JP3573479B2

JP3573479B2 - 走査型プローブ顕微鏡およびそれを用いる測定方法

Info

Publication number: JP3573479B2
Application number: JP04557494A
Authority: JP
Inventors: 裕史宮本
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-03-16
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: JPH07253434A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、試料の表面情報を測定する走査型プローブ顕微鏡およびそれを用いる測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＢＭ社が特開昭６３−３０９８０２号公報において提案した原子間力顕微鏡の測定方法について説明する。
尖った自由端部を有する片持ちばりを、自由端部の原子と試料表面の原子との間に原子間力が作用可能な距離に接近させた状態で走査する。このとき、原子間力によって生じた片持ちばりの振動数が、片持ちばりの固有振動数に対してどの程度シフトしているのかを検出する。そして、検出された振動数のシフト量を片持ちばりの自由端部と試料表面との間の距離情報として取り込むことによって、試料の表面情報が測定される。
【０００３】
片持ちばりの固有振動数に対するシフト量を検出する方法としては、例えば、固有振動数近傍の周波数で片持ちばりを振動させ、そのときの片持ちばりの自由端部の振幅変化を検出する方法が知られている。
【０００４】
図７には、ＡＣモード（ノンコンタクトモード）の走査型プローブ顕微鏡（以下、従来例と称する）の構成が示されている。
即ち、マイコン２によって制御された変調信号発生部４から出力された正弦波信号（変調信号）Ｓ３に基づいて、加振圧電体１０は、カンチレバー１１を振動させる。このとき生ずるカンチレバー１１の変位は、探針変位検出部９によって検出され、変位信号Ｓ１として振幅検出部８に出力される。振幅検出部８は、変位信号Ｓ１のうち、上記正弦波信号Ｓ３と同一周波数成分を有する信号の振幅を振幅信号Ｓ２として出力する。この振幅信号Ｓ２は、Ａ／Ｄ変換部３によってデジタル変換された後、マイコン２に入力される。マイコン２は、入力したデータに基づいて、Ｘ制御部６及びＹ制御部７を介してＸＹＺ駆動圧電体１２を２次元走査させて、試料１３の表面情報を測定する。この２次元走査中、カンチレバー１１の変位情報は、上記の手順で順次マイコン２を介してホストコンピュータ１に転送され、試料１３の表面情報として画像化される。
【０００５】
なお、試料１３の表面情報の測定方法としては、コンスタント力勾配測定法とコンスタントハイト測定法が知られている。
コンスタント力勾配測定法において、マイコン２は、Ａ／Ｄ変換部３を介して出力されるデータに基づいて、振幅信号Ｓ２が一定値に保持されるようにＺ制御部５を制御して、ＸＹＺ駆動圧電体１２をＺ方向（即ち、カンチレバー１１に接近する方向）に伸縮させる。この場合、マイコン２には、Ｚ制御部５を制御する際のＺ制御データが測定データとして取り込まれる。
【０００６】
一方、コンスタントハイト測定法において、マイコン２は、一定の周波数で振動しているカンチレバー１１の振動中心と試料１３表面との間の距離を固定した状態でＸＹ走査させる。この場合、マイコン２には、振幅検出部８からＡ／Ｄ変換部３を介して出力された振幅信号Ｓ２が測定データとして取り込まれる。
【０００７】
図８には、振幅検出部８の回路構成が示されている。
即ち、バンドパスフィルタ１４は、探針変位検出部９から出力された変位信号Ｓ１から正弦波信号Ｓ３と同一周波数成分を有するバンドパス信号Ｓ８（図９（ａ）参照）を検出する。バンドパスフィルタ１４から出力されたバンドパス信号Ｓ８は、絶対値回路１５によって絶対値信号Ｓ９（図９（ｂ）参照）に変換される。そして、正弦波信号Ｓに比べてカットオフ周波数が２桁以上低く設定されたローパスフィルタ１６によって、絶対値信号Ｓ９に対する実効値が検出され、その実効値信号が振動の振幅信号Ｓ２（図９（ｃ）参照）として出力される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例に適用された振幅検出部８において、ローパスフィルタ１６は、正弦波信号Ｓに比べてカットオフ周波数が２桁以上低く設定されているため、振幅信号（実効値信号）Ｓ２の周波数応答が遅延してしまうという問題がある。即ち、カンチレバー１１の走査速度を上げると、２次元走査時間内に現れる低い周波数特性が、時間軸方向に詰まった状態で、あたかも高周波成分の如く現れるため、ローパスフィルタ１６は、この周波数成分をカットしてしまう。この結果、試料１３（図７参照）の微細な表面情報を高精度に測定することができなくなってしまうという問題がある。
【０００９】
従って、試料１３表面の微細な力の変化を検出するためには、ＸＹＺ駆動圧電体１２（図７参照）の２次元走査速度を２桁以上遅くしなければならない。本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、走査速度を上げた場合でも、試料の微細な表面情報を高精度に測定することができる走査型プローブ顕微鏡および測定方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーを振動させる振動体と、カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査手段と、カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、変位検出手段から出力される変位信号のピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出手段と、振幅検出手段から出力される振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御手段とを備えていることを特徴とする。
