ８５へ供給される電流量を
拡大倍率に応じて制御することができる。したがって、
走査ラインＬ１のノイズマージンが高くなり、拡大倍率
にかかわらず解像度の優れた観察像が得られるようにな
る。なお、拡大倍率が高くなるほどＶＣＭ８５へ供給さ
れる電流量は小さくなるが、ＶＣＭ８５は電流駆動され
るのでノイズの影響は無視できる。
インＬ１を介して演算増幅器Ｂ１に入力される走査信号
を減衰することなく、ＶＣＭ８５へ供給される電流量を
拡大倍率に応じて制御することができる。したがって、
走査ラインＬ１のノイズマージンが高くなり、拡大倍率
にかかわらず解像度の優れた観察像が得られるようにな
る。なお、拡大倍率が高くなるほどＶＣＭ８５へ供給さ
れる電流量は小さくなるが、ＶＣＭ８５は電流駆動され
るのでノイズの影響は無視できる。
【００２１】図３は、前記ＶＣＭ駆動増幅器９０の他の
構成の一例を示したブロック図であり、前記と同一の符
号は同一または同等部分を表している。前記走査信号発
生部７８から出力された走査信号ＳX ，ＳY は、本実施
形態でも減衰されることなく演算増幅器Ｃ１の一方の差
動入力端子に直接入力される。演算増幅器Ｃ１の出力電
流はＶＣＭ８５の一端へ入力され、ＶＣＭ８５の他端は
演算増幅器Ｃ２の一方の差動入力端子に接続されてい
る。演算増幅器Ｃ２の出力端子は前記演算増幅器Ｃ１の
他方の差動入力端子に接続されている。
構成の一例を示したブロック図であり、前記と同一の符
号は同一または同等部分を表している。前記走査信号発
生部７８から出力された走査信号ＳX ，ＳY は、本実施
形態でも減衰されることなく演算増幅器Ｃ１の一方の差
動入力端子に直接入力される。演算増幅器Ｃ１の出力電
流はＶＣＭ８５の一端へ入力され、ＶＣＭ８５の他端は
演算増幅器Ｃ２の一方の差動入力端子に接続されてい
る。演算増幅器Ｃ２の出力端子は前記演算増幅器Ｃ１の
他方の差動入力端子に接続されている。
【００２２】さらに、ＶＣＭ８５の他端には、倍率指定
部８３から出力される倍率指定信号によって接点が開閉
制御される複数のスイッチＳＷの一端が共通接続され、
その他端には、それぞれ抵抗値の異なる抵抗Ｒ１，Ｒ２
…Ｒｎが直列接続され、各抵抗の他端は固定電位（本実
施形態では接地電位）に接続されている。このような構
成では、倍率指定部８３から出力される倍率指定信号に
よって適宜のスイッチＳＷが開閉されると、開閉された
スイッチＳＷあるいはその組み合わせに応じて、演算増
幅器Ｃ２の一方の差動入力端子に印加される電圧が変化
して演算増幅器Ｃ２の出力電圧が変化し、これに応答し
て演算増幅器Ｃ１のゲインが変化する。この結果、ＶＣ
Ｍ８５へは、走査信号に応答し、かつ拡大倍率に応じて
減ぜられた駆動電流が供給されることになるので観察倍
率の拡大が可能になる。
部８３から出力される倍率指定信号によって接点が開閉
制御される複数のスイッチＳＷの一端が共通接続され、
その他端には、それぞれ抵抗値の異なる抵抗Ｒ１，Ｒ２
…Ｒｎが直列接続され、各抵抗の他端は固定電位（本実
施形態では接地電位）に接続されている。このような構
成では、倍率指定部８３から出力される倍率指定信号に
よって適宜のスイッチＳＷが開閉されると、開閉された
スイッチＳＷあるいはその組み合わせに応じて、演算増
幅器Ｃ２の一方の差動入力端子に印加される電圧が変化
して演算増幅器Ｃ２の出力電圧が変化し、これに応答し
て演算増幅器Ｃ１のゲインが変化する。この結果、ＶＣ
Ｍ８５へは、走査信号に応答し、かつ拡大倍率に応じて
減ぜられた駆動電流が供給されることになるので観察倍
率の拡大が可能になる。
【００２３】このように、本実施形態でも、走査ライン
Ｌ１を介して演算増幅器Ｃ１に入力される走査信号を減
衰することなく、ＶＣＭ８５へ供給される電流量を拡大
倍率に応じて制御することができるので、拡大倍率にか
かわらず解像度の優れた観察像が得られるようになる。
図４は、前記ＶＣＭ駆動増幅器９０のさらに他の構成の
一例を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。前記走査信号発生部７
８から出力された走査信号ＳX ，ＳY は、本実施形態で
も減衰されることなく演算増幅器Ｄ１の一方の差動入力
端子に直接入力される。演算増幅器Ｄ１の出力電流はＶ
ＣＭ８５の一端へ入力され、ＶＣＭ８５の他端は演算増
幅器Ｄ２の一方の差動入力端子および検出抵抗Ｒｘの一
端に接続されている。
Ｌ１を介して演算増幅器Ｃ１に入力される走査信号を減
