JP3859275B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に液中ACモード測定によって試料の表面情報を測定するための走査型プローブ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、カンチレバーの振動振幅が一定に維持されるように、探針先端と試料表面との間の位置関係をフィードバック制御しながら試料の表面情報を測定するACモードの走査型プローブ顕微鏡(ACモードSPM)が知られている(特開昭63−309803号公報参照)。
【0003】
ACモードSPMの一例としては、図2(a)に示すように、所定の液体(図示しない)を収容した試料容器2内にセットされた試料4に対して、探針6先端を一定の振動振幅でタッピング走査することによって試料4の表面情報を測定するACモードSPMがある。なお、試料容器2は、X走査信号SX 、Y走査信号SY 、Zサーボ信号SZ によってXYZ方向に変位自在なXYZスキャナ8上に支持されている。
【0004】
このようなACモードSPMにおいて、試料4に対向して配置されたカンチレバー10は、その基端が保持部材12に着脱自在に固定されており、その先端には尖鋭化した探針6が形成されている。
【0005】
保持部材12には、圧電素子14が固定されており、この圧電素子14は、励振信号発生器16を介してコンピュータ18に接続されている。この構成において、コンピュータ18からの指示信号S1に基づいて励振信号発生器16を駆動すると、この励振信号発生器16から発生した励振信号S2に基づいて圧電素子14が所定周波数で振動する。このとき、圧電素子14の振動が保持部材12を介してカンチレバー10に伝達され、カンチレバー10を所定の振幅で振動させることになる。
【0006】
このような保持部材12は、カンチレバー10の変位状態を光学的に検出するカンチレバー変位センサ20に支持されており、このカンチレバー変位センサ20は、振幅検出器22を介してサーボ回路24及びコンピュータ18に接続されている。
【0007】
振幅検出器22は、カンチレバー変位センサ20からの変位信号S3に基づいて、カンチレバー10の振幅を検出可能に構成されている。
また、サーボ回路24は、振幅検出器22からの振幅検出信号S4に基づいてZサーボ信号SZ を出力し、カンチレバー10の振動振幅が所望の値に維持されるようにXYZスキャナ8をフィードバック制御する。なお、Zサーボ信号SZ は、高圧アンプ26を介してXYZスキャナ8に印加される。
【0008】
フィードバック制御中、コンピュータ18は、高圧アンプ26を介してXYZスキャナ8にX走査信号SX 及びY走査信号SY を印加して、XYZスキャナ8をXY方向に変位させる。同時に、コンピュータ18は、X走査信号SX 、Y走査信号SY 、Zサーボ信号SZ に基づいて、試料4の表面情報(具体的には、試料4表面の三次元凹凸情報)を検出する。そして、このとき検出された試料4の表面情報に対して画像処理を施すことによって、試料4の表面画像が形成されることになる。
【0009】
次に、従来のACモードSPMの動作について、図2(a)〜(c)を参照して説明する。
まず、探針6先端と試料4表面との間に相互作用が働かない状態において、カンチレバー10を励振させる。
【0010】
カンチレバー10の振動状態は、カンチレバー変位センサ20によって検出され、その変位信号S3が振幅検出器22に出力される。
このとき、振幅検出器22は、変位信号S3に基づいてカンチレバー10の振動振幅を検出し、その振幅検出信号S4をサーボ回路24及びコンピュータ18に出力する。
【0011】
コンピュータ18は、カンチレバー10の振動振幅が一定値に維持されるように、指示信号S1を励振信号発生器16に出力する。
励振信号発生器16は、指示信号S1に基づいて演算した励振信号S2を圧電素子14に出力し、圧電素子14を所定の周波数で振動させる。
【0012】
この結果、カンチレバー10は、一定の振幅で振動することになる。なお、この場合、カンチレバー10の固有の共振点付近の周波数でカンチレバー10を振動させることが好ましい。
【0013】
カンチレバー10の振動振幅が一定状態に安定した後、コンピュータ18は、サーボ回路24を制御して、高圧アンプ26を介してZサーボ信号SZ をXYZスキャナ8に印加する。この結果、XYZスキャナ8がZ方向に変位することによって、探針6と試料4とが接近若しくは接触する。
【0014】
探針6と試料4とを接近若しくは接触させることによって、探針6先端と試料4表面との間に相互作用力が働いた場合、前述した状態(相互作用力が働かない状態)と比べて、カンチレバー10の共振点の位置が変動(シフト)する。これは、カンチレバー10の固有振動数が、探針6先端と試料4表面との間の相互作用力によって変化するためである。
【0015】
このとき、カンチレバー10の共振点のシフト量は、カンチレバー変位センサ20によって検出された後、そのシフト量データが振幅検出器22を介してコンピュータ18に入力される。
【0016】