また、本発明の別の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーを振動させる振動体と、カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査手段と、カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、変位検出手段から出力される変位信号の上端側ピーク値と下端側ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出手段と、振幅検出手段から出力される振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御手段とを備えていることを特徴とする。
また、本発明の別の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーを振動させる振動体と、カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査手段と、カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、変位検出手段から出力される変位信号の上端側ピーク値と下端側ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号を出力する振幅検出手段と、振幅検出手段から出力される上端側ピーク値の信号と下端側ピーク値の信号を別々にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された上端側ピーク値の信号と下端側ピーク値の信号を演算処理して、上端側ピーク値と下端側ピーク値の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する処理手段と、処理手段から出力される振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御手段とを備えていることを特徴とする。
さらに、本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法は、カンチレバーを振動させる振動工程と、カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査工程と、カンチレバーの振動変位を検出する変位検出工程と、変位検出工程で得られた変位信号のピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出工程と、振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御工程とを有していることを特徴とする。
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡を用いた別の測定方法は、カンチレバーを振動させる振動工程と、カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査工程と、カンチレバーの振動変位を検出する変位検出工程と、変位検出工程で得られた変位信号の上端側ピーク値と下端側ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出工程と、振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御工程とを有していることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明においては、カンチレバーを振動させながら試料に対して相対的に走査させ、走査中に生じるカンチレバーの振動変位を検出し、その変位信号のピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として一定のタイミングで出力するとともに、その振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する。
本発明においては、または、カンチレバーを振動させながら試料に対して相対的に走査させ、走査中に生じるカンチレバーの振動変位を検出し、その変位信号の上端側ピーク値と下端側ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力するとともに、その振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する。
本発明においては、または、カンチレバーを振動させながら試料に対して相対的に走査させ、走査中に生じるカンチレバーの振動変位を検出し、その変位検出手段から出力される変位信号の上端側ピーク値と下端側ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号を出力し、上端側ピーク値の信号と下端側ピーク値の信号を別々にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された上端側ピーク値の信号と下端側ピーク値の信号を演算処理して、上端側ピーク値と下端側ピーク値の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力するとともに、その振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の第１の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡について、図１ないし図３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡は、振幅検出部３０の改良に係り、他の構成は上記従来例（図７参照）と同一であるため、同一符号を付してその説明を省略する。
