JP3377918B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡

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JP3377918B2
JP3377918B2 JP26754896A JP26754896A JP3377918B2 JP 3377918 B2 JP3377918 B2 JP 3377918B2 JP 26754896 A JP26754896 A JP 26754896A JP 26754896 A JP26754896 A JP 26754896A JP 3377918 B2 JP3377918 B2 JP 3377918B2
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昭彦 本間
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065—Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【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、試料表面の凹凸
に関する空間周波数が高い場合でも、その表面形状を正
確に検出できるようにした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
料表面で走査すれば試料表面と探針との間に原子間力に
基づく引力または斥力が発生するので、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軸方向へ微動させれば、
その際の微動信号、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２は、従来の走査型プローブ顕微鏡の信
号処理装置の一例を示したブロック図である。３次元試
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から出力されたレーザ光７
２の入射位置を位置検出器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。
【０００５】比較器７５から出力される誤差信号Ｓ2は
比例積分（ＰＩ）制御部７６に入力され、誤差信号Ｓ2
およびその積分値を合成した信号が、観察像信号を兼ね
たアクチュエータ駆動信号Ｓ3としてアクチュエータ駆
動増幅器７０および観察像信号増幅器７７に入力され
る。観察像信号増幅器７７では、アクチュエータ駆動信
号Ｓ3が増幅され、図示しない画像表示装置（例えば、
ＣＲＴ）へ供給される。走査信号発生部７８は、試料５
２をＸＹ方向へ微動させるための微動信号をアクチュエ
ータ駆動増幅器７０へ供給する。位置検出器７３、差動
増幅器７４、比較器７５、ＰＩ制御部７６、およびアク
チュエータ駆動増幅器７０はフイードバック回路を構成
している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図３（ａ）に示したよ
うに、試料表面の凹凸に関する空間周波数が高いと、探
針１の走査速度が比較的早くて探針１が凹凸に追従しき
れない場合や、あるいは前記フイードバック回路のゲイ
ンが不十分な場合には、撓み量信号Ｓ1と目標値との間
に誤差が生じ、同図（ｂ）に示したような誤差信号Ｓ2
が比較器７５から出力される。ＰＩ制御部７６は、この
誤差信号Ｓ2に基づいて、同図（ｃ）に示したような、
観察像信号を兼ねたアクチュエータ駆動信号Ｓ3を生成
し、前記誤差信号Ｓ2をゼロに近付けるフィードバック
制御を実行する。
【０００７】しかしながら、このようなフィードバック
制御では誤差信号Ｓ2を完全にゼロにすることができな
いため、アクチュエータ駆動信号Ｓ3では常に誤差信号
Ｓ2に相当する信号成分が不足していることになり、そ
のエッジ部分が鈍ってしまう。そして、このアクチュエ
ータ駆動信号Ｓ3は観察像信号を兼ねているために、上
記した従来技術では試料の表面形状を正確に表示するこ
とができないという問題があった。
【０００８】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、試料表面の凹凸に関する空間周波数が高い
場合でも、その表面形状を正確に検出できるようにした
走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００９】
【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軸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、試料表面と探針との間隙を代表する信号を前記予定
値を代表する信号と比較し、両者の差分を誤差信号とし
て発生する手段と、探針を試料に対して相対的にＸＹＺ
方向へ微動させる微動機構と、前記誤差信号に基づい
て、試料表面と探針との間隙を予定値に保つための制御
信号を発生するフィードバック制御手段と、前記誤差信
号を増幅する増幅手段と、前記制御信号と前記増幅手段
からの出力とを加算して前記誤差信号分の誤差のない観
察像信号を得るための合成手段とを設けた。
【００１０】このような構成において、誤差信号は、探
針によって検出された試料表面形状と実際の試料表面形
状との差を表すことになるので、この誤差信号を当該誤
差信号に基づいて生成されたフィードバック制御用の駆
動信号に合成し、この合成信号を観察像信号として供給
すれば、観察像信号上では前記誤差信号分の誤差がなく
なり、現実の試料表面形状を正確に表現できるようにな
る。
【００１１】
【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、本発明の一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。
