JP3827925B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

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）等の走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、試料へのアプローチを開始してから測定可能状態に至るまでの時間を短縮した走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。筐体１の上部にはＺ軸ボイスコイルモータ３が取付けられている。ボイスコイルモータ３の可動子部品４にはスピンドル８が固着されており、スピンドル８の下側端部には、カンチレバー１０を支持するカンチレバーホルダ９が装着されている。
【０００３】
筐体１は、試料室に突出する細管１３およびこれに連なるスキャナ外筒１５を有し、スキャナ外筒１５の内側にはスキャナ内筒１４が粘性体１７を介して支持されている。前記スピンドル８は第１、第２のばね１１、１２によりスキャナ内筒１４に対して弾性的に支持されている。前記スキャナ外筒１５の外側であって粘性体１７に対向する位置には加熱ヒータ１６が巻回されている。
【０００４】
前記筐体１の横部にはＸ軸ボイスコイルモータ７が取付けられている。図示は省略したが、前記ボイスコイルモータ７と９０°異なる方向にはＹ軸ボイスコイルモータが取付けられている。Ｙ軸ボイスコイルモータは前記Ｘ軸ボイスコイルモータ７と同一または同等の構成を有する。
【０００５】
カンチレバー１０をステージ３１上の試料３０に近付ける粗動アプローチでは、ＣＰＵ５６が温度設定部６１に粗動温度Ｔa を設定する。スキャナ外筒１５に巻回されたヒータ１６には電流源６５から電流が供給され、粘性体１７が軟化するまでスキャナ外筒１５が加熱される。スキャナ外筒１５の温度は温度センサ１８により検知され、その制御は温度設定部６１、温度データ変換部６２、比較器６３、ＰＩ制御部６４および電流源６５により行われる。
【０００６】
粘性体１７が軟化すると、目標値設定部５２に目標値がセットされて電流源５４がオンされる。この結果、ボイスコイルモータ３のコイル６に電流が流れて可動子４およびスピンドル８が駆動される。スピンドル８は、ばね１１、１２を介してスキャナ内筒１４に接続されているので、粘性体１７が軟化していると、スキャナ内筒１４が外筒１５からずれて降下する。
【０００７】
カンチレバー１０が試料３０に接触すると、カンチレバー１０からカンチレバーホルダ９を介して出力される観察信号が目標値設定部５２に設定された目標値と比較器５１において比較される。比較器５１から出力される誤差信号はＰＩ（比例積分）制御部５３に入力される。ＰＩ制御部５３は、カンチレバー１０が試料３０に一定の力で接するように電流源５４を制御する。
【０００８】
ＣＰＵ５６は、ＰＩ制御部５３の出力信号をＡ／Ｄ変換器５５を介して読み込み、カンチレバー１０が試料３０にアプローチしたか否かを判定する。アプローチが完了すると、ＣＰＵ５６は温度設定部６１に予熱温度Ｔb を設定する。この予熱温度Ｔb は粗動温度Ｔa より約１０°Ｃ程度低く、予熱温度Ｔb では粘性体１７が硬化してスキャナ内筒１４が外筒１５に固定される。
【０００９】
スキャナ内筒１４がスキャナ外筒１５に固定されると、Ｘ，Ｙの各ボイスコイルモータに走査信号を供給してカンチレバー１０を試料表面でＸ，Ｙ方向に走査し、ＰＩ制御部５３の信号をＡ／Ｄ変換器５５を介して取込み、試料３０の表面形状を測定する。測定データはメモリ５７に蓄えられる。
【００１０】
ところで、粘性体１７を硬化させるために外筒１５の温度を低下させると、その過程において、温度低下による粘性体１７および外筒１５の収縮により測定結果が誤差を含むことになる。すなわち、温度ドリフトが生じる。したがって、観察時にはスキャナ外筒１５を予熱温度Ｔb に維持する温度制御が継続的に行われる。これにより、スキャナ外筒１５の温度が十分に低下して粘性体１７およびスキャナ外筒１５の収縮が収束するまで待機する必要がなくなるので、試料へのアプローチを開始してから測定可能状態に至るまでの時間を短縮できる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術では、アプローチ終了後の観察時もスキャナ外筒１５の温度を予熱温度に保持するために、電流源６５が温度センサ１８の検知信号に基づいて動的に制御され続ける。