衰することなく、ＶＣＭ８５へ供給される電流量を拡大
倍率に応じて制御することができるので、拡大倍率にか
かわらず解像度の優れた観察像が得られるようになる。
図４は、前記ＶＣＭ駆動増幅器９０のさらに他の構成の
一例を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。前記走査信号発生部７
８から出力された走査信号ＳX ，ＳY は、本実施形態で
も減衰されることなく演算増幅器Ｄ１の一方の差動入力
端子に直接入力される。演算増幅器Ｄ１の出力電流はＶ
ＣＭ８５の一端へ入力され、ＶＣＭ８５の他端は演算増
幅器Ｄ２の一方の差動入力端子および検出抵抗Ｒｘの一
端に接続されている。
【００２４】演算増幅器Ｄ２の出力端子は演算増幅器Ｄ
１の他方の差動入力端子に接続されると共に、その出力
端子とアースとの間には、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２…Ｒｎが
直列接続されている。各抵抗の接続点は、それぞれスイ
ッチＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷｎを介して演算増幅器Ｄ２の
他方の差動入力端子と接続されている。このような構成
では、倍率指定部８３から出力される倍率指定信号によ
って適宜のスイッチＳＷが開閉されると、開閉されたス
イッチＳＷあるいはその組み合わせに応じて、演算増幅
器Ｄ２の一方の差動入力端子に印加される電圧が変化し
て演算増幅器Ｄ２によるフィードバックゲインが変化
し、これに応答して演算増幅器Ｄ１のゲインも変化す
る。この結果、ＶＣＭ８５へは、走査信号に応答し、か
つ拡大倍率に応じて減ぜられた駆動電流が供給されるこ
とになり、観察倍率の拡大が可能になる。
１の他方の差動入力端子に接続されると共に、その出力
端子とアースとの間には、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２…Ｒｎが
直列接続されている。各抵抗の接続点は、それぞれスイ
ッチＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷｎを介して演算増幅器Ｄ２の
他方の差動入力端子と接続されている。このような構成
では、倍率指定部８３から出力される倍率指定信号によ
って適宜のスイッチＳＷが開閉されると、開閉されたス
イッチＳＷあるいはその組み合わせに応じて、演算増幅
器Ｄ２の一方の差動入力端子に印加される電圧が変化し
て演算増幅器Ｄ２によるフィードバックゲインが変化
し、これに応答して演算増幅器Ｄ１のゲインも変化す
る。この結果、ＶＣＭ８５へは、走査信号に応答し、か
つ拡大倍率に応じて減ぜられた駆動電流が供給されるこ
とになり、観察倍率の拡大が可能になる。
【００２５】このように、本実施形態でも、走査ライン
Ｌ１を介して演算増幅器Ｄ１に入力される走査信号を減
衰することなく、ＶＣＭ８５へ供給される電流量を拡大
倍率に応じて制御することができるので、拡大倍率にか
かわらず解像度の優れた観察像が得られるようになる。
なお、上記した各実施形態では、本発明をＸＹ方向の走
査に適用して説明したが、Ｚ方向に関しても、拡大倍率
が高くなるほどＶＣＭ駆動増幅器９１からＶＣＭ８１へ
供給される駆動電流が制限されるようにすれば、Ｚ軸方
向への微動量が小さくなるので、これを補うためにＰＩ
制御信号が大きくなる。したがって、ＶＣＭ駆動増幅器
９１へ供給されるＰＩ制御信号のノイズマージンが高く
なり、表面形状を忠実に再現した観察像が得られるよう
になる。
Ｌ１を介して演算増幅器Ｄ１に入力される走査信号を減
衰することなく、ＶＣＭ８５へ供給される電流量を拡大
倍率に応じて制御することができるので、拡大倍率にか
かわらず解像度の優れた観察像が得られるようになる。
なお、上記した各実施形態では、本発明をＸＹ方向の走
査に適用して説明したが、Ｚ方向に関しても、拡大倍率
が高くなるほどＶＣＭ駆動増幅器９１からＶＣＭ８１へ
供給される駆動電流が制限されるようにすれば、Ｚ軸方
向への微動量が小さくなるので、これを補うためにＰＩ
制御信号が大きくなる。したがって、ＶＣＭ駆動増幅器
９１へ供給されるＰＩ制御信号のノイズマージンが高く
なり、表面形状を忠実に再現した観察像が得られるよう
になる。
本発明によれば、ＶＣＭ駆動増幅器に入力される信号を
減衰することなく、ＶＣＭへ供給される電流量を拡大倍
率に応じて制御することができるので、拡大倍率や試料