【００１３】
図２及び図３に示すように、本実施例に適用された振幅検出部３０は、バンドパスフィルタ１４と、このバンドパスフィルタ１４から出力されたバンドパス信号Ｓ８の各周波数毎（又は、必要なタイミングに応じた瞬間の各周波数毎）のピーク値をホールドするピークホールド回路３１と、このピークホールド回路３１を駆動制御することによって、バンドパス信号Ｓ８の各周波数毎のピーク値をホールドするタイミング及びピーク値をホールドした信号を振動振幅（振幅信号Ｓ２）として出力するタイミングを制御するタイミング制御回路３２とを備えている。
【００１４】
バンドパスフィルタ１４は、探針変位検出部９（図１参照）から出力された変位信号Ｓ１から正弦波信号Ｓ３と同一周波数成分を有するバンドパス信号Ｓ８を検出して出力する。
【００１５】
バンドパスフィルタ１４から出力されたバンドパス信号Ｓ８は、ピークホールド回路３１及びタイミング制御回路３２に夫々入力される。
タイミング制御回路３２に入力されたバンドパス信号Ｓ８は、まず、コンパレータ２３によって、例えばＧＮＤレベルと比較され、ＧＮＤレベルよりも高い周波数成分はＨ（ハイ）、低い周波数成分はＬ（ロー）に変換されたデジタル信号として出力される。このとき出力されたデジタル信号がサンプルホールド制御信号Ｓ１０である。
【００１６】
コンパレータ２３から出力されたサンプルホールド制御信号Ｓ１０は、ワンショットマルチバイブレータ２４及び後述するピークホールド回路３１に夫々入力される。
【００１７】
ワンショットマルチバイブレータ２４は、サンプルホールド制御信号Ｓ１０の立ち上がりを利用して、Ｈレベル幅が時間ｔ３としたパルス信号を出力する。このＨレベル幅（時間ｔ３）は、バンドパス信号Ｓ８の１／４周期以内で且つバンドパス信号Ｓ８の各周波数成分のピーク値に至る前にＨからＬに切り換わっていることが条件となる。
【００１８】
ワンショットマルチバイブレータ２４から出力されたパルス信号は、次に、ディレイＩＣ２５によって、時間ｔ２だけ遅延される。即ち、パルス信号は、後述するピークホールド回路３１によってピーク値をホールドする際に要する時間以上遅延されることになる。この結果、信号ホールドに対する精度的な安全性が確保されることになる。
【００１９】
このディレイＩＣ２５から出力された信号は、リセット信号Ｓ１１であり、アナログスイッチ２０は、このリセット信号Ｓ１１によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。即ち、リセット信号Ｓ１１がＨレベルの間（即ち、時間ｔ３）、アナログスイッチ２０はＯＮ状態となり、Ｌレベルの間（即ち、時間（ｔ１−ｔ３））、ＯＦＦ状態となる。
【００２０】
ここで、アナログスイッチ２０がＯＦＦ状態の間（即ち、時間（ｔ１−ｔ３）の間）、バンドパスフィルタ１４からピークホールド回路３１に入力されたバンドパス信号Ｓ８は、まず、ダイオード１７、コンデンサ１８及びバッファアンプ２１によって、そのピーク値がホールドされる。
【００２１】
一方、アナログスイッチ２０がＯＮ状態の間（即ち、時間ｔ３の間）、コンデンサ１８に蓄えられた電荷は、アナログスイッチ２０から抵抗１９を介して放電（ピーク値のリセット）される。
【００２２】
このとき、バッファアンプ２１から出力される信号は、ピーク値がホールドされた信号即ちピークホールド信号Ｓ１２であり、このピークホールド信号Ｓ１２は、アナログスイッチ２０がＯＮ状態となるｔ２時間前のサンプルホールド制御信号Ｓ１０の立ち上がりのタイミングに同期して、サンプルホールドアンプ２２にホールドされる。
【００２３】
サンプルホールドアンプ２２は、コンパレータ２３から出力されるサンプルホールド制御信号Ｓ１０が、Ｈレベルの間ホールド状態、Ｌレベルの間サンプル状態となる。
【００２４】
このとき、サンプルホールドアンプ２２は、バンドパス信号Ｓ８の各周期ｔ１毎にバンドパス信号Ｓ８の振幅値を更新して出力する。このときサンプルホールドアンプ２２から出力された信号Ｓ２が、バンドパス信号Ｓ８の周期ｔ１遅れの振幅信号Ｓ２となる。
【００２５】
サンプルホールドアンプ２２から出力された振幅信号Ｓ２は、Ａ／Ｄ変換部３（図１参照）によってデジタル変換された後、マイコン２（図１参照）に振幅値データとして取り込まれ、ホストコンピュータ１（図１参照）によって画像化される。
【００２６】
このように本実施例によれば、ピークホールド回路３１は、タイミング制御回路３２から出力されるバンドパス信号Ｓ８に対応したリセット信号Ｓ１１によって、ピーク値のホールドとリセットが制御されているため、走査速度を上げた場合でも、試料の微細な表面情報を高精度に測定することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することが可能となる。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施例の構成に限定されることはなく、以下のように構成することも可能である。
即ち、上記振幅検出部３０（図１及び図２参照）では、バンドパス信号Ｓ８の上端ピーク値をホールドしたが、更に、ダイオード１７を逆向きに配置した下端ピーク値をホールドする回路と、上端ピーク信号と下端ピーク信号を差動増幅する差動増幅回路とを付加して、この差動増幅回路によって差動増幅した信号を振幅信号Ｓ２として用いることも可能である。そして、上記実施例と同様に、かかる振幅信号Ｓ２をＡ／Ｄ変換し、振幅値データとしてマイコン２に取り込んで画像化する。
【００２８】
このような構成によれば、検出する振幅領域が大きくなるため、検出感度即ち分解能を向上させることが可能となる。なお、他の効果は、上記実施例と同様であるため、その説明は省略する。