次に、コンピュータ18に入力されたシフト量データに基づいて、探針6先端と試料4表面との間に作用する力が一定値となるように、ACモード測定の基準となるシフト量(即ち、カンチレバー10の基準振動振幅値)を決定する。
【0017】
この後、基準振動振幅値が維持されるようにフィードバック制御しながら、XYZスキャナ8にX走査信号SX 及びY走査信号SY を印加して、探針6先端を試料4表面に沿ってACモード走査(即ち、タッピング走査又は非接触走査)する。
【0018】
そして、このようなフィードバック制御中において、X走査信号SX 、Y走査信号SY 、Zサーボ信号SZ に基づいて、試料4の表面情報(具体的には、試料4表面の三次元凹凸情報)が検出されることになる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、探針6先端と試料4表面との間に働く相互作用力によって、カンチレバー10の共振点がシフトする現象(振動振幅が変化する現象)は、距離依存性と称される。
【0020】
この距離依存性は、探針6先端と試料4表面との間の距離が一定であっても、試料4の種類によって異なった特性を奏する。
このような特性は、特に、タッピング走査において、以下のような問題となって現われることが知られている。
【0021】
測定対象となるべき試料4は、その全体に亘って、必ずしも均一な硬さを有しない場合、即ち部分的に硬い部分や柔らかい部分が混在する場合がある。例えば、細胞等の生体試料は、ごく柔らかい試料であって、その全体が均等な硬さを有していない。
【0022】
このような試料4に対して、探針6の荷重を一定に維持しながらタッピング走査しても、硬い部分と柔らかい部分では、試料4に対する探針6の押し込み量が変化してしまう。換言すれば、カンチレバー10の振動振幅値が変化してしまうことになる。
【0023】
具体的に説明すると、例えば図2(b)に示すように、同一平面内に硬い部分4aと柔らかい部分4bが連続した試料4に対して、一定の振動振幅値W1でタッピング走査した場合、硬い部分4aに比べて柔らかい部分4bの押し込み量が増加するため、振動振幅値は、W1+W2となってしまう。
【0024】
従来のACモードSPMでは、カンチレバー10の振動振幅が変化した場合、基準振幅値(この例では、W1)に復帰するようにフィードバック制御される。即ち、「探針6先端と試料4表面との間の距離が小さくすると振動振幅が減少する」という距離依存性に基づいて、探針6先端と試料4表面との間の距離を小さくするようにフィードバック制御が成される。
【0025】
図2(c)には、このようなフィードバック制御の状態が示されている。
この場合、試料4の硬い部分4aから柔らかい部分4bに亘って、カンチレバー10の振動振幅が一定値に維持されるようにフィードバック制御されているため、カンチレバー10の振れ角θは、一定に保たれる。
【0026】
しかしながら、カンチレバー10の探針6が試料4に最も押し込まれたときの、撓み角は、θA からθB へ変化する(θA <θB )。なお、撓み角θA ,θB は、夫々、相互作用が働かない状態でのカンチレバー10の振動振幅の最下点ラインPとタッピング振幅の最下点ラインTとの成す角度である。
【0027】
この場合、カンチレバー10のばね定数をKとすると、探針6が試料4に加えるタッピング荷重は、KθA からKθB へ増加する(KθA <KθB )。
ACモードによるタッピング走査では、試料4に加える荷重は、常に、一定であることが好ましい。特に、生体試料等の硬い部分4aと柔らかい部分4bが混在した試料4では、試料4の損傷を防ぐためにも、試料4の全体に亘って均一な荷重でタッピング走査することが望まれている。
【0028】
しかしながら、従来のACモードSPMでは、上述したように試料4に対する探針6の荷重を一定に保つようなフィードバック制御が成されていないため、試料4の柔らかい部分4bに対して必要以上の損傷を与えてしまう場合がある。特に、タッピング走査では、探針6によって試料4表面を叩いているため、このような場合には、必要以上に試料4を傷付けてしまうことになる。
【0029】
そこで、硬い部分4aと柔らかい部分4bが混在した試料4を用いた場合であっても、試料4全体に亘って常に一定の荷重でACモード測定を行うことができる技術の開発が望まれている。
【0030】
本発明は、このような要望に答えるために成されており、その目的は、試料全体に亘って常に一定の荷重でACモード測定を行うことが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【0031】
【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、カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ACモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバーの振幅の最下点を検出可能な検出手段を備えており、検出手段により検出された試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定にし試料に加える探針の荷重を一定に維持することを特徴としている。