の表面形状にかかわらず、常に解像度の優れた観察像が
得られるようになる。
減衰することなく、ＶＣＭへ供給される電流量を拡大倍
率に応じて制御することができるので、拡大倍率や試料
の表面形状にかかわらず、常に解像度の優れた観察像が
得られるようになる。
【図１】本発明が適用される走査プローブ顕微鏡のブロ
ック図である。
ック図である。
【図２】ＶＣＭ駆動増幅器の第１実施形態のブロック図
である。
である。
【図３】ＶＣＭ駆動増幅器の第２実施形態のブロック図
である。
である。
【図４】ＶＣＭ駆動増幅器の第３実施形態のブロック図
である。
である。
【図５】従来のＶＣＭ駆動増幅器の第３実施形態のブロ
ック図である。
ック図である。
【図６】従来の走査プローブ顕微鏡のブロック図であ
る。
る。
５２ 試料 ５３ カンチレバー ５４ 探針 ５５ 試料ステージ ７０，８４，９０，９１ ＶＣＭ駆動増幅器 ７１ レーザ発生器 ７３ 位置検出器 ７４ 差動増幅器 ７５ 比較器 ８１、８５ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）
Claims (3)
- 【請求項１】 試料表面に探針を近接させ、両者の間隙
が予定値に保たれるように、探針および試料の少なくと
も一方をＺ方向へ微動させながら探針を試料表面でＸＹ
方向に走査させる走査型プローブ顕微鏡において、 ＸＹ方向の走査信号を発生する走査信号発生手段と、 前記走査信号に応じたＸＹ駆動電流を出力するＸＹ駆動
制御手段と、 前記ＸＹ駆動電流を供給され、試料表面で探針をＸＹ方
向へ微動させる電流駆動式のＸＹ方向微動手段と、 試料表面と探針との間隙を代表する信号に基づいて、前
記間隙を予定値に保つ比例積分制御を行うＰＩ制御手段
と、 ＰＩ制御信号に基づいて観察像信号を発生する手段と、 前記ＰＩ制御信号に応じたＺ駆動電流を出力するＺ駆動
制御手段と、 前記Ｚ駆動電流を供給され、探針を試料に対してＺ方向
へ微動させる電流駆動式のＺ方向微動手段とを具備し、 前記ＸＹ駆動制御手段およびＺ駆動制御手段の少なくと
も一方は、それぞれ前記走査信号またはＰＩ制御信号の
電圧レベルに応答し、かつ各拡大倍率に応じて制限した
各駆動電流を出力することを特徴とする走査型プローブ
顕微鏡。 - 【請求項２】 前記各駆動制御手段は、 それぞれ前記走査信号またはＰＩ制御信号の電圧レベル
に応答した電流を出力する電圧／電流変換手段と、 前記出力電流を前記拡大倍率に応じた比率で分流して前
記各微動手段へ供給する分流手段とによって構成された
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。 - 【請求項３】 前記各駆動制御手段は、 それぞれ前記走査信号またはＰＩ制御信号の電圧レベル
に応答した電流を前記各微動手段へ供給する電圧／電流
変換手段と、 前記拡大倍率に応じて前記電圧／電流変換手段のゲイン
を制御するゲイン制御手段とによって構成されたことを
特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09096222A JP3091908B2 (ja) | 1997-04-14 | 1997-04-14 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| US09/059,455 US5983713A (en) | 1997-04-14 | 1998-04-13 | Scanning probe microscope |
| DE19816480A DE19816480C2 (de) | 1997-04-14 | 1998-04-14 | Abtastmikroskop |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09096222A JP3091908B2 (ja) | 1997-04-14 | 1997-04-14 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| US09/059,455 US5983713A (en) | 1997-04-14 | 1998-04-13 | Scanning probe microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10288619A JPH10288619A (ja) | 1998-10-27 |