このため、温度制御回路系にノイズが混入すると、検出信号とノイズとの合成信号に対してＰＩ制御が実行されてしまい、観察信号がノイズ成分を含んで観察像のＳ／Ｎが低下してしまうという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、試料へのアプローチを開始してから測定できる状態に至るまでの時間を短縮した走査型プローブ顕微鏡において、観察信号へのノイズの混入を防止してＳ／Ｎの高い観察を可能にすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、筐体に固定されたスキャナ外筒と、スキャナ外筒の内部に収容されたスキャナ内筒と、スキャナ内筒の一端に設けられたスキャナと、前記スキャナ内筒およびスキャナ外筒の間に挿入された粘性体と、前記スキャナ外筒を加熱して前記粘性体の粘度を調整する加熱手段とを含み、前記スキャナを試料表面で走査して試料の表面形状を観察する走査型プローブ顕微鏡において、前記スキャナ外筒の温度を代表する温度信号に基づいて前記加熱手段を制御する温度制御手段を具備し、前記温度制御手段は温度信号をホールドするサンプル・ホールド回路を含み、試料の表面形状を観察する際は、前記サンプル・ホールド回路によりホールドされた温度信号に基づいて加熱手段を制御することを特徴とする。
【００１４】
上記した特徴によれば、試料の表面形状を観察する際は、温度制御手段による温度制御が静的に行われるので、温度制御回路系からのノイズの発生が抑制され、Ｓ／Ｎの高い観察が可能になる。
【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実施形態の構成を示したブロック図である。
【００１６】
温度データ変換部６２は温度センサ１８の検出信号を電圧データに変換する。サンプル・ホールド回路６６は、温度データ変換部６２から出力される温度データを所定のタイミングでサンプリングし、かつホールドする。比較器６３はサンプル・ホールド回路６６の出力と温度設定部６１で設定された温度とを比較し、前者が後者より大きければ降温制御信号、小さければ昇温制御信号を出力する。比較器６３の出力はＰＩ制御部６４で比例積分され、電流源６５を制御する。この制御により、スキャナ外筒１５は温度設定部６１に設定された温度に保持される。他の構成は既に説明されているので説明を省略する。
【００１７】
次に、本実施形態の動作を、図３のフローチャートおよび図４のタイミングチャートを参照して説明する。図４の縦軸は前記サンプル・ホールド回路６６から出力される温度データ、横軸は時間を示している。
【００１８】
ステップＳ１において、アプローチ開始の指示が検出されると、ステップＳ２では、温度設定部６１に粗動温度Ｔa がセットされる。ステップＳ３では電流源６５の制御が開始され、ヒータ１６に電流が供給される。温度センサ１８はスキャナ外筒１５の温度を検知し、温度信号を温度データ変換部６２およびＣＰＵ５６へ供給する。サンプル・ホールド回路６６は、温度データ変換部６２の出力信号をそのまま出力する。最初はスキャナ外筒１５の温度が粗動温度Ｔa より低いので、比較器６３からは昇温信号が出力され、ＰＩ制御部６４は昇温制御を動的に実行する。
【００１９】
以上の動作が続けられ、ステップＳ４においてスキャナ外筒１５の温度が粗動温度Ｔa に達すると、粘性体１７が既に軟化しているのでステップＳ５へ進み、電流源５４の制御が開始される。これにより、スキャナ内筒１４が外筒１５からずれて降下し始める。
【００２０】
ステップＳ６では、粗動によるアプローチが完了したか否かが判定され、完了するまで前記粗動によるアプローチが継続される。その後、ステップＳ６においてアプローチの完了が検知されると、ステップＳ７では、温度設定部６１に予熱温度Ｔb がセットされる。ステップＳ８では、スキャナ外筒１５を予熱温度Ｔb まで低下させるＰＩ制御が開始される。この結果、スキャナ外筒１５の温度は、図４に示したように徐々に低下する。
【００２１】
その後、ステップＳ９において、スキャナ外筒温度が予熱温度Ｔb まで低下し、かつ図４の時刻ｔ0 で観察開始が指示され、これがステップＳ１０において検知されると、ステップＳ１１では、温度データ変換部６２から出力されている温度データがサンプル・ホールド回路６６によりサンプリングされてホールドされる。したがって、これ以後は温度センサ１８により検知されているスキャナ外筒温度１５の実際の温度とは無関係に、サンプル・ホールド回路６６および比較器６３の出力が一定になるので、ＰＩ制御部６４による電流源６５の制御も静的に行われるようになる。すなわち、電流源６５は一定電流を出力し続ける。