【００２９】
なお、本変形例において、上端ピーク信号と下端ピーク信号を差動増幅回路によって差動増幅した振幅信号Ｓ２として取り込む代わりに、上端ピーク信号と下端ピーク信号を別々にＡ／Ｄ変換し、マイコン２内部又はホストコンピュータ１内部において演算処理を施して差動増幅データを得ることも可能である。
【００３０】
本発明の第２の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡について、図４ないし図６を参照して説明する。
図４に示すように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡は、振幅検出部４０の改良に係り、他の構成は上記従来例（図７参照）と同一であるため、同一符号を付してその説明を省略する。
【００３１】
図５及び図６に示すように、本実施例に適用された振幅検出部４０は、バンドパスフィルタ１４と、このバンドパスフィルタ１４から出力されたバンドパス信号Ｓ８の各周波数毎（又は、必要なタイミングに応じた瞬間の各周波数毎）のピーク値をホールドするピークホールド回路４１とを備えている。
【００３２】
また、本実施例において、アナログスイッチ２０は、マイコン２（図４参照）から出力されるリセット信号Ｓ７によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。
ここで、リセット信号Ｓ７がＬレベル即ちアナログスイッチ２０がＯＦＦ状態の間、バンドパスフィルタ１４からピークホールド回路４１に入力されたバンドパス信号Ｓ８は、まず、ダイオード１７、コンデンサ１８及びバッファアンプ２１によって、そのピーク値がホールドされる。
【００３３】
一方、リセット信号Ｓ７がＨレベル即ちアナログスイッチ２０がＯＮ状態の間、コンデンサ１８に蓄えられた電荷は、アナログスイッチ２０から抵抗１９を介して放電（ピーク値のリセット）される。
【００３４】
このとき、バッファアンプ２１から出力される信号は、ピーク値がホールドされたピークホールド信号であり、本実施例では、このピークホールド信号を上記振幅信号Ｓ２として利用している。
【００３５】
バッファアンプ２１から出力された振幅信号Ｓ２は、次に、Ａ／Ｄ変換部３（図４参照）によってデジタル変換されることになるが、このＡ／Ｄ変換部３は、マイコン２（図４参照）から出力されるＡ／Ｄ変換信号Ｓ１４（図６参照）に基づいて駆動制御されている。
【００３６】
このＡ／Ｄ変換信号Ｓ１４は、マイコン２から一定のタイミング、即ち、試料１３（図４参照）上の測定点間の走査時間に対応したタイミング（全走査時間を測定点の個数で割り算して得られる時間に対応したタイミング）で出力されている。
【００３７】
そして、上記リセット信号Ｓ７のＨレベル成分は、Ａ／Ｄ変換信号Ｓ１４の出力タイミングに対して時間ｔ４だけ前に、マイコン２から出力される。換言すれば、アナログスイッチ２０がＯＦＦ（リセット）状態となってからウェイト時間ｔ４経過した後、マイコン２がＡ／Ｄ変換信号Ｓ１４を出力することになる。このとき、ウェイト時間ｔ４とバンドパス信号Ｓ８の周期ｔ１との間の関係は、
ウェイト時間ｔ４＞周期ｔ１
に規定されている。
【００３８】
ウェイト時間ｔ４を上記関係に規定することによって、リセットしてからＡ／Ｄ変換するまでの間に、ピークホールド回路４１には、バンドパス信号Ｓ８の１周期分のピーク値がホールドされる。
【００３９】
マイコン２によってＡ／Ｄ変換部３をタイミング制御することによって、バッファアンプ２１から出力された振幅信号Ｓ２は、所定のタイミングでデジタル変換され、振幅値データとしてマイコン２に取り込まれる。このとき、マイコン２に取り込まれたデータは、Ａ／Ｄ変換する直前のバンドパス信号Ｓ８の振幅値データとなっている。
【００４０】
このように本実施例によれば、ピークホールド回路４１は、マイコン２から出力されるリセット信号Ｓ１１によって、そのピーク値のホールドとリセットが制御されているため、２次元走査速度を上げた場合でも、試料の微細な表面情報を高精度に測定することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することが可能となる。更に、本実施例によれば、第１の実施例に適用されたタイミング制御回路３２が不要となるため、回路構成を簡略化させることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施例の構成に限定されることはなく、以下のように構成することも可能である。
即ち、上記振幅検出部４０（図４及び図５参照）では、バンドパス信号Ｓ８の上端側ピーク値をホールドしたが、更に、ダイオード１７を逆向きに配置した下端側ピーク値をホールドする回路と、上端ピーク信号と下端ピーク信号を差動増幅する差動増幅回路とを付加して、この差動増幅回路によって差動増幅した信号を振幅信号Ｓ２として用いることも可能である。そして、上記実施例と同様に、かかる振幅信号Ｓ２をＡ／Ｄ変換し、振幅値データとしてマイコン２に取り込んで画像化する。
【００４２】
このような構成によれば、検出する振幅領域が大きくなるため、検出感度即ち分解能を向上させることが可能となる。なお、他の効果は、上記実施例と同様であるため、その説明は省略する。
【００４３】
なお、本変形例において、上端ピーク信号と下端ピーク信号を差動増幅回路によって差動増幅した振幅信号Ｓ２として取り込む代わりに、上端ピーク信号と下端ピーク信号を別々にＡ／Ｄ変換し、マイコン２内部又はホストコンピュータ１内部において演算処理を施して差動増幅データを得ることも可能である。
【００４４】
また、本発明は、上記第１及び第２の実施例の構成に限定されることはなく、以下のように構成することも可能である。
