JP3219194B2 - 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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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡（Scanning Probe Microscope、略称ＳＰＭ）に関
し、特に、探針または探針が連結されたカンチレバーな
どの機械共振部をその共振周波数で振動させ、探針と試
料とが近接した際の共振周波数の変化量Δｆを、周波数
検出する動的観察法の構成に関する。
微鏡（Scanning Probe Microscope、略称ＳＰＭ）に関
し、特に、探針または探針が連結されたカンチレバーな
どの機械共振部をその共振周波数で振動させ、探針と試
料とが近接した際の共振周波数の変化量Δｆを、周波数
検出する動的観察法の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料表面と探
針（プローブ）との間に作用する電流や力などを検出
し、その物理量を一定に保ちつつ探針を試料表面に沿っ
て走査することで像を形成する顕微鏡であり、原子レベ
ルの分解能を有する。この走査型プローブ顕微鏡の１つ
に原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope、略称Ａ
ＦＭ）があり、原子間力顕微鏡の観察方法に、静的観察
法と動的観察法とがある。本発明は、とくに動的観察法
の原子間力顕微鏡に関する。
針（プローブ）との間に作用する電流や力などを検出
し、その物理量を一定に保ちつつ探針を試料表面に沿っ
て走査することで像を形成する顕微鏡であり、原子レベ
ルの分解能を有する。この走査型プローブ顕微鏡の１つ
に原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope、略称Ａ
ＦＭ）があり、原子間力顕微鏡の観察方法に、静的観察
法と動的観察法とがある。本発明は、とくに動的観察法
の原子間力顕微鏡に関する。
【０００３】動的観察法は、先端に探針を有するカンチ
レバーを、その共振周波数付近で振動させ、探針を試料
表面に近づける。探針を試料に近づけると、探針と試料
との間の相互作用による力が変化し、カンチレバーの共
振周波数が変化する。したがって、この共振周波数の変
化量を一定に保つようにカンチレバーと試料との距離を
フィードバック制御しつつ探針による試料の表面の走査
を行うことによって、試料表面の画像を形成することが
できる。
レバーを、その共振周波数付近で振動させ、探針を試料
表面に近づける。探針を試料に近づけると、探針と試料
との間の相互作用による力が変化し、カンチレバーの共
振周波数が変化する。したがって、この共振周波数の変
化量を一定に保つようにカンチレバーと試料との距離を
フィードバック制御しつつ探針による試料の表面の走査
を行うことによって、試料表面の画像を形成することが
できる。
【０００４】この動的観察法において、カンチレバーの
共振周波数の変化を、周波数検出装置を用いて検出する
方法が注目されている。周波数検出装置は、入力される
発振信号の周波数の変化に応じて出力信号の電圧レベル
が変化する周波数／レベル変換回路を有し、カンチレバ
ーを共振させる機械的発振手段からの発振信号を周波数
／レベル変換回路に入力し、周波数／レベル変換回路か
らの出力信号の変化に基づいて、探針と試料との距離を
一定に制御するとともに、画像を形成する。
共振周波数の変化を、周波数検出装置を用いて検出する
方法が注目されている。周波数検出装置は、入力される
発振信号の周波数の変化に応じて出力信号の電圧レベル
が変化する周波数／レベル変換回路を有し、カンチレバ
ーを共振させる機械的発振手段からの発振信号を周波数
／レベル変換回路に入力し、周波数／レベル変換回路か
らの出力信号の変化に基づいて、探針と試料との距離を
一定に制御するとともに、画像を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、周波
数検出装置は入力される発振信号の周波数の変化に応じ
て電圧レベルが変化し、これに基づいて探針と試料との
間隔制御、および画像形成を行うので、周波数検出装置
の感度が低く、入力される信号の周波数の変化量が小さ
いときには、出力信号の変化量も小さくなり、精度良く
制御および画像形成を行うことができない。
数検出装置は入力される発振信号の周波数の変化に応じ
て電圧レベルが変化し、これに基づいて探針と試料との
間隔制御、および画像形成を行うので、周波数検出装置
の感度が低く、入力される信号の周波数の変化量が小さ
いときには、出力信号の変化量も小さくなり、精度良く
制御および画像形成を行うことができない。
【０００６】本発明の目的は、機械的発振手段からの発
振信号の周波数変化が小さい場合であっても出力信号の
変化を大きくし、高感度で周波数を検出することができ
る周波数検出装置、およびそれを用いて感度を向上させ
た走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
振信号の周波数変化が小さい場合であっても出力信号の
変化を大きくし、高感度で周波数を検出することができ
る周波数検出装置、およびそれを用いて感度を向上させ
た走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、探針と試料と
の距離に応じて共振周波数が変化する機械的共振部と、
機械的共振部を共振させるとともに、機械的共振部の共
振周波数の発振信号を出力する機械的発振手段と、機械
的発振手段からの発振信号の高調波信号を生成する周波
数逓倍回路、および周波数逓倍回路からの高調波信号の
周波数の変化に応じて出力信号の信号レベルが変化する
周波数／レベル変換回路を備える周波数検出装置と、周
波数／レベル変換回路からの出力信号に応答して、機械
的共振部が予め定める一定の共振周波数で振動するよう
に探針と試料との距離を制御する位置制御機構とを含
み、周波数／レベル変換回路は、水晶発振子または高安
定圧電発振子を備える電圧制御発振回路を用いた位相同
期ループ回路であり、周波数検出装置は、予め定める単
一の高調波信号の周波数帯域のみが、周波数／レベル変
換回路の変換可能な周波数帯域内に含まれるように、機
械的発振手段からの発振信号の周波数を変換する周波数
変換回路であって、局部発振器を有し、機械的発振手段
からの発振信号を、局部発振器より発振される局部発振
信号と混合することにより、周波数／レベル変換回路の
変換可能な周波数帯域内の周波数に変換して周波数逓信
回路に与える周波数変換回路を備えることを特徴とする
走査型プローブ顕微鏡である。また本発明は、探針と試
料との距離に応じて共振周波数が変化する機械的共振部
と、機械的共振部を共振させるとともに、機械的共振部
の共振周波数の発振信号を出力する機械的発振手段と、
機械的発振手段からの発振信号の高調波信号を生成する
周波数逓倍回路、および周波数逓倍回路からの高調波信
号の周波数の変化に応じて出力信号の信号レベルが変化
する周波数／レベル変換回路を備える周波数検出装置
と、周波数／レベル変換回路からの出力信号に応答し
て、機械的共振部が予め定める一定の共振周波数で振動
するように探針と試料との距離を制御する位置制御機構
とを含む走査型プローブ顕微鏡に用いられる周波数検出
装置において、周波数／レベル変換回路は、水晶発振子
または高安定圧電発振子を備える電圧制御発振回路を用
いた位相同期ループ回路であり、予め定める単一の高調
波信号の周波数帯域のみが、周波数／レベル変換回路の
変換可能な周波数帯域内に含まれるように、機械的発振
手段からの発振信号の周波数を変換する周波数変換回路
であって、局部発振器を有し、機械的発振手段からの発
振信号を、局部発振器より発振される局部発振信号と混
合することにより、周波数／レベル変換回路の変換可能
な周波数帯域内の周波数に変換して周波数逓信回路に与
える周波数変換回路を備えることを特等とする走査型プ