【００２２】
ステップＳ１２では観察が実行され、カンチレバーホルダ９から出力される観察信号が比較器５１、ＰＩ制御部５３およびＡ／Ｄ変換器５５を介してＣＰＵ５６に取り込まれ、試料表面の形状データとしてメモリ５７に蓄えられる。
【００２３】
本実施形態によれば、カンチレバー１０の試料３０へのアプローチが終了して観察が開始されると、スキャナ外筒温度の制御が静的に行われるので、温度制御回路系内で発生したノイズが電流源６５に入力されず、Ｓ／Ｎの高い観察が可能になる。
【００２４】
図２は、本発明の第２実施形態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５は、電流源６５に入力される電流データの変化を示した図である。
【００２５】
本実施形態では、ＰＩ制御部６４の出力信号をサンプリングしてホールドするサンプル・ホールド回路６７を設けている。サンプル・ホールド回路６７は、図５の時刻ｔ1 においてアプローチが完了して観察が開始されると、ＰＩ制御部６４から出力される電流データをサンプリングし、かつホールドする。したがって、時刻ｔ1 以降は電流源６５に入力される電流データが一定となり、電流源６５は一定電流を出力し続けることになる。
【００２６】
本実施形態によれば、観察中は電流源６５に入力される制御信号が一定値に保持され、電流源６５の出力電流が一定になるので、温度制御回路系内で発生したノイズが観察信号に混入せず、Ｓ／Ｎの高い観察が可能になる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、観察中はスキャナ外筒の温度制御が静的に行われ、電流源の出力電流が一定に保持されるので、観察信号へのノイズの混入が防止されてＳ／Ｎの高い観察が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態のブロック図である。
【図３】第１実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】第１実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】第２実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】従来装置のブロック図である。
【符号の説明】
１…筐体、３，７…ボイスコイルモータ、６…コイル、１４…スキャナ内筒、１５…スキャナ外筒、１６…ヒータ、１８…温度センサ、３０…試料、５６…ＣＰＵ、６１…温度設定部、６２…温度データ変換部、６３…比較器、６４…ＰＩ制御部、６５…電流源、６６，６７…サンプル・ホールド回路

Claims (3)

1. 筐体に固定されたスキャナ外筒と、スキャナ外筒の内部に収容されたスキャナ内筒と、スキャナ内筒の一端に設けられたカンチレバーと、前記スキャナ内筒およびスキャナ外筒の間に挿入された粘性体と、前記スキャナ外筒を加熱して前記粘性体の粘度を調整する加熱手段とを含み、前記カンチレバーの探針を試料表面で走査して試料の表面形状を観察する走査型プローブ顕微鏡において、
   前記スキャナ外筒の温度を代表する温度信号に基づいて前記加熱手段を制御する温度制御手段を具備し、
   前記温度制御手段は、前記温度信号をホールドするサンプル・ホールド回路を含み、試料を観察する際は、前記サンプル・ホールド回路によりホールドされた温度信号に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記温度制御手段は、
   前記加熱手段に電力を供給する電流源と、
   スキャナ外筒の温度を検知する温度センサと、
   温度センサの出力信号に基づいて電流源を制御する制御手段とを含み、
   前記サンプル・ホールド回路が温度センサと制御手段との間に接続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。
3. 前記温度制御手段は、
   前記加熱手段に電力を供給する電流源と、
   スキャナ外筒の温度を検知する温度センサと、
   温度センサの出力信号に基づいて電流源を制御する制御手段とを含み、
   前記サンプル・ホールド回路が制御手段と電流源との間に接続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。

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