例えば、バンドパスフィルタ１４の代わりに、例えばハイパスフィルタ等の他のフィルタ手段を適用すること、マイコン２の代わりに例えばデジタル信号処理用プロセッサ（ＤＳＰ）等の他の制御ＩＣを適用すること、あるいは、各実施例に適用された基本的なピークホールド回路３１，４１を更に高精度にするための応用回路に置き換えること等も可能である。
【００４５】
また、上記第１及び第２の実施例では、カンチレバー１１を変調するＡＣモードＡＦＭについて説明したが、カンチレバーに限らず、例えばＸＹＺ駆動圧電体１２等の他の微動手段を変調させるモードのＳＰＭ全般に応用することが可能である。
【００４６】
更に、ＡＦＭに限らず、例えばＳＴＭや、探針位置やバイアス電圧を変調させてトンネル電流の変調成分を検出するトンネル分光測定等にも応用することが可能である。
【００４７】
また、本発明は、以下のように構成することも可能である。
（１）尖った先端を有するカンチレバーと、
このカンチレバーを振動させる振動体と、
前記カンチレバーを試料に対して相対的に走査させる走査手段と、
この走査手段によって走査させることによって生じる前記カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、
この変位検出手段から出力された変位信号のピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出手段と、
この振幅検出手段から出力された前記振幅信号に基づいて、試料の表面情報を測定する制御手段とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
（２）前記振幅検出手段には、前記変位検出手段から出力された変位信号の各周期毎のピーク値をホールドするピークホールド回路と、このピークホールド回路を駆動制御することによって、前記変位信号の各周期毎のピーク値をホールドするタイミング及びピーク値をホールドした信号を振幅信号として出力するタイミングを制御するタイミング制御回路とを備えていることを特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡。
（３）前記制御手段には、前記振幅検出手段を制御することによって、前記変位検出手段から出力された変位信号の各周期毎のピーク値をホールドするタイミング及びピーク値をホールドした信号を振幅信号として出力するタイミングを制御するタイミング制御部が設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡。
（４）尖った先端を有するカンチレバーと、
このカンチレバーを振動させる振動体と、
前記カンチレバーを試料に対して相対的に走査させる走査手段と、
この走査手段によって走査させることによって生じる前記カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、
この変位検出手段から出力された変位信号の上端及び下端ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端及び下端ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出手段と、
この振幅検出手段から出力された前記振幅信号に基づいて、試料の表面情報を測定する制御手段とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
（５）前記振幅検出手段には、前記変位検出手段から出力された変位信号の各周期毎の上端及び下端ピーク値をホールドするピークホールド回路と、このピークホールド回路を駆動制御することによって、前記変位信号の各周期毎の上端及び下端ピーク値をホールドするタイミング、及び、上端及び下端ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として出力するタイミングを制御するタイミング制御回路とを備えていることを特徴とする上記（４）に記載の走査型プローブ顕微鏡。
（６）前記制御手段には、前記振幅検出手段を制御することによって、前記変位検出手段から出力された変位信号の各周期毎の上端及び下端ピーク値をホールドするタイミング、及び、上端及び下端ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として出力するタイミングを制御するタイミング制御部が設けられていることを特徴とする上記（４）に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【００４８】
このような構成によれば、走査速度を上げた場合でも、試料の微細な表面情報を高精度に測定することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することが可能となる。
【００４９】
また、本発明は、装置の発明に限定されることはなく、以下のように走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法の発明に言及することも可能である。
（１）カンチレバーを振動させる工程と、
前記カンチレバーを試料に対して相対的に走査させる工程と、
前記カンチレバーの振動変位を変位信号として検出する工程と、
前記変位信号のピーク値を一定のタイミングでホールドし、且つ、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出工程と、
前記振幅信号に基づいて、試料の表面情報を測定する工程とを有していることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
（２）前記振幅検出工程は、前記変位信号の各周期毎のピーク値をピークホールド回路によってホールドする第１の工程と、前記ピークホールド回路を駆動制御することによって、前記変位信号の各周期毎のピーク値をホールドするタイミング及びピーク値をホールドした信号を振幅信号として出力するタイミングを制御する第２の工程とを有していることを特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
