JP3328657B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

原子間力顕微鏡

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、探針を試料に近
付けた際に探針と試料間に働く原子間力に基づいて試料
に関する情報を取得する原子間力顕微鏡(AFM)に関
する。
【0002】
【従来の技術】 図1は従来のAFMの構成を示したも
のである。図1において、試料1は、試料を上下方向
(Z方向)に変位させるZスキャナ2の上に載置され、
Zスキャナ2は更に試料をZ方向に直交するXY平面で
移動させるXYスキャナ3の上に載置されている。Zス
キャナ2及びXYスキャナ4は、例えばピエゾ素子によ
りZ,X,Y方向に駆動される。XYスキャナ3にはX
Y走査信号発生回路4から走査信号が供給される。
【0003】5は、試料1の上に距離を隔てて配置され
一端が固定された弾性体からなるカンチレバであり、そ
の先端には探針6が針先を試料1へ向けて取り付けられ
ると共に、固定端付近に加振用のピエゾ素子7が取り付
けられている。ピエゾ素子7は、カンチレバ5が試料1
の表面に対して垂直方向に振動するように駆動する。カ
ンチレバ5の上面は反射面とされており、この面にレー
ザ光Lがレーザ光源8から照射される。カンチレバ5で
反射された反射光L´は光検出器9に到達して検出され
る。光検出器9は例えば2分割フォトダイオードから成
り、カンチレバ5の振動に基づく反射光L´の位置変化
を検出する。
【0004】得られた検出信号は、カンチレバ5の固有
振動数付近の信号のみを通過させるバンドパスフィルタ
を備えた前置増幅器10,位相器11,波形整形器12
及びアッテネータ13を介してピエゾ素子7へ送られ
る。
【0005】14は、波形整形器12よりの周波数信号
を電圧信号に変換するFM復調器である。誤差増幅器1
5は、FM復調器14よりの電圧信号Vf と基準電圧信
号Vo との差信号を求め、得られた差信号はフィルタ1
6を介してZピエゾ駆動回路17へ送られる。18はフ
ィルタ16を介して取り出された差信号に基づいて像を
作成する像作成回路である。
【0006】上記構成において、カンチレバ5はピエゾ
素子7により周期的にたわめられ、振動する。振動によ
りカンチレバ5の先端が上下動すると、光検出器9に到
達する反射光L´の位置が変化し、その位置変化に対応
した検出信号が光検出器9から得られる。
【0007】このようにして得られた光検出器9の出力
信号は、前置増幅器10のバンドパスフィルタによりカ
ンチレバ5の固有振動数付近の周波数のみが取り出さ
れ、位相器11,波形整形器12及びアッテネータ13
を介して駆動信号としてピエゾ素子7へ供給されるた
め、正帰還の垂直方向自励発振系が形成され、その結果
カンチレバ5はその固有振動数またはその付近の周波数
で振動を続ける。前記位相器11においては、この発振
系が最大の正帰還になるように位相が調整され、また、
アッテネータ13においては、カンチレバ5の振動振幅
が適当な大きさになるように振幅が調整される。
【0008】このようにしてカンチレバ5が一定振幅で
振動を続けている状態で、試料1を試料1と探針6間に
原子間力が働く距離間で探針側に近付けると共に、XY
スキャナ4によりXY方向に2次元走査すると、カンチ
レバ5の固有振動数は、試料1との距離に応じて探針6
に作用する原子間力の勾配(force gradient)の影響を
受けて見掛上低下し、カンチレバ5はその低下した振動
数で振動するようになる。この振動数は、試料1と探針
6との距離が小さくなると低く、距離が大きくなると高
くなり、原子間力が無視できる距離ではカンチレバ5の
固有振動数またはその付近の周波数に一致する。
【0009】この振動の情報を持つ前記波形整形回路1
2の出力信号は、FM復調器14により振動周波数に応
じた電圧Vf に変換され、誤差増幅器15はこの電圧V
f と基準電圧Vo との差信号を求めてフィルタ16を介
してZスキャナ駆動回路17へ供給するため、振動数に
応じて探針6と試料の距離を制御する帰還制御ループが
形成されることになり、探針6と試料1の距離は、基準
電圧Vo で決まる所定の値に維持される。
【0010】例えば、試料1の表面に凸部があり、XY
スキャナによる2次元走査に伴って探針と試料との距離
が小さくなってカンチレバ5の振動数が低い方向へ変化
すると、電圧Vf が低下して差信号が増加し、直ちにZ
スキャナ2が試料1を下げて探針6との距離が大きくな
るように帰還制御されるため、探針6と試料1の距離