ローブ顕微鏡に用いられる周波数検出装置である。
の距離に応じて共振周波数が変化する機械的共振部と、
機械的共振部を共振させるとともに、機械的共振部の共
振周波数の発振信号を出力する機械的発振手段と、機械
的発振手段からの発振信号の高調波信号を生成する周波
数逓倍回路、および周波数逓倍回路からの高調波信号の
周波数の変化に応じて出力信号の信号レベルが変化する
周波数／レベル変換回路を備える周波数検出装置と、周
波数／レベル変換回路からの出力信号に応答して、機械
的共振部が予め定める一定の共振周波数で振動するよう
に探針と試料との距離を制御する位置制御機構とを含
み、周波数／レベル変換回路は、水晶発振子または高安
定圧電発振子を備える電圧制御発振回路を用いた位相同
期ループ回路であり、周波数検出装置は、予め定める単
一の高調波信号の周波数帯域のみが、周波数／レベル変
換回路の変換可能な周波数帯域内に含まれるように、機
械的発振手段からの発振信号の周波数を変換する周波数
変換回路であって、局部発振器を有し、機械的発振手段
からの発振信号を、局部発振器より発振される局部発振
信号と混合することにより、周波数／レベル変換回路の
変換可能な周波数帯域内の周波数に変換して周波数逓信
回路に与える周波数変換回路を備えることを特徴とする
走査型プローブ顕微鏡である。また本発明は、探針と試
料との距離に応じて共振周波数が変化する機械的共振部
と、機械的共振部を共振させるとともに、機械的共振部
の共振周波数の発振信号を出力する機械的発振手段と、
機械的発振手段からの発振信号の高調波信号を生成する
周波数逓倍回路、および周波数逓倍回路からの高調波信
号の周波数の変化に応じて出力信号の信号レベルが変化
する周波数／レベル変換回路を備える周波数検出装置
と、周波数／レベル変換回路からの出力信号に応答し
て、機械的共振部が予め定める一定の共振周波数で振動
するように探針と試料との距離を制御する位置制御機構
とを含む走査型プローブ顕微鏡に用いられる周波数検出
装置において、周波数／レベル変換回路は、水晶発振子
または高安定圧電発振子を備える電圧制御発振回路を用
いた位相同期ループ回路であり、予め定める単一の高調
波信号の周波数帯域のみが、周波数／レベル変換回路の
変換可能な周波数帯域内に含まれるように、機械的発振
手段からの発振信号の周波数を変換する周波数変換回路
であって、局部発振器を有し、機械的発振手段からの発
振信号を、局部発振器より発振される局部発振信号と混
合することにより、周波数／レベル変換回路の変換可能
な周波数帯域内の周波数に変換して周波数逓信回路に与
える周波数変換回路を備えることを特等とする走査型プ
ローブ顕微鏡に用いられる周波数検出装置である。
【０００８】本発明に従えば、探針はたとえばカンチレ
バーなどの機械的共振部の先端に取付けられており、機
械的発振手段によって共振している。探針を試料表面に
近づけると、探針と試料との間の相互作用によって共振
周波数が変化する。この共振周波数の変化量が一定に保
たれるように、探針と試料との距離がフィードバック制
御する。つまり、機械的発振手段からの発振信号を周波
数／レベル変換手段に入力し、出力される信号レベルに
基づいて、機械的共振部の共振周波数が予め定める一定
の周波数となるように探針と試料との距離をフィードバ
ック制御する。また、周波数／レベル変換回路からの出
力信号に基づいて試料表面の画像を形成する。
バーなどの機械的共振部の先端に取付けられており、機
械的発振手段によって共振している。探針を試料表面に
近づけると、探針と試料との間の相互作用によって共振
周波数が変化する。この共振周波数の変化量が一定に保
たれるように、探針と試料との距離がフィードバック制
御する。つまり、機械的発振手段からの発振信号を周波
数／レベル変換手段に入力し、出力される信号レベルに
基づいて、機械的共振部の共振周波数が予め定める一定
の周波数となるように探針と試料との距離をフィードバ
ック制御する。また、周波数／レベル変換回路からの出
力信号に基づいて試料表面の画像を形成する。
【０００９】周波数逓倍回路は、周波数変換回路からの
発振信号の整数倍の周波数を有する高調波信号を生成す
る。周波数を整数倍に拡大すると、周波数の変動量も整
数倍に拡大される。周波数／レベル変換回路は、入力さ
れる信号の周波数の変化に応じて出力信号の信号レベル
が変化するので、入力される信号の周波数変化が大きく
なると、出力する信号のレベルの変化も大きくなる。し
たがって、周波数が整数倍に拡大され、周波数の変化量
も整数倍に拡大されると、出力される信号のレベルの変
化も整数倍に拡大されることになる。これによって、機
械的発振手段からの発振信号の周波数の変化が小さい場
合であっても、出力される信号の変化を大きくし、高感
度に周波数変化を検出することができ、顕微鏡の感度を
向上することができる。基準周波数を発振する電圧制御
発振回路（Voltage Controlled Oscillator、略称ＶＣ
Ｏ）が水晶発振子または高安定圧電発振子により安定化
された位相同期ループ回路（Phase Locked Loop、略称
ＰＬＬ）など、変換可能な周波数帯域が比較的狭いが感
度が高い周波数／レベル変換回路を用いる場合、機械的
発振手段からの発振信号を周波数変換して、その高調波
信号の１つが変換可能な周波数帯域に収まるようにす
る。このようにして、周波数検出の感度をさらに向上す
ることができる。
発振信号の整数倍の周波数を有する高調波信号を生成す
る。周波数を整数倍に拡大すると、周波数の変動量も整
数倍に拡大される。周波数／レベル変換回路は、入力さ
れる信号の周波数の変化に応じて出力信号の信号レベル
が変化するので、入力される信号の周波数変化が大きく
なると、出力する信号のレベルの変化も大きくなる。し
たがって、周波数が整数倍に拡大され、周波数の変化量
も整数倍に拡大されると、出力される信号のレベルの変
化も整数倍に拡大されることになる。これによって、機
械的発振手段からの発振信号の周波数の変化が小さい場
合であっても、出力される信号の変化を大きくし、高感
度に周波数変化を検出することができ、顕微鏡の感度を
向上することができる。基準周波数を発振する電圧制御
発振回路（Voltage Controlled Oscillator、略称ＶＣ
Ｏ）が水晶発振子または高安定圧電発振子により安定化
された位相同期ループ回路（Phase Locked Loop、略称
ＰＬＬ）など、変換可能な周波数帯域が比較的狭いが感
度が高い周波数／レベル変換回路を用いる場合、機械的
発振手段からの発振信号を周波数変換して、その高調波
信号の１つが変換可能な周波数帯域に収まるようにす
る。このようにして、周波数検出の感度をさらに向上す
ることができる。
【００１０】また本発明は、前記周波数逓倍回路は、周
波数変換回路からの信号の振幅を、予め定める大きさに
制限するリミッタであることを特徴とする。
波数変換回路からの信号の振幅を、予め定める大きさに
制限するリミッタであることを特徴とする。
【００１１】周波数／レベル変換回路は、入力される信
号周波数に応じたレベルの信号を出力するが、入力され
る信号の振幅が変動すると、出力される信号レベルも変
動する。したがって、一般に周波数／レベル変換回路の
前段には、入力される信号の振幅を一定の大きさに制限
するリミッタが設けられ、発振信号をリミッタを通すこ
とによって、振幅が一定な方形波が形成される。方形波
には、元の発振信号の周波数の奇数倍の周波数の信号を
含んでいる。すなわち、リミッタを通すことによって、
発振信号の高調波信号を得ることができる。したがっ
て、このリミッタで生成された高調波信号を周波数／レ
ベル変換回路に入力することによって、別途に周波数逓
倍回路を設ける必要がなくなる。またこれによって、迅
速にフィードバック制御することができる。
号周波数に応じたレベルの信号を出力するが、入力され
る信号の振幅が変動すると、出力される信号レベルも変
動する。したがって、一般に周波数／レベル変換回路の
前段には、入力される信号の振幅を一定の大きさに制限
するリミッタが設けられ、発振信号をリミッタを通すこ
とによって、振幅が一定な方形波が形成される。方形波