（３）前記振幅検出工程は、前記変位信号の各周期毎の上端及び下端ピーク値をピークホールド回路によってホールドする第１の工程と、前記ピークホールド回路を駆動制御することによって、前記変位信号の各周期毎の上端及び下端ピーク値をホールドするタイミング、及び、上端及び下端ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として出力するタイミングを制御する第２の工程とを有していることを特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
このような測定方法によれば、走査速度を上げた場合でも、試料の微細な表面情報を高精度に測定することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、走査速度を上げた場合でも、試料の微細な表面情報を高精度に測定することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡の全体の構成を概略的に示すブロック図。
【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡に適用された振幅検出部の回路構成を示すブロック図。
【図３】図２に示す振幅検出部から振幅信号が出力されるまでの信号処理の状態を示す図。
【図４】本発明の第２の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡の全体の構成を概略的に示すブロック図。
【図５】図４に示す走査型プローブ顕微鏡に適用された振幅検出部の回路構成を示すブロック図。
【図６】図５に示す振幅検出部から振幅信号が出力されるまでの信号処理の状態を示す図。
【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡の全体の構成を概略的に示すブロック図。
【図８】図７に示す走査型プローブ顕微鏡に適用された振幅検出部の回路構成を示すブロック図。
【図９】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図８に示す振幅検出部から振幅信号が出力されるまでの信号処理の状態を示す図。
【符号の説明】
１４…バンドパスフィルタ、３０…振幅検出部、３１…ピークホールド回路、３２…タイミング制御回路、Ｓ２…振幅信号、Ｓ８…バンドパス信号。

Claims

カンチレバーと、
カンチレバーを振動させる振動体と、
カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査手段と、
カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、
変位検出手段から出力される変位信号のピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出手段と、
振幅検出手段から出力される振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御手段とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
振幅検出手段は、変位検出手段から出力される変位信号の各周期毎のピーク値をホールドするピークホールド回路と、変位信号の各周期毎のピークホールドを開始するタイミングと、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として出力するタイミングとを制御するタイミング回路とを備えており、
ピークホールド回路は、タイミング回路から出力される信号に対応して、各周期毎のピーク値のホールドとリセットを制御す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。
制御手段は、変位検出手段から出力される変位信号の各周期毎のピーク値をホールドするタイミングと、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として出力するタイミングとを制御するタイミング制御部を備えており、
振幅検出手段は、タイミング制御部から出力される信号に対応して、各周期毎のピーク値のホールドとリセットを制御す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。
カンチレバーと、
カンチレバーを振動させる振動体と、
カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査手段と、
カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、
変位検出手段から出力される変位信号の上端側ピーク値と下端側ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出手段と、
振幅検出手段から出力される振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御手段とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
振幅検出手段は、変位検出手段から出力される変位信号の各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドするピークホールド回路と、ピークホールド回路を制御駆動することによって、変位信号の各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドするタイミングと、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として出力するタイミングとを制御するタイミング回路とを備えており、