は、基準電圧Vo で決まる所定の値に維持される。この
ような制御が常に行われるのでZスキャナ駆動回路17
へ供給される帰還信号(差信号)は、試料表面の凹凸に
対応したものとなり、この帰還信号を像作成回路18に
XYスキャナによる2次元走査に関連して画像信号とし
て取り込み、取り込んだ画像信号に基づいて画像表示を
行えば、原子間力に基づく試料表面の凹凸像を表示する
ことができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、従来
の原子間力顕微鏡においては、カンチレバ5を試料1の
表面に対して垂直方向にのみ振動させているので、検出
できる力勾配は垂直成分に限られる。そのため、試料1
0の凹凸が激しい場合には、XYスキャナ3による試料
1のスキャンによって水平方向の力が増大し、探針6が
試料1の表面に接触してしまい、良好な試料像が得られ
なくなる。特に、超高真空下での観察において探針が試
料に接触すると、探針の先端が変形したり、探針が試料
に吸着(結合)してカンチレバの振動が停止することが
ある。
【0012】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、凹凸が激しい試料の観察において
も、探針が試料に接触することのない原子間力顕微鏡を
提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】 この目的を達成する本
発明の原子間力顕微鏡は、一端が固定されたカンチレバ
と、該カンチレバの他端に固定された探針と、前記カン
チレバを試料面に対して略直交する方向に振動させる第
1の振動手段と、前記カンチレバを試料面に対して略平
行な方向に振動させる第2の振動手段と、前記カンチレ
バの前記直交方向の振動数と前記平行方向の振動数を検
出する手段と、該手段の出力に基づいて試料と探針との
間の相対的な距離を変化させる手段とを備えたことを特
徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】 以下、図面を参照して本発明の
実施の形態を詳細に説明する。
【0015】図2は本発明の原子間力顕微鏡の一例を示
したものである。図2において、図1と同一番号を付し
たものは同一構成要素を示す。
【0016】図2の実施例は、図1の従来例に加えて、
カンチレバを試料面に対して略平行な方向にカンチレバ
の平行方向の固有振動数またはその付近の周波数で振動
させる正帰還の平行方向自励発振系と、カンチレバの前
記平行方向の振動数を表わす信号を電圧信号に変換する
FM復調器26と、このFM復調器26の出力信号と前
記FM復調器14の出力信号を受けて前記誤差増幅器1
5に出力を行なう変位量比較器27とを備えている。前
記平行方向自励発振系は、カンチレバ5の側面に取り付
けられカンチレバ5を試料面に対して略平行な方向にカ
ンチレバの固有振動数またはその付近の周波数で振動さ
せる加振用ピエゾ素子19,カンチレバ5の側面にレー
ザ光LH を照射するレーザ光源20,カンチレバ5の側
面で反射されたレーザ光LH ´を検出する光検出器2
1,前置増幅器22,位相器23,波形整形器24及び
アッテネータ25から形成され、この平行方向自励発振
系の各構成は、従来例における垂直方向自励発振系の各
構成と同じ働きをする。また、この垂直方向自励発振系
の波形整形器24の出力は、前記アッテーネ25に送ら
れると共に前記FM復調器26にも送られる。
【0017】上記構成において、カンチレバ5は、ピエ
ゾ素子7により試料面に対して略垂直方向に周期的にた
わめられて振動すると共に、ピエゾ素子19により試料
面に対して略平行方向に周期的にたわめられて振動す
る。前記垂直方向への振動によりカンチレバ5の先端が
上下動すると、光検出器9に到達する反射光LV ´の位
置が変化し、その位置変化に対応した検出信号が光検出
器9から得られる。光検出器9の出力信号は、前置増幅
器10,位相器11,波形整形器12及びアッテネータ
13を介して駆動信号としてピエゾ素子7へ供給される
ため、正帰還の垂直方向自励発振系が形成され、その結
果カンチレバ5は垂直方向の固有振動数またはその付近
の周波数で前記垂直方向に振動を続ける。また、前記平
行方向への振動によりカンチレバ5の先端が動くと、光
検出器21に到達する反射光LH ´の位置が変化し、そ
の位置変化に対応した検出信号が光検出器21から得ら
れる。光検出器21の出力信号は、前置増幅器22,位
相器23,波形整形器24及びアッテネータ25を介し