には、元の発振信号の周波数の奇数倍の周波数の信号を
含んでいる。すなわち、リミッタを通すことによって、
発振信号の高調波信号を得ることができる。したがっ
て、このリミッタで生成された高調波信号を周波数／レ
ベル変換回路に入力することによって、別途に周波数逓
倍回路を設ける必要がなくなる。またこれによって、迅
速にフィードバック制御することができる。
【００１２】また本発明は、周波数逓倍回路で生成され
た複数の高調波信号から、いずれか単一の高調波信号を
選択して周波数／レベル変換回路に入力する切換えスイ
ッチを備え、この切換えスイッチを切換えることによっ
て、周波数／レベル変換回路へ入力する高調波信号を切
換えることを特徴とする。
た複数の高調波信号から、いずれか単一の高調波信号を
選択して周波数／レベル変換回路に入力する切換えスイ
ッチを備え、この切換えスイッチを切換えることによっ
て、周波数／レベル変換回路へ入力する高調波信号を切
換えることを特徴とする。
【００１３】本発明に従えば、切換えスイッチによって
周波数／レベル変換回路に入力する高調波信号を切換え
ることによって、走査型プローブ顕微鏡の感度を切換え
ることができる。たとえば、試料表面の凹凸が大きい場
合には発振信号の周波数のたとえば１倍の高調波信号を
周波数／レベル変換回路に入力し、試料表面の凹凸が小
さい場合には、たとえば発振信号の周波数の３倍の高調
波信号を周波数／レベル変換回路に入力する。このよう
にして、観察する試料に応じて感度を切換えることがで
き、使い勝手が向上する。なお、本発明において高調波
信号とは、元の信号の整数倍の周波数を有する信号を指
し、１倍も含む。
周波数／レベル変換回路に入力する高調波信号を切換え
ることによって、走査型プローブ顕微鏡の感度を切換え
ることができる。たとえば、試料表面の凹凸が大きい場
合には発振信号の周波数のたとえば１倍の高調波信号を
周波数／レベル変換回路に入力し、試料表面の凹凸が小
さい場合には、たとえば発振信号の周波数の３倍の高調
波信号を周波数／レベル変換回路に入力する。このよう
にして、観察する試料に応じて感度を切換えることがで
き、使い勝手が向上する。なお、本発明において高調波
信号とは、元の信号の整数倍の周波数を有する信号を指
し、１倍も含む。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の走査型プローブ
顕微鏡１の実施の一形態の全体の構成を示すブロック図
である。走査型プローブ顕微鏡１は原子間力顕微鏡であ
り、試料２の表面３に、共振周波数ｆ１で機械的に振動
するカンチレバー４を有し、このカンチレバー４の先端
に取付けられる探針５を試料表面３に沿って走査し、表
面３を原子オーダの分解能で、動的観察法によって観察
する。
顕微鏡１の実施の一形態の全体の構成を示すブロック図
である。走査型プローブ顕微鏡１は原子間力顕微鏡であ
り、試料２の表面３に、共振周波数ｆ１で機械的に振動
するカンチレバー４を有し、このカンチレバー４の先端
に取付けられる探針５を試料表面３に沿って走査し、表
面３を原子オーダの分解能で、動的観察法によって観察
する。
【００２１】この走査型プローブ顕微鏡１は、発振して
カンチレバー４を共振させる機械的発振手段６と、半導
体集積回路から成り、機械的発振手段６から発振信号７
が入力され、発振信号７の周波数に応じた電圧レベルの
信号１１を出力して周波数を検出する周波数検出装置８
と、周波数検出装置８からの出力信号１１に応答して、
試料２をカンチレバー４に対して相対的に変位駆動する
位置制御機構９とを含む。周波数検出装置８は、周波数
変換回路１３と、周波数逓倍回路４３と、周波数／レベ
ル変換回路である位相同期ループ回路１４とを含む。
カンチレバー４を共振させる機械的発振手段６と、半導
体集積回路から成り、機械的発振手段６から発振信号７
が入力され、発振信号７の周波数に応じた電圧レベルの
信号１１を出力して周波数を検出する周波数検出装置８
と、周波数検出装置８からの出力信号１１に応答して、
試料２をカンチレバー４に対して相対的に変位駆動する
位置制御機構９とを含む。周波数検出装置８は、周波数
変換回路１３と、周波数逓倍回路４３と、周波数／レベ
ル変換回路である位相同期ループ回路１４とを含む。
【００２２】図２は、カンチレバー４とその付近の簡略
化した図である。カンチレバー４は、先端に探針５を有
し、駆動手段である圧電素子１５によって、試料２に近
接／離反する方向に共振周波数ｆ１で振動させられる。
化した図である。カンチレバー４は、先端に探針５を有
し、駆動手段である圧電素子１５によって、試料２に近
接／離反する方向に共振周波数ｆ１で振動させられる。
【００２３】図３は、カンチレバー４の探針（プロー
ブ）５と試料２の表面３との相互作用を説明するための
図であり、図４は、カンチレバー４の先端部５と試料２
の表面３との間の相互作用２０を模式的に説明するため
の図である。カンチレバー４を共振させた状態で、探針
５を試料表面３に近づけると、探針５先端の原子と試料
表面３の原子との間に、相互作用２０が吸引力または反
発力として作用する。
ブ）５と試料２の表面３との相互作用を説明するための
図であり、図４は、カンチレバー４の先端部５と試料２
の表面３との間の相互作用２０を模式的に説明するため
の図である。カンチレバー４を共振させた状態で、探針
５を試料表面３に近づけると、探針５先端の原子と試料
表面３の原子との間に、相互作用２０が吸引力または反
発力として作用する。
【００２４】カンチレバー４は、図４に示されるように
重錘１７が連結されたばねで近似することができ、相互
作用２０は、もう１つのばねで近似することができる。
探針５が、試料２の表面３に近づくと、相互作用による
吸引力または反発力が変化し、等価的にカンチレバー４
のばね定数が変化し、これによって共振周波数ｆ１が変
化する。相互作用２０は、探針５と試料表面３との距離
に応じて変化し、相互作用２０に応じて変化するカンチ
レバー４の共振周波数の変化を検出することによって、
試料表面３を原子レベルの分解能で観察することができ
る。
重錘１７が連結されたばねで近似することができ、相互
作用２０は、もう１つのばねで近似することができる。
探針５が、試料２の表面３に近づくと、相互作用による
吸引力または反発力が変化し、等価的にカンチレバー４
のばね定数が変化し、これによって共振周波数ｆ１が変
化する。相互作用２０は、探針５と試料表面３との距離
に応じて変化し、相互作用２０に応じて変化するカンチ
レバー４の共振周波数の変化を検出することによって、
試料表面３を原子レベルの分解能で観察することができ
る。
【００２５】図５は、カンチレバー４を共振させる機械
的発振手段６の一部の構成を示す図である。レーザ源１
８は、たとえば半導体レーザ装置であって、そのレーザ
光１９は、カンチレバー４に照射される。レーザ光１９
はカンチレバー４によって反射され、ミラー２１によっ
て反射され、受光素子２２に受光される。受光素子２２
は、一対のフォトダイオード２３，２４を有する。フォ
トダイオード２３，２４の各出力は、差動増幅器２５に
与えられ、これによって、カンチレバー４の周期変位を
表す発振信号２６が得られる。こうしてカンチレバー４
の変位は、ミラー２１および受光素子２２を含む光てこ
によって拡大して検出され、カンチレバー４の周期変位
を高精度で検出することができる。
的発振手段６の一部の構成を示す図である。レーザ源１
８は、たとえば半導体レーザ装置であって、そのレーザ
光１９は、カンチレバー４に照射される。レーザ光１９
はカンチレバー４によって反射され、ミラー２１によっ
て反射され、受光素子２２に受光される。受光素子２２
は、一対のフォトダイオード２３，２４を有する。フォ
トダイオード２３，２４の各出力は、差動増幅器２５に
与えられ、これによって、カンチレバー４の周期変位を
表す発振信号２６が得られる。こうしてカンチレバー４
の変位は、ミラー２１および受光素子２２を含む光てこ
によって拡大して検出され、カンチレバー４の周期変位
を高精度で検出することができる。
【００２６】再び図１を参照して、機械的発信手段６に
よるカンチレバー４の機械的発信動作について説明す