【００１２】図２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、比較
器７５から出力される誤差信号Ｓ2を増幅する増幅器６
１と、当該増幅器６１の出力信号および前記ＰＩ制御部
７６から出力されるアクチュエータ駆動信号Ｓ3を合成
し、これを観察像信号Ｓ4として観察像信号増幅器７７
へ供給する加算器６２とを設けた点に特徴がある。
【００１３】このような構成において、探針５４を試料
５２の表面に近接させた状態て試料ステージをＸＹ方向
へ走査すると、試料表面と探針との間の原子間力によっ
てカンチレバー５３が撓み、これが位置検出器７３およ
び差動増幅器７４で検出される。探針５４と試料表面と
の間隙が前記フィードバック回路によって制御されてい
れば、作動増幅器７４から出力される撓み量信号Ｓ1 は
試料５２の表面と探針５４との間隙を代表するから、比
較器７５から出力される誤差信号Ｓ2は、探針によって
検出された試料表面形状と実際の試料表面形状との差を
表すことになる。換言すれば、ＰＩ制御部７６から出力
されるアクチュエータ駆動信号Ｓ3は、この誤差信号Ｓ2
に相当する分だけ試料５２の表面形状を正しく表現して
いないことになる。
【００１４】ところが、本実施形態では加算器６２を設
けて誤差信号Ｓ2とアクチュエータ駆動信号Ｓ3とを合成
し、これを観察像信号Ｓ4として前記アクチュエータ駆
動信号Ｓ3とは別に観察像信号増幅器７７へ供給するよ
うにしている。この結果、観察像信号Ｓ4 は、図３
（ｄ）に示したように試料５２の表面形状を正確に代表
することになる。
【００１５】また、誤差信号Ｓ2とアクチュエータ駆動
信号Ｓ3 とはそもそも用途が異なり、そのまま合成した
だけでは正確な観察像信号Ｓ4 を得ることができない場
合もある。そこで、本実施形態では比較器７５と加算器
６２との間に増幅器６１を設け、前記アクチュエータ駆
動信号Ｓ3は増幅された誤差信号Ｓ2と合成されるように
した。
【００１６】本実施形態によれば、探針５４によって検
出された試料表面形状と現実の試料表面形状との差を表
す誤差信号Ｓ2を、当該誤差信号Ｓ2に基づいて生成され
たフィードバック制御用のアクチュエータ駆動信号Ｓ3
に合成し、これを観察像信号Ｓ4として供給するように
したので、観察像信号Ｓ4上では前記誤差信号Ｓ2分の誤
差がなくなり、観察像信号Ｓ4は試料５２の表面形状を
正確に表現できるようになる。
【００１７】なお、上記した実施形態では試料表面に探
針５４を近接させるための微動機構として試料ステージ
５５を用い、この試料ステージ５５を駆動するアクチュ
エータ駆動信号Ｓ3 に誤差信号Ｓ2 が合成されるものと
して説明したが、本発明はこれのみに限定されるもので
はなく、探針を試料に対して相対的に微動させるための
駆動信号に誤差信号が合成されるのであれば、その駆動
機構はカンチレバー５３（または、探針５４そのもの）
をＺ軸方向へ駆動する機構であっても良い。
【００１８】
【発明の効果】上記したように、本発明では、試料表面
と探針との間隙を予定値と比較して得られた誤差信号
を、当該誤差信号に基づいて生成されたフィードバック
制御用の駆動信号に合成し、この合成信号を観察像信号
として供給するようにしたので、観察像信号上では前記
誤差信号分の検出誤差がなくなり、観察像信号は現実の
試料表面形状を正確に表現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態である走査型プローブ顕
微鏡の主要部の信号処理回路のブロック図である。
【図２】 従来技術の走査型プローブ顕微鏡の信号処理
回路の主要部のブロック図である。
【図３】 走査型プローブ顕微鏡の信号処理回路の主要
部の信号波形を試料の表面形状と対応させて表した図で
ある。
【符号の説明】
５２ 試料 ５３ カンチレバー ５４ 探針 ５５ ３次元試料ステージ ６１ 増幅器 ６２ 加算器 ７０ アクチュエータ駆動増幅器 ７１ レーザ発生器 ７３ 位置検出器 ７４ 差動増幅器 ７５ 比較器 ７６ 比例積分（ＰＩ）制御部 ７７ 観察像信号増幅器 ７９ 目標値設定部
───────────────────────────────────────────────────── 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 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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軸方向へ微動させながら、探針を試料表面でＸ
    Ｙ方向に走査させる走査型プローブ顕微鏡において、 試料表面と探針との間隙を代表する信号を前記予定値を
    代表する信号と比較し、両者の差分を誤差信号として発
    生する手段と、 探針を試料に対して相対的にＸＹＺ方向へ微動させる微
    動機構と、 前記誤差信号に基づいて、試料表面と探針との間隙を予
    定値に保つための制御信号を発生するフィードバック制
    御手段と、前記誤差信号を増幅する増幅手段と、 前記制御信号と前記増幅手段からの出力とを加算して前
    記誤差信号分の誤差のない観察像信号を得るための合成
    手段とを備えたことを 特徴とする走査型プローブ顕微
    鏡。
  2. 【請求項２】 自由端に前記探針が形成されたカンチレ
    バーと、 前記カンチレバーの撓み量を検出する手段とを具備し、 前記試料表面と探針との間隙は、検出されたカンチレバ
    ーの撓み量で代表される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。
  3. 【請求項３】 前記微動機構は、試料をＺ方向へ微動可
    能な試料ステージであることを特徴とする請求項１又は
    ２記載の走査型プローブ顕微鏡。
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