て駆動信号としてピエゾ素子19へ供給されるため、正
帰還の平行方向自励発振系が形成され、その結果カンチ
レバ5は平行方向の固有振動数またはその付近の周波数
で前記平行方向に振動を続ける。
【0018】このようにしてカンチレバ5が一定振幅で
垂直方向及び平行方向に各々の固有振動数で振動を続け
ている状態で、試料1を試料1と探針6間に原子間力が
働く距離間で探針側に近付けると共に、XYスキャナ4
によりXY方向に2次元走査すると、カンチレバ5の垂
直方向及び平行方向の固有振動数は、試料1との距離に
応じて探針6に作用する原子間力の勾配(force gradie
nt)の影響を受けて見掛上低下し、カンチレバ5はその
低下した振動数で振動するようになる。
【0019】このカンチレバの垂直方向の振動の情報を
持つ波形整形器12の出力信号は、FM復調器14によ
り振動周波数に応じた電圧VVfに変換され、この電圧信
号VVfは変位量比較器27に送られる。また、カンチレ
バの平行方向の振動の情報を持つ波形整形器24の出力
信号は、FM復調器26により振動周波数に応じた電圧
Hfに変換され、この電圧信号VHfは変位量比較器27
に送られる。変位量比較器27は、FM復調器26から
の電圧信号VHfが基準電圧VH0よりも小さくなると、す
なわち、探針が試料表面の急激な凸部に近付いてカンチ
レバの平行方向の振動数が所定の振動数よりも小さくな
ると、電圧信号VHfに定数Kを掛け、FM復調器14か
らの電圧信号VVfからK・VHfを減算した信号(VVf
K・VHf
)を誤差増幅器15に送る。誤差増幅器15はこの電圧
(VVf−K・VHf)と基準電圧Vo との差信号を求めて
フィルタ16を介してZスキャナ駆動回路17へ供給す
るため、Zスキャナ2が試料1を下げて探針6との距離
が大きくなるように帰還制御される。そのため、探針が
試料表面の急激な凸部に差し掛かっても探針が試料に接
触することはない。
【0020】また、この帰還信号を像作成回路18にX
Yスキャナによる2次元走査に関連して画像信号として
取り込み、取り込んだ画像信号に基づいて画像表示を行
えば、原子間力に基づく試料表面の凹凸像を表示するこ
とができる。
【0021】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種
々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、カ
ンチレバの変位検出に光てこ方式を採用しているが、光
干渉、静電容量方式等の他の方式でも良い。また、平行
方向にはカンチレバのたわみ振動を用いているが、ねじ
れ振動による力勾配を検出しても良い。さらにまた、上
記実施の形態では、試料をXY方向に移動させたが、探
針を移動させるようにしても良い。
【0022】
【発明の効果】 本発明においては、カンチレバを試料
面に対して略直交する方向と試料面に対して略平行な方
向に振動させ、カンチレバに働く垂直方向と平行方向の
原子間力に基づいて試料と探針との間の相対的な距離を
変化させるようにしたので、試料面に激しい凹凸があっ
ても探針が試料に接触することはなく、良好な試料像を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の原子間力顕微鏡を示した図である。
【図2】本発明の原子間力顕微鏡の一例を示した図であ
る。
【符号の説明】 1…試料、2…Zスキャナ、3…Zスキャナ、4…XY
スキャナ、5…カンチレバ、6…探針、7,19…ピエ
ゾ素子、8,20…レーザ光源、9,21…光検出器、
10,22…前置増幅器、11,23…位相器、12,
24…波形整形器、13,25…アッテネータ、14,
26…FM復調器、15…誤差増幅器、16…フィル
タ、17…Zピエゾ駆動回路17、18…像作成回路,
27…変位量比較器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一端が固定されたカンチレバと、該カン
    チレバの他端に固定された探針と、前記カンチレバを試
    料面に対して略直交する方向に振動させる第1の振動手
    段と、前記カンチレバを試料面に対して略平行な方向に
    振動させる第2の振動手段と、前記カンチレバの前記直
    交方向の振動数と前記平行方向の振動数を検出する手段
    と、該手段の出力に基づいて試料と探針との間の相対的
    な距離を変化させる手段とを備えたことを特徴とする原
    子間力顕微鏡。
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