る。機械的発信手段６からの制御信号２８が圧電素子１
５を駆動制御して、カンチレバー４を共振させる。カン
チレバー４は、調和振動系を構成し、カンチレバー４が
共振するとき、カンチレバー４からの発信信号である差
動増幅器２５の出力信号２６は、圧電素子１５を駆動制
御する信号２８に対して９０度の位相遅れを生じる。差
動増幅器２５からの発振信号２６は、位相シフタ２９に
与えられ、ここで位相が９０度遅延される。位相シフタ
２９の出力は、振幅制御装置３１に与えられて反転さ
れ、これによってさらに１８０度の位相遅れを生じる。
このようにして、圧電素子１５に制御信号２８が正帰還
され、カンチレバー４の機械的発振動作が継続される。
よるカンチレバー４の機械的発信動作について説明す
る。機械的発信手段６からの制御信号２８が圧電素子１
５を駆動制御して、カンチレバー４を共振させる。カン
チレバー４は、調和振動系を構成し、カンチレバー４が
共振するとき、カンチレバー４からの発信信号である差
動増幅器２５の出力信号２６は、圧電素子１５を駆動制
御する信号２８に対して９０度の位相遅れを生じる。差
動増幅器２５からの発振信号２６は、位相シフタ２９に
与えられ、ここで位相が９０度遅延される。位相シフタ
２９の出力は、振幅制御装置３１に与えられて反転さ
れ、これによってさらに１８０度の位相遅れを生じる。
このようにして、圧電素子１５に制御信号２８が正帰還
され、カンチレバー４の機械的発振動作が継続される。
【００２７】図６は、カンチレバー４の共振周波数の変
化を示すグラフである。カンチレバー４を無限遠で共振
周波数ｆ１で共振させた状態で、探針５を観察可能な距
離まで試料表面３に相対的に近づけると、前述したよう
に、探針５と試料２との間に相互作用が生じ、変化量Δ
ｆだけ共振周波数が変化し、カンチレバー４の共振周波
数ｆ１が共振周波数ｆ５となる。
化を示すグラフである。カンチレバー４を無限遠で共振
周波数ｆ１で共振させた状態で、探針５を観察可能な距
離まで試料表面３に相対的に近づけると、前述したよう
に、探針５と試料２との間に相互作用が生じ、変化量Δ
ｆだけ共振周波数が変化し、カンチレバー４の共振周波
数ｆ１が共振周波数ｆ５となる。
【００２８】カンチレバー４を共振させる差動増幅器２
５からの発振信号２６と同じ発振信号７が周波数検出装
置８に入力され、周波数検出装置８からは、入力される
周波数に応じた電圧レベルの信号１１が出力される。
５からの発振信号２６と同じ発振信号７が周波数検出装
置８に入力され、周波数検出装置８からは、入力される
周波数に応じた電圧レベルの信号１１が出力される。
【００２９】探針５は、位置制御機構９によって、試料
表面３に沿ってｘｙ方向に走査される。このとき、カン
チレバー４の共振周波数が、前記共振周波数ｆ５に保た
れるようにフィードバック制御される。すなわち、無限
遠での共振周波数ｆ１と、探針５を試料表面３に近接し
たときの共振周波数ｆ５との差である変化量△ｆが一定
の値に保たれるように、周波数検出装置８からの出力信
号１１に基づき、位置制御機構９によって上下方向であ
るｚ方向に試料２を変位させ、探針５と試料２との間の
距離をフィードバック制御する。このとき、位置制御機
構９のｘｙ方向の移動量と、ｚ方向の移動量とに基づい
て試料表面３の画像を形成する。
表面３に沿ってｘｙ方向に走査される。このとき、カン
チレバー４の共振周波数が、前記共振周波数ｆ５に保た
れるようにフィードバック制御される。すなわち、無限
遠での共振周波数ｆ１と、探針５を試料表面３に近接し
たときの共振周波数ｆ５との差である変化量△ｆが一定
の値に保たれるように、周波数検出装置８からの出力信
号１１に基づき、位置制御機構９によって上下方向であ
るｚ方向に試料２を変位させ、探針５と試料２との間の
距離をフィードバック制御する。このとき、位置制御機
構９のｘｙ方向の移動量と、ｚ方向の移動量とに基づい
て試料表面３の画像を形成する。
【００３０】図７は、周波数検出装置８の位相同期ルー
プ回路１４に入力される周波数と、出力される信号１１
の電圧レベルとの関係を示すグラフである。このグラフ
から分かるように、出力信号１１の電圧レベルは入力さ
れる周波数に応じて変化し、入力される周波数変化量が
小さい場合には出力信号１１の変化量も小さくなり、逆
に入力される周波数の変化量が大きい場合は出力される
信号１１の変化量が大きくなる。
プ回路１４に入力される周波数と、出力される信号１１
の電圧レベルとの関係を示すグラフである。このグラフ
から分かるように、出力信号１１の電圧レベルは入力さ
れる周波数に応じて変化し、入力される周波数変化量が
小さい場合には出力信号１１の変化量も小さくなり、逆
に入力される周波数の変化量が大きい場合は出力される
信号１１の変化量が大きくなる。
【００３１】前述したように、本発明の走査型プローブ
顕微鏡１では、周波数検出装置８からの出力信号１１に
基づいて、カンチレバー４の共振周波数の変化量Δｆが
一定となるように制御するので、顕微鏡１の感度を向上
させるには、機械的発振手段６からの発振信号７の周波
数の変化が小さい場合であっても、出力信号１１の変化
量を大きくさせる必要がある。
顕微鏡１では、周波数検出装置８からの出力信号１１に
基づいて、カンチレバー４の共振周波数の変化量Δｆが
一定となるように制御するので、顕微鏡１の感度を向上
させるには、機械的発振手段６からの発振信号７の周波
数の変化が小さい場合であっても、出力信号１１の変化
量を大きくさせる必要がある。
【００３２】図８の上の図は、無限遠でのカンチレバー
４の共振周波数ｆ１を１００．０ｋＨｚとし、観察可能
な距離まで探針５を試料表面３に近接させたときの共振
周波数ｆ５が９９．５ｋＨｚであるときの機械的発振手
段６からの発振信号７の波形を示すグラフである。この
とき、共振周波数の変化量Δｆは−０．５ｋＨｚとな
る。
４の共振周波数ｆ１を１００．０ｋＨｚとし、観察可能
な距離まで探針５を試料表面３に近接させたときの共振
周波数ｆ５が９９．５ｋＨｚであるときの機械的発振手
段６からの発振信号７の波形を示すグラフである。この
とき、共振周波数の変化量Δｆは−０．５ｋＨｚとな
る。
【００３３】ここで、この発振信号の周波数を、たとえ
ば３倍に逓倍すると、図８の下のグラフに示されるよう
に、共振周波数ｆ１は、３００．０ｋＨｚとなり、共振
周波数ｆ５は２９８．５ｋＨｚとなるので、共振周波数
の変化量Δｆは−１．５ｋＨｚとなり、変化量も３倍に
拡大されることになる。このように、入力信号の周波数
の変化量が３倍になると、図７のグラフからも分かるよ
うに、周波数検出装置８から出力される信号の電圧レベ
ルも３倍となる。
ば３倍に逓倍すると、図８の下のグラフに示されるよう
に、共振周波数ｆ１は、３００．０ｋＨｚとなり、共振
周波数ｆ５は２９８．５ｋＨｚとなるので、共振周波数
の変化量Δｆは−１．５ｋＨｚとなり、変化量も３倍に
拡大されることになる。このように、入力信号の周波数
の変化量が３倍になると、図７のグラフからも分かるよ
うに、周波数検出装置８から出力される信号の電圧レベ
ルも３倍となる。
【００３４】共振周波数の変化量Δｆを一定に保つと
は、カンチレバー４の共振周波数をｆ５に保つようにフ
ィードバック制御することである。前述したように、機
械的発振手段６からの信号の周波数を３倍に逓倍するこ
とによって、Δｆも３倍に拡大され、これによって周波
数検出装置８からの出力信号１１の変動量も３倍に拡大
されることになる。フィードバック制御および画像形成
は、周波数検出装置８の出力信号の変動量に基づいて行
われるので、出力信号の変動量が３倍に拡大されること
によって、顕微鏡１の感度を３倍に向上することができ
る。
は、カンチレバー４の共振周波数をｆ５に保つようにフ
ィードバック制御することである。前述したように、機
械的発振手段６からの信号の周波数を３倍に逓倍するこ
とによって、Δｆも３倍に拡大され、これによって周波
数検出装置８からの出力信号１１の変動量も３倍に拡大
されることになる。フィードバック制御および画像形成
は、周波数検出装置８の出力信号の変動量に基づいて行
われるので、出力信号の変動量が３倍に拡大されること