| JP3091908B2 true JP3091908B2 (ja) | 2000-09-25 |
Family
ID=26437433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09096222A Expired - Fee Related JP3091908B2 (ja) | 1997-04-14 | 1997-04-14 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5983713A (ja) |
| JP (1) | JP3091908B2 (ja) |
| DE (1) | DE19816480C2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP2952327B2 (ja) * | 1997-07-16 | 1999-09-27 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| DE10003693A1 (de) * | 2000-01-28 | 2001-08-02 | Zeiss Carl | Abtastsystem mit auslenkbarer Tastspitze |
| TW435701U (en) * | 2000-05-03 | 2001-05-16 | Ind Tech Res Inst | Atomic force microscope |
| KR100634213B1 (ko) | 2004-12-10 | 2006-10-16 | 한국전자통신연구원 | 구동 헤드 및 이를 구비하는 개인용 원자현미경 |
| JP5639934B2 (ja) * | 2011-03-09 | 2014-12-10 | 株式会社ミツトヨ | 表面性状測定機 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3029143B2 (ja) * | 1991-06-11 | 2000-04-04 | キヤノン株式会社 | 情報再生方法 |
| EP0551814B1 (en) * | 1992-01-10 | 1997-04-02 | Hitachi, Ltd. | Surface observing apparatus and method |
| JPH06251435A (ja) * | 1993-03-01 | 1994-09-09 | Canon Inc | 記録再生装置 |
| US5557156A (en) * | 1994-12-02 | 1996-09-17 | Digital Instruments, Inc. | Scan control for scanning probe microscopes |
| JP3229914B2 (ja) * | 1994-12-12 | 2001-11-19 | 日本電子株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| WO1996028837A1 (en) * | 1995-03-10 | 1996-09-19 | Molecular Imaging Corporation | Hybrid control system for scanning probe microscopes |
-
1997
- 1997-04-14 JP JP09096222A patent/JP3091908B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1998
- 1998-04-13 US US09/059,455 patent/US5983713A/en not_active Expired - Fee Related
- 1998-04-14 DE DE19816480A patent/DE19816480C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19816480A1 (de) | 1998-10-15 |
| JPH10288619A (ja) | 1998-10-27 |
| US5983713A (en) | 1999-11-16 |
| DE19816480C2 (de) | 2001-07-26 |
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