ピークホールド回路は、タイミング回路から出力される信号に対応して、各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値のホールドとリセットを制御することを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
制御手段は、変位検出手段から出力される変位信号の各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドするタイミングと、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として出力するタイミングとを制御するタイミング制御部を備えており、
振幅検出手段は、タイミング制御部から出力される信号に対応して、各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値のホールドとリセットを制御することを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
カンチレバーと、
カンチレバーを振動させる振動体と、
カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査手段と、
カンチレバーの振動変位を検出する変位検出手段と、
変位検出手段から出力される変位信号の上端側ピーク値と下端側ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号を出力する振幅検出手段と、
振幅検出手段から出力される上端側ピーク値の信号と下端側ピーク値の信号を別々にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された上端側ピーク値の信号と下端側ピーク値の信号を演算処理して、上端側ピーク値と下端側ピーク値の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する処理手段と、
処理手段から出力される振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御手段とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
振幅検出手段は、変位検出手段から出力される変位信号の各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドするピークホールド回路と、ピークホールド回路を制御駆動することによって、変位信号の各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドするタイミングを制御するタイミング回路とを備えていることを特徴とする請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
制御手段は、振幅検出手段からの振幅信号に基づいて、カンチレバーと試料の間隔を一定に保つように制御することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
カンチレバーを振動させる振動工程と、
カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査工程と、
カンチレバーの振動変位を検出する変位検出工程と、
変位検出工程で得られた変位信号のピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出工程と、
振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御工程とを有していることを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
振幅検出工程は、変位信号の各周期毎のピーク値をピークホールドする第１の工程と、変位信号の各周期毎のピーク値をホールドするタイミングと、ピーク値をホールドした信号を振幅信号として出力するタイミングとを制御する第２の工程とを有していることを特徴とする請求項１０に記載の測定方法。
カンチレバーを振動させる振動工程と、
カンチレバーと試料とを相対的に走査させる走査工程と、
カンチレバーの振動変位を検出する変位検出工程と、
変位検出工程で得られた変位信号の上端側ピーク値と下端側ピーク値を一定のタイミングでホールドして、且つ、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として一定のタイミングで出力する振幅検出工程と、
振幅信号に基づいて試料の表面情報を測定する制御工程とを有していることを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定方法。
振幅検出工程は、変位信号の各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドする第１の工程と、変位信号の各周期毎の上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドするタイミングと、上端側ピーク値と下端側ピーク値をホールドした信号の差動信号を振幅信号として出力するタイミングとを制御する第２の工程とを有していることを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
振幅信号に基づいてカンチレバーと試料の間隔を一定に保つように制御することを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれかひとつに記載の測定方法。