によって、顕微鏡１の感度を３倍に向上することができ
る。
【００３５】したがって、本発明では、顕微鏡１の感度
を向上させるために、機械的発振手段６からの発振信号
の整数倍の周波数を有する高調波信号を生成する周波数
逓倍回路４３を、周波数／レベル変換回路である位相同
期ループ回路１４の前段に設ける。
を向上させるために、機械的発振手段６からの発振信号
の整数倍の周波数を有する高調波信号を生成する周波数
逓倍回路４３を、周波数／レベル変換回路である位相同
期ループ回路１４の前段に設ける。
【００３６】入力信号の周波数の変化に応じた電圧レベ
ルの信号を出力する周波数／レベル変換回路としては、
前述したように、本実施形態では位相同期ループ回路
（ＰＬＬ）１４を用いる。本実施形態ではその中でも水
晶発振子４８を用いた位相同期ループ回路１４を用い
る。水晶発振子は、環境温度の変化にかかわらず、安定
した基準周波数を発振する。
ルの信号を出力する周波数／レベル変換回路としては、
前述したように、本実施形態では位相同期ループ回路
（ＰＬＬ）１４を用いる。本実施形態ではその中でも水
晶発振子４８を用いた位相同期ループ回路１４を用い
る。水晶発振子は、環境温度の変化にかかわらず、安定
した基準周波数を発振する。
【００３７】位相同期ループ回路１４は、水晶発振子４
８を備える電圧制御発振回路４６と、電圧制発振回路４
６および機械的発振手段からの発振信号が入力され、こ
れらの信号の位相差に応じた信号５１を出力する位相検
波器４５と、信号５１を濾波するローパスフィルタ５３
とを有する。ローパスフィルタ５３からの出力信号が周
波数検出装置８の出力信号１１となり、この出力信号１
１と同一の信号５４が電圧制御回路４６に入力される。
電圧制御回路４６は、入力される信号５４に応じて出力
する発振信号４７の周波数を変化させる。このようにし
て、位相検波器４５に入力される２つの発振信号の周波
数が同一となりロックされる。
８を備える電圧制御発振回路４６と、電圧制発振回路４
６および機械的発振手段からの発振信号が入力され、こ
れらの信号の位相差に応じた信号５１を出力する位相検
波器４５と、信号５１を濾波するローパスフィルタ５３
とを有する。ローパスフィルタ５３からの出力信号が周
波数検出装置８の出力信号１１となり、この出力信号１
１と同一の信号５４が電圧制御回路４６に入力される。
電圧制御回路４６は、入力される信号５４に応じて出力
する発振信号４７の周波数を変化させる。このようにし
て、位相検波器４５に入力される２つの発振信号の周波
数が同一となりロックされる。
【００３８】水晶発振子４８を用いた位相同期ループ回
路１４は、ロック可能な周波数帯域、すなわちロックレ
ンジが狭いので、入力信号がロックレンジ内に収まるよ
うに、本実施形態では機械的発振手段６からの発振信号
の周波数を変換する周波数変換回路が設けられる。
路１４は、ロック可能な周波数帯域、すなわちロックレ
ンジが狭いので、入力信号がロックレンジ内に収まるよ
うに、本実施形態では機械的発振手段６からの発振信号
の周波数を変換する周波数変換回路が設けられる。
【００３９】次に、図９と図１とを参照して、機械的発
振手段６からの発振信号７と、位相同期ループ回路１４
のロックレンジ７０との関係について説明する。差動増
幅器２５からの出力である機械的発振手段６からの発振
信号７は周波数変換回路１３の周波数混合器３８に入力
される。なお、発振信号７の周波数帯域は、無限遠での
カンチレバーの共振周波数ｆ１に、探針５が試料表面３
に近接したときの周波数の変化量Δｆを加えた周波数帯
域となる。試料表面３の凹凸によりΔｆはわずかに変動
する。
振手段６からの発振信号７と、位相同期ループ回路１４
のロックレンジ７０との関係について説明する。差動増
幅器２５からの出力である機械的発振手段６からの発振
信号７は周波数変換回路１３の周波数混合器３８に入力
される。なお、発振信号７の周波数帯域は、無限遠での
カンチレバーの共振周波数ｆ１に、探針５が試料表面３
に近接したときの周波数の変化量Δｆを加えた周波数帯
域となる。試料表面３の凹凸によりΔｆはわずかに変動
する。
【００４０】周波数変換回路１３は水晶発振子４１を有
し、予め定める局部発振周波数ｆ２を有する局部発振信
号４０を周波数混合器３８に入力する。周波数混合器３
８は、機械的発振手段６からの発振信号７と局部発振信
号４０とを乗算し、２つの中間周波数│ｆ２−（ｆ１＋
Δｆ）│,ｆ２＋（ｆ１＋Δｆ）を有する信号４２ａ,４
２ｂを出力する。そしてこれらの周波数が変換された信
号４２ａ,４２ｂが周波数逓倍回路４３に入力される。
し、予め定める局部発振周波数ｆ２を有する局部発振信
号４０を周波数混合器３８に入力する。周波数混合器３
８は、機械的発振手段６からの発振信号７と局部発振信
号４０とを乗算し、２つの中間周波数│ｆ２−（ｆ１＋
Δｆ）│,ｆ２＋（ｆ１＋Δｆ）を有する信号４２ａ,４
２ｂを出力する。そしてこれらの周波数が変換された信
号４２ａ,４２ｂが周波数逓倍回路４３に入力される。
【００４１】本実施形態では、周波数逓倍回路４３とし
てリミッタ７３を用いる。位相同期ループ回路１４の位
相検波器４５は、入力される２つの信号を乗算して位相
差を出力する。ここで、一方の信号をＡｃｏｓ（２π・
ｆ・ｔ）とし、他方の信号をＢｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ＋
φ）とすると、これらを乗算すると１／２・ＡＢｃｏｓ
（２π・ｆ＋φ）＋１／２・ＡＢｃｏｓφとなり、これ
をローパスフィルタ５３で濾波することによって第２項
の直流成分が取り出され、これによって位相差φを検出
することができる。したがって、入力される信号の振幅
Ａ,Ｂが変動すると、出力される位相差も変動すること
になるので、通常、位相同期ループ回路１４の前段には
入力される信号の振幅を予め定める振幅に制限するリミ
ッタ７３が設けられる。
てリミッタ７３を用いる。位相同期ループ回路１４の位
相検波器４５は、入力される２つの信号を乗算して位相
差を出力する。ここで、一方の信号をＡｃｏｓ（２π・
ｆ・ｔ）とし、他方の信号をＢｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ＋
φ）とすると、これらを乗算すると１／２・ＡＢｃｏｓ
（２π・ｆ＋φ）＋１／２・ＡＢｃｏｓφとなり、これ
をローパスフィルタ５３で濾波することによって第２項
の直流成分が取り出され、これによって位相差φを検出
することができる。したがって、入力される信号の振幅
Ａ,Ｂが変動すると、出力される位相差も変動すること
になるので、通常、位相同期ループ回路１４の前段には
入力される信号の振幅を予め定める振幅に制限するリミ
ッタ７３が設けられる。
【００４２】図１０は、リミッタ７３に入力される信号
波形と出力される信号波形とを示す図である。リミッタ
７３は、たとえば相互に逆極性となるように並列に接続
された一対のダイオードを有し、入力される正負の信号
の電圧を予め定める電圧に制限する。これによって、出
力される信号は図１０の下の図に示されるように方形波
となる。
波形と出力される信号波形とを示す図である。リミッタ
７３は、たとえば相互に逆極性となるように並列に接続
された一対のダイオードを有し、入力される正負の信号
の電圧を予め定める電圧に制限する。これによって、出
力される信号は図１０の下の図に示されるように方形波
となる。
【００４３】このような方形は、図１１に示すように１
倍、３倍、５倍、…と入力された周波数の奇数倍の高調
波成分が含まれている。つまり、リミッタ７３は周波数
逓倍回路４３としての機能も有し、本実施形態では、周
波数逓倍回路を別途に設けるのでなく、リミッタ７３を
周波数逓倍回路として用いる。そして、このリミッタ７
３から出力される高調波信号を位相同期ループ回路１４
に入力する。リミッタ７３から出力される高調波成分は
図１１から分かるように、１倍、３倍、５倍と拡大され
るにつれて振幅が小さくなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなるの
で、本実施形態では、２以上の整数倍に逓倍される高調