本発明の走査型プローブ顕微鏡はまた、カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ACモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバーにより試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定に維持するサーボ回路を備え試料に加える探針の荷重を一定に維持することを特徴としている。
本発明の走査型プローブ顕微鏡はまた、カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ACモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバーにより試料をタッピング走査する際に、カンチレバーがタッピング振幅の最下点にあるときのカンチレバーの撓み角を一定に維持し試料に加える探針の荷重を一定に維持するようサーボ回路を介してXYZスキャナのZ方向の変位を制御することを特徴としている。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡ついて、図1を参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、従来の走査型プローブ顕微鏡(図2参照)と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【0033】
図1(a)に示すように、本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡は、所定の液体(図示しない)を収容した試料容器2内にセットされた試料4に対して、カンチレバー10を励振させることによって探針6を所定の振幅で振動させがらACモード測定を行う際に、試料4に加える探針6の荷重が一定に維持されるように、カンチレバー10の振幅最下点を検出可能な検出手段即ちピーク検出器28を備えている。
【0034】
そして、ピーク検出器28によって検出された振幅最下点を一定に維持するように、サーボ回路24が、XYZスキャナ8を駆動制御するように構成されている。
【0035】
このように本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡は、従来の振幅検出器22の代わりにピーク検出器28を配置した点に特徴を有しており、他の構成は従来と同様であるため、その説明は省略する。
【0036】
次に、本実施の形態の動作を簡単に説明する。
まず、探針6先端と試料4表面との間に相互作用が働かない状態(以下、フリー状態という)において、カンチレバー10を励振させる。
【0037】
カンチレバー10の振動状態は、カンチレバー変位センサ20によって検出され、その変位信号S3がピーク検出器28に出力される。
このとき、ピーク検出器28は、変位信号S3に基づいてカンチレバー10の振動振幅の最大値と最小値を検出し、そのピーク検出信号SP をコンピュータ18に出力する。
【0038】
コンピュータ18は、ピーク検出信号SP に所定の演算処理を施して、フリー状態のカンチレバー10の振幅最下点ラインPを記憶する。
続いて、ACモード測定の基準となるカンチレバー10の振動振幅を決定した後、この基準振動振幅値が維持されるようにフィードバック制御しながら、XYZスキャナ8にX走査信号SX 及びY走査信号SY を印加して、探針6先端を試料4表面に沿ってACモード走査(本実施の形態では、タッピング走査)する。
【0039】
以下、タッピング走査の説明を簡単にするため、図1(b)に示すように、同一平面内に硬い部分4aと柔らかい部分4bが連続した試料4に対して、探針6をタッピング走査する場合について説明する。
【0040】
図1(b)に示すように、硬い部分4aの試料4表面に探針6をタッピング走査する際、カンチレバー変位センサ20からの変位信号S3に基づいて、ピーク検出器28は、タッピング振幅の最大値と最小値を検出し、そのピーク検出信号SP をコンピュータ18に出力する。
【0041】
コンピュータ18は、ピーク検出信号SP に所定の演算処理を施して、カンチレバー10のタッピング最下点ラインTを記憶する。そして、先に記憶した振幅最下点ラインPとタッピング最下点ラインTに基づいて、カンチレバー10の撓み角θA を演算する。
【0042】
そして、コンピュータ18は、この撓み角θA を維持するように、サーボ回路24を介してXYZスキャナ8をフィードバック制御しながら、XYZスキャナ8をXY方向に変位制御する。なお、このとき、カンチレバー10の振れ角は、θとなっている。
【0043】
この結果、硬い部分4aの試料4表面に対する探針6のタッピング荷重は、常に一定に維持されることになる。
このようなACモード走査中において、柔らかい部分4bの試料4が走査対象となったとき、試料4に対する探針6の押し込み量が変化してカンチレバー10の基準振動振幅値が変化する。
【0044】