波信号のうち、最も小さい高調波信号、すなわち３倍の
高調波信号を位相同期ループ回路１４に入力するように
する。
倍、３倍、５倍、…と入力された周波数の奇数倍の高調
波成分が含まれている。つまり、リミッタ７３は周波数
逓倍回路４３としての機能も有し、本実施形態では、周
波数逓倍回路を別途に設けるのでなく、リミッタ７３を
周波数逓倍回路として用いる。そして、このリミッタ７
３から出力される高調波信号を位相同期ループ回路１４
に入力する。リミッタ７３から出力される高調波成分は
図１１から分かるように、１倍、３倍、５倍と拡大され
るにつれて振幅が小さくなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなるの
で、本実施形態では、２以上の整数倍に逓倍される高調
波信号のうち、最も小さい高調波信号、すなわち３倍の
高調波信号を位相同期ループ回路１４に入力するように
する。
【００４４】図９に示すように、周波数変換回路１３で
生成された２つの中間周波数の信号４２ａ,４２ｂを有
する信号がリミッタ７３に入力されると、各信号４２
ａ,４２ｂがそれぞれ奇数倍され、たとえば１倍の信号
４４ａ，４４ｂ、３倍の信号４４ｃ，４４ｄ、５倍の信
号４４ｅ，４４ｆが生成される。本実施形態では、３倍
の高調波信号のうちいずれか一方、たとえば周波数が高
い方の信号４４ｄを位相同期ループ回路１４に入力す
る。
生成された２つの中間周波数の信号４２ａ,４２ｂを有
する信号がリミッタ７３に入力されると、各信号４２
ａ,４２ｂがそれぞれ奇数倍され、たとえば１倍の信号
４４ａ，４４ｂ、３倍の信号４４ｃ，４４ｄ、５倍の信
号４４ｅ，４４ｆが生成される。本実施形態では、３倍
の高調波信号のうちいずれか一方、たとえば周波数が高
い方の信号４４ｄを位相同期ループ回路１４に入力す
る。
【００４５】つまり、位相同期ループ回路１４のロック
レンジ７０に信号４４ｄの周波数帯域が含まれるよう
に、周波数変換回路１３で周波数を変換する。このよう
にして、機械的発振手段６からの信号の３倍の高調波信
号のみが位相同期ループ回路１４に入力されて、周波数
に応じた電圧レベルの信号が出力信号１１として出力さ
れる。
レンジ７０に信号４４ｄの周波数帯域が含まれるよう
に、周波数変換回路１３で周波数を変換する。このよう
にして、機械的発振手段６からの信号の３倍の高調波信
号のみが位相同期ループ回路１４に入力されて、周波数
に応じた電圧レベルの信号が出力信号１１として出力さ
れる。
【００４６】出力信号１１は、制御回路５６に入力さ
れ、この制御回路５６にはまた、目標設定回路６１か
ら、周波数ｆ５に対応する予め定める電圧レベルの目標
値信号７１が入力される。制御回路５６は、出力信号１
１と目標値信号７１との差を０にするような制御信号６
２を導出する。制御信号６２は増幅器６３に与えられて
増幅し、増幅された信号７２は位置制御機構９のｚ方向
駆動機構６４を動作させる。こうして探針５と試料表面
３との距離が、目標値設定回路６１で設定された電圧に
対応する値に保たれる。また、位置制御機構９は、試料
２をｚ方向に垂直なｘ方向おとびｙ方向に駆動するｘｙ
駆動機構６５も含む。各駆動機構６４,６５は、たとえ
ば圧電素子、ボイスコイルなどによって実現される。
れ、この制御回路５６にはまた、目標設定回路６１か
ら、周波数ｆ５に対応する予め定める電圧レベルの目標
値信号７１が入力される。制御回路５６は、出力信号１
１と目標値信号７１との差を０にするような制御信号６
２を導出する。制御信号６２は増幅器６３に与えられて
増幅し、増幅された信号７２は位置制御機構９のｚ方向
駆動機構６４を動作させる。こうして探針５と試料表面
３との距離が、目標値設定回路６１で設定された電圧に
対応する値に保たれる。また、位置制御機構９は、試料
２をｚ方向に垂直なｘ方向おとびｙ方向に駆動するｘｙ
駆動機構６５も含む。各駆動機構６４,６５は、たとえ
ば圧電素子、ボイスコイルなどによって実現される。
【００４７】前述した周波数変換回路１３は、局部発振
器３９の局部発振周波数４０によって機械的発振手段６
からの周波数を中間周波数に変換するので、この局部発
振周波数を変えることによって中間周波数を変えること
ができる。たとえば、局部発信器３９の水晶発振子４１
からの発振信号を、分周することによって、局部発振周
波数を変えることができる。
器３９の局部発振周波数４０によって機械的発振手段６
からの周波数を中間周波数に変換するので、この局部発
振周波数を変えることによって中間周波数を変えること
ができる。たとえば、局部発信器３９の水晶発振子４１
からの発振信号を、分周することによって、局部発振周
波数を変えることができる。
【００４８】したがって、この局部発振周波数を変える
ことによって、周波数逓倍された複数の信号のうち、い
ずれか１つを選択的に位相同期ループ回路１４のロック
レンジ内に納めるようにすることができる。本実施形態
では、切換えスイッチ（図示せず）を用いて３倍の高調
波信号４４ｄと、１倍の信号４４ｂとを選択して位相同
期ループ回路１４のロックレンジ内に納めるようにす
る。
ことによって、周波数逓倍された複数の信号のうち、い
ずれか１つを選択的に位相同期ループ回路１４のロック
レンジ内に納めるようにすることができる。本実施形態
では、切換えスイッチ（図示せず）を用いて３倍の高調
波信号４４ｄと、１倍の信号４４ｂとを選択して位相同
期ループ回路１４のロックレンジ内に納めるようにす
る。
【００４９】これによって、たとえば探針５先端の原子
と試料表面３との間の相互作用２０が大きい状態で観察
する場合など、周波数の変化量Δｆが大きく、３倍に拡
大した周波数の変化量３×Δｆが、ロックレンジ７０よ
り大きくなる場合には、切換えスイッチによって１倍の
信号４４ｂを位相同期ループ回路１４に入力する。ま
た、このような切換えは、１倍と３倍との切換えに限ら
ず、１倍と３倍と５倍などであっても良い。
と試料表面３との間の相互作用２０が大きい状態で観察
する場合など、周波数の変化量Δｆが大きく、３倍に拡
大した周波数の変化量３×Δｆが、ロックレンジ７０よ
り大きくなる場合には、切換えスイッチによって１倍の
信号４４ｂを位相同期ループ回路１４に入力する。ま
た、このような切換えは、１倍と３倍との切換えに限ら
ず、１倍と３倍と５倍などであっても良い。
【００５０】図１２は、本発明の実施の他の形態の走査
型プローブ顕微鏡８０の構成を示すブロック図である。
走査型プローブ顕微鏡８０は、前述した走査型プローブ
顕微鏡１に類似し、周波数検出装置８３のみ、異なるの
で、対応する構成には同一の参照符号を付し、説明を省
略する。
型プローブ顕微鏡８０の構成を示すブロック図である。
走査型プローブ顕微鏡８０は、前述した走査型プローブ
顕微鏡１に類似し、周波数検出装置８３のみ、異なるの
で、対応する構成には同一の参照符号を付し、説明を省
略する。
【００５１】本実施形態の周波数検出装置８３は、周波
数逓倍回路８１は先の実施形態と同様に、リミッタ８４
を用いるが、周波数／レベル変換回路は、水晶発振子を
用いない電圧制御発振回路８６を使用する位相同期ルー
プ回路であるので、図１３に示すようにロックレンジ８
５が広い。したがって、先の実施形態のように、周波数
変換回路を設けて周波数変換する必要はないが、リミッ
タ８４で生成された複数の高調波信号が周波数同期ルー
プ回路８２のロックレンジに含まれてしまう。
数逓倍回路８１は先の実施形態と同様に、リミッタ８４
を用いるが、周波数／レベル変換回路は、水晶発振子を
用いない電圧制御発振回路８６を使用する位相同期ルー
プ回路であるので、図１３に示すようにロックレンジ８
５が広い。したがって、先の実施形態のように、周波数
変換回路を設けて周波数変換する必要はないが、リミッ
タ８４で生成された複数の高調波信号が周波数同期ルー
プ回路８２のロックレンジに含まれてしまう。
【００５２】したがって、本実施形態では、リミッタ８
４と位相同期ループ回路８２との間に、予め定める周波
数帯域８７の信号のみ通過させるバンドパスフィルタ８
４を設け、複数の高調波信号のうち、予め定める単一の
高調波信号のみ位相同期ループ回路８２に入力する。本