このとき、コンピュータ18は、先に演算したカンチレバー10の撓み角θA が維持されるように、サーボ回路24を介してXYZスキャナ8をZ方向に変位制御する。
【0045】
この場合、柔らかい部分4bでのカンチレバーの振れ角は、硬い部分4aでの角度θからθ′に変化する(θ<θ′)ことになるが、柔らかい部分4bの試料4に探針6が最も押し込まれた際の撓み角は、“θA ”に維持される。
【0046】
この結果、柔らかい部分4bの試料4表面に対する探針6のタッピング荷重は、硬い部分4aに対する荷重と同一荷重に維持されることになる。
このように、本実施の形態によれば、距離依存性が変化してしまう場合でも、探針6が試料4にタッピングする際のカンチレバー10の撓み角θA は、常時、一定に維持されるため、試料4に加えられる探針6のタッピング荷重は、試料4全体に亘って変化しない。従って、探針6が試料4に加える荷重がACモード測定中に増加することが防止できるため、特に、培養液中の培養細胞等の表面が柔らかく壊れやすい試料4を用いた場合でも、かかる試料4を傷付けること無くACモード測定を行うことが可能となる。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、試料全体に亘って常に一定の荷重で液中ACモード測定を行うことが可能な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】(a)は、本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図、(b)は、同図(a)の走査型プローブ顕微鏡によって、硬い部分と柔らかい部分が連続している試料をACモード測定している状態を示す図。
【図2】(a)は、従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図、(b)は、試料の硬い部分と柔らかい部分において振動振幅値が変化している状態を示す図、(c)は、同図(a)の走査型プローブ顕微鏡によって、硬い部分と柔らかい部分が連続している試料をACモード測定している状態を示す図。
【符号の説明】
4 試料
6 探針
8 XYZスキャナ
10 カンチレバー
18 コンピュータ
24 サーボ回路
28 ピーク検出器
P カンチレバーの振幅最下点ライン
T タッピング最下点ライン
θA カンチレバーの撓み角

Claims (5)

  1. カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ACモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、
    カンチレバーの振幅の最下点を検出可能な検出手段を備えており、
    検出手段により検出された試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定にし試料に加える探針の荷重を一定に維持することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
  2. 前記検出手段は、前記カンチレバーの振幅の最大値と最小値を検出可能なピーク検出器を備えてい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. カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ACモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、
    カンチレバーにより試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定に維持するサーボ回路を備え試料に加える探針の荷重を一定に維持することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
  4. カンチレバーにより試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定に維持し試料に加える探針の荷重を一定に維持するようサーボ回路がXYZスキャナのZ方向の変位を制御することを特徴とする請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  5. カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ACモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、
    カンチレバーにより試料をタッピング走査する際に、カンチレバーがタッピング振幅の最下点にあるときのカンチレバーの撓み角を一定に維持し試料に加える探針の荷重を一定に維持するようサーボ回路を介してXYZスキャナのZ方向の変位を制御することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
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