実施形態では、通過させる高調波信号は、３倍の高調波
信号とする。また、先の実施形態と同様に、たとえば切
換えスイッチを用いて、バンドパスフィルタ８４の通過
可能の周波数帯域８７を変更可能に構成し、これによっ
てリミッタ７３で生成された複数の高調波信号から、１
倍と３倍との高調波信号を切換えて通過させるように構
成してもよい。
４と位相同期ループ回路８２との間に、予め定める周波
数帯域８７の信号のみ通過させるバンドパスフィルタ８
４を設け、複数の高調波信号のうち、予め定める単一の
高調波信号のみ位相同期ループ回路８２に入力する。本
実施形態では、通過させる高調波信号は、３倍の高調波
信号とする。また、先の実施形態と同様に、たとえば切
換えスイッチを用いて、バンドパスフィルタ８４の通過
可能の周波数帯域８７を変更可能に構成し、これによっ
てリミッタ７３で生成された複数の高調波信号から、１
倍と３倍との高調波信号を切換えて通過させるように構
成してもよい。
【００５３】上述した各実施形態では、周波数検出回路
の周波数／レベル変換回路は位相同期ループ回路を用い
たが、本発明はこのような形態に限らず、入力される周
波数の変化に応じて出力される信号のレベルが変化する
ものであれば良く、たとえば周波数カウンタ、レシオ検
波器、クアドラチャ検波器などの周波数検出回路であっ
ても良い。
の周波数／レベル変換回路は位相同期ループ回路を用い
たが、本発明はこのような形態に限らず、入力される周
波数の変化に応じて出力される信号のレベルが変化する
ものであれば良く、たとえば周波数カウンタ、レシオ検
波器、クアドラチャ検波器などの周波数検出回路であっ
ても良い。
【００５４】また、上述した各実施形態では、周波数逓
倍回路として入力される信号の奇数倍の周波数を有する
高調波信号を生成するリミッタを用いたが、本発明はこ
のような形態に限らず、入力される信号の周波数の整数
倍の高調波信号を生成するものであれば良い。
倍回路として入力される信号の奇数倍の周波数を有する
高調波信号を生成するリミッタを用いたが、本発明はこ
のような形態に限らず、入力される信号の周波数の整数
倍の高調波信号を生成するものであれば良い。
【００５５】また本発明は、原子間力顕微鏡だけでな
く、そのほかの走査型プローブ顕微鏡、たとえば走査型
トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope、略
称ＳＴＭ）、走査型静電気力顕微鏡、走査型磁気力顕微
鏡、走査型ケルビンプローブ顕微鏡およびそのほかの構
成に関連して広範囲に実施することができる。
く、そのほかの走査型プローブ顕微鏡、たとえば走査型
トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope、略
称ＳＴＭ）、走査型静電気力顕微鏡、走査型磁気力顕微
鏡、走査型ケルビンプローブ顕微鏡およびそのほかの構
成に関連して広範囲に実施することができる。
【００５６】
【００５７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、周波数逓
倍回路によって、周波数変換回路からの信号の高調波信
号を周波数／レベル変換回路に入力するので、入力され
る信号の周波数の変化量が拡大され、出力される信号の
レベルの変化も拡大される。これによって、機械的発振
手段からの発振信号の周波数の変化量が小さい場合であ
っても、出力される信号の変化を大きくし、走査型プロ
ーブ顕微鏡の感度を向上することができる。また、周波
数変換回路を用いて周波数を変換することによって、水
晶発振子または高安定圧電発振子により安定化された位
相同期ループ回路など、変換可能な周波数帯域が比較的
狭いが感度が高い周波数／レベル変換回路を用いること
ができ、感度をさらに向上することができる。
倍回路によって、周波数変換回路からの信号の高調波信
号を周波数／レベル変換回路に入力するので、入力され
る信号の周波数の変化量が拡大され、出力される信号の
レベルの変化も拡大される。これによって、機械的発振
手段からの発振信号の周波数の変化量が小さい場合であ
っても、出力される信号の変化を大きくし、走査型プロ
ーブ顕微鏡の感度を向上することができる。また、周波
数変換回路を用いて周波数を変換することによって、水
晶発振子または高安定圧電発振子により安定化された位
相同期ループ回路など、変換可能な周波数帯域が比較的
狭いが感度が高い周波数／レベル変換回路を用いること
ができ、感度をさらに向上することができる。
【００５８】また本発明によれば、周波数／レベル変換
回路の前段に設けられるリミッタを周波数逓倍回路とし
て用いることによって、別途に周波数逓倍回路を設ける
必要がなくなる。またこれによって、迅速にフィードバ
ック制御することができる。
回路の前段に設けられるリミッタを周波数逓倍回路とし
て用いることによって、別途に周波数逓倍回路を設ける
必要がなくなる。またこれによって、迅速にフィードバ
ック制御することができる。
【００５９】また本発明によれば、切換えスイッチによ
って感度を切換えることができ、これによって使い勝手
が向上する。
って感度を切換えることができ、これによって使い勝手
が向上する。
【００６０】
【００６１】
【００６２】
【図１】本発明の実施の一形態の走査型プローブ顕微鏡
１の全体の構成を示すブロック図である。
１の全体の構成を示すブロック図である。
【図２】カンチレバー４とその付近の簡略化した図であ
る。
る。
【図３】探針５と試料２の表面３との相互作用を説明す
るための図である。
るための図である。
【図４】探針５と試料２の表面３との間の相互作用２０
を模式的に示す図である。
を模式的に示す図である。
【図５】カンチレバー４に関連する機械的発振手段６の
一部の構成を示す図である。
一部の構成を示す図である。
【図６】探針５を試料表面３に近接させたときのカンチ
レバー４の共振周波数の変化量Δｆを示す図である。
レバー４の共振周波数の変化量Δｆを示す図である。
【図７】位相同期ループ回路１４に入力される信号の周
波数と出力される信号の電圧レベルとの関係を示すグラ
フである。
波数と出力される信号の電圧レベルとの関係を示すグラ
フである。
【図８】機械的発振手段６からの発振信号７と、発振信
号７を３倍に周波数逓倍した信号を示す図である。
号７を３倍に周波数逓倍した信号を示す図である。
【図９】機械的発振手段６からの発振信号７、周波数変
換回路１３からの中間周波数の信号４４ａ,４４ｂ、周
波数逓倍回路４３からの高調波信号４４ａ〜４４ｆおよ
び位相同期ループ回路１４のロックレンジ７０の各周波
数帯域を示す図である。
換回路１３からの中間周波数の信号４４ａ,４４ｂ、周
波数逓倍回路４３からの高調波信号４４ａ〜４４ｆおよ
び位相同期ループ回路１４のロックレンジ７０の各周波
数帯域を示す図である。
【図１０】リミッタ７３に入力する信号と、出力された
信号の波形を示す図である。
信号の波形を示す図である。
【図１１】方形波に含まれる高調波信号を示す図であ
る。
る。
【図１２】本発明の他の実施形態の走査型プローブ顕微
鏡８０の全体の構成を示すブロック図である。
鏡８０の全体の構成を示すブロック図である。
【図１３】機械的発振手段６からの発振信号７、周波数
逓倍回路８１からの高調波信号８８ａ〜８８ｃ、バンド
パスフィルタ８４、および位相同期ループ回路８２のロ
ックレンジ８５の各周波数帯域を示す図である。
逓倍回路８１からの高調波信号８８ａ〜８８ｃ、バンド
パスフィルタ８４、および位相同期ループ回路８２のロ
ックレンジ８５の各周波数帯域を示す図である。
１ 走査型プローブ顕微鏡 ２ 試料 ３ 表面 ４ カンチレバー ５ 探針 ６ 機械的発振手段 ８，８３ 周波数検出装置 ９ 位置制御機構 １３ 周波数変換回路 １４，８２ 位相同期ループ回路 ４３，８１ 周波数逓倍回路 ７３ リミッタ ８４ フィルタ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−319024（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−147949（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−239329（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−136596（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 21/30 G01B 7/34 H01J 37/28 G01F 1/84 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (6)
- 【請求項１】 探針と試料との距離に応じて共振周波数
が変化する機械的共振部と、 機械的共振部を共振させるとともに、機械的共振部の共
振周波数の発振信号を出力する機械的発振手段と、 機械的発振手段からの発振信号の高調波信号を生成する
周波数逓倍回路、および周波数逓倍回路からの高調波信
号の周波数の変化に応じて出力信号の信号レベルが変化
する周波数／レベル変換回路を備える周波数検出装置
と、 周波数／レベル変換回路からの出力信号に応答して、機
械的共振部が予め定める一定の共振周波数で振動するよ
うに探針と試料との距離を制御する位置制御機構とを含
み、 周波数／レベル変換回路は、水晶発振子または高安定圧
電発振子を備える電圧制御発振回路を用いた位相同期ル
ープ回路であり、 周波数検出装置は、 予め定める単一の高調波信号の周波数帯域のみが、周波
数／レベル変換回路の変換可能な周波数帯域内に含まれ
るように、機械的発振手段からの発振信号の周波数を変
換する周波数変換回路であって、局部発振器を有し、機
械的発振手段からの発振信号を、局部発振器より発振さ
れる局部発振信号と混合することにより、周波数／レベ
ル変換回路の変換可能な周波数帯域内の周波数に変換し
て周波数逓信回路に与える周波数変換回路を備えること
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記周波数逓倍回路は、周波数変換回路
からの信号の振幅を、予め定める大きさに制限するリミ
ッタであることを特徴とする請求項１記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。 - 【請求項３】 周波数逓倍回路で生成された複数の高調
波信号から、いずれか単一の高調波信号を選択して周波
数／レベル変換回路に入力する切換えスイッチを備え、
この切換えスイッチを切換えることによって、周波数／
レベル変換回路へ入力する高調波信号を切換えることを
特徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微
鏡。 - 【請求項４】 探針と試料との距離に応じて共振周波数
が変化する機械的共振部と、 機械的共振部を共振させるとともに、機械的共振部の共
振周波数の発振信号を出力する機械的発振手段と、 機械的発振手段からの発振信号の高調波信号を生成する
周波数逓倍回路、および周波数逓倍回路からの高調波信
号の周波数の変化に応じて出力信号の信号レベルが変化
する周波数／レベル変換回路を備える周波数検出装置
と、 周波数／レベル変換回路からの出力信号に応答して、機
械的共振部が予め定める一定の共振周波数で振動するよ
うに探針と試料との距離を制御する位置制御機構とを含
む走査型プローブ顕微鏡に用いられる周波数検出装置に
おいて、 周波数／レベル変換回路は、水晶発振子または高安定圧
電発振子を備える電圧制御発振回路を用いた位相同期ル
ープ回路であり、 予め定める単一の高調波信号の周波数帯域のみが、周波
数／レベル変換回路の変換可能な周波数帯域内に含まれ
るように、機械的発振手段からの発振信号の周波数を変
換する周波数変換回路であって、局部発振器を有し、機
械的発振手段からの発振信号を、局部発振器より発振さ
れる局部発振信号と混合することにより、周波数／レベ
ル変換回路の変換可能な周波数帯域内の周波数に変換し
て周波数逓信回路に与える周波数変換回路を備えること
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡に用いられる周波数
検出装置。 - 【請求項５】 前記周波数逓倍回路は、周波数変換回路
からの信号の振幅を、予め定める大きさに制限するリミ
ッタであることを特徴とする請求項４記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡に用いられる周波数検出装置。 - 【請求項６】 周波数逓倍回路で生成された複数の高調
波信号から、いずれか単一の高調波信号を選択して周波
数／レベル変換回路に入力する切換えスイッチを備え、
この切換えスイッチを切換えることによって、周波数／
レベル変換回路へ入力する高調波信号を切換えることを
特徴とする請求項４または５記載の走査型プローブ顕微
鏡に用いられる周波数検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29878199A JP3219194B2 (ja) | 1999-10-20 | 1999-10-20 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29878199A JP3219194B2 (ja) | 1999-10-20 | 1999-10-20 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001116679A JP2001116679A (ja) | 2001-04-27 |
| JP3219194B2 true JP3219194B2 (ja) | 2001-10-15 |
Family
ID=17864146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29878199A Expired - Fee Related JP3219194B2 (ja) | 1999-10-20 | 1999-10-20 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3219194B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005111563A1 (ja) * | 2004-05-14 | 2005-11-24 | Japan Science And Technology Agency | 位相同期回路を用いた高感度力・質量検出方法および装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100458363B1 (ko) * | 2001-07-20 | 2004-11-26 | 학교법인 한양학원 | 비접촉형 원자간력 현미경에 공진신호에 동기화된구형파를 공급하는 장치 및 방법 |
| WO2004105230A1 (ja) * | 2003-05-22 | 2004-12-02 | Japan Science And Technology Agency | Ｆｍ信号復調方法及びその装置 |
| JP5311405B2 (ja) * | 2009-08-24 | 2013-10-09 | 国立大学法人京都大学 | 振動体の周波数検出装置、原子間力顕微鏡、振動体の周波数検出方法およびプログラム |
-
1999
- 1999-10-20 JP JP29878199A patent/JP3219194B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005111563A1 (ja) * | 2004-05-14 | 2005-11-24 | Japan Science And Technology Agency | 位相同期回路を用いた高感度力・質量検出方法および装置 |
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| JP2001116679A (ja) | 2001-04-27 |
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